具有偏心双阳极结构的双放电模式等离子体点火器的点火方法与流程

本发明属于动力领域，涉及一种偏心双阳极结构的双放电模式等离子体点火器的点火方法。

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，因此不得不采用汽油引燃的方式使发动机正常工作。这导致了系统复杂、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。

现有的发动机用火花塞结构如图1所示，采用热平衡等离子体放电原理，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电压作用下，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。

现有火花塞放电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；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。

技术实现要素：

为了解决实现介质阻挡放电以及电弧放电，并在空间上考虑其紧凑性的问题，本发明提出如下方案：一种具有偏心双阳极结构的双放电模式等离子体点火器的点火方法，短阳极与长阳极由电源分别单独供电，点火启动，电源以较低电压供电使得短阳极与接地电极之间由隔离而发生介质阻挡放电，且，长阳极与接地电极之间由阳极绝缘定位套隔离而发生介质阻挡放电，于第一电离空间生成非平衡等离子体，介质阻挡放电对气体产生流场扰动及加热，已被电离的气体向下运动至第二电离空间，电源电压升高并仅对长阳极供电，使得接地电极与长阳极之间发生电弧放电，位于第二电离空间内的混合气迅速发生点火及燃烧反应；

所述第一电离空间、第二电离空间的形成方法：阳极绝缘定位套的定位环开出短阳极开孔、长阳极开孔，并由短阳极开孔以下用绝缘材料形成向下封闭的容置短阳极的短槽，由长阳极开孔以下用绝缘材料形成向下敞口的长阳极绝缘侧壁，将短阳极限位于短槽内，长阳极伸出侧壁孔并延及至出口段，且在第一径值维持段，短槽、绝缘侧壁间、接地电极内壁间的中空形成第一电离空间；在第二径值维持段、第二径值渐小段，长阳极与接地电极内壁间的中空形成第二电离空间。

有益效果：点火器为了实现dbd放电和其他放电分开，并设置两个电极以分别实现介质阻挡放电以及电弧放电，在空间上考虑其紧凑性又必要实现两种放电，使得其内部结构必然为偏心，才能兼具两种效果，即一侧接地电极增加水平向宽度而形成，一侧接地电极的水平向宽度基本一致。本发明采用介质阻挡放电-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。

附图说明

图1现有发动机用火花塞典型结构图；

图2本发明点火器结构示意图；

图3点火器应用于内燃机时的点火控制框图；

图4点火器应用于其他发动机及燃烧器时的点火控制框图。

1.短阳极，2.长阳极，3.定位法兰，4.阳极绝缘隔离套，5.接地电极，6.环壁，7.第一电离空间，8.第二电离空间，9.第一径值维持段，10.第一径值渐小段，11.第二径值维持段，12.第二径值渐小段，13.短槽，14.绝缘侧壁。

具体实施方式

实施例1：为解决现有火花塞/点火器在大空间燃烧室发动机上应用的问题，并进一步解决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，本发明提出如下技术方案：一种具有偏心双阳极结构的双放电模式等离子体点火器，该方案结构如图2所示，包括一个短阳极1、一个长阳极2、一个阳极绝缘定位套、一个接地电极5。所述阳极绝缘定位套安装在接地电极5内，所述短阳极1及长阳极2分别安装于阳极绝缘定位套的安装槽与安装孔内，其中短阳极1全部被阳极绝缘定位套包裹，长阳极2的一部分被阳极绝缘定位套包裹。所述接地电极5上端有一用于安装该等离子点火器的定位法兰3。根据需要，该定位法兰3也可设置于其他位置。

实施例2：一种具有偏心双阳极结构的双放电模式等离子体点火器，包括壳体、长阳极2、短阳极1、阳极绝缘定位套及接地电极5，在壳体内装设有接地电极5，接地电极5围接形成内凹的空心柱体，该空心柱体由上至下而径值呈渐小趋势，并分为两部，且上部、下部间的连接因径值快速减小而由接地电极5形成水平向的环壁，所述的下部的径值减小是由所述短槽13内的侧的接地电极5增加水平向宽度而形成，所述绝缘侧壁14侧的接地电极5的水平向宽度基本一致。所述的下部具有第一径值维持段9、第一径值渐小段10、第二径值维持段11、第二径值渐小段12，所述的阳极绝缘定位套包括能与环壁扣接以定位的定位环6，该定位环6开出短阳极1开孔、长阳极2开孔，并由短阳极1开孔以下用绝缘材料形成向下封闭的容置短阳极1的短槽13，由长阳极2开孔以下用绝缘材料形成向下敞口的长阳极2绝缘侧壁14，短阳极1限位于短槽13内，长阳极2伸出侧壁孔并延及至出口段，且在第一径值维持段9，短槽13、绝缘侧壁14间、接地电极5内壁间的中空形成第一电离空间7，在第二径值维持段11、第二径值渐小段12，长阳极2与接地电极5内壁间的中空形成第二电离空间8，所述的下部的径值减小是由所述短槽13内的侧的接地电极5增加水平向宽度而形成，所述绝缘侧壁14侧的接地电极5的水平向宽度基本一致。点火器为了实现dbd放电和其他放电分开，并设置两个电极以分别实现介质阻挡放电以及电弧放电，在空间上考虑其紧凑性又必要实现两种放电，使得其内部结构必然为偏心，才能兼具两种效果，即一侧接地电极5增加水平向宽度而形成，一侧接地电极5的水平向宽度基本一致。

所述的长阳极2自绝缘侧壁14伸出并延及出口段，在出口段其径值渐减小并至于出口段而成尖端。所述的短阳极1位于定位环6上端的部分具有环形限位环或螺栓以卡接在定位环6的上端面。所述的长阳极2位于定位环6上端的部分具有环形限位环或螺栓以卡接在定位环6的上端面。所述的上部的接地电极5的外围形成安装螺栓孔，且安装螺栓孔的外围安装定位法兰3。

点火方法如下，短阳极与长阳极由电源分别单独供电，点火启动，电源以较低电压供电使得短阳极与接地电极之间由隔离而发生介质阻挡放电，且长阳极与接地电极之间由阳极绝缘定位套隔离而发生介质阻挡放电，于第一电离空间生成非平衡等离子体，介质阻挡放电对气体产生流场扰动及加热，已被电离的气体向下运动至第二电离空间，电源电压升高并仅对长阳极供电，使得接地电极与长阳极之间发生电弧放电，位于第二电离空间内的混合气迅速发生点火及燃烧反应。所述第一电离空间、第二电离空间的形成方法：阳极绝缘定位套的定位环开出短阳极开孔、长阳极开孔，并由短阳极开孔以下用绝缘材料形成向下封闭的容置短阳极的短槽，由长阳极开孔以下用绝缘材料形成向下敞口的长阳极绝缘侧壁，将短阳极限位于短槽内，长阳极伸出侧壁孔并延及至出口段，且在第一径值维持段，短槽、绝缘侧壁间、接地电极内壁间的中空形成第一电离空间；在第二径值维持段、第二径值渐小段，长阳极与接地电极内壁间的中空形成第二电离空间。上述述及的径值是指柱体的直径或半径的值。

实施例3：本方案涉及点火器主要由一个短阳极、一个长阳极、一个阳极绝缘定位套、一个接地电极组成，可以是实施例1或2中所述点火器，其点火方法如下：

由于点火器与发动机燃烧室相联通，因此电离空间内存在可燃的空气-燃料混合气。

短阳极与长阳极由电源分别单独供电。工作时，电源首先以较低电压供电(例如：1万伏以下)；在较低电压下，短阳极-阳极绝缘定位套-接地电极、长阳极-阳极绝缘定位套-接地电极之间均发生介质阻挡放电，介质阻挡放电发生于第一电离空间内。位于第一电离空间的气体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，在第二电离空间内不发生电弧放电。

由于介质阻挡放电对气体还具有流场扰动及加热作用，已被电离的气体在此作用下向下运动，经过隔离空间进入第二电离空间。

具有较高反应活性的非平衡等离子体进入第二电离空间后，电源电压升高(例如：1.5-2万伏)，在高电压作用接地电极与长阳极之间发生电弧放电(此时短阳极不再供电)。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。

该方案的控制策略是：

(1)活塞式发动机(往复式或旋转式活塞)

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，向短阳极输出某一较低电压u1，此时记为时间t1。此时，短阳极、长阳极上部与接地电极放电，在第一电离空间内形成介质阻挡放电，位于第一电离空间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第二电离空间。

在t1+δt时刻，低压放电指令终止，短阳极、长阳极断电。此时，ecu对电源输出高压放电指令，电源向长阳极输出某一较高电压u2(u2>u1)。此时，长阳极与接地电极放电，在第二电离空间内形成电弧放电，位于第二电离空间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。

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对长阳极放电，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)其他发动机及燃烧器

ecu对电源发出低压放电指令。电源接到放电指令后，向短阳极输出某一较低电压u1，此时记为时间t1。此时，短阳极与接地电极放电，在第一电离空间内形成介质阻挡放电，位于第一电离空间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第二电离空间。

在t1+δt时刻，低压放电指令终止，短阳极断电。此时，ecu对电源输出高压放电指令，电源向长阳极输出某一较高电压u2(u2>u1)。此时，长阳极与接地电极放电，在第二电离空间内形成电弧放电，位于第二电离空间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。

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，长阳极断电，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对长阳极放电，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。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但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。