ES2343362T3 - Bujia de plasma de radiofrecuencia. - Google Patents

Abstract

Bujía (1) de encendido, denominada de plasma de radiofrecuencia, destinada a equipar a una cámara (2) de combustión de un motor de combustión interna, y que comprende: - un culote (3) anular de eje principal D conformado en un primer material conductor y que posee extremos primero (4) y segundo (5), y una superficie (6) circular de extremo de eje principal de simetría D situada en el primer extremo (4) del culote (3); - un electrodo (7) central conformado en un segundo material conductor, que se extiende a lo largo del eje principal D y que comprende una porción (8) interna situada en el interior de dicho culote (3) anular y una porción (9) externa situada en el exterior del citado culote (3) anular, más cerca del primer extremo (4) del culote que del segundo extremo (5); - una pieza (10) eléctricamente aislante de forma anular que se extiende al menos alrededor de la porción (8) interna del electrodo (7) central de forma que se interponga entre el culote (3) y el electrodo (7), recubriendo esta pieza (10) aislante sólo una parte de la porción (9) externa del electrodo (7) central de forma que la parte (16) no recubierta de la porción externa esté en contacto con una mezcla gaseosa que rodea a la bujía; caracterizada porque la pieza (10) aislante posee un reborde (11) anular que oculta toda la superficie (6) circular de extremo del culote con respecto a la parte (16) no recubierta del electrodo (7).

Description

Bujía de plasma de radiofrecuencia.

El presente invento se refiere, de forma general, a las bujías de plasma de radiofrecuencia.

Más en concreto, el invento se refiere a una bujía de encendido, denominada de plasma de radiofrecuencia, destinada a equipar a una cámara de combustión de un motor de combustión interna, y que comprende:

- un culote anular de eje principal D conformado en un primer material conductor y que posee extremos primero y segundo, y una superficie circular de extremo de eje principal de simetría D situada en el primer extremo del culote;

- un electrodo central conformado en un segundo material conductor, que se extiende a lo largo del eje principal D y que comprende una porción interna situada en el interior del citado culote anular y una porción externa situada en el exterior del citado culote anular, más cerca del primer extremo del culote que del segundo;

- una pieza eléctricamente aislante de forma anular que se extiende al menos alrededor de la porción interna del electrodo central para que se interponga entre el culote y el electrodo, recubriendo dicha pieza aislante sólo una parte de la porción externa del electrodo central con el fin de que la parte de la porción externa no recubierta esté en contacto con una mezcla gaseosa que rodea a la bujía. Del documento DE-C-19723784 se conoce una bujía de este tipo.

El encendido de los motores de combustión interna de gasolina, que consiste en iniciar la combustión de una mezcla aire-gasolina dentro de una cámara de combustión del citado motor, está relativamente bien controlado en los motores actuales.

Sin embargo, para satisfacer las normas de contaminación, los fabricantes de automóviles han desarrollado motores de encendido por chispa aptos para funcionar con mezclas pobres en carburante, es decir, mezclas que presentan un exceso de aire con respecto a la cantidad de carburante inyectado.

No obstante, el encendido de una mezcla pobre en carburante es difícil de controlar. Para eso, y con el fin de aumentar la probabilidad de encendido con éxito, es necesario tener mezclas más ricas en carburante alrededor de la bujía en el momento en que se produce la chispa.

De nuevo, para aumentar la probabilidad de encendido de la mezcla por la bujía, se han desarrollado nuevas bujías con chispa superficial con el fin de producir chispas mayores para solucionar el problema del encuentro espacio-temporal entre la mezcla de carburante y la chispa. Se enciende así un mayor volumen de mezcla y se aumenta entonces enormemente la probabilidad de iniciación de la combustión.

Concretamente, bujías de este tipo se describen en las solicitudes de patente FR97-14799, FR99-09473 y FR00-13821. Las bujías de este tipo generan chispas de grandes tamaños a partir de diferencias de potencial reducidas.

Las bujías con chispas superficiales presentan un dieléctrico (pieza aislante) que separa a los electrodos (siendo un electrodo el culote anular y siendo el otro el electrodo central) en la zona en que la distancia que les separa es menor; se guían así las chispas formadas entre los electrodos sobre la superficie del dieléctrico. Estas bujías amplifican el campo inter-electrodo a la superficie del dieléctrico. Para ello se cargan progresivamente las capacitancias elementales formadas por el dieléctrico y un electrodo subyacente. Las bujías generan una chispa que se propaga a lo largo de la superficie del aislante en las zonas en que el campo eléctrico en el aire/mezcla gaseosa es más fuerte.

Por lo tanto, en este contexto, el presente invento tiene por objeto proporcionar una bujía de encendido que una vez ensamblada en una cámara de combustión permita aumentar la probabilidad de encendido de la mezcla que rodea a la bujía.

Con este fin, la bujía de encendido del invento, por lo demás conforme a la definición genérica que da de ella el preámbulo definido anteriormente, está esencialmente caracterizada porque la pieza aislante posee un reborde anular que oculta toda la superficie circular de extremo del culote con respecto a la parte no recubierta del electrodo.

Con una bujía de este tipo:

- por un lado la distancia que separa el culote de la bujía del electrodo central (siguiendo un camino que pasa por la superficie de la pieza aislante) es particularmente grande puesto que es mayor que la dimensión mínima de la superficie circular de extremo (es decir, el diámetro de esta superficie circular);

- y por otro lado el electrodo central y el culote están separados por la pieza aislante y, por lo tanto, no están uno enfrente del otro.

Estas dos razones hacen que cuando el electrodo y el culote son alimentados para crear una diferencia grande de potencial eléctrico (que varía generalmente entre 5 kV y 35 kV en valores de pico absolutos) no pueda aparecer ningún arco eléctrico entre la superficie circular de extremo de la bujía y el electrodo central.

De forma más general, cuando la bujía de acuerdo con el invento está ensamblada en una cámara de combustión del vehículo, con la parte del electrodo central no recubierta por el aislante situada en el interior de la cámara, y con el culote ensamblado en el espesor de la pared de la cámara, no se puede producir ningún arco eléctrico entre el culote y el electrodo central. En efecto, el acceso al culote partiendo de la parte no recubierta del electrodo central está impedido por la presencia del aislante.

En estas condiciones, la bujía de acuerdo con el invento, cuando se somete a una excitación de radiofrecuencia, es decir a una tensión alterna entre el culote y el electrodo central (siendo por ejemplo la citada tensión alterna superior a 5 kV y teniendo dicha tensión una frecuencia mayor de 1 MHz) forma un plasma ramificado cerca del electrodo central y no un arco eléctrico. Por supuesto, esta tensión y frecuencia dadas están adaptadas para crear un plasma en una mezcla gaseosa que presenta una densidad molar mayor que 5*10^{-2} mol/l.

El término plasma o plasma ramificado utilizado en lo que sigue designa la generación simultánea de al menos varias líneas o caminos de ionizaciones en un volumen gaseoso dado, siendo además omnidireccionales sus ramificaciones.

Aunque un plasma de volumen implica el recalentamiento de todo el volumen en el cual debe ser generado, el plasma ramificado sólo necesita el calentamiento en el trayecto de las chispas formadas. De esta manera, para un volumen dado, la energía requerida para un plasma ramificado es netamente menor que la requerida por un plasma de volumen.

El plasma ramificado generado gracias a la bujía de acuerdo con el invento se genera a distancia de la pieza aislante, en dirección a las paredes de la cámara que están situadas enfrente del electrodo central, lo cual permite reducir la probabilidad de generación de un arco con el culote y permite reducir correlativamente el desgaste de los electrodos.

Con respecto al arco eléctrico, el plasma posee la ventaja de que comprende un gran número de caminos de ionizaciones o de chispas en un gran volumen de gas situado alrededor del electrodo central, lo cual aumenta la probabilidad de encendido de la mezcla que contiene carburante.

Una diferencia entre un arco eléctrico y un plasma ramificado es que:

- el arco está constituido por una única cadena de moléculas de gas ionizadas que se extiende directamente entre los electrodos y permite transferir electrones desde un electrodo hacia el otro para reducir la diferencia de potencial eléctrico existente entre estos electrodos puestos en tensión mientras que;

- el plasma producido de acuerdo con el invento es un conjunto de múltiples cadenas de moléculas ionizadas de gas que se extienden de forma desordenada alrededor del electrodo excitador y que provienen del citado electrodo. Estas múltiples cadenas permiten transferir electrones de forma alternativa entre el citado electrodo y el aire situado cerca de él y viceversa.

La formación de una chispa es iniciada por el arrancamiento al medio (mezcla gaseosa) de algunos electrones sometidos a un campo eléctrico importante. Durante la aplicación de una gran tensión entre los electrodos, los electrones de un electrodo son acelerados por las fuerzas electrostáticas generadas entre los electrodos y chocan con la mezcla gaseosa que contiene el aire. La porción del electrodo que sufre el campo electrostático más importante (generalmente una esquina de un electrodo o una punta cercana al otro electrodo) constituye el lugar de partida de la primera avalancha. Las moléculas del aire se calientan y liberan un electrón y un fotón que ionizan a su vez a otras moléculas de aire. De esta forma, una reacción en cadena ioniza el aire durante la aplicación de una tensión importante entre electrodos separados por un aislante.

El aire ionizado alrededor del electrodo central posee un potencial cercano al de este electrodo central y se comporta como una prolongación de éste. Durante la propagación del frente de avalancha (nombre dado a una ola de migración masiva de cargas eléctricas en la mezcla gaseosa), el campo eléctrico es amplificado aguas arriba del frente y favorece la creación de nuevas avalanchas. De esta manera el fenómeno tiene tendencia a auto-mantenerse para crear alrededor del electrodo central una masa gaseosa ionizada conductora en dirección a las paredes de la cámara.

Como se precisó anteriormente, la bujía del invento se conecta a tensión alterna lo que permite hacer variar el potencial existente entre el electrodo central y el culote/cámara, pudiéndose invertir este potencial. En cada alternancia de potencial/polaridad, los electrones son acelerados cada vez más en sentidos inversos. De esta forma, una onda de polarización se propaga de manera oscilatoria a la frecuencia de la excitación, recuperando en cada periodo las cargas liberadas en el periodo anterior. Cada alternancia produce entonces una propagación de la onda mayor que la anterior; de esta manera es posible con la bujía del invento así alimentada obtener amplitudes de chispas relativamente grandes con tensiones entre electrodo y culote relativamente grandes. La excitación de radiofrecuencia de una bujía de este tipo permite además, al evitar los arcos, suprimir las variaciones de tensión de ruptura entre ciclos sucesivos.

Por ejemplo se puede hacer que la superficie circular de extremo del culote esté apoyada contra una superficie complementaria de apoyo del reborde de la pieza aislante. Esta característica permite suprimir el espacio entre la pieza aislante y el culote, así el calor ligado a la presencia de una llama provocada por el plasma se puede disipar hacia el culote lo que evita un sobrecalentamiento de la cerámica.

También se puede hacer que la pieza aislante posea un espesor mínimo situado en el interior del citado culote, y que el reborde de la pieza aislante posea un espesor del reborde mayor o igual que la mitad del citado espesor míni-
mo.

Esta característica permite evitar que la unión entre la parte no recubierta del electrodo central y, por lo tanto, la unión aire/cerámica/electrodo central esté demasiado cerca del culote. Si esta parte no recubierta del electrodo o, para ser más precisos, esta unión se encontrara demasiado cerca del culote podría constituir una zona de emisión de chispas superficiales.

También es posible hacer que el culote, la pieza eléctricamente aislante y el electrodo central sean piezas de revolución que tengan por eje de simetría común el eje principal D.

La precisión de colocación relativa de los constituyentes de la bujía con respecto a un eje de simetría común permite centrar el plasma ramificado alrededor de dicho eje D y del electrodo central, lo cual facilita la localización de la zona de la cámara de combustión en la cual se producen las chispas.

Se puede también hacer que el culote anular tenga la forma de un tubo cilíndrico que comprenda en el primer extremo del culote un chaflán interno que haga contacto con la superficie circular de extremo, estando este chaflán interno en contacto contra un chaflán complementario conformado en una porción de la pieza aislante.

Este ensamblaje de la pieza aislante contra el culote con la ayuda de chaflanes complementarios permite repartir mejor las tensiones mecánicas existentes entre culote y pieza aislante al reducir, e incluso suprimir completamente los ángulos vivos del culote en contacto contra la pieza aislante. Tensiones mecánicas demasiado grandes o mal repartidas pueden conducir a una rotura de la cerámica y a un daño de la bujía. De esta manera esta característica de chaflanes complementarios el uno del otro permite aumentar la longevidad de la bujía y su capacidad de resistencia a las altas temperaturas y a las variaciones de temperaturas.

Esta realización permite también aumentar la superficie de contacto entre la pieza aislante y el culote, lo cual facilita la transmisión de calor desde la pieza aislante hacia el culote y permite evitar un sobrecalentamiento de dicha pieza aislante.

De forma óptima, con el fin de repartir las tensiones mecánicas entre la pieza aislante y el culote, el chaflán interno tiene una sección transversal, según un piano paralelo al eje principal D, de forma redondeada.

También es posible hacer que el reborde anular comprenda un extremo distante del culote anular en cuya periferia exterior esté realizado un chaflán periférico redondeado, coaxial con respecto al eje principal D.

Este chaflán periférico reduce o suprime la presencia de ángulo vivo en la periferia exterior de la pieza anular, al nivel del extremo del reborde anular.

Otras características y ventajas del invento se pondrán de manifiesto con claridad a partir de la descripción que se hace de él a continuación, a modo indicativo y de ninguna manera limitativo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

la figura 1 representa una bujía descrita en las solicitudes de patente francesas FR03-10766, FR03-10767, FR03-10768 depositadas por la demandante y aún no publicadas;

Las figuras 2A, 2B y 2C representan realizaciones de la bujía de acuerdo con el invento.

La bujía 1 de la figura 1 es una bujía desarrollada por la demandante para ser utilizada como bujía de generación de plasma. Esta bujía es el objeto de solicitudes de patentes aún no publicadas en la fecha de depósito de la presente solicitud.

Esta bujía comprende un electrodo 7 central cilíndrico de eje de simetría D del que una porción, llamada porción interna, está situada en el interior y a distancia de un culote 3 anular que tiene la forma de un tubo cilíndrico de eje D.

Una pieza aislante de forma anular está también situada en parte en el interior del culote anular, alrededor del electrodo central, para separar el culote del electrodo 7 central. La pieza aislante, el electrodo central y el culote 3 son piezas de revolución orientadas según el eje D. El electrodo 7 central posee una parte 16 no recubierta, es decir, no rodeada por la pieza 10 eléctricamente aislante y no rodeada por el culote 3, estando situada esta parte 16 no recubierta en el interior de la cámara 2 de combustión del motor.

El culote 3 posee una superficie circular externa en forma de disco plano perforado en su centro y que tiene por eje de simetría el eje D y que está situado perpendicularmente a este eje D. El culote 3 posee una conexión con la pared de la cámara 2 que es generalmente un roscado del culote en un orificio practicado a través de la pared. El culote de la bujía así ensamblada con la pared de la cámara 2 está por lo tanto al mismo potencial eléctrico que esta pared, es decir, a un potencial eléctrico de masa.

Cuando el electrodo central es alimentado con tensión alterna centrada alrededor del potencial de masa, siendo esta tensión de una frecuencia comprendida entre 1 y 10 MHz, los electrones situados cerca de la punta 17 del electrodo central se desplazan, bien desde el electrodo hacia las paredes de la cámara pasando por la mezcla gaseosa que rodea a la cámara, o bien desde la mezcla gaseosa hacia el electrodo. En los dos casos, la alternancia eléctrica es tal que un electrón no tiene tiempo de pasar del electrodo central a la pared de la cámara. De esta manera el aire se puede ionizar sin que haya descarga eléctrica real entre los dos bornes eléctricos constituidos por el electrodo 7 central y por la pared de la cámara 2. Esta ionización crea un plasma localizado alrededor de la punta 17 del electrodo central que concentra las cargas eléctricas en movimiento alrededor de un pequeño volumen de intercambio.

Sin embargo, se ha comprobado que con este tipo de electrodo pueden aparecer descargas eléctricas entre la punta y el culote en el intervalo de frecuencias comprendido entre 1 MHZ y 10 MHz. Estas descargas parten del culote anular y se propagan a lo largo de la pieza aislante siguiendo el eje del electrodo central. Este modo de obtención de la chispa no es deseado puesto que mantiene la chispa cerca de la pieza aislante y favorece de esta forma el enfriamiento de la llama así creada.

Con el fin de paliar este inconveniente se han desarrollado las bujías de los tipos presentados en las figuras 2A, 2B, 2C.

Las bujías de estas figuras poseen el conjunto de las características descritas para la bujía en referencia a la figura 1, pero poseen además un reborde 11 practicado sobre la pieza 10 aislante y que oculta la superficie 6 circular externa del culote 3.

Este reborde 11 aumenta la distancia entre el electrodo y el culote, pasando por la mezcla gaseosa, permitiendo así evitar la creación de arco entre el electrodo 7 central y el culote 3.

Gracias a esta configuración los electrodos de las figuras 2A, 2B y 2C, una vez situados con la punta en el interior de la cámara 2 y alimentados con corriente alterna por un generador de alta tensión alterna, crean un plasma al nivel de sus puntas 17.

El espesor mínimo "e" de la pieza aislante está situado en el interior del culote 3 y su espesor máximo "E" está situado al nivel del reborde 11.

El reborde de la pieza 10 aislante de la figura 2A es un reborde que posee en sección longitudinal ángulos rectos que pueden crear concentraciones de cargas y de tensiones mecánicas.

Para ello, las bujías de las figuras 2B y 2C poseen un chaflán 13 interno al nivel del primer extremo 4 del culote 3.

La pieza 10 aislante posee un chaflán 14 complementario que hace contacto contra el chaflán 13 interno. Esta gran superficie de contacto permite evacuar el calor de la pieza aislante hacía el culote, lo que prolonga la vida útil media de la bujía.

La bujía de la figura 2C de acuerdo con el invento también posee un chaflán 15 periférico redondeado conformado en el reborde 11 anular, en el punto del reborde más alejado del culote 3 en dirección axial.

Este reborde permite evitar un ángulo recto al nivel del reborde, en el camino que pasa por la mezcla gaseosa entre la punta 17 y el culote 3 anular. Este redondeo reduce el riesgo de creación de arco.

El primer y el segundo material conductor que son los materiales respectivos del electrodo central y del culote 3 son, de acuerdo con una realización concreta del invento, idénticos entre sí. Estos materiales son materiales metálicos tales como aleaciones de cobre.

De acuerdo con una realización particular del invento, el extremo del electrodo 7 central puede estar constituido por un núcleo de cobre rodeado por una funda de níquel.

El material de aislamiento es preferentemente una cerámica que presenta una tensión de ruptura mayor de 20 kV/mm.

Claims (10)

1. Bujía (1) de encendido, denominada de plasma de radiofrecuencia, destinada a equipar a una cámara (2) de combustión de un motor de combustión interna, y que comprende:

- un culote (3) anular de eje principal D conformado en un primer material conductor y que posee extremos primero (4) y segundo (5), y una superficie (6) circular de extremo de eje principal de simetría D situada en el primer extremo (4) del culote (3);

- un electrodo (7) central conformado en un segundo material conductor, que se extiende a lo largo del eje principal D y que comprende una porción (8) interna situada en el interior de dicho culote (3) anular y una porción (9) externa situada en el exterior del citado culote (3) anular, más cerca del primer extremo (4) del culote que del segundo extremo (5);

- una pieza (10) eléctricamente aislante de forma anular que se extiende al menos alrededor de la porción (8) interna del electrodo (7) central de forma que se interponga entre el culote (3) y el electrodo (7), recubriendo esta pieza (10) aislante sólo una parte de la porción (9) externa del electrodo (7) central de forma que la parte (16) no recubierta de la porción externa esté en contacto con una mezcla gaseosa que rodea a la bujía;

caracterizada porque la pieza (10) aislante posee un reborde (11) anular que oculta toda la superficie (6) circular de extremo del culote con respecto a la parte (16) no recubierta del electrodo (7).

2. Bujía (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la superficie (6) circular de extremo del culote está apoyada contra una superficie (12) complementaria de apoyo del reborde (11) de la pieza (10) aislante.

3. Bujía (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque la pieza (10) aislante posee un espesor mínimo (e) situado en el interior del citado culote (3), y el reborde (11) de la pieza (10) aislante posee un espesor (E) del reborde mayor o igual a la mitad de dicho espesor mínimo (e).

4. Bujía (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la superficie (6) circular de extremo tiene la forma de un disco piano perforado en su centro.

5. Bujía (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el culote (3), la pieza (10) eléctricamente aislante, y el electrodo (7) central son piezas de revolución que tienen por eje de simetría común el eje principal D.

6. Bujía (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque el culote (3) anular tiene la forma de un tubo cilíndrico que comprende en el primer extremo (4) del culote un chaflán (13) interno que hace contacto con la superficie (6) circular de extremo, estando este chaflán (13) interno en contacto contra un chaflán (14) complementario conformado sobre una porción de la pieza (10) aislante.

7. Bujía (1) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque el chaflán (13) interno tiene una sección transversal, según un plano paralelo al eje principal D, de forma redondeada.

8. Bujía (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizada porque el reborde (11) anular comprende un extremo distante del culote anular en cuya periferia exterior está realizado un chaflán (15) periférico redondeado, coaxial con respecto al eje principal D.

9. Bujía (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la parte (16) no recubierta del electrodo comprende una punta (17).

10. Bujía (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la pieza aislante es de cerámica.