CN109340017A - 一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器 - Google Patents

Abstract

一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，属于发动机领域。包括中心阳极、接地电极、环状阳极和绝缘定位套；所述绝缘定位套上有安装中心阳极的通孔和安装环状阳极的环状沟槽，绝缘定位套上端有向外伸出的安装台，接地电极上端有与安装台配合连接的安装槽，绝缘定位套位于接地电极的内部。本发明的结构实现介质阻挡放电‑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。

Description

一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器。

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，以压缩天然气为燃料的乘用车及载重车辆日益增多；在船舶动力领域，压缩天然气及液化天然气动力船舶已成为“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。

传统的发动机采用火花塞结构，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；但是现有火花塞工作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，同时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(例如天然气)时，由于点火能量过小易导致点火可靠性变差；同时其工作模式无法根据发动机的实际工况灵活切换。

发明内容

为解决现有火花塞结构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、点火能量利用率低的问题，本发明提供了一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，包括中心阳极、接地电极、环状阳极和绝缘定位套；所述绝缘定位套具有通孔，所述通孔中设有中心阳极，所述绝缘定位套的壁体上开设有安装环状阳极的环状沟槽，绝缘定位套顶部有向外伸出的安装台，接地电极顶部有与安装台配合连接的安装槽，绝缘定位套位于接地电极的内部。

进一步的，所述绝缘定位套包括内壁和外壁，内壁环绕形成通孔，内壁与外壁之间为环状沟槽，安装台位于外壁顶部，内壁上端有定位槽，定位槽与环状阳极上端的定位台配合连接。

进一步的，所述环状阳极的顶面与内壁的顶面、中心阳极的顶面位于同一平面，外壁的顶面与接地电极的顶面位于同一平面，外壁的顶面低于内壁的顶面。

进一步的，所述接地电极上设置固定螺栓，固定螺栓与绝缘定位套螺纹连接。

进一步的，所述接地电极底部设置出口；中心阳极下端从绝缘定位套底部伸出，出口的开口处对应中心阳极下端。

进一步的，所述接地电极内包括电离空间A、隔离空间和电离空间B，电离空间A环绕部分绝缘定位套的侧壁，隔离空间位于绝缘定位套底部，隔离空间下面为电离空间B。

进一步的，所述接地电极外侧设置有进气口A和进气口B，进气口A和进气口B连通电离空间A。

进一步的，所述接地电极下端外侧设置有凸台，凸台上设置螺纹孔形成定位法兰。

进一步的，所述中心阳极下端伸入隔离空间和电离空间B；环状阳极底面高于隔离空间。

本发明的有益效果是：本发明的结构实现介质阻挡放电-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；在整个放电过程中，中心阳极及环状阳极各自独立工作、互不干涉，因此电离空间A内只发生介质阻挡放电，电离空间B内只发生电弧放电；并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，因此可以根据助燃室内的实际工况进行点火模式、助燃模式的灵活切换，达到根据实际工况改善电离及点火效果的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明应用于活塞式发动机上的控制策略示意图；

图4为本发明应用于除活塞式发动机以外的其他发动机及燃烧器上的控制策略示意图。

图中1.中心阳极，2.接地电极，3.进气口B，4.出口，5.环状阳极，6.定位法兰，7.固定螺栓，8.绝缘定位套，9.进气口A，10.安装台，11.外壁，12.内壁，13.定位台，14.电离空间A，15.隔离空间，16.电离空间B。

具体实施方式

实施例1

一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，包括中心阳极1、接地电极2、环状阳极5和绝缘定位套8；所述绝缘定位套8上有安装中心阳极1的通孔和安装环状阳极5的环状沟槽，绝缘定位套8上端有向外伸出的安装台10，接地电极2上端有与安装台10配合连接的安装槽，绝缘定位套8位于接地电极2的内部。

所述绝缘定位套8包括内壁12和外壁11，内壁12环绕形成通孔，内壁12与外壁11之间为环状沟槽，安装台10位于外壁11顶部，内壁12上端有定位槽，定位槽与环状阳极5上端的定位台13配合连接。

所述环状阳极5的顶面与内壁12的顶面、中心阳极1的顶面位于同一平面，外壁11的顶面与接地电极2的顶面位于同一平面，外壁11的顶面低于内壁12的顶面。

所述接地电极2上设置固定螺栓7，固定螺栓7与绝缘定位套8螺纹连接。

所述接地电极2底部设置出口4；中心阳极1下端从绝缘定位套8底部伸出，出口4的开口处对应中心阳极1下端。

所述接地电极2内包括电离空间A14、隔离空间15和电离空间B16，电离空间A14环绕绝缘定位套8的侧壁，隔离空间15位于绝缘定位套8底部，隔离空间15下面为电离空间B16。

所述接地电极2外侧设置有进气口A9和进气口B3，进气口A9和进气口B3连通电离空间A14。

所述接地电极2下端外侧设置有凸台，凸台上设置螺纹孔形成定位法兰6。

所述中心阳极1下端伸入隔离空间15和电离空间B16；环状阳极5底面高于隔离空间15。

工作时，分别由进气口A9和进气口B3通入一定量的空气及燃料，由氧传感器判断当量比Φ，当Φ<1时为稀薄工况，因此需要较大的点火能量保证稀薄条件下的正常可靠点火，此时，环状阳极5不工作，待空气-燃料混合气运动至助燃激励器出口4位置时，中心阳极1高压放电，将位于出口4位置的电离空间B16内的燃料-空气混合气点燃，随后火焰冲入发动机燃烧室；中心阳极1放电后迅速断电。

当Φ≥1时，此时处于当量比燃烧或富油工况，为改善燃烧效率应提高反应物的反应活性；因此，在进气口A9和进气口B3通入空气及燃料的同时，环状阳极5放电，将位于电离空间A14内的燃料-空气混合气电离，生成具有高反应活性的活性粒子；由于电离空间A14较大，环状阳极5距离助燃激励器出口4距离较近、且环状阳极5持续放电，因此电离生成的活性粒子在经助燃激励器出口4进入发动机燃烧室时仍大量存在，能够改善发动机的燃烧效果。

在整个放电过程中，中心阳极1及环状阳极5各自独立工作、互不干涉，因此电离空间A14内只发生介质阻挡放电，电离空间B16内只发生电弧放电；并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，因此可以根据助燃室内的实际工况进行点火模式、助燃模式的灵活切换，达到根据实际工况改善电离及点火效果的目的。

实施例2

本实施例为本发明应用于活塞式发动机上的控制策略，尤其是应用在往复式或旋转式活塞的活塞式发动机上。

1.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，则由氧传感器判断此时的当量比Φ，进气口A9和进气口B3分别通入燃料及空气，记此时为t0时刻；以t0时刻为起点，燃料-空气混合气首次充满电离空间B16的时刻记为t1时刻。

2.若Φ<1，则ECU对电源发出高压供电指令(例如：1.5-2万伏)；电源在t1时刻对中心电极1进行高压供电，在电离空间B16内形成电弧放电，燃料-空气混合气被点燃，火焰炬冲入发动机燃烧室，引燃主燃室内的燃料。

3.若Φ≥1，则ECU对电源发出低压供电指令(例如：1万伏以下)；电源在t0时刻即开始为环状阳极5供电，在电离空间A14内形成介质阻挡放电，此时位于电离空间A14内的燃料-空气混合气在电场的作用下被电离，形成高活性的等离子体基团并随即冲入发动机燃烧室中，提高主燃室中燃料的反应活性、改善燃烧。

因此在需要较大的点火能量保证稀薄条件下的正常可靠点火时，环状阳极5不工作，待燃料-空气混合气运动至助燃激励器出口4位置时，中心阳极1高压放电，将位于出口4位置的电离空间B16内的燃料-空气混合气点燃，随后火焰冲入发动机燃烧室，中心阳极1放电后迅速断电。

4.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/助燃成功，ECU继续读取曲轴位置传感器信号，进行下一循环点火/助燃；若缸压p小于p1，则认为点火/助燃失败，此时ECU对电源输出指令，以U2+ΔU对阳极放电，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/助燃成功为止；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/助燃失败，为保证助燃激励器的安全终止放电，此循环不再放电。

实施例3

本实施例为本发明应用于除活塞式发动机以外的其他发动机及燃烧器上的控制策略。

1.由氧传感器判断此时的当量比Φ，进气口A9和进气口B3分别通入燃料及空气，记此时为t0时刻；以t0时刻为起点，燃料-空气混合气首次充满电离空间B16的时刻记为t1时刻。若Φ<1，ECU对电源发出高压供电指令(例如：1.5-2万伏)，在t1时刻电源对中心电极1进行高压供电，则在电离空间B16内形成电弧放电，燃料-空气混合气被点燃，火焰炬冲入燃烧室，引燃燃烧室内的燃料。

2.若Φ≥1，ECU对电源发出低压供电指令(例如：1万伏以下)；电源在t0时刻即开始为环状阳极5供电，在电离空间A14内形成介质阻挡放电，位于电离空间A14内的燃料-空气混合气在电场的作用下被电离，形成高活性的等离子体基团并随即冲入燃烧室中，提高燃烧室中燃料的反应活性、改善燃烧。

3.ECU读取燃烧室内的温度传感器信号，若温度T大于某一设定值T1,则认为点火/助燃成功，ECU继续读取温度信号；若温度T小于T1，则认为点火/助燃失败，此时ECU对电源输出指令，以U2+ΔU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/助燃成功为止；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/助燃失败，为保证助燃激励器的安全终止放电，此循环不再放电。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，包括中心阳极(1)、接地电极(2)、环状阳极(5)和绝缘定位套(8)；所述绝缘定位套(8)具有通孔，所述通孔中设有中心阳极(1)，所述绝缘定位套(8)的壁体上开设有安装环状阳极(5)的环状沟槽，绝缘定位套(8)顶部有向外伸出的安装台(10)，接地电极(2)顶部有与安装台(10)配合连接的安装槽，绝缘定位套(8)位于接地电极(2)的内部。

2.根据权利要求1所述的一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，所述绝缘定位套(8)包括内壁(12)和外壁(11)，内壁(12)环绕形成通孔，内壁(12)与外壁(11)之间为环状沟槽，安装台(10)位于外壁(11)顶部，内壁(12)上端有定位槽，定位槽与环状阳极(5)上端的定位台(13)配合连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，所述环状阳极(5)的顶面与内壁(12)的顶面、中心阳极(1)的顶面位于同一平面，外壁(11)的顶面与接地电极(2)的顶面位于同一平面，外壁(11)的顶面低于内壁(12)的顶面。

4.根据权利要求4所述的一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，所述接地电极(2)上设置固定螺栓(7)，固定螺栓(7)与绝缘定位套(8)螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，所述接地电极(2)底部设置出口(4)；中心阳极(1)下端从绝缘定位套(8)底部伸出，出口(4)的开口处对应中心阳极(1)下端。

6.根据权利要求1所述的一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，所述接地电极(2)内包括电离空间A(14)、隔离空间(15)和电离空间B(16)，电离空间A(14)环绕部分绝缘定位套(8)的侧壁，隔离空间(15)位于绝缘定位套(8)底部，隔离空间(15)下面为电离空间B(16)。

7.根据权利要求6所述的一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，所述接地电极(2)外侧设置有进气口A(9)和进气口B(3)，进气口A(9)和进气口B(3)连通电离空间A(14)。

8.根据权利要求1所述的一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，所述接地电极(2)下端外侧设置有凸台，凸台上设置螺纹孔形成定位法兰(6)。

9.根据权利要求6所述的一种具有助燃与点火双工作模式的等离子体助燃激励器，其特征在于，所述中心阳极(1)下端伸入隔离空间(15)和电离空间B(16)；环状阳极(5)底面高于隔离空间(15)。