CN103291522A - 一种用于点燃内燃机中的燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于点燃内燃机中的燃料的方法，包括：为电晕放电燃料点火器系统提供电流；以射频电压的方式使至少一部分电流经由燃料点火器系统中的电导体穿过燃料点火器系统；当电流穿过电导体时，以陶瓷介电材料围绕电导体的至少一部分，该陶瓷介电材料由至少一种铝或硅的氧化物或氮化物组成；以及从燃料点火器系统发出电晕放电以点燃内燃机中的燃料。

Description

一种用于点燃内燃机中的燃料的方法
本案是在先申请CN201080006781.5的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请基于2009年1月12日提交的第61/143,916号美国临时申请并根据美国法典35U.S.C.§119(e)要求其优先权，其全部内容通过引用并入此处以适用于不同需求。
技术领域
本发明涉及一种用于点燃内燃机中的燃料的方法。
背景技术
许多不同的用于点燃内燃系统中的燃料的点火系统被提出。这些点火系统通常分成三种主要类型：传统电弧放电，经典等离子体放电和电晕放电。
在传统电弧或电感点火系统中，点火线圈通过直流电压在初级绕组上充电，有限的能量被存储于点火线圈中。在一些预先确定的燃点，流向点火线圈初级绕组的电流被断开，存储于点火线圈中的一部分能量从点火线圈的次级绕组中放出，穿过火花塞的火花间隙到达地电极。在这种放电中，火花间隙的电压增大，直到电势大到足以产生穿过火花塞电极到达地电极的电弧。在单次放电过程中，来自点火线圈的存储能量通过电弧迅速放出到地电极，直到能量消散到无法维持电弧的点。在这种点火系统中，放电过程期间的电弧中的电流被次级电路中相对较高的电阻限制在适当水平，并且电弧电压相对较低。电弧本身被高度离子化且具有相对较低的接地电阻。
在经典等离子体点火系统中，通常具有额外的电容式的能量存储器，用于显著地提高穿过火花间隙放电前存储的能量。在这种系统中，电容器通常不具有足以引发电弧穿过火花间隙的高电压，因此传统电感点火线圈系统被用于建立放电路径。一旦放电路径建立，存储于电容器中的能量可以在能量的高电流爆发中以及相对较低电压下极其迅速地放出。在单次放电中，这种快速、高能的放电产生可见的等离子体。一旦能量从点火线圈和电容器消散，电弧和等离子体消失，过程结束。
发明人为Tani，公开号为2008/0141967的美国专利是经典等离子体点火系统的例子。该专利公开一种等离子体点火装置，该等离子体点火装置包括具有氧化铝绝缘构件以将中心电极和地电极隔离开的等离子体火花塞，以及将高电压应用于等离子体火花塞的供电电路。该等离子体点火装置通过应用于中心电极和地电极之间的高电压将绝缘构件的放电间隙中的气体激发成高温高压的等离子体，并将其喷射入内燃机。供电电路连接到作为阳极的中心电极，以及作为阴极的地电极。
电晕放电系统通常不包括能量存储装置。因此，能量不是在单次过程中被放出。传统火花点火产生固定持续时间的点火过程。电晕点火装置可以产生可控持续时间的点火过程。
发明人为Freen，专利号为6,883,507的美国专利公开一种电晕放电系统的例子。该系统包括燃烧室内的电极，为该电极提供射频电力的电路，以及由燃烧室壁形成的地电极。形成于该电极和地电极之间的射频电压差在其间产生射频电场，该射频电场产生非热能等离子体，引起燃料-空气混合物的燃烧。氮化硼绝缘体围绕该电极。该系统可被用于发动机例如内燃机或气轮机中。
需要更有效的用于点燃内燃机中的燃料的点火器系统。特别是，需要在燃烧环境的极端温度、机械应力和压力条件下具有高度有效的介电和机械性能的点火器系统。
发明内容
本发明提供一种电晕放电燃料点火器系统以及用于点燃内燃机中的燃料的方法，该方法对电晕放电非常有效。此外，本发明提供一种能够在燃烧环境的极端温度、机械应力和压力条件下长期运行的系统。
根据本发明的一个方面，提供一种电晕放电燃料点火器系统，即装置。该系统具有电接头端和电晕放电端。电导体连接该电接头端和电晕放电端。位于电接头端的电感组件连接到电导体。该系统优选地包括位于电接头端且围绕电导体和电感组件的非陶瓷介电材料，以及位于电晕放电端且与该非陶瓷介电材料接触并围绕电导体的陶瓷介电材料。
在一个优选实施例中，电感组件包括至少一个电感器。优选地，电感组件包括电阻和电感元件。可选地，电感组件包括电阻、电感和电容元件。
在一个实施例中，陶瓷介电材料具有不同于非陶瓷介电材料的介电常数。优选地，陶瓷介电材料是烧结的无机非金属材料，该无机非金属材料由形成于至少一种金属和一种非金属元素之间的化合物或至少两种不同非金属元素的化合物组成。
在本发明的另一实施例中，陶瓷介电材料由至少一种铝或硅的氧化物或氮化物组成。在一个优选实施例中，陶瓷介电材料由氧化铝或二氧化硅组成。
在又一实施例中，陶瓷介电材料由不大于5wt%的至少一种钙、镁、锆或硼的氧化物组成。优选地，非陶瓷介电材料由至少一种气体、树脂或聚合物介电材料组成。通常，该非陶瓷介电材料具有不同于陶瓷介电材料的介电常数。
根据本发明另一方面，提供一种用于点燃内燃机中的燃料的方法。该方法包括为电晕放电燃料点火器系统提供电流，以及以射频电压的方式使至少一部分电流经由燃料点火器系统中的电导体穿过燃料点火器系统。当电流穿过电导体时，电导体的至少一部分被陶瓷介电材料围绕，该陶瓷介电材料由至少一种铝或硅的氧化物或氮化物组成，以及从燃料点火器系统发出电晕放电以点燃内燃机中的燃料。
在一个实施例中，射频电压随着电流被提供。优选地，电导体的至少一部分被非陶瓷介电材料围绕，该非陶瓷介电材料与陶瓷介电材料相连接。
附图说明
图1A和1B示出根据本发明一个实施例制造的点火器系统的俯视图和剖视图；
图2是点火器的电晕放电组件部分的视图；
图3是绝缘体的视图；
图4是终端的视图；
图5是电极丝的视图；
图6是连接线的视图；
图7A和7B示出凸缘的俯视图和剖视图；
图8是盖子的视图；
图9是管子的视图；
图10是位于装配位置的点火器的视图；以及
图11是位于装配位置的根据本发明另一实施例制造的点火器的剖视图。
具体实施方式
本发明针对电晕放电燃料点火器系统以及用于点燃内燃机中燃料的方法，该方法发出至少部分电晕放电。本发明采用显著提高电晕放电的效率以点燃内燃机中燃料的特定绝缘材料或介电材料。同时，该特定介电材料延长了在燃烧环境的极端温度、应力和压力条件下电晕放电燃料点火器系统的运行。
本发明的点火器系统以射频（RF）装置方式运行。电路接收直流电压，产生用于点火器的放大的射频电压。该点火器提高采用的射频电压，燃料点火器系统发出电晕放电以点燃内燃机中的燃料。因此，电压被以射频电压方式提供给电晕放电燃料点火器，至少一部分射频电压穿过与燃料点火器的电接头端及点火器的电晕放电端相连接的电导体，并且至少一部分射频电压通过燃料点火器提高，例如，通过燃料点火器的电感组件部分。燃料点火器系统发出电晕放电以点燃内燃机中的燃料。
电导体的至少一部分被陶瓷介电材料围绕，该陶瓷介电材料具有高电晕放电效率且非常适合燃料点火环境。优选地，该电导体的至少一部分进一步被非陶瓷介电材料围绕，且该陶瓷和非陶瓷彼此接触。
电晕放电燃料点火器系统通常包括电接头端和电晕放电端。电导体（例如，金属线组件）被连接到电接头端以及电晕放电端。至少一种由陶瓷材料组成的介电材料围绕电导体。优选地，至少一种非陶瓷材料和至少一种介电材料围绕电导体。优选地，位于电接头端的非陶瓷介电材料围绕电导体的至少一部分，且位于电晕放电端的陶瓷介电材料围绕该电导体。同样优选该陶瓷材料与该非陶瓷介电材料接触。
电晕放电燃料点火器系统进一步包括电感组件，位于该电晕放电燃料点火器系统的电接头端的电感组件连接到电导体。该电感组件包括至少一个提高射频电压的电感器。优选地，电感组件包括电阻和电感元件，更优选地，包括电阻、电感和电容元件。
介电材料围绕电感组件。优选地，使用非陶瓷介电材料围绕电感组件。
根据本发明，术语“陶瓷”是指烧结的无机非金属材料，通常以晶体形式存在于自然界，通常为形成于至少一种金属和一种非金属元素之间或至少两种不同的非金属元素之间的化合物。烧结材料是指由粉末或颗粒制成的材料，其中颗粒被在熔点以下加热直到彼此粘附或凝聚。本发明的金属的例子包括周期表中的标准金属，如铝、锗、锑和钋。本发明的非金属的例子包括周期表中的标准非金属，如硼、硅、砷和碲。
一种优选的由形成于金属和非金属元素之间的化合物制成的陶瓷材料包括作为至少一种金属元素的铝。这些材料的例子包括，但不仅限于，铝和氧（例如氧化铝Al2O3），铝和氮（例如氮化铝AlN），以及铝、氧和氮（例如氧氮化铝aluminum oxi-nitride）。一种优选的由形成于至少两种不同非金属元素之间的化合物制成的陶瓷材料包括作为至少一种非金属元素的硅。这些材料的例子包括，但不仅限于，硅和氧（例如二氧化硅SiO2），硅和氮（例如氮化硅Si3N4），以及硅、氧和氮（例如SiAlON）。
在本发明的一个实施例中，陶瓷介电材料是由至少一种铝或硅的氧化物或氮化物组成的。在一个具体实施例中，基于陶瓷材料总重的至少大多数陶瓷材料是由至少一种铝或硅的氧化物或氮化物组成的。优选地，基于陶瓷材料总重的至少80wt%，更优选为至少90wt%，进一步更优选为至少95wt%，再进一步更优选为至少98wt%，最优选为至少99wt%的陶瓷材料是由至少一种铝或硅的氧化物或氮化物，包含其组合组成的。
在一个尤其优选的实施例中，陶瓷材料包括由氧化铝和二氧化硅组成。优选地，陶瓷含有基于陶瓷材料总重的95.0wt%到99.5wt%的氧化铝，更优选地97.0wt%到99.5wt%，最优选地98.5wt%到99.5wt%。优选地，陶瓷材料进一步含有基于陶瓷材料总重的0.1wt%到4.0wt%的二氧化硅，更优选地0.1wt%到3.0wt%，进一步更优选地0.2wt%到1.5wt%，最优选地0.3wt%到1.0wt%。
在本发明的优选实施例中，除了氧化铝和二氧化硅的氧化物或氮化物，陶瓷材料中其它氧化物和氮化物含量较低，尤其是在含有二氧化硅和氧化铝的陶瓷材料情况下。优选地，除了铝和硅的氧化物或氮化物，陶瓷材料包含不大于5wt%的任意氧化物或氮化物，更优选地不大于3wt%，最优选地不大于2wt%。这些氧化物和氮化物的具体例子包括，但不仅限于，氧化钙、氧化镁、氧化锆、氧化硼和氮化硼。
在本发明的具体实施例中，陶瓷材料包括至少一种钙、镁、锆或硼的氧化物，但是优选地这些氧化物含量较低。具有较低含量的这些氧化物尤其有利于降低陶瓷材料的孔隙率和孔隙尺寸。低孔隙率和孔隙尺寸有利于减少电介质失效的可能性。
在本发明的一个实施例中，陶瓷材料包括氧化钙(CaO)。优选地，陶瓷材料包括基于陶瓷材料总重的0.1wt%到2.0wt%的氧化钙，更优选地0.2wt%到1.0wt%，最优选地0.3wt%到0.5wt%。
在本发明的一个实施例中，陶瓷材料包括氧化镁(MgO)。优选地，陶瓷材料包括基于陶瓷材料总重的0.01wt%到0.5wt%的氧化镁，更优选地0.02wt%到0.3wt%，最优选地0.03wt%到0.1wt%。
在本发明的一个实施例中，陶瓷材料包括氧化锆(ZrO2).。优选地，陶瓷材料包括基于陶瓷材料总重的0.01wt%到0.5wt%的氧化锆，更优选地0.02wt%到0.3wt%，最优选地0.03wt%到0.2wt%。
在本发明的一个实施例中，陶瓷材料包括氧化硼(B2O3).。优选地，陶瓷材料包括基于陶瓷材料总重的0.05wt%到0.5wt%的氧化硼，更优选地0.1wt%到0.4wt%，最优选地0.2wt%到0.4wt%。
在本发明的一个实施例中，如果陶瓷材料中有氮化硼存在，优选氮化硼含量为少量。优选地，陶瓷材料具有基于陶瓷材料总重不大于5wt%的氮化硼，更优选地不超过3wt%，进一步更优选地不超过1wt%，最优选地不超过0.5wt%。
在本发明的另一实施例中，陶瓷材料由至少一种选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅和氮化硅之中的化合物组成。
在材料所暴露的特定条件下，用于本发明的陶瓷具有非常合适的介电性能和机械性能。在本发明的材料描述中，提供了标准温度和压力条件下，即25°C和标准大气压（101.3KPa）条件下，赋予材料期望的操作性能的具体特性。
由于本发明所用的陶瓷是一种阻止电流流动的材料，因此被认为是绝缘体或电介质。优选的陶瓷被进一步描述为具有相对较低的介电常数。介电常数是指材料对从一个带电体向另一带电体传输的静电力的衰减能力的指标。该值越低，衰减越强，或者说该材料作为绝缘体的能力越强。
在一个实施例中，本发明的陶瓷材料在1MHz和25°C下具有不大于11的介电常数。优选地，陶瓷材料在1MHz和25°C下具有不大于10的介电常数，更优选地不大于9，最优选地不大于8。
陶瓷材料还具有相对较高的介电强度。介电强度是绝缘体或电介质能够承受而不被击穿的最大电场。通常当被击穿时，相当大的电流以电弧形式穿过材料，并沿电流路径伴有材料分解。
在一个实施例中，陶瓷材料具有至少15kV/mm的介电强度。优选地，陶瓷材料具有至少17kV/mm的介电强度，更优选地至少19kV/mm。
用作本发明一部分的陶瓷材料具有低损耗系数。损耗系数是介电材料中能量损耗的度量。损耗系数越低，能量损耗越少。
在一个实施例中，陶瓷材料在1MHz和25°C下具有不大于0.02的损耗系数。优选地，陶瓷材料在1MHz和25°C下具有不大于0.01的损耗系数，更优选地不大于0.005。
陶瓷材料不仅具有显著的电绝缘特性，还具有非常耐用的机械性能。这些性能包括抗拉强度、MOR挠曲强度和抗压强度。
陶瓷材料具有高抗拉强度。抗拉强度是一种材料被拉伸时能够承受而不拉断的最大负载与该材料原始横截面积的比率。当小于抗拉强度的应力被移除时，材料完全地或部分地恢复到原始尺寸和形状。在陶瓷材料中，当应力超过抗拉强度时，材料破裂。
在一个实施例中，陶瓷材料具有至少100MPa的抗拉强度。优选地，陶瓷材料具有至少200MPa的抗拉强度，更优选地至少300Mpa，最优选地至少400MPa。
陶瓷材料还具有足以避免破裂的特性，尤其在高扭矩接触点。在本发明中，陶瓷具有高MOR（破裂模数）挠曲强度。MOR挠曲强度是一种材料极限负载能力的度量。
在一个实施例中，陶瓷材料具有至少100MPa的MOR挠曲强度。优选地，陶瓷材料具有至少200MPa的MOR挠曲强度，更优选地至少400MPa。
陶瓷材料还具有高抗压强度。抗压强度是一种材料承受轴向定向推力的能力。当到达抗压强度极限时，材料被压碎。
在本发明的一个实施例中，陶瓷材料具有至少500MPa的抗压强度。优选地，陶瓷材料具有至少1000MPa的抗压强度，更优选地至少1500MPa。
优选地，本发明的陶瓷材料具有低的内部孔隙率和相对较小的孔隙尺寸。这种特性尤其有利于降低介电失效的可能性。
优选地，陶瓷材料具有不大于2%的内部孔隙率。更优选地，陶瓷材料具有不大于1.5%的内部孔隙率，进一步更优选地不大于1.0%。
优选地，陶瓷材料具有不大于3μm的中等孔隙尺寸。更优选地，陶瓷材料具有不大于2.5μm的中等孔隙尺寸，进一步更优选地不大于2μm。
优选陶瓷材料中的孔隙尺寸范围不大，因此最大孔隙尺寸不太大。优选地，本发明的点火器所用的陶瓷材料中至少90wt%具有不大于15μm的最大孔隙尺寸，更优选地不大于12μm，最优选地不大于10μm。
可以通过减小用于制作陶瓷材料的陶瓷粉末前体的颗粒尺寸来减小陶瓷材料中的孔隙尺寸。优选地，陶瓷材料是具有不大于2μm的平均颗粒尺寸的陶瓷粉末前体的烧结制品，更优选地不大于1.5μm。
另外，优选用于制作陶瓷材料的陶瓷粉末前体具有相对较高的表面积。优选地，陶瓷材料是具有至少1.5m2/g平均表面积（BET）的陶瓷粉末前体的烧结制品，更优选地至少2.0m2/g，进一步更优选地至少3.0m2/g。
用于本发明的陶瓷材料具有高热导率以减少预点火。优选地，陶瓷材料在25°C具有至少25W/M-K的热导率，更优选地至少30W/M-K，最优选地至少35W/M-K。
本发明的非陶瓷介电材料可以是任意具有足以将高压与地电极隔离开的介电性能的非陶瓷介电材料。这种材料包括气体、树脂和聚合物介电材料。该非陶瓷的至少一部分通常位于直接燃烧位置之外或外壳之外，然而陶瓷可以直接位于燃烧点上。如陶瓷材料的特性描述一样，此处描述了非陶瓷材料在标准温度和压力条件下，即25°C和标准大气压（101.3KPa）下所期望具有的特性的例子。
根据本发明的一个实施例，非陶瓷介电材料具有不同于陶瓷介电材料的介电常数。在本发明的另一实施例中，非陶瓷介电材料具有小于陶瓷介电材料的介电常数。在一个实施例中，在1MHz和25°C下，非陶瓷材料的介电常数比陶瓷材料的介电常数小至少1，至少2，至少4或至少6。
在本发明的一个优选实施例中，非陶瓷材料在1MHz和25°C下具有不大于11的介电常数。优选地，非陶瓷材料在1MHz和25°C下具有不大于9的介电常数，更优选地不大于7，最优选地不大于5。
该点火器系统可以包括超过一种非陶瓷介电材料。例如，该点火器系统可以包括至少一非陶瓷介电材料，气体、树脂或聚合物电介质的任意组合。每种材料都优选设置为彼此接触以使地电极最小化，并且至少一种非陶瓷介电材料与至少一种陶瓷介电材料接触，该陶瓷介电材料位于该点火器系统的电晕放电端。
一种点火器系统的例子在图1—图10中示出。根据本发明一个方面，电晕放电燃料点火器系统10包括绝缘体14，该绝缘体14由氧化铝、氮化硅或氮化铝中的任意一个制成。氧化铝的高介电强度、高电阻率和低介电常数满足用于电晕放电点火器的绝缘体电学性能的要求。氧化铝还具有所需的高机械强度，以便在点火器装配过程中或内燃机维修过程中，绝缘体不会破裂。氮化硅也满足这些要求，氮化铝也是，但是都比氧化铝昂贵。
附图示出具有上述绝缘体的电晕放电燃料点火器系统10的一个实施例。该点火器包括电晕放电组件12；电极丝16，容置于绝缘体14中，并从绝缘体14的下端18延伸；金属外壳19，围绕绝缘体14的中部以便绝缘体14的下部21从外壳的下端23凸出；终端20，容置于绝缘体14中，并从绝缘体14的上端22延伸；金属管24，一端26焊接到外壳19上，相对端30焊接到凸缘28上。连接线32在管24中延伸，从终端20穿过凸缘28中的开口34，并且被连接到电感组件36，该电感组件36通过其间的绝缘衬垫38装配到凸缘28上。金属盖子40围绕电感组件36，并被焊接到凸缘28上，以便提供密封环境42。电终端44被连接到电感组件36，并穿过凸缘28到达连接头46，该连接头46径向向外延伸且用于外部连接。凸缘28具有填充开口48，该填充开口48用于将增压填充气体引入电晕放电燃料点火器系统10的密封空间42中，此后该填充开口48被密封。
电晕放电燃料点火器系统10的电晕放电组件12，尤其是延伸至点火器开口50（该点火器开口50伸入到汽缸体52和燃烧室54中）内的金属外壳19，不具有外部的装配螺纹，点火器开口50也一样。这允许包括延伸到燃烧室54中的下部21的绝缘体14尺寸增加，或开口减小，或者两者皆可。作为装配螺纹的替代，电晕放电燃料点火器系统10具有一个或多个位于凸缘28中的装配孔56，紧固件58被容置于该装配孔56中，用于将电晕放电燃料点火器系统10装配到汽缸盖53中而不必依赖于非螺纹的首端23。
图11示出本发明的点火器系统的另一个例子。该点火器包括具有电接头端101的电晕放电组件，电导体或电线103被连接到该电接头端101。电感组件105被连接到电导体103。该电感组件105包括电感绕组107。
电感组件105被第一非陶瓷介电材料109围绕，该第一非陶瓷介电材料109是树脂介电材料。电感组件105还被硅橡胶的第二非陶瓷介电材料111围绕。
电晕放电燃料点火器系统进一步包括电晕放电端113。围绕电导体103的陶瓷介电绝缘体115位于电晕放电端113。
图11中的电晕放电燃料点火器系统被示出为在内燃机头部，该内燃机头部具有凸轮盖子和燃烧室。点火器系统被压紧凸缘117维持在适当位置。电流穿过电导体103，电晕放电端113发出的电晕流以点燃燃烧室中的燃料。
上面参照各种典型的和优选的实施例，对本发明的原理及运行方式进行了描述。如本领域技术人员所理解的，权利要求所限定的全部发明还包括没有在此处赘述的其它优选实施例。

Claims (9)

1.一种用于点燃内燃机中的燃料的方法，包括：
为电晕放电燃料点火器系统提供电流；
以射频电压的方式使至少一部分电流经由燃料点火器系统中的电导体穿过燃料点火器系统；
当电流穿过电导体时，以陶瓷介电材料围绕电导体的至少一部分，该陶瓷介电材料由至少一种铝或硅的氧化物或氮化物组成；以及
从燃料点火器系统发出电晕放电以点燃内燃机中的燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，射频电压随着电流被提供。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电感组件包括电阻和电感元件。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电感组件包括电阻、电感和电容元件。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电导体的至少一部分被非陶瓷介电材料围绕，该非陶瓷介电材料与所述陶瓷介电材料相连接。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非陶瓷介电材料具有不同于所述陶瓷介电材料的介电常数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷介电材料由氧化铝和二氧化硅组成。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷介电材料由不大于5wt%的至少一种钙、镁、锆或硼的氧化物组成。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非陶瓷介电材料由至少一种气体、树脂或聚合物介电材料组成。
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