陶瓷絕緣體及其使用和製造方法
2023-10-11 08:23:44 1
專利名稱：陶瓷絕緣體及其使用和製造方法
技術領域：
如下公開總體上涉及改進的材料,包括改進的介電絕緣體。
背景技術：
長期需要可交換地使用甲烷、氫或甲烷及氫的混合物作為低溫液體或壓縮氣體代替火花點火式發動機中的汽油。但是該目標還未令人滿意地實現，因此，儘管甲烷的成本和可再生氫的許多形式的成本比汽油低得多，絕大多數機動車輛仍使用汽油。類似地，長期以來的目標是可交換地使用甲烷、氫或甲烷及氫的混合物作為低溫液體和/或壓縮氣體代替壓縮點火式發動機中的柴油燃料，但該目標被證實為甚至更難，且大多數柴油發動機仍使用汙染性的且更昂貴的柴油燃料。常規的火花點火系統包括高電壓、但低電離能的包括空氣和燃料的混合物。約0.05至0. 15焦耳的常規火花能量級對於以12 I或更低的壓縮比運行的裝配火花塞的正常吸氣式發動機而言是典型的。在火花隙中的更高環境壓カ下，必須增加產生這種電離的足夠電壓。需要更高電壓的因素包括更低的空氣-燃料比和更大的火花隙(如點火可能所需)、有效壓縮比的増加、增壓、和對進入燃燒室的的空氣的阻抗量的降低。常規火花點火系統不能提供足夠的電壓產生以在發動機(如壓縮比為16 : I至22 : I的柴油發動機)中可靠地提供火花點火，且常常不能將足夠的電壓提供給為了増加的動カ產生和改進的燃油經濟而增壓的無節氣門發動機。這些問題也困擾替代或混合燃料發動機。不能在火花隙提供足夠的電壓大多是由於點火系統部件(如火花塞瓷和火花塞線)的介電強度不足。施加至基本上在燃燒室的壁上的常規火花塞的高電壓導致燃燒的均勻空氣-燃料混合物的熱損失，所述燃燒的均勻空氣-燃料混合物在燃燒室的所有表面處或接近燃燒室的所有表面，所述燃燒室包括活塞、汽缸壁、汽缸蓋和閥門。這種熱損失降低了發動機效率，並可劣化燃燒室部件，所述燃燒室部件易受如下的影響氧化、腐蝕、熱疲勞、由於熱膨脹、變形、翹曲而導致的増加的摩擦、以及由於被過熱或氧化的潤滑膜的活性損失而導致的磨損。另外，現代發動機缺乏具有足夠的介電強度和耐久性的電絕緣部件，所述足夠的介電強度和耐久性用於保護必須承受高電壓的循環施加、電暈放電、和由於衝擊、振動和高溫和低溫的快速熱循環所導致的疊加的劣化的部件。類似地，現代柴油發動機的燃燒室設計為具有用幹「鉛筆」型直接燃料噴射器的極小直徑的端ロ，所述「鉛筆」型直接燃料噴射器必須安裝在典型的頂閥式發動機頭的複雜且緊密擁擠的進氣閥和排氣閥運行機構內。進入燃燒室的典型的柴油燃料噴射器的端ロ直徑限於約8. 4mm(0. 331」)。除了這種嚴重的空間限制之外，對於大多數百萬英裡壽命要求，熱的潤滑油在閥蓋內的發動機頭環境中不斷噴濺而將燃料噴射器組件加熱至超過115°C (240° F)，這阻止了常規風冷電磁閥設計的應用。
非常需要克服將柴油發動機運行局限於壓縮點火的要求、具有窄的十六烷值和粘度的柴油燃料的使用、以及消除粒子和水的嚴格要求。存在具有少得多的替代成本的更豐富的燃料選擇的可能，其中所述燃料具有十六烷值和/或辛烷值的較大差異以及雜質，如水、氮氣、ニ氧化碳、一氧化碳和各種顆粒。為了提供從對化石燃料的經濟依賴性的平穩過渡，非常需要能夠可交換地使用常規柴油燃料或汽油以及可再生燃料，如氫、甲烷或燃料酒精。在通過如下方式使用柴油燃料的情況中需要改進的絕緣體當柴油燃料進入燃燒室時，將足夠的等離子體能量施加至柴油燃料以引起柴油燃料分子的極快速的蒸發和裂解或細分，並產生點火離子以由此克服壓縮點火的難以克服的問題和局限。因此，本領域需要改進的絕緣體和材料以及製造和使用方法，例如，用於多燃料發動機的點火系統部件中的具有改進耐久性和介電強度的材料。
圖I為根據本公開的ー個實施例構造的一體化噴射器/點火器的示意性橫截面側視圖。圖2為根據本公開的ー個實施例構造的噴射器的橫截面局部側視圖。圖3A為根據本公開的ー個實施例構造的絕緣體或介電體的側視圖，且圖3B為基本上沿著圖3A的線3B-3B獲得的橫截面側視圖。圖4A和4B為基本上沿著圖2的線4_4獲得的橫截面側視圖，其示出了根據本公開的另一實施例構造的絕緣體或介電體。圖5A和5B為根據本公開的另一實施例在所需區域中使用壓縮應力形成絕緣體或介電體的系統的示意性說明。圖6為根據本公開的ー個實施例構造的噴射器/點火器的示意性橫截面側視圖。圖6A和6B為圖6的主體602的橫截面側視圖，其不出了根據本公開的另ー實施例構造的絕緣體或介電體。
具體實施例方式本申請以全文引用的方式併入2008年I月7日提交的名稱為「MULTIFUELSTORAGE, METERING, AND IGNITION SYSTEM」 的美國專利申請 No. 12/006, 774(現在為美國專利No. 7,628, 137)的主題。本申請以全文引用的方式併入同時於2010年7月21日提交的如下美國專利申請的每ー個的主題，所述美國專利申請的名稱如下「INTEGRATEDFUEL INJECTORS AND IGNITERS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE」(代理人案號 No. 69545-8031US) ;「FUEL INJECTOR ACTUATOR ASSEMBLIES AND ASSOCIATEDMETHODS OF USE AND MANUFACTURE」(代理人案號 No. 69545-8032US) ；^INTEGRATEDFUEL INJECTORS AND IGNITERS WITH CONDUCTIVE CABLE ASSEMBLIES」(代理人案號No.69545-8033US) SHAPING A FUEL CHARGE IN A COMBUSTION CHAMBER WITH MULTIPLEDRIVERS AND/OR IONIZATION CONTROL」(代理人案號 No. 69545-8034US) ;「METH0D ANDSYSTEM OF THERMOCHEMICAL REGENERATION TO PROVIDE OXYGENATED FUEL, FOR EXAMPLE,WITH FUEL-COOLED FUEL INJECTORS」(代理人案號 No. 69545-8037US);以及「METHODS ANDSYSTEMS FOR REDUCING THE FORMATION OF OXIDES OF NITROGEN DURING COMBUSTION INENGINES」 (代理人案號 No. 69545-8038US)。為了全面了解獲得根據本發明的上述細節和其他優點和目的的方式，將參照本發明的具體實施例提供本發明的更詳細的描述。在如下描述和附圖中提出某些細節以提供對本公開的各種實施例的深入了解。然而，其他細節描述了公知的結構和系統。應理解，提供如下提出的若干細節，從而以足以使相關領域技術人員能夠製造和使用所公開的實施例的方式描述如下實施例。然而，如下描述的多個細節和優點對於實施本公開的某些實施例可能不是必需的。附圖所示的許多細節、尺寸、角度、形狀和其他部件僅說明了本公開的特定實施例。因此，在不偏離本公開的精神和範圍下，其他實施例可具有其他細節、尺寸、角度和部件。另外，本領域普通技術人員將理解本公開的另外的實施例可在無若干如下所述的細節下實施。在整個說明書中，提及「一個實施例」或「實施例」意指關於所述實施例描述的特定部件、結構或特性包括於本公開的至少ー個實施例中。因此，在整個說明書各處的短語「在一個實施例中」或「在實施例中」的出現不必需均指同一實施例。此外，特定部件、結構或特性可在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。本文提供的標題僅為了方便，且不解釋所要求保護的本公開的範圍或含義。圖I為根據本公開的ー個實施例構造的一體化噴射器/點火器110 (「噴射器110」)的示意性橫截面側視圖。圖I所示的噴射器110被構造為將不同的燃料噴入燃燒室104中，並基於燃燒室104中的燃燒性質和條件適應性地調節燃料噴射或爆炸的方式和/或頻率。如在下文詳細解釋，噴射器110可優化噴入的燃料以進行快速點火和完全燃燒。除了噴射燃料之外，噴射器110包括被構造為點燃噴入的燃料的ー個或多個一體化點火部件。同樣，噴射器110可用於將常規內燃機轉化為能夠以多種不同的燃料運行。根據所示實施例的ー個方面，主體112的至少一部分由一種或多種介電材料117製成，所述ー種或多種介電材料117適於使高能點火能夠燃燒不同的燃料，包括未精製燃 料或低能量密度燃料。這些介電材料117可提供高電壓的足夠電絕緣，所述高電壓用於產生、分離和/或遞送用於點火的火花或等離子體。在某些實施例中，主體112可由單個介電材料117製成。然而，在其他實施例中，主體112可包括兩種或更多種介電材料。例如，中間部分116的至少一部分可由具有第一介電強度的第一介電材料製成，且噴嘴部分118的至少一部分可由具有第二介電強度的介電材料製成，所述第二介電強度大於所述第一介電強度。具有相對更強的第二介電強度的第二介電材料可保護噴射器110免於熱衝擊和機械衝擊、汙染、電壓跟蹤等。合適的介電材料的例子，以及這些材料在主體112上的位置在下文詳細描述。介電部件在一方面，圖2為噴射器210的橫截面局部側視圖。圖2所示的噴射器210示出了根據本公開的數個實施例可使用的介電材料的數個部件。所示噴射器210包括數個部件，所述數個部件在結構和功能上可至少通常類似於參照圖I如上描述的噴射器的對應部件。例如，噴射器210包括主體212，所述主體212具有從中間部分216延伸的噴嘴部分218。噴嘴部分218延伸至發動機頭207中的開ロ或進ロ 209。許多發動機(如柴油發動機)具有進ロ 209，所述進ロ 209具有極小的直徑(例如直徑大約為7. 09mm或0. 279英寸)。對於本公開所設想的燃料物質(例如，比柴油燃料的能量密度低大約3，000倍的燃料)的火花點火或等離子體點火，這種小空間具有提供足夠的絕緣的難度。然而，如下文所詳細描述，本公開的噴射器具有主體212，所述主體212具有介電材料或絕緣材料，所述介電材料或絕緣材料可為點火線提供足夠的電絕緣，以產生用於在極小空間中產生、分離和/或遞送點火活動(例如火花或等離子體)的所需高電壓(例如60,000伏)。這些介電材料或絕緣材料也被構造用於獲得穩定性和抵抗由於循環暴露於由燃燒所產生的高溫高壓氣體而導致的氧化或其他劣化的保護。而且，如下文所詳細解釋，這些介電材料可被構造為一體化從燃燒室至傳感器的光或電通訊通路，如轉換器、測量儀器(instrumentation)、濾波器、放大器、控制器和/或計算機。此外，所述絕緣材料可在密封位置與主體212的金屬基部分214釺焊或擴散結合。螺旋纏繞的介電部件根據圖2所示的噴射器210的主體212的另一方面，包括噴射器210的中間部分216和/或噴嘴部分218的介電材料示於圖3A和3B中。更具體地，圖3A為絕緣體或介電 體312的側視圖，且圖3B為基本上沿著圖3A的線3B-3B獲得的橫截面側視圖。儘管圖3A所示的主體312具有通常圓柱形的形狀，但在其他實施例中，主體312可包括其他形狀，包括例如，從主體312向燃燒室界面331延伸的噴嘴部分。一起參照圖3A和3B，在所示實施例中，介電體312由螺旋或纏繞的基層328組成。在某些實施例中，基層328可為人造雲母或天然雲母(例如無針孔雲母紙)。然而，在其他實施例中，基層328可由其他材料組成，所述其他材料適於提供與相對較薄的材料相關的足夠的介電強度。在所示的實施例中，基層328的一側或兩側由相對較薄的介電塗層330覆蓋。塗層330可由高溫高純度聚合物製成，所述高溫高純度聚合物如Teflon NXT, Dyneon TFM、聚對亞苯基ニ甲基HT、聚醚碸和/或聚醚醚酮。然而，在其他實施例中，塗層330可由其他材料製成，所述其他材料適於充分密封基層328。基層328和塗層330可被緊緊纏繞成螺旋形狀而形成管，由此提供組合的基層328和塗層330的片的連續層。在某些實施例中，可使用合適的粘合劑(例如陶瓷接合剤)以纏繞結構結合這些層。在其他實施例中，可用聚合物、玻璃、熱解法ニ氧化矽或其他合適的材料浸潰這些層，以使主體312能夠以緊緊纏繞的管狀而被卷繞。而且，主體312的片或層可通過連續施用不同的膜而被分離。例如，主體312的層之間的分離膜可包括聚對亞苯基ニ甲基N膜層、聚對亞苯基ニ甲基C膜層、聚對亞苯基ニ甲基HT膜層、和/或通過施用其他材料選擇而分離的層，所述其他材料選擇例如薄氮化硼、聚醚碸或聚烯烴(如聚こ烯)或其他合適的分離材料。這種膜分離也可通過溫度或壓カ測量儀器纖維(包括例如單晶藍寶石纖維)而實現。這種纖維可通過雷射加熱基座生長技術而製得，井隨後用全氟こ烯丙烯(FEP)或具有類似折射率值的其他材料塗布，以防止能量從所述纖維滲漏至圍繞這種纖維的潛在吸收的膜中。當塗層330以相對較薄的膜(例如0. I至0. 3mm)施用時，塗層330可提供在-30 0C (例如-22。F)直至約230 0C (例如450。F)下大約2. 0至4. 0千伏/0. 001"的介電強度。本發明人已發現，具有更大厚度的塗層330可能不提供足夠的絕緣以提供點火活動的所需電壓。更具體地，如下表I所反映，具有更大厚度的塗層具有顯著降低的介電強度。當需要在燃燒室產生點火活動(例如火花或等離子體)之時，這些降低的介電強度可、能不足以防止絕緣體312的弧穿和電流洩漏。例如，在具有高壓縮壓力的許多發動機(如典型的柴油發動機或增壓式發動機)中，引發點火活動(例如火花或等離子體)所需的電壓為大約60，000伏特或更高。包括管狀絕緣體的常規介電體可僅提供500伏特/. 001",且無法充分容納這種所需電壓，所述管狀絕緣體僅具有0. 040英寸或更大的有效壁厚井由常規絕緣體製成。表I :所選配方的介電強度比較
權利要求
1.一種絕緣體,其包括 陶瓷組合物， 其中所述陶瓷組合物包含結晶晶粒，且其中所述結晶晶粒基本上取向為在第一方向上延伸，以在與所述第一方向垂直的方向上提供改進的絕緣性質。
2.根據權利要求I所述的絕緣體，其中所述陶瓷組合物包含 約 25-60% SiO2 ；15-35% R2O3，其中所述 R2O3 為 3-15% B2O3 和 5-25% Al2O3 ； 4-25% MgO+O-7% Li2O，其中 MgCHLi2O 總共為約 6-25%之間；2-20% R2O,其中所述 R2O 為 0-15% Na20,0-15% K20,0-15% Rb2O ；0-15% Rb2O ；0-20% Cs2O ;和4-20% F。
3.根據權利要求2所述的絕緣體，其中所述第一方向為周向，且與所述第一方向垂直的方向為徑向。
4.根據權利要求3所述的絕緣體，其還包括第一區域和第二區域，其中所述第一區域處於壓縮中，且所述第二區域處於張緊中。
5.根據權利要求4所述的絕緣體，其中所述第一區域與所述絕緣體的外表面相鄰。
6.根據權利要求5所述的絕緣體，其中所述第一區域每體積包含比所述第二區域更多的晶體晶粒。
7.根據權利要求5所述的絕緣體，其中所述第一區域的晶體晶粒具有比所述第二區域的晶體晶粒更小的充填效率。
8.根據權利要求5所述的絕緣體，其中所述第一區域包含擴散離子、噴濺表面或摻雜劑。
9.根據權利要求4所述的絕緣體，其中所述絕緣體在約-30°C至450°C的溫度下具有大於約I. 2KV/0. 001"的介電強度。
10.根據權利要求4所述的絕緣體，其中所述絕緣體在約_30°C至450°C的溫度下具有大於約1.9KV/0.001"的介電強度。
11.根據權利要求4所述的絕緣體，其中所述絕緣體在約_30°C至450°C的溫度下具有大於約2. 5KV/0.001"的介電強度。
12.根據權利要求4所述的絕緣體，其中所述絕緣體在約_30°C至450°C的溫度下具有大於約3KV/0. 001"的介電強度。
13.—種絕緣體,其包括 陶瓷組合物，其中所述陶瓷組合物包含約 25-60% SiO2 ； 15-35% R2O3，其中所述 R2O3 為 3-15% B2O3 和 5-25% Al2O3 ；4~25%MgO+O-7% Li2O，其中 MgCHLi2O 總共為約 6-25%之間；2~20% R2O,其中所述 R2O 為 0-15%Na20,0-15% K20,0-15% Rb2O ；0~15% Rb2O ；0~20% Cs2O ;以及 4-20% F ； 結晶晶粒，其中所述結晶晶粒基本上取向為在第一方向上延伸，以在與所述第一方向垂直的方向上提供改進的絕緣性質，其中所述第一方向為周向，且與所述第一方向垂直的方向為徑向；以及第一區域和第二區域，其中所述第一區域處於壓縮中，且所述第二區域處於張緊中。
14.一種包括權利要求4所述的絕緣體的燃料噴射器-點火器。
15.—種改性基本上無定形的材料的一個或多個性質的方法，所述方法包括 提供基本上無定形的材料； 在所述材料的第一區域中選擇性地引發相變，而在所述材料的第二區域中基本上不引發相變。
16.根據權利要求15所述的方法，其中在所述材料的第一區域中選擇性地引發相變的步驟包括在所述第一區域中引發結晶。
17.根據權利要求16所述的方法，其中引發結晶的步驟包括在所述第一區域的至少一部分放入晶種。
18.根據權利要求16所述的方法，其中引發結晶的步驟包括將成核劑提供至所述第一區域的至少一部分。
19.根據權利要求16所述的方法，其中在在所述材料的第一區域中選擇性地引發相變的步驟之後，所述材料的第一區域處於壓縮中，且所述材料的第二區域處於張緊中。
20.根據權利要求15所述的方法，其中在在所述材料的第一區域中選擇性地引發相變的步驟之後，所述材料的第一區域具有與所述材料的第二區域不同的折射率。
21.根據權利要求15所述的方法，其中在在所述材料的第一區域中選擇性地引發相變的步驟之後，所述材料的第一區域具有與所述材料的第二區域不同的耐化學性或耐腐蝕性。
22.根據權利要求19所述的方法，其中所述材料為陶瓷。
全文摘要
本公開的一個實施例涉及一種絕緣體，所述絕緣體包括陶瓷組合物、結晶晶粒、以及第一區域和第二區域，其中所述陶瓷組合物包含約25-60％SiO2；15-35％R2O3，其中R2O3為3-15％B2O3和5-25％Al2O3；4-25％MgO+0-7％Li2O，其中MgO+Li2O總共為約6-25％之間；2-20％R2O，其中R2O為0-15％Na2O、0-15％K2O、0-15％Rb2O；0-15％Rb2O；0-20％Cs2O；以及4-20％F；其中所述結晶晶粒基本上取向為在第一方向上延伸，以在與所述第一方向垂直的方向上提供改進的絕緣性質，其中所述第一方向為周向，且與所述第一方向垂直的方向為徑向；其中所述第一區域處於壓縮中，且所述第二區域處於張緊中。
文檔編號C04B35/101GK102712540SQ201080048878
公開日2012年10月3日 申請日期2010年7月21日 優先權日2009年8月27日
發明者羅伊·E·麥卡利斯特 申請人:麥卡利斯特技術有限責任公司