专利名称：在内燃机中使用电晕放电点燃燃料/空气混合物的点火器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有在WO 2004/063560 Al中公开的特征的点火器。
背景技术：
文献WO 2010/011838 Al公开了如何能够在内燃机的燃烧室中通过燃烧室中产生的电晕放电而点燃燃料/空气混合物。为了该目的，点火电极以电绝缘的方式横贯燃烧室的处于地电位的壁中的一个，并且延伸进燃烧室中，优选地，与燃烧室中提供的往复活塞相对。点火电极与处于地电位的燃烧室壁一起组成电容，而燃烧室壁的作用为反电极。燃烧室及其内容物起电介质的作用。取决于活塞处于哪一个冲程，空气或燃料/空气混合物或废气位于其中。电容是使用高频电压激发的电振荡电路的组成部分，该高频电压例如通过使用具有中心抽头(center tap)的变压器产生。变压器与向两个通过中心抽头连接变压器的初级绕组施加指定的DC电压的开关装置相互作用。变压器的二次绕组(secondary winding) 供给串联振荡电路，后者包含通过点火电极和燃烧室的几个壁形成的电容。控制激发振荡电路并通过变压器传送的交流电压的频率，以便其尽可能接近振荡电路的谐振频率 (resonance frequency) 0结果是延伸进点火电极设置于其中的燃烧室的点火电极处为高压。谐振频率通常为30千赫至3兆赫之间，而交流电压的值在点火电极处例如达到50KV 至 500KV。因此能在燃烧室内产生电晕放电。电晕放电不应被击穿为电弧放电或火花放电。 因此考虑一些措施，从而确保点火电极和处于地电位的燃烧室壁之间的电压保持在完全击穿所要求的电压之下。内燃机中可获得的用于以下方面的空间有限，即，使点火电极及其绝缘体封套能够穿过燃烧室壁，尤其是穿过活塞发动机的气缸盖的空间有限，尤其是在客车的现代发动机中，在该情形中，通常提供MlO至最大M14的螺丝孔用于在火花塞中螺纹连接，因此依照本发明的点火器仅可利用不超过大约IOmm的外部直径。此外，有进一步减小气缸盖中螺丝孔的尺寸的要求。考虑主要对于绝缘体绝缘能力的高要求-在30KHz至3MHz下50KV至 100KV的高电压，结合燃烧室壁中的小通路开口，燃烧室中的高压高温和压力温度的波动， 以及燃烧室大气的侵袭-依照本发明的用于内燃机的点火器开发中的工程师们要面对相当多的挑战。
发明内容
本发明所解决的问题在于创造一种最新型(initially stated type)的点火器， 其比以前的点火器更好地解决上述挑战。该问题通过具有权利要求1所述的特征的点火器解决。本发明的有利发展是附加权利要求的主旨。依照本发明的点火器包括点火电极，其为了在具有一个或多个燃烧室的内燃机中使用电晕放电而为燃料/空气混合物点火，该电晕放电通过高频高电压产生，该燃烧室由处于地电位的壁限定，点火电极以电绝缘的方式穿过壁特别燃烧室的壁中的一个，并且与处于地电位的燃烧室的壁一起组成电容。此外，点火器包括金属或用金属处理的外部构件， 通过该外部构件引导点火电极，该外部构件具有穿过外部构件延伸的伸长通路。通过使用围住点火电极的绝缘体相对于外部构件电绝缘点火电极，使得能够总是增强高频高电压并且可在点火电极和外部构件之间持续产生可点火的电晕放电需要的时间。点火电极、绝缘体和通路具有共同的纵向方向，该通路在点火器的外部构件中设置，并且容纳带有点火电极的绝缘体。绝缘体由在纵向方向延伸的多层组成，其中相邻的层优选至少在一种电性质方面不同。绝缘体的分层设计能够最优化其绝缘能力，从而防止绝缘体中以及绝缘体上的高电场强度，并且使绝缘体中的电场分布成形，以便降低或防止电场强度的峰值，该电场强度例如通过角度跃迁(angular transition)轴向出现，并且例如通过相对于外部构件的内部直径而减小点火电极的直径径向出现。外部构件可以是燃烧室的壁，特别是活塞发动机的气缸盖壁。外部构件也可以是独立的金属外壳，其能够具有例如外部螺纹，因此使其能够类似于火花塞，而被拧进气缸盖中的螺纹孔中。可替换地，该外壳能够在其内侧涂布传导层。 可替换地或另外，绝缘体可在其外部护套表面涂传导层。依照本发明的点火器的绝缘体应特别包括在介电性能方面，即主要在于其介电常数方面不同的各层。这使本领域技术人员可以在特定的边界条件下，降低点火电极和围有金属的或涂布有传导层的外部构件之间的绝缘体中的最大电场强度。特别优选，这样选择各层及其材料，即，从层到层的在横穿点火电极纵向方向的方向的上的介电常数随着距点火电极的距离的增加而降低。在均勻绝缘体的情况下，电场的场力线将变得更严重地集中， 在图表上看，在点火电极和绝缘体之间的界面上比在绝缘体和外部构件之间的界面上更集中。电场在点火电极和绝缘体之间的界面的高度集中能够在通过那里安装具有比绝缘体外部区域更高的介电常数的绝缘材料而降低。结果，绝缘体的绝缘能力能够增加，和/或点火电极的直径以及其中绝缘体的外部直径和外部构件的直径能够降低，因此满足上述小型化需求。电绝缘层优选由陶瓷材料，尤其是氧化陶瓷材料组成。用于电绝缘层的潜在陶瓷材料特别地包括氧化铝(其相对介电常数ε为8-10)、氧化锆(其相对介电常数ε值大约为20)以及氧化硅(其相对介电常数ε为2-4)。为了均勻化绝缘体中的电场，所述绝缘体能够包括例如三层不同陶瓷材料，其最内部一层由氧化锆组成，中间层由氧化铝组成，而外层由氧化硅组成。通过改变层厚和/或变换各层的成分从而调节介电常数的其他值能够进一步最优化电场分布。为了该目的，能够制造这样的陶瓷层，例如其包括不同混合比的上述氧化物。在本发明的研发中，上述氧化物也能够与其他适合用于绝缘的矿物质或陶瓷材料，例如混合的氧化物、碳化物或氮化物，混合。依照本发明的一个有利进展，在绝缘体中嵌入一层或多层导电中间层。特别地，导电中间层设置在具有不同介电常数的至少两层电绝缘层之间。因为导电中间层不具有绝缘性能，所以其应更薄，优选比电绝缘层薄很多。导电中间层适合具有5 μ m至100 μ m的厚度。 金属薄膜适合用作导电中间层。除了金属薄膜，由导电陶瓷组成的薄中间层也能够在两层电绝缘层之间提供。特别地，通过使用PVD(物理汽相淀积)方法而将金属沉积在陶瓷层上获得薄导电中间层。导电中间层通过将一部分电场线拉进导电中间层的末端而影响绝缘体中电场的分布。优选地，导电中间层的末端位于绝缘体中，以便它们约束点火器的外形设计促进电场强度的峰值的形成处的一部分的电场，以及尤其是点火器的外部构件的边缘接触绝缘体的情形的一部分的电场，优选地，当绝缘体延伸超过外部构件的至少一端的情形的一部分的电场。当导电中间层在点火器外部构件的端部与绝缘体的邻近端部之间终止时，导电中间层特别有效地降低或防止电场强度峰值。优选地，提供至少两层导电中间层，其中更接近点火电极的中间层优选比远离点火电极的中间层更靠近绝缘体的端部终止。这样非常有利于防止以下区域中的场强度峰值，即绝缘体的端部和围住绝缘体的外部构件的端部之间的区域。在任何地方、任何环境下，导电中间层都不应从绝缘体暴露。相反，导电中间层完全嵌入绝缘体中。有利地，形成绝缘体、包括可以嵌入绝缘体中的导电中间层的各层与点火电极同轴布置。各层优选具有圆形横截面，也优选与点火电极形状相同。然而基本上也可以为其他横截面形状，例如具有圆角的方形或具有圆角的多边形，例如具有圆角的正六边形。
以下参考附图详细解释本发明。图1示出用于车辆发动机的点火系统的设计的示意性图示；图2示出设计为中空圆筒的绝缘体的透视图；图3示出设计为中空圆筒的绝缘体的透视图，与图1所示的绝缘体相比，虽然壁厚未改变，但其外部直径减小；图4示出均勻绝缘体的纵向横截面，点火电极通过其延伸，该绝缘体插入示意性图示的外部构件中；图5示出图4中所示的布置的横截面；图6示出图4中所示的布置中的绝缘体的纵向截面，但是其中嵌入导电中间层，其形状为袖形；图7示出图6所示的布置的横截面；图8示出图4所示的布置中的绝缘体的纵向截面，但是其为三层设计，没有导电中间层；图9示出图8所示的布置的横截面；图10示出图8所示的布置的变体的纵向截面，其包括导电中间层；图11示出图10所示的布置的横截面；图12示出图4所示的布置中的绝缘体的纵向截面，但是有包括电绝缘材料，被导电中间层中断的插入物，图13示出图12所示的布置的横截面；图14示出点火电极、绝缘体和外部构件的布置的横截面，其中绝缘体具有多层设计，并且其各层以部分星形方式围绕点火电极布置；图15示出图4所示的布置的横截面，其中示出了绝缘体中电场的分布；
图16示出图15所示的布置的横截面；图17示出图6所示的布置，其中示出了绝缘体中电场的分布；图18示出图17所示的布置的横截面；图19示出图8所示的布置，其中示出了绝缘体中电场的分布；图20示出图19所示的布置的横截面。参考数字列表1.燃烧室
2.壁
3.壁
4.壁
5.点火电极
6.绝缘体
6a.层
6b.层
6c.层
6d.层
6e.层
6f.层
7.振荡电路
8.电容器
9.感应器
10.高频发生器
11.DC电压电源
12.变压器
13.中心抽头
14.初级绕组
15.初级绕组
16.高频开关
17.次级绕组
31.外部构件
32.通路
33.纵轴
34.导电层
35.导电层
36.导电层
37.插入物
具体实施例方式
图1是WO 2010/011838中公开的点火系统的示意性图示。图1示出燃烧室1，其通过处于地电位的壁2、3、4限定。被绝缘体6沿其部分长度围住的点火电极5从上延伸进燃烧室1，并且穿过上部壁2，经由所述绝缘体6以电绝缘的方式延伸进燃烧室1。点火电极 5和燃烧室1的壁2至4为串联振荡电路7的一部分，后者还包括电容器8和感应器9。当然，串联振荡电路7也能够进一步包括电感和/或电容，以及其他本领域技术人员已知的组件作为串联振荡电路可能的组件。例如，提供高频发生器10用于激发振荡电路7，高频发生器10包括DC电压电源 11和变压器12，后者在其初级边上具有中心抽头13，因此能够使两个初级绕组14和15在中心抽头13接触。通过使用高频开关16，与中心抽头13相对的初级绕组14和15的端部交替接地。高频开关16的开关速度确定串联振荡电路7被激发及能够被改变的频率。变压器12的次级绕组17在A点供给串联振荡电路7。使用未示出的控制回路控制高频开关 16，以便振荡电路以其谐振频率激发。点火电极5的尖端和处于地电位的壁2至4之间的电压因此最大。图2示出高电压传导电极能够穿过延伸的中空圆筒绝缘体的例子。该绝缘体具有壁厚度d。图3示出图2所示的绝缘体的变体。图3中，绝缘体的外部直径减小，而不改变壁厚度d。应明白，尺寸的减小造成绝缘体内壁表面尺寸和外壁表面尺寸之间的比率减小相当多。结果，在绝缘体的内侧和绝缘体的外侧之间给定相同的电压，绝缘体内侧上的电场强度变得比绝缘体的外侧上的大很多。如果目标是减小用于内燃机的高频点火的点火器尺寸，其就造成了障碍。图4和图5示出包括圆柱形通路20的金属外部构件31，圆柱形绝缘体6插入该圆柱形通路20中。绝缘体6包括点火电极5已插入并穿过绝缘体6延伸的圆柱形通路32。 外部构件31中的通路20、绝缘体6和点火电极5具有共同的纵向轴33。点火电极5被插入绝缘体6中，以便通路32被绝缘体6密封。以类似的方式，绝缘体6被插入外部构件31 中，以便密封通路20。外部构件31可以是内燃机的燃烧室壁，特别是气缸盖2。然而，外部构件31也能够为单独的外壳，其容纳点火电极5通过其延伸的绝缘体6。在该特别情况下，外部构件31 应有外螺纹，用于拧入燃烧室壁中的孔中，特别是拧入气缸盖中的孔中。图4至图20中示出的图象仅用于解释本发明的原理，所以省略这些部件的详细图示，例如螺纹、外部构件的外部轮廓、制动器、密封等等。图4和图5中所示的绝缘体6在设计中为均勻的。因此图4和图5不构成本发明， 而是用于与其他图一起解释本发明。图6和图7示出本分明的第一实施例。与图4和图5中所示的布置的不同在于， 与点火电极5同轴布置的三层导电中间层34、35、36嵌入绝缘体6中，并且将绝缘体6分为四层绝缘层6a、6b、6c、6d，后者延伸超过外部构件31的长度，并且最终在外部构件31之外结合。中间层34-36具有轴套形状。它们通过外部构件31延伸，并且每一层都在外部构件 31的端部和与绝缘体6邻近的端部之间的区域终止。轴套形状的中间层34、35和36的端部彼此相对偏置，使得内部中间层36的端部延伸超过中间中间层35的端部，而中间中间层 35的端部延伸超过外部导电中间层34的端部。如图1 7所示，所述中间层34至36的端部在层34、35和36的特定端部的方向引起电场。一方面因为导电层34、35和35与点火电极 5或外部构件31之间的距离比点火电极5和外部构件31之间的距离更小，所以点火电极5和导电中间层34至36之间的电压比点火电极5和外部构件31之间的电压更低。因此，导电中间层34、35和36的端部上的电场峰值可在更低的电压发生，该电压比没有嵌入导电中间层34至36的绝缘体6的情况低。随着导电中间层34至36的数目增加，电场的端部变得更不明显，并且因为导电中间层34、35和36的端部处于不同的位置，所以外部构件31和绝缘体6之间的场峰值变得更不明显并且降低。图8和图9中所示的实施例与图4和图5中所示的布置的不同在于，绝缘体6包括三层，即三层绝缘、同轴布置的层6a、6b和6c，其具有不同的电介质特性，并且因此影响电场强度。没有所述的层状设计，即图4所示的布置类型时，场峰值将主要在点火电极5和绝缘体6之间的边界发生。如果最内层绝缘体层具有场降低的介电常数(field-reducing permittivity)，即如果内部层6a的介电常数比中间层6b和外层6c的更大，则通过层状设计降低了场峰值，其中中间层6b优选具有比外层6c更大的介电常数。由于由更高的介电常数引起的电场的更好的渗透性，优选由陶瓷材料制成的绝缘体6中，如图19所示，电场在朝着外部构件31的方向转移，图19示出了用于图8所示的布置的场强度分布。场强度以及因此在绝缘体6的内部、较小表面出现的电压减小。绝缘材料上的产生的应力的减小能够通过多层设计调整，以便消除电压击穿后绝缘体6的超负荷风险。图10和图11示出图6至图9所示的本发明两个实施例的结合。在该情形中，具有为径向场强度转移(shift)而选择的不同介电常数的绝缘层6a、6b和6c与两个轴套形状的设置在电绝缘层6a和6b，以及6b和6c之间的导电中间层35和36结合，并在轴向方向促进更不明显的、改善的场分布。不同的层6a、6b、6c和35、36的形状、数量和/或位置能够变化以最优化绝缘体6。图12和图13中所示实施例与图4和图5中图示的布置的不同在于，同轴插入物 37插入绝缘体6中，该实施例包括三层同中心的绝缘体层6d、6e和6f，其替换三层同轴、导电中间层；34、35和36。绝缘层6d、6e和6f优选由除围住插入物37的绝缘体6的主体以外的材料组成，而导电中间层；34、35和36如图6中所示布置。层6d、6e和6f的绝缘材料优选具有比围住插入物37的绝缘体6的主体更大的介电常数，绝缘体6也能够选择，以便其保护围住的插入物37，例如其抵抗污染，抵抗撞击和/或抵抗磨损。该介电常数应从层6d 向层6f减小。图14中所示实施例与其他实施例的不同在于，选择的绝缘体6的多层设计相对于绕布置的纵轴任意旋转不是不变量。多层绝缘体6具有正方形横截面，并且围住具有正方形横截面和圆角的电极6。
权利要求
1.一种在内燃机中使用由高频高电压产生的电晕放电点燃燃料/空气混合物的点火器，所述内燃机具有一个或多个由处于地电位的壁(2、3、4)限定的燃烧室(1)，所述点火器包括点火电极(5)，其以电绝缘的方式横贯限定特定燃烧室(1)的所述壁(2、3、4)中的一个，并且与处于地电位的所述燃烧室的所述壁(2、3、4) 一起构成电容；金属或金属化的外部构件(31)和穿过所述外部构件(31)延伸的伸长的通路(32)，点火电极(5)穿过所述通路(32)延伸；和绝缘体(6)，所述绝缘体(6)围住所述点火电极(5)并使所述点火电极(5)与所述外部构件(31)电绝缘，其中，所述点火电极(5)、所述绝缘体(6)以及所述通路(3 具有共同的纵向方向 (33)，其特征在于，所述绝缘体(6)由多个在所述纵向方向(3 延伸的层(6a-6f，34-36)组成，或者被细分成多个这样的层(6a-6f，34-36)。
2.根据权利要求1所述的点火器，其特征在于相邻的层(6a-6f，34-36)在至少一个电特性方面不同。
3.根据权利要求1或2所述的点火器，其特征在于所述绝缘体(6)具有在介电性能方面，特别是在介电常数方面不同的层(6a_6f)。
4.根据权利要求3所述的点火器，其特征在于横穿所述纵向方向(3 的介电常数随着距所述点火电极(5)的距离的增加而减小，特别是从层(6a)至层(6b、6c)。
5.根据权利要求3或4所述的点火器，其特征在于绝缘层的介电常数在所述层内改变， 特别地，所述介电常数随着距所述点火电极(5)的距离的增加而减小。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于电绝缘层(6a-6f)由陶瓷材料，特别是氧化物陶瓷材料组成。
7.根据权利要求6所述的点火器，其特征在于用于所述电绝缘层(6a-6f)的陶瓷材料为氧化铝和/或氧化锆和/或氧化硅和/或这些氧化物彼此混合和/或与其他陶瓷材料混合而得的混合物。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于至少一层导电中间层 (34-36)被嵌入所述绝缘体(6)中，特别地，使得至少在两层电绝缘层(6a-6f)之间设置一层导电中间层(34-36)。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于所述至少一层导电中间层 (34-36)比所述电绝缘层(6a-6f)薄，优选薄很多。
10.根据权利要求9所述的点火器，其特征在于所述至少一层导电中间层(34-36)的厚度在5μπι至100 μ m之间。
11.根据权利要求9或10所述的点火器，其特征在于通过使用PVD方法将所述至少一层导电中间层(34-36)沉积在一层绝缘层(6a-6c)上。
12.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于所述绝缘体(6)延伸超过所述外部构件(31)的至少一端，并且所述至少一层导电中间层(34-36)在所述外部构件 (31)的所述一端和所述绝缘体(6)的相邻端之间终止。
13.根据权利要求12所述的点火器，其特征在于设置至少两层导电中间层(34-36)，位于更靠近所述点火电极(5)的导电中间层(36)比距所述点火电极(5)更远的所述导电中间层(34、3幻更靠近所述绝缘体(6)的所述一端终止，所述导电中间层(34-36)都不从所述绝缘体(6)的任何一点显露出来。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于至少有一些层(6a-6f， 34-36)以轴套方式围住所述点火电极(5)。
15.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于所述层(6a-6f，34-36) 与所述点火电极(5)同轴设置。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于所述层(6a-6f，34-36) 具有环状横截面。
17.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于所述外部构件(31)是燃烧室壁的组成部分。
18.根据前述权利要求中任意一项所述的点火器，其特征在于所述外部构件(31)包括外螺纹，用于将所述外部构件(31)拧入燃烧室壁O)的孔中。
全文摘要
本发明涉及一种在内燃机中使用由高频高电压产生的电晕放电点燃燃料/空气混合物的点火器，该内燃机具有一个或多个由处于地电位的壁(2、3、4)限定的燃烧室(1)，所述点火器包括点火电极(5)，该点火电极以电绝缘的方式横贯限定特定燃烧室(1)的壁(2、3、4)中的一个，并且与处于地电位的燃烧室的壁(2、3、4)一起构成电容。点火器还包括金属或用金属处理的外部构件(31)和穿过外部构件(31)延伸的点火电极(5)延伸穿过的伸长通路(32)；和绝缘体(6)，绝缘体(6)围住点火电极(5)，并将其与外部构件(31)电绝缘，其中，点火电极(5)、绝缘体(6)以及通路(32)具有共同的纵向方向(33)。根据本发明，绝缘体(6)由多个在纵向方向(33)上延伸的层(6a-6f，34-36)组成，或者被再分成多个这样的层(6a-6f，34-36)。
文档编号F02P23/04GK102278258SQ20111015373
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月3日 优先权日2010年6月4日
发明者F·海尔曼, G·布罗伊希勒, M·阿尔盖尔, T·吉费尔斯 申请人:博格华纳贝鲁系统股份有限公司