CN109083797A - 一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，包括位于接地电极中的短阳极、长阳极、阳极绝缘定位套；在接地电极的上部一端设置有倾斜向下的进气口a，倾斜向下的进气口b位于接地电极的上部另一端，所述进气口a、进气口b与电离空间a相连通；在所述长阳极的下端开有周向布置、倾斜向下的数个进气斜孔。由于用于点火的燃料及空气均由进气口通入，不需要主燃烧室内的混合气倒流，因此可以根据点火情况采用控制经进气口a的空气及经进气口b的燃料流量的方法控制位于电离空间a及电离空间b中混合气的当量比，达到根据实际工况改善电离及点火效果的目的。

Description

一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器
技术领域
本发明涉及一种等离子体点火器，具体说是一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器。
背景技术
天然气作为一种清洁能源已经广泛被用作发动机燃料。在车用动力领域，以CNG为燃料的乘用车及载重车辆日益增多；在船舶动力领域，CNG及LNG动力船舶已成为“中国制造2025”规划中的重点研究方向。与汽油相比，作为气体燃料的天然气需要更大的点火能量，这导致在实际使用中即使小缸径的车用天然气发动机也难以使用单火花塞点燃天然气，因此不得不采用汽油引燃的方式使发动机正常工作。这导致了系统复杂、成本升高、可靠性下降等一系列问题。因此，有必要采取新型点火技术、采用相对简单的结构，实现天然气的高效点火及燃烧，使天然气发动机能够在单一燃料模式下稳定、可靠的工作。
传统的发动机用火花塞结构如图1所示，结构上一般由一个中心电极及与其距离较近的一个或数个侧电极组成。工作时，点火线圈为中心电极供电，电压高达1.5-2万伏。在中央电极及侧电极间的高压差下，气体被击穿，在中心电极及侧电极之间的狭小空间内形成高温放电通道，点火及燃烧开始。
现有技术的缺点为：(1)现有火花塞往往伴随很高的温升，易导致点火能量利用率低并影响电极寿命；(2)点火范围仅位于中心电极及侧电极之间的狭小空间，应用于大缸径发动机或不易点燃的燃料(如天然气)时，由于点火能量过小易导致点火可靠性变差。
发明内容
为解决现有热平衡等离子体点火器技术方案在大空间燃烧室发动机以及天然气发动机上应用时点火能量小、点火可靠性差、点火能量利用率低等问题，本申请提供一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，包括位于接地电极中的短阳极、长阳极、阳极绝缘定位套；所述长阳极具有空心结构，安装于点火器中心位置，并将长阳极固定在阳极绝缘定位套中心孔中；所述短阳极数量为多个，呈环形布置在长阳极外周，多个短阳极安装在阳极绝缘定位套壁体中；所述接地电极通过绝缘定位套固定短阳极与长阳极；部分阳极绝缘定位套与接地电极之间形成一电离空间a，长阳极的中下部与接地电极之间形成一收缩加速段，长阳极的下部与接地电极之间形成一电离空间b,所述电离空间a、收缩加速段和电离空间b相连通；在接地电极的上部一端设置有倾斜向下的进气口a，倾斜向下的进气口b位于接地电极的上部另一端，所述进气口a、进气口b与电离空间a相连通；在所述长阳极的下端开有周向布置、倾斜向下的数个进气斜孔。
进一步的，所述收缩加速段的截面呈等腰梯形。
进一步的，电离空间a还包括长阳极与阳极绝缘定位套之间形成的空间。
进一步的，电离空间b还包括长阳极底部区域。
进一步的，本申请还包括阳极紧固螺母，位于长阳极与阳极绝缘定位套之间，该阳极紧固螺母与阳极采用螺纹连接。
进一步的，本申请还包括阳极绝缘定位套压板，用于固定接地电极与阳极绝缘定位套之间的相对位置。
更进一步的，所述接地电极下部设有一用于安装该等离子点火器的定位法兰。
更进一步的，所述长阳极的顶端伸出阳极绝缘定位套裸露在外。
更进一步的，所述短阳极的顶端伸出阳极绝缘定位套裸露在外。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本方案采用介质阻挡放电-电弧放电组合放电的模式，能够将非平衡等离子体的稀燃极限宽、反应活性大，以及热平衡等离子体的工作气压高等优势结合起来，达到在宽广的燃空比范围内实现高能、稳定点火的目的；而且，由于用于点火的燃料及空气均由进气口通入，不需要主燃烧室内的混合气倒流，因此可以根据点火情况采用控制经进气口a的空气及经进气口b的燃料流量的方法控制位于电离空间a及电离空间b中混合气的当量比，达到根据实际工况改善电离及点火效果的目的。同时，在具有空心结构的阳极中通入少量空气，能够达到为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动以改善燃烧的效果。
附图说明
图1为背景技术中传统的发动机用火花塞结构示意图；
图2为本申请的剖视图；
图3为应用于内燃机时的点火控制策略图；
图4为应用于其他发动机及燃烧器时的点火控制策略图；
图5为本申请的俯视图。
图中序号说明：1、进气口a；2、短阳极；3、长阳极；4、阳极绝缘定位套压板；5、阳极紧固螺母；6、阳极绝缘定位套；7、接地电极；8、进气口b；9、电离空间a；10、收缩加速段；11、定位法兰；12、电离空间b；13、进气斜孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
如图2-5所示，本实施例提供一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，包括多个位于四周的短阳极、位于中心的长阳极、接地电极、阳极绝缘定位套、阳极紧固螺母和阳极绝缘定位套压板；所述长阳极具有空心结构，安装于点火器中心位置，并固定在阳极绝缘定位套中心位置；在所述长阳极的下端，开有周向布置、倾斜向下的数个进气斜孔，用于将少量电离空间b内形成的高活性粒子引入空气通道；所述短阳极数量不少于两个，呈环形布置在长电极外侧、并安装在阳极绝缘定位套上；所述接地电极通过阳极绝缘定位套固定短阳极与长阳极；所述阳极紧固螺母位于长阳极与绝缘定位套之间，与长阳极采用螺纹连接；所述阳极绝缘定位套压板用于固定接地电极与阳极绝缘定位套的相对位置；所述接地电极上设置有两个进气口，分别用于通入空气及燃料，所述两个进气口与接地电极分别呈切向且向下倾斜的布置方式，用来在电离空间a内产生向下的旋流；所述接地电极下端有一用于安装该等离子点火器的定位法兰，根据需要该定位法兰也可设置于其他位置。
长阳极及短阳极由电源分别供电。工作时，分别由进气口a及进气口b通入一定量的空气及燃料。电源首先以较低电压为短阳极供电(例如：1万伏以下)，此时长阳极不通电；在较低电压下，接地电极-阳极绝缘定位套-短阳极之间、以及长电极(此时相当于接地电极)-阳极绝缘定位套-短阳极之间发生介质阻挡放电，位于电离空间a的气体在外加电场作用下发生电离，生成自由电子及带有正电荷阳离子组成的非平衡等离子体，化学反应活性提高。
进气口a及进气口b持续通入空气及燃料。由于进气口a及进气口b与接地电极切向布置、且向下倾斜，因此通入的空气及燃料在电离空间a内形成向下的旋流；具有较高反应活性的非平衡等离子体流经收缩加速段进入电离空间b，此时进气口a及进气口b关闭，短阳极断电。随即电源以更高的电压(例如：1.5-2万伏)为长阳极供电。在高电压作用下长阳极与接地电极之间发生电弧放电。在长阳极通电的同时，长阳极中的空气通道通入空气，此部分空气不参与电离反应，所起作用是为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动以改善燃烧。由于空气通道内的空气呈电中性，在一定程度上会抑制燃烧反应，因此少量电离空间b内形成的高活性气体通过进气斜孔进入空气通道中，用以适当提高空气通道中的空气活性，促进燃烧反应进行；由于此时混合气的反应活性已经提高，因此点火及燃烧反应迅速发生。火焰将以大体积火焰炬的形式从喷口冲出，进入发动机燃烧室，引燃位于燃烧室内的可燃的空气-燃料混合气。
具体的，上述点火器的控制方法包括在活塞式发动机上的控制方法、在其他发动机及燃烧器的控制方法；
(1)在活塞式发动机(往复式或旋转式活塞)上的控制方法具体为：曲轴位置传感器判断曲轴位置，若当前曲轴转角未到设定值，则继续判断；若已到设定值，则由ECU对电源输出低压放电指令。
电源接到放电指令后，向短阳极输出某一较低电压U1，记为时间t1。此时，短阳极与接地电极之间、短阳极与长阳极之间分别放电，在电离空间a内形成介质阻挡放电，位于电离空间a内的气体被电离成非平衡等离子体。随即，被电离气体向下运动，经Δt时间经过隔离空间进入电离空间b。
在t1+Δt时刻，低压放电指令终止，短阳极断电。此时，ECU对电源输出高压放电指令，电源向长阳极输出某一较高电压U2(U2>U1)。此时，长阳极与接地电极放电，在电离空间b内形成电弧放电，位于电离空间b内具有很高反应活性的非平衡等离子体被点燃，燃烧反应开始。火焰以火焰炬的形式冲出喷口，进入到主燃烧室。长阳极放电的同时，ECU输出控制指令，向长阳极的空气通道通入空气，用于长阳极冷却，此部分空气冲出喷口，对火焰射流流场产生扰动，促进燃烧效果。
ECU读取缸压传感器信号。若缸压p大于某一设定值p1,则认为点火成功，ECU继续读取曲轴位置传感器信号，进行下一循环点火。若缸压p小于p1，则认为点火失败，此时ECU对电源输出指令，以U2+ΔU对长阳极放电，同时增加经进气口进入的燃料流量，并继续读取缸压信号，直至点火成功为止；若当放电电压一直增加至设定值U3(U3>U2)时、或燃料流量增加到某一设定值时仍判断点火失败，为保证点火电极安全终止放电，此循环不再点火。
(2)在其他发动机及燃烧器的控制方法具体为：ECU对电源发出低压放电指令。电源接到放电指令后，向短阳极输出某一较低电压U1，记为时间t1。此时，短阳极与接地电极之间、短阳极与长阳极之间分别放电，在电离空间a内形成介质阻挡放电，位于电离空间a内的气体被电离成非平衡等离子体。随即，被电离气体向下运动，经Δt时间经过隔离空间进入电离空间b。
在t1+Δt时刻，低压放电指令终止，短阳极断电。此时，ECU对电源输出高压放电指令，电源向长阳极输出某一较高电压U2(U2>U1)。此时，长阳极与接地电极放电，在电离空间b内形成电弧放电，位于电离空间b内具有很高反应活性的非平衡等离子体被点燃，燃烧反应开始。火焰以火焰炬的形式冲出喷口，进入到主燃烧室。长阳极放电的同时，ECU输出控制指令，向长阳极的空气通道通入空气，用于长阳极冷却，此部分空气冲出喷口，对火焰射流流场产生扰动，促进燃烧效果。
ECU读取温度传感器信号，获取燃烧室内温度T。若温度T大于某一设定值T1,则认为点火成功，随即高压放电指令终止，长阳极断电，点火过程结束。若温度T小于T1，则认为点火失败，此时ECU对电源输出指令，以U2+ΔU对长阳极放电，同时增加经进气口进入的燃料流量，并继续读取温度信号，直至点火成功为止；若当放电电压一直增加至设定值U3(U3>U2)时、或燃料流量增加到某一设定值时仍判断点火失败，为保证点火电极安全终止放电，并输出故障报警信号。
本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，包括位于接地电极中的短阳极、长阳极、阳极绝缘定位套；所述长阳极具有空心结构，安装于点火器中心位置，并将长阳极固定在阳极绝缘定位套中心孔中；所述短阳极数量为多个，呈环形布置在长阳极外周，多个短阳极安装在阳极绝缘定位套壁体中；所述接地电极通过绝缘定位套固定短阳极与长阳极；部分阳极绝缘定位套与接地电极之间形成一电离空间a，长阳极的中下部与接地电极之间形成一收缩加速段，长阳极的下部与接地电极之间形成一电离空间b,所述电离空间a、收缩加速段和电离空间b相连通；在接地电极的上部一端设置有倾斜向下的进气口a，倾斜向下的进气口b位于接地电极的上部另一端，所述进气口a、进气口b与电离空间a相连通；在所述长阳极的下端开有周向布置、倾斜向下的数个进气斜孔。
2.根据权利要求1所述一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，所述收缩加速段的截面呈等腰梯形。
3.根据权利要求1所述一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，电离空间a还包括长阳极与阳极绝缘定位套之间形成的空间。
4.根据权利要求1所述一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，电离空间b还包括长阳极底部区域。
5.根据权利要求1所述一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，本申请还包括阳极紧固螺母，位于长阳极与阳极绝缘定位套之间，该阳极紧固螺母与阳极采用螺纹连接。
6.根据权利要求1所述一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，本申请还包括阳极绝缘定位套压板，用于固定接地电极与阳极绝缘定位套之间的相对位置。
7.根据权利要求1所述一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，所述接地电极下部设有一用于安装该等离子点火器的定位法兰。
8.根据权利要求1所述一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，所述长阳极的顶端伸出阳极绝缘定位套裸露在外。
9.根据权利要求1所述一种具有出气斜孔及多阳极结构的等离子体点火器，其特征在于，所述短阳极的顶端伸出阳极绝缘定位套裸露在外。
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