CN105981243A - 等离子体点火装置 - Google Patents

Abstract

点火器包括终止于点火部分中的中心电极，该点火部分包括轴向地分布在点火部分上的多个叉脚层。每个叉脚层包括从点火部分径向地向外延伸的至少一个点火叉脚。点火器主体包括被容纳在发动机点火器端口中的端口端以及柄。中心电极的点火部分从柄延伸并且与端口端相对。电介质壳体可完全包封中心电极的点火部分以邻近于所述点火叉脚限定电介质阻挡。点火器可以包括大体上圆柱形接地电极，其限定包围中心电极的放电腔。接地电极包括多个接地叉脚，其由接地电极限定并且朝点火部分径向地延伸。由接地电极限定的多个孔径与放电腔流体连通。

Description

等离子体点火装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年2月26日递交的美国临时申请61/944,786的权益，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本公开涉及一种在内燃机系统中使用的低温等离子体点火装置。

背景技术

发动机燃烧室中的点火系统包括用于对燃烧室中可燃的空气-燃料混合物进行点火的点火器。点火器可以使用施加在电极上的高电压所产生的无热电晕放电，使得电流从电极的尖角或突出点处开始流动，以电离燃烧室中的空气，在电极周围产生等离子体区域，提供等离子体放电流光，从而点燃空气-燃料混合物。等离子体放电流光被限制在较小区域内。等离子体(电晕)放电呈现出形成电弧倾向，使得点火事件的电压和/或持续时间必须精密地控制，以将电弧形成最小化或予以防止。

由于非导电涂层防止了将等离子体放电转变为电弧，因此阻挡放电点火器并不呈现出形成电弧。阻挡放电点火器提供的点火是由电介质阻挡分隔开的两个电极之间的放电所提供，使得点火被限制在电极之间的间隙所限定的狭小体积内。在2011年4月12日出版的数字对象唯一标识符(doi)为10.4271/2011-01-0660的名为“内燃汽油发动机的低温等离子体点火燃烧初始特征的基础分析”(Fundamental Analysis of Combustion InitiationCharacteristics of Low Temperature Plasma Ignition for Internal CombustionGasoline Engine)的美国汽车工程师学会(SAE)的技术报告2011-01-0660中，t.Shiraishi等人描述了这种系统。

发明内容

提供了一种用于对发动机燃烧室中可燃空气-燃料混合物进行点火的低温等离子体点火装置。等离子体点火装置在本文中也被称为点火器，其包括中心电极，中心电极具有点火部分，点火部分包括沿中心电极的点火部分轴向分布的分层点火叉脚。在发动机中的安装位置，中心电极的点火部分延伸到发动机的燃烧室中。每一层的点火叉脚包括至少一个点火叉脚，其从中心电极径向延伸且终止于点火尖端。高频/高电压脉冲施加到中心电极上，使得电场在每一个点火叉脚处形成且在相应的点火叉脚的点火尖端处集中。电场将可燃混合物电离，并提供点燃可燃混合物的等离子体放电。等离子体放电可以是非平衡(冷)等离子体放电流光的形式，在本文中也被称为放电流光，或被称为流光，其起始于点火叉脚的叉脚尖端。多个点火叉脚产生多个流光，以点燃较大体积的可燃混合物。点火叉脚布置成多层，并且相对于点火部分轴向和径向地间隔开。

在一个配置中，点火部分完全被电介质壳体包封，该电介质壳体在包括分层点火叉脚的中心电极的点火部分周围提供电介质阻挡。壳体被配置成使得电介质阻挡具有可变厚度，且在每个点火叉脚的叉脚尖端处最薄。在该配置中，等离子体放电流光起始于最邻近每个叉脚尖端的电介质壳体表面。以这种方式形成的放电流光具有自我限制，且由于电介质表面的电荷捕获行为(在存在施加的电压的情况下，放电流光从每个点火叉脚的尖端处形成，并在产生电弧之前自熄)，从而防止流光变为电弧。

点火器可以包括接地电极，其围绕中心电极的点火部分，以限定放电腔。接地电极限定多个接地叉脚，其朝向中心电极径向延伸且以与中心电极的多个点火叉脚的布置相对应的布置进行分布，使得产生流光图案，其相对于点火部分轴向和径向地分布。接地电极可以是大体上圆柱形形状，并与中心电极同轴。接地电极可以包括多个孔径，以提供从燃烧室到放电腔的可燃混合物的流动。这些孔径可以作为火焰喷口进行操作，以将点火延伸到邻近点火器的燃烧室中的可燃混合物。

从以下结合附图对实施本发明的最佳方式进行的详细描述中能够很容易了解到本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点。

附图说明

图1是等离子体点火器的第一示例性配置的示意性剖视图；

图2是图1的等离子体点火器的示意性端视图；

图3是包括接地电极的等离子体点火器的第二示例性配置的示意性剖视图；

图4是图3的等离子体点火器的示意性端视图；

图5是等离子体点火器的第三示例性配置的示意性侧视图；

图6是等离子体点火器的第四示例性配置的示意性剖视图；

图7是图3的等离子体点火器的透视图；

图8是图7的等离子体点火器的透视图，示出了接地电极的第二示例性配置；

图9是图7的等离子体点火器的透视图，示出了接地电极的第三示例性配置：

图10是等离子体点火器的功率电极的一个示例性配置的透视侧视图；

图11是图10的功率电极的示意性剖视图；

图12是等离子体点火器的功率电极的另一个示例性配置的透视侧视图；

图13是图12的功率电极的示意性剖视图；

图14是等离子体点火器的功率电极的又一个示例性配置的透视侧视图；以及

图15是图14的功率电极的示意性剖视图。

具体实施方式

提供了一种用于对可燃空气-燃料混合物进行点火的低温等离子体点火器10。点火器10可以配置成用于内燃机20的燃烧室26中，内燃机20可以是汽油发动机或替代燃料发动机。由于低电流和低热量排放，与例如传统的火花塞(传统的火花塞在功率电极和接地电极之间产生单个较短电弧，并且需要施加较高的电流，以延长电弧持续时间，从而提供点火能量以对燃烧室中空气-燃料混合物进行点火)相比，本文中描述的等离子体点火装置10可以具有最少电蚀甚至无电蚀。

参照附图，在所有视图中相同数字表示相同的零件。图1至图15中所示的元件并不一定是按尺寸或比例绘制。因此，本文所呈现的附图中提供的特定尺寸和应用并不视为限制性的。本领域的普通技术人员将认识到，诸如“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等术语描述性地用于附图，并不表示对所附权利要求所限定的本发明的范围进行限制。

参照图1，等离子体点火装置总体用10表示，且在本文中可以被称为等离子体点火器或被称为点火器。本文提供的点火器10包括中心电极12，其具有点火部分16，配置成延伸到发动机20的燃烧室26中，点火部分16具有多层70的点火叉脚18，以产生等离子体放电的多个流光(未示出)，从而增加燃烧室26和/或点火室62中的等离子体放电的有效体积，并增加燃烧事件过程中初始的火焰形成和随后的燃料燃烧速度，因而由于燃料点火和燃烧效率、用于稀薄燃烧系统中的适应性、以及相对较低的排放气体(诸如氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)气体等)的排放量，提供燃料经济性提升的优点。

点火器10配置成用于总体用26表示的燃烧室中，且至少部分地由燃烧室表面28限定。燃烧室26可以是图1中总体用20表示的内燃机的燃烧室。在示意性示例中，点火器10包括功率电极12，在本文中也被称为中心电极，其可以由高频/高电压脉冲进行电驱动，以产生等离子体放电，形成放电流光(未示出)，从而提供点火能量以对燃烧室26中的空气-燃料混合物(未示出)进行点火。发动机20包括总体用22表示的发动机部分，其可以是气缸盖22。发动机部分22限定了燃烧室表面28，并包括点火器端口24，以容纳安装位置中的点火器10。燃烧室表面28邻近点火器10，其中点火器10处于安装位置中。在一个示例中，点火器端口24可以配置为发动机20的标准火花塞端口。如图1和图3所示，在安装位置中，点火器主体40的端口端52保持在点火器端口24中，且点火器10的剩余部分(包括点火器主体40的柄部分36和功率电极12的点火部分16)从燃烧室表面28延伸到燃烧室26中。在安装位置中，点火器主体40的柄部分36置于点火部分16和燃烧室表面28的中间。点火部分16可以位于燃烧室26内靠近燃料喷射器(未示出)和一个或多个活塞(未示出)处。

内燃机20可以包括在任何类型和/或风格的车辆中(未示出)，包括但不限于汽车、卡车、多用途汽车、休闲车、船只、飞机等。内燃机20可以用于非车辆应用，例如用于发电应用中，诸如发电机等。内燃机20可以由需要点火的任何类型的燃烧燃料进行燃料补充，诸如，例如汽油、乙醇、甲醇、压缩天然气(CNG)、或内燃机20中使用的任何类型的其它替代燃料。控制器30和电源32在图1中示出，其与点火器10可操作地连通。控制器30和/或电源32可以与发动机20的燃烧系统中的其它部件可操作地连通。例如，控制器30可以与位于燃烧室26中的燃料喷射器(未示出)可操作地连通，并配置成命令燃料喷射器向燃烧室26提供可燃燃料的供应，以与燃烧室26内存在的空气和/或其它气体(包括再循环发动机20气体(EGR))混合，并在点火器10致动时向燃烧室26内靠近点火器10处提供可燃的空气-燃料混合物。控制器30可以配置成对燃料喷射器的致动和点火器10的致动进行协调，以对通过燃料喷射器将燃料引入燃烧室中的正时与点火器10的致动正时进行控制，从而点燃燃烧室26中的空气-燃料混合物。控制器30可以命令电源32为点火器10提供电流以致动点火器10(如本文进一步所述)，从而点燃燃烧室26中的空气-燃料混合物。

如图1中所示，点火器10的功率电极12轴向地延伸穿过点火器10的主体40，并且终止于延伸超出点火器主体40的柄部分36的点火部分16中。在图1中所示的示例中，点火部分16被完全包封在由电介质材料14制成的壳体34中。功率电极12在点火器10的端口端52处电连接至电源32，并且由从电源32提供至功率电极12并且由控制器30控制的高频电压致动。点火器10的主体40的端口端52被配置用于例如通过将点火器主体40定位在由发动机部分22限定并且被配置成容纳点火器10的点火器端口24中而将点火器10安装在发动机部分22中相对于燃烧室26的安装位置中。在一个示例中，发动机部分22可以是至少部分限定燃烧室表面28和发动机20的燃烧室26的发动机20的气缸盖。点火器10的尺寸可以设定成使得点火器10可被安装至发动机20的标准尺寸点火器端口24，其中点火器端口24还可俗称火花塞端口。在一个示例中，点火器10的端口端52可以大体上为圆柱形并且具有标称上为14mm的点火器外径42(参见图5和图6)，使得点火器10可以被安装至标准尺寸点火器端口24。点火器10的端口端52包括端口接口44，其被配置成连接点火器端口24以将点火器10保持在发动机20中的安装位置中。在一个示例中，端口接口44可以是螺纹式接口，使得本文所述的点火器10可以被配置为可安装至发动机20的标准螺纹式火花塞端口中的旋入式更换。点火器外径42和点火器端口24接口可以由如图5中所示的点火器主体40或由如图6中所示的点火器10的接地电极50限定。本文提供的示例并非限制性，且端口接口44的其它配置和/或本文所述的点火器10的其它尺寸是可能的。例如，点火器10可以具有小于14mm的外径，使得点火器10比标准尺寸火花塞或点火器10更紧凑，并且与标准尺寸火花塞相比在发动机20中需要的包装空间更小。在此事件中，点火器10可以通过使用转接器或套筒(未示出)而安装至标准尺寸端口，所述转接器或套筒可以是大体上圆柱形套筒，其具有被配置成旋入标准火花塞端口24的外表面以及被配置成连接点火器端口24接口以将点火器10保持在发动机20中的安装位置中的内表面。作为示例，点火器10可以具有为10mm、12mm或14mm中的一个的外径。其它尺寸是可能的，包括小于10mm或大于14mm的尺寸。

在发动机20中的安装位置中，如图1和图3中所示，点火器10的主体40保持在发动机部分22中，使得点火器10的柄部分36和点火部分16延伸进燃烧室26中，且使得点火部分16通过柄部分36与燃烧室表面28分离。在所示的示例中，柄部分36可以柄长度38为特征，所述柄长度38在功率电极12的点火部分16与燃烧室表面28之间提供最小间隙或距离。在所示的示例中，包括柄部分36的主体40可以由绝缘材料制成以防止功率电极12与电接地之间直接电接触。在图1中所示的示例中，燃烧室表面28、设置在燃烧室26中位于点火器10下方的活塞(未示出)或形成燃烧室26的发动机20的其它表面(未示出)中的一个或多个可以用作电接地。在图3至图4和图6至图9中所示的示例中，点火器10包括接地电极50，其在所示的非限制性示例中是大体上圆柱形电极，所述圆柱形电极操作地附接至点火器10的主体40，使得接地电极50与功率电极12同轴，并且在接地电极50与功率电极12的点火部分16之间限定放电腔62。

在本文也可以称为中心电极12的功率电极12包括沿中心电极12的点火部分16轴向地分布的分层点火叉脚18。点火叉脚18的每个层70(参见图10和图12)包括从中心电极12径向地延伸并且终止在叉脚尖端48处的至少一个点火叉脚18。点火叉脚18被成形使得叉脚尖端48的截面面积相对于点火叉脚18的剩余部分较小，且使得当高频电压施加至中心电极12时，形成在每个点火叉脚18处的电场集中在相应点火叉脚18的叉脚尖端48处。在图1至图13中所示的示例中，点火叉脚18大体上为圆锥形形状，其中叉脚尖端48由圆锥形形状的顶点限定。在图14至图15中所示的另一个示例中，点火叉脚18被成形为终止于由三角形的顶点限定的叉脚尖端48中的大体上三角形叶片。所示的示例并非限制性，且可以使用点火叉脚18和叉脚尖端48的其它配置，其中叉脚尖端48以比点火叉脚18的截面面积相对更小的截面面积为特征，其中点火叉脚18(例如相对于点火叉脚18的基座)附接至中心电极12。例如，点火叉脚18可以具有随着其从中心电极12径向地延伸而渐缩或变窄的另一种形状。在一个示例中，点火叉脚18可以被成形为锥形叶片使得叶片边缘限定叉脚尖端48。在一个示例中，点火叉脚18的层70可以由形成在中心电极12上的螺纹形状(未示出)限定，其中螺纹形状的顶点限定叉脚尖端48。限定分层点火叉脚18的螺纹形状可以为带槽或中断螺纹形状。点火部分16终止于电极端64处，所述电极端64终止于叉脚尖端48中。在所示的非限制性示例中，电极端64和点火叉脚18的形状各自为圆锥形，且应当理解的是，电极端64的形状可以不同于点火叉脚18的形状。中心电极12和点火叉脚18是由能够承受发动机20环境的高温和压力的高导电材料制成。例如，中心电极12和点火叉脚18可以由难熔金属和/或难熔金属的合金制成。在非限制性示例中，中心电极12和/或点火叉脚18可以由含钨材料和/或含铱材料制成。

在图1至图15中所示的示例中，点火叉脚18分布在层70中使得点火叉脚18和叉脚层70沿中心电极12的点火部分16的纵向长度轴向地间隔开，且点火叉脚18相对于中心电极12径向地分布或间隔开。如本文所限定，“叉脚层”70包括在垂直于中心电极12的纵向轴线的平面中共平面的那些点火叉脚18。例如且参照图10和图11，所示的点火部分16包括三层70的点火叉脚18，其轴向地分布使得每个层70与相邻层70分离层间距76(被示为轴向长度)。在图10中所示的示例中，每个层70包括轴向地分布在层70的平面内的四个点火叉脚18a、18b、18c、18d，其中层70中的每个点火叉脚18相对于层70中的相邻点火叉脚18分隔开径向间距74，其在所示的示例中为90度。图10和图11示出了层70彼此径向地对准使得叉脚层70中的点火叉脚18与相邻层70中的相应点火叉脚18纵向地分隔开叉脚轴向间距72(被示为轴向长度)。如图10中所示，由于叉脚层70径向地对准，层间距76和叉脚轴向间距72是相同的。

现在参照图12和图13，示出了点火部分16的另一种示例性配置，包括六层70的点火叉脚18，其轴向地分布使得每个层70包括两个点火叉脚18且每个层70从相邻层70径向地旋转90度。在所示的示例中，一个层70包括点火叉脚18f、18g，其是共平面的且相对的使得将点火叉脚18f与点火叉脚18g分离180度的叉脚径向间距。包括点火叉脚18f、18g的一个层70与包括一对点火叉脚18i、18h的另一个层70相邻。相邻层70彼此径向地旋转90度使得层间距76由相应相邻层70的相应平面之间的轴向长度限定，且叉脚轴向间距限定在交替层70中的叉脚18、48之间，例如，叉脚轴向间距72在图12中所示的示例中被限定为纵向对准的点火叉脚18e、18f之间的轴向长度且使得在图12中所示的示例中，叉脚轴向间距72不同于叉脚层间距76。

在图14和图15中所示的另一个示例中，点火部分16包括四层70的点火叉脚18，其轴向地分布使得每个层70包括一对点火叉脚18且每个层70与每个相邻层70径向地对准。在所示的示例中，一个层70包括点火叉脚18j、18k，其是共平面的且相对的使得将点火叉脚18j与点火叉脚18k分离180度的叉脚径向间距74。由于相应层70的相应点火叉脚18如图14中所示般径向地对准，层间距76和叉脚轴向间距72是相同的，如由点火叉脚18k、18l之间的关系所示。

再次参照图1至图4，在所示的示例中，点火部分16包括十层70的点火叉脚18，其轴向地分布使得每个层70包括一个点火叉脚18(例如，没有任何两个点火叉脚18在正交于中心电极12的纵向轴线的平面中是共平面的)，且每个层70从相邻层70轴向地旋转180度，使得一个层70中的点火叉脚18与相邻层70中的点火叉脚18相对(例如，在相反方向上延伸)，且交替层70中的点火叉脚18径向地对准以限定其间的叉脚轴向间距72。由于相邻层70彼此径向地旋转180度使得层间距76由相应相邻层70的平面之间的轴向长度限定，在图1至图4中所示的示例中，叉脚轴向间距72不同于并且大于叉脚层间距76。

在操作中，高频电压施加至中心电极12使得电场形成于每个点火叉脚18处并且集中在相应点火叉脚18的尖端48处。在一个示例中，电压的频率是在兆赫(MHz)的范围中且电压是在20(kV)至60千伏(kV)的范围中。电压是脉冲式的使得集中在每个点火叉脚18中的电场将靠近每个相应点火叉脚18的尖端48的可燃空气-燃料混合物电离以形成点燃可燃混合物的等离子体放电。等离子体放电可以呈在本文又称为流光的等离子体放电流光(未示出)的形式，所述流光起始于点火叉脚18的叉脚尖端48处。流光是由点火部分16的每个叉脚层70的每个点火叉脚18产生，使得多个点火叉脚18在多个径向方向上且在中心电极12的点火部分16的整个纵向长度处产生多个流光，以点燃较大体积的可燃混合物，由此相对于无点火叉脚18和/或具有单层70点火叉脚18的点火装置10增加燃烧室26中的火焰形成和燃料燃烧。如图1至图15中所示，点火叉脚18被布置在层70中并且相对于中心电极12的点火部分16轴向和径向地间隔开，使得起始于每个点火叉脚18的每个叉脚尖端48的流光产生大的放电体积。

在图1至图4和图7至图9中所示的非限制性示例中，中心电极12的点火部分16完全被电介质壳体34包封，所述电介质壳体34在包括分层点火叉脚18的中心电极12的点火部分16周围提供电介质阻挡。在一个示例中，电介质壳体34可以与主体40的柄部分36成一体，且柄部分36可以由电介质材料14制成，使得延伸至安装位置中的燃烧室26中的中心电极12的长度完全被电介质材料14包封。壳体34被配置使得电介质阻挡具有可变厚度，使得积聚在壳体34的电介质阻挡中的电场随着壳体34的厚度而变化。如图1中所示，壳体34限定壳体表面66，其大体上为圆柱形并且与中心电极12同轴使得壳体34在点火叉脚18之间的轴向长度中相对较厚，且在壳体表面66与点火叉脚18之间的厚度随着点火叉脚18渐缩至叉脚尖端48而减少，使得如图2中所示电介质壳体34在每个点火叉脚18的叉脚尖端48处是最薄的，其中在其最薄部分处，电介质壳体34形成具有阻挡厚度46的电介质阻挡。作为示例，电介质壳体34可以被配置成使得在点火叉脚18的叉脚尖端48处，叉脚尖端48与壳体表面66之间的阻挡厚度46在0.5mm至2mm的范围中。作为示例，大体上圆柱形壳体34可以具有在5mm至8mm的范围中的壳体直径68(参见图4)。壳体34终止于包封电极端64的壳体端78处。图1、图3和图7至图9中所示的壳体端78被成形为半球。此示例是非限制性的，且壳体端78可以相对于电极端64的轮廓以其它方式进行成形和/或形成轮廓，以在电极端64的叉脚尖端48与壳体表面66之间提供相对较薄的壳体厚度46。壳体端78可以被成形为(例如)圆锥端、圆柱形端、倒角圆柱形端等。电介质材料14可以是能够承受发动机20环境的高温和压力的任何电介质材料14。例如，电介质材料14可以是玻璃、石英或陶瓷电介质材料14，诸如高纯度氧化铝。

在操作中，如前面所述，高频电压施加至中心电极12，从而在每个点火叉脚18的叉脚尖端48处产生高度集中的电场。电场将靠近每个点火叉脚18的叉脚尖端48的空气-燃料混合物电离，从而在每个叉脚尖端48处形成等离子体放电流光。流光的形成受电介质壳体34影响使得在点火叉脚18上方形成电介质阻挡的电介质壳体34处的阻挡放电导致在施加高电压至中心电极12期间在每个点火叉脚18的尖端48处的流光的连续形成、放电和再形成，且使得以此方式形成的放电流光自蔓延且在每个点火叉脚18的尖端48处连续形成，且由于发生在由壳体34的电介质阻挡处的电荷捕获而自熄，使得因此形成的放电流光在形成电弧之前自熄。等离子体放电流光对靠近点火器10的点火部分16形成的大放电区域中的可燃空气-燃料混合物进行点火，从而导致燃烧室26中的火焰形成和燃料燃烧。

所施加电压的频率、大小和持续时间可以受控制器30控制以影响流光形成的正时、强度和持续时间。施加至功率电极12的电压可以是MHz的范围中施加为高电压电脉冲的高频电压。因为由点火叉脚18和电介质阻挡的组合形成的流光自蔓延和自熄从而防止电弧形成，因此流光形成的控制相对于电压、频率和持续时间控制敏感度较低。另外，因为多层点火部分16的每个叉脚层70处形成多个流光，因此有效放电体积被形成为由沿中心电极12的点火部分16分布的多个点火叉脚18的布置限定，其中有效放电体积相对于由常规电晕点火系统或常规阻挡放电点火器10产生的放电体积显著较大。较大放电体积和放电流光的自蔓延以及自熄特性促成了相对较长的装置使用期限、提高燃料经济性、燃烧稳定性和降低排放。例如，由于每个点火叉脚18处形成的高度集中的电场而在点火部分16的每个点火叉脚18处形成多个流光形成增加了形成在等离子体放电中的自由基产率，因此增强了燃料反应性和燃料燃烧效率、降低排放。产生在每个点火叉脚18处的多个流光提供了大的放电区域用于化学计量均质、稀薄均质、浓均质和/或稀薄/浓分层和稀薄可控自动点火燃烧应用中的有效火焰形成。

再次参照图1和图2，在所示的非限制性示例中，点火器10的主体40的端口端52保持在发动机部分22中使得点火器10的柄部分36和点火部分16延伸入燃烧室26中，且使得点火部分16通过柄部分36与燃烧室表面28分离。在所示的示例中，柄部分36可以柄长度38为特征，所述柄长度38在功率电极12的点火部分16与燃烧室表面28之间提供最小空隙或距离。包括柄部分36的主体40可以由绝缘材料制成。点火器10的点火部分16完全被电介质壳体34包封，使得包括柄部分36的主体40结合一体式壳体34完全包封中心电极12以防止功率电极12与电接地之间直接电接触。在图1中所示的示例中，燃烧室表面28、设置在燃烧室26中位于点火器10下方的活塞(未示出)或形成燃烧室26的发动机20的其它表面(未示出)中的一个或多个可以用作电接地。在操作中，高频高电压脉冲从电源32施加至中心电极12使得在中心电极12的点火部分16中分布于多个层70中的多个点火叉脚18中的每一个中形成电场。电场集中在每个点火叉脚18的叉脚尖端48处，且如先前所述将靠近在点火叉脚18与靠近点火器10的接地表面之间形成电介质阻挡14的壳体表面66(可以包括燃烧室表面28、活塞表面(未示出)等)的可燃混合物电离。经电离可燃混合物形成起始于多个点火叉脚18的尖端48的多个等离子体放电流光，其从点火器10的点火部分16且朝接地表面径向地向外行进以点燃空气-燃料混合物。如先前所述，由壳体34限定的电介质阻挡14产生的动态电场将多个流光连续地放电以自蔓延且在形成电弧之前自熄。

在图5中所示的另一个示例中，点火器10可以被配置成类似于图1中所示的点火器10，然而却并无电介质壳体34，使得中心电极12的点火部分16直接暴露于燃烧室26。柄部分36由绝缘材料(可以是电介质材料)制成并且具有足够的柄长度38使得点火部分16与由燃烧室表面28提供的接地表面分离以防止和/或基本上最小化中心电极12的点火部分16与燃烧室表面28之间的电接触，并且防止流光对燃烧室表面28形成电弧。在此配置中且如先前所述，高频、高电压脉冲施加至中心电极12使得电场形成在每个点火叉脚18中，并且集中在点火叉脚18的叉脚尖端48中，以将燃烧室26中靠近每个叉脚尖端48的可燃混合物电离。经电离可燃混合物形成起始于叉脚尖端48并且延伸朝向(例如)由靠近燃烧室表面28和/或活塞表面限定的接地表面的等离子体放电流光，其点燃空气-燃料混合物，从而导致火焰形成和随后的燃料燃烧。控制器30控制电压脉冲的频率、大小和脉冲以防止形成电弧。由相对于点火部分16的纵向轴线径向和轴向地分布在层70中的多个点火叉脚18产生的大电离体积和大流光体积增加了点火和燃烧效率以及产生相对较高的自由基产率以增强燃料反应性。

在图3至图4和图6至图9中所示的示例中，点火器10包括接地电极50，其在所示的非限制性示例中是大体上圆柱形电极，所述圆柱形电极操作地附接至点火器10的主体40使得接地电极50与功率电极12同轴并且在接地电极50与功率电极12的点火部分16之间限定放电腔62。接地电极50是由能够承受燃烧室26环境的高温和高压的导电材料制成。在一个示例中，接地电极50可以由难熔金属和/或难熔金属的合金制成。在非限制性示例中，接地电极50可以由含钨材料和/或含铱材料制成。

在所示的实例中，接地电极50包括多个接地叉脚58，其沿大体上圆柱形接地电极50的内表面纵向地分布并且从大体上圆柱形接地电极50的内表面径向地朝点火部分16延伸，例如，径向地向内延伸到放电腔62中。放电间隙80限定在接地电极50和中心电极12的最邻近表面之间。在图3中所示的示例中，放电间隙80由接地叉脚58的叉脚尖端48与壳体表面66之间的间隙限定。在图6中所示的示例中，放电间隙80由接地电极50的接地叉脚58的叉脚尖端48与中心电极12的点火叉脚18的叉脚尖端48之间的间隙限定。接地叉脚58相对于点火叉脚18分布和定位使得在放电腔62中点火叉脚18与接地叉脚58之间形成多个流光。例如且如图4中所示，中心电极12的点火部分16相对于接地电极50的接地叉脚58定向使得在所示的截面中，每个点火叉脚18靠近相应的一对接地叉脚58，使得每个点火叉脚18与邻近于点火叉脚18的所述相应一对接地叉脚58中的每个接地叉脚58之间发生流光形成，以产生在整个放电腔62中可以或可以不彼此交叉而又径向地分布的多个流光。

例如且如图3中所示，接地电极50在点火器10的端口端52处附接至并且包围点火器主体40，使得接地电极50限定端口接口44，且使得在安装位置中接地电极50接触发动机部分22的点火器端口24。在一个示例中，端口端52处的接地电极50的面向外表面可以被螺合(未示出)以连接点火器端口24的螺纹部分(未示出)，使得点火器10可以被螺合到安装位置中的点火器端口24。

接地电极50在点火器10端部处打开，从而限定孔口56以允许来自燃烧室26的空气-燃料可燃混合物流至接地电极50的放电腔62中。接地电极50进一步包括形成在接地电极50的圆柱形部分中且邻近于点火部分16的多个孔径60。多个孔径60纵向且径向地分布在接地电极50的纵向长度中邻近于点火部分16以允许来自燃烧室26的另外的空气-燃料可燃混合物沿点火部分16的纵向长度流至接地电极50的放电腔62中。孔口56和多个孔径60各自限定从放电腔62到燃烧室26的点火路径，使得设置径向且轴向地沿点火器10延伸至燃烧室26中的整个纵向长度的多个点火路径。多个孔径60可以被特征化为多个火焰端口使得火焰形成和燃料燃烧从点火部分16的全长径向且轴向地分布，从而通过在多个火焰端口中的每个处点燃燃烧室26中以及从接地电极50的面向外表面径向且轴向地延伸的体积中的空气-燃料混合物来提高燃料燃烧效率。

在图3至图7中所示的第一示例性配置中，多个孔径60被配置为多个孔或狭槽60，其纵向且径向地分布在接地电极50的纵向长度中邻近于点火部分16。多个接地叉脚58纵向地分布在多个孔径60之间，使得每个点火叉脚18与至少一个接地叉脚58之间沿限定在点火叉脚18的叉脚尖端与相邻接地叉脚58的叉脚尖端48之间的放电间隙80建立多个放电路径。在操作中，高频/高电压脉冲施加至中心电极12，且如先前所述，电场在点火叉脚18的叉脚尖端48处变得集中并且将放电腔62中的空气-燃料混合物电离，使得经电离可燃混合物形成源自于多个点火叉脚18的尖端48处的多个等离子体放电流光，其从点火器10的点火部分16并且朝向接地电极50的接地叉脚58径向地向外行进，以点燃放电腔62中的空气-燃料混合物。孔径60同时操作为排放孔和火焰端口以向放电腔62提供空气-燃料混合物以继续电离过程并同时在接地电极50外侧提供火焰路径用于燃烧室26中的火焰形成以及空气-燃料混合物的点燃。自蔓延和自熄循环中的流光形成在由包封点火部分16的壳体34提供的电介质阻挡14处继续进行，使得点火过程继续进行且不形成电弧。由点火叉脚18的多个层70以及充当相对于点火部分16的纵向轴线径向和轴向地分布的火焰端口的多个孔径60提供的大电离体积和大流光体积增加了点火和燃烧效率以及产生相对较高的自由基产率以增强燃料反应性。

在图6中所示的示例中，点火器10可以被配置成类似于图3中所示的点火器10，然而并无电介质壳体34，使得中心电极12的点火部分16直接暴露于接地电极50。柄部分36是由绝缘材料制成并且具有足够的柄长度38使得点火部分16与邻近于燃烧室表面28的接地电极50的部分分离以将流光形成引导朝向点火器10的点火端54。在此配置中并且如先前所述，高频、高电压脉冲施加至中心电极12使得电场形成在每个点火叉脚18中，并且集中在点火叉脚18的叉脚尖端48中，以将放电腔62中靠近每个点火叉脚18的可燃混合物电离。经电离可燃混合物形成由叉脚尖端48产生并且延伸朝向接地电极50的接地叉脚58的等离子体放电流光以点燃空气-燃料混合物，从而导致火焰形成和随后燃料燃烧。在此配置中，控制器30控制电压脉冲的频率、大小和脉冲以防止形成电弧。

在非限制性示例中，图8中示出了接地电极50的另一种配置，其包括多个狭槽60，所述狭槽60被径向地布置并且延伸点火部分16的纵向长度以提供空气-燃料混合物到放电腔62中的排放、来自放电腔62的电离材料的排放以增加燃料反应性，并且充当火焰端口以将点火延伸至燃烧室26中靠近点火器10的空气-燃料混合物。接地叉脚58可以分布在接地电极50的内表面上介于孔径60之间。在图9中所示的另一个非限制性示例中，孔径60可以被配置为狭槽，所述狭槽从来自接地电极孔口56的接地电极50的点火端54延伸并且纵向地延伸(例如)中心电极12的点火部分16的长度。多个接地叉脚58位于孔径60之间并且径向地向内延伸，如图9中所示。

在图3至图9中所示的示例中，类似于点火叉脚18的形状，接地叉脚58可以大体上为圆锥形状并且限定叉脚尖端48。所述示例是非限制性的，且可以使用接地叉脚58的其它配置，其中接地叉脚58的叉脚尖端48是以比接地叉脚58的截面面积相对更小的截面面积为特征，其中接地叉脚58附接至接地电极50的内表面。例如，接地叉脚58可以具有随着其从中心电极12朝点火部分18径向地延伸而渐缩或变窄的另一种形状。在一个示例中，接地叉脚58可以被成形为锥形叶片使得叶片边缘限定叉脚尖端48。接地叉脚58的数量、图案和/或分布可以不同于图3至图9中所示的示例，使得接地叉脚58被布置成产生径向和轴向地分布穿过放电腔62的流光形成的图案。接地叉脚58相对于孔径60和/或孔口56的位置和/或分布可以改变以产生流光形成的图案以经由充当火焰端口的孔径60和/或孔口56增强火焰形成和燃料燃烧。

应当理解的是，本发明的修改和变型鉴于以上教导是可能的并且可以除已具体描述方式之外的其它方式来实践，同时在所附权利要求书的范围内。另外，权利要求书中的参考标号仅仅是出于方便起见，而不应以任何方式理解为限制性。本文提供的示例是非限制性的，且应当理解的是，元件的其它配置和组合可用以提供如本文所述的低温等离子体点火器10。例如，图1至图9中所示的点火器10可以被配置成包括图10至图15中所示的中心电极12配置中的一种或点火部分16上的点火叉脚18的另一种布置(未示出)。例如，可使用点火部分16上的点火叉脚18的其它分层布置，其包括两个或更多个叉脚层70，每个层70具有至少一个点火叉脚18，每个层70上的点火叉脚18规则或不规则地径向分布在每个叉脚层70中(等)，以产生主题点火叉脚18上对应于点火叉脚18的特定布置和配置的流光的放电体积和/或图案或分布。同样地，可以使用接地电极50的其它配置，其包括限定孔径60、排放孔、狭槽60和孔口56的其它配置、接地叉脚58的其它布置等的接地电极50，以促进靠近点火部分16的可燃材料的流动、限定具有特定放电间隙80、腔体积等的放电腔62、限定对应于由点火器10产生的点火路径或火焰形成图案的孔径60布置和/或孔口56形状等。点火叉脚18、接地叉脚58和叉脚尖端48的形状可以如本文先前所述般改变，且这些点火叉脚18、接地叉脚58和叉脚尖端48的形状可以结合使用，例如使得点火器10的点火叉脚18和接地叉脚58具有不同形状，点火叉脚18包括形状组合，例如使得点火叉脚18的形状在一个层70与另一个层70之间或在层70内是不同的(等)。

具体实施方式和附图或图式支持并且描述本公开，但是本发明的范围仅由权利要求限定。虽然已详细地描述了用于实施所要求保护发明的一些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践所附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (20)

1.一种点火器，其包括：

中心电极，其沿中心轴线纵向地延伸并且终止在点火部分中；

所述点火部分包括轴向地分布在所述点火部分上的多个叉脚层；

每个叉脚层包括从所述点火部分径向地向外延伸的至少一个点火叉脚；

点火器主体，其包括端口端和柄；以及

其中所述中心电极沿所述主体的中心轴线纵向地延伸，使得所述中心电极的所述点火部分从所述柄延伸并与所述端口端相对。

2.根据权利要求1所述的点火器，其进一步包括：

电介质壳体，其完全包封所述中心电极的所述点火部分；

其中所述柄由绝缘材料制成且所述电介质壳体与所述柄成一体。

3.根据权利要求2所述的点火器，其中所述电介质壳体包封所述多个叉脚层中的每一个的所述至少一个点火叉脚，以邻近于所述点火叉脚限定电介质阻挡。

4.根据权利要求1所述的点火器，其进一步包括：

每个点火叉脚在所述点火叉脚的所述径向最外端处限定点火尖端。

5.根据权利要求4所述的点火器，其中：

所述点火叉脚具有终止于顶点中的大体上圆锥形状；以及

所述点火尖端由所述顶点限定。

6.根据权利要求4所述的点火器，其中：

所述点火叉脚被成形为限定顶点的三角形叶片；以及

所述点火尖端由所述顶点限定。

7.根据权利要求1所述的点火器，其中所述中心电极与电源通信以从所述电源接收高频、高电压脉冲。

8.根据权利要求1所述的点火器，其中所述多个叉脚层包括：

包括第一点火叉脚的第一叉脚层；以及

包括第二点火叉脚的第二叉脚层；

其中所述第一叉脚层轴向地邻近于所述第二叉脚层。

9.根据权利要求8所述的点火器，其中所述第一点火叉脚与所述第二点火叉脚径向地对准。

10.根据权利要求8所述的点火器，其中所述第一点火叉脚径向地偏离所述第二点火叉脚。

11.根据权利要求1所述的点火器，其中所述多个叉脚层包括第一叉脚层、第二叉脚层和至少第三叉脚层。

12.根据权利要求1所述的点火器，其中所述至少一个点火叉脚包括第一点火叉脚、第二点火叉脚和至少第三点火叉脚。

13.根据权利要求1所述的点火器，其进一步包括：

大体上圆柱形接地电极，其限定包围所述中心电极的放电腔。

14.根据权利要求13所述的点火器，其进一步包括：

多个接地叉脚，其由所述接地电极限定并且朝所述点火部分径向地延伸。

15.根据权利要求14所述的点火器，其进一步包括：

多个孔径，其由所述接地电极限定并与所述放电腔流体连通。

16.根据权利要求15所述的点火器，其中所述多个接地叉脚纵向地分布在所述多个孔径之间。

17.一种方法，其包括：

经由电源施加电压至点火器的中心电极；

其中所述点火器包括：

中心电极，其沿中心轴线纵向地延伸并且终止于点火部分中；

所述点火部分包括轴向地分布在所述点火部分上的多个叉脚层；

每个叉脚层包括从所述点火部分径向地向外延伸的至少一个点火叉脚；以及

点火器主体，其包括端口端和柄；

其中所述中心电极沿所述主体的中心轴线纵向地延伸，使得所述中心电极的所述点火部分从所述柄延伸并且与所述端口端相对；以及

施加所述高频电压脉冲以产生源自于所述多个叉脚层中的至少一个叉脚层的所述至少一个点火叉脚的等离子体放电流光。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述点火器进一步包括：

电介质壳体，其完全包封所述中心电极的所述点火部分；

其中所述柄由绝缘材料制成且所述电介质壳体与所述柄成一体；以及

其中所述电介质壳体包封所述多个叉脚层中的每一个的所述至少一个点火叉脚，以邻近于所述点火叉脚限定电介质阻挡。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述点火器进一步包括：

接地电极，其操作地附接至所述点火器主体，使得所述接地电极与所述功率电极同轴并且在所述接地电极与所述中心电极的所述点火部分之间限定放电腔。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述接地电极包括：

多个接地叉脚，其沿所述接地电极的表面纵向地分布并且从所述接地电极的表面延伸至所述放电腔中；

所述方法进一步包括：

当所述电压施加至所述中心电极时形成多个流光；

其中所述多个流光中的每个相应流光形成在所述点火叉脚中的相应点火叉脚与所述接地叉脚中的相应接地叉脚之间。