专利名称：射频等离子火花塞的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种射频等离子火花塞。
更特别地，本发明涉及一种火花塞，其称之为射频等离子火花塞，装配在内燃机的燃烧室中，并包括—具有主轴线D的环形壳体，由第一导电材料形成并具有第一和第二端部和位于所述壳体的第一端部处的具有主对称轴线D的端部圆形表面；—中心电极，由第二导电材料形成，沿主轴线D延伸并且包括设置在所述环形壳体内侧的内侧部分和设置在所述环形壳体外侧的外侧部分，与壳体的第二端部相比，所述外侧部分更靠近第一端部；—环形的电绝缘元件，该元件至少绕所述中心电极的内侧部分延伸从而被插入于所述壳体和电极之间，该绝缘元件只覆盖中心电极外侧部分的一部分，从而外侧部分的未被覆盖的部分与火花塞周围的气体混合物相接触。
背景技术：
使汽油内燃机的燃烧室内的空气燃料混合物开始燃烧的内燃机的点火，在当前的发动机中被较好地控制。
然而，为了符合排放标准，发动机制造商已经开发出可在贫空气燃料混合物的情况下工作的可进行点火控制的发动机，所述贫空气燃料混合物也就是相对于所喷射的燃料含有过量空气的混合物。
然而，贫燃料混合物的点火难于控制。结果，为了提高成功点火的可能性，在火花产生的瞬间需要有更多的富燃料混合物围绕火花塞。
仍然为了增加火花塞点燃所述混合物的可能性，已经开发出新型的具有表面火花的火花塞，以产生更大的火花以解决燃料混合物和火花之间的时空交汇(spatio-temporal meeting)的问题。从而，更多量的燃料被点燃，因此开始燃烧的可能性被极大地提高。
这种火花塞具体描述于专利申请FR97-14799，FR99-09473和FR00-13821中。这种火花塞由小电势差产生大型的火花。
表面火花的火花塞具有在两个电极之间的距离为最小的区域分离开所述电极(一个电极是环形壳体，另一个电极是中心电极)的电介质(绝缘元件)；电极之间形成的火花因此被引导到电介质的表面。这些火花塞在电介质的表面处放大电极之间的电场。为此，由电介质和下层电极形成的基元电容(elementary capacitor)被逐步充电。火花塞产生的火花在空气/燃料混合物中的电场最强的区域中沿绝缘体的表面传递。
发明内容
基于这个原因，因此本发明的一个目的是提供一种火花塞，一旦该火花塞被组装到燃烧室中，就可以提高点燃围绕着该火花塞的混合物的可能性。
为此，另一方面，根据前述导言部分给出的一般性定义，本发明的火花塞的实质特征在于，相对于所述电极的未被覆盖的部分，所述绝缘元件具有遮盖壳体整个端部圆形表面的环形肩部。
通过这种一种火花塞—一方面，将火花塞的壳体与中心电极分离开的距离(顺着沿绝缘元件的表面的路径)特别长，这是因为它超过了端部圆形表面的最小尺寸(即该圆形表面的直径)；—另一方面，中心电极和壳体由所述绝缘元件分离开，并且因此不彼此相对。
这两个原因意味着，当在所述电极和壳体上施加能量以在它们之间产生大的电势差时(其绝对峰值通常在5kV至35kV之间变化)，在火花塞的端部圆形表面和中心电极之间不会产生电弧。
更一般地，当根据本发明的火花塞组装到车辆燃烧发动机中时，中心电极的未被绝缘体覆盖的部分设置在燃烧室内，壳体被组装于所述燃烧室的壁厚中，因而在所述壳体和中心电极之间不会产生电弧。实际上，由中心电极的未被覆盖部分到壳体的通路由于绝缘体的存在而被阻断了。
在这种情况下，当根据本发明的火花塞在射频下通电时，即当交流电压(所述交流电压例如大于5kV并且具有超过1MHz的频率)施加于壳体和中心电极之间时，将在中心电极附近产生分支的等离子体(branched plasma)，而不是电弧。必须清楚地理解，该电压和给定的频率适合于在摩尔密度大于5×10-2mol/L的气体混合物中产生等离子体。
下文中使用的术语等离子体或分支等离子体表示在给定的气体容积中至少多个电离路线或路径同时产生，其分支因此是全方向的。
然而体积等离子体意味着加热产生等离子体的整个体积，分支等离子体只需要沿火花形成的路径加热。因此，对于给定的体积，分支等离子体所需的能量显著地小于体积等离子体所需的能量。
由根据本发明的火花塞形成的分支等离子体被产生于距离所述绝缘元件一段距离的位置，朝向燃烧室的面对着中心电极的壁，从而可以降低壳体起弧的可能性，同时可降低电极的磨损。
通过与电弧的对比，等离子体具有在中心电极周围的大气体体积内包括大量的电离或火花路径的优点，从而增加了包含氧化剂的混合物被点燃的可能性。
电弧和分支等离子体之间的一个不同在于—电弧由在电极之间直接延伸的单一次序的电离的气体分子构成，并且允许电子从一个电极传递到另一个电极，以降低这些通电电极之间的电势差，而—根据本发明产生的等离子体是许多电离气体分子链的集合，这些电离的气体分子以无序的形式围绕在通电电极周围并且由所述电极发出。这种多个链允许电子顺序地在所述电极和附近的空气之间来回传递。
火花的形成是通过从承受强电场的介质(气体混合物)中取走少量电子而开始的。当在电极之间施加高电压时，一个电极的电子在电极之间的产生的静电力的作用下被加速并轰击含有空气的气体混合物。承受最强的静电场(通常为电极的一个角或靠近另一个电极的尖点)一部分电子是第一崩塌的起始点。气体分子被加热并释放电子和光子，然后它们进一步地电离空气分子。从而，当在由绝缘体分隔的电极之间施加高电压时，连锁反应电离所述空气。
围绕着中心电极的电离后的空气具有接近中心电极的电势，并且其行为表现为所述中心电极的延续部分。当崩塌前缘(用于表示气体混合物中的电荷迁移的整体波的名称)扩展时，电场在该前缘上游被放大并且激发进一步崩塌的产生。从而，该现象具有自持续的倾向，围绕中心电极产生向燃烧室壁移动的导电的电离气体质量。
如前所述，本发明的火花塞具有施加于其上的交流电压，从而能够使中心电极和壳体/燃烧室之间的电势差变化，可以将该电势差反向。电势/极性每次改变，电子就在相反的方向上被逐渐加速。极化波因而以激励频率振荡传播，在每个周期内恢复前一周期内产生的电荷。因此每次交替变化使所述波比前一次扩散至一个更大的范围；因此可通过将本发明的火花塞通电，在电极和壳体之间施加较高的电压，以获得较大的火花。以射频频率向火花塞通电可额外地使其避免起弧和消除连续循环之间的闪络的变化。
例如，可设法让壳体的端部圆形表面靠在绝缘元件肩部的互补的支承表面上。该特征可消除绝缘元件和壳体中间的空隙，从而与等离子体触发的火焰有关的热量可消散到壳体，从而避免陶瓷的过热。
还可以设法让绝缘元件具有设置在所述壳体内侧的最小厚度，并且让绝缘元件的肩部具有大于或等于所述最小厚度的一半的厚度。
该特征可避免中心电极的未被覆盖部分之间的连接点，以及因此空气/陶瓷/中心电极连接点过于接近壳体。如果电极的未被覆盖的部分，或更具体地该接合点，确实非常接近所述壳体，则将构成一个发射表面火花的区域。
还可以设法让壳体、电绝缘元件和中心电极构造为旋转对称的，它们的公共轴线为主对称轴线D。
火花塞的组成部分相对于公共对称轴的定位精度允许分支等离子体集中在轴线D和中心电极周围，从而可以更容易地定位燃烧室中产生火花的区域。
还可以设法让环形壳体具有圆柱管的形状，在该壳体的第一端部包括接触端部圆形表面的内倒角，该内倒角与形成于绝缘元件的一部分上的互补的倒角相接触。
通过使用互补的倒角将绝缘元件组装靠在壳体上，可使机械应力在壳体和绝缘元件之间更好地分配，从而降低或甚至完全消除壳体与绝缘元件相接触的的任何尖角。分配过量或不足的机械应力会导致陶瓷的断裂和火花塞的损坏。因此，该相互补足的倒角特征可提高火花塞的寿命和其承受高温和温度变化的能力。
该实施例还可增加绝缘元件和壳体之间的接触面积，从而有助于从绝缘元件向壳体传递热量和防止绝缘元件过热。
最佳地，为了在绝缘元件和壳体之间分配机械应力，所述内倒角的横截面在平行于主轴线D的平面上具有圆形形状。
还可以设法让所述环形肩部包括一个远离环形壳体的端部并且在其外周边形成一个与主轴线D同轴的圆形外周边倒角。
所述外周边倒角降低或消除了在环形肩部的端部处环形元件外周边附近存在的尖角。
本发明的其它特征和优点将通过在下文中参照附图、完全地以非限定性说明给出的描述而清晰地显现出，其中图1描绘了在申请人的公司提交的并且尚未公开的法国专利申请FR03-10766，FR03-10767，FR03-10768中描绘的火花塞；图2a，2b和2c描绘了根据本发明的火花塞的实施例。
具体实施例方式
图1的火花塞1是由申请人的公司开发的用作产生等离子的火花塞的火花塞。该火花塞包括于在本申请的申请日尚未公开的专利申请中。
该火花塞包括具有对称轴线D的圆柱形中心电极7，其被称为内侧部分的部分设置在环形壳体3内侧并且与壳体3之间具有一些距离，其中所述壳体3具有轴线D的圆柱管形状。
环形的绝缘元件也部分地设置在环形壳体内侧，环绕着所述中心电极，从而将壳体与中心电极7分离开。该绝缘元件、中心电极和壳体3是关于轴线D旋转对称的元件。中心电极7具有未覆盖的部分16，即未被电绝缘元件10和壳体3包围的部分，该未覆盖的部分16设置在发动机的燃烧室2的内侧。
壳体3具有中部穿孔的平圆盘形状的外侧部分圆形表面并且其对称轴设置为与轴线D垂直。壳体3与燃烧室2的壁具有连接部，其通常使用螺纹将壳体旋拧进入壁的通孔中。因此，这样与燃烧室2的壁装配在一起的火花塞壳体与该壁是等电势的，即电力接地的。
当中心电极上施加一以地电势为中心的交流电压时，该电压具有1～10MHz范围之间的频率，位于中心电极的尖点17附近的电子或者通过燃烧室周围的气体混合物从电极向燃烧室的壁迁移，或者从气体混合物向电极迁移。在这两种情况中，电的变化使电子没有时间从电极向燃烧室壁传递。因此在由中心电极7和燃烧室2的壁形成的两个电终端之间不发生任何实质性(true)放电的情况下，空气被电离。该电离产生了围绕着中心电极的尖点17的局部等离子体区，并且在很小的交换空间(exchange volume)周围聚集运动电荷。
然而，已经发现，使用这种类型的电极，在1～10MHz的频率范围内在尖点和壳体之间会产生放电。该放电离开环形壳体并沿着中心电极的轴线顺着绝缘元件扩散。这种获得火花的方式是不理想的，因为它将火花保持在绝缘元件附近，因此导致所产生的火焰降温。
已经开发出图2A，2B和2C中提出的火花塞，以克服上述缺点。
在这些附图中的火花塞具有结合图1加以描述的火花塞的全部特征，而且还具有形成于绝缘元件10上并且遮盖壳体3的外侧部分圆形表面6的肩部11。
该肩部11增加了电极和壳体之间穿过气体混合物传递的距离，从而可以防止在中心电极17和壳体3之间起弧。
由于该结构，一旦将图2A，2B和2C的电极设置成使尖点在燃烧室2内部并且由高电压交流发电机提供交流电流，就会在其尖点17处产生等离子区。
绝缘元件的最小厚度“e”位于壳体3的内侧，其最大厚度“E”位于肩部11的区域内。
图2A的绝缘元件10的肩部是在纵向截面中具有直角的肩部，所述直角可导致载荷和机械应力集中。
为此，图2B和2C中的火花塞在壳体3的第一端部4处具有内倒角13。
绝缘元件10具有与内倒角13相接触的互补的倒角14。这种大接触面允许热量从绝缘元件向壳体转移，从而延长了火花塞的平均寿命。
同样，图2C中根据本发明的火花塞具有形成于环形肩部11上的、位于距离壳体3轴向最远处的圆形的外侧部分倒角15。
这种肩部可避免在肩部、在穿过尖点17与环形壳体3之间的气体混合物的路径上具有直角。这种圆形边缘降低了起弧的风险。
第一和第二导电材料分别是中心电极和壳体3的材料，根据本发明的一个具体实施例，它们彼此相同。这些材料是金属材料，例如铜合金。
根据本发明的一个具体实施例，中心电极7的端部可由镍套包围的铜芯构成。
所述绝缘材料优选地为介电强度超过20kV/mm的陶瓷。
权利要求
1.一种火花塞(1)，称之为射频等离子火花塞，用于装配在内燃机的燃烧室(2)中，并且包括—具有主轴线D的环形壳体(3)，由第一导电材料形成并具有第一和第二端部(4，5)以及位于所述壳体(3)的第一端部(4)处的具有主对称轴线D的端部圆形表面(6)；—中心电极(7)，由第二导电材料形成，沿主轴线D延伸并且包括设置在所述环形壳体(3)内侧的内侧部分(8)和设置在所述环形壳体(3)外侧的外侧部分(9)，与壳体的第二端部(5)相比，所述外侧部分(9)更靠近第一端部(4)；—环形的电绝缘元件(10)，该绝缘元件至少绕所述中心电极(7)的内侧部分(8)延伸，从而被插入于所述壳体(3)和电极(7)之间，该绝缘元件(10)只覆盖中心电极(7)的外侧部分(9)的一部分，从而外侧部分的未被覆盖的部分(16)与所述火花塞周围的气体混合物相接触；其特征在于，相对于电极(7)的未被覆盖部分(16)，所述绝缘元件(10)具有遮盖壳体的整个端部圆形表面(6)的环形肩部(11)。
2.根据权利要求1所述的火花塞(1)，其特征在于，壳体的端部圆形表面(6)支靠在绝缘元件(10)的肩部(11)的互补的支承表面(12)上。
3.根据权利要求1或2所述的火花塞(1)，其特征在于，绝缘元件(10)具有位于所述壳体(3)内侧的最小厚度(e)，并且绝缘元件(10)的肩部(11)具有大于或等于所述最小厚度(e)的一半的肩部厚度(E)。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的火花塞(1)，其特征在于，端部圆形表面(6)具有中心穿孔的平圆盘形状。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的火花塞(1)，其特征在于，壳体(3)、电绝缘元件(10)和中心电极(7)是旋转对称的元件，它们的公共对称轴是主轴线D。
6.根据权利要求5所述的火花塞(1)，其特征在于，所述环形壳体(3)具有圆柱管形形状，在该壳体的第一端部(4)处包括与端部圆形表面(6)接触的内倒角(13)，该内倒角(13)与形成于绝缘元件(10)的一部分上的互补的倒角(14)相接触。
7.根据权利要求6所述的火花塞(1)，其特征在于，所述内倒角(13)在平行于主轴线D的平面上具有圆形的横截面。
8.根据权利要求5-7中任一权利要求所述的火花塞(1)，其特征在于，所述环形肩部(11)包括远离所述环形壳体的端部并且在其外周边形成与主轴线D同轴的圆形外周边倒角(15)。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的火花塞(1)，其特征在于，电极的未被覆盖的部分(16)包括一尖点(17)。
10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的火花塞(1)，其特征在于，绝缘元件由陶瓷制成。
全文摘要
本发明涉及一种所谓的射频等离子火花塞(1)，其用于装配在内燃机的燃烧室(2)中，包括具有主轴线D的环形壳体(3)；中心电极(7)，由第二导电材料形成，沿主轴线D延伸，并且包括设置在所述环形壳体(3)内侧的内侧部分(8)和设置在所述环形壳体(3)外侧的外侧部分(9)；环形的电绝缘元件(10)，该绝缘元件至少绕所述中心电极(7)的内侧部分(8)延伸，从而插入于所述壳体(3)和电极(7)之间，所述绝缘元件(10)只覆盖中心电极(7)的外侧部分(9)的一部分。相对于电极(7)的未被覆盖部分(16)，所述绝缘元件(10)具有遮盖壳体的整个端部圆形表面(6)的环形凸缘(11)。
文档编号H01T13/52GK101057379SQ200580039108
公开日2007年10月17日 申请日期2005年10月27日 优先权日2004年11月16日
发明者X·雅弗勒齐克, A·阿涅雷 申请人:雷诺两合公司