CN111656628B - 用于电晕点火系统中的电应力缓变的成形夹套 - Google Patents

Abstract

设计一种电晕点火器组件，减少绝缘组件之间的气隙，从而减少集中在那些气隙中的电场以及相关的不希望的电晕放电。该组件包括由陶瓷绝缘体(32)和高压绝缘体(28)包围的高压中心电极(40)。介电顺应性绝缘体(30)布置在陶瓷绝缘体和高压绝缘体之间。金属层(44)被施加到至少一个绝缘体，例如陶瓷绝缘体。由部分电阻性材料形成的顺应性夹套(46)覆盖金属层的锐化的边缘，以减小电场并使金属层的锐化锐边处的电场分布平滑。

Description

用于电晕点火系统中的电应力缓变的成形夹套

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月4日提交的美国临时申请序列号62/613,518和2019年1月3日提交的美国实用专利申请序列号16/239,224的权益，其全部内容通过引用整体结合于本申请中。

发明背景

1.技术领域

本发明总体上涉及电晕点火组件以及制造电晕点火组件的方法。

2.相关技术

用于电晕放电点火系统中的电晕点火器组件通常包括作为单个部件附接到点火端组件的点火线圈组件。点火端组件包括中心电极，该中心电极被充电到高射频电压电势，从而在燃烧室中产生强射频电场。该电场使燃烧室内的一部分燃料和空气的混合物离子化，从而促进燃料-空气混合物的燃烧。优选地，控制电场，使得燃料-空气混合物保持绝缘性能并且发生电晕放电，也称为非热等离子体。燃料-空气混合物的电离部分形成火焰前沿，然后火焰自燃并燃烧燃料-空气混合物的其余部分。还优选地控制电场，使得燃料-空气混合物不会失去所有的绝缘性能，这将在电极与接地的气缸壁、活塞或点火器的其他部分之间产生热等离子体和电弧。

理想地，还控制电场，使得电晕放电仅在点火端发生，而不沿着电晕点火器组件的其他部分发生。然而，由于位于电晕点火器组件的部件之间的气隙可能会发生不希望的电晕放电，因此通常难以实现这种控制。例如，尽管使用由几种材料形成的多个绝缘体提供了改进的效率、坚固性和整体性能，但是金属屏蔽和绝缘体材料之间的不同电性能导致电场不均匀和界面处的气隙。绝缘材料之间不同的热膨胀系数和蠕变系数也会导致界面处出现气隙。在使用电晕点火器期间，电场倾向于集中在那些气隙中，从而导致不良的电晕放电。这种电晕放电会导致材料降解并阻碍电晕点火器组件的性能。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种电晕点火器组件。该电晕点火器组件包括由陶瓷绝缘体和高压绝缘体包围的高压中心电极。陶瓷绝缘体由陶瓷材料形成，并且高压绝缘体由不同于陶瓷材料的材料形成。介电顺应性绝缘体布置在陶瓷绝缘体和高压绝缘体之间。金属层在相对的边缘之间延伸并且被施加到至少一个绝缘体上。由部分电阻性材料形成的顺应性夹套覆盖金属层的边缘之一。

本发明的另一方面提供一种制造电晕点火器组件的方法。该方法包括以下步骤：提供由陶瓷材料形成的陶瓷绝缘体，由不同于该陶瓷材料的材料形成的高压绝缘体以及介电顺应性绝缘体；在至少一个绝缘体上施加金属层。该方法还包括在陶瓷绝缘体的孔，介电顺应性绝缘体的孔和高压绝缘体的孔中设置高压中心电极。在金属层的一个边缘上设置由部分电阻性材料形成的顺应性夹套。

附图简要说明

参考以下详细描述并结合附图考虑，本发明的其他优点将更加明显，同时更加容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个示例性实施例的处于组装位置的电晕点火器组件的立体图；

图2-7是图1的电晕点火器组件的剖视图，示出了根据示例性实施例的顺应性夹套；

图8示出了没有顺应性夹套的比较组件；以及

图9和图10示出了根据示例实施例的组件内的电场。

具体实施方式

通常如图1所示，用于接收高射频电压并在包含燃料和空气混合物的燃烧室中施加射频电场以提供电晕放电的电晕点火器组件20。该电晕点火器组件20包括点火线圈组件22、点火端组件24和围绕点火线圈组件22并将点火线圈组件22联接到点火端组件24的金属管26。电晕点火器组件20还包括高压绝缘体28和至少一个介电顺应性绝缘体30，每个介电顺应性绝缘体30布置在点火线圈组件22和点火端组件24的陶瓷绝缘体32之间，且位于金属管26的内部。

点火线圈组件22通常包括多个绕组(未示出)，这些绕组从电源(未示出)接收能量并产生射频高压电场。根据图中所示的示例实施例，点火线圈组件22沿中心轴线延伸，并且包括线圈输出构件，用于向着点火端组件24传递能量。

如图所示，点火端组件24是电晕点火器，用于接收来自点火线圈组件22的能量并在燃烧室中施加射频电场以点燃燃料和空气混合物。电晕点火器24包括点火器中心电极34，金属壳36和陶瓷绝缘体32。陶瓷绝缘体32包括绝缘体孔，该绝缘体孔容纳点火器中心电极34并使点火器中心电极34与金属壳36隔开。

点火端组件24的点火器中心电极34沿中心轴线从端子端纵向延伸至点火端。可以在端子端上布置电气端子，并且在点火器中心电极34的点火端上布置电晕部38。电晕部38包括相对于中心轴径向向外延伸的多个分支，用于施加射频电场并形成强大的电晕放电。

陶瓷绝缘体32，也称为点火端绝缘体32，包括容纳点火器中心电极34的孔，并且可以由几种不同的能够承受燃烧室中的工作条件的陶瓷材料形成。在一个示例性实施例中，陶瓷绝缘体32由氧化铝形成。用于形成陶瓷绝缘体32的材料还具有高电容，这驱动了电晕点火器组件20的功率需求，因此应保持尽可能的小。陶瓷绝缘体32沿着中心轴线从陶瓷端壁延伸到与点火器中心电极34的点火端毗邻的陶瓷点火端。金属壳36围绕陶瓷绝缘体32，并且电晕部38通常设置在陶瓷点火端的外侧。

如图2和3所示，电晕点火器组件20还包括高压中心电极40，该高压中心电极容纳在陶瓷绝缘体32的孔中并延伸到线圈输出构件。电信号由高压中心电极电极40(金属棒)传送。

黄铜包可设置在陶瓷绝缘体32的孔中，以将高压中心电极40和电气端子电连接。另外，高压中心电极40优选地能够沿着高压绝缘体28的孔漂浮。因此，可以在黄铜包装和高压中心电极40之间布置弹簧或另一轴向顺应性构件。弹簧可以位于高压中心电极40和线圈输出构件之间。

在示例实施例中，高压绝缘体28在联接到第二介电顺应性绝缘体30的高压绝缘体上壁与联接到介电顺应性绝缘体30的高压绝缘体下壁之间延伸。高压绝缘体28优选填充位于介电顺应性绝缘体30之间的金属管26的长度和体积。

高压绝缘体28通常由绝缘材料形成，该绝缘材料不同于点火端组件24的陶瓷绝缘体32，并且不同于至少一个符合介电顺应性绝缘体30。典型地，高压绝缘体28具有热膨胀系数(CLTE)，其大于陶瓷绝缘体32的热膨胀系数(CLTE)。该绝缘材料具有保持低电容并提供良好效率的电特性。表1列出了高压绝缘体28的优选的介电强度、介电常数和耗散因子范围；表2列出了高压绝缘体28的优选的导热率和热膨胀系数(CLTE)范围。在示例性实施例中，高压绝缘体28由含氟聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)，形成。高压绝缘体28可替代地由具有在表1的范围内的电特性和在表2的范围内的热特性的其他材料形成。

表1

<u>参数</u>	<u>值</u>	<u>U.M.</u>	<u>测试条件</u>
				介电强度	>30	kV/mm	-40℃，+150℃
介电常数	≤2.5		1MHz；-40℃，+150℃
				耗散因子	<0.001		1MHz；-40℃，+150℃

表2

<u>导热系数</u>	>0.8	W/m/K	25℃
				CLTE	<35	ppm/K	-40℃，+150℃

电晕点火器组件20包括三种材料，作为中央高压中心电极40和外部屏蔽(金属管)26之间的电绝缘体。在示例性实施例中，介电顺应性绝缘体30被压缩在高压绝缘体28和陶瓷绝缘体32之间，介电顺应性绝缘体30提供轴向柔度，该轴向柔度补偿高压绝缘体28(通常由含氟聚合物形成)与陶瓷绝缘体32之间的热膨胀系数的差异。优选地，介电顺应性绝缘体30的硬度范围从40到80(肖氏A)。通过设计将施加到介电顺应性绝缘体30的压缩力设置在所选材料(通常是橡胶或硅树脂化合物)的弹性范围内。通常，介电顺应性绝缘体30由橡胶或硅树脂化合物形成，但是也可以由硅树脂糊剂或注射成型的硅树脂形成。

如上所述，电晕点火系统是通过产生高频和高压电场(E-场)的线圈以及将该E-场施加到在燃烧室用于燃料点火的点火端组件24。电场在连接线圈的延伸电缆的高压中心电极40、点火端组件24和外部金属管26之间加载和卸载电容。此行为表明，该组件中的所有材料都会影响系统的电气性能。如果在高压中心电极40和外部金属管26(最近的接地平面)之间留有任何空气层或空隙，则很可能在那些区域中达到电晕起始电压。如果在点火器组件20内形成电晕，则能够观察到明显的性能损失和增加的放电风险。

已经发现，集中在不同绝缘体28、30、32与高压中心电极62的界面处的电场很高，并且通常高于电晕开始放电所需的电压。因此，电晕点火器组件20能够可选地包括围绕高压中心电极40的一部分的半导电套管42，以衰减峰值电场并填充沿高压中心电极40的气隙。高压中心电极40半导体套管42通常可以用半导体套管42覆盖。半导体套管42通常从上部高压连接(线圈侧或线圈输出构件)轴向延伸到陶瓷绝缘体32的孔内的黄铜包。

半导体套筒42也可以沿着不同的绝缘体28、30、32之间的界面连续地、不间断地延伸。在示例实施例中，半导体套筒42由具有导电填料(例如，石墨或其他碳基材料)的橡胶材料形成。例如，可以使用硅橡胶来形成半导体套管42。已经发现，半导体套管42在高压和高频(HV-HF)下表现得像导体。在一实施例中，半导体套筒42具有高于10^-2S/m的电导率。

为了避免在电晕点火器组件20的组装或操作过程中出现气隙，将由金属形成的层44(也称为金属化)施加到至少一个绝缘体(绝缘材料的直径)外表面。施加到绝缘体(尤其是陶瓷)上的金属层可以在金属接地层和绝缘体之间形成粘结，从而避免在组装或操作过程中形成任何间隙。

陶瓷绝缘体的外表面被金属化或涂覆有金属层44，以(电)抑制绝缘体32本身与金属壳36之间的所有间隙。通常在火花塞技术中采用的陶瓷绝缘体32可以承受燃烧室的工作条件，但是具有很高的电容，该电容驱动系统的功率需求，因此必须保持尽可能小的能够导致间隙的绝缘体。

作为一个缺点，通常非常薄的金属化层44的端子是一个锐化锐边，电场集中在该边缘处，以至于其可能高于电晕起始电压或周围环境的介电强度材料。图4中示出了锐化锐边的高度44A。

为了减小电场并使金属层44的锐化锐边处的电场分布平滑，顺应性半导体或金属夹套46或珠子覆盖了金属化端，以帮助减小电场峰值和平滑的电场分布。顺应性夹套46由弱导电或部分电阻的材料形成。顺应性夹套46可以由具有均匀或不均匀，各向同性或各向异性的电导率的单一材料制成，其可以或可以不依赖于电场，或者顺应性夹套46可以由两层或更多层不同的半导电材料或导电材料构成，并且靠近锐化锐边(金属化端)的材料具有较高的电导率。在单一材料实施例的情况下，顺应性夹套46的平均电导率必须高于10^-2S/m。在顺应性夹套46由几种材料形成的情况下，更靠近界面的材料的平均电导率必须高于10^{- 2}S/m，而其他材料的平均电导率必须包含在10^-6至10^-2S/m范围内。

如上所述，在金属化层44的端子处的电场峰值非常高，通常高于电晕起始电压。半导体或金属化(或弱导电或部分电阻)顺应性夹套46使金属层44的锐化锐边与周围区域的界面处的电场分布平滑。另外，通过半导体或导电顺应性夹套46增强了界面处的粘附力和整体顺应性。

如图4所示，在金属化层44的端子处施加半导体或导电顺应性夹套46，这提供了从不同的绝缘材料(陶瓷绝缘体32和硅橡胶介电顺应性绝缘体30)到充当主接地平面的插头壳体36的桥梁。以这样的方式设计半导体或导电顺应性夹套46的形状，以使电场集中在锐化锐边和端子上的影响最小。采用模拟以优化通常由橡胶形成的半导体或导电顺应性夹套46的圆形。如图6所示，顺应性夹套46(也称为半导体环)可以用特定的，部分顺应性的工具48包覆成型在插头组件上。

根据示例实施例，顺应性夹套46由半导体或导电硅橡胶形成，因此是与介电顺应性绝缘体30的硅橡胶绝缘材料相似的材料。顺应性夹套46和介电顺应性绝缘体30优选具有良好的粘附性能和类似的热膨胀系数。这些功能有助于避免在绝缘材料和接地层之间的界面处产生气隙。

参见图4和10，半导体或导电顺应性夹套46与陶瓷绝缘体32之间的配合角β，已经优化最小峰值电场。为了获得最佳性能，45°≤β<90°且仅受可加工性约束设置。配合角β是垂直于电晕点火器组件20的中心轴线和与顺应性夹套46的平坦内表面相邻的圆形顶部外表面之间的角度。

可以通过高精度分配系统获得半导体或导电顺应性夹套46的最终形状。采用模具和注射工艺可以确保对顺应性夹套46的最终几何形状进行最高控制(参见图6)。

由含氟聚合物或热固性环氧树脂形成的高压绝缘体28最好填充位于金属管26内的延伸部分的整个长度，从陶瓷绝缘体32和介电顺应性绝缘体30到线圈连接或线圈输出构件。替代地采用这样的材料，因为它们的电性能使电容低，具有良好的效率或与金属管26(即，延伸屏蔽)具有兼容的热膨胀系数。

本发明的另一方面包括形成电晕点火器组件20，该电晕点火器组件20包括上述的部件和顺应性夹套46。

根据以上教导,本发明的许多修正和变型是可能的。在后所附权利要求的范围内，本发明可不同于上述具体描述通过其他方式实施。还可以预期，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这样的组合不会彼此矛盾即可。

Claims (16)

1.一种电晕点火器组件，包括：

由陶瓷绝缘体和高压绝缘体包围的高压中心电极，所述陶瓷绝缘体由陶瓷材料形成，并且所述高压绝缘体由不同于所述陶瓷材料的材料形成；

介电顺应性绝缘体，由橡胶或包括硅树脂的材料形成，且所述介电顺应性绝缘体设置在所述陶瓷绝缘体和所述高压绝缘体之间；

金属层，所述金属层在相对的两边缘之间延伸并施加到至少所述陶瓷绝缘体上；以及

顺应性夹套，由硅橡胶制成，且所述顺应性夹套设置在沿着所述陶瓷绝缘体的所述金属层和所述介电顺应性绝缘体之间，所述顺应性夹套覆盖所述金属层的一个所述边缘；

所述顺应性夹套和所述陶瓷绝缘体之间具有至少45°且小于90°的配合角，所述配合角是垂直于电晕点火器组件的中心轴线和与所述顺应性夹套的平坦内表面相邻的圆形顶部外表面之间的角度。

2.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述顺应性夹套由硅橡胶形成。

3.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，被所述顺应性夹套覆盖的所述金属层的所述一个所述边缘是锐边。

4.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述陶瓷绝缘体由包括氧化铝的材料形成，所述高压绝缘体由包括聚四氟乙烯(PTFE)或具有热膨胀系数(CLTE)大于所述陶瓷绝缘体的热膨胀系数(CLTE)的环氧树脂的材料形成；所述介电顺应性绝缘体由橡胶或包含硅酮的材料形成。

5.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述顺应性夹套由具有各向同性或各向异性的导电性的单一材料形成。

6.根据权利要求5所述的电晕点火器组件，其中，所述顺应性夹套的所述单一材料具有大于10^-2S/m的平均电导率。

7.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述顺应性夹套由两种或更多种不同的半导体或导电材料的层形成。

8.根据权利要求7所述的电晕点火器组件，其中，所述顺应性夹套包括两种半导体或导电材料，第一种所述半导体或导电材料位于更靠近所述金属层的一个所述边缘的位置，并且具有比第二种所述半导体或导电材料更高的电导率。

9.根据权利要求8所述的电晕点火器组件，其中，所述第一种所述半导体或导电材料的平均电导率高于10^-2S/m，并且所述第二种所述半导体或导电材料的平均电导率在10^-6至10^-2S/m的范围内。

10.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述介电顺应性绝缘体由硅橡胶形成。

11.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述介电顺应性绝缘体和所述顺应性夹套设置在所述高压绝缘体和所述陶瓷绝缘体之间。

12.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，包括：由所述陶瓷绝缘体包围的点火器中心电极和包围所述陶瓷绝缘体的金属壳；所述点火器中心电极沿中心轴线从端子端纵向延伸至点火端，并包括设置在所述点火端上的电晕部；以及所述电晕部包括相对于所述中心轴线径向向外延伸的多个分支。

13.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述高压绝缘体由介电强度大于30kV/mm，介电常数不大于2.5且耗散因子小于0.001的材料形成。

14.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述高压绝缘体由具有在25℃下大于0.8W/mK的导热率以及在-40℃至150℃的温度范围内小于35ppm/K的热膨胀系数(CLTE)的材料形成。

15.根据权利要求1所述的电晕点火器组件，其中，所述电晕点火器组件进一步包括：

点火线圈组件，所述点火线圈组件连接到所述高压中心电极；

点火端组件，所述点火端组件包括与所述高压中心电极相连的点火器中心电极；

所述点火端组件包括围绕所述点火器中心电极的所述陶瓷绝缘体和围绕所述陶瓷绝缘体的金属壳；

所述点火器中心电极沿中心轴线从端子端纵向延伸至点火端，并包括设置在所述点火端上的电晕部，所述电晕部包括多个相对于所述中心轴线径向向外延伸的分支；

所述陶瓷绝缘体由包括氧化铝的材料形成；

所述高压绝缘体由聚四氟乙烯(PTFE)或热固性环氧树脂形成；

所述介电顺应性绝缘体被压缩在所述高压绝缘体和所述陶瓷绝缘体之间；

围绕所述高压中心电极设置的套筒，所述套筒由导电率大于10^-2S/m的材料形成；

第二介电顺应性绝缘体，所述第二介电顺应性绝缘体设置在所述高压绝缘体和所述点火线圈组件之间；

所述金属层的由所述顺应性夹套覆盖的一个所述边缘包括锐化锐边。

16.一种制造电晕点火器组件的方法，包括以下步骤：

提供由陶瓷材料形成的陶瓷绝缘体、由不同于所述陶瓷材料的材料形成的高压绝缘体，以及由橡胶或包括硅树脂的材料形成的介电顺应性绝缘体；所述介电顺应性绝缘体设置在所述陶瓷绝缘体和所述高压绝缘体之间；

在至少所述陶瓷绝缘体上施加金属层；

在所述陶瓷绝缘体的孔、所述介电顺应性绝缘体的孔和所述高压绝缘体的孔中设置高压中心电极；以及

在所述金属层的一个边缘之上并在所述金属层与所述介电顺应性绝缘体之间设置由硅橡胶制成的顺应性夹套，使得所述顺应性夹套和所述陶瓷绝缘体之间具有至少45°且小于90°的配合角，所述配合角是垂直于电晕点火器组件的中心轴线和与所述顺应性夹套的平坦内表面相邻的圆形顶部外表面之间的角度。

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