CN109253021A - 具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器 - Google Patents

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Abstract

具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，属于动力领域，为了解决现有火花塞/点火器技术方案在大空间燃烧室发动机上应用、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,以及接地电极分体导致的制造、装配困难的问题，绝缘套的外周是接地电极，下阳极与其周围的接地电极具有水平空心距离并形成空间，绝缘套中容置上阳极的极槽未触及绝缘套的底部并形成与底部的隔离距离，该隔离距离与绝缘套容置下阳极过渡段的安装槽基本等高，效果是加长了绝缘套下端配合形成隔离空间，接地电极可以做为一体，不用使用上下两个接地电极，制造、装配更为容易。

Description

具有组合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，涉及一种具有组合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，因此不得不采用其他燃料引燃或设置预燃室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
为了解决现有火花塞/点火器技术方案在大空间燃烧室发动机上应用、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,以及接地电极分体导致的制造、装配困难的问题，本发明提出如下技术方案：
一种具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，包括壳体、绝缘套、上阳极、下阳极，下阳极包括顺序一体成型的下阳极连接段、过渡段及下阳极放电段，所述的下阳极的上部安装于绝缘套中，上阳极安装在下阳极的外周的绝缘套中，在绝缘套中的下阳极的上部与上阳极间具有绝缘隔离层，绝缘套的外周是接地电极，下阳极与其周围的接地电极具有水平空心距离并形成空间，绝缘套中容置上阳极的极槽未触及绝缘套的底部并形成与底部的隔离距离，该隔离距离与绝缘套容置下阳极过渡段的安装槽基本等高，所述过渡段的径值略大于下阳极连接段的径值，且下阳极放电段的径值大于过渡段的径值，以在过渡段安装在安装槽内而使上台面与所述绝缘隔离层横向相抵而不触及其附近的上阳极，并使下阳极放电段的起始端面与绝缘套的底部横向相抵，由下阳极过渡段其外围的绝缘套的绝缘层对应的空间为隔离空间。
进一步的，绝缘套以上对应的空间是第一电离空间，绝缘套以下对应的空间是第二电离空间。
进一步的，所述的过渡段占据下阳极高度的8％～11％。
进一步的，所述的隔离空间至壳体底端的出口段附近，空心柱体的径值开始呈渐小趋势，下阳极自绝缘套伸出并延及出口段，且在出口段其径值渐减小并至于出口段而成尖端。
进一步的，所述的绝缘套的上端呈环形并延伸作为定位环，接地电极具有适配定位环的环形槽对其容置形成上端固定和限位，并由定位台的上台面与所述绝缘隔离层横向相抵及下阳极放电段的起始端面与绝缘套的底部横向相抵形成下端固定和限位。
进一步的，由固定螺栓紧固定位环与接地电极。
进一步的，绝缘套的上端相对于定位环具有因容置下阳级而向上的突起，并在突起的上方覆有开槽的盖体，该盖体由紧固螺栓将其与固定位环和接地电极紧固。
进一步的，在出口段附近的接地电极延及横向圆管，其上具有竖向安装螺纹孔。
进一步的，所述横向圆管端部安装定位法兰。
进一步的，所述接地电极是一体成型的电极。
有益效果：本发明加长了绝缘套下端配合形成隔离空间，接地电极可以做为一体，不用使用上下两个接地电极，制造、装配更为容易；同时，以绝缘套下端形成隔离空间，无需使用接地电极绝缘套，接地电极可以做得比较薄，整体尺寸减小。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绝缘套结构示意图；
图4下阳极结构示意图；
图5上阳极结构示意图；
图6接地电极结构示意图；
图7固定螺栓结构示意图；
图8点火器应用于内燃机时的点火控制框图；
图9点火器应用于其他发动机及燃烧器时的点火控制框图。
1.固定螺栓，2.绝缘套，3.上阳极，4.接地电极，5.第一电离空间，6.隔离空间，7.第二电离空间，8.下阳极，8-1.下阳极连接段，8-2.过渡段，8-3.下阳极放电段。
具体实施方式
实施例1：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，本发明提出一种具有组合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，包括一个上阳极3、一个下阳极8、一个接地电极4、一个绝缘套2及一个固定螺栓1组成。所述下阳极8位于点火器中心位置，由位于上部较细的下阳极连接段8-1、位于下部较粗的下阳极放电段8-3及两者之间的下阳极8过渡段8-2组成；所述下阳极连接段8-1为细杆状结构，外侧与绝缘套2相接触；所述下阳极放电段8-3为粗杆状结构，用于进行电弧放电；所述下阳极8过渡段8-2表面加工有螺纹，用于将下阳极8固定在绝缘套2上；所述上阳极3为以点火器中心为旋转轴的筒状结构，安装在绝缘套2的上阳极3安装槽内，用于进行介质阻挡放电；所述绝缘套2位于上阳极3与下阳极8之间，用于上、下阳极8的固定，并同时与上电极组成介质阻挡放电结构；所述接地电极4位于点火器的径向最外围，用于固定绝缘套2、下阳极8、上阳极3，其下端有一用于安装该等离子点火器的定位法兰，用于将点火器整体固定在其他结构上；所述固定螺栓1位于绝缘套2顶端与接地电极4顶端所构成平面的上部，用于限定二者相对位置；所述接地电极4与绝缘套2之间的空间上部构成第一电离空间5，用于实现介质阻挡放电；所述接地电极4与绝缘套2之间的空间下部构成隔离空间6，用于将介质阻挡放电区域控制在第一电离空间5内，该隔离空间6的形成，主要是由绝缘套2通过过渡段8-2的延长，使得绝缘套2延长而阻隔过渡段8-2和接地电极4，该方式使得接地电极4可以为一体式，无需分成上接地电极4、下接地电极4，使点火器的空间内部结构实现了紧凑安装，所述接地电极4与下阳极8之间的空间构成第二电离空间7，用于实现电弧放电。
实施例2：一种具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，包括壳体、绝缘套2、上阳极3、下阳极8，下阳极8包括顺序一体成型的下阳极连接段8-1、过渡段8-2及下阳极放电段8-3，所述的下阳极8的上部安装于绝缘套2中，上阳极3安装在下阳极8的外周的绝缘套2中，在绝缘套2中的下阳极8的上部与上阳极3间具有绝缘隔离层，绝缘套2的外周是接地电极4，下阳极8与其周围的接地电极4具有水平空心距离并形成空间，绝缘套2中容置上阳极3的极槽未触及绝缘套2的底部并形成与底部的隔离距离，该隔离距离与绝缘套2容置下阳极8过渡段8-2的安装槽基本等高，所述过渡段8-2的径值略大于下阳极连接段8-1的径值，且下阳极放电段8-3的径值大于过渡段8-2的径值，以在过渡段8-2安装在安装槽内而使上台面与所述绝缘隔离层横向相抵而不触及其附近的上阳极3，并使下阳极放电段8-3的起始端面与绝缘套2的底部横向相抵，由下阳极8过渡段8-2其外围的绝缘套2的绝缘层对应的空间为隔离空间6。绝缘套2以上对应的空间是第一电离空间5，绝缘套2以下对应的空间是第二电离空间7。所述的过渡段8-2占据下阳极8高度的8％～11％。本发明加长了绝缘套下端配合形成隔离空间，接地电极可以做为一体，不用使用上下两个接地电极，制造、装配更为容易；同时，以绝缘套下端形成隔离空间，无需使用接地电极绝缘套，接地电极可以做得比较薄，整体尺寸减小。
所述的隔离空间6至壳体底端的出口段附近，空心柱体的径值开始呈渐小趋势，下阳极8自绝缘套2伸出并延及出口段，且在出口段其径值渐减小并至于出口段而成尖端。所述的绝缘套2的上端成型环形延伸而作为定位环，接地电极4具有适配定位环的环形槽对其容置形成上端固定和限位，并由定位台的上台面与所述绝缘隔离层横向相抵及下阳极放电段8-3的起始端面与绝缘套2的底部横向相抵形成下端固定和限位。上述述及的径值是指柱体的直径或半径的值。
由固定螺栓1紧固定位环与接地电极4。绝缘套2的上端相对于定位环具有因容置下阳级而向上的突起，并在突起的上方覆有开槽的盖体，该盖体由紧固螺栓将其与固定位环和接地电极4紧固。在出口段附近的接地电极4延及横向圆管，其上具有竖向安装螺纹孔。所述横向圆管端部安装定位法兰。所述接地电极4是一体成型的电极。
点火方法如下，点火启动，电源以较低电压为上阳极供电以在上接地电极与上阳极之间由绝缘套绝缘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，第一电离空间与第二电离空间由隔离空间隔离，被电离的气体向下运动并至第二电离空间，电源电压升高使下阳极与下接地电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；所述隔离电离空间形成如下：下阳极与其周围的接地电极具有水平空心距离并形成空间，由下阳极过渡段其外围的绝缘套的绝缘层对应的空间为隔离空间。
实施例3：上述实施例1和2的方案的点火的实施方法如下：由于点火器与发动机燃烧室相联通，因此第一电离空间、隔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上阳极供电(例如：1万伏以下)；在较低电压下，上阳极-绝缘套-接地电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。由于此时下阳极不通电，因此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，经过隔离空间进入第二电离空间。
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)，在高电压作用下接地电极与下阳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。
在整个放电过程中，由于绝缘套的存在，隔绝了第一电离空间及第二电离空间。因此，第一电离空间内只发生介质阻挡放电，第二电离空间内只发生电弧放电。
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，向上阳极输出某一较低电压U1，此时记为时间t1。此时，上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，上阳极断电。此时，ECU对电源输出高压放电指令，电源向下阳极输出某一较高电压U2(U2>U1)。此时，下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对下阳极放电，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，向上阳极输出某一较低电压U1，此时记为时间t1。此时，上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，上阳极断电。此时，ECU对电源输出高压放电指令，电源向下阳极输出某一较高电压U2(U2>U1)。此时，下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，下阳极断电，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对下阳极放电，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 (10)

1.一种具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，包括壳体、绝缘套(2)、上阳极(3)、下阳极(8)，下阳极(8)包括顺序一体成型的下阳极连接段(8-1)、过渡段(8-2)及下阳极放电段(8-3)，所述的下阳极(8)的上部安装于绝缘套(2)中，上阳极(3)安装在下阳极(8)的外周的绝缘套(2)中，在绝缘套(2)中的下阳极(8)的上部与上阳极(3)间具有绝缘隔离层，绝缘套(2)的外周是接地电极(4)，下阳极(8)与其周围的接地电极(4)具有水平空心距离并形成空间，其特征在于，绝缘套(2)中容置上阳极(3)的极槽未触及绝缘套(2)的底部并形成与底部的隔离距离，该隔离距离与绝缘套(2)容置下阳极(8)过渡段(8-2)的安装槽基本等高，所述过渡段(8-2)的径值略大于下阳极连接段(8-1)的径值，且下阳极放电段(8-3)的径值大于过渡段(8-2)的径值，以在过渡段(8-2)安装在安装槽内而使上台面与所述绝缘隔离层横向相抵而不触及其附近的上阳极(3)，并使下阳极放电段(8-3)的起始端面与绝缘套(2)的底部横向相抵，由下阳极(8)过渡段(8-2)其外围的绝缘套(2)的绝缘层对应的空间为隔离空间(6)。
2.如权利要求1所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，绝缘套(2)以上对应的空间是第一电离空间(5)，绝缘套(2)以下对应的空间是第二电离空间(7)。
3.如权利要求1或2所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述的过渡段(8-2)占据下阳极(8)高度的8％～11％。
4.如权利要求1所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述的隔离空间(6)至壳体底端的出口段附近，空心柱体的径值开始呈渐小趋势，下阳极(8)自绝缘套(2)伸出并延及出口段，且在出口段其径值渐减小并至于出口段而成尖端。
5.如权利要求1所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述的绝缘套(2)的上端成型环形延伸而作为定位环，接地电极(4)具有适配定位环的环形槽对其容置形成上端固定和限位，并由定位台的上台面与所述绝缘隔离层横向相抵及下阳极放电段(8-3)的起始端面与绝缘套(2)的底部横向相抵形成下端固定和限位。
6.如权利要求1所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，由固定螺栓(1)紧固定位环与接地电极(4)。
7.如权利要求1所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，绝缘套(2)的上端相对于定位环具有因容置下阳级而向上的突起，并在突起的上方覆有开槽的盖体，该盖体由紧固螺栓将其与固定位环和接地电极(4)紧固。
8.如权利要求1所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，在出口段附近的接地电极(4)延及横向圆管，其上具有竖向安装螺纹孔。
9.如权利要求8所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述横向圆管端部安装定位法兰。
10.如权利要求1所述的具有组合阳极结构的双放电模式等离子体点火器，其特征在于，所述接地电极(4)是一体成型的电极。
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