Плазменная свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания
Настоящее изобретение относится к свече, генерирующей плазму, используемой, в частности, для воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания с помощью электрических искр, образующихся между электродами свечи. Свеча зажигания (1) для двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства содержит емкостную (С) и индуктивную части (I). Емкостная часть (С) содержит коаксиальные электроды (2, 3). Индуктивная часть (I) содержит: центральную сердцевину (8), обмотку (5), изолятор (7), внешнюю цилиндрическую оболочку (61) и внутреннюю оболочку (62). Обмотка (5) выполнена вокруг сердцевины (8). Изолятор (7) размещен радиально между внутренней оболочкой (62) и обмоткой (5). Внешняя (61) и внутренняя (62) оболочки выполняют функцию электромагнитного экрана. Внутренняя оболочка (62) размещена радиально между изолятором (7) и внешней оболочкой (61). Внутренняя поверхность (622) внутренней оболочки (62) может иметь постоянную толщину и прилегать к внешней поверхности изолятора (7). Внешняя оболочка (61) может иметь толщину, на которой проявляется действие скин-эффекта. Внутренняя поверхность (612) внешней оболочки (61) может иметь цилиндрическую форму с круговым поперечным сечением. Внешняя поверхность (621) внутренней оболочки (62) может иметь цилиндрическую форму с сечением в виде многоугольника. Продольные ребра (613) внутренней оболочки (62) могут находиться в электрическом контакте с внешней оболочкой (61). Сердцевина (8) может иметь цилиндрическую форму. Материал и размеры внешней (61) и внутренней (62) оболочек могут быть выбраны с учетом образования ими экрана для электромагнитного поля, которое генерируется обмоткой (5). Технический результат заключается в согласовании электромагнитного экрана с изоляцией, размещенной между сердечником (8) и оболочкой (62). 9 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к свече, генерирующей плазму, используемой, в частности, для воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания с помощью электрических искр, образующихся между электродами свечи.
Более конкретно изобретение относится к свече зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащей два электрода, генерирующих плазму, отделенных друг от друга изолятором, которые образуют внешнюю оболочку, окружающую изолятор, и центральный электрод, размещенный внутри центрального канала изолятора, соответственно.
Из опубликованных патентных документов FR 2859830, FR 2859569, FR 2859831 известна многоискровая свеча, которая имеет электромагнитный экран, сформированный в виде металлической оболочки, которая может быть выполнена, например, в виде тонкой фасонной трубы или тонкого осажденного слоя или из металлизированной и покрытой слоем другого металла пластмассовой пленки.
Электромагнитный экран содержит два участка: электрический экран и магнитный экран. Электрический экран позволяет защищать внешнее окружение свечи от влияния электрического поля, созданного электрической обмоткой. Магнитный экран обеспечивает, чтобы магнитное поле оставалось внутри указанной металлической оболочки. Протекание электрического тока, соответствующего действию электрического экрана, ограничено внешней поверхностью оболочки, в то время как протекание тока, связанного с магнитным экраном, ограничено внутренней поверхностью оболочки. Кроме того, для обеспечения электрической изоляции между сердечником и оболочкой изолятор обычно выполняют из материалов, имеющих определенные физико-химические характеристики, включая сочетающиеся с другими характеристиками коэффициенты расширения, которое соответствует температуре материала и может быть значительным.
Следовательно, трудно согласовать электромагнитный экран с изоляцией, размещенной между сердечником и оболочкой.
Задача изобретения, направленного на смягчение этих недостатков, заключается в том, чтобы создать электромагнитный экран и в то же время обеспечить изоляцию между сердечником и оболочкой.
Соответственно, изобретение обеспечивает свечу зажигания вышеупомянутого типа, в которой верхняя по существу индуктивная часть свечи содержит вторую, внутреннюю оболочку, экранирующую электромагнитное поле, которая размещена радиально между изолятором и внешней оболочкой.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения внутренняя поверхность внутренней оболочки прилегает к внешней поверхности изолятора.
Внутренняя оболочка может иметь постоянную толщину, а внешняя оболочка имеет толщину, по меньшей мере, равную толщине проявления скин-эффекта, которая соответствует глубине проникновения линий тока во внешнюю оболочку.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения внутренняя поверхность внешней оболочки выполнена цилиндрической формы с круговым сечением, внешняя поверхность внутренней оболочки имеет цилиндрическую форму с сечением в виде многогранника, при этом внутренняя оболочка выполнена такой, что продольные ребра внутренней оболочки, проходящие в осевом направлении, находятся в электрическом контакте с внутренней поверхностью внешней оболочки.
Предпочтительным является то, что сердечник имеет цилиндрическую форму.
Материал внешней оболочки может быть выбран из числа электропроводных материалов, таких как медь, а материал внутренней оболочки - из числа электропроводных материалов, таких как медь.
Целесообразным является то, что материал внешней оболочки и геометрические размеры внешней оболочки выбраны такими, чтобы внешняя оболочка образовала экран, по меньшей мере, для электрического поля, генерируемого обмоткой.
Материал внутренней оболочки и геометрические размеры внутренней оболочки могут быть выбраны такими, чтобы внутренняя оболочка образовала электромагнитный экран.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего описания со ссылками на чертежи, на которых представлено:
фиг.1 - разрез радиочастотной плазменной свечи вдоль оси z, выполненной в соответствии с известным аналогом;
фиг.2 - схематичное покомпонентное, с трехмерным представлением деталей, изображение индуктивной части свечи, содержащей две оболочки в соответствии с изобретением;
фиг.3 - разрез индуктивной части свечи зажигания, содержащей две оболочки в соответствии с изобретением;
фиг.4 - разрез по линии 4-4' на фиг.3 в соответствии с изобретением;
фиг.5 - иллюстрация протекания токов, связанных с электромагнитным полем, в разрезе вдоль линии 5-5', показанной на фиг.3, в соответствии с изобретением.
Как показано на фиг.1, радиочастотная плазменная свеча 1, имеющая по существу цилиндрическую форму, содержит, главным образом, нижнюю по существу емкостную часть С и верхнюю по существу индуктивную часть I, при этом указанные части С и I выполнены в целом с удлиненным вытянутым профилем, соединены последовательно и имеют общую продольную ось Z.
Емкостная часть С содержит, в частности, корпус 2, выполненный с возможностью заземления и окружающий снаружи центральный электрод 3, который по существу имеет форму цилиндра с осью Z и выполняет функцию высоковольтного электрода. Между корпусом 2 и центральным электродом 3 размещен электроизолирующий блок, называемый "изолятором" 4, причем изолятор 4 сконфигурирован таким образом, чтобы направлять искры между электродами 2 и 3.
В соответствии с известным из уровня техники конструктивным выполнением свечи внешняя поверхность нижней части корпуса 2, расположенной ближе всего к головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания, имеет профиль, предназначенный для установки свечи 1, ее удержанию и уплотнению на головке цилиндра (например, как показано на фиг.1, в виде резьбы, не ограничивающей конструктивное исполнение профиля).
Как показано на фиг.2 и фиг.3, индуктивная часть I свечи 1, в целом, включает центральный сердечник 8, последовательно охваченный снаружи обмоткой 5, изолятор 7, а также внутреннюю оболочку 62 и внешнюю оболочку 61.
Сердечник 8 имеет цилиндрическую форму с круговым сечением, и его ось по существу совпадает с осью Z свечи зажигания 1. Сердечник выполнен из изолирующего и немагнитного материала.
Обмотка 5 состоит из витков, охватывающих центральный сердечник 8 от первого верхнего витка 512 до последнего нижнего витка 513. Как показано на фиг.1, первый верхний виток 512 подсоединен к соединительному проводнику 12, а последний нижний виток 513 с помощью подходящих средств 14 подсоединен к расположенному внутри торцу центрального электрода 3.
Изолятор 7, который окружает обмотку 5, имеет цилиндрическую форму с сечением в виде многоугольника, и материал изолятора выбран из числа материалов с низкими магнитными потерями. Среди материалов, удовлетворяющих этому свойству, существует семейство кремнийорганических соединений, основной недостаток которых заключается в том, что они имеют большую величину коэффициента термического расширения, порядка 0,0001 К-1.
Как показано на фиг.4, внутренняя оболочка 62 содержит внутреннюю поверхность 622 и внешнюю поверхность 621. Оболочка имеет цилиндрическую форму с сечением в виде многоугольника. Однако следует отметить, что только для внешней поверхности 621 необходимо, чтобы она имела цилиндрическую форму с многоугольным сечением. Внутренняя оболочка 62 выполнена так, что внутренняя поверхность 622 внутренней оболочки 62 прилегает к внешней поверхности изолятора 7. Предпочтительно, чтобы внутренняя оболочка 62 была выполнена из токопроводящего материала в частотном диапазоне от 1 до 10 Мгц, необходимом для работы этой свечи 1. Оболочка 62 может быть изготовлена из разных металлических материалов, например, из меди или из различных материалов, внешняя поверхность которых покрыта солями металлов, например, слоем электролитически осажденного никеля. Предпочтительно, чтобы толщина этой оболочки 62 была постоянной и достаточно тонкой, чтобы обеспечить низкочастотную проводимость. Например, может быть предпочтительным, чтобы внутренняя оболочка 62 была выполнена из меди толщиной от 5 до 10 мкм.
Как показано на фиг.4, внешняя оболочка 61 включает внешнюю поверхность 611 и внутреннюю поверхность 612. Она имеет форму цилиндра с круговым сечением. Однако следует отметить, что только для внешней поверхности 612 необходимо, чтобы она имела цилиндрическую форму с круговым поперечным сечением. Предпочтительно, чтобы материал, из которого изготовлена эта оболочка, и ее конструктивное выполнение были такими, чтобы обеспечить прохождение токов, связанных с экраном электромагнитного поля. Предпочтительно, чтобы внешняя оболочка 61 была выполнена из токопроводящего материала в частотном диапазоне от 1 до 10 Мгц, требуемом для работы этой свечи 1. При этом она может быть выполнена из материала с высокой удельной электропроводностью (такого, как медь: 6×107 Сименс(См)/м) или из материала с низкой удельной электропроводностью (такого, как сталь: 1×107 См/м), а ее внешние поверхности могут быть покрыты токопроводящим слоем, например, из меди или серебра. Толщина этой оболочки 61, по меньшей мере, больше толщины скин-слоя, соответствующей глубине проникновения линий тока в проводник в диапазоне частот от 1 до 10 Мгц, установленном для работы этой свечи 1. Например, если внешняя оболочка изготовлена из меди, ее толщина составляет, по меньшей мере, 100 мкм. Внутренняя оболочка 62 расположена таким образом, что ее продольные, ориентированные в осевом направлении ребра 613 находятся в электрическом контакте с внутренней поверхностью 612 внешней оболочки 61. Дефекты внутренней поверхности 611 (шероховатость поверхности) внешней оболочки 61 не являются препятствием для осуществления электрического контакта двух этих оболочек 61, 62. В частности, вдоль ребер 613 электрический контакт, как правило, может быть обеспечен местами, в нескольких точках 9 ребер 613.
Следует отметить, что зоны с пустотами, образованные между внутренней оболочкой 62 и внешней оболочкой 61, позволяют изолятору 7, имеющему высокий коэффициент термического расширения, расширяться с приближением его внешнего профиля к по существу цилиндрическому профилю и частичным или полным заполнением зон с пустотами.
Такое конструктивное выполнение обеспечивает экран для электромагнитного поля.
Как более подробно показано на фиг.5, ток 10, связанный с магнитным экраном, протекает в основном по внешней поверхности 612 внешней оболочки 61. Ток, связанный с электрическим экраном, протекает, в основном, по внешней поверхности 611 внешней оболочки 61. При этом ток, в общем, включает две составляющие: первую составляющую 111, которая соответствует электрической зарядке конденсатора, расположенного на конце обмотки 5, и вторую составляющую 112, которая соответствует по величине току, необходимому для блокирования электрического поля, созданного обмоткой 5. Прежде всего, эта вторая составляющая 112 тока протекает в радиальном направлении по внешней оболочке 61 и через точки 9 контакта внутренней оболочки 62 и внешней оболочки 61. Во-вторых, этот ток, равномерно распределенный, протекает по внутренней оболочке 62 и экранирует электрическое поле, созданное обмоткой 5.
Кроме того, следует отметить, что через внешнюю оболочку 61 передается крутящий момент, создаваемый при соединении друг с другом в целом емкостной части С и в целом индуктивной части I свечи 1. Поэтому толщина внешней оболочки 61 будет рассчитана такой, чтобы передавать этот крутящий момент при взаимном соединении частей. Основное преимущество такого типа передачи крутящего момента заключается в том, что механические напряжения передаются по наибольшему возможному радиусу в том месте, где действие плеча рычага является оптимальным, за счет чего минимизируются механические напряжения, действующие на сами материалы соединяемых частей.
Таким образом, оболочки 61,62 эффективно обеспечивают создание электромагнитного экрана, и в то же время выполняет свою функцию изолятор 7, который представляет собой материал с высоким коэффициентом расширения.
Настоящее изобретение не ограничено раскрытым выше и иллюстрируемым выполнение, которое было приведено лишь в качестве примера.
1. Свеча зажигания (1) для двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства, имеющая в основном форму вытянутого тела, содержащая: нижнюю, по существу, емкостную часть (С), содержащую два коаксиальных электрода (2, 3), верхнюю по существу индуктивную часть (I), содержащую центральную сердцевину (8), коаксиальную обмотку (5) вокруг сердцевины (8), внешнюю цилиндрическую оболочку (61), выполняющую функцию электромагнитного экрана, изолятор (7), размещенный радиально между оболочкой (61) и обмоткой (5), отличающаяся тем, что верхняя по существу индуктивная часть (I) снабжена второй, внутренней оболочкой (62), выполняющей функцию электромагнитного экрана, размещенной радиально между изолятором (7) и внешней оболочкой (61).
2. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность (622) внутренней оболочки (62) прилегает к внешней поверхности изолятора (7).
3. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя оболочка (62) имеет постоянную толщину.
4. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что внешняя оболочка (61) имеет толщину, по меньшей мере, равную толщине, на которой проявляется действие скин-эффекта и которая соответствует глубине проникновения линий тока во внешнюю оболочку (61).
5. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность (612) внешней оболочки (61) имеет цилиндрическую форму с круговым поперечным сечением, а внешняя поверхность (621) внутренней оболочки (62) имеет цилиндрическую форму с сечением в виде многоугольника, при этом внутренняя оболочка (62) установлена таким образом, что продольные, направленные вдоль оси ребра (613) внутренней оболочки (62) находятся в электрическом контакте с внутренней поверхностью (622) внешней оболочки (61).
6. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что сердцевина (8) имеет в основном цилиндрическую форму.
7. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что внешняя оболочка (61) выполнена из электропроводного материала, такого как медь.
8. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя оболочка (62) выполнена из электропроводного материала, такого как медь.
9. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что материал внешней оболочки (61) и размеры внешней оболочки (61) выбраны такими, что внешняя оболочка (61) образует экран, по меньшей мере, для электрического поля, генерируемого обмоткой (5).
10. Свеча зажигания (1) по п.1, отличающаяся тем, что материал внутренней оболочки (62) и размеры внутренней оболочки (62) выбраны такими, что внутренняя оболочка (62) образует электромагнитный экран.
