在內燃機中使用電暈放電點燃燃料/空氣混合物的點火器的製作方法

2023-04-26 13:58:31

專利名稱：在內燃機中使用電暈放電點燃燃料/空氣混合物的點火器的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有在WO 2004/063560 Al中公開的特徵的點火器。
背景技術：
文獻WO 2010/011838 Al公開了如何能夠在內燃機的燃燒室中通過燃燒室中產生的電暈放電而點燃燃料/空氣混合物。為了該目的，點火電極以電絕緣的方式橫貫燃燒室的處於地電位的壁中的一個，並且延伸進燃燒室中，優選地，與燃燒室中提供的往復活塞相對。點火電極與處於地電位的燃燒室壁一起組成電容，而燃燒室壁的作用為反電極。燃燒室及其內容物起電介質的作用。取決於活塞處於哪一個衝程，空氣或燃料/空氣混合物或廢氣位於其中。電容是使用高頻電壓激發的電振蕩電路的組成部分，該高頻電壓例如通過使用具有中心抽頭(center tap)的變壓器產生。變壓器與向兩個通過中心抽頭連接變壓器的初級繞組施加指定的DC電壓的開關裝置相互作用。變壓器的二次繞組(secondary winding) 供給串聯振蕩電路，後者包含通過點火電極和燃燒室的幾個壁形成的電容。控制激發振蕩電路並通過變壓器傳送的交流電壓的頻率，以便其儘可能接近振蕩電路的諧振頻率 (resonance frequency) 0結果是延伸進點火電極設置於其中的燃燒室的點火電極處為高壓。諧振頻率通常為30千赫至3兆赫之間，而交流電壓的值在點火電極處例如達到50KV 至 500KV。因此能在燃燒室內產生電暈放電。電暈放電不應被擊穿為電弧放電或火花放電。 因此考慮一些措施，從而確保點火電極和處於地電位的燃燒室壁之間的電壓保持在完全擊穿所要求的電壓之下。內燃機中可獲得的用於以下方面的空間有限，即，使點火電極及其絕緣體封套能夠穿過燃燒室壁，尤其是穿過活塞發動機的氣缸蓋的空間有限，尤其是在客車的現代發動機中，在該情形中，通常提供MlO至最大M14的螺絲孔用於在火花塞中螺紋連接，因此依照本發明的點火器僅可利用不超過大約IOmm的外部直徑。此外，有進一步減小氣缸蓋中螺絲孔的尺寸的要求。考慮主要對於絕緣體絕緣能力的高要求-在30KHz至3MHz下50KV至 100KV的高電壓，結合燃燒室壁中的小通路開口，燃燒室中的高壓高溫和壓力溫度的波動， 以及燃燒室大氣的侵襲-依照本發明的用於內燃機的點火器開發中的工程師們要面對相當多的挑戰。

發明內容
本發明所解決的問題在於創造一種最新型(initially stated type)的點火器， 其比以前的點火器更好地解決上述挑戰。該問題通過具有權利要求1所述的特徵的點火器解決。本發明的有利發展是附加權利要求的主旨。依照本發明的點火器包括點火電極，其為了在具有一個或多個燃燒室的內燃機中使用電暈放電而為燃料/空氣混合物點火，該電暈放電通過高頻高電壓產生，該燃燒室由處於地電位的壁限定，點火電極以電絕緣的方式穿過壁特別燃燒室的壁中的一個，並且與處於地電位的燃燒室的壁一起組成電容。此外，點火器包括金屬或用金屬處理的外部構件， 通過該外部構件引導點火電極，該外部構件具有穿過外部構件延伸的伸長通路。通過使用圍住點火電極的絕緣體相對於外部構件電絕緣點火電極，使得能夠總是增強高頻高電壓並且可在點火電極和外部構件之間持續產生可點火的電暈放電需要的時間。點火電極、絕緣體和通路具有共同的縱向方向，該通路在點火器的外部構件中設置，並且容納帶有點火電極的絕緣體。絕緣體由在縱向方向延伸的多層組成，其中相鄰的層優選至少在一種電性質方面不同。絕緣體的分層設計能夠最優化其絕緣能力，從而防止絕緣體中以及絕緣體上的高電場強度，並且使絕緣體中的電場分布成形，以便降低或防止電場強度的峰值，該電場強度例如通過角度躍遷(angular transition)軸向出現，並且例如通過相對於外部構件的內部直徑而減小點火電極的直徑徑向出現。外部構件可以是燃燒室的壁，特別是活塞發動機的氣缸蓋壁。外部構件也可以是獨立的金屬外殼，其能夠具有例如外部螺紋，因此使其能夠類似於火花塞，而被擰進氣缸蓋中的螺紋孔中。可替換地，該外殼能夠在其內側塗布傳導層。 可替換地或另外，絕緣體可在其外部護套表面塗傳導層。依照本發明的點火器的絕緣體應特別包括在介電性能方面，即主要在於其介電常數方面不同的各層。這使本領域技術人員可以在特定的邊界條件下，降低點火電極和圍有金屬的或塗布有傳導層的外部構件之間的絕緣體中的最大電場強度。特別優選，這樣選擇各層及其材料，即，從層到層的在橫穿點火電極縱向方向的方向的上的介電常數隨著距點火電極的距離的增加而降低。在均勻絕緣體的情況下，電場的場力線將變得更嚴重地集中， 在圖表上看，在點火電極和絕緣體之間的界面上比在絕緣體和外部構件之間的界面上更集中。電場在點火電極和絕緣體之間的界面的高度集中能夠在通過那裡安裝具有比絕緣體外部區域更高的介電常數的絕緣材料而降低。結果，絕緣體的絕緣能力能夠增加，和/或點火電極的直徑以及其中絕緣體的外部直徑和外部構件的直徑能夠降低，因此滿足上述小型化需求。電絕緣層優選由陶瓷材料，尤其是氧化陶瓷材料組成。用於電絕緣層的潛在陶瓷材料特別地包括氧化鋁(其相對介電常數ε為8-10)、氧化鋯(其相對介電常數ε值大約為20)以及氧化矽(其相對介電常數ε為2-4)。為了均勻化絕緣體中的電場，所述絕緣體能夠包括例如三層不同陶瓷材料，其最內部一層由氧化鋯組成，中間層由氧化鋁組成，而外層由氧化矽組成。通過改變層厚和/或變換各層的成分從而調節介電常數的其他值能夠進一步最優化電場分布。為了該目的，能夠製造這樣的陶瓷層，例如其包括不同混合比的上述氧化物。在本發明的研發中，上述氧化物也能夠與其他適合用於絕緣的礦物質或陶瓷材料，例如混合的氧化物、碳化物或氮化物，混合。依照本發明的一個有利進展，在絕緣體中嵌入一層或多層導電中間層。特別地，導電中間層設置在具有不同介電常數的至少兩層電絕緣層之間。因為導電中間層不具有絕緣性能，所以其應更薄，優選比電絕緣層薄很多。導電中間層適合具有5 μ m至100 μ m的厚度。 金屬薄膜適合用作導電中間層。除了金屬薄膜，由導電陶瓷組成的薄中間層也能夠在兩層電絕緣層之間提供。特別地，通過使用PVD(物理汽相澱積)方法而將金屬沉積在陶瓷層上獲得薄導電中間層。導電中間層通過將一部分電場線拉進導電中間層的末端而影響絕緣體中電場的分布。優選地，導電中間層的末端位於絕緣體中，以便它們約束點火器的外形設計促進電場強度的峰值的形成處的一部分的電場，以及尤其是點火器的外部構件的邊緣接觸絕緣體的情形的一部分的電場，優選地，當絕緣體延伸超過外部構件的至少一端的情形的一部分的電場。當導電中間層在點火器外部構件的端部與絕緣體的鄰近端部之間終止時，導電中間層特別有效地降低或防止電場強度峰值。優選地，提供至少兩層導電中間層，其中更接近點火電極的中間層優選比遠離點火電極的中間層更靠近絕緣體的端部終止。這樣非常有利於防止以下區域中的場強度峰值，即絕緣體的端部和圍住絕緣體的外部構件的端部之間的區域。在任何地方、任何環境下，導電中間層都不應從絕緣體暴露。相反，導電中間層完全嵌入絕緣體中。有利地，形成絕緣體、包括可以嵌入絕緣體中的導電中間層的各層與點火電極同軸布置。各層優選具有圓形橫截面，也優選與點火電極形狀相同。然而基本上也可以為其他橫截面形狀，例如具有圓角的方形或具有圓角的多邊形，例如具有圓角的正六邊形。


以下參考附圖詳細解釋本發明。圖1示出用於車輛發動機的點火系統的設計的示意性圖示；圖2示出設計為中空圓筒的絕緣體的透視圖；圖3示出設計為中空圓筒的絕緣體的透視圖，與圖1所示的絕緣體相比，雖然壁厚未改變，但其外部直徑減小；圖4示出均勻絕緣體的縱向橫截面，點火電極通過其延伸，該絕緣體插入示意性圖示的外部構件中；圖5示出圖4中所示的布置的橫截面；圖6示出圖4中所示的布置中的絕緣體的縱向截面，但是其中嵌入導電中間層，其形狀為袖形；圖7示出圖6所示的布置的橫截面；圖8示出圖4所示的布置中的絕緣體的縱向截面，但是其為三層設計，沒有導電中間層；圖9示出圖8所示的布置的橫截面；圖10示出圖8所示的布置的變體的縱向截面，其包括導電中間層；圖11示出圖10所示的布置的橫截面；圖12示出圖4所示的布置中的絕緣體的縱向截面，但是有包括電絕緣材料，被導電中間層中斷的插入物，圖13示出圖12所示的布置的橫截面；圖14示出點火電極、絕緣體和外部構件的布置的橫截面，其中絕緣體具有多層設計，並且其各層以部分星形方式圍繞點火電極布置；圖15示出圖4所示的布置的橫截面，其中示出了絕緣體中電場的分布；
圖16示出圖15所示的布置的橫截面；圖17示出圖6所示的布置，其中示出了絕緣體中電場的分布；圖18示出圖17所示的布置的橫截面；圖19示出圖8所示的布置，其中示出了絕緣體中電場的分布；圖20示出圖19所示的布置的橫截面。參考數字列表1.燃燒室
2.壁
3.壁
4.壁
5.點火電極
6.絕緣體
6a.層
6b.層
6c.層
6d.層
6e.層
6f.層
7.振蕩電路
8.電容器
9.感應器
10.高頻發生器
11.DC電壓電源
12.變壓器
13.中心抽頭
14.初級繞組
15.初級繞組
16.高頻開關
17.次級繞組
31.外部構件
32.通路
33.縱軸
34.導電層
35.導電層
36.導電層
37.插入物
具體實施例方式
圖1是WO 2010/011838中公開的點火系統的示意性圖示。圖1示出燃燒室1，其通過處於地電位的壁2、3、4限定。被絕緣體6沿其部分長度圍住的點火電極5從上延伸進燃燒室1，並且穿過上部壁2，經由所述絕緣體6以電絕緣的方式延伸進燃燒室1。點火電極 5和燃燒室1的壁2至4為串聯振蕩電路7的一部分，後者還包括電容器8和感應器9。當然，串聯振蕩電路7也能夠進一步包括電感和/或電容，以及其他本領域技術人員已知的組件作為串聯振蕩電路可能的組件。例如，提供高頻發生器10用於激發振蕩電路7，高頻發生器10包括DC電壓電源 11和變壓器12，後者在其初級邊上具有中心抽頭13，因此能夠使兩個初級繞組14和15在中心抽頭13接觸。通過使用高頻開關16，與中心抽頭13相對的初級繞組14和15的端部交替接地。高頻開關16的開關速度確定串聯振蕩電路7被激發及能夠被改變的頻率。變壓器12的次級繞組17在A點供給串聯振蕩電路7。使用未示出的控制迴路控制高頻開關 16，以便振蕩電路以其諧振頻率激發。點火電極5的尖端和處於地電位的壁2至4之間的電壓因此最大。圖2示出高電壓傳導電極能夠穿過延伸的中空圓筒絕緣體的例子。該絕緣體具有壁厚度d。圖3示出圖2所示的絕緣體的變體。圖3中，絕緣體的外部直徑減小，而不改變壁厚度d。應明白，尺寸的減小造成絕緣體內壁表面尺寸和外壁表面尺寸之間的比率減小相當多。結果，在絕緣體的內側和絕緣體的外側之間給定相同的電壓，絕緣體內側上的電場強度變得比絕緣體的外側上的大很多。如果目標是減小用於內燃機的高頻點火的點火器尺寸，其就造成了障礙。圖4和圖5示出包括圓柱形通路20的金屬外部構件31，圓柱形絕緣體6插入該圓柱形通路20中。絕緣體6包括點火電極5已插入並穿過絕緣體6延伸的圓柱形通路32。 外部構件31中的通路20、絕緣體6和點火電極5具有共同的縱向軸33。點火電極5被插入絕緣體6中，以便通路32被絕緣體6密封。以類似的方式，絕緣體6被插入外部構件31 中，以便密封通路20。外部構件31可以是內燃機的燃燒室壁，特別是氣缸蓋2。然而，外部構件31也能夠為單獨的外殼，其容納點火電極5通過其延伸的絕緣體6。在該特別情況下，外部構件31 應有外螺紋，用於擰入燃燒室壁中的孔中，特別是擰入氣缸蓋中的孔中。圖4至圖20中示出的圖象僅用於解釋本發明的原理，所以省略這些部件的詳細圖示，例如螺紋、外部構件的外部輪廓、制動器、密封等等。圖4和圖5中所示的絕緣體6在設計中為均勻的。因此圖4和圖5不構成本發明， 而是用於與其他圖一起解釋本發明。圖6和圖7示出本分明的第一實施例。與圖4和圖5中所示的布置的不同在於， 與點火電極5同軸布置的三層導電中間層34、35、36嵌入絕緣體6中，並且將絕緣體6分為四層絕緣層6a、6b、6c、6d，後者延伸超過外部構件31的長度，並且最終在外部構件31之外結合。中間層34-36具有軸套形狀。它們通過外部構件31延伸，並且每一層都在外部構件 31的端部和與絕緣體6鄰近的端部之間的區域終止。軸套形狀的中間層34、35和36的端部彼此相對偏置，使得內部中間層36的端部延伸超過中間中間層35的端部，而中間中間層 35的端部延伸超過外部導電中間層34的端部。如圖1 7所示，所述中間層34至36的端部在層34、35和36的特定端部的方向引起電場。一方面因為導電層34、35和35與點火電極 5或外部構件31之間的距離比點火電極5和外部構件31之間的距離更小，所以點火電極5和導電中間層34至36之間的電壓比點火電極5和外部構件31之間的電壓更低。因此，導電中間層34、35和36的端部上的電場峰值可在更低的電壓發生，該電壓比沒有嵌入導電中間層34至36的絕緣體6的情況低。隨著導電中間層34至36的數目增加，電場的端部變得更不明顯，並且因為導電中間層34、35和36的端部處於不同的位置，所以外部構件31和絕緣體6之間的場峰值變得更不明顯並且降低。圖8和圖9中所示的實施例與圖4和圖5中所示的布置的不同在於，絕緣體6包括三層，即三層絕緣、同軸布置的層6a、6b和6c，其具有不同的電介質特性，並且因此影響電場強度。沒有所述的層狀設計，即圖4所示的布置類型時，場峰值將主要在點火電極5和絕緣體6之間的邊界發生。如果最內層絕緣體層具有場降低的介電常數(field-reducing permittivity)，即如果內部層6a的介電常數比中間層6b和外層6c的更大，則通過層狀設計降低了場峰值，其中中間層6b優選具有比外層6c更大的介電常數。由於由更高的介電常數引起的電場的更好的滲透性，優選由陶瓷材料製成的絕緣體6中，如圖19所示，電場在朝著外部構件31的方向轉移，圖19示出了用於圖8所示的布置的場強度分布。場強度以及因此在絕緣體6的內部、較小表面出現的電壓減小。絕緣材料上的產生的應力的減小能夠通過多層設計調整，以便消除電壓擊穿後絕緣體6的超負荷風險。圖10和圖11示出圖6至圖9所示的本發明兩個實施例的結合。在該情形中，具有為徑向場強度轉移(shift)而選擇的不同介電常數的絕緣層6a、6b和6c與兩個軸套形狀的設置在電絕緣層6a和6b，以及6b和6c之間的導電中間層35和36結合，並在軸向方向促進更不明顯的、改善的場分布。不同的層6a、6b、6c和35、36的形狀、數量和/或位置能夠變化以最優化絕緣體6。圖12和圖13中所示實施例與圖4和圖5中圖示的布置的不同在於，同軸插入物 37插入絕緣體6中，該實施例包括三層同中心的絕緣體層6d、6e和6f，其替換三層同軸、導電中間層；34、35和36。絕緣層6d、6e和6f優選由除圍住插入物37的絕緣體6的主體以外的材料組成，而導電中間層；34、35和36如圖6中所示布置。層6d、6e和6f的絕緣材料優選具有比圍住插入物37的絕緣體6的主體更大的介電常數，絕緣體6也能夠選擇，以便其保護圍住的插入物37，例如其抵抗汙染，抵抗撞擊和/或抵抗磨損。該介電常數應從層6d 向層6f減小。圖14中所示實施例與其他實施例的不同在於，選擇的絕緣體6的多層設計相對於繞布置的縱軸任意旋轉不是不變量。多層絕緣體6具有正方形橫截面，並且圍住具有正方形橫截面和圓角的電極6。
權利要求
1.一種在內燃機中使用由高頻高電壓產生的電暈放電點燃燃料/空氣混合物的點火器，所述內燃機具有一個或多個由處於地電位的壁(2、3、4)限定的燃燒室(1)，所述點火器包括點火電極(5)，其以電絕緣的方式橫貫限定特定燃燒室(1)的所述壁(2、3、4)中的一個，並且與處於地電位的所述燃燒室的所述壁(2、3、4) 一起構成電容；金屬或金屬化的外部構件(31)和穿過所述外部構件(31)延伸的伸長的通路(32)，點火電極(5)穿過所述通路(32)延伸；和絕緣體(6)，所述絕緣體(6)圍住所述點火電極(5)並使所述點火電極(5)與所述外部構件(31)電絕緣，其中，所述點火電極(5)、所述絕緣體(6)以及所述通路(3 具有共同的縱向方向 (33)，其特徵在於，所述絕緣體(6)由多個在所述縱向方向(3 延伸的層(6a-6f，34-36)組成，或者被細分成多個這樣的層(6a-6f，34-36)。
2.根據權利要求1所述的點火器，其特徵在於相鄰的層(6a-6f，34-36)在至少一個電特性方面不同。
3.根據權利要求1或2所述的點火器，其特徵在於所述絕緣體(6)具有在介電性能方面，特別是在介電常數方面不同的層(6a_6f)。
4.根據權利要求3所述的點火器，其特徵在於橫穿所述縱向方向(3 的介電常數隨著距所述點火電極(5)的距離的增加而減小，特別是從層(6a)至層(6b、6c)。
5.根據權利要求3或4所述的點火器，其特徵在於絕緣層的介電常數在所述層內改變， 特別地，所述介電常數隨著距所述點火電極(5)的距離的增加而減小。
6.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於電絕緣層(6a-6f)由陶瓷材料，特別是氧化物陶瓷材料組成。
7.根據權利要求6所述的點火器，其特徵在於用於所述電絕緣層(6a-6f)的陶瓷材料為氧化鋁和/或氧化鋯和/或氧化矽和/或這些氧化物彼此混合和/或與其他陶瓷材料混合而得的混合物。
8.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於至少一層導電中間層 (34-36)被嵌入所述絕緣體(6)中，特別地，使得至少在兩層電絕緣層(6a-6f)之間設置一層導電中間層(34-36)。
9.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於所述至少一層導電中間層 (34-36)比所述電絕緣層(6a-6f)薄，優選薄很多。
10.根據權利要求9所述的點火器，其特徵在於所述至少一層導電中間層(34-36)的厚度在5μπι至100 μ m之間。
11.根據權利要求9或10所述的點火器，其特徵在於通過使用PVD方法將所述至少一層導電中間層(34-36)沉積在一層絕緣層(6a-6c)上。
12.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於所述絕緣體(6)延伸超過所述外部構件(31)的至少一端，並且所述至少一層導電中間層(34-36)在所述外部構件 (31)的所述一端和所述絕緣體(6)的相鄰端之間終止。
13.根據權利要求12所述的點火器，其特徵在於設置至少兩層導電中間層(34-36)，位於更靠近所述點火電極(5)的導電中間層(36)比距所述點火電極(5)更遠的所述導電中間層(34、3幻更靠近所述絕緣體(6)的所述一端終止，所述導電中間層(34-36)都不從所述絕緣體(6)的任何一點顯露出來。
14.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於至少有一些層(6a-6f， 34-36)以軸套方式圍住所述點火電極(5)。
15.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於所述層(6a-6f，34-36) 與所述點火電極(5)同軸設置。
16.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於所述層(6a-6f，34-36) 具有環狀橫截面。
17.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於所述外部構件(31)是燃燒室壁的組成部分。
18.根據前述權利要求中任意一項所述的點火器，其特徵在於所述外部構件(31)包括外螺紋，用於將所述外部構件(31)擰入燃燒室壁O)的孔中。
全文摘要
本發明涉及一種在內燃機中使用由高頻高電壓產生的電暈放電點燃燃料/空氣混合物的點火器，該內燃機具有一個或多個由處於地電位的壁(2、3、4)限定的燃燒室(1)，所述點火器包括點火電極(5)，該點火電極以電絕緣的方式橫貫限定特定燃燒室(1)的壁(2、3、4)中的一個，並且與處於地電位的燃燒室的壁(2、3、4)一起構成電容。點火器還包括金屬或用金屬處理的外部構件(31)和穿過外部構件(31)延伸的點火電極(5)延伸穿過的伸長通路(32)；和絕緣體(6)，絕緣體(6)圍住點火電極(5)，並將其與外部構件(31)電絕緣，其中，點火電極(5)、絕緣體(6)以及通路(32)具有共同的縱向方向(33)。根據本發明，絕緣體(6)由多個在縱向方向(33)上延伸的層(6a-6f，34-36)組成，或者被再分成多個這樣的層(6a-6f，34-36)。
文檔編號F02P23/04GK102278258SQ20111015373
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月3日 優先權日2010年6月4日
發明者F·海爾曼, G·布羅伊希勒, M·阿爾蓋爾, T·吉費爾斯 申請人:博格華納貝魯系統股份有限公司