CN102235292A - 一种基于电晕放电的内燃机燃烧室内混合燃气的点火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，混合燃气在一个循环工作的内燃机内，内燃机包括至少一个燃烧室，燃烧室由接地腔壁构成，还包括一用来激发振荡电路的变压器，振荡电路与变压器的第二绕组连接，振荡电路包括一由点火电极构成的电容，点火电极以绝缘的方式从腔壁任一侧伸入燃烧室内，振荡电路的激发受制于点燃燃烧室内混合燃气的点火电极的电弧放电。每次内燃机点火之前，变压器的第一绕组的电压即初级电压，逐渐增加，由初级电压产生的流向第一绕组的电流即初级电流，可被反复测量，初级电流的变化范围被限定，当初级电流达到或超出预定范围时，逐渐增加的初级电压的部分电压被截止。作为改进，流向第一绕组的初级电流被限定，初级电压的变化可被检测。

Description

一种基于电晕放电的内燃机燃烧室内混合燃气的点火方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机的点火方法，尤其是一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法。

背景技术

本发明权利要求1前述部分的技术特征，已在国际申请WO 2010/011838 A1的专利文献中被披露。国际申请WO 2004/063560 A1公开了一种燃烧室内电晕放电的内燃机燃烧室内混合燃气点火的方法，一个点火电极通过绝缘的方式从燃烧室的任一腔壁伸入并射向燃烧室，并与燃烧室内往复运动的活塞相对。点火电极，与作为反电极的燃烧室的接地腔壁一起构成一个电容。燃烧室及室内的物质一起不带电。燃烧室根据活塞运动的周期包含空气、混合燃气或者燃尽废气。电容作为振荡电路的一部分，可被由带中间抽头的变压器产生的高频直流电源激发，所述变压器带有一控制单元，可分别选用与两个第一绕组对应的设定的直流电流，所述两个第一绕组由中间抽头隔开。变压器的第二绕组供给振荡电路，所述振荡电路中的电容由点火电极和燃烧室的腔壁组成。由变压器提供的并激发振荡电路的电压变化频率被调整为尽可能接近振荡电路的共振频率。这导致点火电极与放置点火电极的燃烧室腔壁间的供给电压冗余。例如，在点火电极端，共振频率的变化范围一般为30KHz~3MHz，电压的变化范围为50KV~500KV。

上述情况下，电晕放电可能在燃烧室内产生。由于电晕放电不允许发展为电弧放电或者火花放电，因此需要考虑保证点火电极和接地极间的电压低于完全击穿的电压值。国际申请WO 2004/063560 A1的专利文献为此公开了一种方法，该方法在变压器的输入端测量电压和电流，根据测量所得电压除以电流计算得到阻抗值，将所述阻抗值与保持在电弧放电且导致介质完全击穿时的阻抗值比较。

这种方法的缺点是电晕的形成并不理想，特别是电晕并不能达到理想的大小。这是因为电晕的增大使得振荡电路运行更接近于击穿电压。为了避免在任何环境下都可达到击穿电压，不能被越限的阻抗设定值必须设得足够小，以达到避免各种形式的电弧放电。在建立阻抗设定值时，必须考虑变压器运行电路（下文中称为点火器）的电流-电压特性曲线，所述电流-电压特性曲线取决于制造相关的起伏波动。如果点火器存在设计或生产工艺相关的改良，能导致电流-电压特性曲线的变化，这样就需要重新建立阻抗设定值，以免电晕形成太小或者甚至根本没有。

国际申请WO 2010/011838 A1的专利文献公开了一种方法，所述方法在变压器的第一绕组侧先指定一阻抗设定值，在低电压时，起点阻抗值取决于变压器的输入。在低电压状态下，变压器输入侧初始阶段电压-电流特性曲线呈现连续线性关系，意味着恒阻抗状态。起初，电流依据电压成比例的增大。起点阻抗作为点火器的特征值。当电压增大一定阶段后，阻抗值上升，由变压器第一绕组侧的测量电流与电压不再呈比例关系得知，随着电压的增加阻抗值慢慢增加，直到击穿电压出现。在WO 2010/011838 A1中，阻抗设定值是由起点阻抗值和额外阻抗值相加构成的。额外阻抗值随着电压的增加而小幅度增长，直到火花放电出现。只要火花放电被检测到时，额外阻抗值与先前的增量相比呈现大幅度的衰减，这样可以避免进一步火花放电的出现并维持振荡电路的共振。这种方法，将变压器输入侧的电流和电压值维持在低于火花放电时的数值，即限定于电晕可达到最大尺寸的数值。 

国际申请WO 2010/011838 A1的缺点是无法避免通过电晕放电点燃混合燃气时，偶尔出现火花放电，因为检测到火花放电的出现是建立阻抗设定值的先决条件。然而，仅仅是偶尔或者零星的发生火花放电，可能导致火花缺陷时燃烧不充分，还会损耗点火电极。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种通过电晕放电点燃一个或多个燃烧室内混合燃气的方法，所述方法可以形成最佳的电晕，并大体上能消除上述方法中存在的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包含权利要求1所述的技术特征，与本发明原理相同的另一选择方案是权利要求4所述的方案。从属权利要求为对本发明技术方案的进一步优化。

本发明所述方法中混合燃气用于可循环工作的内燃机，所述内燃机包括一个或多个燃烧室，所述燃烧室由接地腔壁围成，一个可被点火器激发的振荡电路，点火器包括一变压器，所述变压器的第一绕组侧设有代表所选择的点火系统特征值的起点阻抗Z_Baseline ，振荡电路与变压器的第二绕组侧连接，振荡电路包括一由点火电极和围成燃烧室的接地腔壁构成的电容，所述点火电极以绝缘的方式从任一个腔壁延伸进并射向燃烧室。所述振荡电路的激发受制于电晕放电的产生，所述电晕放电可在点火电极处点燃燃烧室内的混合燃气。为此，内燃机点火之前，变压器第一绕组侧的电压（下文中称为初级电压）逐渐增大，流向变压器第一绕组侧的电流（下文中称为初级电流）在同一初级电压时，可被反复测量。对应于初级电流测量值的变化量被限定，当初级电流的变化量达到或者超出预定的范围时，初级电压部分增量会被截止。所述范围可通过预先的实验决定，并应该选择为尽可能使得初级电压接近却不达到击穿电压。所述击穿电压应理解为，当初级电压超过击穿电压时，电晕放电将演变为火花放电或者电弧放电。点火系统包括实现本发明方法电晕放电点火需要的部件。

为了激发振荡电路，利用一射频选择电路，特别的还包括一变压器，所述变压器的第一绕组侧包括一中间抽头，所述中间抽头将第一绕组分为两段，所述两段第一绕组在相反方向上可被交替性接通，在所述变压器第二绕组侧产生一交替电压，所述电压的频率取决于两段第一绕组交替接通直流电源的频率。所述频率可调，使得接在变压器第二绕组侧的振荡电路可在共振频率时被激发。因此，在变压器的第一绕组侧设有一射频选择开关，所述开关可交替连接方向相反的两个第一绕组与直流电源。关于这一方面的更多细节可参阅国际申请WO 2004/063560 A1和WO 2010/011838 A1。振荡电路在预定周期内间断地被激发，所述预定周期由本发明采用的控制单元制定。

内燃机内的混合燃气需在每个汽缸每个周期被点燃，点燃时间由发动机控制器指定。然而，在每个汽缸的各个周期内有可能产生不止一次电晕放电导致的点燃过程。这样的好处是燃后的燃气可以更充分燃烧，燃尽废气含有更少的有害物质。

本发明方法的实际实施中存在几种可能性。初级电流的变化率优选的由10组以上在同一初级电压时的初级电流测量值得出，考虑的初级电流值个数越多，初级电流的变化率的就更为平均和精确，初级电压就能更接近并不超出击穿电压。同一初级电压时，初级电流测量值的个数为10~150个，特别地，所述测量值的个数为50~100个。所述测量值不需要在同一发动机周期内得出，可以从多个不同的发动机周期中得出。优选的，可从多个连续的发动机周期内得出初级电流测量值的变化率。例如，每个周期测量三个初级电流值，由连续30个周期的测量值得出初级电流的变化率，将所述测量值存储在一控制单元可得出初级电流的变化率。因此，需要一移位寄存设计的存储器。此设计的突出优点是计算每个发动机周期的变化率的耗时很低。将连续的发动机周期的测量值结合起来可导出理想的结果。

为了接近击穿电压，初级电压可以等幅逐渐递增。随着初级电流的变化率接近预定值时初级电压的增幅减小，这样初级电压变化率的极值可最大的接近却不超出击穿电压。

本发明方法中的变化率可被多种方式计算或估算出。优选的，变化率相关测量值的平均值，特别是算术平均值。

很容易确定变化率的范围，即测量值最高值与最低值的范围。为了使得变化率数值具有重现性，可以由测量值平均值的平均偏差或者相对平均偏差作为变化率的测量值，平均偏差取决于个别测量值与平均测量值的差异，通过测量值的总和除以测量值的个数得到。所以平均偏差与测量值相等，电流的平均偏差等于电流测量值。

相对平均偏差可以替换平均偏差来设定变化率极限，相对平均偏差可以由平均偏差和测量值的平均值得出，相对平均偏差并不是数值，而是百分比。

本发明权利要求4所述的方法与权利要求1所述方法的区别在于流向变压器第一绕组侧的初级电流按预先增量增加，在同一初级电流时检测分布在第一绕组侧的初级电压，多个初级电压测量值的变化率与预定极值比较。在本实施例中，当初级电流导致的初级电压的变化率接地或超出预定极值时初级电流不再增加，测量值范围、由变化率均值得到的平均偏差或者由初级电压均值得到的相对平均偏差都可作为变化率的测量值。

在测量初级电压或者测量初级电流的两种技术方案中，优选测量初级电流。

无论基于变化率的范围或者平均偏差，都可以为通过在先的实验为某个引擎发动机的电晕放电点火装置设定变化率阈值，并且能应用于一系列相同设计的发动机中。

在发动机中，击穿电压U_D 取决于点火电极与活塞的距离，也即曲轴的位置或预定的角度。因为混合燃气的点火处发生在活塞的特定位置或者预定角度，所述活塞的特定位置或预定角度可由发动机控制器控改变，进一步可为不同的活塞位置或者预定角度建立不同的变化率极值，将依据“活塞位置”、“曲轴位置”或“预定角度”三个参数中一个值建立的变化率极值保存在一控制单元，例如，保存在现有技术中的发动机控制器或者本发明中单独控制点火方法的点火控制单元中，根据选择的参数来调用它们，以便将初级电压的增长限制在击穿电压U_D 一下或者将初级电流的增长限制在击穿电流I_D以下。击穿电流I_D为击穿电压时初级电流能达到的最大值。只要所述参数的值保持不变，变化率的极值也保持不变。

本发明的有益效果是：采用本发明所述的方法，初级电压接近于击穿电压并保证理想的电晕放电可以形成，本方法不需要在初级电压时不时超过击穿电压条件下来决定起点阻抗的数值。

通过逐渐增加电压，并限定初级电流的增幅和最终增量，可以确定电流-电压曲线上代表初级电流与初级电压关系的增长区间的工作点。特征参数有典型的区间性，当初级电压较低时，阻抗值为常量，这就意味着在初始阶段初级电流与初级电压成比例关系。代表初级电流与初级电压关系的曲线为一直线，直线的斜率为阻抗值Z = V/I。当电压超过特定电压U_A 后，阻抗值随之增加，电流-电压曲线斜率增加，直到初级电压值达到击穿电压U_D 后减小，初级电流的增量连续减小，但是初级电流的测量值变量则呈阶段性增加。本发明方法通过利用分段阻抗特性将初级电流精准的限制在击穿电压U_D 到达之前。

考虑到电压-电流特性曲线的发展趋势，本发明可将初级电压限定在击穿电压U_D 之下的预定区间内，即使击穿电压U_D 的精确值是未知的。阻抗值尤其是起点阻抗值的变化，在前述的专利中需要确定击穿电压U_D 的值，而本设计中阻抗值只需尽可能接近击穿电压U_D 并维持合理的区间，并不需要特别的调整。本发明只需要一个确定的阻抗阈值或者一个确定的初级电压阈值。本发明所述方法具有自适应能力，可以根据元器件衰老、制造精度、点火器设计或制造工艺的改良、点火电极的老化、温度变化及各种控制单元的应用对电压-电流特性曲线的变化进行自动平衡。

本发明方法在电晕放电中不会发生火花放电或者电弧放电，因此减小了点火电极的损耗。

本发明为了达到理想大的电晕可以尽可能的接近击穿电压，这样为点燃混合燃气和促使前端火焰的快速生成提供了理想的条件。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是汽车发动机点火系统的电路原理图；

图2是与图1所述点火系统相连的内燃机的汽缸的纵向剖面图；

图3是变压器输入侧的电压-电流特性曲线，用来说明接近击穿电压时评估初级电流测量值的变化率；

图4是变压器12输入侧的电压-电流特性曲线，由之前公开的国际申请WO 2004/063560 A1得知，所述特性曲线具有作为控制目的固定的起点阻抗阻抗设定值；

图5是变压器12输入侧的电压-电流特性曲线，由之前公开的国际申请WO 2010/011838 A1得知，所述特性曲线具有检测火花放电的固定的阻抗设定值。

附图标记：

1   燃烧室

2   燃烧室腔壁

3   燃烧室腔壁

4   燃烧室腔壁，活塞18的顶部

5   点火电极

6   绝缘介质

7   振荡电路

8   电容

9   电感

10  射频发生器

11  直流源

12  变压器

13  中间抽头

14  第一绕组

15  第一绕组

16  射频选择开关

17  第二绕组

18  活塞

19  活塞圆环

20  通道

21  凸起

22  放电云

23  外罩

24  23的第一部件

25  23的第二部件

26  接口

27  输入

28  输入

29  诊断装置

30  引擎控制单元。

具体实施方式

参照图1，燃烧室1由接地腔壁2、3、4围成，点火电极5自上射向燃烧室1内，所述点火电极5部分位置被绝缘介质6覆盖，这样点火电极5以绝缘的方式从上面的腔壁2延伸入燃烧室1内。一组振荡电路7包括点火电极5和燃烧室1的腔壁2至4，还包括一电容器8和一电感器9。本领域熟悉振荡电路的技术人员，还可以为振荡电路7添加更多的电容器和/或电感器以及其他元件。

射频发生器10用来激发振荡电路7，所述发生器包括一直流源11和变压器12，所述变压器12的第一侧带中间抽头13，两个第一绕组14和15与中间抽头13连接。通过射频选择开关16，第一绕组14和15远离中间抽头13的端子可交替接地。射频选择开关16的切换频率生成激发振荡电路7的信号频率，所述信号频率可调。变压器12的第二绕组17在A点驱动振荡电路7。通过一个图中省略的控制单元7控制射频选择开关16，以便振荡电路能在共振频率时激发。这样，点火电极5的末端与接地腔壁2至4间的电压达到最大。

参照图2，所示为与图1所述的点火装置配套的内燃机汽缸的纵向截面图。围成燃烧室1的上部腔壁2为气缸的头部，圆筒状侧边腔壁3及活塞18的顶部4在气缸内一起围成燃烧室1，所述活塞18可循环往复移动，所述活塞18还带有活塞圆环19。

在汽缸头部2上设有一通道20，用来让点火电极5以绝缘和密封的方式伸入燃烧室1。点火电极5的部分位置被绝缘介质6覆盖，所述绝缘介质6可由熔接的陶瓷材料组成，例如氧化铝陶瓷。点火电极5的末端部分伸出绝缘介质6射向燃烧室1。

围绕点火电极5的末端，活塞18的顶部还设有一些锋利的凸起21，可用来局部增强点火电极5与相对位置的活塞18之间的电场强度。在振荡电路7的激发期间，伴随着电晕放电，在点火电极5与活塞18上相应的凸起21之间的区域明显的形成一般强度的放电云22。

汽缸头部2上连接有一外罩23，所述外罩23的第一部件24内放置变压器12的第一绕组14和15及随后的射频选择开关16，所述外罩23的第二部件25内放置有变压器12的第二绕组17和振荡电路7的剩余元件，以及检测振荡电路性能的装置。所述第二部件25通过接口26连接有检测装置和/或引擎控制单元30。

参照图3，在变压器12输入侧的电压-电流特性曲线，在略低于击穿电压U_D.处确定初级电压的端点电压U_B。

为了达到端点电压U_B，初级电压逐渐增加。在电压-电流特性曲线的非线性部分，随着初级电压的继续增加，初级电流的增幅或等同变量增大。图3反映了理想形式下初级电流的增幅或等同变量的增大情形。当初级电流的增幅或者等同变量超出为特定初级电压时的设定极值时，所述设定极值为图3中点火装置电压-电流特性曲线的工作点B，所述工作点B带有双向箭头，初级电压限定在U_B 而不再增加。

通过先前的实验建立达到初级电压电压U_B时变化的设定极值，所述初级电压电压U_B刚好低于击穿电压U_D.，此时电晕达到最大尺寸。

通过先前实验确定的变化的极值取决于点火电极的末端与活塞的距离，或者曲轴的位置，或者预定的角度。基于这些要素中的一个，变化的极值存储在控制单元并可用来相应控制发动机引擎。现有技术中已将这些数值存储在引擎控制单元中，然而本发明将它们存储在分离的点火控制单元内。

与现有技术不同的是，本发明方法可避免引擎工作期间发生达到或者超出击穿电压的情形。由国际申请WO 2004/063560 A1可知，一旦测量的阻抗值超出设定的阈值，初级电压V_fix不再增加，以便防止火花放电。阻抗阈值Z_fix应保证多种点火器的电晕不会附带有火花或者电弧，这就需要满足各种因设计或制造工艺相关的改变导致的不同的电压-电流特性曲线的要求，阻抗阈值Z_fix必须相应设置低点。因此，表示阻抗阈值Z_fix 的直线与电压-电流特性曲线的交点D远低于击穿电压U_D,参见图4，电晕在通常情况下不能达到最大尺寸。

国际申请WO 2010/011838 A1公开的一种方法，首先在特性曲线的线性部分确定起点阻抗值，然后，逐渐则将阻抗值直到检测到火花放电。通过检测到被测阻抗值超出阈值Z_Arc 确定火花放电，参见图5。检测到火花放电后，阻抗值将以更大的幅度减小，以便使接下来的工作周期内避免点晕生成时产生火花放电。本发明，为了避免后续的电晕放电点火时的火花放电，并不需要先生成火花放电。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (14)

1.一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，所述循环工作的内燃机包括一个或多个燃烧室（1），所述燃烧室（1）由接地腔壁（2、3、4）构成，其中包括一用来激发振荡电路（7）的变压器（12），所述振荡电路（7）与变压器（12）的第二绕组（17）连接，所述振荡电路（7）包括一由点火电极（5）与燃烧室（1）的腔壁（2、3、4）构成的电容，所述点火电极（5）以绝缘的方式从腔壁（2、3、4）任一侧伸入燃烧室（1）内，所述振荡电路（7）的激发受制于点燃燃烧室（1）内混合燃气的点火电极（5）的电晕放电，其特征在于：每次内燃机点火之前，变压器（12）的第一绕组（14、15）的初级电压（U），逐渐增加，由初级电压产生的流向第一绕组（14、15）的初级电流（I），在同一初级电压时可被反复测量，初级电流的变化率被限定，当初级电流的变化率达到或超出预定范围时，逐渐增加的初级电压的部分电压被截止。

2.根据权利要求1所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：所述初级电流的变化率由同一初级电压值时至少10个初级电流测量值得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：所述初级电流的变化率由同一初级电压值时10~150个初级电流测量值得到，更进一步，所述初级电流测量值的个数为50~100个。

4.一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，所述循环工作的内燃机包括一个或多个燃烧室（1），所述燃烧室（1）由接地腔壁（2、3、4）构成，其中包括一用来激发振荡电路（7）的变压器（12），所述振荡电路（7）与变压器（12）的第二绕组（17）相连，所述振荡电路（7）包括一由点火电极（5）与燃烧室（1）的腔壁（2、3、4）构成的电容，所述点火电极（5）以绝缘的方式从腔壁（2、3、4）任一侧伸入燃烧室（1）内，所述振荡电路（7）的激发受制于点燃燃烧室（1）内混合燃气的点火电极（5）的电晕放电，其特征在于：每次内燃机点火之前，流向变压器（12）的第一绕组（14、15）的初级电流（I），逐渐增加，此过程中第一绕组（14、15）的形成的初级电压（U），在同一初级电流值时可被反复测量，初级电压的变化率被限定，当初级电压的变化率达到或超出预定范围时，逐渐增加的初级电流的部分电流被截止。

5.根据权利要求4所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：所述初级电压的变化率由同一初级电流值时至少10个初级电压测量值得到。

6.根据权利要求4所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：所述初级电压的变化率由同一初级电流值时10~150个初级电压测量值得到，更进一步，所述初级电压测量值的个数为50~100个。

7.根据前述任一权利要求所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：当变化率日益接近预定范围时，初级电压或者初级电流的的增长增量减小。

8.根据前述任一权利要求所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：所述变化率基于测量值的平均值。

9.根据前述任一权利要求所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：所述变化率的幅度是取决于对变化率的测量，即测量值的最高值与最低值之差。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：测量值与平均值的平均偏差或者相对平均偏差作为变化率的一个测量值。

11.根据前述任一权利要求所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：变化率的范围通过预先在所述应用于权利要求1或4的点火装置实验得到，所述范围可应用于同类的点火装置。

12.根据权利要求11所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：所述实验应用在一发动机引擎上，并且实验得到的极值数据可应用于同样设计的发动机引擎。

13.根据权利要求11或12所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：所述变化率的极值取决于点火电极（5）的末端与活塞（18）的距离，或者曲轴的位置，或者预定的角度，变化的极值存储在控制单元并可用来相应控制同类的发动机引擎，所述极值取决于三个参数中的一个。

14.根据前述任一权利要求所述的一种基于电晕放电的内燃机的燃烧室混合燃气的点火方法，其特征在于：通过内燃机几个连续周期的测量数值来决定变化率。

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