CN100356643C - 内燃机点火系统和排入燃烧室的燃料点火方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机点火系统和排入燃烧室的燃料点火方法。接地电极(20)电接地，中央电极(10)被供给高压脉冲；接地电极(20)的端部和中央电极(10)靠近布置。接地电极(20)分支出主接地电极(21)和辅助接地电极(30)。主接地电极(21)的端部(25)和辅助接地电极(30)的端部(36)与中央电极的端部(11)靠近布置。根据电流的变化产生反电势的电感区整体布置在接地电极(20)分支出的部分与辅助接地电极(30)的端部(36)之间。

Description

内燃机点火系统和排入燃烧室的燃料点火方法

技术领域

本发明涉及内燃机点火系统和排入燃烧室的燃料点火方法，该点火系统通过电火花点燃空气与燃料(如汽油)的混合气体，从而将燃烧压力转化成动力。

背景技术

作为在内燃机中空气与燃料(如汽油)混合气体的点火方法，通常使用的方法是应用电极之间的高压脉冲产生电火花点燃混合气体。

在放电过程中，当电火花的持续时间和电火花的数量足够时，混合气体的分子就立即被电火花激活。随后，电离的混合气体的分子被放电产生的电场加速并撞击其它混合气体分子而产生众多的电离分子。因此，这时的电离分子以指数级增加。如果以这种方法对混合气体分子进行电离，将提高点火后的燃烧速度和燃烧效率。

然而，采用这种点火方式，会出现两电极间气流漂移，或由于杂质的存在而使放电初始电压变化较大。因而，电火花的数量和放电持续时间就会发生变化，从而大大地影响燃油的点火性能、燃烧状态和燃烧效率。特别是，由于内燃机在刚刚启动后温度较低，所以燃烧不稳定，从而大大影响了电火花的数量和放电持续时间。

如果电火花的数量和放电持续时间不断变化，则被激活的混合气体的分子数量就不稳定。这样就会造成燃烧速度下降和燃烧效率低下，并由此引发意外着火和不完全燃烧造成的油耗增大，动力输出降低或尾气中碳氢化合物含量增加。

特别是对于低负荷驱动状态和低效燃烧的汽车发动机，发动机的输出会大大降低。鉴于此，现有技术中，提出了各种点火系统来改善燃烧室中的燃烧状态。

目前用来改善燃料点火性能的点火系统有多点式火花点火系统和连续式点火系统。日本专利申请特开平2001-82306提出了一种多点式火花点火系统。日本专利申请特开平2001-50147提出了一种连续式点火系统。

日本专利申请特开平2001-82306提出的多点式火花点火系统，其活塞或燃烧室的一部分壁表面涂有绝缘的陶瓷材料，且在陶瓷材料上装有多个电极。因此，这样就增加了点火点来点燃混合气体。

日本专利申请特开平2001-50147提出的连续式点火系统，是通过对送到点火线圈的原电流的激发或非激发的重复控制，来实现火花塞多次放电。

然而，根据上述多点式火花点火系统，由于其燃烧室和活塞的机械加工较为复杂和困难，所以可使用的内燃机是有限的。当内燃机在长期使用后出现电极性能退化时，必须更换活塞和燃烧室。因而，就产生了更换和修理可操作性差以及费用过高等问题。

另外，对于连续式点火系统，由于需要一个点火控制电路，因而带来了点火系统比较复杂的问题。在更换或修理部件时，必须更换整个点火控制电路，从而导致费用的增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种容易生产的内燃机点火系统，其在维修和更换时具有优秀的可操作性，不需要高昂的维护费用；本发明的另一目的是提供一种燃烧室内燃料的点火方法。

本发明的第一个方面是提供一种内燃机点火系统，该系统包括一个电接地的接地电极、一个提供高压脉冲的中央电极、一个装在接地电极上的主接地电极和一个辅助电极，以及安装在辅助接地电极上的一个电感区，其中，主、辅接地电极的端部布置在中央电极端部的附近，而电感区则整体布置在辅助接地电极端部和辅助接地电极从接地电极分支出的部分之间。

由于辅助接地电极包含了电感器的功能，因而当高压脉冲施加到电极上并且辅助接地电极被允许辅助放电时，辅助接地电极的电感区中就产生了反电势。这样，辅助放电就可在短时内完成。虽然辅助放电不能点燃混合气体，但却可以激活混合气体的分子。结果，能够使主接地电极的主要放电点燃激活的混合气体分子，从而可靠地完成了点火，提高了点火效率。

根据本发明的第二个方面，在本发明第一个方面所涉及的内燃机点火系统中，其中辅助接地电极是棒状弯曲部分，电感区在辅助接地电极端部和辅助接地电极从接地电极分支出的部分之间。

电感区的电抗可以被设定到一个适当的值，以改变辅助放电的放电状态，从而可以进一步提高燃烧效率。

根据本发明的第三个方面，在本发明第一个方面所涉及的内燃机点火系统中，电感区布置在辅助接地电极的螺旋状的弯曲部分中。

电感区的电抗可以被设定到一个适当的值，以改变辅助放电的放电状态，从而可以进一步提高燃烧效率。

根据本发明的第四个方面，在本发明第一个方面所涉及的内燃机点火系统中，辅助接地电极是从主接地电极的端部延伸出来的。

通过在主接地电极的端部设置辅助电极，所以，生产电极时的机械加工变得更加容易了。

根据本发明的第五个方面，在本发明第一个方面所涉及的内燃机点火系统中，辅助接地电极与中央电极间的距离比主接地电极与中央电极间的距离短。

由于辅助接地电极与中央电极间的距离比主接地电极与中央电极间的距离短，所以在主放电前能更可靠地进行辅助放电。

根据本发明的第六个方面，在本发明第一个方面所涉及的内燃机点火系统中，对于单个的中央电极，接地电极分成了单个的主接地电极和多个辅助接地电极。

由于一个主接地电极配有多个辅助接地电极，所以可进一步提高混合气体分子的激活状态。

根据本发明的第七个方面，在本发明第一个方面所涉及的内燃机点火系统中，系统进一步包括了多对接地电极和中央电极。

由于装有多对电极，即使对于具有大燃烧室内燃机，辅助放电也可激活混合气体，全部混合气体都可以通过主放电点燃。

本发明的第八个方面，提供了一个排入燃烧室的燃料点火方法，该方法包括以下步骤：将燃料和空气向燃烧室中排入，向中央电极供给高压脉冲，在辅助接地电极和中央电极间进行辅助放电来激活排入燃烧室的燃料和空气的混合气体，然后在主接地电极和中央电极间进行主放电来点燃混合气体。

由于辅助放电激活了混合气体分子，然后由主放电激活的混合气体被点燃了。因此，能够可靠地进行点火从而提高了燃烧效率。

附图说明

图1表示当火花塞采用了本发明的内燃机点火系统时，第一个实施例的电极部分的图示；

图2表示当火花塞采用了本发明的内燃机点火系统时，第二个实施例的电极部分的图示；

图3表示当火花塞采用了本发明的内燃机点火系统时，第三个实施例的电极部分图示；

图4表示当火花塞采用了本发明的内燃机点火系统时，第四个实施例的电极部分图示；

图5A表示当点火线圈的次级电压施加在本发明第一个实施例中的火花塞时，中央电极和接地电极之间施加电压随时间变化的图示；

图5B表示当点火线圈的次级电压加在传统的、无辅助接地电极的火花塞上时，中央电极和接地电极间电压随时间变化和电极间电流随时间变化的图示；

图6是一个燃烧室的图示，该燃烧室装有本发明第一个实施例的内燃机点火系统。

具体实施方式

下面将参照附图说明本发明的实施例，图中相同数字代表相同标记。

如图1所示，在第一个实施例中，位于火花塞的接地电极20为圆柱形。接地电极20包括位于火花塞上的接地电极基体27、接地电极基体27上凸出的主接地电极21和接地电极基体27上凸出的辅助接地电极30。接地电极基体27带有一个螺纹部分28，旋入可导电的燃烧室外壁表面的一个孔中，以使接地电极基体27电接地并固定火花塞。

主接地电极21通过凸出部22与接地电极基体27构成一体。弯曲部23位于凸出部22和平直部24之间。平直部24长度的确定，应使得凸出部22延伸出的平直部24的末端25和中央电极10端部11的端面12间的距离为D1。

辅助接地电极30通过凸出部31与接地电极主体构成一体。电感区32上的弯曲部33和35的曲率和其间的平直部34的长度的确定，应使得凸出部31延伸出的电感区32末端36和将在下面说明的中央电极10端部11的端面间的距离为D2。

将主接地电极21的端面26和辅助接地电极30的端面37靠近布置。主接地电极21和辅助接地电极30的布置应使中央电极10与辅助接地电极30间的间距D2比中央电极10与主接地电极21间的间距D1短。

中央电极10位于圆柱形接地电极基体27的正中心轴线上，其端部11应靠近主接地电极21的端部25和辅助接地电极30的端部36。由点火线圈通过接线端(未图示)将次级电压施加中央电极10的另一端(未图示)。

辅助接地电极30包括电感区32，该电感区在弯曲部33和35处弯曲，从而在辅助接地电极30的端部36和凸出部31之间，使凸出部31和平直部34相互平行。这样，辅助接地电极30可以起到电感器的作用。辅助接地电极中产生了反电势，因此便使得辅助接地电极30中电流所产生磁通量消失，同时产生电抗。

柱状接地电极基体27和位于其正中心轴线处的中央电极10是相互绝缘的。

图5A表示的是，当点火线圈的次级电压加到本发明第一个实施例的火花塞上时，中央电极和接地电极间施压电压随时间变化的图示。数字100表示点火线圈的次级电压，数字101表示主放电电流，数字102表示辅助放电电流，数字103表示辅助放电时间，数字104表示主放电时间，数字105表示放电起始电压。图5B表示的是，当点火线圈的次级电压加到传统的、没有辅助电极30的火花塞上时，中央电极10和接地电极20间电压和放电电流随时间变化的图示。

数字106表示点火线圈的次级电压，数字107表示放电电流，数字108表示放电时间，数字109表示放电起始电压。

图5B表示施加在中央电极上的电压，当电极间的电压达到火花塞放电起始电压109时，放电电流107在中央电极和接地电极间产生，电极间的电压降低，放电电流随之增减。这种传统的火花塞中，由于电极间混合气体的漂移或杂质的存在，实际放电起始电压变化较大，从而大大地影响了燃料点火性能、燃烧状态和燃烧效率。特别是，由于内燃机在刚刚发动时温度较低，造成燃烧不稳定，并大大影响了放电火花的数量和放电持续时间。

如果放电火花的数量和持续时间发生变化，则被激活的混合气体的分子数量也不稳定。因此会导致燃烧速度下降、燃烧效率降低，并会引起意外着火、不完全燃烧造成的油耗增大、动力输出降低或尾气中碳氢化合物含量增加。

图5A中，如果点火线圈的次级电压100加到火花塞的接线端，也就意味着加到了对应的中央电极10和接地电极20上。如果电路中电流随角频率ω变化，则电抗为L的电感区32中产生的阻抗Z由下面的公式(1)表示：

Z＝iωL(i：虚数单位)…(1)

如果电极间的电压达到火花塞的放电电压105，并且中央电极10和辅助接地电极30间开始放电，次级电压100的大部分便由公式(1)计算出的阻抗Z分配到辅助接地电极30上。其结果是由于分配到间隙部分的次级电压100的比例减少，所以中央电极10和辅助接地电极30间的辅助放电可在短时内完成。这样，辅助接地电极30和中央电极10间的辅助放电不能达到点燃燃烧室中混合气体的要求值，但其放电能量却足以激活混合气体分子。

因为主接地电极21没有电感区，所以电抗低，且阻抗分配给的次级电压的比例较小。结果，在次级电压100降到足够小之前，主接地电极21和中央电极之间的主放电保持连续进行。也就是说，由于放电持续时间变长且激活的混合气体分子被点燃，所以燃烧状态变的比较稳定，同时也提高了燃烧效率。

这样，可以防止意外着火、提高燃料消耗率、提高动力输出和降低尾气中碳氢化合物的含量。

本发明的第二个实施例(如图2所示)与图1的第一个实施例有很大不同，它们的区别在于辅助接地电极中电感区的形状不同。

第二个实施例的火花塞中，辅助接地电极40的弯曲部增加到了3处，即弯曲部43、45和46，这样被折叠的部分就由二个增加到了三个，电感区42的电抗也就可以设定成更适当的值，从而可以进一步提高燃烧效率。中央电极10和辅助接地电极30的弯曲部45间的距离D3比中央电极10和辅助接地电极30的端部间的距离D2大，因此，在弯曲部43和中央电极10之间无法产生电火花。

图3所示的本发明的第三个实施例与图1的第一个实施例也有很大不同，它们的区别在于辅助接地电极中的电感区的形状不同。

在第三个实施例的火花塞中，辅助接地电极50的电感区52形成了一个线圈的形状，从而减小了电感区的尺寸，其电抗能够被设定成更适当的值。因而进一步提高了燃烧效率。

图4所示的本发明的第四个实施例与图1的第一个实施例也有很大不同，它的辅助接地电极60通过一个连接部61连在主接地电极21的端部。因为辅助接地电极60连在主接地电极21的端部，所以在电极制造时机械加工比较简单，而且电感区52的电抗能够被设定成更合适的值。

该实施例中，由于放电区周围混合气体的流动性较好，因此，即使是对于低负荷驱动或低效燃烧内燃机，也可以保证放电区的燃油混合浓度较高，从而提高点火效率。

图6是具有本发明第一个实施例的点火系统的四缸内燃机的简图。数字71代表气缸体，数字72代表活塞，数字73代表气缸盖，数字74代表由气缸体71、活塞72和气缸盖73构成的燃烧室。

气缸盖73上具有进气阀76和排气阀78，进气阀76用来打开和关闭进气口75，排气阀78打开和关闭排气口77。

注射汽油燃料的燃料注射阀79安装在进气口75上，具有图1所示电极结构的火花塞80安装在燃烧室74的中央。

在进气冲程中，活塞72向下移动，进气阀76打开，空气通过进气口75排入燃烧室74中。与此同时，一定量的燃料通过燃料注射阀79注入，空气和燃油混合气体便排入燃烧室74内。

当燃烧室74中排入混合气体之后，进气阀76关闭，活塞72开始向上运动，则冲程变成了压缩冲程。如果活塞72到达上死点时，点火线圈(未图示)的次级电压加到火花塞80上，则在中央电极10和接地电极20之间开始放电。

中央电极10和接地电极20间的放电开始后，大部分次级电压由辅助接地电极30的电感区32的阻抗Z分配到辅助接地电极30上。结果由于减少了分配给间隙部分的次级电压，所以，中央电极10和辅助接地电极30间的放电可在短时内完成，因此激活了燃烧室中混合气体分子。

由于主接地电极21没有电感区，所以电抗低，并且阻抗分配给它的次级电压的比率较小。结果，在次级电压降至足够低之前，主接地电极21和中央电极间持续放电。由于放电持续时间变长且激活的混合气体分子被点燃，所以燃烧状态稳定，同时提高了燃烧效率。

这样，可以防止意外着火、降低油耗、提高动力输出和降低尾气中碳氢化合物的含量。

因为可将本发明用于火花塞的电极上，所以本发明不但适用于新研制的内燃机，也可以通过更换火花塞而适用于现已商用的内燃机，因此该内燃机的点火系统有极高的通用性。

列举上述实施例的目的是为了易于对本发明的理解，而本发明并不限于这些实施例。因此，实施例中提及的每一个部件都包括属于本发明技术范围内的所有设计选择项。

例如，尽管在第四个实施例中电感区是通过折弯电极而形成的，但电极也可以采用线圈形状。

图6是本发明用于四缸内燃机火花塞的图示，同样本发明可以用于两缸内燃机的火花塞中。

即，当设计中含有如下系统或点火方法时，本发明不限于上述实施例。系统按如下进行设计：如果辅助接地电极起到电感器的功能，当高压脉冲加到电极上，辅助接地电极进行辅助放电，则辅助接地电极中就产生了反电势，并在短时内完成辅助放电，从而激活了燃烧室中混合气体分子，进而主电极的主放电点燃混合气体的激活气体分子。点火系统的点火方法是：高压脉冲施加到电极上，当辅助接地电极进行辅助放电时，由辅助接地电极产生反电势，辅助放电在短时内完成，从而激活燃烧室中混合气体分子，并且主接地电极的主放电点燃激活的混合气体。

工业应用

根据本发明的内燃机点火系统的第一个方面，由于辅助接地电极可起到电感器的功能，如果高压脉冲加到电极上，且辅助接地电极进行辅助放电，则辅助接地电极的电感区中就产生了反电势。这样，辅助放电在短时内完成了。这时，辅助放电虽不能点燃燃烧室中混合气体，但却可以将其激活。这样，其作用在于：主接地电极的主放电点燃激活的混合气体分子，从而可靠地完成点火，有效地提高燃烧效率，并且防止了意外着火、提高了燃料消耗率、提高了动力输出并降低了尾气中碳氢化合物的含量。

进而，由于仅仅对工火花塞电极的加工处理就可实现本发明的应用，因此，本点火系统易于制造，另外，本发明的火花塞不仅可以更换新研制内燃机的火花塞，也可以更换现已商用的内燃机的火花塞，因此本发明有较高的通用性。

当火花塞长期使用或随时间性能退化时，需更换和修理电感区。更换、修理以及调整电感区的操作仅仅通过更换火花塞即可以完成。因此，更换和修理的操作性极佳，同时操作费用较低。

除第一个方面之外，根据本发明的内燃机点火系统的第二个方面，可以通过增加电感区折弯部的数量来将电感区的电抗设定成一个适当值，从而进一步提高燃烧效率。

除第一个方面之外，根据本发明的内燃机点火系统的第三个方面，由于电感区是螺旋状的，从而也可以将电感区的电抗设定成一个适当值，从而进一步提高燃烧效率。

除第一个方面之外，根据本发明的内燃机点火系统的第四个方面，由于辅助接地电极延伸到了主接地电极的端部，其效果是能够进一步提高燃烧效率，同时易于生产时的机械加工。

除第一个方面之外，根据本发明的内燃机点火系统的第五个方面，由于辅助接地电极与中央电极间的距离比主接地电极与中央电极间的距离小，所以辅助放电可在主放电前更可靠地完成。

除第一个方面之外，根据本发明的内燃机点火系统的第六个方面，由于一个主接地电极配有多个辅助接地电极，其效果是通过辅助放电进一步增强了混合气体分子的激活状态。

除第一个方面之外，根据本发明的内燃机点火系统的第七个方面，由于配有多个电极，因此即使是对于大的燃烧室的内燃机，辅助放电也可激活混合气体，并且主放电后可以使得混合气体完全燃烧。

除第一个方面之外，根据本发明的内燃机点火系统的第八个方面，由于辅助放电激活混合气体分子，主放电点燃激活的混合气体，从而能可靠地完成点火，提高燃烧效率。

Claims (8)

1.内燃机点火系统，其包括：

电接地的接地电极；

中央电极，被供给高压脉冲；

主接地电极，安装在接地电极中；

辅助接地电极，位于接地电极中；及

电感区，位于辅助接地电极中，

其中，主接地电极的端部和辅助接地电极的端部靠近中央电极的端部布置；以及

电感区整体布置在辅助接地电极端部和辅助接地电极从接地电极分支出的部分之间。

2.根据权利要求1所述的内燃机点火系统，其中，辅助接地电极是棒状的弯曲部分，电感区在辅助接地电极端部和辅助接地电极从接地电极伸出的凸出部之间。

3.根据权利要求1所述的内燃机点火系统，其中，电感区布置在辅助接地电极的螺旋状的弯曲部分中。

4.根据权利要求1所述的内燃机点火系统，其中，辅助接地电极从主接地电极的端部延伸出。

5.根据权利要求1所述的内燃机点火系统，其中，辅助接地电极与中央电极间的距离比主接地电极与中央电极间的距离短。

6.根据权利要求1所述的内燃机点火系统，其中，对于单个中央电极，接地电极分成单个主接地电极和多个辅助接地电极。

7.根据权利要求1的内燃机点火系统，进一步包括多对接地电极和中央电极。

8.一种排入燃烧室的燃料的点火方法，其包括以下步骤：

向燃烧室中排入燃料和空气；

向中央电极供给高压脉冲；

在辅助接地电极中设置电感区，辅助接地电极和中央电极间进行辅助放电，以激活燃烧室中的空气和燃料的混合气体；以及

主接地电极和中央电极间进行主放电，以点燃混合气体。

Images