CN113922212A - 电晕点火器组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种包括包括点火线圈组件的电晕点火器组件，所述点火线圈组件包括至少一根导线和由磁性材料形成的线圈支架。所述导线包括：包含铜基材料的导线芯；以及涂到所述导线芯上的涂层，所述涂层包括磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒包括石墨烯和氧化铁(Fe3O4)。所述导线围绕所述线圈支架缠绕以形成线圈，所述线圈支架围绕磁芯。还提供了一种对应的制造电晕点火器组件的方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月15日提交的美国实用专利申请号15/459,753的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
发明背景
1.发明领域
本发明大体上涉及用于点火器组件的点火线圈的导线、制造所述点火线圈的导线的方法，以及包括所述点火线圈的导线的点火器组件，所述点火器组件包括常规和电晕点火器组件。
2.相关技术
用于电晕放电点火系统中的电晕点火器组件通常包括点火线圈组件，所述点火线圈组件作为单个部件连接到点火端组件上。点火端组件包括中心电极，所述中心电极被充电至高射频电压电势，从而在燃烧室中产生强射频电场。电场使燃烧室内的燃料和空气混合物的部分电离并开始发生电介质击穿，从而促进燃料和空气混合物的燃烧。优选地，控制电场使得燃料和空气混合物保持介电性质并发生电晕放电，所述电场也称为非热等离子体。燃料和空气混合物的电离部分形成火焰峰，然后火焰峰自我维持并燃烧燃料和空气混合物的其余部分。优选地，电场还被控制使得燃料和空气混合物不会失去所有的介电特性，这将在电极与接地的气缸壁、活塞或点火器其他部分之间产生热等离子体和电弧。
常规点火器组件还包括点火线圈组件。在常规点火系统中，点火线圈组件可包括铜导线，以提供在发动机燃烧室内点燃燃料所需的频率和高压电场。但是，导线的交流电阻(趋肤效应和邻近效应)可能会对系统的电效率产生不利影响。散热不足也是一个问题。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于点火线圈组件的导线，所述导线能够提供减小的交流电阻、改善的散热、可靠性以及足够的机械支撑。导线包括导线芯和涂到导线芯上的涂层。导线芯包括铜基材料，涂层包括碳基材料、磁性纳米颗粒、铁、镍和钴中的至少一种。
本发明的另一方面提供了一种制造用于点火线圈组件的导线的方法。所述方法包括将涂层涂到导线芯上的步骤。导线芯包括铜基材料，涂层包括碳基材料、磁性纳米颗粒、铁、镍和钴中的至少一种。
本发明的另一方面提供了一种包括点火线圈组件的电晕点火器组件，所述点火线圈组件包括：
至少一根导线，所述导线包括：
包含铜基材料的导线芯，
涂到所述导线芯上的涂层，所述涂层包括磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒包括石墨烯和氧化铁(Fe3O4)；
由磁性材料形成的线圈支架，其中所述导线围绕所述线圈支架缠绕以形成线圈，所述线圈支架围绕磁芯。
本发明的另一方面提供了一种制造电晕点火器组件的方法，包括步骤：
将点火线圈组件连接到点火端组件，所述点火线圈组件包括至少一根导线，所述导线包括导线芯，所述导线芯包含铜基材料，所述导线包括涂到所述导线芯上的涂层且所述涂层包括磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒包括石墨烯和氧化铁(Fe3O4)，其中所述点火线圈组件还包括由磁性材料形成的线圈支架，所述导线围绕所述线圈支架缠绕以形成线圈，所述线圈支架围绕磁芯，其中所述点火线圈组件还包括围绕所述线圈和所述线圈支架的线圈壳体。
附图的简要说明
本发明的其他优点将容易理解，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述本发明变得更好理解，其中：
图1为根据一示例性实施例的电晕点火器组件的透视图，所述电晕点火器组件包括连接至点火端组件的点火线圈组件；
图2为根据一示例性实施例的磁芯、线圈支架和缠绕在导线支架上的导线的放大剖视图；以及
图3、图4A、图4B、图5A和图5B是根据示例性实施例的用于点火线圈组件的导线的剖视图。
具体实施方式
图1大体显示了电晕点火器组件20，所述电晕点火器组件用于在包含燃料和气体混合物的燃烧室中接收高射频电压并分布射频电场以提供电晕放电。电晕点火器组件20包括点火线圈组件22、点火端组件24和围绕点火线圈组件22并将点火线圈组件22连接到点火端组件24的延伸部26。点火线圈组件22包括至少一根导线28，所述导线28用于以第一电压从电源接收能量，并以大于第一电压的第二电压将能量传输至点火端组件24。导线28可以实现导线28中减小的交流电阻及改善散热。导线28也是可靠的，并具有足够的机械支撑。
如图所示，点火线圈组件22可以仅包括一根导线28，该导线通常是缠绕上的并称为绕组。可替代地，点火线圈组件22可以包括多根导线28，也称为绞线。例如，导线28可以形成任何类型的“利兹”导线，所述“利兹”导线通常由一束绞合、绝缘的实心导线制成，也称为绞线。
在图2的示例性实施例中，点火线圈组件22的导线28围绕电晕点火组件20的中心轴A。在该实施例中，导线28围绕由磁性材料制成的线圈支架30缠绕，线圈支架30围绕磁芯32。但是，导线28可以是直的。另外，磁芯32可以存在或可以不存在。例如，可以在没有磁芯32的情况下，以1MHz操作点火线圈组件22。此外，改进的导线28可以充当“分布式”磁芯，在这种情况下，磁芯32不实用。另外，在1MHz下，磁芯32会由于涡电流和磁场饱和和而遭受损耗，因此可能不希望如此。如图1所示，点火线圈组件22通常还包括围绕导线28的导电线圈壳体34。在示例性实施例中，壳体34被密封并被填充有电绝缘材料。
改进的点火线圈的导线28可以具有几种不同的设计，每种设计都能够提供减小的交流电阻和改善的散热。图3、图4A、图4B、图5A和5B显示了根据示例性实施例的点火线圈的导线28的横截面，导线28可以是直的或围绕中心轴线A缠绕。所显示的每个横截面可以代表导线28中的单个实体导线，例如点火线圈组件22中仅有的直的或缠绕的导线28，或形成利兹导线线束中的导线28的一根。在每个示例性实施例中，导线28包括导线芯36，导线芯36包括铜基材料。导线芯36通常完全由铜基材料组成，而铜基材料通常由铜或铜合金组成。在示例性实施例中，导线芯36的直径在1μm至10mm的范围内。
点火线圈组件22中的导线28还包括涂到导线芯36的涂层38。涂层38通常包括碳基材料和磁性纳米颗粒或磁性纳米颗粒基材料中的至少一种，或由碳基材料和磁性纳米颗粒或磁性纳米颗粒基材料中的至少一种组成。碳基材料可以包括石墨烯和/或碳纳米管，或由石墨烯和/或碳纳米管组成。可以使用单壁纳米管或多壁纳米管。根据一个示例性实施例，磁性纳米颗粒基材料包括石墨烯和氧化铁(Fe3O4)，或氧化石墨烯。磁性纳米颗粒可以是超顺磁性纳米颗粒。当缠绕导线28以形成绕组时，磁性纳米颗粒或磁性纳米颗粒基材料可增加点火线圈组件22的电感。
根据另一个实施例，涂层38包括铁、镍和/或钴，或由铁、镍和/或钴组成。这些导电磁性材料可被镀在导线芯36上，它们可被单独使用，或与碳基材料和/或磁性纳米颗粒或磁性纳米颗粒基材料一起使用。涂层38通常还包括绝缘材料，例如搪瓷。
涂层38可以包括单层。但是通常，如图3、图4A、图4B、图5A和图5B所示，涂层38包括多个层40、42和44。例如，涂层38中层40、42和44的一层可以包括碳基材料或磁性纳米颗粒基材料，或由碳基材料或磁性纳米颗粒基材料组成，而涂层38中层40、42和44的其它层可以包括绝缘材料或由绝缘材料组成。通常，层40、42和44中的至少一层包括石墨烯和/或碳纳米管，和/或层40、42和44中的至少一层包括磁性纳米粒子基材料。在示例性实施例中，涂层38中层40、42和44的每一层的厚度在10nm至1mm范围内。
如图3所示的示例性实施例中，导线28的涂层38包括第一层40和第二层42，第一层40包括直接配置在导线芯36上的石墨烯和/或碳纳米管，第二层42包括直接配置在第一层40上且设置在第一层40外侧的绝缘材料。在此实施例中，绝缘材料是搪瓷。这种类型的导线28可以被称为“混合导线”。图3的导线28可以提供增加的电导率和热导率，因此与传统的铜导线相比，导线28的交流电阻减小，散热效果更好。
在图4a的示例性实施例中，第一层40包括绝缘材料且被直接配置在导线芯36上。涂层38的第二层42包括磁性纳米颗粒基材料且被直接配置在所述第一层40上，并被设置在第一层40的外侧。在图4B的示例性实施例中，第一层40包括磁性纳米颗粒基材料且被直接配置在导线芯36上。涂层38的第二层42包括绝缘材料且被直接配置在第一层40上，并被设置在第一层40的外侧。在这些示例中，绝缘材料是搪瓷。图4A和4B的导线28都可以被称为“纳米磁镀导线”。图4A和4B中的导线28可以提供增加的电感，用作沿着点火线圈组件22“分布”的磁芯。图4A和4B中的导线28还可以减小铜导线芯36内的磁场渗透，因此减小相邻导线之间的邻近效应，从而减小交流电阻。
在图5A的示例性实施例中，第一层40包括石墨烯和/或碳纳米管且被直接配置在导线芯36上。涂层38的第二层42包括绝缘材料且被直接配置在第一层40上，并被设置在第一层40的外侧。在该实施例中，涂层38还包括第三层44，该第三层44包括磁性纳米颗粒基材料，所述磁性纳米颗粒基材料直接配置在第二层42上，并被设置在第二层42的外侧。在图5B的示例性实施例中，第一层40包括石墨烯和/或碳纳米管且被直接配置在导线芯36上。第二层42包括磁性纳米颗粒基材料且被直接配置在第一层40上，并被设置在第一层的外侧。第三层44包括绝缘材料且被直接配置在第二层42上，并被设置在第二层42的外侧。在这些示例中，绝缘材料是搪瓷。图5A和5B的导线28都可以被称为“混合-纳米磁镀导线”。图5A和6B的导线28包括涂层材料的组合以同时增加电感、电导率和热导率。需要注意，如果图5A和5B设计中的磁性纳米颗粒基材料是良好的绝缘体(例如，但不限于包括Fe3O4的氧化石墨烯)，则磁性纳米颗粒基材料具有绝缘功能而可以去除绝缘体搪瓷层。与常规磁性涂层(例如，镍)相比，绝缘磁性纳米颗粒基材料可以进一步减小绕线28中的涡电流，从而提供减小的交流电阻，并因此提供更好的性能。
根据以上讨论，如示例性实施例中所示，点火线圈组件22的导线28可以包括单根导线。或者，点火线圈组件22可包括多条导线28，每条导线包括上述导线芯36和涂层38。例如，示例性实施例中所示的导线28可以用作任何类型的利兹线的单股线。
如图1所示，包括至少一根导线28的点火线圈组件22通过延伸部26连接到点火端组件24，所述延伸部26通常包括金属管。在示例性实施例中，点火端组件24包括沿中心轴线A延伸的中心电极(未示出)，其用于接收来自点火线圈组件22的能量并在燃烧室中以射频电场的形式分配能量以点燃燃料和空气混合物。在示例性实施例中，所述中心电极包括具有多个尖头的点火尖端44，所述尖头位于所述中心电极的末端。点火端组件24还包括通常由陶瓷材料形成的绝缘体46，所述绝缘体46配置在中心电极周围。在此实施例中，点火端组件24包括由设置在绝缘体46周围的金属形成的壳48。延伸部26通常将点火端组件24的壳48连接至点火线圈组件22的线圈壳体34。注意，图1的设计只是一个示例。点火线圈组件22、延伸部26和点火端组件24可以包括各种其他设计，其中点火线圈组件22包含改进的线圈导线28。
本发明的另一方面提供了一种制造本文所述导线28的方法，所述方法包括将涂层38涂到导线芯36的步骤。本发明的另一方面提供了一种制造上述电晕点火器组件20的方法，所述方法包括将包含至少一根导线28的点火线圈组件22连接至点火端组件24的步骤。
根据以上教导，本发明可能有许多种修改和变型，且可以在权利要求的范围内以不同于具体描述的方式来实践。也可以认为，所有权利要求和实施例的所有特征可以彼此组合，只要这样的组合不会彼此矛盾即可。
Claims (15)
1.一种电晕点火器组件，包括点火线圈组件，其特征在于，所述点火线圈组件包括：
至少一根导线，所述导线包括：
包含铜基材料的导线芯，
涂到所述导线芯上的涂层，所述涂层包括磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒包括石墨烯和氧化铁(Fe3O4)；
由磁性材料形成的线圈支架，其中所述导线围绕所述线圈支架缠绕以形成线圈，所述线圈支架围绕磁芯。
2.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述点火线圈组件还包括围绕所述线圈和所述线圈支架的线圈壳体。
3.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述涂层包括多个层，所述层中的至少一层包括所述磁性纳米颗粒。
4.根据权利要求3所述的电晕点火器组件，其中，所述多个层包括第一层，所述第一层包括配置在所述导线芯上的绝缘材料，所述多个层包括第二层，所述第二层包括配置在所述第一层外侧的所述磁性纳米颗粒。
5.根据权利要求3所述的电晕点火器组件，其中，所述多个层包括第一层，所述第一层包括配置在所述导线芯上的所述磁性纳米颗粒，所述多个层包括第二层，所述第二层包括配置在所述第一层外侧的绝缘材料。
6.根据权利要求3所述的电晕点火器组件，其中，所述多个层包括第一层、第二层和第三层，所述第一层包括配置在所述导线芯上的石墨烯和/或碳纳米管，所述第二层包括配置在所述第一层外侧的绝缘材料，所述第三层包括配置在所述第二层外侧的所述磁性纳米颗粒。
7.根据权利要求3所述的电晕点火器组件，其中，所述多个层包括第一层、第二层和第三层，所述第一层包括配置在所述导线芯上的石墨烯和/或碳纳米管，所述第二层包括配置在所述第一层的外侧的所述磁性纳米颗粒，所述第三层包括配置在所述第二层外侧的绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述涂层包括绝缘材料。
9.根据权利要求8所述的电晕点火器组件，其中，所述绝缘材料包括搪瓷。
10.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述导线芯的所述铜基材料由铜或铜合金组成。
11.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述导线芯的直径在1μm至10mm的范围内。
12.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述涂层包括多个层，每个层的厚度在10nm至1mm的范围内。
13.根据权利要求2所述的电晕点火器组件，其中，所述导线芯由铜基材料组成，所述铜基材料用于以第一电压从电源接收能量并且以大于所述第一电压的第二电压将所述能量传输至点火端组件，
所述铜基材料由铜或铜合金组成，
所述导线芯的直径在1μm至10mm的范围内，
所述涂层包括多个层，所述多个层包括至少第一层和第二层，
所述涂层的所述第一层包括磁性纳米颗粒，
所述涂层的所述第二层包括绝缘材料，
所述涂层的所述绝缘材料包括搪瓷，以及
所述涂层的每一层的厚度在10nm至1mm的范围内。
14.根据权利要求13所述的电晕点火器组件，其中，所述点火线圈组件的所述导线围绕中心轴线，
所述点火端组件包括沿所述中心轴线延伸的中心电极，所述中心电极用于接收来自所述线圈的能量并以射频电场的形式将能量分布在燃烧室中以点燃燃料和空气的混合物，
所述中心电极包括具有多个尖头的点火尖端，所述尖头位于所述中心电极的末端，
所述点火端组件包括由陶瓷材料形成的绝缘体，所述绝缘体被设置在所述中心电极周围，
所述点火端组件包括由金属形成的壳，所述壳被设置在所述绝缘体周围，以及
由金属制成的管将所述点火端组件的所述壳连接至所述点火线圈组件的所述线圈壳体。
15.一种制造电晕点火器组件的方法，包括步骤：
将点火线圈组件连接到点火端组件，所述点火线圈组件包括至少一根导线，所述导线包括导线芯，所述导线芯包含铜基材料，所述导线包括涂到所述导线芯上的涂层且所述涂层包括磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒包括石墨烯和氧化铁(Fe3O4)，其中所述点火线圈组件还包括由磁性材料形成的线圈支架，所述导线围绕所述线圈支架缠绕以形成线圈，所述线圈支架围绕磁芯，其中所述点火线圈组件还包括围绕所述线圈和所述线圈支架的线圈壳体。
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