CN102460868B - 电晕尖端绝缘体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于汽车等类似应用中的点燃空气/燃料混合物的电晕放电点火器。为了抑制当向点火器施加电压时形成弧，电晕放电点火器在绝缘体的尖端处具有各种形状和结构，例如角凹口或凹槽。该尖端的形状和结构具有较小半径，所述较小半径形成更加强化的电场并且提供更好的燃烧。
Description
优先权要求
本申请要求于2009年5月4日提交的美国临时申请61/175,111的优先权的利益，该申请的内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于汽车等类似应用中的点燃空气/燃料混合物的电晕放电点火器，并且特别涉及在绝缘体的尖端处具有角(angular)凹口或凹槽的电晕放电点火器。
背景技术
常规的火花塞通常使用陶瓷绝缘体，陶瓷绝缘体部分地布置在金属壳体内并且朝向端子端轴向延伸。导电端子布置在端子端处的中心孔内，其中导电端子为布置在中心孔内的中心电极组件的部分。在相对的/电晕形成端，中心电极布置在绝缘体内并且具有暴露的火花表面，所述火花表面与布置在壳体上的接地电极一起限定火花隙。许多不同的绝缘体结构用于适应各种各样的端子、壳体和电极的结构。
美国专利6,883,507公开了用于电晕放电空气/燃料点火系统的点火器。在典型的内燃机中，火花塞套筒容许火花塞与发动机相连，以使火花塞的电极与燃烧室连通。如图1所示，当穿通绝缘体71a穿过气缸盖51进入燃烧室50中时，该穿通绝缘体71a环绕电极40。该绝缘体71a固定在电极外壳72中，该电极外壳72可以为金属圆筒。电极外壳72和电极40之间的空间73可填充有介电气体或压缩空气。电子控制初级线圈单元60、次级线圈单元70、电极外壳72、电极40和穿通绝缘体71a一起形成点火器88，点火器88可插入空间52中。在工作过程中，点火器88通过螺纹连接到气缸盖51中。
在一个实施方案中，电极40直接放置到燃烧室50中的燃料-空气混合物中，即，电极穿过穿通绝缘体71a延伸并且直接暴露于燃料-空气混合物中。在另一实施方案中，电极40不是从穿通绝缘体的周围的介电材料延伸出来而直接暴露于燃料-空气混合物中，而是，电极40仍被穿通绝缘体遮蔽并且依赖于穿过部分穿通绝缘体的电极的电场在燃烧室50中产生电场。
在点火器中，穿通绝缘体由氮化硼BN制作而成。虽然BN具有优良的介电击穿强度以及极低的介电常数，这两个特性都是实际应用中非常期望具有的特性，但是BN是极软质材料，这使其在汽车和工业发动机的实际应用中不足够耐用。而且，BN是非常昂贵的材料并且对于高容量制造难以通过有效的方式加工成期望几何形状的绝缘体。
Relva C.Buchanan的出版物“Ceramic Materials for Electronics，ThirdEdition，Revised and Expanded”公开了陶瓷绝缘体，其用于对电路进行绝缘，提供导体之间的物理分离，并且调节或防止导体之间的电流流动。陶瓷作为绝缘体的主要优点是，陶瓷能够用于高温操作，而化学、机械或介电特性不会危险性的退化。特别地，出版物中的材料的类型是公知的线性介电体，其中电位移(D)与电场(E)直接成比例增加，其中比例常数为相对介电常数(εr)，这是材料的相对介电常数；以及相对介电常数(εo)，这是真空的相对介电常数。其关系可表示为：D＝εoεrE，其中D＝电位移(V/m)，E＝电场(V/m)，εo＝真空的相对介电常数，εr＝材料的相对介电常数。
发明概述
在一般术语中，本发明提供了用于在汽车等应用中的点燃空气/燃料混合物的电晕放电点火器，并且特别涉及在绝缘体的尖端处具有角凹口或凹槽的电晕放电点火器。
本发明包括闭端陶瓷绝缘体。在绝缘体的端处，角凹口或凹槽彼此垂直。由于存在角凹口或凹槽，周围区域的电场强度增大。
在本发明的一个实施方案中，提供电晕放电燃料/空气点火系统的点火器，所述点火器包括陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体具有端子端和电晕形成端，所述陶瓷绝缘体的所述电晕形成端形成为在电晕形成端的区域中增加电场强度。
在本发明的另一实施方案中，提供一种内燃机，所述内燃机包括：气缸盖，气缸盖具有从上表面延伸到燃烧室的点火器开口，在所述上表面和所述燃烧室之间具有径向延伸的上肩部；以及电晕点火器，所述点火器包括陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体具有端子端和电晕形成端，所述陶瓷绝缘体的电晕形成端形成为在电晕形成端的区域中增加电场强度。
在本发明的又一实施方案中，提供形成电晕放电燃料/空气点火系统的点火器的方法，所述方法包括：使电晕点火器设置有陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体由壳体至少部分地环绕；以及形成点火器的电晕形成端以在电晕形成端的区域中增加电场强度。
在本发明的一个方案中，陶瓷绝缘体在电晕形成端处封闭。
在本发明的另一方案中，陶瓷绝缘体的电晕形成端形成为下述其中之一：彼此垂直取向的一对角凹口或凹槽；平坦的、圆形的顶部；V形的单个角凹口或凹槽；滚圆的顶部；凹口或凹槽形成为星形的平坦的、圆形的顶部；以及具有平坦的、圆形的顶部的圆锥形。
在本发明的又一方案中，陶瓷绝缘体进一步包括：内孔，其沿着纵向孔轴线从端子端延伸到电晕形成端；以及电极，其容纳在所述内孔中并且在电晕形成端处由陶瓷绝缘体环绕。
通过理解优选实施方案的详述，本发明的这些和其它的特征和优点对于本领域技术人员来说将变得更加显而易见。下面对附随详述的附图进行说明。
附图说明
图1示出了现有技术中公知的内燃机中的电晕放电燃烧系统的部件。
图2为依照本发明的示例性电晕尖端绝缘体。
图3A为依照本发明的具有角凹口的示例性电晕尖端绝缘体。
图3B为图3A中所示的绝缘体的电晕尖端的示例性俯视图。
图4A为依照本发明的图3A的电晕尖端绝缘体的示例性剖视图。
图4B为图4A的电晕尖端绝缘体的示例性俯视图。
图5A-5F为本发明的示例性实施方案，具有角凹口或凹槽的各个实施方案以及闭端尖端以各种形状向外延伸的各个实施方案。
图6A-6F示出了图5A-5F中的实施方案的剖视图。
发明详述
在电晕点火系统中，射频信号产生于电子电路中并且通过同轴电缆传送到点火器。如果电压过高，则从电极尖端到头部会形成不期望的弧。通常是，利用检测并且阻止弧的电路或者将机械屏障放置在电极的周围来防止弧形成。然而，屏障起到了减弱实现点火所需的电场强度的作用。本发明用于提供足够大以实现点火的电场强度，而不产生弧或者不需要检测弧的产生。
如图2所示，通常由陶瓷制成且非导电的绝缘体5在电晕形成端10和端子端15之间延伸。自端子端15起始并且朝向电晕形成端10延伸，电晕形成端组件绝缘体5包括端子部20、大肩部25、小肩部30和电晕形成端部35。在电晕形成端10处，绝缘体可以形成为各种形状、结构和实施方案，下面将进行详细说明。尽管图中所示和本文描述的陶瓷绝缘体具有与内燃机中通常使用的火花塞中(例如，用于汽车发动机中)看到的陶瓷绝缘体相似的特征，本领域技术人员将易于理解的是，根据所期望的应用，绝缘体可形成为各种形状、尺寸和结构。例如，在一些实施方案中，肩部25可以省去。
电极40容纳在绝缘体5内并且在电晕形成端10处形成电极尖端40a。电极尖端40a也存在于绝缘体5的内部，绝缘体中具有嵌入的金属颗粒。电极尖端40a所形成的电场是围绕绝缘体的金属颗粒的电场。感应的电场在气体中形成了非热等离子体，这样使得形成电晕。然而，如果形成高强度的等离子体，在电极尖端和金属颗粒之间具有高阻抗的情况下，不会形成弧。
图3A为依照本发明的与图2类似的示例性电晕尖端绝缘体。在所示的实施方案中，闭端陶瓷绝缘体具有形成为其电晕形成端的角凹口或凹槽50。此处，彼此垂直的一对角凹口形成在绝缘体的电晕形成端处。该设置将绝缘体的端形成为四个“角状部”，角状部起到在它们的区域中增加电场强度的作用。电场强度的增加免除了对检测弧是否产生的电路的需求，同时提供了限定极好且较强的电晕。应当理解的是，可通过机械加工或熟练技术工所获知的任何方式来形成角凹口和凹槽。图3B为图3A中所示的绝缘体的电晕尖端的示例性俯视图。
图4A为依照本发明的图3A中的电晕尖端绝缘体的示例性剖视图。如上所述，绝缘体材料具有容纳电极的腔室。在绝缘体的电晕形成端处，尖端形成为角凹口或凹槽50。角凹口或凹槽50形成有角度α和深度d。角度α和深度d可以改变以适应特定发动机的各种工作条件和需求。类似地，可以成形绝缘体尖端的形状、尺寸和结构以形成各个实施方案，例如图5A-5F中所示。图5A示出了绝缘体尖端形成为平坦的、圆形的顶部的实施方案。图5B示出了绝缘体尖端形成有V形的单个角凹口或凹槽的实施方案。图5C示出了绝缘体尖端形成为滚圆顶的实施方案。图5D示出了绝缘体尖端形成为与图5A类似的平坦的、圆形的顶部的实施方案，其中顶部具有形成在其中的凹口或凹槽。在该披露的实施方案中，凹口或凹槽形成星形。图5E示出了绝缘体尖端形成为圆锥形状的实施方案，该尖端终止于一点。图5F示出了绝缘体尖端形成为类似于图5E的圆锥形状的实施方案，其中绝缘体的尖端终止于平坦的、圆形的顶部。图6A-6F分别示出了图5A-5F中的实施方案的剖视图。
本发明以如下方式操作。陶瓷绝缘体5具有沿中心向下延伸的金属导体(电极)40，如图2所示。电压施加到电极40，其中通常以正弦形式施加电压。由于绝缘体5为陶瓷，本质上为电阻性的，从而提供了能够保持电荷的介电常数。对电压的这种阻性防止电流流动，直到达到击穿电压水平。施加的电压使得可形成电晕。一旦达到击穿电压水平，电流将流过其中，并且将在绝缘体5的电晕形成端10处形成弧。
如本技术领域所理解到的，在发生击穿之前，在电极40的周围形成电场。电场环绕陶瓷绝缘体5并且类似于电极本身变化电压水平。因此，电晕形成在陶瓷上，使得电极不需要延伸到燃烧室中。也就是说，电极40与燃烧室电绝缘并且利用绝缘体(陶瓷)来形成电晕。重要的是，在图3A-3B和图4A-4B的实施方案中，角凹口或凹槽形成了“点”或“角状部”，“点”或“角状部”在绝缘体上靠近其尖端处形成了小半径。较小的半径产生更强化的电场，这提供了更好的电离作用。另外，如图5A-5F和图6A-6F所示，并且与图3A-3B和图4A-4B中的实施方案类似，尖端的形状可设计为具有各种角度、凹口和凹槽以形成尖端，通过在绝缘体上靠近其尖端处形成较小的半径，所述尖端为电晕提供了强化的电场。应理解的是，本发明不限于所示的实施方案，而可以包括能够实现电晕的任何形状或结构。
前述的发明已经依照相关的法律标准进行了描述，因此该描述为示例性的，而不是在本质上进行限制。对公开的实施方案的各种变型例和改进方案对本领域技术人员来说是显而易见并且确实落在本发明的范围之内。因此，所给予本发明的法律保护的范围仅能够通过研究下面的权利要求来确定。
Claims (12)
1.一种电晕放电燃料/空气点火系统的点火器，其特征在于所述点火器包括：
一陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体具有端子端和电晕形成端，该陶瓷绝缘体在该电晕形成端处具有一绝缘体尖端；以及
一容纳在该陶瓷绝缘体内的电极，该电极在该电晕形成端处具有一电极尖端；
所述陶瓷绝缘体的所述电晕形成端环绕所述电极的所述电极尖端，并形成为在所述电晕形成端的区域中增加电场强度；
且所述绝缘体尖端包括至少一个角凹口或凹槽。
2.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述陶瓷绝缘体在所述电晕形成端处封闭。
3.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述至少一个角凹口或凹槽形成为如下部分中的一个：
一对彼此垂直取向的角凹口或凹槽；
一V形的单个角凹口或凹槽；以及
一星形的凹口或凹槽。
4.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述陶瓷绝缘体进一步包括：
内孔，其沿着纵向孔轴线从所述端子端延伸到所述电晕形成端；
且所述电极容纳在所述内孔中并且在所述电晕形成端由所述陶瓷绝缘体环绕。
5.一种内燃机，包括：气缸盖，其具有从上表面延伸到燃烧室的点火器开口，在所述上表面和所述燃烧室之间具有径向延伸的上肩部；
以及电晕点火器，
所述电晕点火器包括陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体具有端子端和电晕形成端，该陶瓷绝缘体在该电晕形成端处具有一绝缘体尖端，
一容纳在该陶瓷绝缘体内的电极，该电极在该电晕形成端处具有一电极尖端，
所述陶瓷绝缘体的所述电晕形成端环绕所述电极的电极尖端，并形成为在所述电晕形成端的区域中增加电场强度，
且所述绝缘体尖端包括至少一个角凹口或凹槽。
6.如权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述陶瓷绝缘体在所述电晕形成端处封闭。
7.如权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述至少一个角凹口或凹槽形成为如下部分中的一个：
一对彼此垂直取向的角凹口或凹槽；
一V形的单个角凹口或凹槽；以及
一星形的凹口或凹槽。
8.如权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述陶瓷绝缘体进一步包括：
内孔，其沿着纵向孔轴线从所述端子端延伸到所述电晕形成端；且所述电极容纳在所述内孔中并且在所述电晕形成端由所述陶瓷绝缘体环绕。
9.一种形成电晕放电燃料/空气点火系统的点火器的方法，包括：
提供一包括电极尖端的电极；
提供一电晕点火器，该电晕点火器设置有陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体由壳体至少部分地环绕，并使该陶瓷绝缘体的电晕形成端围绕所述电极的电极尖端；以及
在所述陶瓷绝缘体的电晕形成端的绝缘体尖端形成至少一个角凹口或凹槽，以在所述电晕形成端的区域中增加电场强度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述陶瓷绝缘体在所述电晕形成端封闭。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一个角凹口或凹槽形成为如下部分中的一个：
一对彼此垂直取向的角凹口或凹槽；
一V形的单个角凹口或凹槽；以及
一星形的凹口或凹槽。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：
在所述陶瓷绝缘体中设置内孔，所述内孔沿着纵向孔轴线从端子端延伸到所述电晕形成端；其中，
所述围绕电极的电极尖端的步骤包括将电极容纳在所述陶瓷绝缘体的所述内孔中。
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