CN102913365B - 一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器 - Google Patents

Abstract

一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器。绝缘套位于绝缘保护套内，并且该绝缘套的一端位于至阴极内。阳极导通杆位于绝缘套内，并且该阳极导通杆的一端装入阳极的中心孔内。绝缘保护套一端安装在固定座内。阳极位于阴极内。所述的瞬态等离子体点火器上有混合气通道。本发明利用高能纳秒脉冲放电，形成局部高温区域，并激发大量的活性粒子，在极短的时间内点燃可燃混合气。本发明点火面积大，能够在多点点燃混合气；点火时间极短具有更短的点火延迟时间；点火能量可以更好的与气体混合物耦合，点火区域的大分子碳氢燃料被电离成活化能小的活性粒子，使混合气的化学反应速率更快，反应时间更短，点火成功率高。

Description

一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器

技术领域

本发明涉及发动机领域，具体是一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器。

背景技术

目前，各类动力装置燃烧室中普遍采用火花塞点火方式。火花塞点火依据点火的热理论，在点火瞬间(火花塞放电瞬间)，使其周围的混合气体温度急速升高，使得这个小体积内的放热反应开始进行。

火花塞点火过程的点火能量利用率低，大约只有5％～20％的能量被利用来加热混合气，大部分的能量被用来加热电极，点火延迟时间长，而且只能在很小的区域内实现单点点火。目前，采用贫油预混燃烧可以提高内燃机的燃油经济性，同时大幅降低NO_x、HC和CO的排放。采用传统的火花塞点火很难可靠、快速地引燃燃烧室里贫油预混的可燃混合气，处在贫油下限附近的混合气很容易出现熄火现象，这是由于火花塞自身固有的局限性造成的。

2007年，美国海军研究生院研制出了一种应用于脉冲爆震发动机（Pulse DetonationEngine，简称PDE）的瞬态等离子体点火器（Transient Plasma Ignition，简称TPI），瞬态等离子体点火器结构如附图1所示。瞬态等离子体点火器由高压电极、陶瓷、环形多孔套管和安装支座等组成。瞬态等离子体点火器工作时，高压电极连接高压电源，裸露在混合气中的高压电极与环形多孔套管之间放电，电离并加热环形多孔套管中的可燃混合气，最后点着环形多孔套管中的混合气。

随着化石燃料储量的不断减少和各国排放法规的日益严格，现代动力装置面临着提高热效率和降低污染物排放的双重挑战。目前，采用贫油预混燃烧可以提高内燃机的燃油经济性，同时大幅降低NOx、HC和CO的排放。采用传统的火花塞点火很难可靠、快速地引燃燃烧室里贫油预混的可燃混合气，处在贫油下限附近的混合气很容易出现熄火现象，这是由于火花塞自身固有的局限性造成的。

火花塞点火过程的点火能量利用率低，大约只有5％～20％的能量被利用来加热混合气，大部分的能量被用来加热电极，点火延迟时间长，而且只能在很小的区域内实现单点点火。

瞬态等离子体点火是利用高能脉冲放电，形成局部高温区域，并激发大量的活性粒子，实现快速的点燃可燃混合气。瞬态等离子体点火能克服传统火花塞点火的许多不足，其优点为：点火区域大，能够在多点点燃混合气；点火时间极短；点火能量可以更好的与气体混合物耦合，点火区域的大分子碳氢燃料被电离成活化能小的活性粒子，使混合气的化学反应速率更快，反应时间更短，点火成功率高。

2007年，美国海军研究生院研制了瞬态等离子体点火器，其原理结构图和照片如附图1所示。瞬态等离子体点火器由高压电极、陶瓷、多孔套管和安装支座等组成。瞬态等离子体点火器工作时，高压电极连接高压电源，裸露在混合气中的高压电极与环形多孔套管之间放电，电离并加热环形多孔套管中的可燃混合气，最后点着环形多孔套管中的混合气。瞬态等离子体点火器能够快速的点燃可燃混合气，并且具有更短的点火延迟时间，在多点点燃可燃混合气，点火成功率高。

美国海军研究生院研制的点火器高压电极为实心圆柱形，适用于高电压放电，对电源要求较高，低电压条件下，不利于放电。

发明内容

为克服现有技术中存在的瞬态等离子体点火器在低电压下不利于放电的不足，降低对电源的要求，增大点火面积，本发明提出了一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器。

本发明的技术方案之一包括阳极、阴极、绝缘套、阳极导通杆、固定座、绝缘保护套和阴极连接杆；绝缘套位于绝缘保护套内，并且该绝缘套的一端伸入至阴极的两个阴极连接杆之间；阳极导通杆位于绝缘套内，并且该阳极导通杆的一端装入阳极的中心孔内；绝缘保护套一端安装在固定座内；阴极的两个阴极连接杆的一端固定在固定座的外圆表面；阳极位于阴极内；所述阳极内部有十字加强筋，该十字加强筋与阳极的外环之间形成混合气通道。阴极的内径大于阳极的外径，使所述的阳极装入阴极中后，阳极的外表面与阴极的内表面之间形成了放电点火区。

本发明的另一个技术方案包括阳极、绝缘套、阳极导通杆、绝缘保护套、阴极、爆震管、进气孔和固定座；绝缘套位于绝缘保护套内，并且该绝缘套的一端伸入至阴极的两个阴极连接杆之间；阳极导通杆位于绝缘套内，并且该阳极导通杆的一端装入阳极的中心孔内；绝缘保护套一端安装在固定座内；以爆震管作为阴极，并且该爆震管的外壳上对称分布有一对进气孔，形成混合气通道。

所述的两个技术方案中：阳极导通杆的中心线与所述阳极1的中心线重合。绝缘套的内径与阳极导通杆的外径相同；一端端面处有径向凸出的防回流台。阳极的外表面有螺纹。

本发明的阴极和阳极采用耐高温、导电能力强的金属或合金加工而成。工作时在阳极输入高压脉冲，阴极接地，高压脉冲击穿并电离阴、阳极之间的混合气，快速点燃可燃混合气。改变阳极的直径大小调节阴极与阳极之间的距离，或改变瞬态等离子体点火器的输入电压和电流，控制击穿的强度和工作气体的电离度，从而达到调节点火器点火强度的目的。

本发明中的阳极为中空管状薄壁结构，薄壁结构使电荷集中在阳极表面，更有利于放电。阳极内部为空心，空心的内部通道可以流通混合气，外部为螺纹表面，螺纹表面更容易形成尖端放电，阳极与阳极连接段之间采用螺纹连接，阳极的内部可采用十字加强筋或多孔结构连接。

阴极与阳极为同轴的中空管。阴极内径大于阳极的外径，阴极和阳极之间的间隙为放电点火区，阴极可由两根或多根阴极连接杆固定在安装座上，使混合气进入点火区。阴极连接杆与阴极之间可以通过焊接获螺纹等方式固定。

绝缘套采用耐高温绝缘材料制成，覆盖阳极表面，既绝缘又耐高温，用于隔离阴极和阳极，从而提高能量利用率；绝缘套外部由绝缘保护套包裹保护。绝缘保护套内部有防回流凸台，用来防止燃烧室中的气体回流；绝缘保护套的有防回流凸台一端通过外螺纹与固定座固定，另一端通过外螺纹与高压电源连接，将高压电输入阳极连接段。

与美国海军研究生院研制的阳极为实心圆柱形瞬态等离子体点火器相比较，本发明的点火器具有以下优点：

当两种点火器阳极与阴极的放电距离相等时，基于环形放电的瞬态等离子点火器具有更大的点火面积。

当两种点火器在输入相同的击穿电压时，基于环形放电的瞬态等离子点火器的击穿流注更多，更有利于点燃混合气。

当两种点火器的点火面积相等时，基于环形放电的瞬态等离子点火器阳极与阴极的放电距离更小，击穿电压更小，更有利于放电击穿混合气。

附图说明

附图1是美国海军研究生院研制的阳极为实心圆柱形瞬态等离子体点火器示意图；

附图2是本发明的基于环形放电的瞬态等离子点火器正面剖视图，其中图2a是本发明的主视图，图2b是本发明主视图的A向剖视图；

附图3是阴极和阴极连接段的侧剖视图；

附图4是阳极的侧剖视图；

附图5是改为多孔结构的阳极侧剖视图；

附图6是固定座的右侧视图；

附图7是在脉冲爆震发动机中的应用实例。图中：

1.阳极        2.阴极        3.绝缘套  4.阳极导通杆  5.固定座

6.绝缘保护套  7.阴极连接杆  8.加强筋  9.爆震管      10.进气孔

具体实施方式

实施实例一

本实施例是一种基于环形放电的瞬态等离子点火器，用于内燃机的点火，包括阳极1、阴极2、绝缘套3、阳极导通杆4、固定座5、绝缘保护套6和阴极连接杆7。如附图2所示。阴极2一端的端面对称分布有轴向凸出一对阴极连接杆7，并且该两个阴极连接杆7的另一端固定在固定座5的外圆表面。阳极1位于阴极2内。绝缘保护套6的一端位于固定座5的内孔中。绝缘套3安装在所述绝缘保护套6的内孔中，并且该绝缘套3的一端伸入至阴极2的两个阴极连接杆7之间。

所述的阳极1为环形，采用耐高温合金材料GH3039制成。在所述阳极1一端的内表面有十字形的加强筋8，在该加强筋8的十字的中心有的阳极导通杆通孔；所述阳极导通杆通孔的中心线与所述阳极1的中心线重合。

所述的阳极导通杆4为杆件，采用耐高温合金材料制成。阳极导通杆4的外形为阶梯状。阳极导通杆4一端的大直径段的直径与绝缘套3内孔中的大孔径段配合；阳极导通杆4小直径段的直径与绝缘套3内孔中的小孔径段配合。阳极导通杆4的一端与阳极1的中心孔配合。

阴极2为环形套筒状。该阴极2的内径大于阳极1的外径，使所述的阳极1装入阴极2中后，阳极1的内表面与阴极2的外表面之间的间距为6mm，形成了放电点火区。在该阴极2一端的端面对称分布一对沿轴向延伸的阴极连接杆7，所述一对阴极连接杆之间的间距与阴极2的内径相同。在所述一对阴极连接杆的端头处有贯通的连接孔，通过该连接孔用螺钉将该阴极连接杆与固定座5的外圆周表面固定。

绝缘套3为中空管状，用陶瓷材料制成。所述绝缘套3的内孔为台阶状，在该绝缘套3一端为大孔径段。该绝缘套3大孔径段的孔径与阳极导通杆4大直径段的直径相同；该绝缘套3小孔径段的孔径与阳极导通杆4小直径段的直径相同。该绝缘套3大孔径段与小孔径段衔接处的台阶形成了阳极导通杆4的定位面。所述绝缘套3的外圆表面亦为台阶状，并且所述的绝缘套3台阶状的外圆表面与绝缘保护套6台阶状的内圆表面相契合。装配时，绝缘套3包裹在阳极导通杆4的外表面，保护套6套装在绝缘套3的一端，阳极导通杆4的一端装入位于阳极1中心的阳极导通杆通孔内。

绝缘套3的内径与阳极导通杆4的外径相同；一端端面处有径向凸出的防回流台；绝缘套3包裹在阳极导通杆4的外表面。绝缘套3陶瓷制成，既绝缘又耐高温，用来隔离阴极2和阳极导通杆4，从而提高能量利用率。绝缘套3外部由绝缘保护套6包裹保护。

固定座5为中空回转体。固定座5内孔的孔径与保护套6的外径相同；所述固定座5的外径与两根阴极连接杆7内表面之间的间距相同，并且在固定座5的外圆周表面对称的分布有螺钉孔。在该固定座5一端的外圆周表面由径向凸出的法兰，在所述法兰上分布均匀有8个连接孔。

本实施例中，阳极1内部采用十字加强筋8固定，阳极1与阳极导通杆4之间通过螺纹连接，阳极1的外端截面与阴极的外端截面平齐。阳极1内部的十字加强筋8与阳极1的外环之间的孔用于流通混合气。阳极1的外表面采用螺纹，螺纹表面更容易形成尖端放电。

阴极2使用两根阴极连接杆7与固定座5之间使用两个沉头螺钉固定，阴极2的宽度比阳极1的宽度稍大。阴极2与阳极1同轴，并且阴极2内径大于阳极1的外径，阳极1的外表面与阴极2的内表面之间的间隙为放电点火区。

绝缘保护套6内部有防回流凸台，防回流凸台的尺寸与绝缘套3的尺寸匹配。通过防回流凸台防止燃烧室中的气体回流；绝缘保护套6的有防回流凸台一端通过外螺纹与固定座5固定。阳极连接段、绝缘套和绝缘保护套通过绝缘保护套的外螺纹与高压电源连接。固定座5使用法兰与发动机燃烧室固定。

工作时在阳极导通杆4输入高压脉冲并传送至阳极1，阴极2接地，高压脉冲击穿并电离阳极1和阴极2之间的混合气，快速点燃可燃混合气。改变阳极1的直径大小调节阳极1与阴极2之间的距离，或改变瞬态等离子体点火器的输入电压和电流，控制击穿的强度和工作气体的电离度，从而达到调节点火器点火强度的目的。

实施例二

本实施例是应用于脉冲爆震发动机的一种基于环形放电的瞬态等离子点火器，包括阳极1、绝缘套3、阳极导通杆4、绝缘保护套6、十字加强筋8、爆震管9、进气孔10和固定座5。结构如附图7所示。

本实施例中，以爆震管9充当阴极，与阳极1之间放电点火。所述爆震管9的进口端通过螺钉固定在固定座5一端的端面上。绝缘保护套6的一端装入固定座5的中心孔内，绝缘套3的一端装入所述绝缘保护套6内，并且该绝缘套3的另一端穿入所述爆震管9的内孔中。阳极导通杆4装入所述绝缘套3内，在所述阳极导通杆4位于绝缘套3内孔一端的端头处，安装有阳极1。

本实施例中阳极1和阳极导通杆4均采用耐高温合金材料制成。所述阳极1为环形，其内部采用十字加强筋8固定。在该加强筋8的十字的中心有的阳极导通杆通孔；所述的阳极导通杆通孔为螺纹孔。所述阳极导通杆通孔的中心线与所述阳极1的中心线重合。阳极1的外表面采用螺纹，螺纹表面更容易形成尖端放电。

所述的阳极导通杆4为杆件，采用耐高温合金材料制成。阳极导通杆4的外形为阶梯状。阳极导通杆4一端的大直径段的直径与绝缘套3内孔中的大孔径段配合；阳极导通杆4小直径段的直径与绝缘套3内孔中的小孔径段配合。

在所述爆震管9的进口段的外圆周上对称的分布有一对进气孔10，通过该进气孔使混合气进入爆震管9。

绝缘套3为中空管状，用陶瓷材料制成。所述绝缘套3的内孔为台阶状，在该绝缘套3一端为大孔径段。该绝缘套3大孔径段的孔径与阳极导通杆4大直径段的直径相同；该绝缘套3小孔径段的孔径与阳极导通杆4小直径段的直径相同。该绝缘套3大孔径段与小孔径段衔接处的台阶形成了阳极导通杆4的定位面。所述绝缘套3的外圆表面亦为台阶状，并且所述的绝缘套3台阶状的外圆表面与绝缘保护套6台阶状的内圆表面相契合。装配时，绝缘套3包裹在阳极导通杆4的外表面，保护套6套装在绝缘套3的一端，阳极导通杆4的一端装入位于阳极1中心的阳极导通杆通孔内。

绝缘套3的内径与阳极导通杆4的外径相同；一端端面处有径向凸出的防回流台；绝缘套3包裹在阳极导通杆4的外表面。绝缘套3陶瓷制成，既绝缘又耐高温，用来隔离阴极2和阳极导通杆4，从而提高能量利用率。绝缘套3外部由绝缘保护套6包裹保护。

固定座5为中空回转体。固定座5内孔的孔径与保护套6的外径相同；所述固定座5的外径与两根阴极连接杆7内表面之间的间距相同，并且在固定座5的外圆周表面对称的分布有螺钉孔。在该固定座5一端的外圆周表面由径向凸出的法兰，在所述法兰上分布均匀有8个连接孔。

绝缘保护套6采用耐热钢制成。绝缘保护套6的外径与固定座5中心孔的内径相同。绝缘保护套6一端的内孔中有径向凸出的台阶，形成了防回流凸台，该防回流凸台与绝缘套3外圆表面的台阶相配合，以防止燃烧室中的气体回流。绝缘保护套6的有防回流凸台一端通过外螺纹与固定座5固定。

阳极连接段、绝缘套和绝缘保护套通过绝缘保护套的外螺纹与高压电源连接。固定座5使用法兰与发动机燃烧室固定。

工作时在阳极导通杆4输入高压脉冲并传送至阳极1，爆震管9接地，高压脉冲击穿并电离阳极1和爆震管9之间的混合气，快速点燃可燃混合气。改变阳极1的直径大小调节阳极1与爆震管9之间的距离，或改变瞬态等离子体点火器的输入电压和电流，控制击穿的强度和工作气体的电离度，从而达到调节点火器点火强度的目的。

Claims (5)

1.一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器，其特征在于，包括阳极、阴极、绝缘套、阳极导通杆、固定座、绝缘保护套和阴极连接杆；绝缘套位于绝缘保护套内，并且该绝缘套的一端伸入至阴极的两个阴极连接杆之间；阳极导通杆位于绝缘套内，并且该阳极导通杆的一端装入阳极的中心孔内；绝缘保护套一端安装在固定座内；阴极的两个阴极连接杆的一端固定在固定座的外圆表面；阳极位于阴极内；所述阳极内部有十字加强筋，该十字加强筋与阳极的外环之间形成混合气通道；所述的阳极为环形，阴极为环形套筒状，并且阴极的内径大于阳极的外径，将所述阳极装入阴极中，阳极的外表面与阴极的内表面之间的间距形成了放电点火区。

2.一种基于环形放电的瞬态等离子体点火器，其特征在于，包括阳极、绝缘套、阳极导通杆、绝缘保护套、爆震管、进气孔和固定座；以爆震管充当阴极，所述爆震管的外壳上对称分布有一对进气孔，形成混合气通道；阳极为环形；将所述阳极装入爆震管中，阳极的外表面与爆震管的内表面之间形成了放电点火区；所述爆震管的进口端固定在固定座一端的端面上；绝缘保护套的一端装入固定座的中心孔内，绝缘套的一端装入所述绝缘保护套内，并且该绝缘套的另一端穿入所述爆震管的内孔中；阳极导通杆装入所述绝缘套内，在所述阳极导通杆位于绝缘套内孔一端的端头处安装有阳极。

3.如权利要求1或2所述基于环形放电的瞬态等离子体点火器，其特征在于，所述阳极导通杆的中心线与所述阳极的中心线重合。

4.如权利要求1或2所述基于环形放电的瞬态等离子体点火器，其特征在于，绝缘套的内径与阳极导通杆的外径相同；该绝缘套一端端面处有径向凸出的防回流台。

5.如权利要求1或2所述基于环形放电的瞬态等离子体点火器，其特征在于，阳极的外表面有螺纹。