CN103210556A - 改进电晕控制的电晕点火器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电晕点火器（20），其包括位于中心电极（22）与绝缘体（32）之间的电极间隙（28）以及位于绝缘体（32）和外壳（36）之间的壳体间隙（30）。间隙（28、30）中填满了填充材料（40），以避免间隙（28、30）中的电晕放电（24），并将能量集中在中心电极（22）的点火尖端（58）。填充材料（40）可以是电绝缘的或是导电的。壳体间隙宽度（ws）在外壳下端（92）处为最大。壳体间隙（30）也可以设置在位于外壳上端（44）和绝缘体（32）之间的翻折区域中，在这种情况下，填充材料（40）围绕翻折区域注塑成型。在点火器（20）的工作过程中，填充材料（40）减小了间隙（28、30）两侧之间的压降。

Description

改进电晕控制的电晕点火器
技术领域
本发明主要涉及一种用于发射射频电场以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电的电晕点火器，以及一种制造该电晕点火器的方法。
背景技术
电晕放电点火系统提供交流电压和电流，以连续快速地转换高、低电位电极，从而使电弧难以形成，并促进了电晕放电的形成。该系统包括一带有中心电极的电晕点火器，该中心电极被充电至达到高射频电位并在燃烧室中产生强射频电场。该电场使燃烧室中的一部分燃料和空气的混合物离子化并开始介质击穿，从而促进燃料-空气混合物的燃烧。该电场优选为可控的，以使燃料-空气混合物维持介电性能，并发生电晕放电（也称为低温等离子体）。该部分离子化的燃料-空气混合物形成了火焰前锋，随后该火焰前锋自我保持并燃烧了剩余的燃料-空气混合物。优选地，该电场为可控的，以使燃料-空气混合物不会失去所有的介电性能，如果失去所有的介电性能将会在电极和接地的气缸壁、活塞或点火器的其他部分之间产生热等离子体和电弧。弗里恩（Freen）发明的专利号为6,883,507的美国专利公开了一种电晕点火系统的示例。
电晕点火器通常包括由导电材料制成的中心电极，该中心电极用于接收高射频电压，并向燃烧室内发射射频电场，以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电。一由电绝缘材料制成的绝缘体围绕该中心电极，并被容置在一金属外壳中。电晕放电点火系统的点火器并不包括任何有意接近中心电极的点火端设置的接地电极元件。而是优选地由气缸壁或点火系统的活塞起到接地作用。莱高斯基（Lykowski）和汉普顿（Hampton）发明的专利号为2010/0083942的美国专利公开了一种电晕点火器的示例。
电晕点火器可以按这种方式组装而成，即，各部件之间的空隙可形成较小的空气间隙，例如，形成位于中心电极和绝缘体之间的空气间隙，以及位于绝缘体和外壳之间的空气间隙。这些间隙中充满了来自周围制造环境的空气和气体，并且在工作过程中，充满了来自燃烧室的气体。在电晕点火器的使用过程中，当向中心电极提供能量时，空气间隙两侧之间的电位和电压显著下降。这种显著的下降是由于空气的相对介电常数较小所造成的。
图14显示出：空气间隙两侧之间的高压降会导致在该空气间隙处产生电场强度的尖峰，从而容易电离这些间隙中的空气，进而造成在点火器的点火端处消耗大量的能量。另外，在这些间隙中电离的空气容易向中心电极点火端迁移，从而形成一穿过绝缘体通向外壳或气缸盖的导电通路，并减弱中心电极点火端处电晕放电的效果。这种穿过绝缘体的导电通路还可能导致各部件间产生电弧，该电弧通常是不需要的，并且会降低中心电极点火端处的点火质量。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于提供电晕放电的电晕点火器。该电晕点火器包括一由导电材料制成的中心电极，该中心电极用于接收一高射频电压，并发射一射频电场，以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电。该中心电极从一电极终端延伸至一电极点火端，该电极终端接收该高射频电压，该电极点火端发射该射频电场。一由电绝缘材料制成的绝缘体围绕该中心电极设置，并且该绝缘体从一绝缘体上端纵向延伸经过电极终端直至一绝缘体管口端。该绝缘体在绝缘体管口端处与中心电极间隔开，以在绝缘体与中心电极之间形成一电极间隙。一由导电金属材料制成的外壳围绕该绝缘体设置，并且该外壳从一外壳上端纵向延伸至一外壳下端。该外壳沿外壳两端中的至少一个与绝缘体间隔开，以在外壳与绝缘体之间形成一壳体间隙。一填充材料在至少一个间隙的两侧之间连续延伸，以避免间隙中的电晕放电。
根据本发明的另一方面提供了一种电晕点火系统，该电晕点火系统包括电晕点火器。
根据本发明的又另一方面提供了一种制造电晕点火器的方法。该方法包括：将中心电极插入绝缘体的孔中，并将该中心电极与绝缘体在绝缘体管口端处间隔开，以在中心电极与绝缘体之间形成电极间隙。接着，该方法包括：将绝缘体插入外壳的孔中，并将该绝缘体与外壳间隔开，以在绝缘体与外壳之间形成壳体间隙。然后，该方法包括：采用填充材料填满至少一个间隙。
填充材料使周围环境以及燃烧室中的空气和气体无法进入间隙，从而防止了在中心电极和绝缘体之间或者在绝缘体和外壳之间形成电离气体，这些电离气体会使中心电极和气缸盖之间形成导电通路、电晕放电或电弧。填充材料避免了在间隙中出现电离现象，并且防止了能量流过间隙。因此，与现有技术的电晕点火器相比，本电晕点火器可以在中心电极点火端处提供更为集中的电晕放电，并且实现更为稳健的点火。
附图说明
请参阅下述详细说明并结合附图进行考虑，本发明的其它优点将更加容易领会和理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的设置在燃烧室内的电晕点火器的剖视图；
图1A是图1的电晕点火器的翻折（turnover）区域的放大剖视图；
图2是根据本发明的另一个实施例的设置在燃烧室内的电晕点火器的剖视图；
图3是根据本发明的一个实施例的一部分电晕点火器的放大示意图以及多个曲线图，其中，放大示意图示出了未填充的电极间隙和填满的壳体间隙，多个曲线图示出了相应的电压和电场；
图4是根据本发明的另一个实施例的一部分电晕点火器的放大示意图以及多个曲线图，其中，放大示意图示出了填满的电极间隙和填满的壳体间隙，多个曲线图示出了相应的电压和电场；
图5是根据本发明的一个实施例的绝缘体管口区域的放大示意图；
图5A是图5的电极间隙的放大示意图；
图5B是图5的壳体间隙的放大示意图；
图6是图5中壳体间隙的放大示意图，其示出了几何结构的细节；
图7-10是根据本发明的实施例的壳体间隙几何结构的示例；
图11是根据本发明的一个实施例的翻折区域的放大示意图；
图12是带有未填充的空气间隙的电晕点火器的绝缘体管口区域；
图13是图12的一部分电晕点火器的放大示意图以及曲线图，其中，放大示意图示出了未填充的电极间隙和未填充的壳体间隙，曲线图示出了相应的电压；
图14是图12的一部分电晕点火器的放大示意图以及曲线图，其中，放大示意图示出了未填充的电极间隙和未填充的壳体间隙，曲线图示出了相应的电场。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的一个方面，提供了一种用于电晕放电点火系统的电晕点火器20。该系统有意形成一个电源，该电源抑制了电弧的形成，并且促进了用于产生电晕的强电场的产生。该电晕放电点火系统点火后将引起频率约为1兆赫的多通道放电。
该系统的点火器20包括中心电极22，该中心电极22用于接收高射频电压的能量，并发射射频电场，以电离内燃机燃烧室26中的部分可燃的燃料-空气混合物，并在内燃机燃烧室26中提供电晕放电24。电晕点火器20按这种方式组装而成，即，中心电极22、绝缘体32和外壳36之间的空隙形成较小的空气间隙。该装配方法首先包括：将中心电极22插入绝缘体32中，从而使中心电极22的头部34沿着绝缘体32的孔抵靠在电极座66上，并且使中心电极22的其他部分与绝缘体32间隔开。电极22和绝缘体32之间设有电极间隙28，从而使空气可以在电极22和绝缘体32之间流动。在一个优选的实施例中，绝缘体32插入金属外壳36中，且一内部密封件38将绝缘体32与外壳36隔开。绝缘体32和外壳36之间纵向延伸有壳体间隙30，从而使空气可以在绝缘体32和外壳36之间流动。然后，采用填充材料40填满空气间隙28、30，以防止在空气间隙28、30中形成电晕放电24。
外壳36还包括位于外壳上端44处的翻折唇部42，该翻折唇部42朝向并环绕绝缘体32向内延伸，从而在翻折唇部42和绝缘体32之间产生壳体间隙30。如图11所示，在一个优选的实施例中，填充材料40为树脂，该树脂围绕翻折区域注塑成型，并填满壳体间隙30，以防止在翻折区域内的绝缘体32和外壳36之间形成电晕放电24。
电晕点火器20通常用于汽车或工业机械的内燃机中。如图1所示，该电晕点火器20设置在气缸体46中，该气缸体46具有侧壁，该侧壁绕气缸中心轴周向延伸，并形成圆柱形空间。气缸体46的侧壁具有围绕顶部开口的顶端，并且该顶端上设有延伸跨过该顶部开口的气缸盖48。活塞50沿气缸体46的侧壁设置在圆柱形空间内，以在内燃机的工作过程中沿该侧壁滑动。活塞50与气缸盖间隔开，从而在气缸体46、气缸盖48和活塞50之间形成燃烧室26。该燃烧室26中容纳由电晕点火器20电离的可燃的燃料-空气混合物。气缸盖48包括用于容置点火器20的进入孔，且该点火器20垂直延伸进入燃烧室26。点火器20接收来自电源（未示出）的高射频电压并发射射频电场，以电离部分燃料-空气混合物并形成电晕放电24。
点火器20的中心电极22从电极终端52沿电极中心轴ae纵向延伸至电极点火端54。高射频交流电压的能量被提供至中心电极22，且电极终端52接收该高射频交流电压的能量，通常该能量的电压高达40,000伏特、电流小于1安培以及频率为0.5-5.0兆赫。提供至中心电极22的最高电压也称为最大电压。电极22包括由导电材料（例如镍）制成的电极主体部分56。电极主体部分56还可以包括由另一种导电材料（例如铜）制成的芯体。在一个实施例中，电极22的材料具有小于1,200nΩ·m的低电阻系数。电极主体部分56具有垂直于电极中心轴ae的电极直径De。电极主体部分56包括位于电极终端52处的电极头部34。该头部34的电极直径De大于沿电极主体部分56的剩余部分的电极直径De。
根据一个优选的实施例，中心电极22包括围绕并邻近电极点火端54的点火尖端58，该点火尖端58用于发射射频电场，以电离燃烧室26中的部分燃料-空气混合物，并在燃烧室26中提供电晕放电24。点火尖端58由导电材料制成，该导电材料（例如包括至少一种选自元素周期表中4-12族的元素的材料）在高温下提供良好的热力性能。如图1所示，点火尖端58的尖端直径Dt大于电极主体部分56的电极直径De。
电晕点火器20的绝缘体32环绕电极主体部分56并沿该电极主体部分56纵向延伸。绝缘体32从绝缘体上端60延伸至绝缘体管口端62，该绝缘体管口端62与电极22的电极点火端54以及点火尖端58间隔开。图5和6为根据本发明的两个实施例的绝缘体管口端62的放大示意图。根据另一个实施例（未示出），点火尖端58与绝缘体32邻接，从而在它们两者之间不存在间隔。
绝缘体32由电绝缘材料制成，通常由包含氧化铝的陶瓷材料制成。绝缘体32的导电率小于中心电极22和外壳36的导电率。在一个实施例中，绝缘体32的介电强度为14-25kV/mm。绝缘体32还具有能够保持放电的相对介电常数，该相对介电常数通常为6-12。在一个实施例中，绝缘体32的热膨胀系数（CTE）在2x10-6/℃和10x10-6/℃之间。
绝缘体32包括绝缘体内表面64，该绝缘体内表面64面向电极主体部分56，并从绝缘体上端60沿电极中心轴ae纵向延伸至绝缘体管口端62。绝缘体内表面64形成了一容置中心电极22的绝缘体孔，且该绝缘体内表面64包括用于支撑中心电极22的头部34的电极座66。
电极点火端54插入通过绝缘体上端60并进入绝缘体孔，直到中心电极22的头部34沿着绝缘体32的孔抵靠在电极座66上。电极主体部分56的头部34以下的剩余部分与绝缘体内表面64间隔开，以在这两者之间提供电极间隙28。最佳如图5和6中所示，电晕点火器20还需要这样装配，即，电极点火端54和点火尖端58均设置在绝缘体管口端62的外部。绝缘体管口端62与点火尖端58之间具有尖端间隔68，从而使周围空气可以在绝缘体管口端62与点火尖端58之间流动。
绝缘体内表面64和电极主体部分56之间的电极间隙28从电极点火端54沿电极主体部分56连续延伸至增大的头部34，并环绕该电极主体部分56。在一个实施例中，电极主体部分56具有长度le，且电极间隙28沿至少80%的长度le纵向延伸。如图5A所示，电极间隙28还具有电极间隙宽度we，该电极间隙宽度we垂直于电极中心轴ae延伸，并从电极主体部分56径向延伸至绝缘体32。在一个实施例中，该电极间隙宽度we为0.025mm-0.25mm。
在填充电极间隙28之前，电极间隙28在绝缘体管口端62处开口，并与尖端间隔68流体连通。因此，来自于周围环境的空气可以沿点火尖端58流过尖端间隔68并流进电极间隙28直到流动到电极22的头部34。如果没有填充材料40，则整个电极间隙28将会暴露至燃烧室中，从而使燃料-空气混合物还可以流过电极间隙28直至电极头部34。
电晕点火器20的绝缘体32包括绝缘体外表面72，该绝缘体外表面72与绝缘体内表面64相对，并从绝缘体上端60沿电极中心轴ae延伸至绝缘体管口端62。该绝缘体外表面72向外面向外壳36，并且背向中心电极22。在一个优选的实施例中，绝缘体32被设计为牢固地安装在外壳36中并且允许采用高效的制造工艺。
如图1所示，绝缘体32包括绝缘体第一区域74，该绝缘体第一区域74从绝缘体上端60沿电极主体部分56向绝缘体管口端62延伸。绝缘体第一区域74具有大致垂直于电极中心轴ae延伸的绝缘体第一直径D1。绝缘体32还包括邻近绝缘体第一区域74向着绝缘体管口端62延伸的绝缘体中部区域76。绝缘体中部区域76还具有大致垂直于电极中心轴ae延伸的绝缘体中部直径Dm，且该绝缘体中部直径Dm大于绝缘体第一直径D1。绝缘体上肩部78从绝缘体第一区域74径向向外延伸至绝缘体中部区域76。
绝缘体32还包括邻近绝缘体中部区域76向着绝缘体管口端62延伸的绝缘体第二区域80。绝缘体第二区域80具有大致垂直于电极中心轴ae延伸的绝缘体第二直径D2，且该绝缘体第二直径D2小于绝缘体中部直径Dm。绝缘体下肩部82从绝缘体中部区域76径向向内延伸至绝缘体第二区域80。
绝缘体32进一步包括绝缘体管口区域84，该绝缘体管口区域84从绝缘体第二区域80延伸至绝缘体管口端62。绝缘体管口区域84具有大致垂直于电极中心轴ae延伸的绝缘体管口直径Dn，且该绝缘体管口直径Dn逐渐减小至绝缘体管口端62。在图2的实施例中，绝缘体32包括绝缘体管口肩部86，该绝缘体管口肩部86从绝缘体第二区域80径向向内延伸至绝缘体管口区域84。绝缘体管口端62处的绝缘体管口直径Dn小于绝缘体第二直径D2，并且小于点火尖端58的尖端直径Dt。
如图1和2所示，电晕点火器20包括导电材料制成的末端70，该末端70容置在绝缘体32中。末端70包括电连接至端子线（未示出）的第一终端88，该端子线电连接至电源（未示出）。末端70还包括与电极22电连通的电极终端89。因此，末端70接收来自电源的高射频电压，并将该高射频电压传输至电极22。由导电材料制成的导电密封层90设置在末端70和电极22之间，并与末端70和电极22电连接，从而使能量可以从末端70传输至电极22。
电晕点火器20的外壳36环绕绝缘体32设置。外壳36由导电材料（例如钢）制成。在一个实施例中，外壳36具有低于1,000nΩ·M的低电阻系数。如图1所示，外壳36从外壳上端44沿绝缘体32纵向延伸至外壳下端92。外壳36包括外壳内表面94，该外壳内表面94面向绝缘体外表面72，并从绝缘体第一区域74沿绝缘体上肩部78、绝缘体中部区域76、绝缘体下肩部82和绝缘体第二区域80纵向延伸至邻近绝缘体管口区域84的外壳下端92。外壳内表面94形成了容置绝缘体32的外壳孔。外壳内表面94还具有横跨外壳孔延伸的外壳直径Ds。该外壳直径Ds大于绝缘体管口直径Dn，从而使绝缘体32可以插进外壳孔中，并且使至少部分绝缘体管口区域84向外伸出外壳下端92。
外壳内表面94具有用于支撑绝缘体下肩部82或绝缘体管口肩部86或支撑这两者的至少一个外壳座96。在图1的实施例中，外壳36包括一个外壳座96，该外壳座96邻近工具容置构件98设置，并支撑绝缘体下肩部82。在图2的实施例中，外壳36包括两个外壳座96，一个外壳座96邻近工具容置构件98设置，另一个邻近外壳下端92设置以用于支撑绝缘体管口肩部86。
在一个实施例中，电晕点火器20包括至少一个设置在外壳内表面94和绝缘体外表面72之间的内部密封件38，一旦绝缘体32插进外壳36中，则内部密封件38便会支撑绝缘体32。内部密封件38将绝缘体外表面72与外壳内表面94间隔开，以在绝缘体外表面72和外壳内表面94之间提供壳体间隙30。当采用多个内部密封件38时，壳体间隙30通常从外壳上端44连续延伸至外壳下端92。如图1所示，多个内部密封件38中的一个通常设置在绝缘体下肩部82的绝缘体外表面72和邻近工具容置构件98的外壳座96的外壳内表面94之间。在图2的一个实施例中，其中一个内部密封件38还设置在绝缘体管口肩部86的绝缘体外表面72和邻近绝缘体管口区域84的外壳座96的外壳内表面94之间。图1和2的实施例还包括一个设置在绝缘体上肩部78的绝缘体外表面72和外壳36的翻折唇部42的外壳内表面94之间的内部密封件38。这些内部密封件38被定位为以将绝缘体32支撑并保持在相对于外壳36的适当位置处。
绝缘体32抵靠于设置在外壳座96上的内部密封件38上。在图1和2的实施例中，绝缘体32的剩余部分与外壳内表面94间隔开，从而在绝缘体外表面72和外壳内表面94之间形成壳体间隙30。该壳体间隙30从绝缘体上肩部78沿绝缘体外表面72连续延伸至绝缘体管口区域84，并且该壳体间隙30还环绕绝缘体32。如图1所示，外壳36具有长度ls，壳体间隙30通常沿至少80%的长度ls纵向延伸。当采用内部密封件38时，壳体间隙30可以沿外壳36的100%的长度ls延伸。壳体间隙30还具有壳体间隙宽度ws，该壳体间隙宽度ws垂直于电极中心轴ae延伸，并从绝缘体外表面72径向延伸至外壳内表面94。在一个实施例中，壳体间隙宽度ws为0.075mm-0.300mm。通过对外壳36或绝缘体32进行改造，可以使壳体间隙30在电极点火端54附近扩大。该扩大的面积可以使壳体间隙30增至1mm或1mm以上。
壳体间隙30在外壳下端92处开口，因此，在填充壳体间隙30之前，周围环境中的空气可以流进壳体间隙30，并沿绝缘体外表面72流至内部密封件38。如果没有填充材料40，则从外壳下端92或外壳上端44至内部密封件38的整个壳体间隙30将会暴露至燃烧室中，从而使燃料-空气混合物还可以流过壳体间隙30直至内部密封件38。
在一个可选的实施例中，绝缘体外表面72抵靠在外壳座96上，而不存在内部密封件38。在该实施例中，壳体间隙30可以仅仅位于外壳上端44处，或沿绝缘体外表面72的某些部分设置，而不会连续设置在外壳上端44和外壳下端92之间。
外壳36还包括与外壳内表面94相对的外壳外表面100，该外壳外表面100从外壳上端44沿电极中心轴ae纵向延伸至外壳下端92，并向外背向绝缘体32。外壳36包括工具容置构件98，制造者或最终用户可以利用该工具容置构件98以将电晕点火器20安装至气缸盖48或从气缸盖48上拆卸下来。工具容置构件98从绝缘体上肩部78沿绝缘体中部区域76延伸至绝缘体下肩部82。该工具容置构件98具有大致垂直于纵向的电极主体部分56延伸的工具厚度。在一个实施例中，外壳36还包括沿绝缘体第二区域80设置的螺纹，该螺纹用于与气缸盖48啮合，并且将电晕点火器20保持在相对于气缸盖48和燃烧室26的期望位置处。
外壳36的翻折唇部42从工具容置构件98沿绝缘体中部区域76的绝缘体外表面72纵向延伸，然后沿绝缘体上肩部78向内延伸至邻近绝缘体第一区域74的外壳上端44。该翻折唇部42环绕绝缘体上肩部78延伸，从而使绝缘体第一区域74向外伸出翻折唇部42。沿翻折唇部42的部分外壳内表面94与绝缘体中部区域76接合，从而有助于固定外壳36以防止其相对于绝缘体32轴向运动。
壳体间隙30通常位于翻折区域内的外壳36和绝缘体32之间，并且还位于自外壳下端92向上延伸直至内部密封件38的这一段区域内的外壳36和绝缘体32之间。最佳如图1A所示，外壳36的翻折唇部42包括位于外壳内表面94和外壳外表面100之间的唇部表面102，该唇部表面102面向绝缘体第一区域74的绝缘体外表面72。翻折唇部42具有从外壳内表面94延伸至外壳外表面100的唇部厚度，该唇部厚度通常小于工具厚度。在一个实施例中，整个唇部表面102与绝缘体外表面72接合，且壳体间隙30位于沿翻折唇部42的外壳外表面100和绝缘体32之间。在另一个实施例中，唇部表面102与外壳外表面100完全间隔开，且壳体间隙30设置在唇部表面102和绝缘体32之间。在图11的实施例中，一部分的唇部表面102与绝缘体外表面72接合，且壳体间隙30设置在一部分的唇部表面102和绝缘体32之间。
在采用填充材料40填满壳体间隙30前，壳体间隙30在翻折区域中的壳体上端44处开口，从而使周围环境中的空气可以在壳体间隙30中流动。
填充材料40设置在点火器20的至少一个间隙28、30中，优选地同时设置在电极间隙28和壳体间隙30中。填充材料40可以设置在壳体间隙30中位于外壳下端92处，也可以位于翻折区域中的外壳上端44处。填充材料40在电极间隙28的两侧之间以及壳体间隙30的两侧之间连续延伸，以防止在这些间隙28、30中形成电晕放电24。填充材料40是一个单独的部分，不同于中心电极22、绝缘体32、内部密封件38和外壳36。填充材料40提供了电极间隙28之间和壳体间隙30之间的气密密封，从而将周围环境中的空气以及其他气体隔离。
填充材料40可以是电绝缘的或是导电的。填充材料40可以包括单一材料，或者可以包括多种材料，例如位于电晕点火器20的不同区域的不同材料。在电晕点火器20的工作过程中，当能量以高达40,000伏特的电压、小于1安培的电流以及0.5-5.0兆赫的频率供给电极22时，该能量流过电晕点火器20直至填充材料40，且该填充材料40能够将能量保持在不大于5MHz的频率。
在一个实施例中，填充材料40是电绝缘的，并具有1-6的相对介电常数，从而使填充材料40和绝缘体32的相对介电常数之差不大于10。填充材料40优选具有与绝缘体32相近的介电常数。在另一个实施例中，该填充材料40是电绝缘的或是导电的，且其热膨胀系数在2x10-6/℃和20x10-6/℃之间，从而使填充材料40和绝缘体32的热膨胀系数之差不大于10x10-6/℃。
填充材料40设置在邻近电极点火端54的电极间隙28中，并连续延伸跨过从电极主体部分56延伸至绝缘体内表面64的电极间隙宽度we。在一个实施例中，填充材料40通过从电极点火端54沿电极主体部分56连续延伸至电极22的头部34，从而填满整个电极间隙28。在另一个实施例中，填充材料40通过沿位于电极点火端54和头部34之间的部分电极主体部分56延伸，从而填满部分电极间隙28。例如，电极间隙28具有一体积，填充材料40填满该电极间隙28的至少50%的体积，优选地填满该电极间隙28的至少80%的体积。填充材料40可以与电极22的点火尖端58间隔开，或者可以与电极22的点火尖端58接触。
采用填充材料40填满电极间隙28是具有显著优点的。在图12-14的不含填充材料40的对比点火器中，绝缘体32的介电常数与电极间隙28中空气的介电常数相差甚远。因此，电压在电极间隙28处急剧下降，并且通常降低中心电极22与接地的金属外壳36之间的总压降的10-20%。电场在电极间隙28处同样急剧增大。未填充的电极间隙28中的电场强度通常比绝缘体32的电场强度高5-10倍。
本发明的填充材料40减小了电极间隙28中的电场，并且减小了电极间隙28两侧之间的压差。在一个实施例中，填充材料40的电压跨电极间隙28降低了不大于提供给中心电极22的最大电压的5%。填满的电极间隙28两侧之间的压降不大于中心电极22与接地的金属外壳36之间的总压降的5%。
填充材料40还减小了电极间隙28中的电场尖峰。当电能的电流以0.5-5.0兆赫的频率流过中心电极22时，填满的电极间隙28的电场强度通常不大于绝缘体32的电场强度的1倍。如图4所示，填满的电极间隙28两侧之间的电压逐渐降低，且填满的电极间隙28两侧之间的峰值电场保持恒定。例如，当电能的电流以0.5-5.0兆赫的频率流过中心电极22时，邻近填充材料40的部分电极主体部分56具有一电压，且邻近填充材料40的部分绝缘体32也具有一电压，这两个电压的差值不大于提供给中心电极22的最大电压的5%，或者不大于中心电极22与接地的金属外壳36之间的总压降的5%。
壳体间隙30中也填满了填充材料40，优选地，在邻近外壳下端92和上部的外壳36端部的壳体间隙30中填满了填充材料40。填充材料40连续延伸跨过从绝缘体外表面72延伸至外壳内表面94的壳体间隙宽度ws。在一个实施例中，填充材料40通过从外壳下端92围绕内部密封件38连续延伸至外壳下端44并且还围绕翻折唇部42连续延伸，从而填满整个壳体间隙30。在另一个实施例中，填充材料40通过沿位于绝缘体管口区域84和绝缘体上肩部78之间的部分绝缘体32延伸或沿翻折唇部42延伸，从而填满部分壳体间隙30。例如，壳体间隙30具有一体积，填充材料40填满该壳体间隙30的至少50%的体积，优选地填满该壳体间隙30的至少80%的体积。
图1的电晕点火器20包括设置在壳体间隙30的不同部分中的不同类型的填充材料40。第一种填充材料40从外壳下端92朝外壳上端44纵向延伸，但与工具容置构件98间隔开。第二种填充材料40从第一种填充材料40附近纵向延伸至位于绝缘体下肩部82处的内部密封件38。随后第三种填充材料40从绝缘体下肩部82处的内部密封件38纵向延伸至绝缘体上肩部78处的内部密封件38。第二种填充材料40和第三种填充材料40之间可以存在较小的间隔。这些材料的选择基于电晕点火器20在相应区域处的特性。
图2的电晕点火器20也包括设置在壳体间隙30的不同部分的不同材料。第一种填充材料40从外壳下端92纵向延伸至壳体间隙30的与绝缘体管口肩部86间隔开的部分。第二种填充材料40从第一种填充材料40延伸至绝缘体管口肩部86。第三种填充材料40从外壳座96延伸至位于绝缘体上肩部78处的内部密封件38。第二种填充材料40和第三种填充材料40之间可以存在较小的间隔。
在一个优选的实施例中，壳体间隙宽度ws沿壳体间隙30纵向变化。如图5-10所示，在一个实施例中，外壳下端92处的壳体间隙宽度ws大于壳体间隙30的其他部分的壳体间隙宽度ws。这种设计考虑到可以在外壳下端92处设置更多的填充材料40，从而便于制造，并且改善了填充材料40的耐久性。
在某些实施例中，壳体间隙30具有第一间隙区域104和第二间隙区域106，其中，第二间隙区域106的壳体间隙宽度ws大于第一间隙区域104的壳体间隙宽度ws。在图5和6的实施例中，第一间隙区域104的壳体间隙宽度ws从绝缘体下肩部82沿绝缘体第二区域80直至与外壳下端92纵向间隔开的位置始终一致。第二间隙区域106可以从第一间隙区域104延伸至外壳下端92，并且同样可以是始终一致的。壳体间隙30还可以包括一位于第一间隙区域104和第二间隙区域106之间的中部间隙区域108，其中，中部间隙区域108的壳体间隙宽度ws从第一间隙区域104至第二间隙区域106逐渐增大。可选的是，中部间隙区域108的壳体间隙宽度ws可以从第一间隙区域104至第二间隙区域106急剧增大。图7-10示出了壳体间隙30的其他示例设计。
壳体间隙30的尺寸由绝缘体32和外壳36的尺寸决定。如图6所示，点火器20具有绝缘体半径ri和外壳半径rs，并且半径ri、rs中的至少一个变化即可以形成不同的壳体间隙宽度ws。绝缘体半径ri从电极中心轴ae延伸至绝缘体外表面72，外壳半径rs从电极中心轴ae延伸至外壳内表面94。外壳半径rs和绝缘体半径ri可以沿第一间隙区域104和第二间隙区域106始终一致，或者可以沿第一间隙区域104和第二间隙区域106变化。通常，绝缘体半径ri和外壳半径rs沿第一间隙区域104始终一致，并且沿第二间隙区域106变化。壳体间隙宽度ws等于外壳半径rs与绝缘体半径ri之差。第二间隙区域106具有壳体间隙长度lg2，该壳体间隙长度lg2从第一间隙区域104纵向延伸至外壳下端92。在一个实施例中，第二间隙区域106的壳体间隙长度lg2为5.0mm，绝缘体半径ri为3.68mm，第一间隙区域104的外壳半径rs为3.76mm，第二间隙区域106的外壳半径rs为4.53mm，第一间隙区域104的壳体间隙宽度ws为0.08mm，第二间隙区域106的壳体间隙宽度ws为0.85mm。
图5-10示出了外壳下端92处的壳体间隙30的几何结构的示例。在图5和6的实施例中，外壳半径rs逐渐增大以形成第二间隙区域106，并且随后从最大处至外壳下端92始终保持一致。在图7的实施例中，绝缘体半径ri逐渐减小以形成第二间隙区域106，并且随后从最小处至绝缘体管口端84始终保持一致。在图8的实施例中，外壳半径rs急剧增大且绝缘体半径ri逐渐减小以形成第二间隙区域106。随后该绝缘体半径ri从最小处至绝缘体管口端84始终保持一致，该外壳半径rs从最大处至外壳下端92始终保持一致。在图9的实施例中，绝缘体半径ri急剧减小，并且随后从最小处至绝缘体管口端84始终保持一致。在图10的实施例中，绝缘体半径ri逐渐减小且外壳半径rs逐渐增大以形成第二间隙区域106。随后该外壳半径rs从最大处至外壳下端92始终保持一致，该绝缘体半径ri从最小处至绝缘体管口端84始终保持一致。
采用填充材料40填满壳体间隙30同样是具有显著优点的。在图12-14的不含填充材料40的对比点火器中，绝缘体32的介电常数与壳体间隙30中空气的介电常数相差甚远。因此，电压在壳体间隙30处急剧下降，并且通常降低中心电极22与接地的金属外壳36之间的总压降的10-20%。电场强度在壳体间隙30处同样急剧增大。在未填充的空气间隙30中的电场强度通常比绝缘体32的电场强度高5-10倍。
填充材料40减小了壳体间隙30两侧之间的电场，并且减小了壳体间隙30两侧之间的压差。在一个实施例中，填充材料40的电压跨壳体间隙30降低了不大于提供给中心电极22的最大电压的5%。填满的壳体间隙30两侧之间的压降不大于中心电极22与接地的金属外壳36之间的总压降的5%。
填充材料40还减小了壳体间隙30两侧之间的电场尖峰。当电能的电流以0.5-5.0兆赫的频率流过中心电极22时，填满的壳体间隙30中的电场强度通常不大于绝缘体32的电场强度的1倍。如图3和4所示，壳体间隙30两侧之间的电压逐渐降低，且壳体间隙30两侧之间的峰值电场保持恒定。例如，当电能的电流以0.5-5.0兆赫的频率流过中心电极22时，邻近填充材料40的部分绝缘体32具有一电压，且邻近填充材料40的部分外壳36也具有一电压，这两个电压的差值不大于提供给中心电极22的最大电压的5%，或者不大于中心电极22与接地的金属外壳36之间的总压降的5%。
在一个实施例中，填充材料40是电绝缘的并且与绝缘体32电隔离，以降低能耗，并提供比导电的填充材料40略佳的能效。在一个实施例中，电绝缘填充材料40具有5-10kV/mm的介电强度。填充材料40与绝缘体32的电绝缘材料不同，但可与该电绝缘材料兼容。电绝缘填充材料40的示例包括塑料、树脂、热处理玻璃粉末以及粘合剂（例如导热系数至少为2W/mK的高温氧化铝基粘合剂）。
如图11所示，在一个优选的实施例中，填充材料40为树脂，并围绕翻折唇部42注塑成型。该树脂的介电强度通常为10-30kV/mm，且其比重为1.5-2。该注塑成型的树脂的一个示例为酚醛树脂。该注塑成型的树脂的另一个示例为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）热塑性聚酯树脂，其包含均匀分散的玻璃纤维或者矿物和玻璃纤维的组合物
Figure BDA00003180078800141
模塑成型的树脂填满位于唇部表面102和绝缘体第一区域74的绝缘体外表面72之间的壳体间隙30。该模塑成型的树脂还沿绝缘体第一区域74的绝缘体外表面72以及沿翻折唇部42的外壳外表面100延伸。
在另一个实施例中，填充材料40是导电的。导电的填充材料40的示例包括金属（例如铬）和金属合金，该金属合金例如为铬合金、镍-钴铁合金（例如可伐合金）以及热膨胀系数不大于18x10-6/℃的不锈钢。在一个实施例中，填充材料40为铜焊金属或焊料金属。另外，也可以使用充满导电金属粉末的粘合剂。
尽管电晕点火器20仅要求间隙28、30中的一个中填满填充材料40，然而，特别有利的是间隙28、30中同时填满填充材料40。如图4所示，当间隙28、30均被填满时，电晕点火器20具有这样一个电压，即，该电压从中心电极22穿过电极间隙28、绝缘体32和壳体间隙30至外壳36逐渐地、持续地下降。另外，从中心电极22穿过电极间隙28、绝缘体32和壳体间隙30至外壳36的电场保持恒定。
填充材料40防止了在间隙28、30中容纳电荷，并且防止了电流流过间隙28、30。填充材料40使燃烧室26中的空气和气体无法进入间隙28、30，从而防止了电离气体的形成，这些电离气体会使电极22和外壳36之间或者电极22和气缸盖48之间形成穿过绝缘体的导电通路和电弧。因此，与现有技术的电晕点火器相比，电晕点火器20可以在点火尖端58处提供更为集中的电晕放电24，并且实现更为稳健的点火。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造电晕点火器20的方法。该方法首先包括提供中心电极22、绝缘体32和外壳36。然后该方法包括将中心电极22的电极点火端54插入绝缘体上端60并进入绝缘体孔中，并使该中心电极22与绝缘体32在绝缘体管口端62处间隔开，以在两者之间形成电极间隙28。
在将中心电极22插入绝缘体32之后，该方法包括：将绝缘体32插入外壳上端44并进入外壳孔中。该插入步骤包括使绝缘体管口端62滑动经过外壳下端92，并将绝缘体32与外壳36间隔开，从而在绝缘体32与外壳36之间形成壳体间隙30。在一个实施例中，该方法包括将内部密封件38设置在外壳孔中的外壳座96上，并且该间隔步骤包括将绝缘体32设置在内部密封件38上，以提供壳体间隙30。该方法还包括围绕绝缘32形成外壳36。在一个实施例中，该方法包括将内部密封件38设置在绝缘体上肩部78上，并且该形成步骤包括将外壳上端44绕内部密封件38径向向内朝向绝缘体第一区域74弯曲，以提供翻折唇部42。
在将绝缘体32插入外壳36之后，该方法包括采用填充材料40填满至少一个间隙28、30，并且优选地，同时填满电极间隙28和壳体间隙30。该填充步骤可以包括将填充材料40泵送至电极间隙28和壳体间隙30中，并且使填充材料40在外壳上端44处围绕外壳36的翻折唇部42注塑成型。
显然，鉴于上述教导，本发明可以有多种修改和变形，并且在所附权利要求的范围内，本发明还可以通过除具体描述的方式以外的其它方式实施。另外，权利要求中的附图标记仅为方便起见，而不能理解为任何形式的限定。

Claims (20)

1.一种电晕点火器（20），其用于提供电晕放电（24），其特征在于，该电晕点火器包括：
一由导电材料制成的中心电极（22），其用于接收一高射频电压，并发射一射频电场，以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电（24），
所述中心电极（22）从一电极终端（52）延伸至一电极点火端（54），该电极终端（52）接收该高射频电压，该电极点火端（54）发射该射频电场，
一由电绝缘材料制成的绝缘体（32），其围绕所述中心电极（22）设置，并从一绝缘体上端（60）纵向延伸经过所述电极终端（52）直至一绝缘体管口端（62），
所述绝缘体（32）在所述绝缘体管口端（62）与所述中心电极（22）间隔开，以在该绝缘体（32）和所述中心电极（22）之间形成一电极间隙（28），
一由导电金属材料制成的外壳（36），其围绕所述绝缘体（32）设置，并从一外壳上端（44）纵向延伸至一外壳下端（92），
所述外壳（36）沿所述外壳的两端（44、92）中的至少一个与所述绝缘体（32）间隔开，以在该外壳（36）和所述绝缘体（32）之间形成一壳体间隙（30），
一填充材料（40），其在至少一个所述间隙（28、30）的两侧之间连续延伸，以避免所述间隙（28、30）中的电晕放电（24）。
2.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）气密密封所述间隙（28、30）。
3.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，沿部分所述外壳（36）设置有至少一个由不同于所述填充材料（40）的密封材料制成的内部密封件（38），以使所述绝缘体（32）与所述外壳（36）间隔开，并提供在所述外壳上端（44）和所述外壳下端（92）之间连续延伸的所述壳体间隙（30）。
4.根据权利要求3所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）围绕所述内部密封件（38）设置。
5.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，当电能的电流以0.5-5.0兆赫的频率流过所述中心电极（22）时，所述填充材料（40）在所述间隙（28、30）两侧之间的压差不大于所述中心电极（22）与所述外壳（36）之间的总压降的5%，其中，所述填充材料（40）在所述间隙（28、30）中的电场不大于所述绝缘体（32）的电场强度的1倍。
6.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）和所述绝缘体（32）分别具有一相对介电常数，其中，所述填充材料（40）的相对介电常数和所述绝缘体（32）的相对介电常数之差不大于10。
7.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）和所述绝缘体（32）分别具有一热膨胀系数，其中，所述填充材料（40）的热膨胀系数和所述绝缘体（32）的热膨胀系数之差不大于10x10-6/℃。
8.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述间隙（28、30）具有一体积，所述填充材料（40）填满所述间隙（28、30）的至少50%的体积。
9.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）是电绝缘的。
10.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）包括塑料、树脂、玻璃粉末以及含氧化铝的粘合剂中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）是导电的。
12.根据权利要求11所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）包括镍-钴铁合金、不锈钢、铬以及含金属粉末的粘合剂中的至少一种。
13.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）设置在所述电极间隙（28）中，
所述电极主体部分（56）具有一从所述电极点火端（54）延伸至所述电极终端（52）的长度（le），且所述电极间隙（28）沿至少90%的所述长度（le）延伸并具有一体积，
所述填充材料（40）填满所述电极间隙（28）的至少50%的体积，
所述中心电极（22）包括一点火尖端（58），该点火尖端（58）与所述绝缘体管口端（62）间隔开，并围绕和邻近所述电极点火端（54），以用于发射该射频电场，
所述电极间隙（28）在所述绝缘体管口端（62）处开口，以使空气沿所述点火尖端（58）流动至所述电极间隙（28），
所述电极间隙（28）环绕所述电极主体部分（56）延伸，
所述电极间隙（28）具有一电极间隙宽度（we），该电极间隙宽度（we）从所述电极主体部分（56）垂直于所述电极中心轴（ae）延伸至所述绝缘体（32），
所述电极间隙宽度（we）为0.025-0.25mm，
当电能的电流以0.5-5.0兆赫的频率流过所述中心电极（22）时，邻近所述填充材料（40）的部分所述电极主体部分（56）具有一个电压，且邻近所述填充材料（40）的部分所述绝缘体（32）也具有一个电压，其中，该两个电压的差值不大于所述中心电极（22）与所述外壳（36）之间的总压降的5%。
14.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述填充材料（40）设置在所述壳体间隙（30）中，
所述外壳（36）具有一从所述外壳下端（92）延伸至所述外壳上端（44）的长度（ls），且所述壳体间隙（30）沿至少50%的所述长度（ls）延伸并具有一体积，
所述填充材料（40）填满所述壳体间隙（30）的至少50%的体积，
所述壳体间隙（30）在所述外壳下端（92）和所述外壳上端（44）处开口，以使空气沿所述壳体间隙（30）流动，
所述壳体间隙（30）环绕所述绝缘体（32）延伸，
所述壳体间隙（30）具有一壳体间隙宽度（ws），该壳体间隙宽度（ws）从所述绝缘体（32）垂直于所述电极中心轴（ae）延伸至所述外壳（36），
所述壳体间隙宽度（ws）为0.075-0.30mm，以及
当电能的电流以0.5-5.0兆赫的频率流过所述中心电极（22）时，邻近所述填充材料（40）的部分所述绝缘体（32）具有一个电压，且邻近所述填充材料（40）的部分所述外壳（36）也具有一个电压，其中，该两个电压的差值不大于所述中心电极（22）与所述外壳（36）之间的总压降的5%。
15.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述壳体间隙（30）具有一从所述外壳（36）延伸至所述绝缘体（32）的壳体间隙宽度（ws），且所述壳体间隙宽度（ws）在所述外壳下端（92）处最大，所述填充材料（40）设置在所述壳体间隙（30）中的所述外壳下端（92）处。
16.根据权利要求1所述的电晕点火器（20），其特征在于，所述外壳（36）在所述外壳上端（44）处与所述绝缘体（32）间隔开，以形成所述壳体间隙（30），所述填充材料（40）包括围绕所述壳体间隙（30）模塑成型的树脂。
17.一种电晕点火系统，其用于提供一射频电场，以电离一内燃机的燃烧室（26）中的部分燃料-空气混合物，并在该内燃机的燃烧室（26）中提供电晕放电（24），其特征在于，该电晕点火系统包括：
一气缸体（46）、一气缸盖（48）和一活塞（50），在该气缸体（46）、气缸盖（48）和活塞（50）之间形成有一燃烧室（26），
在所述燃烧室（26）内提供的燃料和空气的混合物，
一点火器（20），该点火器（20）设置在所述气缸盖（48）中，并垂直延伸进入所述燃烧室（26），且该点火器（20）用于接收一高射频电压，并发射一射频电场，以电离燃料-空气混合物并形成所述电晕放电（24），
所述点火器（20）包括一由导电材料制成的中心电极（22），该中心电极（22）用于接收一高射频电压，并发射一射频电场，以电离燃料-空气混合物并提供所述电晕放电（24），
所述中心电极（22）从一电极终端（52）延伸至一电极点火端（54），该电极终端（52）接收该高射频电压，该电极点火端（54）发射该射频电场，
一由电绝缘材料制成的绝缘体（32），其围绕所述中心电极（22）设置，并从一绝缘体上端（60）纵向延伸经过所述电极终端（52）直至一绝缘体管口端（62），
所述绝缘体（32）在所述绝缘体管口端（62）处与所述中心电极（22）间隔开，以在该绝缘体（32）和所述中心电极（22）之间形成一电极间隙（28），
一由导电金属材料制成的外壳（36），其围绕所述绝缘体（32）设置，并从一外壳上端（44）纵向延伸至一外壳下端（92），
所述外壳（36）沿所述外壳的两端（44、92）中的至少一个与所述绝缘体（32）间隔开，以在该外壳（36）和所述绝缘体（32）之间形成一壳体间隙（30），
一填充材料（40），该填充材料（40）在至少一个所述间隙（28、30）的两侧之间连续延伸，以避免所述间隙（28、30）中的电晕放电（24）。
18.一种制造电晕点火器（20）的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供一绝缘体（32），该绝缘体（32）由一电绝缘材料制成，并具有一绝缘体孔，该绝缘体孔从一绝缘体上端（60）纵向延伸至一绝缘体管口端（62），
将一中心电极（22）插入该绝缘体孔中，该中心电极（22）由一导电材料制成，
将该中心电极（22）在该绝缘体管口端（62）处与该绝缘体（32）间隔开，以在该中心电极（22）和该绝缘体（32）之间形成一电极间隙（28），
提供一外壳（36），该外壳（36）由一金属材料制成，并具有一外壳孔，该外壳孔从一外壳上端（44）纵向延伸至一外壳下端（92），
将该绝缘体（32）插入该外壳孔中，
将该绝缘体（32）与该外壳（36）间隔开，并在该绝缘体（32）和该外壳（36）之间形成一壳体间隙（30），以及
采用一填充材料（40）填充该间隙（28、30）中的至少一个。
19.根据权利要求18所述的制造电晕点火器（20）的方法，其特征在于，该填充步骤包括将该填充材料（40）在该外壳上端（44）处围绕该外壳（36）注塑成型。
20.根据权利要求18所述的制造电晕点火器（20）的方法，其特征在于，该方法包括在该外壳孔中将一内部密封件（38）设置在该外壳（36）上，其中，该间隔步骤包括将该绝缘体（32）设置在该内部密封件（38）上，以提供该壳体间隙（30）。
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