等离子流火花塞的制作方法
专利名称：等离子流火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的等离子流火花塞(Plasmastrahl-Zündkerze)，其具有一中间电极、一由绝缘材料构成的喷射通道、以及一与喷射通道同心的并构成一出口的火花塞搭铁电极。
为减少内燃机的燃油消耗及有害物质排放，需要使用低配合比的燃油空气混合物(过量空气系数大于1的燃油空气混合物)。还需要生成高效率的火花等离子体，其可导致低配合比的混合物的有效燃烧过程。
前面提到的那种火花塞从RWTH Aachen在互联网上发表的文章可知http//www.vka.rwth-aachen.de/sfb_224/Kapitel/pdf/kap3_2.pdf S.Abb.3.2-8.S.114。
这种火花塞可以在其外部产生等离子体。然而大部分的火花能量不会传输到气体中。火花等离子体在气体中的渗透深度很小。因此这种火花塞只有在一定条件下才能点燃低配合比的燃油空气混合物。
本发明的目的是，提供一种前面提到的火花塞，其能把大部分的火花能量传输到燃油空气混合物中。
按照本发明，此目的通过权利要求1的特征得以实现。
中间电极的圆锥形状有利于等离子体形成。喷射通道的构造和在其通向火花塞搭铁电极的走向中起作用的加速段有利于等离子体更深地渗透到混合物中，并从而在极端低配合比的混合物中获得最佳的点火作用。
借助附图对本发明的一实施例进行详细阐述。其中
图1以示意形式示出本发明的火花塞的纵向剖视图，和图2图1的一局部。
图1和图2中部分示出的火花塞1具有一中间电极2、一火花塞搭铁电极3和一陶瓷体4。所述中间电极2构成为圆锥形。火花塞搭铁电极3构成一出口5，其呈漏斗形向外扩展。
在中间电极2和火花塞搭铁电极3之间，在陶瓷体4中构成一喷射通道6。此通道6在其通向火花塞搭铁电极的走向上具有一变细部位7，其起到等离子体的加速段的作用。如同下面还会详细描述的一样，此等离子体形成在中间电极2的顶端2’的区域内。
此陶瓷体在出口区域内直接地也就是说没有任何气隙地靠在火花塞搭铁电极3上。火花塞搭铁电极3回缩直至越过中间电极，并在其外表面上具有一螺纹8，借助它将火花塞拧入一个此处没有示出的气缸头上。火花塞1大致齐平地延伸到一内燃机燃烧室为止。
在火花塞搭铁电极3和陶瓷体4之间有一环面形状的(torusfrmig)气腔9，其在中间电极2的高度处尺寸延伸最大。
等离子体是在火花塞内部的一空腔10中产生的。图2放大示出了此空腔。
原理上，空腔10相应于空心阴极结构。在呈圆锥形走向的中间电极2和向外部封闭火花塞的火花塞搭铁电极之间构建一电场，通过它使气体在空腔中被电离，并产生电击穿。
空腔10具有一特别的几何构造。它具有一圆柱形的区域“A”，紧接其后的是一呈圆锥形走向的部位“B”，它再通到一圆柱形状“C”。紧接在区域“C”后的火花塞搭铁电极3圆锥形开放用“D”标识出的横切面，并作为其自身构成的喷射通道6的终端。
这种造型有其电工学和流体动力学的原因。一方面，它用于对电场进行针对性的引导，另一方面，通过在区域“C”中存在的相当于“拉瓦尔喷嘴”的收缩部产生了一超音速流，其导致一更高的等离子体射出脉冲。
当中间电极接线合适时，等离子体温度快速上升到例如约6000K，同时产生一压力波，该压力波在点火的瞬间在空腔10的静态压力和发动机燃烧室内的压力之间引起一超临界的压力比。这导致了，束流在横截面最窄的圆柱形部分被加速到马赫数＝1，在发散部位被加速到马赫数＞1。
为形成强的等离子体，制造一个尽可能大的具有高电场强度的空间区域是必要的。为了使得等离子体不会因为导热好的陶瓷绝缘体的壁热量流失而被削弱，有意义的是，将电场集中在呈圆锥形走向的中间电极2的上部区域。上述场力线的集中通过陶瓷绝缘体4的形状造型获得一重要的聚焦效应。此杵头式(keulenartig)形状由于其介电特性而将电力线引向电极顶端2′。与用于越过在气腔9中的路径的电场强度相比，在陶瓷体上电场强度流失的份额是很小的。因而，当两个电极之间有相应的高压时，在电极顶端2′的区域内存在一可以使空腔10中的空间电离的电场强度。此外，还可通过火花塞搭铁电极3的圆形造型来优化电场的构成。另外，这种外形在空气动力学上还给燃烧室的构造带来好处。
在圆锥形中间电极2的通往一圆柱形的、在陶瓷体4内延伸的形状的过渡区域内，不希望发生电离，因为一由此产生的电击穿会把其热能直接转到陶瓷绝缘体上。由于这个原因，陶瓷绝缘体在此处具有一变细部位11，即，毗连的电压这样有利地划分，使得电场强度在中间电极2的这个区域内减小，从而阻止电离。
通过所示的对电场的引导，形成了一朝着出口5的最佳的方向性。所产生的电载流子经历了一相应的加速，因而更多的原子和分子被电离，并产生一雪崩效应。
按本发明的火花塞的其它优点是可以消除在氢气发动机和汽油发动机上的炽热引火危险。它可以带来更好的混合气点火，也就是通过减少不可燃烧的碳氢化合物的排放尤其是在直喷式发动机中获得好的效果。
因为没有电极突伸到燃烧室中，所以在设计燃烧室的构造时自由度就提高了，其例如可以转换成提高压缩比和提高与之有关的热效率。
可以设想降低HC排放，因为少了突出的、可能会形成“火影子(Flammschatten)”的电极。
权利要求
1.用于内燃机的等离子流火花塞，具有一中间电极、一由绝缘材料构成的喷射通道、一与喷射通道同心的并构成一出口的火花塞搭铁电极，其特征在于，中间电极构成为圆锥形，喷射通道在其通向火花塞搭铁电极的走向中具有一作为等离子体加速段起作用的变细部位。
2.按权利要求1所述的火花塞，其特征在于，绝缘材料靠在火花塞搭铁电极上。
3.按权利要求1或2之任一所述的火花塞，其特征在于，火花塞搭铁电极回缩直至越过中间电极。
4.按权利要求3所述的火花塞，其特征在于，在火花塞搭铁电极和绝缘材料之间设置有一环面形状的气腔。
5.按权利要求4所述的火花塞，其特征在于，所述气腔在中间电极的高度处具有其最大延伸尺寸。
6.按权利要求1至5之任一所述的火花塞，其特征在于，在火花塞搭铁电极中形成的出口向外呈漏斗形扩展。
7.按权利要求1至6之任一所述的火花塞，其特征在于，火花塞至少大致齐平地延伸到一内燃机燃烧室为止。
全文摘要
本发明涉及一种用于内燃机的等离子流火花塞，具有一中间电极(2)、一由绝缘材料(4)构成的喷射通道(6)、一与喷射通道同心的并构成一出口的火花塞搭铁电极(3)。中间电极(2)构成为圆锥形，喷射通道在其通向火花塞搭铁电极的走向中具有一作为等离子体加速段起作用的变细部位(6－5)。
文档编号H01T13/00GK1820141SQ200480019711
公开日2006年8月16日 申请日期2004年5月17日 优先权日2003年7月10日
发明者R·阿尔特曼, M·哈尔曼泽格 申请人:宝马股份公司
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的等离子流火花塞(Plasmastrahl-Zündkerze)，其具有一中间电极、一由绝缘材料构成的喷射通道、以及一与喷射通道同心的并构成一出口的火花塞搭铁电极。
为减少内燃机的燃油消耗及有害物质排放，需要使用低配合比的燃油空气混合物(过量空气系数大于1的燃油空气混合物)。还需要生成高效率的火花等离子体，其可导致低配合比的混合物的有效燃烧过程。
前面提到的那种火花塞从RWTH Aachen在互联网上发表的文章可知http//www.vka.rwth-aachen.de/sfb_224/Kapitel/pdf/kap3_2.pdf S.Abb.3.2-8.S.114。
这种火花塞可以在其外部产生等离子体。然而大部分的火花能量不会传输到气体中。火花等离子体在气体中的渗透深度很小。因此这种火花塞只有在一定条件下才能点燃低配合比的燃油空气混合物。
本发明的目的是，提供一种前面提到的火花塞，其能把大部分的火花能量传输到燃油空气混合物中。
按照本发明，此目的通过权利要求1的特征得以实现。
中间电极的圆锥形状有利于等离子体形成。喷射通道的构造和在其通向火花塞搭铁电极的走向中起作用的加速段有利于等离子体更深地渗透到混合物中，并从而在极端低配合比的混合物中获得最佳的点火作用。
借助附图对本发明的一实施例进行详细阐述。其中
图1以示意形式示出本发明的火花塞的纵向剖视图，和图2图1的一局部。
图1和图2中部分示出的火花塞1具有一中间电极2、一火花塞搭铁电极3和一陶瓷体4。所述中间电极2构成为圆锥形。火花塞搭铁电极3构成一出口5，其呈漏斗形向外扩展。
在中间电极2和火花塞搭铁电极3之间，在陶瓷体4中构成一喷射通道6。此通道6在其通向火花塞搭铁电极的走向上具有一变细部位7，其起到等离子体的加速段的作用。如同下面还会详细描述的一样，此等离子体形成在中间电极2的顶端2’的区域内。
此陶瓷体在出口区域内直接地也就是说没有任何气隙地靠在火花塞搭铁电极3上。火花塞搭铁电极3回缩直至越过中间电极，并在其外表面上具有一螺纹8，借助它将火花塞拧入一个此处没有示出的气缸头上。火花塞1大致齐平地延伸到一内燃机燃烧室为止。
在火花塞搭铁电极3和陶瓷体4之间有一环面形状的(torusfrmig)气腔9，其在中间电极2的高度处尺寸延伸最大。
等离子体是在火花塞内部的一空腔10中产生的。图2放大示出了此空腔。
原理上，空腔10相应于空心阴极结构。在呈圆锥形走向的中间电极2和向外部封闭火花塞的火花塞搭铁电极之间构建一电场，通过它使气体在空腔中被电离，并产生电击穿。
空腔10具有一特别的几何构造。它具有一圆柱形的区域“A”，紧接其后的是一呈圆锥形走向的部位“B”，它再通到一圆柱形状“C”。紧接在区域“C”后的火花塞搭铁电极3圆锥形开放用“D”标识出的横切面，并作为其自身构成的喷射通道6的终端。
这种造型有其电工学和流体动力学的原因。一方面，它用于对电场进行针对性的引导，另一方面，通过在区域“C”中存在的相当于“拉瓦尔喷嘴”的收缩部产生了一超音速流，其导致一更高的等离子体射出脉冲。
当中间电极接线合适时，等离子体温度快速上升到例如约6000K，同时产生一压力波，该压力波在点火的瞬间在空腔10的静态压力和发动机燃烧室内的压力之间引起一超临界的压力比。这导致了，束流在横截面最窄的圆柱形部分被加速到马赫数＝1，在发散部位被加速到马赫数＞1。
为形成强的等离子体，制造一个尽可能大的具有高电场强度的空间区域是必要的。为了使得等离子体不会因为导热好的陶瓷绝缘体的壁热量流失而被削弱，有意义的是，将电场集中在呈圆锥形走向的中间电极2的上部区域。上述场力线的集中通过陶瓷绝缘体4的形状造型获得一重要的聚焦效应。此杵头式(keulenartig)形状由于其介电特性而将电力线引向电极顶端2′。与用于越过在气腔9中的路径的电场强度相比，在陶瓷体上电场强度流失的份额是很小的。因而，当两个电极之间有相应的高压时，在电极顶端2′的区域内存在一可以使空腔10中的空间电离的电场强度。此外，还可通过火花塞搭铁电极3的圆形造型来优化电场的构成。另外，这种外形在空气动力学上还给燃烧室的构造带来好处。
在圆锥形中间电极2的通往一圆柱形的、在陶瓷体4内延伸的形状的过渡区域内，不希望发生电离，因为一由此产生的电击穿会把其热能直接转到陶瓷绝缘体上。由于这个原因，陶瓷绝缘体在此处具有一变细部位11，即，毗连的电压这样有利地划分，使得电场强度在中间电极2的这个区域内减小，从而阻止电离。
通过所示的对电场的引导，形成了一朝着出口5的最佳的方向性。所产生的电载流子经历了一相应的加速，因而更多的原子和分子被电离，并产生一雪崩效应。
按本发明的火花塞的其它优点是可以消除在氢气发动机和汽油发动机上的炽热引火危险。它可以带来更好的混合气点火，也就是通过减少不可燃烧的碳氢化合物的排放尤其是在直喷式发动机中获得好的效果。
因为没有电极突伸到燃烧室中，所以在设计燃烧室的构造时自由度就提高了，其例如可以转换成提高压缩比和提高与之有关的热效率。
可以设想降低HC排放，因为少了突出的、可能会形成“火影子(Flammschatten)”的电极。
权利要求
1.用于内燃机的等离子流火花塞，具有一中间电极、一由绝缘材料构成的喷射通道、一与喷射通道同心的并构成一出口的火花塞搭铁电极，其特征在于，中间电极构成为圆锥形，喷射通道在其通向火花塞搭铁电极的走向中具有一作为等离子体加速段起作用的变细部位。
2.按权利要求1所述的火花塞，其特征在于，绝缘材料靠在火花塞搭铁电极上。
3.按权利要求1或2之任一所述的火花塞，其特征在于，火花塞搭铁电极回缩直至越过中间电极。
4.按权利要求3所述的火花塞，其特征在于，在火花塞搭铁电极和绝缘材料之间设置有一环面形状的气腔。
5.按权利要求4所述的火花塞，其特征在于，所述气腔在中间电极的高度处具有其最大延伸尺寸。
6.按权利要求1至5之任一所述的火花塞，其特征在于，在火花塞搭铁电极中形成的出口向外呈漏斗形扩展。
7.按权利要求1至6之任一所述的火花塞，其特征在于，火花塞至少大致齐平地延伸到一内燃机燃烧室为止。
全文摘要
本发明涉及一种用于内燃机的等离子流火花塞，具有一中间电极(2)、一由绝缘材料(4)构成的喷射通道(6)、一与喷射通道同心的并构成一出口的火花塞搭铁电极(3)。中间电极(2)构成为圆锥形，喷射通道在其通向火花塞搭铁电极的走向中具有一作为等离子体加速段起作用的变细部位(6－5)。
文档编号H01T13/00GK1820141SQ200480019711
公开日2006年8月16日 申请日期2004年5月17日 优先权日2003年7月10日
发明者R·阿尔特曼, M·哈尔曼泽格 申请人:宝马股份公司
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