阅读说明：本技术 一种基于金属梁激振放电原理的火花塞 (Spark plug based on metal beam excitation discharge principle ) 是由 刘志伟 闫晓军 漆明净 竹阳升 冷佳明 黄建媚 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于金属梁激振放电原理的火花塞,主要包括：正、负接线端,正、负电极片,中心电极,高压电容等；正接线端一侧连接外部电源正极,另一侧连接正电极片；负接线端一侧接地,另一侧分为两路,一路连接负电极片,另一路连接高压电容负极；正、负电极片右端伸出片状电极对；中心电极左端与高压电容正极连接,右端伸出金属梁,金属梁位于片状电极对中间。工作时,接线端接入高压电,片状电极对之间形成静电场,金属梁被激发稳定的振动并持续与片状电极对碰撞,在此过程中高压电容周期性充、放电,金属梁与正、负片状电极碰撞的瞬间发生电荷聚集,产生电火花,从而引燃燃气。本发明的工作电压为1kV～2kV,可有效降低升压电路的复杂度。(The invention discloses a spark plug based on the metal beam excitation discharge principle, which mainly comprises: positive and negative terminals, positive and negative electrode plates, a central electrode, a high-voltage capacitor and the like; one side of the positive terminal is connected with the positive electrode of an external power supply, and the other side of the positive terminal is connected with the positive electrode plate; one side of the negative wiring terminal is grounded, and the other side of the negative wiring terminal is divided into two paths, wherein one path is connected with the negative electrode plate, and the other path is connected with the negative electrode of the high-voltage capacitor; the right ends of the positive and negative electrode plates extend out of the sheet electrode pair; the left end of the central electrode is connected with the anode of the high-voltage capacitor, the right end of the central electrode extends out of the metal beam, and the metal beam is positioned in the middle of the sheet electrode pair. When the gas-fired boiler works, the wiring terminal is connected with high voltage electricity, an electrostatic field is formed between the sheet electrode pairs, the metal beam is excited to stably vibrate and continuously collide with the sheet electrode pairs, the high-voltage capacitor is periodically charged and discharged in the process, and electric charge accumulation occurs at the moment when the metal beam collides with the positive and negative sheet electrodes to generate electric sparks, so that gas is ignited. The working voltage of the invention is 1 kV-2 kV, and the complexity of the booster circuit can be effectively reduced.)

一种基于金属梁激振放电原理的火花塞

技术领域

本发明涉及振动和高压放电技术领域，具体是一种基于金属梁在高压静电场中激振并产生电荷聚集和电火花现象的火花塞。

背景技术

火花塞，俗称火嘴，是汽车领域广泛应用的一种电子点火装置。在车载脉冲高压电的输入下，火花塞中心电极(正极)与侧电极(负极)间的空气发生电离作用，形成带正电的离子和带负电的自由电子；当电极间的场强达到一定值时，空气发生“击穿”现象，此时气体形成发光体，即“电火花”，从而引燃燃气。

现有火花塞在结构设计上有多种形式，如准型火花塞、缘体突出型火花塞、电极型火花塞、座型火花塞、单侧极及多侧极火花塞等，其工作原理均基于高电压直接击穿空气。为击穿空气形成“电火花”，火花塞的工作电压一般为10kV以上，这一高电压需要由车载12V直流电源提供。为此，一方面，为了实现火花塞工作所需的高电压，需要配备相应的升压电路，所需工作电压越高，升压电路越复杂，成本也越高；另一方面，高电压增加了电路或部件之间被高压击穿的隐患，对火花塞部件之间的绝缘性能以及电子器件的抗高压性能提出了高的要求，从而导致火花塞结构复杂、安全性和经济性受限等弊端。

为了避免高电压带来的缺陷，现有基于空气直接击穿原理的火花塞普遍采用缩短电极之间距离的方法降低工作电压，但缩短电极间距同时会带来电弧长度缩短和点火效率下降的问题。根据空气击穿原理，火花塞电极间距越小，所需击穿电压(击穿空气的电压，也称穿透电压)越低。但是，此类火花塞点火性能取决于电极间形成的电弧长度，火花塞电极间距越大，点火时形成的电弧长度越长，越容易点燃混合燃气；换言之，降低电极间距虽然可以降低所需击穿电压，但同时也会造成电弧长度缩短，点火性能下降。因此，现有火花塞一般根据实际使用工况设定电极间距为0.6mm～1.3mm，工作电压一般在10kV～20kV。

此外，为了保证火花塞的工作效率，现有击穿空气式火花塞在电极尖端一般采用贵重金属材料(如铂等)，其直径一般为毫米级或亚毫米级，贵重金属的使用也是击穿空气式火花塞成本较高的一个原因，进一步限制了火花塞的经济性。

可见，受限于工作原理，现有基于空气直接击穿原理的火花塞，为了保证其点火性能，很难进一步降低工作电压和成本，无论采用何种结构形式，均无法回避工作电压高或电弧长度短的抉择问题。因此，解决火花塞工作电压过高问题的关键在于工作原理的突破。

发明内容

针对现有基于直接击穿空气原理的火花塞的上述缺陷，本发明提供一种基于金属梁激振放电原理的火花塞，其工作电压仅为现有火花塞工作电压的10％，且成本更低。

本发明公开的基于金属梁激振放电原理的火花塞，其特征在于，包括：正接线端1、负接线端2、接线螺母3、负电极片4、外绝缘衬套5、紧固螺帽6、绝缘垫片7、正电极片8、内绝缘衬套10、中心电极9、壳体11、高压电容12。

所述正接线端1一端与外部电源正极连接，另一端与正电极片8连接。

所述负接线端2一端接地，另一端分为两路，一路与负电极片4连接，另一路与高压电容12的负极连接。

所述正电极片8、负电极片4的主体部分801、401均为半圆环体，拼合后为圆环体，置于内绝缘衬套10和外绝缘衬套5之间，电极片内侧面紧贴内绝缘衬套10外侧面，外侧面紧贴外绝缘衬套5内侧面，两个电极片的结合面通过绝缘垫片7实现绝缘。

所述正电极片8、负电极片4的右端为工作端，均为阶梯状结构，伸出片状电极802、402，构成片状电极对。

所述的中心电极9的主体部分901为圆柱体，置于内绝缘衬套10内，中心电极9外侧面紧贴内绝缘衬套10内侧面，中心电极9左端与高压电容12的正极连接，右端伸出片状或丝状的金属梁902，金属梁902位于片状电极对中间。

所述外绝缘衬套5之外为壳体11，外绝缘衬套5左端与接线螺母3的内螺纹配合，壳体11左端与接线螺母3的外螺纹配合，壳体11右端与紧固螺帽6的内螺纹配合。

工作时，正、负接线端接入外部高压电，正电极片8与负电极片4伸出的片状电极对之间形成静电场，在高电压的作用下，金属梁902被激发稳定的振动并持续与正片状电极802、负片状电极402碰撞，在此过程中高压电容12周期性充、放电，金属梁902碰撞正片状电极802和负片状电极402的瞬间发生电荷聚集，产生电火花，从而引燃燃气。火花塞所需工作电压不超过2kV，最低可为1kV。

进一步地，所述高压电容12接入电路的位置也可设于中心电极9与正接线端1之间。

进一步地，所述高压电容12的数量不限于1个，也可为多个高压电容串联或并联形成的组合电容。

进一步地，所述片状电极802、402为平板型片状或带弧度片状。

进一步地，所述金属梁902也可采用金属梁阵列。

进一步地，所述紧固螺帽6设有中心孔，片状电极802、402以及金属梁902从该中心孔伸出，中心孔的直径小于正、负电极片主体部分801、401拼合成的圆环体的直径，从而保证正、负电极片右端面的固定。

进一步地，所述金属梁902或金属梁阵列的材料为铂，可以是丝状或片状。

进一步地，所述中心电极主体部分901、片状电极对802和402、壳体11的材料均为镍基合金。

进一步地，所述绝缘垫片7、内绝缘衬套10、外绝缘衬套5材料均为绝缘陶瓷。

进一步地，经过试验证明，所述片状电极对的间距为1mm～5mm时，该火花塞可正常工作。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)工作电压低。本发明通过金属梁在静电场中的激振形成“电火花”，同时通过接入高压电容增加金属梁碰撞电极时的电荷聚集程度，增大电弧强度，火花塞工作电压最低可降至1kV，仅为现有火花塞的10％，可有效降低升压电路的复杂度。

(2)材料成本低。本发明中心电极右侧伸出金属梁的直径(丝状)或厚度(片状)仅为数十微米量级，可大幅降低贵重金属的使用量，从而降低火花塞的成本。

(3)点火效率高。本发明采用的金属梁在碰撞正、负片状电极时均可产生“电火花”，两处“电火花”可保证点火的高效性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图，其中，图1a为纵向剖视图，图1b为横向剖视图；

图2为本发明工作端的结构示意图；

图3为本发明工作原理图。

图中附图标记含义为：1-正接线端；2-负接线端；3-接线螺母；4-负电极片；5-外绝缘衬套；6-紧固螺帽；7-绝缘垫片；8-正电极片；9-中心电极；10-内绝缘衬套；11-壳体；12-高压电容。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2所示，一种基于金属梁激振放电原理的火花塞。包括：正接线端1、负接线端2、接线螺母3、负电极片4、外绝缘衬套5、紧固螺帽6、绝缘垫片7、正电极片8、中心电极9、内绝缘衬套10、壳体11、高压电容12。其中，正电极片8、负电极片4、中心电极9均由主体部分和伸出部分组成，主体部分分别为半圆环体801、401和圆柱体901；伸出部分分别为正片状电极802、负片状电极402和金属梁902；正片状电极802、负片状电极402构成片状电极对，金属梁902处在片状电极对中间。

按图示方向，火花塞左端为输入端，正接线端1和负接线端2从接线螺母3左端面的孔中伸出，用于接入外部高压电。正接线端1另一端连接正电极片8；负接线端2另一端分为两路，一路连接负电极片4，另一路连接高压电容12的负极。高压电容12的正极与中心电极9左端连接。火花塞右端为工作端，正电极片8、负电极片4、中心电极9从紧固螺帽6的中心孔伸出片状电极对和金属梁902。火花塞中部呈圆柱型，从内向外依次为：中心电极主体部分901，内绝缘衬套10，正、负电极片主体部分801、401构成的圆环体，外绝缘衬套5，壳体11。正电极片主体部分801和负电极片主体部分401的结合处通过绝缘垫片7实现绝缘。接线螺母3与外绝缘衬套5、接线螺母3与壳体11、壳体11与紧固螺母6之间均采用螺纹连接，实现整个火花塞的安装定位。

本发明中，中心电极主体部分901的圆柱体直径为0.5mm～2mm(本实例取1mm)；金属梁902为直径为0.01mm～0.2mm的丝状或厚度为0.01mm～0.1mm的片状，其长度为4mm～15mm，(本实例选用丝状金属梁，直径为0.04mm，长度为10mm)。正、负电极片主体部分801、401的半圆环体厚度为0.5mm～1mm(本实例取1mm)；右侧伸出的片状电极可为平板型片状或带弧度片状电极，电极长度为5mm～15mm，宽度为2mm～5mm，厚度为0.2mm～1mm，电极间距为1mm～5mm(本实例选用平板型片状电极，电极长度为10mm，宽度4mm，厚度0.3mm，电极间距为2mm)。高压电容12的耐压值不小于2kV，容值0.1nF～1000nF(本实例耐压值为2kV，容值为10nF)。内绝缘衬套10厚度为0.2mm～1mm(本实例取0.5mm)。绝缘垫片7厚度为0.2mm～0.5mm(本实例取0.25mm)。外绝缘衬套5厚度为1mm～3mm(本实例取1.5mm)。壳体11厚度为1mm～3mm(本实例取1.5mm)。火花塞整体长度为50mm～150mm(本实例为100mm)。

本发明的火花塞的工作原理如图3所示：中心电极9的主体部分901通过高压电容12连接负接线端2，负接线端2接地，当高电压施加于正、负接线端时，由于静电感应作用，高压电容12接地端只能聚集负电荷，此时中心电极9左端与高压电容12的连接处会聚集等量的正电荷；由于初始状态中心电极9为电中性，开始通电时金属梁902自由端必然聚集负电荷，受片状电极对之间的静电场作用，金属梁902的自由端受力偏向正片状电极802(图3a)；当电场强度超过临界值时，金属梁902自由端碰撞正片状电极802并发生充、放电现象(图3b)；之后金属梁902自由端带正电荷并向负片状电极402运动直到发生碰撞(图3c)；由此，形成金属梁902的稳定振动。在振动过程中，由于高压电容12的存在，金属梁902自由端在碰撞片状电极802、402的瞬间，将上一个充电周期中所聚集的电荷释放，从而击穿空气形成电火花，由于金属梁902的振动频率较高，可在与正、负片状电极的两个碰撞点处分别形成稳定的电火花，从而引燃混合燃气。

需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如左、右、内、外等，均基于附图所示方向和位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零件必须具有特定的方位、构造或操作。

本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。