具有火花塞和负的火花位置的内燃发动机的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1所述的内燃发动机。尤其所述按本发明的内燃发动机适合于用含氢的燃料来运行。

背景技术：

1、迄今为止，大多数车辆、像比如客车或载重汽车都是由内燃发动机或者使用汽油或柴油作为燃料的内燃机驱动。越来越多的是使用天然气或氢作为燃料的可移动的和固定的内燃发动机。在此，如同用汽油驱动的内燃机那样，对于用氢驱动的内燃发动机来说也必须对空气-燃料-混合物进行外源点火。为此，典型地使用火花塞。

2、对于用氢驱动的内燃发动机来说，通常设定非常稀燃的空气-燃料-混合物(λ＞1.8)，以便满足法律上的排放预先规定。由此，与氢的低的混合物-热值一起在点火时刻产生较高的充气密度并且相应地也产生较高的压力。内燃发动机中的氢燃烧的其他特点是自行点火温度与最小必需的点火能量之间的相互作用。由此产生的结果是，对于在用氢驱动的内燃发动机中的应用来说，需要“冷的火花塞”，即需要具有非常低的热值的火花塞。所述火花塞或者点火间隙相对于燃烧室的相对位置也对火花塞和内燃发动机的性能具有重要影响。

3、迄今已知的火花塞和内燃发动机通常为在用汽油驱动的内燃发动机中的运行得到优化。相应地也选择所述火花塞在气缸盖中的位置或者所述点火间隙在燃烧室内的位置。一种用于火花塞的在用于用汽油驱动的内燃发动机的气缸中的已知布置的示例在图9中示出。因此，迄今为止的火花塞和内燃发动机不适合于所述应用或者在应用于用氢驱动的内燃发动机时提供较差的性能。

技术实现思路

1、本发明的任务相应地是提供一种具有火花塞的内燃发动机，其满足对用氢驱动的内燃发动机的要求。

2、该任务对于按本发明的内燃发动机来说通过以下方式解决，即：所述火花塞的点火间隙布置在燃烧室的外部。

3、所述按本发明的内燃发动机具有至少一个气缸和属于这个气缸的火花塞。所述至少一个气缸具有燃烧室，该燃烧室通过气缸的侧壁和燃烧室顶部以及可在气缸中运动的活塞来限定。在此，所述燃烧室顶部是气缸盖的限定燃烧室的表面。所述气缸盖具有气缸盖-钻孔、以下被称为钻孔，该钻孔一直伸展至燃烧室。火花塞被安装、比如被拧入在这个钻孔中。所述火花塞被设立用于给处于燃烧室中的燃料-空气-混合物点火。

4、所述火花塞拥有纵轴线，该纵轴线从火花塞的燃烧室侧的端部一直延伸至火花塞的背离燃烧室的端部。所述火花塞具有一个拥有面向燃烧室的端侧的壳体。在所述壳体中布置有绝缘体和中心电极，所述中心电极又布置在所述绝缘体中。在所述壳体之处或之中布置有至少一个地电极。所述至少一个地电极与中心电极一起构成点火间隙。尤其所述点火间隙能够相对于火花塞的纵轴线径向地或轴向地构成。所述点火间隙的宽度在此是中心电极与至少一个地电极的相互面对的面的间距。所述点火间隙是在地电极与中心电极之间的以下空间，所述空间在所述电极的对置的点火面的、在彼此上面的重叠的投影之间产生。也就是说，所述中心电极的点火面被投影到地电极的点火面上并且反之亦然。两个投影所扫过的空间是点火间隙的空间。在此，所述空间在一个维度上被点火面限定并且在另一维度上被投影到彼此上面的点火面的重叠部限定。所述点火间隙具有燃烧室侧的端部。对于轴向的点火间隙来说，例如这是被构造为顶电极的地电极的点火面。例如，对于径向的点火间隙来说，这是处于对置的电极之间的点火间隙空间的燃烧室侧的端部。

5、根据本发明来规定，所述火花塞的点火间隙布置在燃烧室的外部。“在燃烧室的外部”意味着，所述点火间隙在钻孔的内部或者说其燃烧室侧的端部与燃烧室顶部齐平，但没有超过燃烧室顶部而伸入到燃烧室中。所述火花塞具有负的火花位置。这具有的优点是，所述电极没有伸入到燃烧室中或者说尽可能少地伸入燃烧室中并且因此从燃烧室中吸收较少的热。由此产生的结果是，所述火花塞吸收较少的热并且是冷的火花塞，从而避免不期望的自行点火。

6、本发明的其它有利的设计方案是从属权利要求的主题。

7、有利的是，例如所述点火间隙相对于气缸的燃烧室顶部具有至少0mm和最大-15mm、尤其不小于-1mm和/或不大于-4mm的间距，其中所述燃烧室顶部的轮廓通过在钻孔开口处的假想的线条来延续并且这条假想的线条是具有数值0mm的基准面。符号代表所述间距的方向而不是间距的数值。尤其朝火花塞的背离燃烧室的端部的方向离开基准面的间距具有增加的数值，在此，负号象征着以基准面为出发点离开燃烧室的方向。正号则相应于点火间隙的从基准面朝燃烧室的方向、也就是进入到燃烧室中的间距。数字的绝对值相当于所述间距的长度并且在这方面在提到用于间距的界限时就是指这个意思。所述间距平行于火花塞的纵轴线来测量。所述间距从点火间隙的燃烧室侧的端部到基准面来测量。

8、所述点火间隙到燃烧室顶部的间距大于-0mm，这个特征意味着，所述点火间隙完全布置在钻孔的内部，即所述火花塞具有负的火花位置。这具有的优点是，所述电极被尽可能远地从燃烧室中抽出并且因此从在燃烧室中进行的燃烧过程中吸收尽可能少的热。由此能够获得尽可能冷的火花塞。

9、将所述间距限制到最大–15mm具有以下优点：在所述点火间隙处产生的火焰直至燃烧室不必经过过大的距离。所述点火间隙相对于燃烧室顶部的-1mm至-4mm的间距已经证实为用于火花塞从燃烧室中吸收的热量减小以及火焰从点火间隙较好地且足够快地扩散到燃烧室中这两个方面的良好的折衷方案。所述火花塞壳体的壁厚越大，就能够将在点火间隙与燃烧室顶部之间的间距选择得越小。所述火花塞壳体的壁厚b与间距a的比例v(v＝b/a)为0.05至25，优选所述数值v为0.5至5。所述火花塞壳体的壁厚b从壳体在螺纹区域中的外半径ra和壳体在吸气室中的内半径ri的差中产生：b＝ra-ri，其中螺纹顶部为此而属于壳体的外直径，并且其中所述半径从火花塞的纵轴线垂直于火花塞来测量。

10、在所述内燃发动机的一种有利的设计方案中，所述壳体的面向燃烧室的端侧布置在燃烧室的外部。这具有的优点是，所述地电极也能够被构造在壳体的端侧上、例如被构造为顶电极或侧电极并且在此保留冷的火花塞的优点。

11、在所述内燃发动机的另一种有利的设计方案中，所述壳体的面向燃烧室的端侧与燃烧室顶部至少部分地齐平、尤其完全齐平。这具有的优点是，所述壳体与燃烧室顶部相匹配并且通过气缸盖中的钻孔形成的开口缩小。所述壳体对燃烧室中的流动的影响被降低。如果所述壳体的燃烧室侧的端侧也具有与燃烧室顶部的轮廓相对应的形状，则这个优点再次得到增强。

12、在所述按本发明的内燃发动机的一种改进方案中，所述火花塞布置在气缸盖的一个区域之内，其中所述区域是一个具有燃烧室顶部的中心点作为圆心的圆面并且具有内气缸半径rb的15％的半径rm。在判断所述火花塞是否布置在所述区域之内时，观察所述火花塞的纵轴线。如果所述纵轴线处于所述区域之内，则认为所述火花塞布置在所述区域之内。特别是所述火花塞布置在燃烧室顶部的中心处。也就是说，所述火花塞的纵轴线和燃烧室顶部的中心点重合。所述火花塞在气缸盖和燃烧室顶部中的这种居中的布置的优点是，所述火花塞布置在中央并且由此由所述火花塞产生的火焰前沿能够均匀地在燃烧室中扩散。

13、在所述按本发明的内燃发动机的一种作为替代方案的改进方案中，所述火花塞布置在气缸盖的一个区域之外，其中所述区域是一个具有燃烧室顶部的中心点作为圆心的圆面并且具有内气缸半径rb的15％的半径rm。在判断所述火花塞是否布置在所述区域之外时，观察所述火花塞的纵轴线。如果所述纵轴线处于所述区域之外或处于所述区域的边缘上，则认为所述火花塞布置在所述区域之外。也就是说，所述火花塞的每种不是在所述区域之内的布置都被认为是在所述区域之外。所述火花塞的这种在气缸盖和燃烧室顶部中的偏心布置具有的优点是，所述火花塞在燃烧室顶部中布置在侧面并且能够实现相对于可能的燃料喷射器或气缸的换气孔的定向布置。通过所述火花塞的、相对于气缸中的可能的其他组件的定向布置，产生为相应的布置对所述内燃发动机进行优化的可行方案。

14、在所述按本发明的内燃发动机的一种有利的设计方案中，所述壳体的面向燃烧室的端侧具有与燃烧室顶部的轮廓相对应的面。所述燃烧室顶部能够具有各种形状、比如平坦的表面或圆锥形表面，其在气缸的纵轴线上具有其中心点。例如，所述圆锥形表面能够具有半球的形状或者一个或多个弯曲的或直的面，所述面在表面的中心点中相交。在观察沿着气缸的纵轴线的横截面时，所述燃烧室顶部相应地具有不同的轮廓：直线、曲线等。

15、有利的是，所述壳体的面向燃烧室的端侧具有与燃烧室顶部的形状或轮廓相对应的面。因为由此所述气缸盖中的钻孔的燃烧室侧的开口缩小，所以当所述壳体的面向燃烧室的端侧也还与燃烧室顶部齐平时，特别强烈地尤其产生这个优点。所述燃烧室顶部处的、通过气缸盖中的钻孔产生的开口影响燃料-空气-混合物的流动和火焰在燃烧室中的扩散。所述燃烧室顶部中的开口越小，所述燃料-空气-混合物的流动以及火焰在燃烧室中的扩散受到的干扰就越小。此外，更少的混合物从燃烧室流入到所述钻孔的开口中或者流到火花塞的吸气室中，由此更少的热被从所述混合物传递给电极或者壳体或者火花塞，并且所述电极、壳体以及由此火花塞也没有吸收太多的热。

16、在一种有利的改进方案中，所述壳体的面向燃烧室的端侧的面是平坦的面，该平坦的面垂直于火花塞的纵轴线。这种改进方案具有的优点是，在制造火花塞的壳体时不需要其它的过程步骤，因为所述壳体典型地具有面向燃烧室的平坦的端面，该端面垂直于火花塞的纵轴线来定向。尤其当所述壳体的端面与燃烧室顶部齐平时，所述火花塞壳体的端侧的这种形状在与火花塞在气缸盖的区域之内围绕燃烧室顶部的中心点的布置的组合中是特别有利的。当所述壳体的面向燃烧室的端侧布置在钻孔的内部时，所述火花塞壳体的面向燃烧室的端侧的这种形状也是特别有利的。具有壳体的面向燃烧室的平坦的端面的火花塞能够被装入到具有不同的燃烧室顶部轮廓的气缸中。

17、在一种作为替代方案的有利的改进方案中，所述壳体的面向燃烧室的端侧的面是平坦的面，该平坦的面与火花塞的纵轴线围成小于90°并且尤其大于30°的角α，其中分别关注在面与纵轴线之间的较小的夹角α。这具有的优点是，正是在火花塞偏心布置的情况下，随着所述壳体的面向燃烧室的端侧与燃烧室顶部的齐平的布置，所述端侧比以下火花塞更好地紧贴到燃烧室顶部的轮廓上，所述火花塞具有所述壳体的面向燃烧室的端侧的、平坦的并且垂直于火花塞的纵轴线定向的面。在偏心地布置所述具有壳体的平坦的并且垂直于纵轴线定向的、面向燃烧室的端侧的火花塞时，所述壳体的面向燃烧室的端侧的齐平的布置仅仅部分地是可能的，因为所述壳体的一个部分或者说区段或是伸入到燃烧室中或是在钻孔的内部终止。由此，产生对燃料-空气-混合物在燃烧室中在燃烧室顶部处的流动来说不利的棱边，在这些棱边处所述流动受到了干扰。这种效应在壳体的相对于纵轴线成角度的并且平坦的、面向燃烧室的端侧中得到避免。

18、在另一种作为替代方案的有利的改进方案中，所述壳体的面向燃烧室的端侧的面具有弯曲的面的形状，所述弯曲的面与火花塞的纵轴线围成小于90°并且尤其大于30°的角度α，其中分别关注在面与纵轴线x之间的较小的夹角。为此，在以下点中给所述弯曲的面作切线，在所述点中当所述弯曲的面在剖面中被观察并且与火花塞的纵轴线一起被投影到一个平面中时所述弯曲的面与火花塞的纵轴线相交。所抵靠的切线与火花塞的纵轴线围成30°至150°的角度，具有壳体的弯曲的面向燃烧室的端侧的火花塞在将火花塞偏心地并且齐平地布置在拥有弯曲的燃烧室顶部的气缸盖中的情况下是特别有利的，因为在这里也实现了上述优点。

19、在一种改进方案中规定，所述气缸、尤其是气缸盖和/或火花塞分别具有标记，从而能够将所述火花塞定向地安装在气缸中。这具有的优点是，在将火花塞安装到气缸盖中时能够如此选择旋转角和转矩，从而对于火花塞来说(所述火花塞的壳体的面向燃烧室的端侧相对于火花塞的纵轴线具有一定的角度)能够如此进行安装，使得所述壳体的燃烧室侧的端侧根据燃烧室顶部的轮廓在正确定向的情况下被安装。这在所述火花塞偏心地布置在气缸盖中并且所述壳体的面对燃烧室的端侧应该与燃烧室顶部齐平地布置时是特别有利的。

20、在所述按本发明的内燃发动机的另一种设计方案中，所述火花塞在壳体的外侧面处具有螺纹和外部的密封面，由此所述火花塞被拧入到在气缸盖中所构造的钻孔中，其中在所述外部的密封面与所述螺纹的背离燃烧室的端部之间所述壳体具有无螺纹的区域，尤其该无螺纹的区域沿着火花塞的纵轴线比布置在外部的密封面处的外部的密封件的厚度长。这具有的优点是，在所述壳体的在螺纹区域中由温度引发的伸长的情况下，所述火花塞在面对燃烧室的螺纹线中始终还具有与气缸盖的良好的接触并且由此也具有良好的热传递，使得所述火花塞或者其电极不会变得过热。在一种改进方案中，在平行于火花塞的纵轴线测量的情况下，所述无螺纹的区域所具有的长度是外部的密封件的厚度的至少1.4倍。

21、所述按本发明的内燃发动机也能够具有以下火花塞，对所述火花塞来说至少一个地电极布置在壳体的内部。尤其地电极被插入在钻孔中，该钻孔被构造在壳体壁中。所述地电极能够被焊接并且/或者被压入在钻孔中。所述钻孔能够被构造在螺纹区域中或被构造在螺纹区域的下方。所述至少一个地电极能够如此相对于中心电极来布置，使得这些电极构成轴向的或者径向的点火间隙。

22、在所述按本发明的内燃发动机的一种设计方案中，所述点火间隙的宽度由中心电极相对于至少一个地电极的电极间距给定，其中所述中心电极相对于至少一个地电极的电极间距不大于0.4mm、尤其不大于0.2mm并且不小于0.05mm、尤其不小于0.1mm。这具有的优点是，对点火来说所需要的电压更少并且在火花塞的运行时间的范围内电极间距增加量会更小。因为所述壳体内部的结构空间自然受到限制，所以由于小的电极间距而另外有利地产生将电极并且由此也将点火间隙至少部分地布置在壳体内部的可行方案。由此产生的优点是，所述电极没有如此远地伸入到燃烧室中并且由此从燃烧室中吸收的热更少。由此产生的结果是，所述火花塞在总体上吸收更少的热量并且还是冷的火花塞，从而避免不期望的自行点火。

23、有利的是，例如所述电极间距不大于0.2mm、尤其不大于0.15mm。所述电极间距越小，用于产生点火火花的电压需求就越小。也有利的是，所述电极间距至少为0.05mm、尤其不小于0.1mm。由此产生的结果是，所述电极间距不是太小。非常小的电极间距对火花塞生产的精度提出了特殊的挑战。与电极-点火面尽可能平行的定向的偏差在电极间距较小的情况下比在电极间距较大的情况下具有更大的影响、像比如点火面的不均匀的磨损。由此，用于电极间距的最低限度是用于一方面用于降低点火电压需求和磨损的小的电极间距和另一方面用于在火花塞生产中获得点火面相对于彼此的定向的均匀的良好的质量的合理开销的良好的折衷方案。

24、所述火花塞也能够具有多个地电极，所述地电极分别与中心电极构成点火间隙。上面所描述的用于电极和一个点火间隙的设计方案也相应地适用于多个地电极和点火间隙。所述火花塞具有多个地电极，由此所述点火面的磨损能够被分摊到多个地电极上并且各个地电极的点火面不需要如在单个地电极的情况下那样多的、由耐磨的材料构成的体积。所述火花塞的使用寿命得到提高。例如，两个地电极对称地布置在壳体的内侧面上。在此，所述火花塞的纵轴线是在布置地电极时的对称轴线。由于地电极的对称布置而产生以下技术效应，即：燃料-空气-混合物在吸气室内部的流动非常均匀地进行，由此进一步有利于所述燃料-空气-混合物在火花塞中的良好的点火和良好的点火稳定性。

25、例如，所述至少一个地电极和/或所述中心电极分别具有由与其余电极不同的材料制成的点火面，所述点火面与对置的电极形成点火间隙，并且所述点火面由贵金属或贵金属合金制成、特别是由pt、ir、rh、pd、re、au或它们的合金制成。在这里，具有高的ir份额的合金是特别有利的，也就是说ir是在合金中具有最高的单个份额的元素。这些元素或者具有这些元素的合金是特别耐磨的。所述电极本身例如由镍或镍合金构成。

26、所述壳体例如由钢、低碳钢或不锈钢构成。

27、所述火花塞尤其在壳体的面向燃烧室的端侧上没有罩盖或类似部件。所述壳体在其燃烧室侧的端部上是敞开的，从而能够在壳体内部、火花塞的吸气室与燃烧室之间进行混合物交换。

28、有利的是，所述内燃发动机被设立用于用氢或氢混合物作为燃料来运行。尤其所述内燃发动机至少在具有至少1.8的λ值的部分运行范围之内运行。