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相关申请的交叉引用

本申请要求2015年1月23日提交的德国专利申请No.102015201167.4 的优先权，其全部内容通过参考在此被并入，用于所有目的。

技术领域

本发明总体涉及用于火花塞的系统和方法，该火花塞用于在燃烧发动机 的汽缸中开始燃烧，其中汽缸能够以启用模式(activemode)和停用模式运转 (deactivatedmode)。

背景技术

燃烧发动机使用活塞以压缩汽缸中的空气燃料混合物且随后点火所述空 气燃料混合物。由空气燃料混合物的爆燃引起的体积增加驱动活塞，其提供 能够以不同方式使用的机械能(做功冲程)。未自动点火的燃烧发动机的有效 运转很大程度上取决于空气燃料混合物在正确的时间点处被点火。火花塞用 于点火空气燃料混合物，且所述火花塞部分突入汽缸内并通过贯穿火花间隙 产生的火花点火空气燃料混合物，火花间隙由两个或更多个电极限定。火花 塞中的中间电极受通过接地电极耗散的高电压的影响。

为了确保火花实际上贯穿火花间隙形成，杆状中间电极被绝缘体以径向 方式围绕，绝缘体由陶瓷材料实现或包含陶瓷材料。杆状中间电极仅在径向 方向上自由。以此方式，火花可以被阻止绕过接地电极并且直接从中间电极 跳跃至外壳，外壳通常由金属制造。

通过示例方式，在US2691971A、WO2010/043543A1、US2013/0229102 Al和DE102014103308说明了已知的火花塞。作为中间电极在高电压下运 转的结果，中间电极变热并且这引起所述中间电极膨胀，因为其相对高的热 膨胀系数。由于这种膨胀，间隙阻止绝缘体被损坏。为了确保膨胀不损坏绝 缘体，以定义的过大尺寸制作间隙，使得即使当中间电极处于加热状态时， 其也不与绝缘体接触。然而，间隙如此小以至于油不能够渗入间隙。此外， 间隙确保在运转期间变得非常热的中间电极与绝缘体热分离，因为空气具有 相对低的热导率特性。

为了试图减少燃料消耗并因此减少CO₂排放，现代燃烧发动机装备有汽 缸停用设施，使得燃烧发动机的一个或更多个可切换汽缸能够根据功率输出 要求被停用并因此以停用模式运转，在停用模式中，汽缸未有助于功率输出。 术语启用模式描述可切换汽缸有助于功率输出的模式。由于火花塞同样被切 断处于停用状态，因此中间电极冷却，这导致间隙尺寸增加并因此油现在能 够进入间隙。可以在间隙中收集较大量的空气燃料混合物，所述混合物包含 油成份。当汽缸被再次启用时，中间电极几乎突然变热且间隙变小。与中间 电极接触的油被焦化，因为中间电极快速变热且因此在间隙中形成固体沉积 物。沉积物的尺寸随时间的增加能够损害绝缘体。如前所述，绝缘体经常包 含易碎的陶瓷材料，使得绝缘体在汽缸被启用时能够破裂且碎片能够从绝缘 体脱落。在最坏的情况下，中间电极相对于外壳的壁不再绝缘，使得高电压 可以绕过接地电极且直接从中间电极放电到外壳，这引起了不期望的失火。

发明内容

发明人在此已经认识到上述问题且已经确认可以至少部分解决上述问题 的方法。因而，本公开的目的是开发出火花塞，使得当在具有汽缸停用设施 的燃烧发动机中使用火花塞时，绝缘体被保护。

根据本公开，火花塞包含密封元件，其能够基于汽缸模式被启用以便密 封间隙。如已经提到的，在启用模式中，间隙如此小以至于油不能够渗入间 隙。如果可切换汽缸处于停用状态，则密封元件被启用且然后尺寸增加的间 隙被密封，因此油被阻止进入间隙。间隙被完全密封并非是必需的。相反， 间隙尺寸减小到油不再能够进入间隙的程度就足够了。这种优选间隙可以被 称为间隙密封。因此，能够损害绝缘体的沉积物被阻止形成。根据本公开， 还可以在较长的时间周期期间以包含汽缸停用设施的燃烧发动机的全功能能 力运转火花塞。

密封元件能够通过点火线圈或通过开环和闭环单元被启用，点火线圈与 火花塞协同，开环和闭环单元用于以开环和/或闭环方式控制燃烧发动机。高 电压通常由以导电方式连接到火花塞的点火线圈提供。如上所述，当汽缸处 于停用模式时，火花塞可能未运转，使得点火线圈的怠速运转状态能够被用 作启用密封元件的信号。现代燃烧发动机包含复杂的电子开环和闭环控制单 元，其可以通过相应地控制点火线圈来控制汽缸的点火顺序，点火线圈需要 随一个或更多个汽缸被切断而相应地改变。因此，开环控制单元还能够用于 启用或停用密封元件。在这方面，已经被提供的组件用于启用或停用密封元 件，使得构造上的附加支出能够保持为最小。

在一个示例中，密封元件可以包含用于加热中间电极的加热设备。如前 所述，中间电极和绝缘体之间的间隙尺寸增加，因为中间电极在可切换汽缸 已经被停用之后冷却。由于中间电极必须由导电材料实施，因此其通常由金 属实施，且因此中间电极具有相对高的热膨胀系数。在汽缸已经被停用的情 况下，中间电极能够在加热设备的帮助下被加热，使得在停用模式中形成的 间隙的尺寸能够保持足够小，以便油不能够进入间隙中。在这方面，中间电 极充当能够用于密封间隙的密封体。因此，相比于不包含加热元件的火花塞， 上面描述的在间隙中形成的沉积物的不利影响被消除或被认为减少。以此方 式，火花塞能够在较长的时间周期期间以全功能能力运转。

在一个示例实施例中，加热设备能够包含在中间电极中运行的加热线缆。 加热线缆包含高电阻，使得它们在电流的影响下变热。如前所述，提供高电 压的点火线圈通常被提供。加热线缆能够连接到点火线圈并且受具有相应电 压或相应电流的所述点火线圈的影响。当加热线缆未直接连接到点火线圈时， 用于点火线圈的电子系统能够至少被使用，以便不需要附加安装空间。此外， 如果现有电缆束被提供足够高的电流，则加热线缆能够例如通过将销连接到 所述电缆束的方式而被连接。因此，中间电极能够被加热，而不需要附加组 件。根据本公开，用于转换溶液的附加支出因此被保持为最小，特别地关于 电缆施加最小支出，因为能够使用现有线束和电缆束。

通过用于运转火花塞以便在燃烧发动机的可切换汽缸中开始燃烧的方法 进一步实现所述目的，其中可切换汽缸能够以启用模式和停用模式运转。火 花塞包含：外壳，其能够连接到汽缸；绝缘体，其紧固到外壳且包含轴向孔 口(borehole)；中间电极，其布置在轴向孔口中以在中间电极和绝缘体之间形 成环状间隙；接地电极，其紧固到外壳；以及密封元件，其能够被启用，以 便密封间隙。该方法包含：当汽缸正在停用模式中运转时，启用密封元件， 并且当汽缸正在启用模式中运转时，停用密封元件。

以此方式，凭借至少在汽缸的停用模式中密封间隙的可能性，在间隙中 油的收集和沉积物的形成被阻止或至少能够被认为减少，使得当可切换汽缸 返回至启用模式时，避免了对绝缘体的损坏。相比于用于具有汽缸停用设施 的燃烧发动机的常规火花塞，所述火花塞能够在较长的时间周期期间以全功 能能力运转。

如上所述，当汽缸处于停用模式时，油能够进入间隙，从而引起在中间 电极上形成沉积物。由于当可切换汽缸处于启用模式时未发生这种影响，因 此当汽缸处于启用模式时密封元件本身能够被停用，因此能量能够根据密封 元件的设计而被保存。

附图说明

图1示出了在内燃发动机中使用的火花塞的示例实施例。

图2示出了图示说明用于启用火花塞中的密封元件的示例方法的流程图。

具体实施方式

图1图示说明了根据本公开的火花塞10的示例性实施例，火花塞10包 括具有壁12的外壳11，壁12可以由金属制造。外壳11以近似管状的方式实 施并限定纵向轴线L。壁12通常包含螺纹13，火花塞10能够使用螺纹13被 螺旋进入燃烧发动机100的汽缸中的对应螺纹内。

绝缘体14被紧固到壁12，并且所述绝缘体包含轴向孔口16，其以轴向 方式穿过整个绝缘体14。中间电极18布置在该孔口16中且所述中间电极以 以下方式被紧固到外壳11的壁12，即通过环状间隙19在绝缘体14和中间电 极18之间形成的方式。中间电极18在自由端处形成点火尖端20，点火尖端 20以轴向方式稍微突出到超出绝缘体14。接地电极22被紧固到外壳11，并 且在该示例中，所述接地电极以近似L形的方式实施并且其自由端以径向方 式向内延伸到超出纵向轴线L，使得当沿纵向轴线L观察时，所述电极至少 部分覆盖点火尖端20。距离D沿纵向轴线L在点火尖端20和接地电极22之 间产生。

中间电极18连接到点火线圈24，该点火线圈24进而通过开环和闭环控 制单元26以开环和/或闭环方式被控制。控制单元26可以是配置有存储在非 临时性存储器上的计算机可读指令的控制器。所述指令可以实现点火线圈的 开环和闭环控制。参考图2，其示出基于所述指令执行的示例方法。开环和闭 环控制单元26在燃烧发动机的运转期间执行多个任务。作为一个示例，开环 和闭环控制单元26决定相关的可切换汽缸是以启用模式还是以停用模式运 转。以启用模式运转的汽缸有助于燃烧发动机的功率输出，而当汽缸以停用 模式运转时，其不输出任何功率。另外，基于可切换汽缸的启用或停用运转 模式，控制单元可以调整火花塞的密封元件的运转。

火花塞10包含密封元件28，间隙19能够根据汽缸的模式由密封元件28 密封。在图示说明的示例中，密封元件28包含加热设备30，中间电极18能 够用加热设备30加热。为此，密封元件28能够包含一个或更多个加热线缆 32，如图所示，加热线缆能够连接到点火线圈24或连接到开环和闭环控制单 元。

火花塞10以如下方式运转：空气燃料混合物在汽缸中由活塞压缩，并且 所述空气燃料混合物必须在正确的时刻被点火，使得活塞能够执行做功冲程， 因为随后发生体积的膨胀。火花塞10被螺旋进入汽缸的汽缸盖中达到点火尖 端20和接地电极22突入汽缸内部的程度。如果空气燃料混合物在汽缸中被 压缩，则点火线圈24产生传输到中间电极18的高电压。由于存在绝缘体14， 因此高电压仅能够被放电至点火尖端20。接地电极22以唯一的放电机会提供 高电压，其中火花从点火尖端20跳跃至接地电极22，使得火花间隙在点火尖 端20和接地电极22之间形成且超过距离D。点火尖端20和接地电极22两 者均位于汽缸中，使得压缩的空气燃料混合物围绕火花间隙。火花引起压缩 的空气燃料混合物燃烧。

作为在运转期间将高电压施加至中间电极18的结果，中间电极18大幅 升温。由于中间电极18通常由金属制造，故温度增加引起所述中间电极相比 于绝缘体14相对大程度地膨胀，因此间隙19的尺寸减小但未完全消失。然 而，间隙足够小以阻止任何油进入所述间隙。然而，如果汽缸被切断(处于 停用模式)且中间电极18冷却，则间隙19的尺寸增加，使得油然后能够进 入间隙中。如果汽缸返回至启用模式，则油被焦化并且在现在正变小的间隙 19中沉积。作为体积由沉积物占据的结果，所述沉积物然后能够与绝缘体14 接触，并且这能够损坏绝缘体。

根据本公开，当可切换汽缸处于停用模式时，加热设备30被启用，由此 中间电极18被加热。因此，中间电极18未收缩或仅收缩到微不足道的程度， 使得间隙19的尺寸不增加并且油不能够进入间隙19。因此，当汽缸返回至启 用模式时，油未被焦化且沉积物未形成。以此方式，油被防止焦化或其被焦 化的程度至少被降低。因此，可能出现的沉积物也不能损坏绝缘体14，使得 火花塞10能够在较长的时间周期期间以全功能能力运转。

图1示出了火花塞的示例配置，其中各个组件相对定位。如果示出彼此 直接接触或直接耦接，则这种元件至少在一个示例中可以分别被称为直接接 触元件或直接耦接元件。类似地，彼此相连或相邻示出的元件至少在一个示 例中可以彼此分别相连或相邻。作为一个示例，以彼此面共享(face-sharing) 接触布置的组件可以被称为面共享接触组件。作为另一个示例，彼此间隔定 位的元件(其中其间仅具有空间而无其它组件)在至少一个示例中可以如上 被称呼。

图2示出图示说明了用于基于可切换汽缸的运转模式而启用火花塞中的 密封元件的示例方法的流程图。用于实施方法200的指令可以基于存储在控 制器的存储器中的指令结合从发动机系统的传感器接收的信号和发送到致动 器的信号由发动机的控制器26执行，以调整如本文中描述的发动机运转，诸 如阀停用机构、火花塞点火线圈致动器等。

在202处，程序包括确定内燃发动机的可切换汽缸是否已经停用。可切 换汽缸可以基于发动机工况而被停用，例如，发动机负载、发动机转速等。 例如，可切换汽缸可以响应于低于阈值发动机负载而被停用，从而通过以较 高的效率运转剩余启用的汽缸来提供驾驶员需求的扭矩。在可切换汽缸的启 用状态中，在火花塞的运转期间，所述可切换汽缸的火花塞的中间电极被加 热，从而引起电极的膨胀以及绝缘体和中间电极之间的环状间隙的变窄。这 保持环状间隙狭窄(例如，处于最优间隙，也被称为间隙密封)。因此，可以 减少油通过间隙的渗入并因此减少对绝缘体的损坏。如果确定可切换汽缸处 于启用状态(即，可切换汽缸未被停用)，则在204处，密封元件可以被维持 处于停用状态，因为在这种情况下，间隙已经变窄。维持密封元件处于停用 状态包括不向密封元件的加热线缆供应电流。

如果确定可切换汽缸已经被停用，则在206处，估计自汽缸的停用以来 消逝的时间。在208处，程序包括确定自可切换汽缸的停用以来消逝的时间 是否高于阈值时间。如果自停用以来消逝的时间高于阈值，则中间电极温度 可以下降且因此绝缘体和中间电极之间的间隙可以增加(因为中间电极的收 缩)。如果间隙增加超过间隙密封，则油可以渗入间隙，从而引起对绝缘体的 损坏。

如果在208处确定自可切换汽缸的停用以来消逝的时间低于阈值时间， 则可以推定间隙足够狭窄，从而减少了油渗入间隙损害绝缘体的可能性。因 而，在204处，通过不向密封元件的加热线缆供应电流，密封元件可以被维 持处于停用状态。

如果确定自汽缸停用以来消逝的时间长于阈值时间，则在210处，中间 电极中的密封元件可以被启用。密封元件可以通过耦接到火花塞的点火线圈 或通过用于以开环和/或闭环方式控制燃烧发动机的开环和闭环单元被启用。 在一个示例中，密封元件可以包含用于加热中间电极的加热设备，加热设备 进而可以包含贯穿中间电极的加热线缆。由于加热线缆的高电阻，在电流通 过的情况下，线缆受电流的影响变热并引起中间电极变热和膨胀。由于中间 电极的膨胀，绝缘体和中间电极之间的间隙可以再次减小。因而，在汽缸停 用期间，点火线圈未用于向火花塞发送用于点火事件的电流，但可以用于向 密封元件(加热设备)发送电流以密封间隙。以此方式，在汽缸停用期间， 间隙可以被调节以防止油的任何渗入引起对火花塞的损坏。

在212处，程序包括确定可切换汽缸是否已经被再次启用。在一个示例 中，当发动机负载高于阈值负载时，可切换汽缸被再次启用。基于可切换汽 缸的状态，调整密封元件的运转。如果确定可切换汽缸继续处于停用状态(即， 其未被再次启用)，则在214处，密封元件可以被维持处于启用状态，以便维 持狭窄的间隙。如果确定可切换汽缸已经被再次启用(例如，由于高发动机 负载)，则在216处，可以通过切断耦接到中间电极的加热设备而停用密封元 件。当可切换汽缸处于启用状态时，由于火花塞的恢复运转，中间电极可以 被加热，并且因此狭窄的间隙可以被维持。

在一个示例中，火花塞系统包含：外壳，其能够连接到汽缸；绝缘体， 其紧固到外壳，所述绝缘体包含轴向孔口；中间电极，其布置在轴向孔口中 以在中间电极和绝缘体之间形成环状间隙；接地电极，其紧固到外壳；以及 控制器，其具有存储在非临时性存储器上的计算机可读指令，该指令用于： 根据汽缸的运转模式，启用火花塞的密封元件以便密封间隙。在先前示例中， 附加地或可选地，汽缸是燃烧发动机的可切换汽缸，并且其中当汽缸处于启 用模式中时，火花塞在可切换汽缸中开始燃烧。在任一个或所有先前示例中， 附加地或可选地，控制器包括响应于驾驶员扭矩需求高于阈值而以启用模式 运转可切换汽缸，并且响应于驾驶员扭矩需求低于阈值而以停用模式运转可 启用汽缸的指令。在任一个或所有先前示例中，附加地或可选地，火花塞包 括用于在汽缸中开始点火事件的点火线圈，并且其中密封元件可通过与火花 塞协作的点火线圈而被启用。在任一个或所有先前示例中，附加地或可选地， 密封元件可通过控制器以开环或闭环方式而启用。在任一个或所有先前示例 中，附加地或可选地，密封元件包含耦接到控制器用于加热中间电极的加热 设备。在任一个或所有先前示例中，附加地或可选地，加热设备包含延伸通 过中间电极的一个或更多个加热线缆。在任一个或所有先前示例中，附加地 或可选地，控制器具有存储在非临时性存储器上的计算机可读指令，该指令 用于：响应于密封元件的启用而启用加热设备；以及响应于密封元件的停用 而停用加热设备。

在另一个示例中，用于运转发动机的火花塞的方法包含：响应于确定可 切换汽缸以停用模式运转而经由控制器启用密封元件；以及响应于确定可切 换汽缸以启用模式运转而经由控制器停用密封元件。在先前示例中，附加地 或可选地，密封元件的启用基于阈值时间，当自可切换汽缸停用以来消逝的 时间高于阈值时间时，控制器启用所述元件。在任一个或所有先前示例中， 附加地或可选地，阈值时间基于火花塞的中间电极在可切换汽缸停用后收缩 超过阈值量所需要的时间。在任一个或所有先前示例中，附加地或可选地， 火花塞包含：外壳，其连接到汽缸；绝缘体，其紧固到外壳并且包含轴向孔 口；中间电极，其布置在轴向孔口中以在中间电极和绝缘体之间形成环状间 隙；接地电极，其紧固到外壳；以及密封元件，其可启用以便密封间隙。在 任一个或所有先前示例中，附加地或可选地，密封元件包含延伸通过中间电 极的一个或更多个加热线缆。在任一个或所有先前示例中，附加地或可选地， 启用密封元件包括经由控制器启用开关以供应来自车辆电池的电流而传递电 流通过密封元件。在任一个或所有先前示例中，附加地或可选地，传递电流 通过密封元件包括增加中间电极的温度。在任一个或所有先前示例中，附加 地或可选地，进一步包含：响应于电极的膨胀而经由控制器减小环状间隙。

在又一个示例中，用于发动机的方法包含：响应于可切换发动机汽缸的 选择性停用，停用汽缸的火花塞；向火花塞的中间电极供应电流以在火花塞 被停用且汽缸中无燃烧时维持中间电极的温度高于阈值温度；以及启用中间 电极的密封元件。在先前示例中，附加地或可选地，该方法进一步包含：在 第一状况期间，当可切换汽缸启用时，运转汽缸的火花塞的点火线圈以在汽 缸中开始点火事件；以及在第二状况期间，当汽缸被停用时，运转点火线圈 以加热火花塞的中间电极，而不用在汽缸中开始点火事件。

以此方式，基于可切换汽缸的运转状态，火花塞的密封元件可以被控制， 以便维持绝缘体和火花塞的中间电极之间的环状间隙处于狭窄状态。即使当 可切换汽缸的火花塞未被使用时，维持围绕火花塞的中间电极的狭窄间隙的 技术效果也是减少油通过间隙渗入。具有耦接到中间电极的加热元件的技术 效果是间隙尺寸可以通过仅改变传递通过加热元件的电流而被调整，且不需 要任何附加加热组件。通过减少在未使用火花塞的状况期间进入间隙的油， 可以减少由于间隙中油沉积物的焦化而引起的对绝缘体的损害。因此，这延 长了火花塞组件寿命并提高了发动机的点火性能。

注意，包括在本文中的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆 系统配置一起使用。本文描述的具体程序可以表示任何数量的处理策略中的 一个或更多个，诸如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等。因 此，所示的各种行为、运转和/或功能可以按所示的顺序执行、并行地执行或 在一些情况下省略。同样，处理的顺序不是实现本文面描述的实施例的特征 和优点所必需的，而是为了便于说明和描述提供。根据使用的特定策略，所 示的行为、运转和/或功能中的一个或更多个可以被重复地执行。此外，所述 的行为、运转和/或功能可以图形化地表示被编程到发动机控制系统中的计算 机可读存储介质的非临时性存储器之内的代码。

应当认识到，本文所公开的构造和程序在本质上是示例性的，并且这些 具体实施例不应被认为具有限制意义，因为许多变体是可能的。例如，上述 技术可以使用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。本公开 的主题包括本文所公开的各种系统和配置和其它特征、功能和/或性质的所有 新颖的和非显而易见的组合和子组合。

所附权利要求具体指出被认为是新颖的和非显而易见的特定组合和子组 合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这样 的权利要求应当被理解为包括一个或更多个这样的元件的组合，既不要求也 不排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其 它组合和子组合可以通过本申请的修改或通过在本申请或相关申请中提出的 新权利要求而被要求保护。这样的权利要求，无论是比原权利要求范围更宽、 更窄、等同或不同，均被认为包含在本公开的主题内。