Bujía de generación de plasma de inductancia integrada.

Sistema de generación de plasma, caracterizado por que comprende:

- un generador, que comprende un amplificador de clase E, capaz de hacer resonar una estructura L-C serie a una frecuencia superior a 1 MHz con una tensión en los bornes del condensador superior a 5kV;

- un resonador serie conectado a la salida del generador y que presenta un factor de sobretensión comprendido entre 40 y 200 y que presenta una frecuencia de resonancia superior a 1 MHz;

- y una cabeza de bujía que comprende dos electrodos separados por un aislante, que permite generar un plasma durante la aplicación de la excitación de radiofrecuencia.

Bujía de generación de plasma de inductancia integrada La presente invención se refiere, de manera general, a la generación de plasma en un gas y, más particularmente, a las bujías de generación de plasma de inductancia integrada. La generación de plasma es particularmente utilizada para el encendido gobernado o controlado de motores de combustión interna por los electrodos de una bujía.

El encendido de los motores de combustión interna de gasolina, que consiste en iniciar la combustión de una mezcla de aire-combustible en una cámara de combustión del citado motor, está relativamente bien controlada en los motores actuales. En los motores de encendido controlado de inyección indirecta, tradicionalmente una bujía y un dispositivo electrónico aguas arriba permiten generar una chispa capaz de transmitir a la mezcla una energía suficiente para su combustión. La formación de esta descarga necesita tensiones de salto de chispa elevadas (del orden de 30 kV por mm) , si bien que se limita el espacio entre electrodos de las bujías a aproximadamente 1 mm, distancia relativamente poco favorable a la iniciación de la combustión.

Para satisfacer las normas de descontaminación, los constructores de automóviles han desarrollado motores de encendido controlado, aptos para funcionar con mezclas de combustible pobres, es decir, que presentan un exceso de aire con relación a la cantidad de combustible inyectado. Estos desarrollos han sido aplicados en particular a los motores de inyección directa, en los cuales la inyección de carburante se efectúa directamente en la cámara de combustión.

Los dispositivos de encendido tradicionales se aplican bastante mal a motores de mezcla pobre y de inyección directa. En efecto, los dispositivos de encendido son entonces muy difíciles de poner a punto. Un frente de llama se propaga correctamente en una mezcla muy pobre (riqueza inferior a 0, 3) , pero la iniciación de la combustión precisa generalmente riquezas superiores a 0, 7 y de preferencia para riquezas próximas a la estequiometría. Es por lo tanto primordial mantener una riqueza suficientemente elevada al nivel del espacio entre electrodos.

Se ha desarrollado por lo tanto la generación de mezclas estratificadas. Por oposición a la mezcla homogénea, en la que la riqueza es globalmente la misma en cualquier punto, una mezcla estratificada presenta una riqueza que disminuye a medida que se aleja de la bujía. La estratificación de la mezcla en la cámara de combustión es obtenida, por ejemplo, guiando el chorro de combustible de manera que el chorro encuentre la bujía en el momento en que se produce la chispa. El guiado del chorro es obtenido particularmente por medio de fenómenos aerodinámicos, generados, por ejemplo, por una forma apropiada del pistón.

Las mezclas estratificadas presentan varios problemas. Es delicado hacer coincidir el instante de la chispa y la presencia en la proximidad del espacio entre electrodos de una nube de mezcla que presente una riqueza próxima a 1, en un entorno de mezcla globalmente pobre. Además, la mezcla situada alrededor de la bujía en el momento de producirse la chispa presenta importantes defectos de homogeneidad de la riqueza, variables con el tiempo, que no garantizan la iniciación de la combustión en el momento en el que se produce la chispa. El tamaño y la dirección de la chispa de las bujías usuales implican entonces una tasa de fallos de encendido incompatible con las exigencias de rendimiento y de contaminación actuales. Por otra parte, el chorro de combustible incide con frecuencia de manera directa en la bujía, lo que origina un ensuciamiento del aislante de la bujía. Este ensuciamiento favorece las corrientes de fuga entre el electrodo central y la masa. La generación de chispas es afectada, ya que la chispa es cortocircuitada por una trayectoria carbonosa de pequeña impedancia, que reduce la diferencia de potenciales entre los electrodos de la bujía.

Las nuevas bujías de chispa de superficie producen chispas más grandes para tratar el problema del encuentro espacio-temporal. Se enciende de ese modo un volumen de mezcla superior. La probabilidad de iniciación de la combustión es entonces ampliamente aumentada en un motor de inyección directa de encendido controlado y mezcla estratificada. Dichas bujías son particularmente descritas en las solicitudes de patente FR97-14799, FR9909473 y FR00-09473. Las bujías de ese tipo generan chispas de tamaño importante a partir de diferencias de potenciales reducidas. Las bujías de chispas de superficie presentan un dieléctrico que separa los electrodos en la zona en que la distancia que los separa es la más pequeña; se guían así las chispas formadas entre los electrodos sobre la superficie del dieléctrico. Estas bujías amplifican el campo entre electrodos en la superficie del dieléctrico. Se cargan para ello progresivamente las capacidades 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 es el más fuere. Un dispositivo de encendido de motor tradicional, acoplado a dichas bujías, genera típicamente chispas que presentan una longitud de 4 mm con tensiones de salto de chispa comprendidas entre 5 y 25 kV. Cuando la bujía presenta globalmente una simetría de revolución alrededor de su eje principal, la descarga tiene una probabilidad de aparición sensiblemente idéntica en cualquier lugar alrededor del aislante. Por el contrario, las bujías tradicionales generan un arco eléctrico que se produce sistemáticamente en un mismo volumen extremadamente reducido. Este procedimiento de encendido por generación de plasma presenta todavía inconvenientes. Se produce particularmente un paso del arco siguiendo una única línea. La iniciación de la combustión no es de ese modo óptima.

Se conoce del documento US-B1-6 550 463 un sistema de generación de plasma, en el que se produce energía eléctrica para encender una chispa en una bujía de alumbrado por un método de “auto-inductancia”, en el que un transformador produce una tensión a la bujía y una disminución abrupta de la corriente en el arrollamiento primario del transformador provoca una tensión de cebado y la fase de combustión se mantiene por medio de una transformación de la tensión resonante con una frecuencia resonante determinada pot elementos inductivos y capacitivos. El generador no comprende amplificador.

Existe por lo tanto un cuidado, que la invención se propone satisfacer, para crear una bujía de generación de plasma que resuelva uno o varios de estos inconvenientes.

La invención se dirige así a un sistema de generación de plasma según las reivindicaciones 1 y 8, respectivamente.

La expresión plasma ramificado utilizada en lo que sigue designa la generación simultánea de al menos varias líneas o caminos de ionización en un volumen dado, estando además sus ramificaciones en todas direcciones. Así como un plasma de volumen implica el recalentamiento de todo el volumen en el cual debe ser generado, el plasma ramificado no precisa más que el calentamiento en el trayecto de las chispas formadas. De ese modo, para un volumen dado, la energía requerida para el plasma ramificado es netamente inferior a la requerida para un plasma de volumen. La invención permite reducir las capacidades parásitas internas de una bujía de generación de plasma y obtener así

una bujía que forma un resonador serie que presenta un coeficiente de sobretensión elevado. Esta bujía permite

mantener una tensión de radiofrecuencia entre sus electrodos para la generación de un plasma. De manera general, se entenderá en lo que sigue por densidad elevada, cualquier densidad molar superior a 2, 5 * 10-3 mol/L. Se denominará densidad de combustión cualquier densidad molar de gas superior a 5 * 10-2 mol/L. Se designará por streamer una punta de ionización positiva que se propaga desde el ánodo.

Otras particularidades y ventajas de la invención se desprenderán de claramente de la lectura de la descripción que sigue, que está dada a modo de ejemplo no limitativo y con referencia a las figuras. Estas figuras muestran:

Figura 1, un esquema de funcionamiento de una bujía de encendido por chispa de superficie; Figura 2, la representación de los campos aplicados y de la chispa generada entre los electrodos de la bujía durante la iniciación del encendido;

La figura 3, un diagrama del campo electrostático entre los dos electrodos de la bujía durante la iniciación del

encendido;

La figura 4, una representación esquemática del desarrollo de un streamer por una única subida de tensión (campo local y campo global)... [Seguir leyendo]

1. Sistema de generación de plasma, caracterizado por que comprende:

-un generador, que comprende un amplificador de clase E, capaz de hacer resonar una estructura L-C serie a una frecuencia superior a 1 MHz con una tensión en los bornes del condensador superior a 5kV;

-un resonador serie conectado a la salida del generador y que presenta un factor de sobretensión comprendido entre 40 y 200 y que presenta una frecuencia de resonancia superior a 1 MHz;

-y una cabeza de bujía que comprende dos electrodos separados por un aislante, que permite generar un plasma durante la aplicación de la excitación de radiofrecuencia

2. Sistema de generación de plasma según la reivindicación 1, caracterizado por que el amplificador de clase E comprende un resonador paralelo (62) .

3. Sistema de generación de plasma según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que el amplificador de clase E presenta un coeficiente de sobretensión del orden de 3.

4. Sistema de generación de plasma según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el amplificador de clase E presenta un transistor MOSFET de potencia como interruptor (51) que controla las conmutaciones en los bornes del resonador serie (61) .

5. Sistema de generación de plasma según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una estructura de realimentación sobre la corriente de carga aplicada al resonador serie (61) .

6. Sistema de generación de plasma según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado por que la frecuencia propia del resonador paralelo (62) es ligeramente superior a la del resonador serie (61) .

7. Sistema de generación de plasma según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que la inductancia (621) del resonador paralelo (62) comprende una superposición de pistas conductoras (623) sensiblemente circulares.

8. Sistema de generación de plasma, caracterizado por que comprende:

- un generador que comprende una alimentación de baja tensión (3) y un amplificador de radiofrecuencia (5) , capaz de hacer resonar a estructura L-C serie a una frecuencia superior a 1MHz con una tensón en los bornes del condensador superior a 5kV;

-dos resonadores serie, dispuestos en paralelo, conectados a la salida del generador y que presentan un factor de sobretensión comprendido entre 40 y 200 y que presentan una frecuencia de resonancia superior a 1 MHz:

-dos cabezas de bujía que comprenden dos electrodos separados por un aislante, que permiten generar un plasma durante la aplicación de la excitación de radiofrecuencia;

y por que el amplificador de radiofrecuencia 5 es común para los dos resonadores serie 9. Motor de combustión interna caracterizado por que comprende un sistema de generación de plasma según la reivindicación 8, y al menos dos cámaras de combustión (141, 142) en oposición de fase, correspondiente cada resonador serie (61) y cada cabeza de bujía a una de las cámaras de combustión.