一种可自修复的等离子火花塞的制作方法

1.本发明属于点火装置的技术领域，具体涉及一种可自修复的等离子火花塞。


背景技术：

2.等离子点火是利用气体放电形成局部高温区域，并激发大量的活性粒子（等离子体），实现快速的点燃可燃混合气的进程。等离子点火是当今世界上行之有效的一种先进的点火方式，相较传统电火花点火，具有点火能量大、能力强、区域大、点火延迟时间短、可靠性高、强化燃烧等优点。该技术应用广泛，可应用到工业炉等燃烧器、航空航天动力装置等方面，如航空发动机、燃气轮机点火，尤其可提高航空发动机高空再启动点火能力。
3.等离子点火功能简介：等离子点火装置产生高频高压脉冲（引弧电压）引弧，并产生持续低压（维弧电压）维弧。通过等离子点火电缆将高压脉冲和持续低压传输电能到等离子火花塞，高频高压脉冲击穿火花塞电极引弧，再通过持续低压使等离子弧连续稳定（引弧成功后只需要低压就能维持电弧持续）。持续电弧电离火花塞电极附近的气体成等离子态，通过从等离子火花塞吹入的压缩气体，将等离子体从等离子火花塞发火端吹出，产生等离子射流，从而点燃燃烧室的油气混合物。等离子火花塞一般装配在发动机燃烧室附近，火花塞的发火端在发动机燃烧室内，属于热端部件。等离子火花塞的功能是将传输过来的电能转换为高温等离子态气体，并通过气流将高温的等离子从发火端喷出去，产生等离子射流，以点燃发动机燃烧室内的油气混合物。
4.传统的等离子火花塞电极不能自修复，火花塞电极容易腐蚀，寿命相对较短：等离子火花塞工作时，电极击穿电离气体会对电极产生电腐蚀。电腐蚀导致火花塞电极之间的发火间隙（放电击穿间隙）增大，电极之间的发火间隙增大导致火花塞最小击穿引弧电压和维弧电压上升。当火花塞电极腐蚀到一定程度，火花塞的最小击穿引弧电压和维弧电压上升到等离子点火装置产生的引弧电压和维弧电压时，等离子火花塞失效不发火。
5.传统的等离子火花塞，不能自动对电极进行补充修复。由于等离子火花塞工作时容易对电极造成电腐蚀损耗，而火花塞是热端部件，高温又会加速火花塞电极的腐蚀，所以火花塞的寿命相对较短，一般都不能达到与发动机同寿，很大地制约了等离子的使用，特别是一些使用寿命较长的上级单元（如航空发动机点火）。传统的等离子火花塞难以满足发动机全寿命要求，需要在发动机的寿命周期内对火花塞进行更换。等离子火花塞的频繁更换，造成了极大的资源浪费，增加了上级单元（如发动机、燃气轮机等）的维护、维修时间和成本。根据等离子火花塞的工作原理，在等离子火花塞工作时，容易对电极造成电腐蚀损耗，而火花塞是热端部件，高温又会加速火花塞电极的腐蚀，电极腐蚀是影响等离子火花塞寿命的最主要因素，其余部件使用时基本不会产生损耗。
6.火花塞引弧电压高，增加了等离子装置设计难度：等离子火花塞，通常是通过击穿电极之间的空气来实现引弧的，这就要求引弧电压相对较高。引弧电压由等离子装置产生，等离子装置需要额外的设计来保证引弧电压足够高，而电压高又容易引起绝缘、爬电等问题，需要额外加强等离子的绝缘、耐压设计等。所
以，等离子火花塞引弧电压高，增加了配套等离子装置的设计要求和难度。
7.火花塞自身不能调节气流大小：等离子火花塞通过气流将等离子体从等离子火花塞发火端吹出，产生等离子射流，气流的大小对喷出的等离子射流影响很大。气流太小等离子体不能喷出来或喷出来很小，会导致等离子射流很小，不能点燃燃烧室油气混合物。气流太大等离子体会被吹散，等离子体会和过多的冷空气混合一起吹出来，导致喷出来的气流温度低，也不能点燃燃烧室油气混合物。
8.传统等离子火花塞自身不具备调节气流大小的功能，在等离子点火工作中需要在上级单元（如航空发动机、燃气轮机的）增加调节气流大小的部件，或者根据上级单元提供的气流大小，专门设计等离子火花塞的气流通道。这增加了上级单元的设计要求，或限制了等离子火花塞的使用场合（专门设计的等离子火花塞气流通道只能配装在这一种气流大小的上级单元）。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种可自修复的等离子火花塞，通过设置弹性导电机构保证中心电极与负电极组件保持相对位置不变，避免电极损耗后相对位置变远而导致火花塞失效，解决了传统的等离子火花塞不能自动对电极进行补充修复的问题。
10.本发明主要通过以下技术方案实现：一种可自修复的等离子火花塞，包括正电极组件、负电极组件，所述正电极组件套设安装在负电极组件内部，且正电极组件通过绝缘层与负电极组件连接；所述正电极组件包括绝缘的整流限位部以及从左至右依次设置的中心电极、弹性导电机构、接触头，所述中心电极的自由端外侧套设有整流限位部，且中心电极通过整流限位部与负电极组件的一端限位连接；所述中心电极的另一端伸入绝缘层并通过弹性导电机构与接触头连接，所述中心电极与绝缘层滑动连接。
11.在本发明中，当火花塞使用一段时间后，正电极组件或负电极组件出现腐蚀损耗，此时弹性导电机构推动正电极组件中的中心电极向负电极组件移动，从而保证正电极组件与负电极组件的相对位置不变，即正电极组件或负电极组件出现腐蚀损耗后可以自动修复。整流限位部实现了对阳极在发火端的限位功能，同时可以对通入火花塞内部的气流导向整流后向发火端方向喷出，让火花塞在工作时形成等离子射流。火花塞的各个组件为密封连接，防止发动机燃烧室内的燃气从火花塞的发火端通过其内部泄露出去，造成发动机安全隐患。
12.为了更好地实现本发明，进一步地，所述弹性导电机构包括第一磁芯、第二磁芯、柔性导线，所述中心电极通过柔性导线与接触头连接，所述中心电极与接触头相对的一侧分别设置有第一磁芯、第二磁芯，所述第一磁芯、第二磁芯的相对面为同磁极，所述柔性导线环绕成圆周形设置在中心电极与接触头之间。第一磁芯和第二磁芯同极相斥产生排斥力，可以实现对电极的补充修复功能，柔性导线的长度大于中心电极能够移动的距离，保证正极回路的通畅。
13.为了更好地实现本发明，进一步地，所述弹性导电机构包括导电弹簧，所述中心电极通过导电弹簧与接触头弹性连接。导电弹簧在中心电极与接触头之间始终处于压缩的状
态，保证中心电极能够在可移动范围内始终与负电极组件接触，从而实现对电极的补充修复功能。
14.为了更好地实现本发明，进一步地，所述整流限位部内部从左至右依次设置有相互贯通的限位安装孔、贯通孔，所述中心电极的一端穿过贯通孔并与限位安装孔限位安装，所述整流限位部的左侧壁沿限位安装孔设置有贯通的通气孔。整流限位部能够保证在中心电极和负电极组件之间的最小间隙，二者不会直接接触短路。整流限位部件还实现了对发火端的限位功能。整流限位部上的通气孔，实现了通气整流功能，可以对进气孔通入的气流导向整流后向发火端方向喷出，让火花塞工作时形成等离子射流。
15.为了更好地实现本发明，进一步地，所述整流限位部靠近发火端的一侧设置有半导体层。当火花塞通电工作时，通过半导体层导电可以有效地降低火花塞的引弧电压（击穿空气的引弧电压远大于通过半导体导电的引弧电压，因为半导体绝缘电阻较空气绝缘电阻低很多，只需要很低的电压，半导体就导通了）。
16.为了更好地实现本发明，进一步地，所述绝缘层包括第一绝缘层、第二绝缘层，所述中心电极伸入第一绝缘层并通过弹性导电机构与接触头连接；所述第一绝缘层的右端与第二绝缘层限位连接，所述第二绝缘层靠近第一绝缘层的一端设置有接触头，所述接触头穿过第二绝缘层并伸入第一绝缘层与弹性导电机构连接。第一绝缘层和第二绝缘层将正电极组件和负电极组件隔离，防止短路。
17.为了更好地实现本发明，进一步地，所述第二绝缘层的自由端通过第二衬套与负电极组件连接，所述接触头靠近第一绝缘层的一端设置有第一衬套，所述第一衬套、接触头、第二绝缘层、第二衬套密封连接。其中第二衬套和第二绝缘层结合处采用陶瓷金属化进行密封，接触头和第一衬套圆周熔焊密封。
18.为了更好地实现本发明，进一步地，所述负电极组件包括从左至右依次连接的第一外壳、第二外壳，所述第一外壳的自由端为发火端，所述第一外壳的侧壁沿周向设置有进气口，所述中心电极通过整流限位部与第一外壳限位连接。
19.为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一外壳的发火端的侧壁与中心电极之间的间隙为l1，所述中心电极、第一外壳在间隙l1处引弧发火；所述第一外壳的主体侧壁与中心电极之间的间隙l2，所述间隙l2大于间隙l1。根据电路工作原理，电压击穿总是在最薄弱的地方击穿，所以火花塞通电工作时总是从间隙l1击穿。而根据上述电极修复功能可以保证电极腐蚀后间隙l1总是小于l2的，所以在整个火花塞的全寿命周期内，火花塞都是从间隙l1处引弧发火，即l2能一直实现其绝缘功能。
20.本发明的有益效果是：（1）本发明通过设置弹性导电机构保证中心电极与负电极组件保持相对位置不变，避免电极损耗后相对位置变远而导致火花塞失效，这种可自动修复的等离子火花塞能极大增加其使用寿命，使火花塞能满足长寿命的上级单元（如航空发动机、燃气轮机的）全寿命周期要求。在上级单元的全寿命周期内不用更换火花塞，可以有效的节约上级单元的维护、维修成本和时间，提高上级单元的维护、维修效率；（2）整流限位部上设置半导体层，降低了等离子火花塞的击穿引弧电压，可以降低配套等离子装置的设计要求和难度。
附图说明
21.图1为本发明的整体结构示意图；图2为整流限位部的结构示意图；图3为通气孔的结构示意图；图4为半导体层的结构示意图；图5为第二绝缘层的密封结构示意图；图6为导电弹簧的结构示意图；图7为第一磁芯、第二磁芯的结构示意图。
22.其中：1、中心电极；2、第一外壳；3、整流限位部；4、柔性导线；5、第一磁芯；6、第二磁芯；7、第二外壳；8、第一衬套；9、第二衬套；10、第一绝缘层；11、接触头；12、通气孔；13、第二绝缘层；18、半导体层。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
24.实施例1：一种可自修复的等离子火花塞，如图1所示，包括正电极组件、负电极组件，所述正电极组件套设安装在负电极组件内部，且正电极组件通过绝缘层与负电极组件连接；所述正电极组件包括绝缘的整流限位部3以及从左至右依次设置的中心电极1、弹性导电机构、接触头11，所述中心电极1的自由端外侧套设有整流限位部3，且中心电极1通过整流限位部3与负电极组件的一端限位连接；所述中心电极1的另一端伸入绝缘层并通过弹性导电机构与接触头11连接，所述中心电极1与绝缘层滑动连接。
25.在本发明中，当火花塞使用一段时间后，正电极组件或负电极组件出现腐蚀损耗，此时弹性导电机构推动正电极组件中的中心电极1向负电极组件移动，从而保证正电极组件与负电极组件的相对位置不变，即正电极组件或负电极组件出现腐蚀损耗后可以自动修复。整流限位部3实现了对阳极在发火端的限位功能，同时可以对通入火花塞内部的气流导向整流后向发火端方向喷出，让火花塞在工作时形成等离子射流。火花塞的各个组件为密封连接，防止发动机燃烧室内的燃气从火花塞的发火端通过其内部泄露出去，造成发动机安全隐患。
26.实施例2：本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图1、图7所示，所述弹性导电机构包括第一磁芯5、第二磁芯6、柔性导线4，所述中心电极1通过柔性导线4与接触头11连接，所述中心电极1与接触头11相对的一侧分别设置有第一磁芯5、第二磁芯6，所述第一磁芯5、第二磁芯6的相对面为同磁极，所述柔性导线4环绕成圆周形设置在中心电极1与接触头11之间。第一磁芯5和第二磁芯6同极相斥产生排斥力，可以实现对电极的补充修复功能，柔性导线4的长度大于中心电极1能够移动距离，保证正极回路的通畅。第一磁芯a面、第二磁芯b面通磁极（n或s）本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
27.实施例3：本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图6所示，所述弹性导电机构包括导
电弹簧，所述中心电极1通过导电弹簧与接触头11弹性连接。导电弹簧在中心电极1与接触头11之间始终处于压缩的状态，保证中心电极1能够在可移动范围内始终与负电极组件接触，从而实现对电极的补充修复功能。
28.本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
29.实施例4：本实施例是在实施例1-3任一个的基础上进行优化，如图2和图3所示，所述整流限位部3内部从左至右依次设置有相互贯通的限位安装孔、贯通孔，所述中心电极1的一端穿过贯通孔并与限位安装孔限位安装，所述整流限位部3的左侧壁沿限位安装孔设置有贯通的通气孔12。整流限位部3能够保证在中心电极1和负电极组件之间的最小间隙，二者不会直接接触短路。整流限位部3件还实现了对发火端的限位功能。整流限位部3上的通气孔12，实现了通气整流功能，可以对进气孔通入的气流导向整流后向发火端方向喷出，让火花塞工作时形成等离子射流。
30.进一步地，如图4所示，所述整流限位部3靠近发火端的一侧设置有半导体层18。当火花塞通电工作时，通过半导体层18导电可以有效地降低火花塞的引弧电压（击穿空气的引弧电压远大于通过半导体导电的引弧电压，因为半导体绝缘电阻较空气绝缘电阻低很多，只需要很低的电压，半导体就导通了）。
31.本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一个相同，故不再赘述。
32.实施例5：本实施例是在实施例1-4任一个的基础上进行优化，如图1所示，所述绝缘层包括第一绝缘层10、第二绝缘层13，所述中心电极1伸入第一绝缘层10并通过弹性导电机构与接触头11连接；所述第一绝缘层10的右端与第二绝缘层13限位连接，所述第二绝缘层13靠近第一绝缘层10的一端设置有接触头11，所述接触头11穿过第二绝缘层13并伸入第一绝缘层10与弹性导电机构连接。第一绝缘层10和第二绝缘层13将正电极组件和负电极组件隔离，防止短路。
33.进一步地，如图5所示，所述第二绝缘层13的自由端通过第二衬套9与负电极组件连接，所述接触头11靠近第一绝缘层10的一端设置有第一衬套8，所述第一衬套8、接触头11、第二绝缘层13、第二衬套9密封连接。其中第二衬套9和第二绝缘层13结合处采用陶瓷金属化进行密封，接触头11和第一衬套8圆周熔焊密封。
34.本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一个相同，故不再赘述。
35.实施例6：本实施例是在实施例1-5任一个的基础上进行优化，如图1所示，所述负电极组件包括从左至右依次连接的第一外壳2、第二外壳7，所述第一外壳2的自由端为发火端，所述第一外壳2的侧壁沿周向设置有进气口，所述中心电极1通过整流限位部3与第一外壳2限位连接。
36.进一步地，如图1所示，所述第一外壳2的发火端的侧壁与中心电极1之间的间隙为l1，所述中心电极1、第一外壳2在间隙l1处引弧发火；所述第一外壳2的主体侧壁与中心电极1之间的间隙l2，所述间隙l2大于间隙l1。根据电路工作原理，电压击穿总是在最薄弱的地方击穿，所以火花塞通电工作时总是从间隙l1击穿。而根据上述电极修复功能可以保证电极腐蚀后间隙l1总是小于l2的，所以在整个火花塞的全寿命周期内，火花塞都是从间隙
l1处引弧发火，即l2能一直实现其绝缘功能。本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一个相同，故不再赘述。
37.实施例7：一种可自修复的等离子火花塞，如图1所示，包括：中心电极1、阴极、整流限位部3、第一绝缘层10、第一磁芯5、第二磁芯6、外壳、第一衬套8、第二绝缘层13、接触头11、第二衬套9、柔性导线4。这些零件结构均为圆周环形结构，火花塞的绝缘层、整流限位部3采用耐高温的高强度绝缘材料，一般选用高强度结构陶瓷材料；火花塞磁芯根据火花塞使用温度可以选用耐温较高的铁氧体磁铁或铝镍钴磁铁，磁芯表面喷涂耐高温绝缘漆（防止通电导致磁性失效）；火花塞电极采用耐高温、耐电腐蚀的金属材料；柔性导线4采用柔性的导电金属材料（如导电性能较好的镀镍铜芯线等），其余火花塞零件选用耐高温、高强度的金属合金材料。火花塞生产制作的主要过程如下：装配密封部：如图1和图5所示，第一衬套8、绝缘体、接触头11、第二衬套9组成火花塞内部的密封部，实现火花塞内部密封，防止发动机燃烧室内的燃气从火花塞发火端通过火花塞内部泄露出去，造成发动机安全隐患。其中第二衬套9和绝缘体结合处采用陶瓷金属化进行密封，接触头11和第一衬套8圆周熔焊密封。
38.将柔性导线4（长度应大于绝缘体10内大孔深度）一端与中心电极1焊接（可以采用高温钎焊），再将第一磁芯5、第二磁芯6穿入柔性导线4，再将柔性导线4另一端与接触头11焊接，再将绝缘体从中心电极1小的一端穿入装配；将中心电极1、绝缘体、第一磁芯5、第二磁芯6、柔性导线4、密封部装配在外壳内，将密封部的第二衬套9再和外壳圆周熔焊密封。装配时可将柔性导线4圆周环绕放置在中心电极1和接触头11之间；如图1、图2和图3所示，将整流限位部3装配在外壳内，再将阴极和外壳装配焊接（零件尺寸设计保证装配后中心电极1能将整流限位部3压在阴极上，中心电极1和绝缘体10之间留有间隙l4）。
39.实施要点：第一磁芯5、第二磁芯6放置在远离火花塞发火端的低温部位，温度一般不超过300℃，防止磁芯磁性因高温而失效。等离子火花塞发火端为高温端，第一磁芯5、第二磁芯6需放置在离火花塞发火端较远的部位。第一磁芯5、第二磁芯6选用耐高温的铁氧体等材料，耐温可达（500～600）℃，可以满足使用要求；磁芯表面需要绝缘，防止通电导致磁芯磁性失效。可以在磁芯表面喷涂耐高温绝缘漆，也可以采用其它如耐高温绝缘材料（如陶瓷等）的零件覆盖在磁芯表面进行绝缘。
40.电极自修复功能实现：火花塞通电工作时，火花塞的中心电极1和阴极之间放电发火对电极产生电腐蚀。因为火花塞正负极回路间的绝缘和整流限位部3，火花塞的引弧发火位置在火花塞的引弧发火位置在电极的最小间隙（间隙l1位置）。中心电极1、阴极在间隙l1处引弧发火，引弧发火造成电极腐蚀，电腐蚀会导致火花塞发火端贴近半导体层18的中心电极1和阴极逐渐损耗，而火花塞正电极回路和负电极回路的结构，在火花塞发火端的中心电极1和阴极腐蚀损耗时，第一磁芯5、第二磁芯6的排斥作用可以将中心电极1和整流限位部3向阴极发火端方向未腐蚀部分推动，保证中心电极1和阴极贴合在整流限位部3上，保证阴极相对中心电极1的位置不变，从而补充火花塞发火端的电极损耗，实现电极的自修复。
采用本发明方案的等离子火花塞可以自动补充修复火花塞的电极损耗，本发明方案可用的电极长度体积数倍于传统等离子火花塞的电极，从而加长了等离子火花塞的使用寿命，使可修复的等离子火花塞寿命达到传统等离子火花塞的数倍。
41.例如：等离子装置输出电压6kv，传统等离子火花塞的中心电极1和阴极发火间隙约2mm，初始引弧电压约4kv。当火花塞工作后在电极腐蚀1mm，发火间隙约3mm时，间隙过大，不能引弧，等离子火花塞达到寿命极限。
42.如图1所示，本发明的方案可以对电极进行修复，持续补充发火端电极腐蚀后留下的空间，直到l4为0mm。一般l4大于3mm，也就意味着本发明方案的火花塞寿命可达到传统等离子火花塞寿命的3倍以上。
43.根据等离子点火的特点，等离子火花塞中心电极1和整流限位部3发火端方向的端面离火花塞发火端面的距离l3设计的比较长（可达15mm）。l3设计较长可以对气流起到整流导向的作用，使喷出的等离子射流火焰比较集中。而等离子射流火焰长度较长，即使l3较长，也可以保证从发火端喷出火焰的长度。因l3较长，可以保证阴极留有足够的腐蚀修复空间。
44.火花塞内部间隙l2绝缘功能原理介绍：如图1所示，产品结构设计保证中心电极1和阴极之间的间隙l2远大于发火端电极间隙l1，根据电路工作原理，电压击穿总是在最薄弱的地方击穿，所以火花塞通电工作时总是从间隙l1击穿。而根据上述电极修复功能可以保证电极腐蚀后间隙l1总是小于l2的，所以在整个火花塞的全寿命周期内，火花塞都是从间隙l1处引弧发火，即l2能一直实现其绝缘功能。
45.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。