CN102884686B - 配备有用于防止短路的装置的火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频等离子火花塞，该火花塞包括：一个具有主轴线（X）的圆柱形基底（2），该圆柱形基底由一种第一导电材料制成；一个中央电极（4），该中央电极由一种第二传导材料制成并且沿该主轴线（X）延伸；以及一个本体（3），该本体由介电材料制成、安排在所述基底（2）与所述电极（4）之间、具有与该电极相接触的一个内部侧面（3b），并且该电极（4）的一个端部（4a）伸出超过该本体，其特征在于所述本体（3）在轴线（X）上包括至少一个环形的空腔（30），该空腔被安排在该本体的侧面（3b）上并与该电极（4）相接触从而在所述本体的外部面（3a）与该电极（4）之间的连接处局部地改变静电场线。

Description

配备有用于防止短路的装置的火花塞

技术领域

本发明涉及一种用于内燃发动机的射频（RF）等离子型火花塞。

更确切地说，本发明的火花塞配备有使之有可能避免短路现象的装置。

背景技术

为了增大点火时产生的火花的尺寸，已知的实际做法是使用一种具有中央电极的射频等离子火花塞，该中央电极具有被提升到高电压并且产生非常大的多细丝火花的尖端。

这种类型的火花塞，例如在FR 2878086、FR 2886776、FR 2888421、FR 2895169以及FR 2895170中所述，包括：

具有主轴线的圆柱形基底，该圆柱形基底是由一种第一导电材料制成的，

中央电极，该中央电极是由一种第二传导材料制成的并且沿该主轴线延伸，以及

本体，该本体由绝缘材料制成、安排在所述基底与所述电极之间、具有与该电极相接触的一个内部侧面，并且该电极的一个端部从该本体伸出。

然而，观察到随着这些火花塞的使用其火花的尺寸逐渐地减小。

这种现象是由于以下事实，即绝缘本体与增炭气态混合物以及火焰相接触的外部面逐渐地被燃烧残留物阻塞。

另外，在中央电极与周围地基之间的被阻塞的外部面上出现了杂散的火花。

取决于阻塞的程度，杂散的火花可能只会消耗可从射频（RF）电源获得的部分能量（然而这减小了主火花的体积），或者引起短路，这将阻碍主火花的散发。

这种问题的根本原因在于绝缘本体的外部面与中央电极之间的电介质－金属－空气介质相接触的连接处的轮廓。

更确切地说，该本体具有一个中央管道，其中容纳了该中央电极。

为了工业生产的目的，不可能制造一个锐边的管道，因此绝缘本体的外部面无法与电极的壁成直角，并且于是具有一个轻微的倾斜或曲率。

因此留下了一个小的自由空间，在那里静电场线穿过的一个空气体积，该空气体积的介电常数在重新进入本体前近似于单位值，该本体的介电常数更高并且在7至9的数量级上。

在这些情况下，电场的强度在局部本体－电极连接区域被增强，在此处被证明显著地超出了空气的电离阈值。

因此，在该连接区域中的绝缘本体的倾斜的或弯曲的表面上产生了场的切向分量，该分量倾向于使离子雪崩现象蔓延。

此时，这种现象促成了产生杂散的表面火花，这是由于出现了与本体外部面的阻塞相联系的半导体积炭层。

现有技术中的射频火花塞仅是试图降低本体的阻塞。

发明内容

本发明的目的在于通过在问题的根源上起作用，换言之，通过旨在避免加强介电本体的外部面与中央电极之间的连接处的电场强度而解决上述的技术问题。

根据本发明，这一目的的实现是通过一种火花塞，其介电本体包括处于中央轴线上的至少一个环形空腔，该形环空腔形成在本体的侧面与电极相接触，从而在所述本体的外部面与该电极之间的连接处局部地改变静电场线。

根据一个有利的特征，所述空腔配备有至少一个金属衬层元件，该金属衬层元件至少部分地沿着该本体的内部侧面延伸与该电极相接触，并且该金属衬层元件的热膨胀系数与所述本体的介电材料的热膨胀系数近似。

根据第一变型实施例，所述衬层元件是由覆盖所述空腔的内壁的一个金属层制成的。

优选地，所述金属衬层元件与该电极被制成一个单件。

根据第二变型实施例，所述本体是通过在该电极周围烧结一种支撑所述衬层元件的陶瓷复合材料制成的。

根据另一个变型，所述电极与该金属衬层元件是通过在所述空腔中的原位上铸造金属制成的。

根据又一个变型，所述金属衬层元件是通过硬焊而加上的。

根据另一个有利的特征，所述金属衬层元件是选自钼、钨、殷钢以及科瓦铁基镍钴合金中的一种或多种金属的合金。

根据本发明，还为该本体的外部面与电极之间的连接提供的是具有一个凸曲率，其半径小于或等于将所述面从所述空腔分开的距离的一半。

优选地，所述空腔的壁具有一种半椭圆形的轮廓，其中半小轴线大于或等于在该本体的外部面与该电极之间的连接处的曲率半径的三倍并且其半大轴线大于或等于所述半径的六倍。

本发明的火花塞使之有可能通过作用于这种现象的根本原因而保护射频火花塞不被阻塞。

本发明依赖于对在该本体的外部面与该电极之间的连接处的场的衰减，这种衰减是通过改变它们内部的接触界面而获得的。

因此增强了这些火花塞（RF）的操作性以及可靠性并且显著地延长了它们的使用寿命。

附图说明

参照附图阅读以下说明将能够更好地理解本发明，在附图中：

图1示出了本发明的火花塞的一个实施例在点火阶段的侧向截面图；

图2A和2B分别示出了根据现有技术的以及根据本发明的具有场线的RF火花塞的放大的细节以及截面图；

图3A、3B和3C示出了本发明的火花塞的三个变型实施例的半截面详细视图。

具体实施方式

图1所示的射频火花塞1具有一种同轴结构，这种同轴结构包括：

具有主轴线X的圆柱形基底2，该圆柱形基底是由一种第一导电材料制成的，

中央电极4，该中央电极是由一种第二导电材料制成的并且沿该中央轴线X延伸，以及

本体3，该本体是由电绝缘（介电）材料制成的，并被安排在基底2与电极4之间。

本体3具有与该电极的一个部分4b相接触的一个内部侧面3b，电极4的一个尖端部分4a从该本体伸出。

电极4被升高到一个RF高电压并且因此通过本体3与基底2绝缘，基底2被接地。

本体3总体上是由介电材料（例如陶瓷）制成的。

在正常的RF电激发条件下，多细丝火花5的直径A在厘米的数量级上。

本体3的外部面3a（其大部分表面为平面）暴露于增碳气态混合物以及火焰中并因此可能被炭沉积物阻塞。

这种表面沉积物的半导体特性在基底2与电极4之间引起严重的短路的风险。

图2A示出了传统的RF火花塞的截面图的细节。

介电本体3的外部面3a与电极4的连接处具有一个倾斜的或倒角的轮廓，或更一般地如实施例中所示的具有一个曲线的轮廓，其曲率半径R在一百微米（0.1mm）左右。

这样的轮廓界定了一个受限的并且被包含的空置空间，其中一个非常强的电场（在3×10⁷V/m的数量级上）占主导，倾向于出现一种空气电离机理，它可能会沿该曲线蔓延并且沿着面3a蔓延，从而产生一种杂散的表面火花。

这种杂散现象最可能出现在当面3a被强烈地暴露于火焰并且逐步地被一个碳层所覆盖的时侯。

根据本发明，图2B中所示的火花塞的改进在于在本体3上制成了至少一个具有轴线X的环形空腔30。

这个空腔形成在本体3的与电极4相接触的内部侧面3b上。

空腔30的功能是局部地改变具体是在本体3的外部面3a与电极4之间的连接处的静电场线，从而避免这个区域中电场增大并且防止电离的激励。

本体3的外部面3a与电极4之间的连接处具有一个凸曲率，其半径R小于或等于将该面3a从空腔30分开的距离（c）的一半。

优选地，空腔30的壁具有一种半椭圆形的轮廓，其中半小轴线（b）大于或等于在该本体3的外部面3a与该电极4之间的连接处的曲率半径R的三倍并且其半大轴线（a）大于或等于所述半径的六倍。

空腔30配备有至少一个金属衬层元件5，其热膨胀系数与本体3的介电材料的热膨胀系数近似。

金属衬层元件5同样至少部分地沿着本体3的内部侧面3b延伸并以涂层53的形式与电极4相接触，该涂层旨在填充这些部分之间的小的中间空隙。

实际上，如果本体3的内部侧面3b与电极4之间的中间空隙不是气密的，则增碳气态混合物将有可能渗透到这个间隙中并在被点燃之前与处于高温下的壁相接触并且致使本体3断裂。

另外，涂层53与火花塞1中的电极4电性接触，这样使得本体3的整个内部表面与处于高电压下的电极电位相等。

图3A至3C示出了本发明的火花塞的多个变型实施例。

在图3A的变型中，衬层元件5是由覆盖空腔30的内壁的一个金属层50制成的，并且该金属层在该空腔的任一侧上通过涂层53而沿着电极4延长。

层50以及涂层53是由钼和/或钨组成的合金制成的。

在图3B的变型中，涂层53已经被附加于其上，一个第二衬层元件51是通过用基于科瓦铁基镍钴合金和/或殷钢的金属合金填充这个空腔30来制成的。

该组件是通过硬焊制做的以便确保本体3的与元件51的对应的相对面之间良好的接触。

在在与图2B相应的图3C的变型中，第二衬层元件52与电极4被制成一个单件并且其自身以金属涂层53的形式配备了一个第一衬层元件。

在这种情况下，本体3是通过在电极4周围烧结一种支撑金属元件5的陶瓷复合材料而制成的。

一个替代方案可以包括通过在本体3的中央管道以及空腔30中的原位上铸造金属来直接生产具有金属元件52的电极4。

Claims (8)

1.一种射频等离子型火花塞，包括：

具有主轴线（X）的圆柱形基底（2），该圆柱形基底是由一种第一导电材料制成的，

中央电极（4），该中央电极是由一种第二传导材料制成的并且沿该主轴线（X）延伸，以及

本体（3），该本体由介电材料制成、被安排在所述基底（2）与所述电极（4）之间、具有与该电极相接触的一个内部侧面（3b），并且该电极（4）的一个端部（4a）伸出该本体，所述本体（3）在轴线（X）上包括至少一个环形的空腔（30），该空腔形成在该本体的内部侧面（3b）上与该电极（4）相接触，从而在所述本体的外部面（3a）与该电极（4）之间的连接处局部地改变静电场线，所述空腔（30）配备有至少一个金属衬层元件（5、50、51、52、53），该金属衬层元件至少部分地沿着该本体的内部侧面（3b）延伸与该电极（4）相接触，并且其热膨胀系数与所述本体的介电材料的热膨胀系数近似，

其特征在于，该本体（3）的外部面（3a）与该电极（4）之间的连接处具有一个凸曲率，其半径（R）小于或等于将所述外部面（3a）从所述空腔（30）分开的距离（c）的一半。

2.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述金属衬层元件（5）是由覆盖所述空腔（30）的内壁的一个金属层（50）形成的。

3.如权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述金属衬层元件与该电极（4）被制成一个单件。

4.如权利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述本体（3）是通过在该电极（4）周围烧结支撑所述金属衬层元件的一种陶瓷复合材料而制成的。

5.如权利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述电极（4）与该金属衬层元件（5）是通过在所述空腔（30）中的原位上铸造金属而制成的。

6.如权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述金属衬层元件（5）是通过硬焊而附加上的。

7.如权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述金属衬层元件（5）是选自钼、钨、殷钢以及科瓦铁基镍钴合金中的一种或多种金属的合金。

8.如权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述空腔（30）的壁具有一种半椭圆形的轮廓，该半椭圆形的轮廓的半小轴线（b）大于或等于在该本体的外部面（3a）与该电极之间的连接处的曲率半径（R）的三倍并且半大轴线（a）大于或等于所述半径（R）的六倍。

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