等離子體點火裝置的制造方法
【專利摘要】點火器包括終止于點火部分中的中心電極，該點火部分包括軸向地分布在點火部分上的多個叉腳層。每個叉腳層包括從點火部分徑向地向外延伸的至少一個點火叉腳。點火器主體包括被容納在發(fā)動機點火器端口中的端口端以及柄。中心電極的點火部分從柄延伸并且與端口端相對。電介質(zhì)殼體可完全包封中心電極的點火部分以鄰近于所述點火叉腳限定電介質(zhì)阻擋。點火器可以包括大體上圓柱形接地電極，其限定包圍中心電極的放電腔。接地電極包括多個接地叉腳，其由接地電極限定并且朝點火部分徑向地延伸。由接地電極限定的多個孔徑與放電腔流體連通。
【專利說明】
等離子體點火裝置[0001]相關(guān)申請的交叉引用[0002]本申請要求2014年2月26日遞交的美國臨時申請61/944,786的權(quán)益，其全部內(nèi)容 通過引用結(jié)合在本申請中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開涉及一種在內(nèi)燃機系統(tǒng)中使用的低溫等離子體點火裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0004]發(fā)動機燃燒室中的點火系統(tǒng)包括用于對燃燒室中可燃的空氣-燃料混合物進行點火的點火器。點火器可以使用施加在電極上的高電壓所產(chǎn)生的無熱電暈放電，使得電流從電極的尖角或突出點處開始流動，以電離燃燒室中的空氣，在電極周圍產(chǎn)生等離子體區(qū)域， 提供等離子體放電流光，從而點燃空氣-燃料混合物。等離子體放電流光被限制在較小區(qū)域內(nèi)。等離子體(電暈)放電呈現(xiàn)出形成電弧傾向，使得點火事件的電壓和/或持續(xù)時間必須精密地控制，以將電弧形成最小化或予以防止。
[0005]由于非導電涂層防止了將等離子體放電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀?，因此阻擋放電點火器并不呈現(xiàn)出形成電弧。阻擋放電點火器提供的點火是由電介質(zhì)阻擋分隔開的兩個電極之間的放電所提供，使得點火被限制在電極之間的間隙所限定的狹小體積內(nèi)。在2011年4月12日出版的數(shù)字對象唯一標識符(doi)為10.4271/2011-01-0660的名為“內(nèi)燃汽油發(fā)動機的低溫等離子體點火燃燒初始特征的基礎(chǔ)分析”(Fundamental Analysis of Combust1n Initiat1n Characteristics of Low Temperature Plasma Ignit1n for Internal Combust1n Gasoline Engine)的美國汽車工程師學會(SAE)的技術(shù)報告2011-01-0660中，t.Shiraishi 等人描述了這種系統(tǒng)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供了一種用于對發(fā)動機燃燒室中可燃空氣-燃料混合物進行點火的低溫等離子體點火裝置。等離子體點火裝置在本文中也被稱為點火器，其包括中心電極，中心電極具有點火部分，點火部分包括沿中心電極的點火部分軸向分布的分層點火叉腳。在發(fā)動機中的安裝位置，中心電極的點火部分延伸到發(fā)動機的燃燒室中。每一層的點火叉腳包括至少一個點火叉腳，其從中心電極徑向延伸且終止于點火尖端。高頻/高電壓脈沖施加到中心電極上，使得電場在每一個點火叉腳處形成且在相應的點火叉腳的點火尖端處集中。電場將可燃混合物電離，并提供點燃可燃混合物的等離子體放電。等離子體放電可以是非平衡(冷) 等離子體放電流光的形式，在本文中也被稱為放電流光，或被稱為流光，其起始于點火叉腳的叉腳尖端。多個點火叉腳產(chǎn)生多個流光，以點燃較大體積的可燃混合物。點火叉腳布置成多層，并且相對于點火部分軸向和徑向地間隔開。
[0007]在一個配置中，點火部分完全被電介質(zhì)殼體包封，該電介質(zhì)殼體在包括分層點火叉腳的中心電極的點火部分周圍提供電介質(zhì)阻擋。殼體被配置成使得電介質(zhì)阻擋具有可變厚度，且在每個點火叉腳的叉腳尖端處最薄。在該配置中，等離子體放電流光起始于最鄰近每個叉腳尖端的電介質(zhì)殼體表面。以這種方式形成的放電流光具有自我限制，且由于電介質(zhì)表面的電荷捕獲行為(在存在施加的電壓的情況下，放電流光從每個點火叉腳的尖端處形成，并在產(chǎn)生電弧之前自熄)，從而防止流光變?yōu)殡娀　?br>[0008]點火器可以包括接地電極，其圍繞中心電極的點火部分，以限定放電腔。接地電極限定多個接地叉腳，其朝向中心電極徑向延伸且以與中心電極的多個點火叉腳的布置相對應的布置進行分布，使得產(chǎn)生流光圖案，其相對于點火部分軸向和徑向地分布。接地電極可以是大體上圓柱形形狀，并與中心電極同軸。接地電極可以包括多個孔徑，以提供從燃燒室到放電腔的可燃混合物的流動。這些孔徑可以作為火焰噴口進行操作，以將點火延伸到鄰近點火器的燃燒室中的可燃混合物。
[0009]從以下結(jié)合附圖對實施本發(fā)明的最佳方式進行的詳細描述中能夠很容易了解到本公開的上述特征和優(yōu)點以及其它特征和優(yōu)點?！靖綀D說明】
[0010]圖1是等離子體點火器的第一示例性配置的示意性剖視圖；
[0011]圖2是圖1的等離子體點火器的示意性端視圖；
[0012]圖3是包括接地電極的等離子體點火器的第二示例性配置的示意性剖視圖；
[0013]圖4是圖3的等離子體點火器的示意性端視圖；[〇〇14]圖5是等離子體點火器的第三示例性配置的示意性側(cè)視圖；
[0015]圖6是等離子體點火器的第四示例性配置的示意性剖視圖；
[0016]圖7是圖3的等離子體點火器的透視圖；
[0017]圖8是圖7的等離子體點火器的透視圖，示出了接地電極的第二示例性配置；
[0018]圖9是圖7的等離子體點火器的透視圖，示出了接地電極的第三示例性配置:
[0019]圖10是等離子體點火器的功率電極的一個示例性配置的透視側(cè)視圖；
[0020]圖11是圖10的功率電極的示意性剖視圖；
[0021]圖12是等離子體點火器的功率電極的另一個示例性配置的透視側(cè)視圖；
[0022]圖13是圖12的功率電極的示意性剖視圖；
[0023]圖14是等離子體點火器的功率電極的又一個示例性配置的透視側(cè)視圖；以及
[0024]圖15是圖14的功率電極的示意性剖視圖?！揪唧w實施方式】
[0025]提供了一種用于對可燃空氣-燃料混合物進行點火的低溫等離子體點火器10。點火器10可以配置成用于內(nèi)燃機20的燃燒室26中，內(nèi)燃機20可以是汽油發(fā)動機或替代燃料發(fā)動機。由于低電流和低熱量排放，與例如傳統(tǒng)的火花塞(傳統(tǒng)的火花塞在功率電極和接地電極之間產(chǎn)生單個較短電弧，并且需要施加較高的電流，以延長電弧持續(xù)時間，從而提供點火能量以對燃燒室中空氣-燃料混合物進行點火)相比，本文中描述的等離子體點火裝置10可以具有最少電蝕甚至無電蝕。
[0026]參照附圖，在所有視圖中相同數(shù)字表示相同的零件。圖1至圖15中所示的元件并不一定是按尺寸或比例繪制。因此，本文所呈現(xiàn)的附圖中提供的特定尺寸和應用并不視為限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到，諸如“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“頂部”、 “底部”等術(shù)語描述性地用于附圖，并不表示對所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍進行限制。
[0027]參照圖1，等離子體點火裝置總體用10表示，且在本文中可以被稱為等離子體點火器或被稱為點火器。本文提供的點火器10包括中心電極12,其具有點火部分16,配置成延伸到發(fā)動機20的燃燒室26中，點火部分16具有多層70的點火叉腳18,以產(chǎn)生等離子體放電的多個流光(未示出)，從而增加燃燒室26和/或點火室62中的等離子體放電的有效體積，并增加燃燒事件過程中初始的火焰形成和隨后的燃料燃燒速度，因而由于燃料點火和燃燒效率、用于稀薄燃燒系統(tǒng)中的適應性、以及相對較低的排放氣體(諸如氮氧化物(NOx)、一氧化碳(C0)和碳氫化合物(HC)氣體等)的排放量，提供燃料經(jīng)濟性提升的優(yōu)點。[〇〇28]點火器10配置成用于總體用26表示的燃燒室中，且至少部分地由燃燒室表面28限定。燃燒室26可以是圖1中總體用20表示的內(nèi)燃機的燃燒室。在示意性示例中，點火器10包括功率電極12，在本文中也被稱為中心電極，其可以由高頻/高電壓脈沖進行電驅(qū)動，以產(chǎn)生等離子體放電，形成放電流光(未示出)，從而提供點火能量以對燃燒室26中的空氣-燃料混合物(未示出)進行點火。發(fā)動機20包括總體用22表示的發(fā)動機部分，其可以是氣缸蓋22。 發(fā)動機部分22限定了燃燒室表面28,并包括點火器端口24,以容納安裝位置中的點火器10。 燃燒室表面28鄰近點火器10,其中點火器10處于安裝位置中。在一個示例中，點火器端口24 可以配置為發(fā)動機20的標準火花塞端口。如圖1和圖3所示，在安裝位置中，點火器主體40的端口端52保持在點火器端口 24中，且點火器10的剩余部分(包括點火器主體40的柄部分36 和功率電極12的點火部分16)從燃燒室表面28延伸到燃燒室26中。在安裝位置中，點火器主體40的柄部分36置于點火部分16和燃燒室表面28的中間。點火部分16可以位于燃燒室26內(nèi)靠近燃料噴射器(未不出)和一個或多個活塞(未不出)處。
[0029]內(nèi)燃機20可以包括在任何類型和/或風格的車輛中(未示出)，包括但不限于汽車、 卡車、多用途汽車、休閑車、船只、飛機等。內(nèi)燃機20可以用于非車輛應用，例如用于發(fā)電應用中，諸如發(fā)電機等。內(nèi)燃機20可以由需要點火的任何類型的燃燒燃料進行燃料補充，諸如，例如汽油、乙醇、甲醇、壓縮天然氣(CNG)、或內(nèi)燃機20中使用的任何類型的其它替代燃料?？刂破?0和電源32在圖1中示出，其與點火器10可操作地連通。控制器30和/或電源32可以與發(fā)動機20的燃燒系統(tǒng)中的其它部件可操作地連通。例如，控制器30可以與位于燃燒室 26中的燃料噴射器(未示出)可操作地連通，并配置成命令燃料噴射器向燃燒室26提供可燃燃料的供應，以與燃燒室26內(nèi)存在的空氣和/或其它氣體(包括再循環(huán)發(fā)動機20氣體(EGR)) 混合，并在點火器10致動時向燃燒室26內(nèi)靠近點火器10處提供可燃的空氣-燃料混合物?？刂破?0可以配置成對燃料噴射器的致動和點火器10的致動進行協(xié)調(diào)，以對通過燃料噴射器將燃料引入燃燒室中的正時與點火器10的致動正時進行控制，從而點燃燃燒室26中的空氣-燃料混合物?？刂破?0可以命令電源32為點火器10提供電流以致動點火器10(如本文進一步所述)，從而點燃燃燒室26中的空氣-燃料混合物。
[0030]如圖1中所示，點火器10的功率電極12軸向地延伸穿過點火器10的主體40,并且終止于延伸超出點火器主體40的柄部分36的點火部分16中。在圖1中所示的示例中，點火部分 16被完全包封在由電介質(zhì)材料14制成的殼體34中。功率電極12在點火器10的端口端52處電連接至電源32,并且由從電源32提供至功率電極12并且由控制器30控制的高頻電壓致動。點火器10的主體40的端口端52被配置用于例如通過將點火器主體40定位在由發(fā)動機部分 22限定并且被配置成容納點火器10的點火器端口 24中而將點火器10安裝在發(fā)動機部分22 中相對于燃燒室26的安裝位置中。在一個示例中，發(fā)動機部分22可以是至少部分限定燃燒室表面28和發(fā)動機20的燃燒室26的發(fā)動機20的氣缸蓋。點火器10的尺寸可以設定成使得點火器10可被安裝至發(fā)動機20的標準尺寸點火器端口 24，其中點火器端口 24還可俗稱火花塞端口。在一個示例中，點火器10的端口端52可以大體上為圓柱形并且具有標稱上為14mm的點火器外徑42(參見圖5和圖6)，使得點火器10可以被安裝至標準尺寸點火器端口 24。點火器10的端口端52包括端口接口 44，其被配置成連接點火器端口 24以將點火器10保持在發(fā)動機20中的安裝位置中。在一個示例中，端口接口 44可以是螺紋式接口，使得本文所述的點火器10可以被配置為可安裝至發(fā)動機20的標準螺紋式火花塞端口中的旋入式更換。點火器外徑42和點火器端口 24接口可以由如圖5中所示的點火器主體40或由如圖6中所示的點火器 10的接地電極50限定。本文提供的示例并非限制性，且端口接口 44的其它配置和/或本文所述的點火器10的其它尺寸是可能的。例如，點火器10可以具有小于14_的外徑，使得點火器 10比標準尺寸火花塞或點火器10更緊湊，并且與標準尺寸火花塞相比在發(fā)動機20中需要的包裝空間更小。在此事件中，點火器10可以通過使用轉(zhuǎn)接器或套筒(未示出)而安裝至標準尺寸端口，所述轉(zhuǎn)接器或套筒可以是大體上圓柱形套筒，其具有被配置成旋入標準火花塞端口 24的外表面以及被配置成連接點火器端口 24接口以將點火器10保持在發(fā)動機20中的安裝位置中的內(nèi)表面。作為示例，點火器10可以具有為l〇mm、12mm或14mm中的一個的外徑。 其它尺寸是可能的，包括小于l〇mm或大于14mm的尺寸。[〇〇31]在發(fā)動機20中的安裝位置中，如圖1和圖3中所示，點火器10的主體40保持在發(fā)動機部分22中，使得點火器10的柄部分36和點火部分16延伸進燃燒室26中，且使得點火部分 16通過柄部分36與燃燒室表面28分離。在所示的示例中，柄部分36可以柄長度38為特征，所述柄長度38在功率電極12的點火部分16與燃燒室表面28之間提供最小間隙或距離。在所示的示例中，包括柄部分36的主體40可以由絕緣材料制成以防止功率電極12與電接地之間直接電接觸。在圖1中所示的示例中，燃燒室表面28、設置在燃燒室26中位于點火器10下方的活塞(未示出)或形成燃燒室26的發(fā)動機20的其它表面(未示出)中的一個或多個可以用作電接地。在圖3至圖4和圖6至圖9中所示的示例中，點火器10包括接地電極50，其在所示的非限制性示例中是大體上圓柱形電極，所述圓柱形電極操作地附接至點火器10的主體40,使得接地電極50與功率電極12同軸，并且在接地電極50與功率電極12的點火部分16之間限定放電腔62。
[0032]在本文也可以稱為中心電極12的功率電極12包括沿中心電極12的點火部分16軸向地分布的分層點火叉腳18。點火叉腳18的每個層70 (參見圖10和圖12)包括從中心電極12 徑向地延伸并且終止在叉腳尖端48處的至少一個點火叉腳18。點火叉腳18被成形使得叉腳尖端48的截面面積相對于點火叉腳18的剩余部分較小，且使得當高頻電壓施加至中心電極 12時，形成在每個點火叉腳18處的電場集中在相應點火叉腳18的叉腳尖端48處。在圖1至圖 13中所示的示例中，點火叉腳18大體上為圓錐形形狀，其中叉腳尖端48由圓錐形形狀的頂點限定。在圖14至圖15中所示的另一個示例中，點火叉腳18被成形為終止于由三角形的頂點限定的叉腳尖端48中的大體上三角形葉片。所示的示例并非限制性，且可以使用點火叉腳18和叉腳尖端48的其它配置，其中叉腳尖端48以比點火叉腳18的截面面積相對更小的截面面積為特征，其中點火叉腳18(例如相對于點火叉腳18的基座)附接至中心電極12。例如， 點火叉腳18可以具有隨著其從中心電極12徑向地延伸而漸縮或變窄的另一種形狀。在一個示例中，點火叉腳18可以被成形為錐形葉片使得葉片邊緣限定叉腳尖端48。在一個示例中， 點火叉腳18的層70可以由形成在中心電極12上的螺紋形狀(未示出)限定，其中螺紋形狀的頂點限定叉腳尖端48。限定分層點火叉腳18的螺紋形狀可以為帶槽或中斷螺紋形狀。點火部分16終止于電極端64處，所述電極端64終止于叉腳尖端48中。在所示的非限制性示例中， 電極端64和點火叉腳18的形狀各自為圓錐形，且應當理解的是，電極端64的形狀可以不同于點火叉腳18的形狀。中心電極12和點火叉腳18是由能夠承受發(fā)動機20環(huán)境的高溫和壓力的高導電材料制成。例如，中心電極12和點火叉腳18可以由難熔金屬和/或難熔金屬的合金制成。在非限制性示例中，中心電極12和/或點火叉腳18可以由含鎢材料和/或含銥材料制成。
[0033]在圖1至圖15中所示的示例中，點火叉腳18分布在層70中使得點火叉腳18和叉腳層70沿中心電極12的點火部分16的縱向長度軸向地間隔開，且點火叉腳18相對于中心電極 12徑向地分布或間隔開。如本文所限定，“叉腳層”70包括在垂直于中心電極12的縱向軸線的平面中共平面的那些點火叉腳18。例如且參照圖10和圖11，所示的點火部分16包括三層 70的點火叉腳18,其軸向地分布使得每個層70與相鄰層70分離層間距76(被示為軸向長度)。在圖10中所示的示例中，每個層70包括軸向地分布在層70的平面內(nèi)的四個點火叉腳 18a、18b、18c、18d，其中層70中的每個點火叉腳18相對于層70中的相鄰點火叉腳18分隔開徑向間距74,其在所示的示例中為90度。圖10和圖11示出了層70彼此徑向地對準使得叉腳層70中的點火叉腳18與相鄰層70中的相應點火叉腳18縱向地分隔開叉腳軸向間距72(被示為軸向長度)。如圖10中所示，由于叉腳層70徑向地對準，層間距76和叉腳軸向間距72是相同的。[〇〇34] 現(xiàn)在參照圖12和圖13，示出了點火部分16的另一種示例性配置，包括六層70的點火叉腳18,其軸向地分布使得每個層70包括兩個點火叉腳18且每個層70從相鄰層70徑向地旋轉(zhuǎn)90度。在所示的示例中，一個層70包括點火叉腳18f、18g，其是共平面的且相對的使得將點火叉腳18f與點火叉腳18g分離180度的叉腳徑向間距。包括點火叉腳18f、18g的一個層 70與包括一對點火叉腳181、18h的另一個層70相鄰。相鄰層70彼此徑向地旋轉(zhuǎn)90度使得層間距76由相應相鄰層70的相應平面之間的軸向長度限定，且叉腳軸向間距限定在交替層70 中的叉腳18、48之間，例如，叉腳軸向間距72在圖12中所示的示例中被限定為縱向?qū)实狞c火叉腳18e、18f之間的軸向長度且使得在圖12中所示的示例中，叉腳軸向間距72不同于叉腳層間距76。[〇〇35]在圖14和圖15中所示的另一個示例中，點火部分16包括四層70的點火叉腳18，其軸向地分布使得每個層70包括一對點火叉腳18且每個層70與每個相鄰層70徑向地對準。在所示的示例中，一個層70包括點火叉腳18j、18k，其是共平面的且相對的使得將點火叉腳 18 j與點火叉腳18k分離180度的叉腳徑向間距74。由于相應層70的相應點火叉腳18如圖14 中所示般徑向地對準，層間距76和叉腳軸向間距72是相同的，如由點火叉腳18k、181之間的關(guān)系所示。[〇〇36] 再次參照圖1至圖4，在所示的示例中，點火部分16包括十層70的點火叉腳18，其軸向地分布使得每個層70包括一個點火叉腳18(例如，沒有任何兩個點火叉腳18在正交于中心電極12的縱向軸線的平面中是共平面的)，且每個層70從相鄰層70軸向地旋轉(zhuǎn)180度，使得一個層70中的點火叉腳18與相鄰層70中的點火叉腳18相對(例如，在相反方向上延伸)， 且交替層70中的點火叉腳18徑向地對準以限定其間的叉腳軸向間距72。由于相鄰層70彼此徑向地旋轉(zhuǎn)180度使得層間距76由相應相鄰層70的平面之間的軸向長度限定，在圖1至圖4 中所示的示例中，叉腳軸向間距72不同于并且大于叉腳層間距76。
[0037]在操作中，高頻電壓施加至中心電極12使得電場形成于每個點火叉腳18處并且集中在相應點火叉腳18的尖端48處。在一個示例中，電壓的頻率是在兆赫(MHz)的范圍中且電壓是在20(kV)至60千伏(kV)的范圍中。電壓是脈沖式的使得集中在每個點火叉腳18中的電場將靠近每個相應點火叉腳18的尖端48的可燃空氣-燃料混合物電離以形成點燃可燃混合物的等離子體放電。等離子體放電可以呈在本文又稱為流光的等離子體放電流光(未示出) 的形式，所述流光起始于點火叉腳18的叉腳尖端48處。流光是由點火部分16的每個叉腳層 70的每個點火叉腳18產(chǎn)生，使得多個點火叉腳18在多個徑向方向上且在中心電極12的點火部分16的整個縱向長度處產(chǎn)生多個流光，以點燃較大體積的可燃混合物，由此相對于無點火叉腳18和/或具有單層70點火叉腳18的點火裝置10增加燃燒室26中的火焰形成和燃料燃燒。如圖1至圖15中所示，點火叉腳18被布置在層70中并且相對于中心電極12的點火部分16 軸向和徑向地間隔開，使得起始于每個點火叉腳18的每個叉腳尖端48的流光產(chǎn)生大的放電體積。
[0038]在圖1至圖4和圖7至圖9中所示的非限制性示例中，中心電極12的點火部分16完全被電介質(zhì)殼體34包封，所述電介質(zhì)殼體34在包括分層點火叉腳18的中心電極12的點火部分 16周圍提供電介質(zhì)阻擋。在一個不例中，電介質(zhì)殼體34可以與主體40的柄部分36成一體，且柄部分36可以由電介質(zhì)材料14制成，使得延伸至安裝位置中的燃燒室26中的中心電極12的長度完全被電介質(zhì)材料14包封。殼體34被配置使得電介質(zhì)阻擋具有可變厚度，使得積聚在殼體34的電介質(zhì)阻擋中的電場隨著殼體34的厚度而變化。如圖1中所示，殼體34限定殼體表面66,其大體上為圓柱形并且與中心電極12同軸使得殼體34在點火叉腳18之間的軸向長度中相對較厚，且在殼體表面66與點火叉腳18之間的厚度隨著點火叉腳18漸縮至叉腳尖端48 而減少，使得如圖2中所示電介質(zhì)殼體34在每個點火叉腳18的叉腳尖端48處是最薄的，其中在其最薄部分處，電介質(zhì)殼體34形成具有阻擋厚度46的電介質(zhì)阻擋。作為示例，電介質(zhì)殼體 34可以被配置成使得在點火叉腳18的叉腳尖端48處，叉腳尖端48與殼體表面66之間的阻擋厚度46在0.5mm至2mm的范圍中。作為示例，大體上圓柱形殼體34可以具有在5mm至8mm的范圍中的殼體直徑68(參見圖4)。殼體34終止于包封電極端64的殼體端78處。圖1、圖3和圖7至圖9中所示的殼體端78被成形為半球。此示例是非限制性的，且殼體端78可以相對于電極端 64的輪廓以其它方式進行成形和/或形成輪廓，以在電極端64的叉腳尖端48與殼體表面66 之間提供相對較薄的殼體厚度46。殼體端78可以被成形為(例如)圓錐端、圓柱形端、倒角圓柱形端等。電介質(zhì)材料14可以是能夠承受發(fā)動機20環(huán)境的高溫和壓力的任何電介質(zhì)材料 14。例如，電介質(zhì)材料14可以是玻璃、石英或陶瓷電介質(zhì)材料14，諸如高純度氧化鋁。
[0039]在操作中，如前面所述，高頻電壓施加至中心電極12,從而在每個點火叉腳18的叉腳尖端48處產(chǎn)生高度集中的電場。電場將靠近每個點火叉腳18的叉腳尖端48的空氣-燃料混合物電離，從而在每個叉腳尖端48處形成等離子體放電流光。流光的形成受電介質(zhì)殼體 34影響使得在點火叉腳18上方形成電介質(zhì)阻擋的電介質(zhì)殼體34處的阻擋放電導致在施加高電壓至中心電極12期間在每個點火叉腳18的尖端48處的流光的連續(xù)形成、放電和再形成，且使得以此方式形成的放電流光自蔓延且在每個點火叉腳18的尖端48處連續(xù)形成，且由于發(fā)生在由殼體34的電介質(zhì)阻擋處的電荷捕獲而自熄，使得因此形成的放電流光在形成電弧之前自熄。等離子體放電流光對靠近點火器10的點火部分16形成的大放電區(qū)域中的可燃空氣_燃料混合物進行點火，從而導致燃燒室26中的火焰形成和燃料燃燒。
[0040]所施加電壓的頻率、大小和持續(xù)時間可以受控制器30控制以影響流光形成的正時、強度和持續(xù)時間。施加至功率電極12的電壓可以是MHz的范圍中施加為高電壓電脈沖的高頻電壓。因為由點火叉腳18和電介質(zhì)阻擋的組合形成的流光自蔓延和自熄從而防止電弧形成，因此流光形成的控制相對于電壓、頻率和持續(xù)時間控制敏感度較低。另外，因為多層點火部分16的每個叉腳層70處形成多個流光，因此有效放電體積被形成為由沿中心電極12 的點火部分16分布的多個點火叉腳18的布置限定，其中有效放電體積相對于由常規(guī)電暈點火系統(tǒng)或常規(guī)阻擋放電點火器10產(chǎn)生的放電體積顯著較大。較大放電體積和放電流光的自蔓延以及自熄特性促成了相對較長的裝置使用期限、提高燃料經(jīng)濟性、燃燒穩(wěn)定性和降低排放。例如，由于每個點火叉腳18處形成的高度集中的電場而在點火部分16的每個點火叉腳18處形成多個流光形成增加了形成在等離子體放電中的自由基產(chǎn)率，因此增強了燃料反應性和燃料燃燒效率、降低排放。產(chǎn)生在每個點火叉腳18處的多個流光提供了大的放電區(qū)域用于化學計量均質(zhì)、稀薄均質(zhì)、濃均質(zhì)和/或稀薄/濃分層和稀薄可控自動點火燃燒應用中的有效火焰形成。[〇〇41] 再次參照圖1和圖2,在所示的非限制性示例中，點火器10的主體40的端口端52保持在發(fā)動機部分22中使得點火器10的柄部分36和點火部分16延伸入燃燒室26中，且使得點火部分16通過柄部分36與燃燒室表面28分離。在所示的示例中，柄部分36可以柄長度38為特征，所述柄長度38在功率電極12的點火部分16與燃燒室表面28之間提供最小空隙或距離。包括柄部分36的主體40可以由絕緣材料制成。點火器10的點火部分16完全被電介質(zhì)殼體34包封，使得包括柄部分36的主體40結(jié)合一體式殼體34完全包封中心電極12以防止功率電極12與電接地之間直接電接觸。在圖1中所示的示例中，燃燒室表面28、設置在燃燒室26 中位于點火器10下方的活塞(未示出)或形成燃燒室26的發(fā)動機20的其它表面(未示出)中的一個或多個可以用作電接地。在操作中，高頻高電壓脈沖從電源32施加至中心電極12使得在中心電極12的點火部分16中分布于多個層70中的多個點火叉腳18中的每一個中形成電場。電場集中在每個點火叉腳18的叉腳尖端48處，且如先前所述將靠近在點火叉腳18與靠近點火器10的接地表面之間形成電介質(zhì)阻擋14的殼體表面66 (可以包括燃燒室表面28、 活塞表面(未示出)等)的可燃混合物電離。經(jīng)電離可燃混合物形成起始于多個點火叉腳18 的尖端48的多個等離子體放電流光，其從點火器10的點火部分16且朝接地表面徑向地向外行進以點燃空氣-燃料混合物。如先前所述，由殼體34限定的電介質(zhì)阻擋14產(chǎn)生的動態(tài)電場將多個流光連續(xù)地放電以自蔓延且在形成電弧之前自熄。
[0042]在圖5中所示的另一個示例中，點火器10可以被配置成類似于圖1中所示的點火器 10，然而卻并無電介質(zhì)殼體34，使得中心電極12的點火部分16直接暴露于燃燒室26。柄部分 36由絕緣材料(可以是電介質(zhì)材料)制成并且具有足夠的柄長度38使得點火部分16與由燃燒室表面28提供的接地表面分離以防止和/或基本上最小化中心電極12的點火部分16與燃燒室表面28之間的電接觸，并且防止流光對燃燒室表面28形成電弧。在此配置中且如先前所述，高頻、高電壓脈沖施加至中心電極12使得電場形成在每個點火叉腳18中，并且集中在點火叉腳18的叉腳尖端48中，以將燃燒室26中靠近每個叉腳尖端48的可燃混合物電離。經(jīng)電離可燃混合物形成起始于叉腳尖端48并且延伸朝向(例如)由靠近燃燒室表面28和/或活塞表面限定的接地表面的等離子體放電流光，其點燃空氣-燃料混合物，從而導致火焰形成和隨后的燃料燃燒。控制器30控制電壓脈沖的頻率、大小和脈沖以防止形成電弧。由相對于點火部分16的縱向軸線徑向和軸向地分布在層70中的多個點火叉腳18產(chǎn)生的大電離體積和大流光體積增加了點火和燃燒效率以及產(chǎn)生相對較高的自由基產(chǎn)率以增強燃料反應性。 [〇〇43] 在圖3至圖4和圖6至圖9中所示的示例中，點火器10包括接地電極50，其在所示的非限制性示例中是大體上圓柱形電極，所述圓柱形電極操作地附接至點火器10的主體40使得接地電極50與功率電極12同軸并且在接地電極50與功率電極12的點火部分16之間限定放電腔62。接地電極50是由能夠承受燃燒室26環(huán)境的高溫和高壓的導電材料制成。在一個示例中，接地電極50可以由難熔金屬和/或難熔金屬的合金制成。在非限制性示例中，接地電極50可以由含鎢材料和/或含銥材料制成。[〇〇44]在所示的實例中，接地電極50包括多個接地叉腳58，其沿大體上圓柱形接地電極 50的內(nèi)表面縱向地分布并且從大體上圓柱形接地電極50的內(nèi)表面徑向地朝點火部分16延伸，例如，徑向地向內(nèi)延伸到放電腔62中。放電間隙80限定在接地電極50和中心電極12的最鄰近表面之間。在圖3中所示的示例中，放電間隙80由接地叉腳58的叉腳尖端48與殼體表面 66之間的間隙限定。在圖6中所示的示例中，放電間隙80由接地電極50的接地叉腳58的叉腳尖端48與中心電極12的點火叉腳18的叉腳尖端48之間的間隙限定。接地叉腳58相對于點火叉腳18分布和定位使得在放電腔62中點火叉腳18與接地叉腳58之間形成多個流光。例如且如圖4中所示，中心電極12的點火部分16相對于接地電極50的接地叉腳58定向使得在所示的截面中，每個點火叉腳18靠近相應的一對接地叉腳58,使得每個點火叉腳18與鄰近于點火叉腳18的所述相應一對接地叉腳58中的每個接地叉腳58之間發(fā)生流光形成，以產(chǎn)生在整個放電腔62中可以或可以不彼此交叉而又徑向地分布的多個流光。
[0045]例如且如圖3中所示，接地電極50在點火器10的端口端52處附接至并且包圍點火器主體40，使得接地電極50限定端口接口 44，且使得在安裝位置中接地電極50接觸發(fā)動機部分22的點火器端口 24。在一個示例中，端口端52處的接地電極50的面向外表面可以被螺合(未示出)以連接點火器端口 24的螺紋部分(未示出)，使得點火器10可以被螺合到安裝位置中的點火器端口 24。[〇〇46]接地電極50在點火器10端部處打開，從而限定孔口 56以允許來自燃燒室26的空氣-燃料可燃混合物流至接地電極50的放電腔62中。接地電極50進一步包括形成在接地電極50的圓柱形部分中且鄰近于點火部分16的多個孔徑60。多個孔徑60縱向且徑向地分布在接地電極50的縱向長度中鄰近于點火部分16以允許來自燃燒室26的另外的空氣-燃料可燃混合物沿點火部分16的縱向長度流至接地電極50的放電腔62中。孔口 56和多個孔徑60各自限定從放電腔62到燃燒室26的點火路徑，使得設置徑向且軸向地沿點火器10延伸至燃燒室 26中的整個縱向長度的多個點火路徑。多個孔徑60可以被特征化為多個火焰端口使得火焰形成和燃料燃燒從點火部分16的全長徑向且軸向地分布，從而通過在多個火焰端口中的每個處點燃燃燒室26中以及從接地電極50的面向外表面徑向且軸向地延伸的體積中的空氣-燃料混合物來提高燃料燃燒效率。
[0047]在圖3至圖7中所示的第一示例性配置中，多個孔徑60被配置為多個孔或狹槽60， 其縱向且徑向地分布在接地電極50的縱向長度中鄰近于點火部分16。多個接地叉腳58縱向地分布在多個孔徑60之間，使得每個點火叉腳18與至少一個接地叉腳58之間沿限定在點火叉腳18的叉腳尖端與相鄰接地叉腳58的叉腳尖端48之間的放電間隙80建立多個放電路徑。 在操作中，高頻/高電壓脈沖施加至中心電極12,且如先前所述，電場在點火叉腳18的叉腳尖端48處變得集中并且將放電腔62中的空氣-燃料混合物電離，使得經(jīng)電離可燃混合物形成源自于多個點火叉腳18的尖端48處的多個等離子體放電流光，其從點火器10的點火部分 16并且朝向接地電極50的接地叉腳58徑向地向外行進，以點燃放電腔62中的空氣-燃料混合物。孔徑60同時操作為排放孔和火焰端口以向放電腔62提供空氣-燃料混合物以繼續(xù)電離過程并同時在接地電極50外側(cè)提供火焰路徑用于燃燒室26中的火焰形成以及空氣-燃料混合物的點燃。自蔓延和自熄循環(huán)中的流光形成在由包封點火部分16的殼體34提供的電介質(zhì)阻擋14處繼續(xù)進行，使得點火過程繼續(xù)進行且不形成電弧。由點火叉腳18的多個層70以及充當相對于點火部分16的縱向軸線徑向和軸向地分布的火焰端口的多個孔徑60提供的大電離體積和大流光體積增加了點火和燃燒效率以及產(chǎn)生相對較高的自由基產(chǎn)率以增強燃料反應性。
[0048]在圖6中所示的示例中，點火器10可以被配置成類似于圖3中所示的點火器10,然而并無電介質(zhì)殼體34,使得中心電極12的點火部分16直接暴露于接地電極50。柄部分36是由絕緣材料制成并且具有足夠的柄長度38使得點火部分16與鄰近于燃燒室表面28的接地電極50的部分分離以將流光形成引導朝向點火器10的點火端54。在此配置中并且如先前所述，高頻、高電壓脈沖施加至中心電極12使得電場形成在每個點火叉腳18中，并且集中在點火叉腳18的叉腳尖端48中，以將放電腔62中靠近每個點火叉腳18的可燃混合物電離。經(jīng)電離可燃混合物形成由叉腳尖端48產(chǎn)生并且延伸朝向接地電極50的接地叉腳58的等離子體放電流光以點燃空氣_燃料混合物，從而導致火焰形成和隨后燃料燃燒。在此配置中，控制器30控制電壓脈沖的頻率、大小和脈沖以防止形成電弧。[〇〇49]在非限制性示例中，圖8中示出了接地電極50的另一種配置，其包括多個狹槽60， 所述狹槽60被徑向地布置并且延伸點火部分16的縱向長度以提供空氣-燃料混合物到放電腔62中的排放、來自放電腔62的電離材料的排放以增加燃料反應性，并且充當火焰端口以將點火延伸至燃燒室26中靠近點火器10的空氣-燃料混合物。接地叉腳58可以分布在接地電極50的內(nèi)表面上介于孔徑60之間。在圖9中所示的另一個非限制性示例中，孔徑60可以被配置為狹槽，所述狹槽從來自接地電極孔口 56的接地電極50的點火端54延伸并且縱向地延伸(例如)中心電極12的點火部分16的長度。多個接地叉腳58位于孔徑60之間并且徑向地向內(nèi)延伸，如圖9中所示。
[0050]在圖3至圖9中所示的示例中，類似于點火叉腳18的形狀，接地叉腳58可以大體上為圓錐形狀并且限定叉腳尖端48。所述示例是非限制性的，且可以使用接地叉腳58的其它配置，其中接地叉腳58的叉腳尖端48是以比接地叉腳58的截面面積相對更小的截面面積為特征，其中接地叉腳58附接至接地電極50的內(nèi)表面。例如，接地叉腳58可以具有隨著其從中心電極12朝點火部分18徑向地延伸而漸縮或變窄的另一種形狀。在一個示例中，接地叉腳 58可以被成形為錐形葉片使得葉片邊緣限定叉腳尖端48。接地叉腳58的數(shù)量、圖案和/或分布可以不同于圖3至圖9中所示的示例，使得接地叉腳58被布置成產(chǎn)生徑向和軸向地分布穿過放電腔62的流光形成的圖案。接地叉腳58相對于孔徑60和/或孔口 56的位置和/或分布可以改變以產(chǎn)生流光形成的圖案以經(jīng)由充當火焰端口的孔徑60和/或孔口56增強火焰形成和燃料燃燒。[〇〇51]應當理解的是，本發(fā)明的修改和變型鑒于以上教導是可能的并且可以除已具體描述方式之外的其它方式來實踐，同時在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。另外，權(quán)利要求書中的參考標號僅僅是出于方便起見，而不應以任何方式理解為限制性。本文提供的示例是非限制性的，且應當理解的是，元件的其它配置和組合可用以提供如本文所述的低溫等離子體點火器10。例如，圖1至圖9中所示的點火器10可以被配置成包括圖10至圖15中所示的中心電極12配置中的一種或點火部分16上的點火叉腳18的另一種布置(未不出)。例如，可使用點火部分16上的點火叉腳18的其它分層布置，其包括兩個或更多個叉腳層70,每個層70具有至少一個點火叉腳18,每個層70上的點火叉腳18規(guī)則或不規(guī)則地徑向分布在每個叉腳層70 中(等)，以產(chǎn)生主題點火叉腳18上對應于點火叉腳18的特定布置和配置的流光的放電體積和/或圖案或分布。同樣地，可以使用接地電極50的其它配置，其包括限定孔徑60、排放孔、 狹槽60和孔口 56的其它配置、接地叉腳58的其它布置等的接地電極50,以促進靠近點火部分16的可燃材料的流動、限定具有特定放電間隙80、腔體積等的放電腔6 2、限定對應于由點火器10產(chǎn)生的點火路徑或火焰形成圖案的孔徑60布置和/或孔口 56形狀等。點火叉腳18、接地叉腳58和叉腳尖端48的形狀可以如本文先前所述般改變，且這些點火叉腳18、接地叉腳 58和叉腳尖端48的形狀可以結(jié)合使用，例如使得點火器10的點火叉腳18和接地叉腳58具有不同形狀，點火叉腳18包括形狀組合，例如使得點火叉腳18的形狀在一個層70與另一個層 70之間或在層70內(nèi)是不同的(等)。[〇〇52]【具體實施方式】和附圖或圖式支持并且描述本公開，但是本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求限定。雖然已詳細地描述了用于實施所要求保護發(fā)明的一些最佳模式和其它實施例，但是存在用于實踐所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的各種替代設計和實施例。
【主權(quán)項】
1.一種點火器，其包括:中心電極，其沿中心軸線縱向地延伸并且終止在點火部分中；所述點火部分包括軸向地分布在所述點火部分上的多個叉腳層；每個叉腳層包括從所述點火部分徑向地向外延伸的至少一個點火叉腳；點火器主體，其包括端口端和柄；以及其中所述中心電極沿所述主體的中心軸線縱向地延伸，使得所述中心電極的所述點火 部分從所述柄延伸并與所述端口端相對。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點火器，其進一步包括:電介質(zhì)殼體，其完全包封所述中心電極的所述點火部分；其中所述柄由絕緣材料制成且所述電介質(zhì)殼體與所述柄成一體。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的點火器，其中所述電介質(zhì)殼體包封所述多個叉腳層中的每一 個的所述至少一個點火叉腳，以鄰近于所述點火叉腳限定電介質(zhì)阻擋。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點火器，其進一步包括:每個點火叉腳在所述點火叉腳的所述徑向最外端處限定點火尖端。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的點火器，其中:所述點火叉腳具有終止于頂點中的大體上圓錐形狀；以及 所述點火尖端由所述頂點限定。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的點火器，其中:所述點火叉腳被成形為限定頂點的三角形葉片；以及 所述點火尖端由所述頂點限定。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點火器，其中所述中心電極與電源通信以從所述電源接收高 頻、高電壓脈沖。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點火器，其中所述多個叉腳層包括:包括第一點火叉腳的第一叉腳層；以及包括第二點火叉腳的第二叉腳層；其中所述第一叉腳層軸向地鄰近于所述第二叉腳層。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的點火器，其中所述第一點火叉腳與所述第二點火叉腳徑向地對準。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的點火器，其中所述第一點火叉腳徑向地偏離所述第二點火叉腳。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點火器，其中所述多個叉腳層包括第一叉腳層、第二叉腳層 和至少第三叉腳層。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點火器，其中所述至少一個點火叉腳包括第一點火叉腳、第 二點火叉腳和至少第三點火叉腳。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點火器，其進一步包括:大體上圓柱形接地電極，其限定包圍所述中心電極的放電腔。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的點火器，其進一步包括:多個接地叉腳，其由所述接地電極限定并且朝所述點火部分徑向地延伸。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的點火器，其進一步包括:多個孔徑，其由所述接地電極限定并與所述放電腔流體連通。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的點火器，其中所述多個接地叉腳縱向地分布在所述多個孔 徑之間。17.—種方法，其包括:經(jīng)由電源施加電壓至點火器的中心電極；其中所述點火器包括:中心電極，其沿中心軸線縱向地延伸并且終止于點火部分中；所述點火部分包括軸向地分布在所述點火部分上的多個叉腳層；每個叉腳層包括從所述點火部分徑向地向外延伸的至少一個點火叉腳；以及 點火器主體，其包括端口端和柄；其中所述中心電極沿所述主體的中心軸線縱向地延伸，使得所述中心電極的所述點火 部分從所述柄延伸并且與所述端口端相對;以及施加所述高頻電壓脈沖以產(chǎn)生源自于所述多個叉腳層中的至少一個叉腳層的所述至 少一個點火叉腳的等離子體放電流光。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述點火器進一步包括:電介質(zhì)殼體，其完全包封所述中心電極的所述點火部分；其中所述柄由絕緣材料制成且所述電介質(zhì)殼體與所述柄成一體；以及 其中所述電介質(zhì)殼體包封所述多個叉腳層中的每一個的所述至少一個點火叉腳，以鄰 近于所述點火叉腳限定電介質(zhì)阻擋。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述點火器進一步包括:接地電極，其操作地附接至所述點火器主體，使得所述接地電極與所述功率電極同軸 并且在所述接地電極與所述中心電極的所述點火部分之間限定放電腔。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述接地電極包括:多個接地叉腳，其沿所述接地電極的表面縱向地分布并且從所述接地電極的表面延伸 至所述放電腔中；所述方法進一步包括:當所述電壓施加至所述中心電極時形成多個流光；其中所述多個流光中的每個相應流光形成在所述點火叉腳中的相應點火叉腳與所述 接地叉腳中的相應接地叉腳之間。
【文檔編號】H01T13/52GK105981243SQ201580007864
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年2月24日
【發(fā)明人】C·伊迪謝里亞, P·M·納吉特, L·L·拉加
【申請人】通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司