CN109162852A - 具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器 - Google Patents

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Abstract

具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器,属于动力领域，为解决现有火花塞/点火器能在大空间燃烧室发动机上应用的问题，绝缘定位套包括能与环壁扣接以定位的定位环，该定位环开出短阳极环孔、长阳极开孔，并由短阳极环孔以下用绝缘材料形成向下封闭的容置短阳极的短环槽，多个短阳极限位于短环槽内，多个短阳极间以绝缘介质短环槽延及所述下部的第一径值维持段内，长阳极由长阳极开孔贯穿而出并延及至出口段，短环槽环绕长阳极，长阳极与短环槽间具有中空，效果是采用介质阻挡放电‑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。

Description

具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器
技术领域
本发明属于动力领域，涉及一种具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器。
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。
现有的发动机用火花塞结构如图1所示，采用热平衡等离子体放电原理，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电压作用下，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。
现有火花塞放电时往往会伴随很高的温升，易导致点火能量利用率低并影响电极寿命；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
为解决现有火花塞/点火器能在大空间燃烧室发动机上应用的问题，并进一步解决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，本发明提出如下技术方案：
一种具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器，包括壳体、长阳极、短阳极、阳极绝缘定位套及接地电极，在壳体内装设有接地电极，接地电极围接形成内凹的空心柱体，其分为两部，上部包括大径值维持段、小径值维持段，下部包括第一径值维持段、第一径值渐小段、第二径值维持段、第二径值渐小段，且大径值维持段与小径值维持段间的连接因径值快速减小而由接地电极形成水平向的环壁，所述的绝缘定位套包括能与环壁扣接以定位的定位环，该定位环开出短阳极环孔、长阳极开孔，并由短阳极环孔以下用绝缘材料形成向下封闭的容置短阳极的短环槽，多个短阳极限位于短环槽内，多个短阳极间以绝缘介质短环槽延及所述下部的第一径值维持段内，长阳极由长阳极开孔贯穿而出并延及至出口段，短环槽环绕长阳极，长阳极与短环槽间具有中空，且第一径值维持段的径值较小径值维持段略大以使得接地电极与的内壁与短环槽的外壁间具有中空，该中空与长阳极与短环槽间的中空作为第一电离空间，在下部的第二径值维持段、第二径值渐小段，长阳极与接地电极内壁间的中空形成第二电离空间。
进一步的，所述的长阳极自长阳极开孔伸出并延及出口段，在出口段其径值渐减小并至于出口段而成尖端。
进一步的，所述的长阳极位于定位环上端的部分具有长阳极紧固螺母以卡接在定位环的上端面。
进一步的，所述的第二径值维持段附近的接地电极的外围形成安装螺栓孔，且安装螺栓孔的外围安装定位法兰。
进一步的，所述的长阳极由长阳极紧固螺母被紧固于所述绝缘定位套的上段面，且长极位于较为中央的位置，短阳极以长阳极为圆心环绕于长阳极，该较为中央的位置是绝缘定位套和/或壳体的中央位置。
有益效果：本发明采用介质阻挡放电-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。
附图说明
图1现有发动机用火花塞典型结构图；
图2本发明点火器结构示意图；
图3点火器应用于内燃机时的点火控制框图；
图4点火器应用于其他发动机及燃烧器时的点火控制框图。
1.短阳极，2.长阳极，3.长阳极紧固螺母，4.绝缘定位套，5.接地电极，6.过渡区，7.第一电离空间，8.第二电离空间，9.第一径值维持段，10.第一径值渐小段，11.第二径值维持段，12.第二径值渐小段，13.定位法兰，14.定位环，15.短环槽。
具体实施方式
实施例1：一种具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器，该方案结构如图2所示，包括一个位于中心的长阳极2、多个位于四周的短阳极1、一个接地电极5、一个阳极绝缘定位套4和一个长阳极2紧固螺母；所述长阳极2安装于点火器中心位置，并固定在阳极绝缘定位套4中心位置；所述短阳极1数量为两个以上，呈环形布置在长电极外侧、并安装在阳极绝缘定位套4上；所述接地电极5通过绝缘定位套4固定短阳极1与长阳极2；所述长阳极2紧固螺母用于将长阳极2固定在绝缘定位套4上。所述接地电极5下端有一用于安装该等离子点火器的定位法兰13。根据需要，该定位法兰13也可设置于其他位置。
实施例2：一种具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器，包括壳体、长阳极2、短阳极1、阳极绝缘定位套4及接地电极5，在壳体内装设有接地电极5，接地电极5围接形成内凹的空心柱体，其分为两部，上部包括大径值维持段、小径值维持段，下部包括第一径值维持段9、第一径值渐小段10、第二径值维持段11、第二径值渐小段12，且大径值维持段与小径值维持段间的连接因径值快速减小而由接地电极5形成水平向的环壁，所述的绝缘定位套4包括能与环壁扣接以定位的定位环14，该定位环14开出短阳极1环孔、长阳极2开孔，并由短阳极1环孔以下用绝缘材料形成向下封闭的容置短阳极1的短环槽15，多个短阳极1限位于短环槽15内，多个短阳极1间以绝缘介质分隔，短环槽15延及所述下部的第一径值维持段9内，长阳极2由长阳极2开孔贯穿而出并延及至出口段，短环槽15环绕长阳极2，长阳极2与短环槽15间具有中空，且第一径值维持段9的径值较小径值维持段略大以使得接地电极5与的内壁与短环槽15的外壁间具有中空，该中空与长阳极2与短环槽15间的中空作为第一电离空间7，在下部的第二径值维持段11、第二径值渐小段12，长阳极2与接地电极5内壁间的中空形成第二电离空间8。
所述的长阳极2自长阳极2开孔伸出并延及出口段，在出口段其径值渐减小并至于出口段而成尖端。所述的长阳极2位于定位环14上端的部分具有长阳极2紧固螺母以卡接在定位环14的上端面。所述的第二径值维持段11附近的接地电极5的外围形成安装螺栓孔，且安装螺栓孔的外围安装定位法兰13。所述的长阳极2由长阳极2紧固螺母被紧固于所述绝缘定位套4的上端面，且长极位于较为中央的位置，短阳极1以长阳极2为圆心环绕于长阳极2，该较为中央的位置是绝缘定位套4和/或壳体的中央位置。上述述及的径值是指柱体的直径或半径的值。上述方案，工作气体是从点火器最下端的入口进入。相对于电极(尤其是接地电极)，工作气体在放电之前温度就已经很高了。工作气体沿着第二电离空间-隔离空间-第一电离空间内向上流动时，接触到低温的接地电极会有一定的热量从气体传递给接地电极，这会导致工作气体温度下降。这样，在第一电离空间内开始DBD放电时，由于工作气体温度下降，导致DBD放电的不完善(因为放电会引起电离反应，气体温度越高电离反应越容易、越彻底)，影响放电效果。因此，本发明采取增加接地电极绝缘套的方案，减少工作气体在向上运动阶段的热损失(绝缘套采用高分分子材料或者陶瓷材料，不宜导热)。而且，放电后生成的是活性粒子，流经金属壁面的话会造成活性粒子数量急剧减少。使用增加的接地电极绝缘套，它是不导电的，所以也具有保护活性粒子的作用。
点火器的点火方法如下，短阳极与长阳极由电源分别单独供电，点火启动，电源以较低电压供电使得短阳极与接地电极之间由隔离而发生介质阻挡放电，且长阳极与接地电极之间由阳极绝缘定位套隔离而发生介质阻挡放电，于第一电离空间生成非平衡等离子体，介质阻挡放电对气体产生流场扰动及加热，已被电离的气体向下运动至第二电离空间，电源电压升高并仅对长阳极供电，使得接地电极与长阳极之间发生电弧放电，位于第二电离空间内的混合气迅速发生点火及燃烧反应；
所述第一电离空间、第二电离空间的形成方法：绝缘定位套的定位环开出短阳极环孔、长阳极开孔，并由短阳极环孔以下用绝缘材料形成向下封闭的容置短阳极的短环槽，将短阳极限位于短环槽内，短环槽延及所述下部的第一径值维持段内，长阳极由长阳极开孔贯穿而出并延及至出口段，短环槽环绕长阳极，长阳极与短环槽间具有中空，且第一径值维持段的径值较小径值维持段略大以使得接地电极与的内壁与短环槽的外壁间具有中空，该中空与长阳极与短环槽间的中空作为第一电离空间，在下部的第二径值维持段、第二径值渐小段，长阳极与接地电极内壁间的中空形成第二电离空间。
实施例3：本方案涉及点火器主要由多个位于四周的短阳极、一个位于中心的长阳极、一个接地电极、一个阳极绝缘定位套和一个长阳极紧固螺母组成。
由于点火器与发动机燃烧室相连通，因此第一电离空间及第二电离空间内存在可燃的空气-燃料混合气。
工作时，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，位于第一电离空间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。由于此时电压较低，在第二电离空间内不发生电弧放电。
由于介质阻挡放电对气体还具有流场扰动及加热作用，已被电离的气体在此作用下向下运动，经过过渡区进入第二电离空间。
具有较高反应活性的非平衡等离子体进入第二电离空间后，电源电压升高(例如：1.5-2万伏)，此时短阳极断电、长阳极通电。在高电压作用下长阳极与接地电极之间发生电弧放电。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。
该方案的控制策略是：
(1)活塞式发动机(往复式或旋转式活塞)
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，此时记为时间t1。此时，短阳极与接地电极放电，在第一电离空间内形成介质阻挡放电，位于第一电离空间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第二电离空间。
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，在第二电离空间内形成电弧放电，位于第二电离空间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。
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，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)其他发动机及燃烧器
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，此时记为时间t1。此时，短阳极与接地电极放电，在第一电离空间内形成介质阻挡放电，位于第一电离空间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第二电离空间。
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，在第二电离空间内形成电弧放电，位于第二电离空间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。
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，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。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但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 (5)

1.一种具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，包括壳体、长阳极(2)、短阳极(1)、阳极绝缘定位套(4)及接地电极(5)，在壳体内装设有接地电极(5)，接地电极(5)围接形成内凹的空心柱体，其分为两部，上部包括大径值维持段、小径值维持段，下部包括第一径值维持段(9)、第一径值渐小段(10)、第二径值维持段(11)、第二径值渐小段(12)，且大径值维持段与小径值维持段间的连接因径值快速减小而由接地电极(5)形成水平向的环壁，所述的绝缘定位套(4)包括能与环壁扣接以定位的定位环(14)，该定位环(14)开出短阳极(1)环孔、长阳极(2)开孔，并由短阳极(1)环孔以下用绝缘材料形成向下封闭的容置短阳极(1)的短环槽(15)，多个短阳极(1)限位于短环槽(15)内，多个短阳极(1)间以绝缘介质分隔，短环槽(15)延及所述下部的第一径值维持段(9)内，长阳极(2)由长阳极(2)开孔贯穿而出并延及至出口段，短环槽(15)环绕长阳极(2)，长阳极(2)与短环槽(15)间具有中空，且第一径值维持段(9)的径值较小径值维持段略大以使得接地电极(5)与的内壁与短环槽(15)的外壁间具有中空，该中空与长阳极(2)与短环槽(15)间的中空作为第一电离空间(7)，在下部的第二径值维持段(11)、第二径值渐小段(12)，长阳极(2)与接地电极(5)内壁间的中空形成第二电离空间(8)。
2.如权利要求1所述的具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述的长阳极(2)自长阳极(2)开孔伸出并延及出口段，在出口段其径值渐减小并至于出口段而成尖端。
3.如权利要求1所述的具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述的长阳极(2)位于定位环(14)上端的部分具有长阳极(2)紧固螺母(3)以卡接在定位环(14)的上端面。
4.如权利要求1所述的具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述的第二径值维持段(11)附近的接地电极(5)的外围形成安装螺栓孔，且安装螺栓孔的外围安装定位法兰(13)。
5.如权利要求1所述的具有多阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述的长阳极(2)由长阳极(2)紧固螺母(3)被紧固于所述绝缘定位套(4)的上段面，且长极位于较为中央的位置，短阳极(1)以长阳极(2)为圆心环绕于长阳极(2)，该较为中央的位置是绝缘定位套(4)和/或壳体的中央位置。
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