CN109458285A - 具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器的点火方法 - Google Patents

Abstract

一种具有环‑柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器的点火方法，先由环状阳极(2)、外绝缘层(52)、DBD放电段(33)之间产生DBD放电，位于第一放电区(6)内的气体被电离成为含有高活性粒子的非平衡等离子体；电离后的气体受热膨胀作用及在非平衡等离子体的气动效应作用下向下运动，进入第二放电区(7)内，由柱状阳极(1)与接地外壳放电段(35)之间形成电弧放电，位于第二放电区(7)内的高活性气体迅速被点燃。本发明可在点火前极大地提高反应活性及点火能量，在点火时刻能够确保电极周围存在数量足够多的活性粒子，有效提高内燃机的着火能力，同时改善内燃机的经济性和排放水平。

Description

具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器的点火 方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，特别是涉及一种具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器的点火方法。

背景技术

等离子体强化燃烧技术分为等离子体助燃及等离子体点火两大技术路线。其中等离子体助燃是采用介质阻挡放电(DBD)、电晕放电等技术实现均匀放电，将气体电离成为非平衡等离子体，提高气体的反应活性，从而改善燃烧；等离子体点火是采用电弧放电技术实现非均匀放电，将气体转化为热平衡等离子体，使气体温度急剧升高诱发燃烧反应。目前，热平衡等离子体点火技术(即火花点火技术)广泛应用于发动机领域。

先进船舶发动机技术是“中国制造2025”规划中的重点研究方向。船用发动机缸径大、火焰传播距离长，若采用传统火花点火技术，易造成由于点火能量较小而导致的不正常燃烧现象及排放恶化。因此，有必要采用非平衡等离子体助燃及热平衡等离子体点火的耦合技术，即，先提高反应物的反应活性、再采用热平衡等离子体技术点燃具有高反应活性的混合气，以实现大缸径船舶发动机的高效、清洁燃烧。

发明内容

针对现有技术存在的问题，解决增加活性粒子进入发动机燃烧室后的分布范围，改善燃烧效果的问题，本发明提供一种具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器的点火方法，可在点火前极大地提高反应活性、提高点火能量，在点火时刻能够确保电极周围存在数量足够多的活性粒子，同时改善内燃机的经济性和排放水平。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器的点火方法，燃料-空气混合气由出口段进入所述等离子体点火器的内部，并流经第二放电区及第一放电区；该过程中，先由环状阳极、外绝缘层、DBD放电段之间产生DBD放电，位于第一放电区内的气体被电离成为含有高活性粒子的非平衡等离子体；电离后的气体受热膨胀作用及在非平衡等离子体的气动效应作用下向下运动，进入第二放电区内，由柱状阳极与接地外壳放电段35之间形成电弧放电，位于第二放电区内的高活性气体迅速被点燃，位于第二放电区内的气体压力、温度急剧升高，经出口段喷出，并以火焰炬的形式进入主燃烧室空间。

本发明的有益效果：本发明增加收缩段，其作用是在第一放电区内被电离的气体，流经收缩段时其速度会增加，这会导致经过点火器出口喷出的活性粒子射流长度增加，可以增加活性粒子进入发动机燃烧室后的分布范围，改善燃烧的效果更好。本发明与现有技术相比，可在点火前极大地提高反应活性及点火能量，在点火时刻能够确保电极周围存在数量足够多的活性粒子，有效提高内燃机的着火能力，同时改善内燃机的经济性和排放水平。

附图说明

图1为本发明的一种具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器结构示意图；

图2为柱状阳极结构示意图；

图3为环状阳极结构示意图；

图4为接地外壳结构示意图；

图5为柱状阳极紧固螺母结构示意图；

图6为绝缘定位套结构示意图；

图7为一种具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器的工作过程示意图，其中图7-1所示为吸气过程示意图，图7-2所示为第一放电区电离示意图，图7-3所示为第二放电区电离示意图，图7-4所示为火焰射流示意图；

图8为图3的俯视图；

图9为图6的俯视图。

图中，1—柱状阳极，11—定位杆，12—定位台，13—柱状阳极放电段，2—环状阳极，3—接地外壳，31—电极保护段，32—定位段，321—上定位面，322—下定位面，33—DBD放电段，34—收缩段，35—接地外壳放电段，351—安装螺纹孔，352—放电收缩段，353—出口段，4—柱状阳极紧固螺母，5—绝缘定位套，51—定位环，52—外绝缘层，53—内绝缘层，54—绝缘层连接段，55—环状阳极安装槽，56—柱状阳极安装孔，6—第一放电区，7—第二放电区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：如图1～6所示，一种具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器，包括柱状阳极1、环状阳极2、接地外壳3、柱状阳极紧固螺母4和绝缘定位套5；所述柱状阳极1安装于等离子体点火器中心位置、固定在绝缘定位套5上；所述环状阳极2通过绝缘定位套5安装于柱状阳极1外侧；所述接地外壳3通过绝缘定位套5固定柱状阳极1与环状阳极2；所述柱状阳极紧固螺母4位于柱状阳极1与绝缘定位套5之间，与柱状阳极1采用螺纹连接；所述绝缘定位套5上开设有柱状阳极安装孔56及环状阳极安装槽55。

所述柱状阳极包括定位杆11、定位台12及放电段13，所述定位杆11用于限制柱状阳极1在绝缘定位套5中的径向位置，所述定位台12用于限制柱状阳极1在绝缘定位套5中的轴向位置。

所述环状阳极2安装在所述绝缘定位套5的环状阳极安装槽55内，其圆心处是安装于绝缘定位套5的柱状阳极安装孔56的柱状电极1。

所述接地外壳3由电极保护段31，定位段32，上定位面321，下定位面322，DBD放电段33，收缩段34，接地外壳放电段35，安装螺纹孔351，放电收缩段352，出口段353构成。所述电极保护段31用于保护供电线及电极接头，定位段32用于将绝缘定位套5固定在接地外壳3上，上定位面321用于与定位环51相连接，下定位面322与DBD定位面33、外绝缘层52所围空间为第一放电区；接地外壳放电段35与柱状电极1所围成的空间构成第二放电区；收缩段34用于实现从第一放电区到第二放电区的过渡；所述安装螺纹孔351位于接地外壳放电段35上，用于与发动机的连接，其数量应不小于2；所述放电收缩段352用于放电后射流气体的加速；所述出口段353用于实现点火之后的气体射流。电极保护段与接地电极是一体的，其作用是防止安装及使用时周围部件与电极发生碰撞带来损坏。

所述柱状阳极紧固螺母4用于将柱状阳极1固定在绝缘定位套5上，其与柱状阳极1采用螺纹连接。所述绝缘定位套5用于安装柱状阳极1及环形阳极2，并将其固定。所述外绝缘层52的厚度小于内绝缘层53的厚度。

下面结合附图说明本发明的点火器的一次使用过程：

如图7-1所示，燃料-空气混合气经出口段353进入等离子体点火器内部，并流经第二放电区7及第一放电区6。

如图7-2所示，此时环状阳极2开始工作，环状阳极2、外绝缘层52、DBD放电段33之间产生DBD放电，此时位于第一放电区6内的气体被电离成为含有高活性粒子的非平衡等离子体。

电离后的气体由于受热膨胀作用、以及在非平衡等离子体的气动效应作用下向下运动，进入第二放电区7内；如图7-3所示，此时柱状阳极1开始工作，与接地外壳放电段35之间形成电弧放电，位于第二放电区7内的高活性气体迅速被点燃。

如图7-4所示，此时位于第二放电区7内的气体压力、温度急剧升高，经出口段353喷出、以火焰炬的形式进入主燃烧室空间。通过调整电源的放电策略，用以适应缸内不同压力和当量比，还可通过输入不同脉冲电流来控制放电过程，最终得到最多数量的活性粒子来参与燃烧和助燃过程。

实施例2：一种具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器，包括柱状阳极1、环状阳极2及接地外壳3，接地外壳3内装设接地电极，由接地电极围接成顶、底两个端面间的贯穿空心柱体，其由第一放电区6过渡至第二放电区7的空心柱体的径值呈渐小趋势，为收缩段34空心柱体，且第一放电区6的空心柱体的径值大于第二放电区7的空心柱体的径值，柱状阳极1及环状阳极2被固定在所述的贯穿空心柱体内，且环状阳极2布置于柱状阳极1的***，柱状阳极1延及第二放电区7，环状阳极2延及第一放电区6,第一放电区6的空心柱体对应填充是为DBD放电段33，第二放电区7的空心柱体对应填充是接地外壳放电段35。

由第二放电区7间的柱体过渡至接地外壳3出口的出口段353柱体的径值呈渐小趋势，其为放电段收缩段34空心柱体，且第二放电区7间的柱体的径值大于出口段353柱体的径值。对于贯穿空心柱体，由顶端面起始的一段空心柱体是首柱体，贯穿空心柱体由首柱体至第一放电区6的空心柱体的过渡空心柱体，其径值较于其上的首柱体及其下的第一放电区6的空心柱体的径值均更小。因过渡空心柱体其径值较首柱体更小而在二者相接部位由填充占据过渡空心柱体减小的空间而形成第一内横环，因过渡空心柱体其径值较第一放电区6的空心柱体更小而在二者相接部位由填充占据过渡空心柱体减小的空间而形成第二内横环。在首柱体、第一放电区6的空心柱体及过渡空心柱体内填充绝缘定位套5，绝缘定位套5的上部是与第一内横环相配而挂接的定位环51，绝缘定位套5的下部抵于第一放电区6的空心柱体与收缩段34空心柱体交界，并为所述定位环51所限位，所述的第一放电区6的空心柱体的侧壁与绝缘定位套5的外壁间具有横向距离。由于第一放电区6过渡至第二放电区7的空心柱体的径值呈渐小趋势，在满足该条件下，还需要保证内部空间的紧凑保证内部空间利用合理且内部部件相互约束以能够被紧固，因而，上述手段使得该问题得以解决，由径值变化及设置部及上、下相抵的面形成呼应实现了内部紧凑的效果。

由首柱体其开出贯穿绝缘定位套5的柱状阳极安装孔56，柱状阳极1贯穿安装在该孔中，并由绝缘定位套5伸出，且伸出的柱状阳极1的该部分的径值增加以与绝缘定位套5的底面具有横向接触，并由此柱状阳极1延及放电收缩段352空心柱体而渐减小其径值至于出口段353而成尖端。所述的柱状阳极1由一体顺序成型的定位杆11、定位台12及柱状阳极放电段13组成，所述定位杆11位于首柱体及第一放电区6的空头柱体的绝缘定位套5中，定位台12是柱状阳极1在放电收缩段352空心柱体部位径值增加的起始部位，并由其形成与绝缘定位套5的底面的横向接触，所述柱状阳极放电段13位于第二放电区7的空心柱体中的绝缘定位套5下端。所述的柱状阳极1由紧固螺母在其首端而被紧固于所述绝缘定位套5的顶面，且柱状阳极1位于较为中央的位置，该较为中央的位置是绝缘定位套5和/或接地壳体的中央位置。

所述的绝缘定位套5围绕所述柱状阳极1的***部分开出容置环状电极的环状电极安装槽以容装环状电极。所述的柱状阳极1与环状阳极2的横向之间的绝缘层为第一绝缘层，所述的环状阳极2与绝缘定位套5侧壁的横向之间的绝缘层为第二绝缘层，第一绝缘层的横向距离大于第二绝缘层的横向距离。上述述及的径值是指柱体的直径或半径的值。

点火器的点火方法如下：燃料-空气混合气由出口段353进入所述等离子体点火器的内部，并流经第二放电区7及第一放电区6；该过程中，先由环状阳极2、外绝缘层52、DBD放电段33之间产生DBD放电，位于第一放电区6内的气体被电离成为含有高活性粒子的非平衡等离子体；电离后的气体受热膨胀作用及在非平衡等离子体的气动效应作用下向下运动，进入第二放电区7内，由柱状阳极1与接地外壳放电段35之间形成电弧放电，位于第二放电区7内的高活性气体迅速被点燃，位于第二放电区7内的气体压力、温度急剧升高，经出口段353喷出，并以火焰炬的形式进入主燃烧室空间。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.一种具有环-柱双阳极结构的双电离模式等离子体点火器的点火方法，其特征在于：燃料-空气混合气由出口段(353)进入所述等离子体点火器的内部，并流经第二放电区(7)及第一放电区(6)；该过程中，先由环状阳极(2)、外绝缘层(52)、DBD放电段(33)之间产生DBD放电，位于第一放电区(6)内的气体被电离成为含有高活性粒子的非平衡等离子体；电离后的气体受热膨胀作用及在非平衡等离子体的气动效应作用下向下运动，进入第二放电区(7)内，由柱状阳极(1)与接地外壳放电段(35)之间形成电弧放电，位于第二放电区(7)内的高活性气体迅速被点燃，位于第二放电区(7)内的气体压力、温度急剧升高，经出口段(353)喷出，并以火焰炬的形式进入主燃烧室空间。