一种流量可调节的半导体等离子点火电嘴的制作方法

1.本实用新型属于点火装置的技术领域，具体涉及一种流量可调节的半导体等离子点火电嘴。


背景技术：

2.等离子点火是利用气体放电形成局部高温区域，并激发大量的活性粒子（等离子体），实现快速的点燃可燃混合气的进程。等离子点火是当今世界上行之有效的一种先进的点火方式，相较传统电火花点火，具有点火能量大、能力强、区域大、点火延迟时间短、可靠性高、强化燃烧等优点。该技术应用广泛，可应用到工业炉等燃烧器、航空航天动力装置等方面，如航空发动机、燃气轮机点火，尤其可提高航空发动机高空再启动点火能力。
3.等离子点火功能简介：等离子点火装置产生高频高压脉冲（引弧电压）引弧，并产生持续低压（维弧电压）维弧。通过等离子点火电缆将高压脉冲和持续低压传输电能到等离子火花塞，高频高压脉冲击穿火花塞电极引弧，再通过持续低压使等离子弧连续稳定（引弧成功后只需要低压就能维持电弧持续）。持续电弧电离火花塞电极附近的气体成等离子态，通过从等离子火花塞吹入的压缩气体，将等离子体从等离子火花塞发火端吹出，产生等离子射流，从而点燃燃烧室的油气混合物。等离子火花塞一般装配在发动机燃烧室附近，火花塞的发火端在发动机燃烧室内，属于热端部件。等离子火花塞的功能是将传输过来的电能转换为高温等离子态气体，并通过气流将高温的等离子从发火端喷出去，产生等离子射流，以点燃发动机燃烧室内的油气混合物。
4.传统的等离子火花塞电极不能自修复，火花塞电极容易腐蚀，寿命相对较短：等离子火花塞工作时，电极击穿电离气体会对电极产生电腐蚀。电腐蚀导致火花塞电极之间的发火间隙（放电击穿间隙）增大，电极之间的发火间隙增大导致火花塞最小击穿引弧电压和维弧电压上升。当火花塞电极腐蚀到一定程度，火花塞的最小击穿引弧电压和维弧电压上升到等离子点火装置产生的引弧电压和维弧电压时，等离子火花塞失效不发火。
5.传统的等离子火花塞，不能自动对电极进行补充修复。由于等离子火花塞工作时容易对电极造成电腐蚀损耗，而火花塞是热端部件，高温又会加速火花塞电极的腐蚀，所以火花塞的寿命相对较短，一般都不能达到与发动机同寿，很大地制约了等离子的使用，特别是一些使用寿命较长的上级单元（如航空发动机点火）。传统的等离子火花塞难以满足发动机全寿命要求，需要在发动机的寿命周期内对火花塞进行更换。等离子火花塞的频繁更换，造成了极大的资源浪费，增加了上级单元（如发动机、燃气轮机等）的维护、维修时间和成本。根据等离子火花塞的工作原理，在等离子火花塞工作时，容易对电极造成电腐蚀损耗，而火花塞是热端部件，高温又会加速火花塞电极的腐蚀，电极腐蚀是影响等离子火花塞寿命的最主要因素，其余部件使用时基本不会产生损耗。
6.火花塞引弧电压高，增加了等离子装置设计难度：
7.等离子火花塞，通常是通过击穿电极之间的空气来实现引弧的，这就要求引弧电压相对较高。引弧电压由等离子装置产生，等离子装置需要额外的设计来保证引弧电压足
够高，而电压高又容易引起绝缘、爬电等问题，需要额外加强等离子的绝缘、耐压设计等。所以，等离子火花塞引弧电压高，增加了配套等离子装置的设计要求和难度。
8.火花塞自身不能调节气流大小：
9.等离子火花塞通过气流将等离子体从等离子火花塞发火端吹出，产生等离子射流，气流的大小对喷出的等离子射流影响很大。气流太小等离子体不能喷出来或喷出来很小，会导致等离子射流很小，不能点燃燃烧室油气混合物。气流太大等离子体会被吹散，等离子体会和过多的冷空气混合一起吹出来，导致喷出来的气流温度低，也不能点燃燃烧室油气混合物。
10.传统等离子火花塞自身不具备调节气流大小的功能，在等离子点火工作中需要在上级单元（如航空发动机、燃气轮机的）增加调节气流大小的部件，或者根据上级单元提供的气流大小，专门设计等离子火花塞的气流通道。这增加了上级单元的设计要求，或限制了等离子火花塞的使用场合（专门设计的等离子火花塞气流通道只能配装在这一种气流大小的上级单元）。


技术实现要素：

11.本实用新型的目的在于提供一种流量可调节的半导体等离子点火电嘴，通过设置气流调节装置能够使等离子火花塞具备自身调节气流大小的功能，解决了传统等离子火花塞自身不具备调节气流大小的功能的问题。
12.本实用新型主要通过以下技术方案实现：
13.一种流量可调节的半导体等离子点火电嘴，包括正电极组件、负电极组件，所述正电极组件套设安装在负电极组件内部，且正电极组件通过绝缘层与负电极组件连接；所述负电极组件包括从左至右依次连接的第一外壳、第二外壳，所述第一外壳的侧壁沿周向设置有进气口，还包括气流调节机构，所述气流调节机构包括从左至右依次套设安装在第一外壳外侧的挡环、调节阀、复位弹簧，所述调节阀与第一壳体转动连接，所述调节阀与挡环的抵接面分别设置有直纹滚花，所述调节阀与第二外壳之间设置有复位弹簧。
14.在使用本实用新型时，正电极组件和负电极组件配合产生电弧，第一外壳侧壁上的进气口通入气流后气流从发火端喷出，形成等离子射流；当需要调节工作气流的大小时，将调节阀拉离挡环抵接面，此时复位弹簧压缩，调节阀上设置有开孔，将调节阀周向转动调节开口与进气口的位置达到所需程度，再将调节阀与挡环接触，此时复位弹簧复位，抵接面上设置的直纹滚花能够防止调节阀和挡环相对移动。
15.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述挡环与第一外壳螺纹连接，所述调节阀与第一外壳滑动连接。当需要调节气流大小时，将调节阀拉离挡环抵接面，此时复位弹簧压缩，转动挡环，挡环通过螺纹在第一外壳上沿轴向移动，再将调节阀与挡环接触，此时复位弹簧复位，通过调节调节阀上的开孔与进气口的位置变化从而达到调节气流的目的。
16.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述正电极组件包括绝缘的整流限位部以及从左至右依次设置的中心电极、弹性导电机构、接触头，所述中心电极的自由端外侧套设有整流限位部，且中心电极通过整流限位部与第一外壳限位连接；所述中心电极的另一端滑动伸入绝缘层并通过弹性机构与接触头连接，所述中心电极与绝缘层滑动连接。当中心电极或第一外壳长时间使用受损腐蚀后，弹性导电机构推动中心电极滑动，保持整流限
位部与第一外壳的限位连接；此外，在中心电极与绝缘层滑动连接的一端设置有限位装置，防止中心电极后期与绝缘层滑脱。
17.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述弹性导电机构包括第一磁芯、第二磁芯、柔性导线，所述中心电极通过柔性导线与接触头连接，所述中心电极与接触头相对的一侧分别设置有第一磁芯、第二磁芯，所述第一磁芯、第二磁芯的相对面为同磁极，所述柔性导线环绕成圆周形设置在中心电极与接触头之间。第一磁芯和第二磁芯同极相斥产生排斥力，可以实现对电极的补充修复功能，柔性导线的长度大于中心电极能够移动距离，保证正极回路的通畅。
18.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述弹性导电机构包括导电弹簧，所述中心电极通过导电弹簧与接触头弹性连接。导电弹簧在中心电极与接触头之间始终处于压缩的状态，保证中心电极能够在可移动范围内始终与负电极组件接触，从而实现对电极的补充修复功能。
19.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述整流限位部内部从左至右依次设置有相互贯通的限位安装孔、贯通孔，所述中心电极的一端穿过贯通孔并与限位安装孔限位安装，所述整流限位部的左侧壁沿限位安装孔设置有贯通的通气孔。整流限位部能够保证在中心电极和负电极组件之间的最小间隙，二者不会直接接触短路。整流限位部件还实现了对发火端的限位功能。整流限位部上的通气孔，实现了通气整流功能，可以对进气孔通入的气流导向整流后向发火端方向喷出，让火花塞工作时形成等离子射流。
20.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述整流限位部靠近发火端的一侧设置有半导体层。当火花塞通电工作时，通过半导体层导电可以有效地降低火花塞的引弧电压（击穿空气的引弧电压远大于通过半导体导电的引弧电压，因为半导体绝缘电阻较空气绝缘电阻低很多，只需要很低的电压，半导体就导通了）。
21.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述绝缘层包括第一绝缘层、第二绝缘层，所述中心电极伸入第一绝缘层并通过弹性导电机构与接触头连接；所述第一绝缘层的右端与第二绝缘层限位连接，所述第二绝缘层靠近第一绝缘层的一端设置有接触头，所述接触头穿过第二绝缘体并伸入第一绝缘体与弹性导电机构连接。第一绝缘层和第二绝缘层将正电极组件和负电极组件隔离，防止短路。
22.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述第二绝缘层的自由端通过第二衬套与第二壳体连接，所述接触头靠近第一绝缘层的一端设置有第一衬套，所述第一衬套、接触头、第二绝缘层、第二衬套密封连接。其中第二衬套和第二绝缘层结合处采用陶瓷金属化进行密封，接触头和第一衬套圆周熔焊密封。
23.本实用新型的有益效果是：
24.（1）本实用新型通过设置气流调节装置能够使等离子火花塞具备自身调节气流大小的功能，可以减少上级单元（如发动机等）的设计要求，也能使等离子火花塞适应更多（不同供气气流）的场合；
25.（2）本实用新型通过设置弹性导电机构保证中心电极与负电极组件保持相对位置不变，避免电极损耗后相对位置变远而导致火花塞失效，这种可自动修复的等离子火花塞能极大增加其使用寿命，使火花塞能满足长寿命的上级单元（如航空发动机、燃气轮机的）全寿命周期要求。在上级单元的全寿命周期内不用更换火花塞，可以有效的节约上级单元
的维护、维修成本和时间，提高上级单元的维护、维修效率；
26.（3）整流限位部上设置半导体层，降低了等离子火花塞的击穿引弧电压，可以降低配套等离子装置的设计要求和难度。
附图说明
27.图1为本实用新型的整体结构示意图；
28.图2为磁吸式弹性导电机构的结构示意图；
29.图3为挡环和调节阀的结构示意图；
30.图4为整流限位部的结构示意图；
31.图5为通气孔的结构示意图；
32.图6为半导体层的结构示意图；
33.图7为第二绝缘层的密封结构示意图。
34.其中：1、中心电极；2、第一外壳；3、整流限位部；4、柔性导线；5、第一磁芯；6、第二磁芯；7、第二外壳；8、第一衬套；9、第二衬套；10、第一绝缘层；11、接触头；12、通气孔；13、第二绝缘层；14、调节阀；15、开孔；16、挡环；17、复位弹簧；18、半导体层。
具体实施方式
35.下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步说明。
36.实施例1：
37.一种流量可调节的半导体等离子点火电嘴，如图1所示，包括正电极组件、负电极组件，所述正电极组件套设安装在负电极组件内部，且正电极组件通过绝缘层与负电极组件连接；所述负电极组件包括从左至右依次连接的第一外壳2、第二外壳7，所述第一外壳2的侧壁沿周向设置有进气口，还包括气流调节机构，所述气流调节机构包括从左至右依次套设安装在第一外壳2外侧的挡环16、调节阀14、复位弹簧17，所述调节阀14与第一壳体转动连接，所述调节阀14与挡环16的抵接面分别设置有直纹滚花，所述调节阀14与第二外壳7之间设置有复位弹簧17。
38.在使用本实用新型时，正电极组件和负电极组件配合产生电弧，第一外壳2侧壁上的进气口通入气流后气流从发火端喷出，形成等离子射流；当需要调节工作气流的大小时，将调节阀14拉离挡环16抵接面，此时复位弹簧17压缩，调节阀14上设置有开孔15，将调节阀14周向转动调节开口与进气口的位置达到所需程度，再将调节阀14与挡环16接触，此时复位弹簧17复位，抵接面上设置的直纹滚花能够防止调节阀14和挡环16相对移动。
39.实施例2：
40.本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图1和图3所示，所述挡环16与第一外壳2螺纹连接，所述调节阀14与第一外壳2滑动连接。当需要调节气流大小时，转动挡环16，挡环16通过螺纹在第一外壳2上沿轴向移动，此时调节阀14跟随挡环16移动，开孔15与进气口的位置变化从而达到调节气流的目的。
41.本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
42.实施例3：
43.本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图1和图2所示，所述正电极组件包括
绝缘的整流限位部3以及从左至右依次设置的中心电极1、弹性导电机构、接触头11，所述中心电极1的自由端外侧套设有整流限位部3，且中心电极1通过整流限位部3与第一外壳2限位连接；所述中心电极1的另一端滑动伸入绝缘层并通过弹性机构与接触头11连接，所述中心电极1与绝缘层滑动连接。当中心电极1或第一外壳2长时间使用受损腐蚀后，弹性导电机构推动中心电极1滑动，保持整流限位部3与第一外壳2的限位连接；此外，在中心电极1与绝缘层滑动连接的一端设置有限位装置，防止中心电极1后期与绝缘层滑脱。
44.本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
45.实施例4：
46.本实施例是在实施例3的基础上进行优化，如图2所示，所述弹性导电机构包括第一磁芯5、第二磁芯6、柔性导线4，所述中心电极1通过柔性导线4与接触头11连接，所述中心电极1与接触头11相对的一侧分别设置有第一磁芯5、第二磁芯6，所述第一磁芯5、第二磁芯6的相对面为同磁极，所述柔性导线4环绕成圆周形设置在中心电极1与接触头11之间。第一磁芯5和第二磁芯6同极相斥产生排斥力，可以实现对电极的补充修复功能，柔性导线4的长度大于中心电极1能够移动距离，保证正极回路的通畅。
47.本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。
48.实施例5：
49.本实施例是在实施例3的基础上进行优化，如图1所示，所述弹性导电机构包括导电弹簧，所述中心电极1通过导电弹簧与接触头11弹性连接。导电弹簧在中心电极1与接触头11之间始终处于压缩的状态，保证中心电极1能够在可移动范围内始终与负电极组件接触，从而实现对电极的补充修复功能。
50.本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。
51.实施例6：
52.本实施例是在实施例3-5任一个的基础上进行优化，如图4和图5所示，所述整流限位部3内部从左至右依次设置有相互贯通的限位安装孔、贯通孔，所述中心电极1的一端穿过贯通孔并与限位安装孔限位安装，所述整流限位部3的左侧壁沿限位安装孔设置有贯通的通气孔12。整流限位部3能够保证在中心电极1和负电极组件之间的最小间隙，二者不会直接接触短路。整流限位部3件还实现了对发火端的限位功能。整流限位部3上的通气孔12，实现了通气整流功能，可以对进气孔通入的气流导向整流后向发火端方向喷出，让火花塞工作时形成等离子射流。
53.进一步地，如图6所示，所述整流限位部3靠近发火端的一侧设置有半导体层18。当火花塞通电工作时，通过半导体层18导电可以有效地降低火花塞的引弧电压（击穿空气的引弧电压远大于通过半导体导电的引弧电压，因为半导体绝缘电阻较空气绝缘电阻低很多，只需要很低的电压，半导体就导通了）。
54.本实施例的其他部分与上述实施例3-5任一个相同，故不再赘述。
55.实施例7：
56.本实施例是在实施例1-6任一个的基础上进行优化，如图2所示，所述绝缘层包括第一绝缘层10、第二绝缘层13，所述中心电极1伸入第一绝缘层10并通过弹性导电机构与接触头11连接；所述第一绝缘层10的右端与第二绝缘层13限位连接，所述第二绝缘层13靠近第一绝缘层10的一端设置有接触头11，所述接触头11穿过第二绝缘体并伸入第一绝缘体与
弹性导电机构连接。第一绝缘层10和第二绝缘层13将正电极组件和负电极组件隔离，防止短路。
57.进一步地，如图7所示，所述第二绝缘层13的自由端通过第二衬套9与第二壳体连接，所述接触头11靠近第一绝缘层10的一端设置有第一衬套8，所述第一衬套8、接触头11、第二绝缘层13、第二衬套9密封连接。其中第二衬套9和第二绝缘层13结合处采用陶瓷金属化进行密封，接触头11和第一衬套8圆周熔焊密封。
58.本实施例的其他部分与上述实施例1-6任一个相同，故不再赘述。
59.实施例8：
60.一种流量可调节的半导体等离子点火电嘴，如图1、图6和图7所示，包括：中心电极1、第一外壳2、挡环16、调节阀14、复位弹簧17、绝缘体、第二外壳7、第一衬套8、绝缘体、接触头11、第二衬套9、导电弹簧、整流限位部3、半导体层18。火花塞的半导体材料可以选用耐高温的碳化硅、金刚石薄膜等材料，绝缘体采用耐高温的高强度结构陶瓷材料，其余火花塞零件选用耐高温、高强度的金属合金材料。火花塞生产制作的主要过程如下：
61.装配密封部：第一衬套8、绝缘体、接触头11、第二衬套9组成火花塞内部的密封部，实现火花塞内部密封，防止发动机燃烧室内的燃气从火花塞发火端通过火花塞内部泄露出去，造成发动机安全隐患。如图7所示，其中第二衬套9和绝缘体结合处采用陶瓷金属化进行密封，接触头11和第一衬套8圆周熔焊密封。第二衬套9和绝缘体结合处采用陶瓷金属化进行密封（后续第二衬套9再和第二外壳7圆周熔焊密封）。
62.先将中心电极1、绝缘体、导电弹簧装配在第二外壳7内，再将密封部装配在第二外壳7内，将密封部的第二衬套9再和第二外壳7圆周熔焊密封；
63.将整流限位部3装配在第一外壳2内，再将第一外壳2和第二外壳7装配焊接（零件尺寸设计保证装配后中心电极1能将整流限位部3压在第一外壳2上，保证导电弹簧装配后处于压缩状态，且留有间隙l2，留有间隙l2中心电极1才能在电极腐蚀后向发火端方向移动）。
64.将挡环16、调节阀14、复位弹簧17装配在第一外壳2外面，将挡环16和第一外壳2焊接（零件尺寸设计保证复位弹簧17装配后处于压缩状态）。
65.电极自修复功能实现：如图1所示，火花塞通电工作时，火花塞的中心电极1和第一外壳2之间放电发火对电极产生电腐蚀。因为火花塞正负极回路间的绝缘和整流限位部3，火花塞的引弧发火位置在整流限位部3（发火端方向）。中心电极1、第一外壳2在发火端整流限位部3表面引弧发火，引弧发火造成电极腐蚀，电腐蚀会导致火花塞发火端贴近半导体层18的中心电极1和第一外壳2逐渐损耗，而火花塞正电极回路和负电极回路的结构，在火花塞发火端的中心电极1和第一外壳2腐蚀损耗时，导电弹簧可以将中心电极1和整流限位部3向第一外壳2发火端方向未腐蚀部分推动，保证中心电极1和第一外壳2贴合在整流限位部3上，保证第一外壳2相对中心电极1的位置不变，从而补充火花塞发火端的电极损耗，实现电极的自修复。采用本实用新型方案的等离子火花塞可以自动补充修复火花塞的电极损耗，本实用新型方案可用的电极长度体积数倍于传统等离子火花塞的电极，从而加长了等离子火花塞的使用寿命，使可修复的新型等离子火花塞寿命达到传统等离子火花塞的数倍。
66.整流限位部3降低引弧电压功能实现：传统等离子火花塞中心电极1和第一外壳2之间是通过直接击穿电极之间的空气引弧发火的，击穿空气的引弧电压较高。如图1和图6
所示，在本实用新型技术方案中整流限位部3的半导体层18可以连接中心电极1和第一外壳2，火花塞通电工作时，电极通过半导体层18导电可以有效地降低火花塞的引弧电压（击穿空气的引弧电压远大于通过半导体导电的引弧电压，因为半导体绝缘电阻较空气绝缘电阻低很多，只需要很低的电压，半导体就导通了）。而在半导体部件中间有环形均布的通孔，可以让气流从半导体部件后端向发火端方向喷出，让火花塞工作时形成等离子射流。
67.调节阀14调节气流功能实现：如图1和图3所示，在本实用新型技术方案中，第一外壳2、挡环16、调节阀14、复位弹簧17、第二外壳7形成了火花塞的气流调节结构。装配后复位弹簧17处于压缩状态，挡环16和第一外壳2焊接固定。调节阀14侧面通气孔12大小与第一外壳2上进气孔大小一致，当两孔重叠在一起时，火花塞的进气孔开到最大，此时气流流量也是最大。将调节阀14向接电缆端接口方向略微压紧，在旋转调节阀14，调节阀14侧面开孔15和第一外壳2上通气孔12两孔错开可以控制火花塞进气孔的大小，从而调节通过火花塞的气流大小。不同的气流大小会影响火花塞的等离子射流情况，当调到最佳的状态时，放开调节阀14。因为挡环16、调节阀14接触的端面设计有直纹滚花，复位弹簧17将调节阀14压在挡环16上，可以保证调节阀14的位置稳定，不会轻易转动。
68.火花塞内部间隙l2绝缘功能原理介绍：如图1所示，产品结构设计保证中心电极1和阴极之间的间隙l2远大于发火端电极间隙l1，根据电路工作原理，电压击穿总是在最薄弱的地方击穿，所以火花塞通电工作时总是从间隙l1击穿。而根据上述电极修复功能可以保证电极腐蚀后间隙l1总是小于l2的，所以在整个火花塞的全寿命周期内，火花塞都是从间隙l1处引弧发火，即l2能一直实现其绝缘功能。
69.本发明的方案可以对电极进行修复，持续补充发火端电极腐蚀后留下的空间，直到l4为0mm。一般l4大于3mm，也就意味着本发明方案的火花塞寿命可达到传统等离子火花塞寿命的3倍以上。
70.根据等离子点火的特点，等离子火花塞中心电极1和整流限位部3发火端方向的端面离火花塞发火端面的距离l3设计的比较长（可达15mm）。l3设计较长可以对气流起到整流导向的作用，使喷出的等离子射流火焰比较集中。而等离子射流火焰长度较长，即使l3较长，也可以保证从发火端喷出火焰的长度。因l3较长，可以保证阴极留有足够的腐蚀修复空间。
71.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。