具有改進的電氣性能的電暈點火裝置的製作方法
2023-11-05 00:08:48 2
具有改進的電氣性能的電暈點火裝置相關申請的交叉引用本申請要求於2013年3月15日提交的美國專利申請序列號No.13/843,336和於2012年3月23日提交的美國臨時申請序列號61/614,808的權益，其全部內容通過引用整體合併入此處。技術領域本發明大致涉及一種用於發射射頻電場來電離燃料-空氣混合物並提供電暈放電的電暈點火裝置，以及該點火裝置的成形方法。
背景技術：
電暈放電點火系統包括具有中心電極的點火裝置，該中心電極被施加一種高射頻電壓進而在燃燒室內形成強射頻電場。該電場使得燃燒室內的一部分的燃料和空氣混合物離子化並開始介質擊穿，加速燃料-空氣混合物的燃燒。該電場優選被控制使得燃料-空氣混合物維持介電性能和產生電暈放電，也稱作非熱等離子體。該燃料-空氣混合物的電離部分形成火焰前緣，該火焰前緣然後變得自我維持並燃燒燃料-空氣混合物的剩餘部分。優選地，該電場被控制使得燃料-空氣混合物並不喪失所有的介電性能，該介電性能可在電極和接地的氣缸壁，活塞，或點火裝置的其他部分之間形成熱等離子體和電弧。Freen的美國專利No.6,883,507中公開了一種電暈放電點火系統的一個例子。該電暈點火裝置通常包括由導電材料製成的中心電極，用於接收高射頻電壓並發射射頻電場從而將燃料-空氣混合物離子化並提供電暈放電。該電極通常包括發射電場的高壓電暈增強的電極尖端。該點火裝置還包括由金屬材料製成的容納中心電極的殼體，並且由絕緣材料製成的絕緣體設置於殼體和中心電極之間。該電暈放電點火系統的點火裝置並不包括任何特意靠近中心電極的點火端放置的接地電極元件。此外，地面優選通過氣缸壁或點火系統的活塞提供。Lykowski和Hampton的美國專利申請No.2010/0083942中公開了電暈點火裝置的一個例子。在高頻電暈點火裝置的工作期間，如果絕緣體外徑在遠離接地金屬殼體並朝著高壓電極尖端移動的方向上增加，則具有電子優勢。美國專利申請公開號No.2012/0181916中公開了這種設計的一個例子。為了獲得最大利益，通常理想的是使該外徑大於接地金屬殼體的內徑。這種設計使得需要通過將絕緣體從燃燒室的方向插入殼體中對點火裝置進行裝配，也稱作「反向裝配」。但是，該反向裝配的方法導致了一系列可能無法接受的操作和製造問題。例如，很難將絕緣體在不受張力的條件下保持在殼體內。
技術實現要素：
本發明的一方面提供一種電暈點火裝置，包括：中心電極，圍繞該中心電極的絕緣體，以及圍繞該絕緣體的導電元件。該中心電極由導電材料製成用於接收高射頻電壓並發射射頻電場。絕緣體由電絕緣材料製成並沿中心軸從絕緣體上端縱向延伸到絕緣體鼻端。所述絕緣體包括從所述絕緣體上端延伸到所述絕緣體鼻端的絕緣體外表面，並且所述絕緣體外表面具有橫穿並垂直於所述中心軸延伸的絕緣體外徑。所述絕緣體還包括絕緣體本體區域和絕緣體鼻端區域。所述絕緣體外表面包括在所述絕緣體本體區域和所述絕緣體鼻端區域之間遠離並橫向於所述中心軸向外延伸的下緣。所述下緣增大了所述絕緣體外徑。所述導電元件由導電材料製成並圍繞至少部分所述絕緣體本體區域，使得所述絕緣體鼻端區域在所述導電元件以外延伸。所述導電元件包括圍繞至少一部分所述絕緣體本體區域並從殼體上端延伸到殼體點火端的殼體。所述殼體具有面向所述中心軸並沿著所述絕緣體外表面從所述殼體上端延伸到所述殼體點火端的殼體內表面。所述殼體內表面還具有橫穿並垂直於中心軸延伸的殼體內徑。所述導電元件還包括圍繞一部分所述絕緣體本體區域並從中間上端縱向延伸到中間點火端的中間部分。所述中間部分包括面向所述中心軸並沿著所述絕緣體外表面從所述中間上端縱向延伸到所述中間點火端的中間內表面。所述中間內表面具有橫穿並垂直於所述中心軸延伸的導電內徑。所述導電內徑小於位於所述絕緣體的下緣下方的絕緣體外徑，從而提供工作時的超常的電氣性能。此外，所述中間點火端與所述絕緣體的下緣配合。本發明的另一方面提供了一種電暈點火裝置的成形方法。該方法包括將中間部分設置於所述絕緣體的下緣上；以及將由導電材料製成的殼體圍繞所述中間部分和絕緣體設置。由於導電內徑小於鄰近絕緣體鼻端區域的絕緣體外徑，本發明的電暈點火裝置提供了超常的電氣性能。該電暈點火裝置包括這種有利特徵並且還能被向前裝配。因此，該電暈點火裝置提供了超常的電氣性能，還避免了與反向裝配點火裝置相關的問題。附圖說明參考以下詳細描述並結合附圖考慮，本發明的其他優點將會更加明顯，同時更加容易理解，其中：圖1是根據本發明的一個典型實施例的使用向前-裝配方法製造的電暈點火裝置的橫截面視圖；圖1A是圖1中的電暈點火裝置的一部分的放大視圖，示出了中間部，絕緣體鼻端區域，以及一部分絕緣體本體區域；以及圖2-圖8是根據本發明的其他典型實施例的電暈點火裝置的橫截面視圖。具體實施方式電暈點火裝置20的典型實施例如圖1-圖8所示。該電暈點火裝置20包括用於接收高射頻電壓的中心電極22。該中心電極22包括用於發射一種射頻電場來電離燃料-空氣混合物並提供電暈放電的電暈增強尖端24。絕緣體26將中心電極22包圍。該絕緣體26包括絕緣體本體區域28和具有絕緣體外徑Dio的絕緣體鼻端區域30。該電暈點火裝置20還包括導電元件，該導電元件包括金屬殼體34和具有導電內徑Dc的中間部分36。沿著一部分絕緣體鼻端區域30，該絕緣體外徑Dio大於導電內徑Dc。該絕緣體外徑Dio在遠離金屬殼體34並朝著高壓電暈增強尖端24的方向上逐漸增大，因此該電暈點火裝置20在工作時具有電子優勢。該電暈點火裝置20的中心電極22由導電材料製成，用於接收通常在20-75V峰/峰之間的高射頻電壓。該中心電極22還發射一種通常在0.9-1.1MHz之間的高射頻電場。該中心電極22沿中心軸A從終端38到電極點火端40縱向延伸。該中心電極22通常包括在電極點火端40處的電暈增強尖端24，例如包括多個叉齒的尖端，如圖1-圖8所示。該電暈點火裝置20的絕緣體26由電絕緣材料製成。該絕緣體26包圍中心電極22並沿中心軸A從絕緣體上端42縱向延伸到絕緣體鼻端44。該電極點火端40通常設置於絕緣體鼻端44以外，如圖1-圖8所示。絕緣體內表面46圍繞容納中心電極22的絕緣體孔。導電密封件47通常被用於確保中心電極22和電接頭49位於絕緣體孔內。該絕緣體內表面46還具有橫穿並垂直於中心軸A延伸的絕緣體內徑Dii。該絕緣體26包括從絕緣體上端42延伸到絕緣體鼻端44的絕緣體外表面50。該絕緣體外表面50還具有橫穿並垂直於中心軸A延伸的絕緣體外徑Dio。該絕緣體內徑Dii優選是絕緣體外徑Dio的15-25％。如圖1所示，絕緣體26包括絕緣體本體區域28和絕緣體鼻端區域30。該絕緣體外表面50包括在絕緣體本體區域28和絕緣體鼻端區域30之間遠離並橫向於中心軸A向外延伸的下緣52。該下緣52使得絕緣體外徑Dio增加。除了附圖中所示的設計和尺寸之外，該絕緣體本體區域28和絕緣體鼻端區域30以及設置於其間的下緣52還可具有各有不同的設計和尺寸。該電暈點火裝置20的導電元件圍繞至少一部分絕緣體本體區域28，使得該絕緣體鼻端區域30在導電元件以外延伸，如圖所示。該導電元件包括均由導電金屬製成的殼體34和中間部分36。該殼體34和中間部分36可由相同或不同的導電材料製成。該殼體34通常由金屬材料(例如鋼)製成，並圍繞至少部分的絕緣體本體區域28。該殼體34沿著中心軸A從殼體上端54延伸到殼體點火端56。該殼體34具有殼體內表面58，該殼體內表面58面向中心軸A並沿著絕緣體外表面50從殼體上端54延伸到殼體點火端56。該殼體34還包括與殼體內表面58相對並具有殼體外徑Dso的殼體外表面60。該殼體內表面58具有圍繞中心軸A的殼體孔以及橫穿並垂直於中心軸A的殼體內徑Dsi。沿著絕緣體26從絕緣體上端42到絕緣體鼻端44的全長l，該殼體內徑Dsi通常大於或等於絕緣體外徑Dio，使得該電暈點火裝置20可以向前裝配。該絕緣體26的長度包括本體區域28和鼻端區域30。術語「向前裝配」是指絕緣體鼻端44可通過殼體上端54插入殼體孔內，而並非通過殼體點火端56插入。但是，在一替換的實施例中，沿著絕緣體26從絕緣體上端42到絕緣體鼻端44的長度l的一部分，該殼體內徑Dsi小於或等於絕緣體外徑Dio，該電暈點火裝置20可被反向裝配。術語「反向裝配」是指絕緣體上端42通過殼體點火端56插入殼體孔中。電暈點火裝置20的中間部分36設置於殼體34以內並圍繞一部分絕緣體本體區域28。該中間部分36沿著絕緣體本體區域28直接設置於絕緣體鼻端區域30的上方。該中間部分36從中間上端64縱向延伸到中間點火端66。該中間部分36與絕緣體外表面50剛性連接。優選地，該中間內表面68與絕緣體外表面50氣密密封，以封閉軸接頭並避免內燃機內電暈點火裝置20的使用過程中氣體洩漏。該中間部分36通常由金屬或金屬合金製成，該金屬合金含有鎳，鈷，鐵，銅，錫，鋅，銀和金中的一種或多種。該金屬或金屬合金可被鑄造到絕緣體外表面50上。可選地是，中間部分36可以是玻璃或陶瓷襯底，並通過加入上述金屬或金屬合金中的一種或多種製造成導電的。該玻璃或陶瓷襯底的中間部分36可被成形並直接燒結到絕緣體外表面50上。該中間部分36還可被提供為通過軟釺焊，硬釺焊，擴散壓合，高溫粘合或其他方法適當連接到絕緣體外表面50的金屬環。該中間部分36還優選通過任何適當的方法，包括軟釺焊，硬釺焊，熔焊，過盈配合和熱壓配合連接到殼體內表面58。被用來形成中間部分36的材料優選是適應性的並能吸收在工作中產生的壓力而不會將壓力傳導到絕緣體26上。該中間部分36的中間內表面68面向中心軸A並沿著絕緣體外表面50從中間上端64縱向延伸到中間點火端66。該中間部分36還包括背對中間內表面68並從中間上端64縱向延伸到中間點火端66的中間外表面70。該中間外徑Dint通常小於或等於殼體外徑Dso，如圖1-圖7中所示，但是可以大於殼體內徑Dsi，如圖8所示。該中間內表面68具有橫穿並垂直於中心軸A延伸的導電內徑Dc。該導電內徑Dc小於絕緣體26的下緣52處的絕緣體外徑Dio，該絕緣體26的下緣52位於絕緣體鼻端區域30與絕緣體本體區域28之間。此外，絕緣體26還具有鄰近殼體點火端56和中間點火端66增加的厚度ti。該絕緣體厚度ti在朝著電極點火端40的方向增加。該特徵保證了在現有技術中的反向-裝配的點火裝置的電子優勢，但是仍然允許使用向前裝配的方法。該導電內徑Dc通常是下緣52正下方的絕緣體外徑Dio的80-90％。該導電內徑Dc通常等於沿著中間部分36的殼體內徑Dsi的75-90％。如圖1-圖8所示，中間點火端66優選與絕緣體26的下緣52配合，並與殼體點火端56縱向對齊。同樣如圖1-圖8所示，該絕緣體外徑Dio通常從下緣52沿著絕緣體鼻端區域30到絕緣體鼻端44逐漸減小。該電暈點火裝置20的典型實施例可包括各種不同的特徵。在圖1-3和圖5-8所示的典型實施例中，絕緣體本體區域28的絕緣體外表面50具有朝著中心軸A向內延伸的上緣72，使得上緣72和下緣52在其中間提供凹槽74。該中間部分36設置於凹槽74內並通常沿著凹槽74的全長延伸。優選地該中間上端64與上緣72配合，並且中間點火端66與下緣52配合，從而限制中間部分36在裝配和工作時的移動。該凹槽74和中間部分36的長度是變化的。例如，凹槽74和中間部分36的長度可沿著絕緣體26的長度l的四分之一或更少延伸，如圖1，圖3和圖6-8所示。可選地，凹槽74和中間部分36的長度可沿著超過絕緣體26的長度l的四分之一延伸，如圖2和圖4所示。沿著中間部分36延伸，如圖2和圖4所示，改善了熱力性能並移除該裝配中的任何小的空氣間隙進而改善電氣性能。在圖1-圖5和圖8所示的典型實施例中，電暈點火裝置20的殼體內表面58遠離靠近殼體上端54的絕緣體外表面50延伸，從而在殼體內表面58和絕緣體外表面50之間提供狹縫76。填充材料88至少部分地填充絕緣體外表面50和鄰近殼體上端54的殼體內表面58之間的狹縫76中。該填充材料88通常是一種將絕緣體26連接到殼體34上的粘合劑，並在中間部分36處的接頭失效的情況下阻止絕緣體26進入燃燒室。該填充材料88還可提供改進的電氣性能和熱力性能，以及增強的穩定性。該填充材料88可以是電絕緣的，例如陶瓷負載的粘合劑，矽樹脂，或環氧基填充劑，聚四氟乙烯，可印刷載體，可繪畫載體，或幹擾粉末。該填充材料88可選地是導電的，例如金屬負載的環氧樹脂，包括導電材料的可印刷載體或可繪畫載體，軟釺焊料，或硬釺焊料。如果填充材料88提供足夠的粘附力，機械強度，和熱力性能，可省略將中間部分36與絕緣體26剛性連接的步驟。該中間部分36如上述方式被連接到殼體34上，並使絕緣體26固定。在該實施例中，填充材料88可替代沿著中間部分36的接頭提供氣密密封。但是，該中間內表面68還應當緊緊抵靠絕緣體外表面50，或抵靠邊緣52，72和凹槽74，來限制元件在工作時可能的移動。在圖1和圖8中的典型實施例中，該絕緣體外徑Dio從上緣72沿著絕緣體本體區域28朝著絕緣體上端42不變，然後沿著一部分絕緣體本體區域28朝著絕緣體上端42逐漸增大。該絕緣體外徑Dio從漸增區域到絕緣體上端42保持不變。該漸增區域有助於獲得精確的裝配，支撐上本體區域，改善熱力性能，並阻止絕緣體26在沿著中間部分36分布的接頭失效的情況下進入燃燒室。適形元件78可被沿著漸增區域設置於絕緣體26和殼體34之間。該適形元件78通常由銅或退火鋼製成的軟金屬襯墊，或塑料或橡膠材料製成。在圖1和圖8所示的典型實施例中，狹縫76從漸增過渡區朝著絕緣體上端42延伸。在圖2所示的典型實施例中，該絕緣體外徑Dio從上緣72朝著絕緣體上端42逐漸增大，並從漸增區域直到絕緣體上端42保持不變。在本實施例中，狹縫76還可從漸增區域朝著絕緣體上端42延伸。在圖3所示的典型實施例中，該絕緣體外徑Dio從上緣72到絕緣體上端42不變。這使得更容易地避免絕緣體在工作時承受張力。在本實施例中，電暈點火裝置20可向前裝配或反向裝配。但是，理想的是沿著或在狹縫76的上方增加絕緣體外徑Dio從而適當地與其他系統元件(未示出)接合。可選地，可通過沿著或在狹縫76的上方加入單獨的元件(未示出)來增大絕緣體外徑Dio。圖4示出了另一典型實施例，其中狹縫76從中間上端64延伸到殼體上端54。在本實施例中，絕緣體外徑Dio從下緣52到絕緣體上端42不變。在圖5所示的典型實施例中，該絕緣體外徑Dio在中間上端64的上方沿著下緣52和絕緣體上端42之間的絕緣體本體區域28略微減小。圖6和圖7示出了其他典型實施例，其中絕緣體外徑Dio從上緣72到翻轉區域不變。該絕緣體26直徑在翻轉區域處增大然後減小，以提供翻轉肩部82用於支撐並配合殼體上端54。接著絕緣體外徑Dio從翻轉肩部82到絕緣體上端42保持不變。在這些實施例中，殼體上端54在翻轉肩部82處翻轉並與絕緣體外表面50配合，並將絕緣體26固定於殼體34中。從而使絕緣體26受到壓力並能在中間部分36和絕緣體26之間沿著中間上端64和中間點火端66形成氣密密封。如果實現了氣密密封，將中間部分36連接到絕緣體26和殼體34上的硬釺焊或其他步驟將可被省略。在圖6所示的典型實施例中，中間內表面68具有橫穿並垂直於中心軸A延伸的導電內徑Dc，並且該導電內徑Dc小於絕緣體26的下緣52的直接下方的絕緣體外徑Dio。該中間點火端66如同其他實施例一樣與絕緣體26的下緣52配合。但是，在本實施例中，該中間外表面70包括位於中間上端64和中間點火端66之間的中間座84，該中間外徑Dint沿著中間座84朝著中間點火端66逐漸減小。此外，該殼體內表面58具有朝著中間外表面70延伸的殼體座86。該殼體座86與中間座84對齊，平行並配合。此外，該殼體34具有從殼體內表面58延伸到殼體外表面60的厚度ts，並且該厚度ts在殼體座86處增大。在圖7所示的典型實施例中，殼體34同樣包括面向絕緣體26上緣72的殼體座86。該殼體內徑Dsi沿著殼體座86朝著殼體點火端56減小。墊圈80設置於殼體座86和絕緣體26上緣72之間並將其分開。墊圈80在絕緣體外表面50和殼體座86之間被壓縮以提供密封。在本實施例中，該中間部分36並不需要對抗氣壓密封或保持絕緣體26，但是可在裝配過程中與殼體34壓配合。在本實施例中，上緣72處的絕緣體外徑Dio大於下緣52處的絕緣體外徑Dio。如同圖6所示的實施例，殼體34的厚度ts在殼體座86處增大。在圖8所示的典型實施例中，中間上端64處的中間外徑Dint大於絕緣體26的上緣72的絕緣體外徑Dio。該中間上端64相對於絕緣體外表面50徑向向外延伸，並且該殼體點火端56設置於中間上端64上方。在本實施例中，從中間上端64到中間點火端66之間的導電內徑Dc保持不變，中間外徑Dint從中間上端64到中間點火端66逐漸減小。本發明的另一方面提供一種電暈點火裝置20的形成方法。該方法通常是一種向前裝配方法，包括將絕緣體鼻端44通過殼體上端54插入殼體孔中，而並非反向裝配方法中的殼體點火端56。但是，該方法可選地包括反向裝配方法，其中殼體內徑Dsi小於或等於沿著一部分絕緣體26的絕緣體外徑Dio，並且該方法包括將絕緣體鼻端44通過殼體點火端56插入殼體孔中。該電暈點火裝置20的形成方法包括對力量和材料溫度的控制使得絕緣體26無論是在裝配中，還是在工作時由於不均勻熱膨脹均不會承受張力。該方法包括提供由電絕緣材料製成的沿著中心軸A從絕緣體上端42延伸到絕緣體鼻端44的絕緣體26。該絕緣體26包括從絕緣體上端42延伸到絕緣體鼻端44的絕緣體外表面50。該絕緣體外表面50具有絕緣體外徑Dio，並包括在絕緣體本體區域28和絕緣體鼻端區域30之間遠離並橫向於中心軸A向外延伸的下緣52。該方法還包括將由導電材料製成的中間部分36設置於絕緣體26的下緣52上。該步驟通常是在絕緣體26被插入殼體34之前進行。但是，如果中間外徑Dint大於殼體內徑Dsi，如圖8中的電暈點火裝置20一樣，在絕緣體26被插入殼體34之後將中間部分36設置於下緣52上。該方法還包括將中間部分36固定連接到絕緣體外表面50上，通常是在將絕緣體26插入殼體34之前。該連接步驟通常包括鑄造，燒結，硬釺焊，軟釺焊，擴散壓合，或者在中間部分36和絕緣體外表面50之間施加高溫粘合劑。如果中間部分36是金屬或金屬合金，該連接步驟通常包括鑄造。如果中間部分36是玻璃或陶瓷襯底的，該連接步驟通常包括直接成形或燒結到圍繞絕緣體外表面50的位置。如果中間部分36是金屬環，那麼連接步驟通常包括軟釺焊，擴散壓合，或者在中間部分36和絕緣體外表面50之間施加高溫粘合劑。該方法通常包括將中間部分36與絕緣體26氣密密封，以封閉軸接頭並避免電暈點火裝置20的使用過程中的氣體洩漏。該方法還包括提供由導電材料製成的沿著並圍繞中心軸A從殼體上端54延伸到殼體點火端56的殼體34。該殼體34包括從殼體上端54延伸到殼體點火端56的殼體內表面58，並且該殼體內表面58具有沿著中心軸A延伸的軸孔。在各個典型實施例中，該殼體內徑Dsi大於或等於絕緣體外徑Dio。該方法還包括以向前裝配的方向將絕緣體26插入殼體34中。該步驟通常在將中間部分36連接到絕緣體26上之後進行，但也可在之前進行。該步驟包括將絕緣體鼻端44通過殼體上端54插入殼體孔中。該絕緣體26應當沿著殼體內表面58移動直到絕緣體鼻端44在殼體點火端56以外延伸。為了製造出圖1-圖7所示的典型實施例，該步驟包括將殼體點火端56與絕緣體26的下緣52和中間點火端66對齊。為了製造出圖8所示的典型實施例，該方法包括將絕緣體26插入殼體34中，接著將中間部分36沿著絕緣體外表面50放置，使得中間上端64與殼體點火端56配合。該方法還可包括將填充材料88設置於絕緣體26和殼體上端54之間的狹縫76中。該步驟可包括使用填充材料88填充至少一部分狹縫76。可選地，可在將絕緣體26插入殼體34中之前在絕緣體外表面50和殼體內表面58上均施加填充材料88，使得在絕緣體26和殼體34連接時，填充材料88至少部分地填充狹縫76。如果填充材料88提供氣密密封，將有可能省略將中間部分36剛性連接到絕緣體26上的步驟。顯然，根據以上教導，本發明的許多修正和變型是可能的。在後所附權利要求的範圍內，本發明可不同於上述具體描述通過其他方式實施。