СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ С РАДИОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМОЙ
IGNITION PLUG WITH RADIO FREQUENCY PLASMA

Настоящее изобретение, в целом, относится к свечам зажигания с радиочастотной плазмой.
Более конкретно, изобретение относится к свече зажигания, известной как свеча зажигания с радиочастотной плазмой, предназначенной для установки в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания и содержащей
кольцевую оболочку основной оси D, сформированную из первого электропроводного материала и имеющую первый и второй торцы и круглую торцевую поверхность с основной осью симметрии D, расположенной на первом торце оболочки;
центральный электрод, сформированный из второго электропроводного материала, продолжающийся вдоль основной оси D и содержащий внутренний участок, расположенный внутри указанной кольцевой оболочки, и внешний участок, расположенный за пределами указанной кольцевой оболочки, ближе к первому торцу оболочки, чем ко второму;
электроизолирующий компонент кольцевой формы, продолжающийся, по меньшей мере, вокруг внутреннего участка центрального электрода, выполненный с возможностью установки между оболочкой и электродом, причем указанный изолирующий компонент закрывает только часть внешнего участка центрального электрода, при этом открытая часть внешнего участка находится в контакте с газовой смесью, окружающей свечу зажигания.
Зажигание бензиновых двигателей внутреннего сгорания, которое состоит в инициированном сжигании воздушно-топливной смеси в камере сгорания указанного двигателя, относительно хорошо управляется в современных двигателях.
Однако для соответствия стандартам выброса вредных газов производители двигателей разработали двигатели с управляемым зажиганием, которые могут работать на обедненных воздушно-топливных смесях, то есть на смесях, которые содержат избыточное количество воздуха относительно количества впрыскиваемого топлива.
Однако зажиганием обедненной топливной смеси трудно управлять. В результате, для улучшения вероятности успешного зажигания необходимо обеспечивать более богатые топливом смеси вокруг свечи зажигания в момент формирования искры зажигания.
Также, с целью увеличения вероятности воспламенения смеси посредством свечи зажигания, были разработаны новые свечи зажигания с поверхностной искрой для получения искры большего объема, которые позволяют решить проблему пространственно-временного совпадения топливной смеси и искры. Таким образом воспламеняется больший объем смеси и вероятность инициирования сгорания поэтому улучшается.
Такие свечи зажигания, в частности, описаны в заявках на патент FR97-14799, FR99-09473 и FR00-13821. Такие свечи зажигания генерируют искру большого размера при небольших разностях потенциала.
Свечи зажигания с поверхностной искрой имеют диэлектрик (изолирующий компонент), разделяющий электроды (один электрод представляет собой кольцевую оболочку и другой электрод представляет собой центральный электрод) в области, где расстояние между ними является наименьшим; искры зажигания, формируемые между электродами, таким образом направляются на поверхность диэлектрика. Такие свечи зажигания увеличивают поле между электродами на поверхности диэлектрика. С этой целью последовательно заряжают элементарные конденсаторы, сформированные диэлектриком и расположенным под ним электродом. Свечи зажигания генерируют искру зажигания, которая распространяется вдоль поверхности изолятора в областях, где электрическое поле в воздушной/газовой смеси является самым сильным.
Задача настоящего изобретения, таким образом, состоит в создании свечи зажигания, которая после установки в камере сгорания позволяет увеличить вероятность воспламенения смеси, окружающей свечу зажигания.
Свеча зажигания, в соответствии с изобретением, в других аспектах в соответствии с родовым определением, приведенным в указанной выше вводной части, по существу, характеризуется тем, что изолирующий компонент имеет кольцевой буртик, маскирующий всю круглую торцевую поверхность оболочки относительно незакрытой части электрода.
При использовании такой свечи зажигания
- с одной стороны, расстояние, разделяющее оболочку свечи зажигания от центрального электрода (вдоль пути, продолжающегося вдоль поверхности изолирующего компонента), является особенно длинным, поскольку оно превышает минимальный размер торцевой круглой поверхности (то есть диаметр этой круглой поверхности);
- и, с другой стороны, центральный электрод и оболочка разделены изолирующим компонентом и поэтому не обращены друг к другу.
Эти две причины означают, что, когда мощность прикладывается к электроду и оболочке для создания большой разности электрического потенциала (обычно в диапазоне от 5 до 35 кВ для абсолютных пиковых значений) между ними, исключается формирование электрической дуги между торцевой круглой поверхностью свечи зажигания и центральным электродом.
В общем, когда свеча зажигания в соответствии с изобретением установлена в двигателе внутреннего сгорания транспортного средства и при этом часть центрального электрода, которая не была закрыта изолятором, расположенным внутри камеры и, когда оболочка установлена в толще стенки камеры, не возникает электрическая дуга между оболочкой и центральным электродом. Действительно, доступ к оболочке от незакрытой части центрального электрода предотвращается благодаря присутствию изоляции.
-2
В таких условиях свеча зажигания, в соответствии с изобретением, при подаче на нее энергии на радиочастоте, то есть когда переменное напряжение прикладывают между оболочкой и центральным электродом (указанное переменное напряжение, например больше, чем 5 кВ, и имеет частоту, превышающую 1 МГц), вместо электрической рядом с центральным электродом дуги формируется разветвленная плазма. Следует учесть, что такое напряжение на данной частоте прежде всего формирует плазму в газообразной смеси, имеющей молярную плотность, превышающую 5×10 моль/литр.
Термин "плазма" или "разветвленная плазма", используемый ниже, обозначает одновременное генерирование, по меньшей мере, нескольких ионизирующих линий или каналов в заданном газовом объеме, и, кроме того, во всех направлениях формируется разветвление плазмы.
Принимая во внимание, что объемная плазма приводит к нагреву всего объема, в котором она должна быть сгенерирована, разветвленная плазма требует нагрева объема только вдоль каналов формируемых искр. Таким образом, для заданного объема энергия, требуемая для разветвленной плазмы, значительно меньше, чем энергия, требуемая для объемной плазмы.
Разветвленная плазма, генерируемая свечой зажигания, в соответствии с изобретением генерируется на некотором расстоянии от изолирующего компонента в направлении стенок камеры, которые обращены к центральному электроду, позволяя таким образом уменьшить вероятность образования дуги с оболочкой и соответственно обеспечивать меньший износ электрода.
При сравнении с электрической дугой плазма имеет преимущество, состоящее в ионизации значительного количества каналов искрообразования в существенном объеме газа, расположенного вокруг центрального электрода, увеличивая таким образом вероятность воспламенения смеси, содержащей окисляющей агент.
Одно различие между электрической дугой и разветвленной плазмой состоит в том, что:
- дуга состоит из одной последовательности ионизированных молекул газа, продолжающихся непосредственно между электродами, и позволяет передавать электроны с одного электрода на другой для уменьшения разности электрического потенциала между этими включенными в цепь питания электродами, в то время как:
- плазма, формируемая в соответствии с изобретением, представляет собой набор множества цепей ионизированных молекул газа, располагающихся беспорядочным образом вокруг передающего энергию электрода и распространяющихся от указанного электрода. Такое множество цепей позволяет передавать электроны в виде последовательностей, передаваемых вперед и назад между указанным электродом и расположенным рядом воздухом.
Формирование искры инициируется благодаря отбору из среды (газообразной смеси) нескольких электронов, которые подвергаются воздействию сильного электрического поля. Когда высокое напряжение прикладывают между электродами, электроны от одного электрода ускоряются под действием электростатических сил, генерируемых между электродами, и бомбардируют содержащую воздух газообразную смесь. Часть электрода, на которую воздействует самое сильное электростатическое поле (обычно угол электрода или острый кончик рядом с другим электродом), представляет собой начальную точку для первой лавины. Молекулы воздуха нагреваются и высвобождают электрон и фотон, которые, в свою очередь, ионизируют другие молекулы воздуха. Таким образом, цепная реакция ионизирует воздух, когда высокое напряжение приложено между электродами, разделенными изолятором.
Ионизированный воздух вокруг центрального электрода имеет потенциал, близкий к потенциалу этого центрального электрода, и функционирует как его продолжение. По мере того, как фронт лавины (название, используемое для обозначения массивной волны миграции электрических зарядов в газообразной смеси) расширяется, электрическое поле усиливается сразу же за фронтом и способствует созданию следующей волны лавин. Таким образом, это явление имеет тенденцию самоподдерживающейся реакции, создающей вокруг центрального электрода электропроводную ионизированную газообразную массу, движущуюся в направлении к стенкам камеры.
Как указано выше, к свече зажигания в соответствии с изобретением прикладывают переменное напряжение, обеспечивая таким образом возможность изменять разность потенциалов между центральным электродом и оболочкой/камерой, при этом становится возможным получать обратное значение этой разности потенциалов. При каждом изменении потенциала/полярности электроны все больше ускоряются в противоположных направлениях. Таким образом, волна поляризации перемещается с колебаниями с частотой питания, за каждый период восстановления зарядов, потерянных в предыдущем периоде. Таким образом, каждое колебание приводит к дополнительному расширению волны по сравнению с предыдущим периодом; при этом становится возможным с использованием свечи зажигания, в соответствии с изобретением, запитанной таким образом, чтобы получать относительно большие размеры искр при относительно высоких напряжениях, приложенных между электродом и оболочкой. Питание такой свечи зажигания с радиочастотой дополнительно позволяет предотвратить образование дуги и устранить вариации разрядного напряжения между последовательными циклами.
При этом, например, становится возможным разработать круглую торцевую поверхность оболочки, установленную на взаимодополняющей установочной поверхности буртика изолирующего компонента. Это свойство позволяет устранить промежуток между изолирующим компонентом и оболочкой так, что тепло, возникающее в присутствии пламени, инициируемого плазмой, может рассеиваться через оболочку, исключая, таким образом, перегрев керамики.
Также возможно разработать изолирующий компонент с минимальной толщиной на участке, расположенном внутри указанной оболочки, и буртик изолирующего компонента при этом имеет толщину, большую, чем или равную половине указанной минимальной толщины.
Это свойство позволяет исключить слишком близкое расположение к оболочке соединения между незакрытой частью центрального электрода и поэтому исключить соединения воздуха/керамики/центрального электрода. Если такая незакрытая часть электрода или, более конкретно, такое соединение располагается слишком близко к оболочке, она может составлять область, в которой может формироваться поверхностная искра.
Также возможно разработать оболочку, электроизолирующий компонент и центральный электрод, как компоненты, обладающие круговой симметрией, при этом общую ось симметрии составляет основная ось D.
Точность относительного размещения составляющих деталей свечи зажигания относительно общей оси симметрии позволяет располагать разветвленную плазму в центре вокруг этой оси D и вокруг центрального электрода, упрощая таким образом локализацию области, в которой формируются искры в камере сгорания.
Также возможно разработать кольцевую оболочку в форме цилиндрической трубки, содержащей первый торец оболочки, внутреннюю фаску, которая входит в контакт с круглой торцевой поверхностью, причем эта внутренняя фаска находится в контакте со взаимно дополняющей фаской, сформированной на участке изолирующего компонента.
Такая сборка изолирующего компонента с оболочкой, используя взаимодополняющие фаски, позволяет обеспечить лучшее распределение механических напряжений между оболочкой и изолирующим компонентом, уменьшая таким образом или далее полностью устраняя любые острые углы оболочки, находящейся в контакте с изолирующим компонентом. Излишние или плохо распределенные механические напряжения могут привести к разлому керамики и повреждению свечи зажигания. Таким образом, это свойство взаимодополняющих фасок позволяет увеличить срок службы свечи зажигания и улучшить ее способность противостоять высоким температурам и изменениям температуры.
Данный вариант выполнения также позволяет увеличить площадь контакта между изолирующим компонентом и оболочкой, способствуя таким образом лучшей теплопередаче от изолирующего компонента в оболочку и предотвращая перегрев этого изолирующего компонента.
В оптимальном случае для распределения механических напряжений между изолирующим компонентом и оболочкой внутренняя фаска имеет поперечное сечение в плоскости, параллельной основной оси D закругленной формы. Также возможно разработать кольцевой буртик таким, что он будет содержать торец, расположенный на расстоянии от кольцевой оболочки и на внешней кромке которого сформирована закругленная периферийная фаска коаксиально с основной осью D.
Предпочтительным является то, что незакрытая часть электрода содержит заостренный кончик. Периферийный буртик уменьшает или устраняет наличие острого угла рядом с внешней кромкой кольцевого компонента на торце кольцевого буртика.
Другие свойства и преимущества изобретения будут очевидны из его описания, приведенного ниже, в виде полностью не ограничивающего обозначения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено:
фиг.1 - свеча зажигания, описанная в заявках на французские патенты FR03-10766, FR03-10767 и FR03-10768, поданных компанией Заявителя и еще не опубликованных;
фиг.2А, 2B и 2С - варианты выполнения свечи зажигания в соответствии с изобретением.
Свеча 1 зажигания по фиг.1 представляет собой свечу зажигания, разработанную компанией Заявителя и предназначенную для использования в качестве свечи зажигания, генерирующей плазму. Эта свеча зажигания описана в патентных заявках, которые на момент подачи настоящей заявки еще не были опубликованы.
Такая свеча зажигания содержит цилиндрический центральный электрод 7 с осью симметрии D, участок которой, называемый внутренним участком, установлен внутри и на некотором расстоянии от кольцевой оболочки 3, которая имеет форму цилиндрической трубки с осью D.
Изолирующий компонент кольцевой формы также расположен частично внутри кольцевой оболочки вокруг центрального электрода для разделения оболочки от центрального электрода 7. Изолирующий компонент, центральный электрод и оболочка 3 представляют собой компоненты, которые проявляют симметрию вращения вокруг оси D. Центральный электрод 7 имеет незакрытую часть 16, то есть часть, не окруженную электроизолирующим компонентом 10 и не окруженную оболочкой 3, эту незакрытую часть 16 располагают внутри камеры 2 сгорания двигателя.
Оболочка 3 имеет внешнюю круглую поверхность в форме плоского диска, перфорированного в центре и имеющего ось симметрии, проходящую по оси D, и при этом располагается перпендикулярно этой оси D. Оболочка 3 соединяется со стенкой камеры 2, что, в общем, предполагает завинчивание оболочки в отверстие, сформированное в стенке. Оболочка свечи зажигания, установленная таким образом на стенке камеры 2 сгорания, получает при этом потенциал, равный потенциалу этой стенки, то есть электрически заземляется.
Когда центральный электрод подключают к переменному напряжению, изменяющемуся вокруг потенциала Земли, причем это напряжение имеет частоту в диапазоне от 1 до 10 МГц, электроны, расположенные рядом с заостренной точкой 17 центрального электрода, перемещаются либо из электрода в направлении стенок камеры, через газообразную смесь, окружающую камеру, или из газообразной смеси в направлении к электроду. В обоих случаях электрические колебания приводят к тому, что электрон не имеет достаточно времени, чтобы переместиться от центрального электрода к стенке камеры. Воздух, таким образом, может быть ионизирован так, что при этом в действительности не образуется электрический разряд между двумя электрическими выводами, сформированными центральным электродом 7 и стенкой камеры 2. Такая ионизация образует локализованную плазму вокруг заостренной точки 17 центрального электрода и концентрирует движущиеся электрические заряды вокруг небольшого объема обмена.
Однако было определено, что при использовании электрода такого типа электрические разряды между заостренными точками и оболочкой могут возникать в диапазоне частот от 1 до 10 МГц. Эти разряды проходят от кольцевой оболочки и распространяются вдоль изолирующего компонента, вдоль оси центрального электрода. Такой способ получения искры является нежелательным, поскольку при его использовании искра располагается близко к изолирующему компоненту, что, таким образом, приводит к охлаждению сформированного при этом пламени.
Свечи зажигания таких типов, как представлены на фиг.2А, 2В и 2С, были разработаны для устранения этого недостатка.
Свечи зажигания на этих чертежах имеют все свойства, описанные в отношении свечи зажигания, показанной на фиг.1, но также имеют буртик 11, изготовленный из изолирующего компонента 10 и маскирующий внешнюю круглую поверхность 6 оболочки 3.
Такой буртик 11 продолжается на расстояние, проходящее через газообразную смесь, между электродом и оболочкой, позволяя таким образом предотвратить образование дуги между центральным электродом 7 и оболочкой 3.
Благодаря использованию такой конфигурации, электроды на фиг.2А, 2В и 2С после установки их заостренным кончиком внутри камеры 2 и подачи переменного напряжения с высоким напряжением от генератора переменного напряжения, формируют плазму на заостренных кончиках 17.
Участок с минимальной толщиной "е" изолирующего компонента располагается внутри оболочки 3 и участок с его максимальной толщиной "Е" располагается в области буртика 11.
Буртик изолирующего компонента 10 по фиг.2А представляет собой буртик, который в продольном сечении формирует прямые углы, которые могут вводить концентрации нагрузок и механические напряжения.
По этой причине свечи зажигания на фиг.2В и 2С имеют внутреннюю фаску 13 возле первого торца 4 оболочки 3.
Изолирующий компонент 10 имеет взаимодополняющую фаску 14, которая входит в контакт с внутренней фаской 13. Такая большая площадь контакта позволяет удалять тепло от изолирующего компонента в оболочку, что продлевает средний срок службы свечи зажигания.
Кроме того, свеча зажигания в соответствии с изобретением по фиг.2С имеет кольцевой буртик 11, содержащий торец, расположенный на расстоянии от кольцевой оболочки и на внешней кромке которого сформирована закругленная периферийная фаска 15, коаксиально с основной осью D.
Такой буртик позволяет исключить образование прямого угла и на буртике, и на пути через газовую смесь между заостренным кончиком 17 и кольцевой оболочкой 3. Такая закругленная кромка уменьшает риск образования дуги.
Первый и второй электропроводные материалы, которые представляют собой соответствующие материалы центрального электрода и оболочки 3, в соответствии с одним конкретным вариантом выполнения изобретения являются одинаковыми. Эти материалы представляют собой металлические материалы, такие как сплавы меди.
В соответствии с одним конкретным вариантом выполнения изобретения, торец центрального электрода 7 может состоять из медной сердцевины, окруженной никелевой гильзой.
Изолирующий материал, предпочтительно, представляет собой керамику с диэлектрической прочностью, превышающей 20 кВ/мм.