CN109185005A - 一种具有燃料通道的等离子体点火器使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有燃料通道的等离子体点火器使用方法，具体步骤如下：上阳极及下阳极由电源分别供电；工作时，分别由进气口a通入一定量的空气或燃料，由进气口b通入一定量的燃料或空气；电源首先以低电压为上阳极供电，下阳极不通电；在低电压下，上接地电极‑阳极绝缘套‑上阳极之间发生介质阻挡放电，位于电离空间a的空气‑燃料混合气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；本申请可以根据点火情况采用控制经进气口a的空气及经进气口b的燃料流量的方法控制位于电离空间a及电离空间b中混合气的当量比，达到根据实际工况改善电离及点火效果的目的。

Description

一种具有燃料通道的等离子体点火器使用方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体点火器使用方法，具体说是一种具有燃料通道的等离子体点火器使用方法。

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***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。

传统的发动机用火花塞结构如图1所示，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。

现有技术的缺点为：(1)现有火花塞往往伴随很高的温升，易导致点火能量利用率低并影响电极寿命；(2)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

为解决现有热平衡等离子体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、点火能量利用率低等问题，本申请提供一种具有燃料通道的等离子体点火器使用方法。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种具有燃料通道的等离子体点火器使用方法，具体步骤如下：

1.上阳极及下阳极由电源分别供电；

2.工作时，分别由进气口a通入一定量的空气或燃料，由进气口b通入一定量的燃料或空气；

3.电源首先以低电压为上阳极供电，下阳极不通电；在低电压下，上接地电极-阳极绝缘套-上阳极之间发生介质阻挡放电，位于电离空间a的空气-燃料混合气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；

4.非平衡等离子体进入电离空间b后，进气口a及进气口b关闭；此时上阳极断电，电源电压升高并为下阳极供电，在高电压作用下阳极与下接地电极之间发生电弧放电；

5.在下阳极通电的同时，下阳极中的空气通道通入空气，此部分空气不参与电离反应，所起作用是为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动。

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，由于接地电极绝缘套的存在，隔绝了电离空间a及电离空间b。因此，下接地电极-阳极绝缘套-阳极之间不会发生介质阻挡放电。

上述方法是在点火器中实施的，该点火器包括上阳极、下阳极、上接地电极、下接地电极、阳极绝缘套、接地电极绝缘套、进气口a和进气口b；所述上接地电极与下接地电极相连，所述阳极绝缘套置于上接地电极中，上阳极嵌入在阳极绝缘套的壁体中；所述下阳极包括本体a段和本体b段，所述本体a段安装在阳极绝缘套的安装孔内，本体b段安装在下接地电极中；在下接地电极与上接地电极的连接处开设有凹槽，所述凹槽位于下接地电极的内壁上，接地电极绝缘套安装在凹槽中；所述上接地电极与阳极绝缘套之间形成电离空间a，接地电极绝缘套与下阳极的本体b段之间形成隔离区，下阳极的本体b段与下接地电极之间形成电离空间b，所述电离空间a、隔离区与电离空间b相连通；所述下阳极具有中空结构，所述中空结构为空气通道；在上阳极的一端设置有进气口a，该进气口a与电离空间a相连通，所述进气口b位于上接地电极的另一端，该进气口b与电离空间a相连通。

进一步的，点火器还包括固定螺栓，用于固定上接地电极与阳极绝缘套之间的相对位置。

进一步的，电离空间b还包括下阳极底部空间。

进一步的，所述上阳极位于等离子体点火器中心位置。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本方案采用介质阻挡放电-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；而且，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，因此可以根据点火情况采用控制经进气口a的空气及经进气口b的燃料流量的方法控制位于电离空间a及电离空间b中混合气的当量比，达到根据实际工况改善电离及点火效果的目的。同时，在具有空心结构的下阳极中通入少量空气，能够达到为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动以改善燃烧的效果。

附图说明

图1为背景技术中传统的发动机用火花塞结构示意图；

图2为实施例1的结构示意图；

图3为实施例2的结构示意图；

图4为实施例3的结构示意图；

图5为实施例1-3点火器应用于内燃机时的点火控制策略图；

图6为实施例1-3点火器应用于其他发动机及燃烧器时的点火控制策略图。

图中序号说明：1、固定螺栓；2、阳极绝缘套；3、上阳极；4、上接地电极；5、电离空间a；6、隔离区；7、接地电极绝缘套；8、下阳极；9、下接地电极；10、定位法兰；11、电离空间b；12、进气口a；13、进气口b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种具有燃料通道的等离子体点火器，包括上阳极、下阳极、上接地电极、下接地电极、阳极绝缘套、接地电极绝缘套、固定螺栓；所述上阳极位于点火器中心位置，安装固定在阳极绝缘套内；所述下阳极具有中空结构，安装在阳极绝缘套内的安装孔内；所述阳极绝缘套用于固定上阳极与下阳极，并实现二者的绝缘；所述阳极绝缘套安装在上接地电极上，所述上接地电极的下端与下接地电极连接；所述下接地电极与上接地电极之间的凹槽用于安装接地电极绝缘套；所述上接地电极上设置有一个进气口a，用于通入燃料；所述固定螺栓用于固定上接地电极与阳极绝缘套之间的相对位置；所述下接地电极下端有一用于安装该等离子点火器的定位法兰。根据实际需要，该定位法兰也可以设置于上接地电极。

上阳极及下阳极由电源分别供电。工作时，分别由燃料进口通入一定量的燃料。此时，电源首先以较低电压为上阳极供电(例如：1万伏以下)，此时下阳极不通电；在较低电压下，上接地电极-阳极绝缘套-上阳极之间发生介质阻挡放电，位于电离空间a的空气(或燃料)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。

由于燃料的持续通入，电离生成的非平衡等离子体继续向下运动、经过隔离区并进入到电离空间b内；此时，进气口a停止通入空气(或燃料)，上阳极断电。由于点火器喷口与发动机主燃烧室相连接，且主燃烧室内压力较大，因此将有部分燃料-空气的混合气经喷口逆流入电离空间b中。在已生成的非平衡等离子体中的高能电子作用下，呈电中性的混合气分子变为带正电的重离子和带负电的自由电子，从而转变为非平衡等离子体，反应活性提高。此时，电源以更高的电压(例如：1.5-2万伏)供电，在高电压作用下阳极与下接地电极之间发生电弧放电。在下阳极通电的同时，下阳极中的空气通道通入空气，此部分空气不参与电离反应，所起作用是为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动以改善燃烧。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，由于接地电极绝缘套的存在，隔绝了电离空间a及电离空间b。因此，下接地电极-阳极绝缘套-阳极之间不会发生介质阻挡放电。

1.本方案采用介质阻挡放电-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；

2.由于用于点火的燃料由燃料进口通入，另有一部分空气-燃料混合气经喷口逆流入电离空间b，因此用于点火的混合气整体呈富油状态，能够进一步保证点火引燃的效果；

3.同时，下阳极内喷出的空气也将对阳极起到冷却作用，能够起到延长电极使用寿命的作用。

实施例2

如图3所示，本实施例提供一种具有燃料通道的等离子体点火器，包括上阳极、下阳极、上接地电极、下接地电极、阳极绝缘套、接地电极绝缘套、固定螺栓；所述上阳极位于点火器中心位置，安装固定在阳极绝缘套内；所述下阳极具有中空结构，安装在阳极绝缘套内的安装孔内；所述阳极绝缘套用于固定上阳极与下阳极，并实现二者的绝缘；所述阳极绝缘套安装在上接地电极上，所述上接地电极的下端与下接地电极连接；所述下接地电极与上接地电极之间的凹槽用于安装接地电极绝缘套；所述上接地电极上设置有两个进气口，分别用于通入空气及燃料；所述固定螺栓用于固定上接地电极与阳极绝缘套之间的相对位置；所述下接地电极下端有一用于安装该等离子点火器的定位法兰。根据实际需要，该定位法兰也可以设置于上接地电极。

上阳极及下阳极由电源分别供电。工作时，分别由进气口a通入一定量的空气(或燃料)，由进气口b通入一定量的燃料(或空气)；此时，电源首先以较低电压为上阳极供电(例如：1万伏以下)，下阳极不通电；在较低电压下，上接地电极-阳极绝缘套-上阳极之间发生介质阻挡放电，位于电离空间a的空气-燃料混合气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。具有较高反应活性的非平衡等离子体进入电离空间b后，进气口a及进气口b关闭。此时上阳极断电，电源电压升高(例如：1.5-2万伏)并为下阳极供电，在高电压作用下阳极与下接地电极之间发生电弧放电。在下阳极通电的同时，下阳极中的空气通道通入空气，此部分空气不参与电离反应，所起作用是为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动以改善燃烧。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，由于接地电极绝缘套的存在，隔绝了电离空间a及电离空间b。因此，下接地电极-阳极绝缘套-阳极之间不会发生介质阻挡放电。

本方案采用介质阻挡放电-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；而且，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，因此可以根据点火情况采用控制经进气口a的空气及经进气口b的燃料流量的方法控制位于电离空间a及电离空间b中混合气的当量比，达到根据实际工况改善电离及点火效果的目的。同时，在具有空心结构的下阳极中通入少量空气，能够达到为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动以改善燃烧的效果。

实施例3

如图4所示，本实施例提供一种具有燃料通道的等离子体点火器，包括上阳极、下阳极、上接地电极、下接地电极、阳极绝缘套、接地电极绝缘套、固定螺栓；所述上阳极位于点火器中心位置，安装固定在阳极绝缘套内；所述下阳极具有中空结构，安装在阳极绝缘套内的安装孔内；所述阳极绝缘套用于固定上阳极与下阳极，并实现二者的绝缘；所述阳极绝缘套安装在上接地电极上，所述上接地电极的下端与下接地电极连接；所述下接地电极与上接地电极之间的凹槽用于安装接地电极绝缘套；所述固定螺栓用于固定上接地电极与阳极绝缘套之间的相对位置；所述上接地电极上设置有一个进气口a，用于通入空气(或燃料)；所述下接地电极上设置有一个进气口b，用于通入燃料(或空气)；所述下接地电极下端有一用于安装该等离子点火器的定位法兰。根据实际需要，该定位法兰也可以设置于上接地电极。

上阳极及下阳极由电源分别供电。工作时，分别由进气口a通入一定量的空气(或燃料)。此时，电源首先以较低电压为上阳极供电(例如：1万伏以下)，下阳极不通电；在较低电压下，上接地电极-阳极绝缘套-上阳极之间发生介质阻挡放电，位于电离空间a的空气(或燃料)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。由于空气(或燃料)的持续通入，电离生成的非平衡等离子体继续向下运动、经过隔离区并进入到电离空间b内。此时，进气口a停止通入空气(或燃料)，电源断电。随即，进气口b通入燃料(或空气)；在已生成的非平衡等离子体中的高能电子作用下，呈电中性的燃料分子变为带正电的重离子和带负电的自由电子，从而转变为非平衡等离子体，反应活性提高。此时，电源以更高的电压(例如：1.5-2万伏)供电，在高电压作用下阳极与下接地电极之间发生电弧放电。在下阳极通电的同时，下阳极中的空气通道通入空气，此部分空气不参与电离反应，所起作用是为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动以改善燃烧。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，由于接地电极绝缘套的存在，隔绝了电离空间a及电离空间b。因此，下接地电极-阳极绝缘套-阳极之间不会发生介质阻挡放电。

1.本方案采用介质阻挡放电-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；

2.而且，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，因此可以根据点火情况采用控制经进气口a的空气(或燃料)及经进气口b的燃料(或空气)流量的方法控制位于电离空间b中混合气的当量比，达到根据实际工况改善电离及点火效果的目的；

3.同时，进气口b喷入的空气(或燃料)以及下阳极内喷出的空气也将对阳极起到冷却作用，能够起到延长电极使用寿命的作用。

实施例4

上述实施例1-3点火器的控制方法包括在活塞式发动机上的控制方法、在其他发动机及燃烧器的控制方法；

(1)在活塞式发动机(往复式或旋转式活塞)上的控制方法具体为：

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，记为时间t1。此时，上阳极与上接地电极放电，在电离空间a内形成介质阻挡放电，位于电离空间a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电离空间b。

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，下阳极与下接地电极放电，在电离空间b内形成电弧放电，位于电离空间b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。下阳极放电的同时，ECU输出控制指令，向下阳极的空气通道通入空气，用于下阳极冷却，此部分空气冲出喷口，对火焰射流流场产生扰动，促进燃烧效果。

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)在其他发动机及燃烧器的控制方法具体为：

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，记为时间t1。此时，上阳极与上接地电极放电，在电离空间a内形成介质阻挡放电，位于电离空间a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电离空间b。

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，下阳极与下接地电极放电，在电离空间b内形成电弧放电，位于电离空间b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。下阳极放电的同时，ECU输出控制指令，向下阳极的空气通道通入空气，用于下阳极冷却，此部分空气冲出喷口，对火焰射流流场产生扰动，促进燃烧效果。

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。

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 (1)

1.一种具有燃料通道的等离子体点火器使用方法，其特征在于：具体步骤如下：

a.上阳极及下阳极由电源分别供电；

b.工作时，分别由进气口a通入一定量的空气或燃料，由进气口b通入一定量的燃料或空气；

c.电源首先以低电压为上阳极供电，下阳极不通电；在低电压下，上接地电极-阳极绝缘套-上阳极之间发生介质阻挡放电，位于电离空间a的空气-燃料混合气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；

d.非平衡等离子体进入电离空间b后，进气口a及进气口b关闭；此时上阳极断电，电源电压升高并为下阳极供电，在高电压作用下阳极与下接地电极之间发生电弧放电；

e.在下阳极通电的同时，下阳极中的空气通道通入空气，此部分空气不参与电离反应，所起作用是为电极降温，并对喷口处的流场产生扰动。