用于电晕点火器的磨损保护特性的制作方法

本申请是申请号为201480023216.8、申请日为2014年3月15日、发明名称为“用于电晕点火器的磨损保护特性”的中国发明专利申请的分案申请，原申请要求2013年3月15日提交的、申请号为61/799,117的美国临时专利申请的优先权，该申请的通过参考的方式整体并入本文。

本发明一般涉及用于发射射频电场以电离燃料-空气混合物的电晕点火器，并且提供电晕放电、电晕放电点火系统及其制造方法。

背景技术：

电晕放电点火系统的电晕点火器接收到来自电源的电压而发射电场，该电场形成电晕以电离内燃机的燃料和空气混合物。该点火器包括从电极端子末端纵向地延伸到电极点火末端的电极。绝缘体被沿着中心电极放置，外壳被沿着该绝缘体放置。

电极端子末端接收来自电源的电压，电极点火末端发射形成电晕的电场。电晕点火器的电极还可以包括在点火末端上的、用于发射电场的冠部。该电场包括至少一个流光，典型地包括多个流光以形成电晕。空气和燃料的混合物沿着由电极点火末端所生成的高电场的整个长度而被点燃。电晕点火器的一个例子被公开在lykowski等人的公开号为us2010/0083942的美国专利申请。

在理想电晕点火系统中，对燃烧室中的电晕点火器的金属部分的腐蚀和/或侵蚀较少，这是因为电晕放电不具有与通常火花放电相关联的高电流和高温度。尽管电晕点火器不包括任何接地电极元件接近冠部的点火尖端，在一些应用中，呈现接地引擎元件靠近点火尖端。因此，并不总是能够避免在电晕点火器和接地元件之间的电弧形成(也被称为电弧放电)。如果形成了电弧，与电弧形成相关联的高电流和温度可能导致对冠部点火尖端的一些腐蚀和/或侵蚀损害。慢慢地，腐蚀和/或侵蚀损害可能降低电晕形成和燃烧的质量。

技术实现要素：

本发明的一个方面提供了一种电晕放电器，其包括沿着中心轴线延伸以用于发射电场以形成电晕的电极，由围绕电极放置的电绝缘材料形成的绝缘体，该绝缘体沿着中心轴线延伸到绝缘体点火末端，和由围绕该绝缘体放置的金属材料形成的壳体。该电极包括沿着中心轴线纵向地延伸到中心点火末端的中心延伸构件。该电极还包括自绝缘体点火末端向外放置的冠部。该冠部包括从中心延伸构件径向向外延伸的至少一个分支。该冠部还沿着中心轴线从上表面延伸向至少一个点火尖端。该冠部在上表面和至少一个点火尖端之间具有冠部长度，中心延伸构件具有从冠部的上表面延伸到中心点火末端的延伸长度。冠部长度和延伸长度平行于中心轴线。由中心延伸构件具有的延伸长度大于由冠部具有的冠部长度。

本发明的另一个方面提供了一种电晕放电点火器系统，其包括具有大于冠部长度的延伸长度的电晕点火器。该系统包括具有用于接收电晕点火器的开口的气缸盖，相对于气缸盖放置的活塞，在气缸盖和活塞之间具有间隔，和连接到气缸盖并围绕活塞的气缸体。气缸盖、气缸体和活塞这三者之间呈现燃烧室。电晕点火器放置在气缸盖的开口中，使得中心延伸构件的中心点火末端和冠部放置于燃烧室中。

本发明的另一个方面提供一种用于电晕放电系统的电晕点火器的制造方法，该方法包括提供中心延伸构件使得延伸长度大于冠部长度的步骤。

电晕点火器包括具有大于冠部长度的延伸长度的中心延伸构件，这相比于不具有中心延伸构件的电晕点火器提供了众多优点。当诸如活塞等接地元件靠近中心延伸构件的中心点火末端和冠部的点火尖端时，如果形成任何电弧，将优先形成在活塞和中心延伸构件的中心点火末端，这是因为中心延伸构件的延伸长度靠近接地元件，并且这也是因为其相比于冠部的点火尖端具有更高的场强度。因此，如果发生电弧，可以降低对冠部的点火尖端的腐蚀和侵蚀。

此外，在接地元件远离电晕点火器的情况下，中心延伸构件试图排斥电晕流光的形成，从而提供更宽的电晕放电量，以及降低对活塞电晕放电和形成电弧的倾向。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述可以更好地理解本发明的其他优点，这些优点将容易察觉。

图1是根据本发明一个示例性实施例的电晕点火器的一部分的剖视图；

图1a是图1的电晕点火器的冠部的仰视图；

图1b是图1的电晕点火器的中心延伸构件和冠部的放大图；

图1c是表示第一球形半径的图1的电晕点火器的冠部的点火尖端的放大图；

图1d是表示第二球形半径的图1的电晕点火器的中心延伸构件的中心点火末端的放大图；

图2-11是根据本发明的其他示例性实施例的电晕点火器的一部分的剖视图；

图12a是当电晕点火器与活塞分隔时包括图1的电晕点火器的电晕放电点火系统的剖视图；

图12b是当比较的电晕点火器被活塞隔开如图12a所示的电晕点火器相同的距离时，包括比较的电晕点火器而不包括本发明的中心延伸构件的电晕点火系统的剖视图；

图13a是当电晕点火器靠近活塞时包括图1的电晕点火器的电晕点火系统的剖视图；

图13b是当比较的电晕点火器处于与图13a所示的电晕点火器相同的位置时，包括图12b的比较的电晕点火器的电晕点火系统的剖视图；

图14a是当电晕点火器离活塞一定距离放置时，根据提供电晕放电的本发明的另一个示例性实施例的电晕点火器的有限元分析(fea)；

图14b是当比较的电晕点火器被放置于图14a所示的电晕点火器与活塞相同的距离时，提供电晕放电的比较的电晕点火器的fea；

图15a是当电晕点火器被放置在点火器的典型位置时，提供电晕放电的图14a的电晕点火器的fea；

图15b是当比较的电晕点火器被放置在点火器的典型位置时，提供电晕放电的图14b的比较的电晕点火器的fea；

图16a是当电晕点火器被放置最靠近活塞时，并且从电晕点火器的中心延伸构件处发生电弧，图14a的电晕点火器的fea；

图16b是当比较的电晕点火器被放置于与如图16a所示的电晕点火器与活塞的相同距离时，并且从比较的电晕点火器的冠部发生电弧，图14b的比较的电晕点火器的fea；

图17是当绝缘覆盖层应用到中心延伸构件时，图14a的电晕点火器的fea；

图18是可被用来在活塞和气缸体的多种距离处的获得球形半径的范围的峰值电场的示例性数据的图表；

图19是提供从活塞和气缸体的多种距离处的球形半径的范围的峰值电场的图示。

具体实施方式

参见附图，其中在众多视图中相同的参考标记代表相应的部件，电晕点火器20包括中心延伸构件22，如图所示其一般能够提供改进的电晕放电24和改进的燃烧性能。

如图1所示，电晕点火器20包括沿着中心轴线a延伸的电极，用于发射形成电晕放电24的电场。如同在传统电晕点火器中那样，由电绝缘材料(例如铝)形成的绝缘体28被放置在中心延伸构件22周围，并且沿着中心轴线a延伸向绝缘体点火末端30。由金属材料形成的壳体22围绕绝缘体28放置。电极包括中心延伸构件22和冠部34。

电极的冠部34向外地放置于绝缘体点火末端30。冠部34围绕中心轴线a和中心延伸构件22。电极的冠部34还包括从中心延伸构件22向外径向地延伸的至少一个分支36，但是典型地包括每个分支36，其每一个从中心轴线a向外径向地延伸，并且从中心延伸构件22向外径向地延伸。在一个示例性实施例中，如图1a所示，冠部34包括4个分支36，其围绕轴线a彼此之间间隔开相同的距离。分支36的每一个具有用于发射形成电晕放电24的电场的点火尖端38。最好如图1b所示，冠部34具有垂直于中心轴线a放置的冠部直径dc。冠部直径dc是直接彼此相对地放置的冠部34的两个点(例如两个相对点火尖端38的径向最远点)之间的距离。

如图1b所示，冠部34沿着中心轴线a从上表面40延伸到至少一个点火尖端38。在上表面40和至少一个点火尖端38之间具有冠部长度lc。如图1b所示，冠部长度lc平行于中心轴线a，并且相等于垂直于中心轴线a延伸的第一平面42和第二平面44之间的距离。第一平面42放置于冠部34的上表面40的最高点，第二平面44放置于最低点火尖端38的最低点。

冠部34的每个分支36还具有位于或相邻于相关的点火尖端38的至少一个第一球形半径r1。图1c示出在冠部34的点火尖端38处包括两个第一球形半径r1的图1b的冠部34的一部分。沿着表面的在特定点处的球形半径在该特定点处具有的半径的球形而获得。球形半径是三维空间中球形的半径，特别是沿着x轴、y轴和z轴的三维空间。在图1c中，半径r1相等，但这并非必要条件，半径r1可以彼此不同。

冠部34可由多种不同的金属材料所形成。在一个示例性实施例中，冠部34由镍、镍合金或诸如铂或铱等贵金属形成。由于电极的中心延伸构件22，冠部34的材料可由较不耐磨材料形成，并且如果在电晕点火器20的工作期间发生电弧的话，可以经受更少腐蚀和侵蚀。

电极的中心延伸构件22沿着中心轴线a纵向地延伸到中心点火末端46。最好如图1b所示，中心延伸构件22具有从冠部34的上表面40延伸到中心点火末端46的延伸长度le。延伸长度le平行于中心轴线a，并且等于第一平面42和垂直于中心轴线a延伸的第三平面48之间的距离。第一平面42放置于冠部34的上表面40的最上点，第三平面48放置于中心点火末端46的最下点。由中心延伸构件22提供的延伸长度le大于冠部长度lc。在工作期间，由于延伸长度le，中心延伸构件22比冠部34的点火尖端38更接近接地元件(例如活塞)。因此，如果在电晕点火器20的工作期间产生任何电弧，电弧将优先地从中心延伸构件22的中心点火末端46形成，而不是从冠部34的点火尖端38形成。中心延伸构件22的延伸长度le还可以增加由电极所形成的电晕放电24的大小。

中心延伸构件22在位于或靠近中心点火末端46的地方具有至少一个第二球形半径r2。图1d表示在中心点火末端46处的第二球形半径r2。位于或靠近中心延伸构件22的中心点火末端46的每个第二球形半径r2都大于沿着冠部34的点火尖端38的每个第一球形半径r1。换而言之，冠部34的点火尖端38比中心点火末端46更尖。因此，在工作期间，冠部34的点火尖端38处的电场更高，电晕放电24更有可能从点火尖端38而非中心延伸构件22形成，这对于最佳燃烧性能来说是优选的。

同样如图1b所示，中心延伸构件22具有垂直于中心轴线a放置的延伸直径de。延伸直径de可以沿着中心轴线a变化，但是在位于冠部34和中心点火末端46之间的区域时，延伸直径de小于冠部直径dc。

图2-11示出了包括中心延伸构件22的电晕点火器20的其它示例性设计。可以选择这些设计以满足特定引擎应用的需求，以及提供最佳可能的热性能。在每种情况中，中心延伸构件22的延伸长度le大于冠部长度lc。同样的在每个实施例中，位于或靠近中心延伸构件22的中心点火末端46的第二球形半径r2大于在冠部34的点火尖端38处的每个第一球形半径r1。图3a是图3的设计的一部分的放大视图，其中中心延伸构件322包括相对较小的第二球形半径r2，但是该第二球形半径r2仍然大于冠部334的第一球形半径r1。在每种设计中，中心延伸构件22的延伸直径de可以从冠部34向中心点火末端46移动的方向上递减，或者从冠部34向中心点火末端46移动的方向上递增。另外，中心延伸构件22不需要是对称的。

可以使用多种不同的材料形成中心延伸构件，例如镍、铜、贵金属或它们的合金。中心延伸构件22的部分还可由绝缘材料形成。中心延伸构件22典型地由第一材料形成，并且冠部34典型地由不同于第一材料的第二材料形成。用来形成中心延伸构件22的第一材料相比于用来形成冠部34的第二材料一般更加耐腐蚀和侵蚀，这是因为中心延伸构件22更有可能在发生电弧时与电弧的高电流和温度所接触。或者，用来形成冠部34的第二材料相比于用来形成中心延伸构件22的第一材料更加耐腐蚀和侵蚀。

中心延伸构件22时常地由多个结合在一起的单独的片形成，例如如图5、9、10和11所示的主体部分52和耐磨元件54。然而，图2-11所示的任意形状可包括单个片，或结合在一起的多个片。例如，在图5中，中心延伸构件522包括彼此连接的主体部分552和耐磨元件554。在该实施例中，耐磨元件554是主体部分552同轴，但这不是必须的。

在每个实施例中，耐磨元件54具有中心点火末端46。因此，耐磨元件54典型地由具有良好热特性，并且比主体部分52的材料更加抗磨损的材料形成。在一个实施例中，耐磨元件54由基于镍的合金、贵金属或稀有金属(例如铂、钨或铱)形成。在另一个实施例中，耐磨元件54由优选地具有大于2，更优选大于8，的相对介电常数的电绝缘材料形成，例如基于铝的材料。耐磨元件54还可包括金属材料的覆盖层或电绝缘材料的覆盖层。

可以通过合适的方式将耐磨元件54应用到中心延伸构件22的主体部分52，例如pvd、共挤压或共烧结。可选地，可以通过钎焊或类似的处理而附着耐磨元件54。当耐磨元件54是覆盖层时，可以通过电镀、喷涂、烧结或其它合适的方法来应用覆盖层。例如，主体部分52的材料和耐磨元件54的材料应当被选择和结合以提供良好的粘合、无小间隙、良好热接触，以及避免热差扩散的问题。

在图10的实施例中，为了更好地抵挡电弧放电的影响，中心延伸构件1022包括由铜或铜合金形成的核心56，该核心56由镍合金形成的覆盖层58围绕。在图10的实施例中，耐磨元件1054被附着到覆盖层58，并且形成中心点火末端1046。可选地，镍合金的覆盖层58可以形成中心点火末端1046。如图10所示，核心56优选地具有从冠部1034的上表面1040延伸到核心点火末端80的核心长度lcore。核心长度lcore平行于中心轴线a，并且与垂直于中心轴线a延伸的第一平面42和第四平面82之间的距离相等。第四平面82放置在核心56的最低点。优选地，核心长度lcore大于冠部长度lc。在这种情况下，中心延伸构件1022的覆盖层58仍然保护铜核心56。该设计是可选的，但可以显著降低点火尖端1038的最高温度，并且可以延长点火尖端1038和中心点火末端1046的寿命。

如图12a和13a所示，本发明另一个方面提供了一种电晕放电点火系统60，包括具有中心延伸构件22的电晕点火器20，以降低点火尖端38处的腐蚀和侵蚀。作为比较，图12b和13b示出了具有另一种类型的电晕点火器20’的系统，其不包括本发明的延伸长度。该系统60包括通常的内燃引擎中常见的元件，例如气缸盖62、气缸体64和活塞50。活塞50相对于气缸盖62放置，并且活塞和气缸盖之间具有间隔，气缸体64链接到气缸盖62并且围绕活塞50。因此，在气缸盖62、气缸体64和活塞50这三者之间具有燃烧室66。气缸盖62具有接收电晕点火器20的开口68。电晕点火器20的壳体32典型地耦合到气缸盖62，例如穿入至气缸盖62的开口68，如图12和13所示。垫圈70一般被放置在壳体32和气缸盖62之间。电晕点火器20包括用于接收来自电源(未示出)的能量的端子72，和可以放置在端子72和电极之间的绝缘材料74。绝缘体28的一部分以及中心点火末端46和点火尖端38被放置在燃烧室66中。燃料注入口76也被接收于该汽缸盖62内以用于将细雾化形式的燃料78传递进燃烧室66。

在通常的电晕点火系统中，在工作期间，向电晕点火器20提供能量，燃料被喷向电晕点火器20，活塞50往复于气缸体64，朝向和远离气缸盖62和电晕点火器20运动。在图12a中，活塞50与电晕点火器20间隔有明显的距离。电晕放电24从冠部34的点火尖端38形成，并且在电晕点火器20和活塞50或任何其他接地元件之间不会发生电弧形成。在图12b的具有比较的电晕点火器20’的系统60中，也形成没有电弧形成的电晕放电24。

然而，在图13a和13b中，活塞50接近电晕点火器20、20’，并且产生电弧25。当系统60包括创新的电晕点火器20(例如图13a)时，电弧25不会从冠部的点火尖端38发生，但是在使用图13b的比较的电晕点火器20'时会产生电弧25。电弧25而是会从中心延伸构件22的中心点火末端22发生。中心延伸构件22的延伸长度le将电弧25限制于仅在中心延伸构件22上。由于冠部34的点火尖端38较少暴露于由电弧25引起的高温，因此它们经受更少的腐蚀和侵蚀。因此，点火尖端38保持尖锐，并且在将来的点火期间持续提供高强度电晕放电24。

如上所述，本发明的电晕点火器20的电极还可以增加工作期间的电晕放电24的大小(size)。图14-16每一个都包括当向电晕点火器20、20’提供能量时的创新的电晕点火器20或比较的电晕点火器20'的有限元分析(fea)。fea图像中的线示出电晕放电24最可能的方向和长度。图14a示出创新的电晕点火器20以及当活塞50与中心点火末端46以及点火尖端38间隔较远距离时相关联的电晕放电24。图15a示出创新的电晕点火器20以及当活塞50位于典型点火器位置时相关联的电晕放电24。图16a示出当活塞50非常靠近电晕点火器20时从创新的电晕点火器20的中心点火末端46产生电弧25。为了比较，图14b-16b每一个都包括当活塞50处于如图14a-16a所示的相同位置时由比较的电晕点火器20'提供的电晕放电24的fea。

图14a和15a示出本发明的电晕点火器20在活塞50与电晕点火器20间隔时提供相比于图14b和15b的比较的电晕点火器20'更大的电晕放电量24。中心延伸构件22的延伸长度le趋向于排斥它们所形成的电晕流光，从而提供更尖锐的开口形状、提供更大容量，并且更低可能遇到活塞50。另外，图16a表示如果发生电弧25，电弧将从中心延伸构件22的中心点火末端46而非冠部34的点火尖端38形成。这相比于图16b的比较的电晕点火器20’来说是一个优势，其中在电晕点火器20’中从冠部34’的点火尖端38’形成电弧25。

图17是当绝缘覆盖层形式的耐磨元件54应用于中心延伸构件22的中心点火末端46时创新的电晕点火器20的fea分析。该分析表示绝缘覆盖层并没有对电晕点火器20的工作或者由中心延伸构件22提供的益处造成有害影响。然而，绝缘覆盖层可以通过减轻在中心点火末端46处的腐蚀和侵蚀的作用来提供电晕点火器20的增强的耐久性。

本发明的另一个方面提供一种在电晕放电点火系统60中使用的电晕点火器20的制造方法，其包括提供中心延伸构件22以使得中心延伸构件22的延伸长度le大于冠部长度lc。

可以使用多种技术来确定中心延伸构件22的适当的延伸长度le以提供首选的性能。在一个实施例中，方法首先包括(a)当电晕点火器20被插入到气缸盖62中时识别最接近于气缸体64的冠部34的点火尖端38。接下来，方法包括(b)确定在活塞50的运动期间，从在步骤(a)中识别的点火尖端38到气缸体64的距离与从在步骤(a)中识别的点火尖端38到活塞50的距离相等的点。当活塞50位于该点时，或者更靠近点火尖端38时，在点火尖端38和活塞50之间可能存在电弧，但是中心延伸构件22减轻了这样的可能性。

该方法接下来包括(c)选择中心延伸构件22的延伸长度le，使得当向电极提供能量时，并且当在步骤(a)中识别的点火尖端38处于在步骤(b)中识别的点时，在中心延伸构件22的中心点火末端46处的峰值电场等于或大于在步骤(a)中识别的点火尖端38处的峰值电场。在中心延伸构件22的中心点火末端46处的峰值电场依赖于中心点火末端46和活塞50之间的距离以及中心点火末端46和气缸体64之间的距离。该方法还包括调整中心延伸构件22的延伸长度le以在工作期间将中心延伸构件22的中心点火末端46间隔远离气缸体64和/或活塞50。

该方法一般还包括步骤(d)：选择点火尖端38的第一球形半径r1和中心点火末端46的第二球形半径r2，使得在工作期间电晕放电将优先地形成于点火尖端38，并且如果发生任何电弧将优先地形成于活塞50和中心延伸构件22的中心点火末端46之间。可以在选择延伸长度le之前或之后进行选择球形半径r1、r2的步骤。选择球形半径r1、r2的步骤包括选择选择用于冠部34的每个点火尖端38的第一球形半径r1和选择用于中心延伸构件22的中心点火末端46的第二球形半径r2，使得在冠部34的点火尖端38处的每个第一球形半径r1小于中心延伸构件22的第二球形半径r2。

对球形半径r1、r2进行优选，使得当向电极提供能量时，并且冠部34的至少一个点火尖端38和中心延伸构件22的中心点火末端46与气缸体64和活塞50间隔开，从点火尖端38提供电晕放电24，在最接近地的点火尖端38处的峰值电场高于在中心延伸构件22的中心点火末端46处的峰值电场至少25％。这可以通过例如使用如图18所示的形式的数据来实现。图18的第一列是从中心点火末端46或者点火尖端38到地的距离(单位为毫米)，也被称为到地的间隙。第二列是单位为毫米的球形半径，其可以是中心点火末端46或点火尖端38的球形半径。第三列是当施加了1伏特时的峰值电压(单位为伏特每米)。图18中的值都仅是示例。可以基于图18中的数据来获得中心延伸构件22的中心点火末端46的第二球形半径r2、点火尖端38的球形半径r1和中心延伸构件22的延伸长度le之间的无量纲关系。

图19是提供了在离活塞50和气缸体64不同距离处的用于从大约0.05mm到大约1.15mm的球形半径范围的峰值电场的图示。图19特别提供了当从点火尖端38到活塞50以及到气缸体64的距离为0.254mm、0.508mm、1.27mm、2.54mm、5.08mm、12.7mm、24.5mm和50.8mm时的峰值电场。仅在较远距离处，在点火尖端38处的峰值电场应当高于在中心延伸构件22的中心点火末端46处的峰值电场25％，而在较短距离处无需如此，例如仅在50.8mm处，而无需在0.254mm处。

一旦在步骤(b)中识别了距离，在步骤(d)中选择了球形半径r1、r2，该方法典型地还包括(e)确定在步骤(b)中识别的距离处的步骤(a)中识别的点火尖端38的峰值电场。再次举例来说，图18的数据可被用来确定该峰值电场。在一个优选实施例中，点火尖端38的每一个都具有2.54mm的球形半径r1，在离或活塞5025.4mm的距离处具有330v/m的峰值电场。该方法还可进一步包括调整球形半径r1、r2以满足所有安全和工作条件。

明显地，依据以上教导本发明的许多修改和变形都是可行的，并且在具体描述之外实施本发明也落入附加权利要求的范围。