CN109268190A - 一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器 - Google Patents

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Abstract

一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，属于发动机领域。包括上阳极、上接地电极、下阳极、下接地电极和阳极绝缘套；所述下阳极的上端有安装阳极绝缘套的凹槽，阳极绝缘套上有安装上阳极的环状沟槽，阳极绝缘套上端有向外伸出的安装台，上接地电极上端有与安装台配合连接的安装槽，上接地电极底部连接下接地电极。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

一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器
技术领域
本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器。
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***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。
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双进气双放电模式的等离子体点火器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，包括上阳极、上接地电极、下阳极、下接地电极和阳极绝缘套；所述下阳极的上端有安装阳极绝缘套的凹槽，阳极绝缘套上设有用于安装上阳极的环状沟槽，阳极绝缘套顶端有向外伸出的安装台，上接地电极顶部有与安装台配合连接的安装槽，上接地电极下端与阳极绝缘套之间有间隙，上接地电极底部连接下接地电极，下接地电极与下阳极之间有间隙。
进一步的，所述下阳极的上端较窄、下端较宽，下阳极的上端与下端之间还设置有定位台A，阳极绝缘套底部有与定位台A配合连接的定位槽A。
进一步的，所述阳极绝缘套包括内套和外套，安装上阳极的环状沟槽位于内套和外套之间，安装台位于外套顶部，内套上端有定位槽B，定位槽B与上阳极上端的定位台B配合连接。
进一步的，所述下阳极的顶面与内套的顶面、上阳极的顶面位于同一平面，外套的顶面与上接地电极的顶面位于同一平面。
进一步的，所述上接地电极上设置固定螺栓，固定螺栓还与阳极绝缘套螺纹连接。
进一步的，所述下接地电极上端有安装接地电极绝缘套的凹槽，上接地电极下端有间隙槽，间隙槽的内壁A、接地电极绝缘套的内壁B和下接地电极的内壁C位于同一平面。
进一步的，所述阳极绝缘套的外壁A与下阳极下端的外壁B位于同一平面。
进一步的，所述下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，所述上接地电极外侧设置有进气口A和进气口B，进气口A连通间隙槽，进气口B连通间隙槽。
进一步的，上接地电极与下接地电极连接的底面与阳极绝缘套的底面位于同一平面。
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，接地电极绝缘套的存在形成了隔离空间，隔离空间隔绝了电离空间A及电离空间B，因此下接地电极-阳极绝缘套-下阳极之间不会发生介质阻挡放电，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。
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.上阳极，2.上接地电极，3.进气口B，4.接地电极绝缘套，5.下阳极，6.下接地电极，7.固定螺栓，8.阳极绝缘套，9.进气口A，10.电离空间A，11.隔离空间，12.电离空间B，13.安装台，14.定位台A，15.外套，16.内套，17.定位台B，18.内壁A，19.内壁B，20.内壁C，21.间隙槽，22.外壁A，23.外壁B，24.定位法兰。
具体实施方式
实施例1
一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，包括上阳极1、上接地电极2、下阳极5、下接地电极6和阳极绝缘套8；所述下阳极5的上端有安装阳极绝缘套8的凹槽，阳极绝缘套8上有安装上阳极1的环状沟槽，阳极绝缘套8上端有向外伸出的安装台13，上接地电极2上端有与安装台13配合连接的安装槽，上接地电极2下端与阳极绝缘套8之间有间隙，上接地电极2底部连接下接地电极6，下接地电极6与下阳极5之间有间隙。
所述下阳极5的上端较窄、下端较宽，下阳极5的上端与下端之间还设置有定位台A14，阳极绝缘套8底部有与定位台A14配合连接的定位槽A。
所述阳极绝缘套8包括内套16和外套15，安装上阳极1的环状沟槽位于内套16和外套15之间，安装台13位于外套15顶部，内套16上端有定位槽B，定位槽B与上阳极1上端的定位台B17配合连接。
所述下阳极5的顶面与内套16的顶面、上阳极1的顶面位于同一平面，外套15的顶面与上接地电极2的顶面位于同一平面。
所述上接地电极2上设置固定螺栓7，固定螺栓7还与阳极绝缘套8螺纹连接。
所述下接地电极6上端有安装接地电极绝缘套4的凹槽，上接地电极2下端有间隙槽21，间隙槽21的内壁A18、接地电极绝缘套4的内壁B19和下接地电极6的内壁C20位于同一平面。
所述阳极绝缘套8的外壁A22与下阳极5下端的外壁B23位于同一平面。
所述下接地电极6下端外侧设置有凸台，凸台上设置螺纹孔形成定位法兰24。
所述上接地电极2外侧设置有进气口A9和进气口B3，进气口A9连通间隙槽21，进气口B3连通间隙槽21。
所述上接地电极2与下接地电极6连接的底面与阳极绝缘套8的底面位于同一平面。
所述上接地电极2下端和阳极绝缘套8之间的间隙与下接地电极6和下阳极5之间的间隙为连通的，连通的间隙内包含电离空间A10、隔离空间11、电离空间B12，电离空间A10位于上接地电极2与阳极绝缘套8之间，隔离空间11位于下阳极5和接地电极绝缘套4之间，电离空间B12位于下阳极5和下接地电极6之间。
所述下接地电极6底部为喷口，喷口连通下接地电极6和下阳极5之间的间隙。
工作时，分别由进气口A9及进气口B3通入一定量的空气和燃料，此时电源首先以较低电压为上阳极1供电(例如：1万伏以下)，在较低电压下，上接地电极2-阳极绝缘套8-上阳极1之间发生介质阻挡放电，位于电离空间A10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；由于此时电压较低，在电离空间B12内不发生电弧放电。
具有较高反应活性的非平衡等离子体进入电离空间B12后，进气口A9及进气口B3关闭，此时上阳极1断电，电源电压升高(例如：1.5-2万伏)，下阳极5通电，在较高电压作用下阳极5与下接地电极6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，由于接地电极绝缘套4的存在形成了隔离空间11，隔离空间11隔绝了电离空间A10及电离空间B12，因此下接地电极6-阳极绝缘套8-下阳极5之间不会发生介质阻挡放电，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A9的空气及经进气口B3的燃料流量的方法控制位于电离空间A10及电离空间B12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。
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ECU对电源输出低压放电指令。
2.电源接到放电指令后，向上阳极1输出某一较低电压U1，此时记为时间t1；上阳极1与上接地电极2放电，在电离空间A10内形成介质阻挡放电，位于电离空间A10内的气体被电离成非平衡等离子体，然后被电离气体向下运动，经Δt时间经过隔离空间11进入电离空间B12。
3.在t1+Δt时刻，低压放电指令终止，上阳极1断电；此时ECU对电源输出高压放电指令，电源向下阳极5输出某一较高电压U2(U2>U1)，下阳极5与下接地电极6放电，在电离空间B12内形成电弧放电，位于电离空间B12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。
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5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失败，为保证点火电极安全终止放电，此循环不再点火。
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.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1输出某一较低电压U1，此时记为时间t1；上阳极1与上接地电极2放电，在电离空间A10内形成介质阻挡放电，位于电离空间A10内的气体被电离成非平衡等离子体，然后被电离气体向下运动，经Δt时间经过隔离空间11进入电离空间B12。
2.在t1+Δt时刻，低压放电指令终止，上阳极1断电；此时ECU对电源输出高压放电指令，电源向下阳5极输出某一较高电压U2(U2>U1)，下阳极5与下接地电极6放电，在电离空间B12内形成电弧放电，位于电离空间B12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。
3.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5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5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 (10)

1.一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，包括上阳极(1)、上接地电极(2)、下阳极(5)、下接地电极(6)和阳极绝缘套(8)；所述下阳极(5)的上端有安装阳极绝缘套(8)的凹槽，阳极绝缘套(8)上设有用于安装上阳极(1)的环状沟槽，阳极绝缘套(8)顶端有向外伸出的安装台(13)，上接地电极(2)顶部有与安装台(13)配合连接的安装槽，上接地电极(2)下端与阳极绝缘套(8)之间有间隙，上接地电极(2)底部连接下接地电极(6)，下接地电极(6)与下阳极(5)之间有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述下阳极(5)的上端较窄、下端较宽，下阳极(5)的上端与下端之间还设置有定位台A(14)，阳极绝缘套(8)底部有与定位台A(14)配合连接的定位槽A。
3.根据权利要求1所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述阳极绝缘套(8)包括内套(16)和外套(15)，安装上阳极(1)的环状沟槽位于内套(16)和外套(15)之间，安装台(13)位于外套(15)顶部，内套(16)上端有定位槽B，定位槽B与上阳极(1)上端的定位台B(17)配合连接。
4.根据权利要求3所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述下阳极(5)的顶面与内套(16)的顶面、上阳极(1)的顶面位于同一平面，外套(15)的顶面与上接地电极(2)的顶面位于同一平面。
5.根据权利要求4所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述上接地电极(2)上设置固定螺栓(7)，固定螺栓(7)还与阳极绝缘套(8)螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述下接地电极(6)上端有安装接地电极绝缘套(4)的凹槽，上接地电极(2)下端有间隙槽(21)，间隙槽(21)的内壁A(18)、接地电极绝缘套(4)的内壁B(19)和下接地电极(6)的内壁C(20)位于同一平面。
7.根据权利要求1所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述阳极绝缘套(8)的外壁A(22)与下阳极(5)下端的外壁B(23)位于同一平面。
8.根据权利要求1所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述下接地电极(6)下端外侧设置有凸台，凸台上设置螺纹孔形成定位法兰(24)。
9.根据权利要求6所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述上接地电极(2)外侧设置有进气口A(9)和进气口B(3)，进气口A(9)连通间隙槽(21)，进气口B(3)连通间隙槽(21)。
10.根据权利要求1所述的一种具有双进气双放电模式的等离子体点火器，其特征在于，所述上接地电极(2)与下接地电极(6)连接的底面与阳极绝缘套(8)的底面位于同一平面。
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