CN1061505A - 发生和点燃等离子体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一个电极(1)具有棒状形式，端部成圆锥形。其 它电极包括金属支承体(3)，支承体上形成多孔陶瓷 覆盖层(2′)，覆盖层的细孔中含有导电性高于覆盖层 的氧化物例如氧化锌和导电性低于覆盖层的氧化物 例如氧化铬。火花包括线状区域(7)和冠状区域(8)， 线状区域靠近具有金属活性表面的棒状电极，冠状区 域由等离子占据并产生臭氧。本发明用于改善热机 中的燃烧，并保证得到二次燃烧，从而消除燃烧器排 气中的未燃烧物质。

Description

本发明涉及发生等离子体的方法。

本发明还涉及产生臭氧的方法。

本发明还涉及内燃机点燃的方法和减少燃烧器废气中未燃烧物质含量的防止污染的方法。

本发明还涉及实现这些方法的装置。

在两个金属电极之间借助于例如由燃料和氧化剂的混合物组成的气体产生火花是众所周知的。

这样产生的火花是线状的，因此仅作用于很小体积的气体。因而其效率，例如点燃燃料和氧化剂混合物的效率是相当低的。

本发明的目的是使电流通道以显著增大的体积作用于周围气体。

本发明立足的创造性思想是，至少对一个电极应用一种多孔陶瓷复盖层，陶瓷复盖层的细孔中至少有一些细孔包含导电体。

已经证明，在邻近复盖层的地方，火花由此而扩大，同时产生等离子体，而且如果周围气体中含有氧气，则产生臭氧。

“火花”这一词是用来表示由电流通道作用的气体的空间，不涉及这个词本身涉及的这种空间的特殊形式或电流通道特殊的持续时间。特别是，如果加在电极上的电压是连续的，则火花本身是连续的。

所得到的效果用肉眼可以看到，火花在复盖层确定的活性表面附近其直径约为1毫米至几毫米。

因此，按照第一个方面，产生等离子体的方法的特征在于两个电极彼此相对放置，其中至少一个电极具有由陶瓷复盖层确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中包含导电体，其特征还在于，适合于在电极之间产生电流的电位差被加在电极之间。

按照本发明的第二个方面，产生臭氧的方法其特征在于两个电极在含氧气体中彼此相对放置，其中至少一个电极具有由陶瓷复盖层确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，其特征还在于，适合于在电极之间产生电流的电位差被加在电极之间。

按照本发明的第三个方面，内燃机的点燃方法其特征在于，两个电极彼此相对放置在内燃机的燃烧室中，其中至少一个电极具有由陶瓷复盖层确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，其特征还在于，适合于在电极之间产生电流的电位差被加在电极之间。

通过如此形成的大量的火花，产生了等离子体，同时也产生了臭氧，因此本发明使混合物点燃的快速性和有效性得到了显著的改进。

实际上，臭氧是一种极好的氧化剂。

按照本发明的第四个方面，减少燃烧器废气中特别是减少由热机产生的废气中未燃烧物质含量的防止污染方法其特征在于，两个电极彼此相对放置在废气流流径中，其中至少一个电极具有由陶瓷复盖层确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，其特征还在于，适合于在电极之间产生电流的电位差被加在电极之间。

利用剩余的游离氧或例如采用将空气注入到废气中来产生臭氧的方法导致废气的后燃烧，因此减少了废气中未燃烧物质的含量，即碳氢化合物和一氧化碳的含量。

按照本发明的第五个方面，实现上述方法之一的装置其特征在于，该装置包括两个电极和一个机构，其中至少一个电极具有由陶瓷复盖层确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，上述机构用于将上述电极连接到电源的输出极上，电源提供足以在电极之间产生电流的电位差。

从下面的说明中还可以看出本发明其它的特点和优点。

在利用非限制性例子给出的附图中：

图1是对于绝缘表面产生火花的实验示意透视图;

图2是类似于图1的图，但涉及利用本发明的方法来产生火花;

图3是类似于图2的图，但涉及利用本发明的方法来产生火花的另一种方法;

图4是内燃机点燃装置的示意图;

图5是一个曲线图，示出了在本发明的方法随时间变化的火花电流强度;

图6a、6b和6c示意示出了按照本发明的三种产生火花的方法;

图7和8是实施本发明方法的两个火花塞实施例的局部视图;

图9是利用本发明防止污染方法的内燃机的示意视图。

在图1示意示出的产生火花的方法中，棒状金属电极1的自由端对着电绝缘复盖层2的大体上为平面的表面放置，复盖层由导电支承件3支承。在电极1和导电支承件3之间给定电位差。在电极1和绝缘复盖层2之间便形成线状火花4。火花4在绝缘物的表面上也形成线状分支5。这最后导致火花作用的体积增加一些。然而，这种方法不能以工业规模应用，因为例如在产生成百次火花以后，绝缘物2在承受线状火花4的位置最终被击穿了，因而分支5不再形成。

在图2示意示出的本发明的方法中，还是有一根棒形电极1，该电极的自由端1a由电极1的金属形成，在本例中为尖端形，它垂直指向一个电极，此电极包括导电支承件3和复盖层，该复盖层构成电极的平面活性表面。

在本实施例中，由参考号2′表示的复盖层是多孔陶瓷复盖层，该复盖层的细孔中含有导电体和电绝缘体。

陶瓷复盖层最好是铝-硅质型，复盖层的准确组分，特别是石英的含量、氧化铝的含量和其它可能组分的含量用已知的方法确定，使得复盖层的热膨胀系数大体相当于电极的金属支承件3的热膨胀系数。

该复盖层可以以涂料的形式涂敷到支承件3上，即以稀浆的形式涂敷，稀浆含有所需组分的混合物，可以涂敷一层或多层。

涂敷每一层后，烘烤复盖层。

烘烤后的复盖层具有细孔，上述的导电体例如氧化锌在这些细孔中形成结晶。

为涂敷氧化锌，将氧化锌溶解，以溶液形式涂敷，然后将溶剂清除，以使氧化锌在细孔中形成结晶。

电绝缘体，即绝缘性比复盖层本身还好的物质，最好也包含在复盖层的细孔中。

使用的电绝缘体可以是例如用分解铬酸的方法得到的氧化铬。为了涂敷这种氧化物，将其溶解，并以溶液形式涂敷到复盖层上，然后清除溶剂，以使氧化铬在复盖层的细孔中结晶。

为了使两种氧化物的涂敷更有效，氧化锌可以涂敷到一层复盖层上，而氧化铬则涂敷在下一层复盖层上，等等。

最适合于实施本发明的复盖层在US-A-4615913中进行了说明。在上述涂敷复盖层的方法的情况下，复盖层的厚度例如为毫米级。

当足以产生火花的电位差被加在电极1和另一个电极的支承件3之间时，该火花大体上表现为图2所示的形式，并特别包含线状区域7和体积区域，线状区域7从端部1a垂直伸向复盖层2′，体积区域以冠状区8的形式向着复盖层2′扩展，并大体上以区域7的轴线作为其对称轴线。冠状区域8具有高度H和直径D，当所加的电位差约为50KV时，H和D二者均约为2～8mm。区域8的大小基本上不依赖于电极1和复盖层2′之间的间距。如果该间距改变，则区域7的长度相应改变。

火花的区域8由等离子体构成，当电极周围的气体含有游离氧时，发现有臭氧放出。

不论加在电极1和2′-3之间的电位差的极性如何，上述的叙述都是正确的。

在图3所示的例子中，电极2′-3没有变化。

相反，电极1由金属板9取代，该板的活性表面是平面，并平行于复盖层2′确定的平面。

当足够的电位差加在活性表面是平面的金属板9和支承件3之间时，在金属板9和复盖层2′之间将会发生大量的类似于图2所示的火花，即具有线状区域71、74、75和与复盖层2′接触的冠状区域81、84、85。线状区域71、74、75从一些点A1、A2、A3、A4、A5、…、An延伸到冠状区域例如81、84、85的顶端。

这种方法像上述的方法一样，可以在例如81、84、85的区域中产生等离子体，如果周围气体含有游离氧，同样也产生臭氧。

如图5所示，当例如采用汽车中所用类型的点燃系统在电极之间很短暂地产生电位差时，火花电流具有很快阻尼的振荡形式（阻尼比常规点燃装置中的阻尼快）。

在图4所示的例子中，点燃电路包括在蓄电池11的输出极之间串联的点燃“线圈”13的初级13a（众所周知，通常称为“点燃线圈”的东西实际上是一个具有很高电压比的变压器）、晶体管15的发射极/集电极线路和断路器17。晶体管15的基极通过电阻112连接到蓄电池11的正端，即初级13a相反于晶体管15的一端。能量吸收器16（例如碳化硅;见FR-A-2401500和FR-A-2423049）被安装在晶体管15的集电极和发射极之间，以便在断路器17启开期间保护晶体管15。点燃线圈13的次级13b的一端连接到内燃机18的金属接地端14，而另一端连接到火花塞19（图7）的绝缘的中心电极1上，火花塞的导电帽19a拧入到金属接地端14中。

利用绝缘环19b使电极1在导电帽19a的里面保持在中心位置。

火花塞19具有复盖层21，与中心电极相对，复盖层21与参照图2叙述的复盖层是同一类型，它附着在金属支承件20上，支承代20由导电的凸出部24吊挂在帽19a上。支承件20是杯状的，它的凹部面对电极1，复盖层21的活性表面也是杯状的，凹部面对电极1的自由端。电极1的活性端部和复盖层21的活性表面位于燃烧室26中。

通常，电极1的与燃烧室26相对的端部1b被连接到次级13b的一个输出端（在这种特殊情况下，利用点燃配电器）。帽19a的螺纹19e构成一种将电极20-21连接到绕组13b的另一个输出端上的装置。

当图4的断路器17启开时，通过初级13a的电流被突然切断。这种切断引起晶体管15突然从饱和态变到截止态。如果在断开期间在晶体管15的发射极和集电极之间产生过高的电位差，则能量吸收器16将吸收这种危险的能量。

通常，这种断开将在次级13b中产生高达几十千伏的感应电压，这种电压将在图7的电极1和电极20-21之间产生类似图2所示的火花22。这样选择电路参数，使上述感应电压尽可能低，以便产生火花而不产生氮的氧化物。

电极1和20-21的周围气体介质是引入到内燃机18的燃烧室26中的燃料和氧化剂的混合物。事实上这种混合物是通过在凸出部24之间空出的开口19d到达电极的。按照本发明产生的火花22或密集的等离子体使燃料/氧化剂混合物高效地和很快地被点燃，这是由于产生了等离子体和臭氧的结果。

在所示的例子中，内燃机18是半柴油型的内燃机，众所周知，这种内燃机具有以下的工作特性：在进气周期利用注射器23注入例如汽油燃料，选择的注入压力约为30～40巴（3～4MPa），以得到最佳喷雾：压缩比约为16～17;电点燃。半柴油机是具有最好操作性能的机器，但是它的发展碰到了在低于燃料起爆点的温度下适当点燃维持压缩比16到17的燃料的困难：这些燃料总是低挥发性的，不能同氧化剂形成完全的混合物。按照本发明得到的点燃特性允许这种点燃。

图6a至6c说明的例子示出三种可能的由本发明所用复盖层形成的活性表面的形式。

图6a示出的例子重复了图7的情况，电极20的复盖层21具有凹的半球形的活性表面，这种凹的半球面有助于火花22的冠形扩展。

图6b示出的例子重复了图2所示的情况，即复盖层2′的活性表面是平面并垂直于电极1的轴。但电极1很靠近复盖层，因而火花区域7实际上消失了。

在图6c所示的例子中，电极40的形状与电极1相同并与电极1共轴。复盖层41涂敷在对着电极1的电极40的大体为圆锥形的端部上。在这两个电极之间加上适当的电位差便在其间形成体积火花42，该火花实际上包着复盖层41。如果将两个电极1和40彼此移开，则体积火花42通过例如图2中的线状火花7连接到电极1。

在图8所示的例子中，火花塞30具有帽31。该帽拧入到内燃机，例如拧入到图4所示内燃机18的金属接地端14上，从而与上述金属接地端形成电接触。帽31使导电的销32轴向穿过它，导电销32利用绝缘包套33与帽31绝缘。导电销32在向着内燃机的内部被连接到电极34的中心，在对着帽31的电极34的环形表面上，电极34承载了与图2所示复盖层相同的复盖层36。帽31面对电极34的那个表面上承载了类似的复盖层37。复盖层36和37彼此之间的距离例如是1mm，适合于当次级13b在帽31和电极34之间产生电位差时形成火花。

因此在两个复盖层之间在绝缘包套33的周围形成许多包含线状中心区域38的火花，该线状区域的端部分别连接到两个冠形区域39，一个冠形区域邻接复盖层36，而另一个邻接复盖层37。

现在参照图9说明防止热机61的废气产生污染的方法。

该机的废气管62的出口连接到室63，承受在汽车前方栏截的动压力的空气入口66在64像排气笛一样通到该室63。在空气入口66中放置适当的防声装置。尽管在室63中具有压力，但是利用排气笛形式的空气入口，空气至少可以周期性地穿入到室63中。在排气笛64的紧前方装有火花塞67，该火花塞可以是图7所示的类型或图8所示的类型。适当供电后该火花塞便产生火花，该火花又产生等离子体，由于有氧气达64，因此又产生臭氧。利用臭氧的强氧化特性和火花塞67产生的火花的点燃能力，在内燃机61中的未燃烧的剩余物便在火花塞67的下游发生燃烧，因此减少了有如此装备的汽车排放的废气中的一氧化碳和碳氢化合物含量。为了产生连续的火花，火花塞还可以用直流电供电。

当然，本发明不限于已说明和示出的例子，对于这些例子可以进行许多修改而不违背本发明的范围。

比如，电极的形状可以改变，复盖层的型式可以不同于在说明中详细叙述的型式，产生等离子体和产生臭氧方法的应用不限于已说明和图示的应用。

特别是，在航空反应器的燃烧室中可以应用这些方法来产生等离子体和臭氧，以改善其中的燃烧过程。

按照本发明构成的火花塞装置可以包含一根具有复盖层的棒形中心电极和一根一端为锯齿形在锯齿之间的内侧面上具有复盖层的管状电极。

Claims (14)

1、一种产生等离子体的方法，其特征在于，两个电极[1，2′-3；20，21；40，41；31，37，34，46]彼此相对放置，其中至少一个电极[2′-3；20-21；40-41；31-37；34-36]具有由陶瓷复盖层[2′；21；41；36；37]确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，其特征还在于，适合于在电极之间产生电流[7，8；71，74，75；81，84，85；38，39；22；42]的电位差被加在电极之间。

2、一种产生臭氧的方法，其特征在于，两个电极（1，2′-3;20，21;40，41;31，37，34，46）在含氧气体中彼此相对放置，其中至少一个电极（2′-3;20-21;40-41;31，37;34，36）具有由陶瓷复盖层（2′;21;41;36，37）确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，其特征在于，适合于在电极之间产生电流（7，8;71，74，75;81，84，85;38，39;22;42）的电位差被加在电极之间。

3、一种内燃机的点燃方法，其特征在于，两个电极（1，2′-3;20，21;40，41;31，37;34，46）在内燃机的燃烧室中彼此相对放置，其中至少一个电极（2′-3;20-21;40-41;31，37;34，36）具有由陶瓷复盖层（2′;21;41;36，37）确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，其特征还在于，适合于在电极之间产生电流（7，8;71，74，75;81，84，85;38，39;22;42）的电位差被加在电极之间。

4、一种减少燃烧器废气中，特别是减少由热机（61）产生的废气中未燃烧物质含量的防止污染的方法，方法的特征在于，两个电极（1;20-21;31，37;34，36）彼此相对放置在废气的流径（63）中，其中至少一个电极（20-21;31;37;34，36）具有由陶瓷复盖层（2′;36，37）确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，其特征还在于，适合于在电极之间产生电流（38，39）的电位差被加在电极之间。

5、按照权利要求4所述的方法，其特征在于，氧气被输送到电极的附近。

6、一种实现权利要求1～5中之一所述方法的装置，装置的特征在于，装置包括两个电极（1，2′-3;20-21;31，37;34，36;40，41），其中至少一个电极（2′-3;20-21;31，37;34，36）具有由陶瓷复盖层（2′，21，36，37，42）确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体，该装置还包括将这些电极连接到电源（11，12，13，15至17）输出极的机构（1b，19e），该电源产生足以在电极之间发生电流的电位差。

7、按照权利要求6所述的装置，其特征在于，其它的电极（1）是金属的。

8、按照权利要求7所述的装置，其特征在于，被复盖的电极（20-21）具有凹形杯的形状。

9、按照权利要求6所述的装置，其特征在于，其它的电极也具有由陶瓷复盖层（37）确定的活性表面，陶瓷复盖层的细孔中含有导电体。

10、按照权利要求9所述的装置，其特征在于，两个活性表面基本上是平面并平行。

11、按照权利要求6～10之一所述的装置，其特征在于，陶瓷复盖层是铝-硅质型的。

12、按照权利要求6～11之一所述的装置，其特征在于，导电体是结晶的金属氧化物，特别是氧化锌。

13、按照权利要求6～12之一所述的装置，其特征在于，陶瓷复盖层含有绝缘体。

14、按照权利要求13所述的装置，其特征在于，绝缘体是结晶的金属氧化物，特别是氧化铬。

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