具有可控的电晕形成位置的电晕点火器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电晕点火器（20），其包括一围绕中心电极（24）的绝缘体（28）和一围绕绝缘体（28）的壳体（30）。壳体（30）呈现壳体间隙（38），该壳体间隙具有在壳体底端（34）和壳体内表面（90）或壳体外表面（92）之间的壳体间隙宽度（ws）。壳体（30）具有壳体厚度（ts），该壳体厚度向壳体底端（34）处减小，使得壳体间隙宽度（ws）向壳体底端34处增大。壳体间隙（38）在壳体底端（34）处敞开，使得空气可以由此流入，而且壳体间隙宽度（ws）在壳体底端（34）处达到最大值。增大的壳体间隙宽度（ws）提高了沿着绝缘体（28）在中心电极（24）和壳体（30）之间的电晕放电22。
【专利说明】具有可控的电晕形成位置的电晕点火器
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2011年I月13日提交的第61/432，364号和2011年I月14日提交的第61/432，520号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。
【技术领域】
[0002]本发明主要涉及一种用于发射射频电场以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电的电晕点火器，以及一种形成该电晕点火器的方法。
【背景技术】
[0003]电晕放电点火系统提供交流电压和电流，高低电位电极迅速转换使得电弧难以形成而且提高了电晕放电的形成。该系统包括一个带有中心电极的电晕点火器，该中心电极对高射频电压电势放电并且在燃烧室内产生强射频电场。该电场引起燃烧室中一部分燃料和空气混合物电离且击穿介质，从而促进燃料-空气混合物的燃烧。该电场是可控的，从而可使得燃料-空气混合物保持介电性能，同时在电极点火端产生电晕放电，这又称为低温等离子体(non-thermal plasma)。燃料-空气混合物的电离部分形成了火焰峰,该火焰峰其后可以保持燃烧状态，并且燃烧燃料-空气混合物的剩余部分。优选地，电场可以被集中于电极点火端并且是可控的，使得燃料-空气混合物不会失去其所有的介电性能，这能够在电极和接地的气缸壁、活塞或者点火器的其他部分之间形成热等离子体和电弧。Freen的美国专利6，883，507公开了一种电晕放电点火器系统的例子。
[0004]电晕点火器的中心电极由一种导电材料构成，并且该中心电极接收高射频电压并向燃烧室发射射频电场以电离燃料-空气混合物并且提供电晕放电。绝缘体由一种围绕着中心电极的电绝缘材料构成，并且该绝缘体容置于金属外壳中。该电晕放电系统的点火器并不包括特意放置在中心电极的点火端附近的任何接地电极单元。相反，接地被优选为通过气缸壁或者点火系统的活塞来提供。Lykowski和Hampton的美国申请2010/0083942公开了一种电晕点火器的例子。
[0005]在电晕点火器的使用过程中，当能量施加于中心电极时，由于中心电极和金属外壳之间空气的低的相对介电常数，电势和电压能够在它们之间骤降。高压降和电场强度中对应的峰值使得中心电极和壳体之间的空气发生电离，导致电极点火端的能量显著损失。此外，临近壳体的电离的空气易向电极点火端移动，或者反过来，穿过中心电极和壳体之间的绝缘体形成一个导电通路，而且降低电极点火端电晕放电的效果。中心电极和壳体之间的导电通路可以引起这些部件之间的电弧放电，这通常是不需要的，而且会降低电极点火端的点火质量。
【发明内容】
[0006]本发明的一个方面包括一用于提供电晕放电的点火器。该点火器包括一个由导电材料构成的用于接收高射频电压并发射射频电场以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电的中心电极。绝缘体由一种电绝缘材料构成并且围绕着中心电极设置。绝缘体从绝缘体顶端向绝缘体鼻端纵向延伸。绝缘体还具有在绝缘体顶端和绝缘体鼻端之间延伸的一个面向电极的绝缘体内表面和一个对面的绝缘体外表面。由导电金属材料构成的壳体围绕着绝缘体设置，并且该壳体从壳体顶端向绝缘体鼻端纵向延伸至壳体底端。该壳体具有在壳体底端和壳体顶端之间延伸的一个面向绝缘体外表面的壳体内表面和一个对面的壳体外表面。壳体呈现(present) —个壳体间隙,该壳体间隙具有在壳体底端和壳体内表面与壳体外表面中的至少一个之间的壳体间隙宽度。壳体间隙在壳体底端处敞开使得空气可以由此流入，而且壳体间隙宽度朝壳体底端方向增大。
[0007]本发明的另一个方面提供一种用于提供射频电场以电离一部分易燃的燃料-空气混合物并且在内燃机的燃烧室中提供电晕放电的电晕放电点火系统，该系统包括电晕点火器。
[0008]本发明的另一个方面提供一种形成电晕点火器的方法。该方法包括以下步骤:提供一由导电材料构成的中心电极，提供一由电绝缘材料构成的绝缘体，该绝缘体包括从绝缘体顶端向绝缘体鼻端纵向延伸的绝缘体内表面。该方法接下来包括沿着绝缘体内表面将中心电极插入绝缘体。该方法还包括提供一由导电材料构成的壳体，该壳体包括从壳体顶端纵向延伸至壳体底端的壳体外表面和壳体内表面，并且该壳体具有在壳体内表面和壳体外表面之间的壳体厚度，该壳体厚度向壳体底端处减小，然后沿着壳体内表面将绝缘体插入壳体中。
[0009]增大的壳体间隙宽度控制着电晕放电的位置并且提高了中心电极和壳体之间的电晕放电。因此，电晕点火器能够提供更可控的、集中的电晕放电以及相对于其他电晕点火器更强劲的点火。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]通过参考以下【具体实施方式】并结合附图，本发明的其他优势将更好地被阐述，同时更易于被理解，其中，
[0011]图1是根据本发明的一个实施例的设置于燃烧室中的电晕点火器的剖面图；
[0012]图2是根据本发明的一个实施例的壳体底端和绝缘体鼻端的放大图；
[0013]图2A是图2的壳体间隙的放大图；
[0014]图2B-2E是根据本发明的其他实施例的壳体间隙的放大图；
[0015]图3是根据本发明的另一个实施例的设置于燃烧室中的电晕点火器的剖面图；
[0016]图3A是图3的壳体底端的放大图；
[0017]图3B是可替换的壳体底端的放大图；
[0018]图4是根据本发明的另一个实施例的设置于燃烧室中的电晕点火器的剖面图；
[0019]图4A是图4的壳体底端的放大图；
[0020]图5是根据本发明的另一个实施例的壳体底端和绝缘体鼻端的放大图；以及
[0021]图6是根据本发明的另一个实施例的壳体底端和绝缘体鼻端的放大图；
【具体实施方式】
[0022]本发明的一个方面提供一种用于电晕放电点火系统的电晕点火器20 ο该系统特意创造了一种能够抑制电弧形成并促进形成能够产生电晕放电22的强电场的电源。该电晕放电点火系统的点火过程包括在IMHz左右下运行的多次放电。
[0023]该系统的点火器20包括一个中心电极24和一个电极点火端36,中心电极24用于接收高射频电压下的能量，电极点火端36能够发射射频电场以电离一部分易燃的燃料-空气混合物，同时在内燃机的燃烧室26中提供电晕放电22。中心电极24插入绝缘体28中，金属壳体30围绕着绝缘体28设置。壳体30从壳体顶端32向壳体底端34延伸，使得绝缘体28和电极点火端36伸出壳体底端34之外。壳体30具有壳体厚度ts，该壳体厚度向壳体底端34处减小，从而提供壳体间隙38，该壳体间隙38具有壳体间隙宽度ws，该壳体间隙宽度向壳体底端34处增大，并且在壳体底端34处敞开，使得空气可以由此流入。
[0024]增大的壳体间隙宽度Ws有助于控制电晕放电22的位置，提高中心电极24和壳体30之间的电晕放电22。在一个实施例中，电晕点火器20提供中心电极24和壳体30之间以及电极点火端36处的电晕放电22,如图1所示。在另一个实施例中，电晕点火器20仅提供中心电极24和壳体30之间的电晕放电22，如图2所示。
[0025]在某些实施例中，增大的壳体间隙38还可有助于壳体30和绝缘体28之间的任何电晕的形成以移出壳体间隙38。在某些实施例中，电晕点火器20的设计可能降低中心电极24和壳体30之间的电弧放电。例如,增大的壳体间隙宽度Ws可以在中心电极24和接地壳体30之间形成较大的距离，从而增加形成导电通路所用的时间，导致中心电极24和壳体30之间不需要的电弧放电。
[0026]电晕点火器20适用于汽车或工业机械的内燃机中。如图1所示，引擎通常包括气缸体40，该气缸体具有围绕气缸中心轴周向延伸并且在其中形成空间的侧壁。气缸体40的侧壁具有围绕顶部开口的顶端，气缸盖42设置于该顶端并且覆盖顶部开口延伸。活塞44设置于沿气缸体40的侧壁的空间中，使其能够在内燃机运行时沿侧壁滑动。活塞44与气缸盖42间隔开，从而使得气缸体40、气缸盖42和活塞44之间形成燃烧室26。燃烧室26中含有通过电晕点火器20电离的易燃燃料-空气混合物。气缸盖42包括接收点火器20的接入端口，点火器20横向地伸入燃烧室26，使得壳体间隙38暴露于燃烧室26的燃料-空气混合物中。点火器20接收到来自于电源(图中未显示)的高射频电压并发射射频电场以电离一部分燃料-空气混合物并形成电晕放电22。
[0027]点火器20的中心电极24沿电极中心轴ae纵向地从电极终端48向电极点火端36延伸。高射频交流电压下施加能量于中心电极24，电极终端48接收该高射频交流电压下的能量(通常，电压高达4000V，电流低于1A，频率在0.5-5.0MHz间)。电极24包括一个电极主体部分50，该电极主体部分采用导电材料形成，比如镍。在一个实施例中，电极24的材料具有低于1200ηΩ.ηι的低电阻系数。电极主体部分50具有电极直径De,该电极直径垂直于电极中心轴ae。电极主体部分50包括位于电极终端48的头部52，该头部的电极直径De比其他电极主体部分50的电极直径De更大。
[0028]中心电极24插入绝缘体28中，因此中心电极24的头部52沿着绝缘体28的孔放置在电极座54上。在一个实施例中，将电极24插入绝缘体28所需的间隙提供电极24和绝缘体28之间的电极间隙46，允许空气在电极24和绝缘体28之间流动。可选的，电极24和绝缘体28之间没有间隙。根据一个实施例，如图1，图2，和图4所示，绝缘体28的孔连续地贯穿绝缘体28延伸，从而使得电极点火端36被设置于绝缘体28外部。根据另一个实施例，如图3所示，电极点火端36被绝缘体28包住。
[0029]当电极点火端36被设置于绝缘体28外部时，中心电极24通常包括一个围绕并且临近电极点火端36的点火尖端56，该点火尖端用于发射射频电场以电离一部分燃料-空气混合物并且在燃烧室26中提供电晕放电22。点火尖端56由导电材料形成，该导电材料在高温下提供优异的热性能，例如，该导电材料是一种包括选自元素周期表的第4-12族的至少一种元素的材料。如图1所示，点火尖端56具有尖端直径Dt，Dt大于电极主体部分50的电极直径队。点火尖端56通常包括多个叉状部57，每个叉状部57具有尖端长度lt，其从电极中心轴ae向外延伸，如图2所示。
[0030]电晕点火器20的绝缘体28被设置于环绕并纵向沿着电极主体部分50。绝缘体28从绝缘体顶端58纵向延伸,越过电极终端48直到绝缘体鼻端60。图2是示出了根据本发明的一个实施例的绝缘体鼻端60的放大视图,其中，绝缘体鼻端60与电极24的电极点火端36和点火尖端56间隔开。绝缘体鼻端60和点火尖端56之间具有尖端间距64，其使得外界空气能够在绝缘体鼻端60和点火尖端56之间流动。根据另一个实施例(图中未示)，点火尖端56紧靠绝缘体28，因此其间没有空隙。
[0031]绝缘体28由电绝缘材料构成，通常为包括氧化铝的陶瓷材料。绝缘体28的导电性小于中心电极24和壳体30的导电性。在一个实施例中，绝缘体28的绝缘强度为14-25kV/_。绝缘体28还具有保持电荷的相对介电常数，通常该介电常数为6-12。在另一个实施例中，绝缘体28的热膨胀系数(CTE)介于2 XlO-fVt P 10 X 1(T6/°C之间。
[0032]绝缘体28包括一个绝缘体内表面62，该绝缘体内表面面对电极主体部分50的电极24表面并且沿着绝缘体顶端58和绝缘体鼻端60之间的电极中心轴ae纵向延伸。绝缘体内表面62具有一个绝缘体孔以容置中心电极24，该绝缘体内表面62还包括用于支撑中心电极24的头部52的电极座54。
[0033]在一个实施例中，绝缘体孔从绝缘体顶端58向绝缘体鼻端60连续延伸,而电极点火尖端56设置于绝缘体鼻端60外部，如图1，图2和图4所示。在另一个实施例中，绝缘体鼻端60是封闭的并且包裹住电极点火端36，如图3所示。
[0034]点火器20通常通过将电极点火端36穿过绝缘体顶端58插入绝缘体孔，直至中心电极24的头部52抵靠在电极座54上形成。头部52下部的电极主体部分50的其余部分通常与绝缘体内表面62间隔开从而在其间形成电极间隙46。
[0035]电晕点火器20的绝缘体28包括一个与绝缘体内表面62相对的绝缘体外表面66,该绝缘体外表面沿着电极中心轴ae从绝缘体顶端58向绝缘体鼻端60纵向延伸。绝缘体外表面66位于绝缘体内表面62的对面，向外朝向壳体30且远离中心电极24。在一个优选的实施例中，绝缘体28被设计为紧紧地固定于壳体30中并且为高效率的制造过程提供了便利。`
[0036]如图1，图3和图4所示,绝缘体28包括沿着电极主体部分50从绝缘体顶端58向绝缘体鼻端60延伸的绝缘体第一区域68。绝缘体第一区域68具有大致垂直于电极中心轴ae延伸的绝缘体第一直径Dp绝缘体28还包括一个临近绝缘体第一区域68并且向绝缘体鼻端60延伸的绝缘体中心区域70。绝缘体中心区域70具有大致垂直于电极中心轴ae延伸的绝缘体中间直径Dm，而且绝缘体中间直SDm大于绝缘体第一直径D1。绝缘体上肩部72从绝缘体第一区域68向绝缘体中心区域70径向向外延伸。[0037]绝缘体28还包括一个临近绝缘体中心区域70并且向绝缘体鼻端60处延伸的绝缘体第二区域74。绝缘体第二区域74具有大致垂直于电极中心轴延伸的绝缘体第二直径D2,该绝缘体第二直径小于绝缘体中心直径Dm。绝缘体下肩部76从绝缘体中心区域70向绝缘体第二区域74径向向外延伸。
[0038]绝缘体28进一步包括从绝缘体第二区域74向绝缘体鼻端60延伸的绝缘体鼻部区域78。绝缘体鼻部区域78具有大致垂直于电极中心轴延伸的绝缘体鼻部直SDn，该绝缘体鼻部直径优选向绝缘体鼻端60处逐渐变小或减少。绝缘体鼻端60处的绝缘体鼻部直径Dn小于绝缘体第二直径D2,而且还小于点火尖端56的尖端直径Dt。
[0039]如图1所示，电晕点火器20包括一个由导电材料构成的端子80，该端子容置于绝缘体28中。该端子80包括一个与端子导线(图中未示)电连接的第一终端82，该端子导线与电源(图中未示)电连接。端子80还包括一个与电极终端48电连接的第二终端83。因此,端子80从电源接收高射频电压并且将该高射频电压传送至电极24。导电密封层84由导电材料构成，该导电密封层84设置于端子80和电极24之间并将两者电连接起来，使得能量可以从端子80转送到电极24。
[0040]电晕点火器20的壳体30环绕在绝缘体28周围。壳体30由导电材料构成，比如钢。在一个实施例中，壳体30具有低于1000η Ω.πι的低电阻系数。如图1，图3和图4所示，壳体30沿着绝缘体28从壳体顶端32向壳体底端34处纵向延伸。壳体底端34是壳体30的最接近电极点火端36的位置。
[0041]壳体30包括一个位于壳体顶端32处的壳体上表面86和一个位于壳体底端34处的壳体下表面88。壳体30包括一个面对绝缘体外表面66的壳体内表面90和一个对面的壳体外表面92,壳体内表面和壳体外表面均从位于壳体顶端32处的壳体上表面86向位于壳体底端34处的壳体下表面88纵向连续延伸。壳体厚度ts从壳体内表面90向壳体外表面92延伸。壳体外表面92具有周向围绕着绝缘体28延伸的周长，壳体外直径Dsl横穿该周长。壳体外直径Dsl优选至少比点火尖端的尖端长度It大1.5倍，从而与相较于采用较小壳体外直径Dsl时所需的时间相比，增加在中心电极24和壳体30之间形成导电通路所用的时间。在一个实施例中，壳体外直径Dsl为12-18mm。
[0042]壳体内表面90沿着绝缘体第一区域68、沿着绝缘体上肩部72、绝缘体中心区域70、绝缘体下肩部76和绝缘体第二区域74向临近绝缘体鼻部区域78的壳体底端34延伸。壳体内表面90具有容置绝缘体28的壳体孔。壳体内表面90还具有横穿壳体孔延伸的壳体内直径Ds2。壳体内直径Ds2大于绝缘体鼻部直径Dn，从而使绝缘体28可以插入壳体孔中，而且绝缘体鼻部区域78的至少一部分突伸至壳体底端34外部。壳体内表面90具有用于支撑绝缘体下肩部76的壳体座94。在图1的实施例中，壳体座94设置于工具接收元件98附近。
[0043]从壳体顶端32到壳体底端34连续延伸的壳体内表面90通常与绝缘体外表面66间隔开，从而在两者之间提供壳体间隙38，如图1，图2，图3和图3A所示。在另一个实施例中，壳体内表面90紧靠绝缘体28设置，且壳体间隙38仅存在于沿壳体内表面90和壳体底端34之间的壳体下表面88处，如图3B，图4和图4B所示。在另一个实施例中，如图4和图4A所示，壳体间隙38位于壳体30和气缸体40之间。
[0044]壳体间隙38位于壳体底端34和壳体内表面90与壳体外表面92中的一个之间，比如位于壳体底端34和壳体内表面90之间，或者位于壳体底端34和壳体外表面92之间。壳体间隙38具有在壳体内表面90或壳体外表面92与壳体底端34之间逐渐增大的壳体间隙宽度Ws，例如沿着壳体下表面88从壳体内表面90向壳体底端34。如图所示，壳体厚度ts向壳体底端34减小，使得壳体间隙宽度Ws在壳体底端34处最大。壳体间隙38在壳体底端34处敞开使得外界空气可以由此流入。在优选的实施例中，比如图3和图4所示的实施例，壳体30具有在壳体顶端32和壳体底端34之间的壳体长度Is，增大的壳体间隙宽度Ws沿着壳体长度Is的0.1-10%延伸。
[0045]增大的壳体间隙宽度Ws有助于在壳体30和绝缘体28之间形成任何可能的电晕放电22以移出壳体间隙38。增大的壳体间隙宽度Ws还在中心电极24和接地壳体30之间形成较大的距离，因此，相对于较小的壳体间隙，在中心电极24和壳体30之间形成导电通路所需的时间被延长。据此，增大的壳体间隙宽度ws有益于在电极点火端46处集中电晕放电22，同时阻止中心电极24和壳体30之间不需要的电弧放电。
[0046]在图1和图2所示的实施例中，壳体间隙38在壳体顶端32和壳体底端34之间连续延伸。壳体内表面90平滑地过渡到壳体下表面88，壳体下表面88处具有一个面向绝缘体外表面66的凸面轮廓，如图2A和图2B中具体所示。壳体下表面88的凸面轮廓具有逐渐增大的壳体间隙宽度ws。在本实施例中，壳体下表面88具有面对绝缘体外表面66的大于0.010的球面半径，优选大于0.1。特定点处沿着壳体下表面88的球面半径通过在特定点使用假定的具有半径的三维球体来测定。该球面半径即为三维球体的半径。壳体下表面88处的球面半径用于表示壳体间隙38，以及沿着壳体间隙38改变电场强度和电压场，从而促进壳体30和点火尖端56之间的电晕放电22的形成，同时减少强烈放电(hard discharge)的形成。
[0047]在图3和图3A所示的实施例中，壳体间隙38同样在壳体顶端32和壳体底端34之间连续延伸。然而，在该实施例中，整个壳体下表面88被倒角，使得壳体下表面88从壳体内表面90向壳体外表面92连续延伸，而且壳体底端34位于壳体外表面92处。该倒角的壳体下表面88处具有壳体间隙宽度Ws,且该宽度从壳体内表面90向位于壳体外表面92处的壳体底端34处递增。
[0048]在另一个实施例中，如图2C和图4B所示，壳体下表面88仅有一部分被倒角，因此壳体底端34沿壳体内表面90和壳体外表面92之间的壳体下表面88设置。在该实施例中，壳体间隙宽度ws从壳体内表面90处沿着壳体下表面88的一部分向壳体底端34递增，然后沿着壳体下表面88直到壳体外表面92均保持一致。在图2C所实施例中，壳体下表面88处的倒角用于呈现壳体间隙38以及沿着壳体间隙38改变电场强度和电压场，从而促进壳体30和点火尖端56之间的电晕放电22的形成，同时减少强烈放电的形成。
[0049]在图4和图4A所示的实施例中，逐渐增大的壳体间隙宽度Ws位于壳体30和气缸体40之间。在该实施例中，壳体外表面92与气缸体40配合,而壳体间隙38在壳体外表面92和壳体底端34之间沿着壳体下表面88设置。壳体下表面88的一部分被倒角。壳体下表面88的倒角部分处具有沿壳体下表面88的一部分从壳体外表面92向壳体底端34处递增的壳体间隙宽度ws，然后沿着壳体下表面88直到壳体内表面90处均保持一致。
[0050]在一个实施例中，可将内部密封100安置于壳体内表面90和绝缘体外表面66之间，当绝缘体28插入壳体30时用来支撑绝缘体28。内部密封100将绝缘体外表面66和壳体内表面90间隔开，从而在其间提供壳体间隙38。当采用内部密封100时，壳体间隙38通常从壳体顶端32向壳体底端34连续延伸。如图1，图3和图4中所示，其中一个内部密封100被通常设置于绝缘体下肩部76的绝缘体外表面66和工具接收元件98附近的壳体座94的壳体内表面90之间，另一个内部密封100通常设置于绝缘体上肩部72的绝缘体外表面66和壳体内表面90之间。该内部密封100用以提供支撑并且将绝缘体28维持在与壳体30相对固定的位置上。
[0051]在图1，图3和图4所示的实施例中，绝缘体28抵靠在内部密封100上，该内部密封100设置于壳体座94上，且绝缘体28的剩余部分与壳体内表面90间隔开，从而使绝缘体外表面66和壳体内表面90之间具有壳体间隙38。该壳体间隙38沿着绝缘体外表面66从绝缘体上肩部72向绝缘体鼻部区域78连续延伸，同时环状围绕绝缘体28。
[0052]在图2D和图3所示的实施例中，壳体内表面90和逐渐变细的绝缘体鼻部区域78用来形成壳体间隙38，并且沿着壳体间隙38改变电场强度和电压场，从而促进壳体30和点火尖端56之间的电晕放电22的形成，同时减少强烈放电的形成。在一个实施例中，仅通过逐渐变细的绝缘体38而非壳体38来形成增大的壳体间隙38。在此实施例中，壳体长度Is可比其他实施例中的更长。
[0053]在图2E所示的实施例中，壳体下表面88处的倒角和逐渐变细的绝缘体鼻部区域78被用于呈现壳体间隙38，并沿着壳体间隙38改变电场强度和电压场，从而增强壳体30和点火尖端56之间电晕放电22的形成，同时降低强烈放电的形成。
[0054]壳体30通常包括工具接收元件98，制造者或最终的使用者可以通过该工具接收元件来安装或者从气缸盖42上移除该电晕点火器20。该工具接收元件98沿着绝缘体中心局域70从绝缘体上肩部72向绝缘体下肩部76延伸。在一个实施例中，壳体30还包括沿着绝缘体第二区域74的螺纹，这些螺纹旋入气缸盖42中，同时使电晕点火器20相对于气缸盖42和燃烧室26保持在所需位置。
[0055]壳体30通常还包括一个沿着绝缘体中心区域70的绝缘体外表面66的工具接收元件98纵向延伸，然后沿着绝缘体上肩部72朝着绝缘体第一区域68向内延伸的翻边唇102。该翻边唇102环绕着绝缘体上肩部72延伸从而使绝缘体第一区域68突伸出翻边唇102之外。壳体上表面86朝向绝缘体28向内翻转，而且至少一部分壳体上表面86与绝缘体中心区域70配合，这有益于固定壳体30使其对抗相对于绝缘体28的轴向移动。
[0056]在另一个实施例中，如图5所示，壳体30包括壳体底端34处的突起104，而且壳体间隙38位于突起104和绝缘体28之间。点火尖端56的叉状部57朝着壳体30向上延伸并与突起104对齐。壳体间隙38的形状，点火尖端56的配置以及壳体30的对齐的突起104有助于在壳体30和点火尖端56之间形成电晕放电22。
[0057]在另一个实施例中，如图6所示，中心电极24被绝缘体28包裹住，而且壳体下表面88包括一个球面半径。在该实施例中，闭合的绝缘体鼻端60从壳体底端34处激发电晕放电22，而且当对中心电极24仍然采用高电压以成形电晕放电22的流光(streamer)时消除强烈放电的可能性。
[0058]本发明另一个方面提供一种形成电晕点火器20的方法。该方法首先包括提供中心电极24，绝缘体28和壳体30。绝缘体28通常通过陶瓷材料模塑形成，从而使其具有一个从绝缘体顶端58向绝缘体鼻端60连续贯穿的孔,或者部分贯穿绝缘体28使得孔与绝缘体鼻端60间隔开。壳体30通常通过模塑或铸造形成，从而使壳体厚度ts向壳体底端34处减小。在一个实施例中，该方法包括成形壳体下表面88以提供减小的壳体厚度ts。在另一个实施例中，该方法包括对壳体下表面88倒角，从而提供减小的壳体厚度ts。
[0059]接下来,该方法包括将电极24沿着绝缘体内表面62插入绝缘体孔内，以及沿着壳体内表面90将绝缘体28插入壳体孔内。在一个实施例中，该方法包括在壳体孔中将内部密封100设置于壳体座94上，以及将绝缘体28设置于内部密封100上来形成壳体间隙38。壳体30通常围绕着绝缘体28弯曲，从而能够使壳体30相对于绝缘体28固定于特定位置。壳体上表面86可向内移动以与绝缘体28配合。
[0060]在电晕点火器20的操作过程中，壳体间隙38内具有高电场,包括在壳体间隙38的开口处的区域朝向中心电极24的显著电场。在该区域中，等势线与绝缘体外表面66成一个角度，使得电势沿着绝缘体外表面66从绝缘体28向壳体30处逐渐增大。高电场产生的阳离子向负极化的壳体30移动，即朝低压处移动。但是，带负电荷的离子开始朝着绝缘体外表面66移动，即向高电压处移动，然后离开壳体30向着中心电极24总是移动至高电压处。因此，电晕点火器20的设计有助于电晕放电22的形成，或者在一些实施例中有助于电弧放电，该电弧放电跨过壳体30和中心电极24之间的绝缘体外表面66。
[0061]显然，根据以上教导，本发明的多种修改和变化都是可行的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的形式实现。
【权利要求】
1.一种用于提供电晕放电(22)的电晕点火器(20)，包括: 一由导电材料构成的用于接收高射频电压并发射射频电场以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电(22)的中心电极(24)， 一由电绝缘材料构成的环绕所述中心电极(24)并从绝缘体顶端(58)向绝缘体鼻端(60)纵向延伸的绝缘体(28)， 所述绝缘体(28 )具有在所述绝缘体顶端(58 )和所述绝缘体鼻端(60 )之间延伸的一个面向所述电极(24)的绝缘体内表面(62)和一个对面的绝缘体外表面(66), 一由导电材料构成的环绕所述绝缘体(28)并且从壳体顶端(32)向所述绝缘体鼻端(60 )纵向延伸至壳体底端(34 )的壳体(30 )， 所述壳体(30 )具有在所述壳体底端(34)和壳体顶端(32 )之间延伸的一面向所述绝缘体外表面(66)的壳体内表面(90)和一对面的壳体外表面(92), 所述壳体(30)呈现一个壳体间隙(38)，该壳体间隙具有在所述壳体底端(34)和所述壳体内表面(90)或所述壳体外表面(92)之间的壳体间隙宽度(ws), 所述壳体间隙(38)在所述壳体底端(34)处敞开，使得空气由此流入，以及 所述壳体间隙宽度(Ws)向所述壳体底端(34)处增大。
2.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体间隙宽度(Ws)从所述壳体内表面(90)向所述壳体底端(34)增大。
3.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体间隙宽度(Ws)从所述壳体外表面(92)向所述壳体底端(34)增大。
4.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体(30)包括一个在所述壳体内表面(90 )和所述壳体外表面(92 )之间连续延伸的位于所述壳体底端(34)处的壳体下表面(88)，而且所述壳体下表面(88)处呈现所述增大的壳体间隙宽度(ws)。
5.根据权利要求4所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体底端(34)设置于所述壳体外表面(92)处，而且所述壳体间隙宽度(Ws)从所述壳体内表面(90)沿着所述壳体下表面(88)向所述壳体外表面(92)处增大。
6.根据权利要求4所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体底端(34)在所述壳体内表面(90)和所述壳体外表面(92)之间沿着所述壳体下表面(88)设置，且所述壳体间隙宽度(Ws)从所述壳体内表面(90)沿着壳体下表面(88)向所述壳体底端(34)处增大。
7.根据权利要求4所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体底端(34)在所述壳体内表面(90)和所述壳体外表面(92)之间沿着所述壳体下表面(88)设置，且所述壳体间隙宽度(ws)从所述壳体外表面(92)沿着所述壳体下表面(88)向所述壳体底端(34)处增大。
8.根据权利要求4所述的点火器(20)，其特征在于，至少一部分所述壳体下表面(88)被倒角。
9.根据权利要求4所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体下表面(88)具有一个面向所述绝缘体(28)的凸面轮廓。
10.根据权利要求4所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体下表面(88)具有一个面向所述绝缘体(28)的大于0.010英寸的球面半径。
11.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体间隙宽度(Ws)递增。
12.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体间隙(38)设置于所述壳体(30)和所述绝缘体(28)之间，并且在所述壳体顶端(32)和所述壳体底端(34)之间沿着所述壳体(30)连续延伸，且所述壳体间隙(38)在所述壳体底端(34)处达到最大。
13.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体(30)具有在所述壳体顶端(32)和所述壳体底端(34)之间的壳体长度(ls)，而且所述增大的壳体间隙宽度(Ws)沿着所述壳体长度(Is)的0.1%-10%延伸。
14.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述壳体(30)具有在所述壳体内表面(90)和所述壳体外表面(92)之间的壳体厚度(ts)，而且所述壳体厚度(ts)向所述壳体底端(34)减小。
15.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述中心电极(24)沿着所述电极中心轴(?)延伸，而且包括一个设置于所述电极点火端(36)附近的点火尖端(56)， 所述点火尖端(56)具有从所述中心轴向外延伸的尖端长度(lt)， 所述壳体外表面(92)具有周向围绕所述绝缘体(28)延伸的周长，而且壳体外直径(Dsl)横穿所述周长， 所述壳体外直径(Dsl)比所述尖端直径(Dt)至少大1.5倍。
16.根据权利要求15所述的点火器(20)，其特征在于，所述尖端直径(Dt)为4-7_，所述壳体外直径(Dsl)为12-18mm。
17.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述绝缘体(28)包括一个延伸到所述壳体底端(34)外部的绝缘体鼻部区域(78)，且所述绝缘体鼻部区域(78)的所述绝缘体外表面(66)具有一个向所述绝缘体鼻端(60)处减小的绝缘体鼻部直径(Dn)。.
18.根据权利要求1所述的点火器(20)，其特征在于，所述绝缘体(28)包裹住所述电极点火端(36)。
19.一种电晕放电点火系统，该系统用于提供射频电场以电离一部分易燃的燃料-空气混合物并且在内燃机的燃烧室(26)中提供电晕放电(22)，该系统包括: 气缸体(40)、汽缸盖(42)和活塞(44)，其间形成燃烧室(26)， 在所述燃烧室(26)中提供的燃料-空气混合物， 一设置于所述气缸盖(42)处的横向延伸入所述燃烧室(26)中的用于接收高射频电压并且发射射频电场以电离一部分燃料-空气混合物并形成所述电晕放电(22)的点火器(20)， 所述点火器(20)包括一个由导电材料构成的中心电极(24)，用于接收高射频电压并发射射频电场以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电(22)， 一由电绝缘材料构成的围绕所述中心电极(24)设置并且从绝缘体顶端(58)向绝缘体鼻端(60)纵向延伸的绝缘体(28), 所述绝缘体(28 )具有在所述绝缘体顶端(58 )和所述绝缘体鼻端(60 )之间延伸的一个面向所述电极(24)的绝缘体内表面(62)和对面的绝缘体外表面(66)， 一由导电材料构成的围绕所述绝缘体(28)设置的并且从壳体顶端(32)向所述绝缘体鼻端(60)纵向延伸至壳体底端(34)的壳体(30)， 所述壳体(30 )具有在所述壳体底端(34 )和所述壳体顶端(32 )之间延伸的一个面向所述绝缘体外表面(66)的壳体内表面(90)和对面的壳体外表面(92)， 所述壳体(30)呈现壳体间隙(38)，该壳体间隙具有在所述壳体底端(34)和所述壳体内表面(90)或所述壳体外表面(92)之间的壳体间隙宽度(ws)， 所述壳体间隙(38)在所述壳体底端(34)处敞开，使得空气由此流入，以及， 所述壳体间隙宽度(Ws)向所述壳体底端(34)处增大。
20.一种形成电晕点火器(20)的方法，包括如下步骤: 提供一由导电材料构成的中心电极(24 )， 提供一由电绝缘材料构成的绝缘体(28 ),该绝缘体包括一个绝缘体内表面(62 ),该绝缘体内表面从绝缘体顶端(58)向绝缘体鼻端(60)纵向延伸， 将中心电极(24)沿绝缘体内表面(62)插入绝缘体(28)中， 提供一由导电材料构成的壳体(3 O ),该壳体包括从壳体顶端(3 2 )向壳体底端(3 4 )纵向延伸的一个壳体外表面(92)和一个壳体内表面(90),而且该壳体具有在壳体内表面(90 )和壳体外表面(92 )之间的壳体厚度(ts)，该壳体厚度向壳体底端(34)处减小，以及将绝缘体沿着壳体内表面(90 )插入壳体(30 )。
21.—种提供电晕放电(22)的电晕点火器(20),包括: 一由导电材料构成的用于接收高射频电压并且发射射频电场以电离燃料-空气混合物并提供电晕放电(22)的中心电极(24)， 一由电绝缘材料构成的围绕所述中心电极(24)设置并且从绝缘体顶端(58)向绝缘体鼻端(60)纵向延伸的绝缘体(28), 所述绝缘体(28 )具有在所述绝缘体顶端(58 )和所述绝缘体鼻端(60 )之间的一个面向电极(24)的绝缘体内表面( 62)和对面的绝缘体外表面(66)， 一由导电材料构成的围绕所述绝缘体(28)设置并且从壳体顶端(32)向所述绝缘体鼻端(60)纵向延伸至壳体底端(34)的壳体(30)， 所述壳体(30 )具有在所述壳体底端(34 )和所述壳体顶端(32 )之间延伸的一个面向所述绝缘体外表面(66)的壳体内表面(90)和对面的壳体外表面(92)， 所述绝缘体外表面(66)和所述壳体内表面(90)之间呈现壳体间隙(38)，该壳体间隙(38)具有壳体间隙宽度(Ws)， 所述壳体间隙(38)在所述壳体底端(34)处敞开，使得空气由此流入，以及， 所述壳体间隙宽度(Ws)向所述壳体底端(34)处增大。
【文档编号】H01T13/50GK103444024SQ201280013086
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年1月13日 优先权日:2011年1月13日
【发明者】约翰·A·鲍里斯, 詹姆斯·D·吕科瓦基, 艾尔弗雷德·佩穆伊, 基斯·汉普顿 申请人:费德罗-莫格尔点火公司