CN102362066B - 用于点燃内燃机所用的可燃混合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用伸入发动机(3)的燃烧室中的火花塞(3)在该内燃机的燃烧室(2)中点燃氧化剂和燃料(1)的混合物的方法，所述方法包括用频率大于1MHz的第一交流电信号(4)向火花塞供能的第一步骤。该方法还包括用频率大于1MHz的第二交流电信号(5)向火花塞供能的第二步骤，所述第二步骤发生在第一步骤和其后的延时(6)之后。

Description

用于点燃内燃机所用的可燃混合物的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种用于内燃机的点火方法。

背景技术

在用于内燃机的点火方法的领域，已知的方法是使用传统的火花塞，其示例可以从专利文献MS 6,085,733或MS 2002/0144672中找到。这种传统的火花塞使得有可能产生在火花塞电极之间延伸的线性火花。

为了解决仅仅能产生线性火花的传统火花塞所产生的点火缺陷问题，已经提出适于从电极末端产生分枝火花的射频火花塞。不像传统的仅仅可产生线性火花的火花塞，这种射频火花塞适于—尤其是通过它们的电极形状和布置—在为电极提供大于1MHz频率的AC电信号时产生分枝火花。

借助于射频火花塞产生的分枝火花与传统火花塞的线性火花相比有更高的点燃氧化剂和燃料混合物的几率，因为分枝火花延伸的区域比传统火花塞所产生的线性火花所延伸的区域具有更大的体积。

发明内容

因此，本发明尤其涉及一种借助于从电极末端(尖端)产生分枝(分叉，分支)火花的射频火花塞点燃内燃机的燃烧室内的氧化剂(助燃剂)和燃料混合物的方法，所述火花塞布置成出现在(通入，暴露于)该发动机的燃烧室内，该方法包括借助于具有高于1MHz的频率的第一AC电信号向所述火花塞提供能量的第一步骤。

文件FR 2913297提出一种借助于射频火花塞点火的方法，其中，在点火期间通过控制信号控制共振器，该控制信号的形式为多个脉冲系列，每个系列均具有非常短的持续时间，例如5-10μs。该控制在于实现多个点火。

为理解下面描述的发明，术语“向火花塞提供能量”在于借助于具有大于1MHz的频率的AC电信号向设有末端的火花塞的电极供能；在这种情况下，它包括通过AC信号向弄尖的电极供应能量，该AC信号在后文称为第一AC信号和第二AC电信号。

借助于具有大于1MHz的频率的AC电信号向至少一个火花塞提供能量而进行的点火模式称为射频点火方法。

本发明的一个目的是提高所点燃混合物的体积并且还减少混合物的点火失效，而无论火花塞的电能供应如何。

为此目的，本发明的点火方法除了遵照上文给出的一般定义外，其本质特征在于，该方法包括借助于具有大于1MHz的频率的第二AC电信号向所述火花塞提供能量的第二步骤，该第二步骤在第一步骤之后并且相对于该第一步骤延迟一个时间间隔。

当用具有大于1MHz的频率的电信号向火花塞供给能量时，由该火花塞产生的火花具有在混合物中分枝且通常包括数个支流的形状。该火花包括数个部分，各部分的直径随着它从火花的源头(即，火花被触发的位置)向火花的末端(火花停止延伸的位置)的移动而减小。值得注意的是，火花的温度沿着该火花变化并且随着火花部分的直径减小。

混合物中的火焰起始于混合物的最热的位置，也就是说具有最大直径的火花部分内。还已经发现，当两个火花连续地且先于混合物的点燃而被触发时，第二个火花基本上发生在与第一个火花相同的位置并且同时具有较少的分枝。因此，混合物在由第一步骤产生的火花的附近被预热，然后依靠第二步骤产生较少分枝的火花，升温持续达到依靠第一步骤获得的温度之上，直至燃烧开始为止。第二步骤所引起的燃烧开始的情况下混合物的体积因此比单独通过第一步骤点燃的混合物的体积大。

因此，燃烧室中所存在的混合物的点燃由至少两个不同的信号发起，这至少两个信号的频率均大于1MHz并且各产生至少两个射频火花。

得益于本发明，被点燃的混合物的体积大于仅靠一个电信号发起点燃时的体积。因此本发明使之有可能减少不点火的次数和未燃燃料的体积，同时增加火焰在室内的传播速度。

还可设想，第一步骤和第二步骤之间的所述间隔延迟比第一步骤的持续时间的10倍小，优选地比该第一步骤的持续时间的5倍小。

这些特征限制了向火花塞提供能量的两个信号之间的延迟，以使已经被第一火花预热的混合物冷却的风险最小化，这是提高所点燃的混合物的体积大小的条件。

还可设想，第一和第二步骤之间的间隔延迟大于第一步骤的持续时间。

已经注意到，两个步骤/火花之间的这种最小延迟条件使减少第二火花相对于第一火花的分枝数成为可能，从而允许分枝的延长和第二火花相对于第一火花的分枝平均直径的增加。该平均直径是在给定的火花分支的长度上计算的。

还可设想，第一和第二步骤之间的间隔延迟为第一步骤的持续时间的1到5倍。

在第一和第二步骤的这种间隔延迟的情况下，已经注意到获得了所点燃的混合物的最大体积，并且这对于各种或多或少富燃程度的氧化剂/燃料混合物而言都是真实的。

还可设想，所述第一和第二信号分别具有优选地大于1MHz的频率。

由于这种频率水平，更容易在向火花塞供给能量的整个持续时间上保持火花，因此允许通过第一能量供给步骤使混合物的加热最优，然后通过向火花塞供给能量的第二步骤点燃相当大体积的混合物。然后，火焰锋面从向火花塞供给能量的第二步骤产生的火花丝在燃烧室的壁的方向上向火花塞传播，其中，火花塞出现在所述燃烧室中。

还可设想，所述第一和第二电信号各自具有特定参数，所述参数为信号的电压幅值U、AC电信号的频率F、信号的总持续时间D，并且根据确定燃烧的参数，所述第一和第二信号中至少一个的至少一个参数在一处于所述第一和第二步骤之前的步骤中被确定，所述确定燃烧的参数是测量和/或估算的并且包括至少一个燃烧室中的压力P、一个表示所述室内温度的温度T、燃料和氧化剂混合物的丰度和混合物中的已燃烧气体的比例。

根据内燃机的运行特征(压力、温度、燃料丰度)确定所述第一和第二信号中至少一个的至少一个参数使得有可能根据燃烧室有关的条件适应第一和/或第二步骤中产生的火花的特性，这使最优化点火条件成为可能。

还可设想，第一步骤的持续时间在150到250μs之间，第二步骤的持续时间在150到250μs之间，并且第一和第二步骤之间的所述间隔延迟在250到750μs之间。

用于以持续时间在150到250μs之间并且间隔延迟在250到750μs之间的第一和第二能量供给步骤向火花塞供给能量的、具有大于1MHz的频率的信号的组合使得在第二能量供给步骤期间产生的分枝火花的平均长度有可能以惊人的方式增加，由此显著地减少点火失效的次数。

为理解本发明，第一信号的发射贯穿整个第一步骤并且仅仅在该第一步骤期间。类似地，第二信号的发射贯穿整个第二步骤并且仅仅在该第二步骤期间。

由于第一和第二步骤的持续时间以及第一和第二步骤之间的间隔延迟的持续时间，已经发现在燃烧室中用于形成火焰前锋核心的时间是大约2000μs，这是非常迅速的并同时增加成功点火的概率。

本发明也涉及一种用于点燃内燃机所用的氧化剂和燃料的混合物的系统，该系统包括电流发生器和连接到所述发生器上的至少一个火花塞，所述发生器适于产生具有大于1MHz的频率的第一AC电信号和具有大于1MHz的频率的第二AC电信号。本发明的系统的特征在于：所述发生器适于使所述第一和第二AC电信号以一定的间隔延迟在时间上隔开，以及适于应用根据本发明的方法。

由电流发生器产生的第一和第二信号满足：它们允许经由被供能的火花塞进行的火花的产生以预定的间隔时间延迟彼此间隔开。因此，本发明的系统具有与相对于本发明的方法描述的相同的优点。

本发明还涉及一种内燃机，它包括燃烧室和上述点火系统。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从下面的描述中更清楚，所述描述参照附图作为示例而非用于限定地给出，在附图中：

-图1示出根据本发明并允许应用根据本发明的方法的系统的火花塞的末端的视图，其中区域“a”和“b”分别是不用本发明的方法进行点火的区域(区域“a”)和利用本发明的方法进行点火的区域(区域“b”)，区域“b”大于区域“a”；

-图2示出向火花塞供给能量的时间图，其中x轴表示时间，y轴表示向火花塞供给能量的信号强度，用于向火花塞供给能量的所述第一和第二电信号以及这些信号间的间隔延迟描绘在图2中，由此示出了应用本发明的方法所必需的信号相位；

-图3示出图2中所描述的其中一个信号的详情，该信号可以是第一或第二信号，因为这些信号在该特别实施例中是相同的；

-图4a示出在火花塞接收到具有大于1MHz的高频率的第一能量供给信号时发射的火花，在本例中该第一信号是5MHz；

-图4b示出在火花塞接收到具有大于1MHz的高频率的第二能量供给信号时发射的火花，在本例中该第二信号是5MHz；图4b中的火花比图4a的火花有较少的分枝并且具有比图4a中的更广和更宽的火花支流；

-图5a示出由单个射频RF火花引起的火焰区域，如现有技术中的情形(4a)；

-图5b示出利用根据本发明的方法引起的火焰区域，它产生两个在时间上彼此间隔的连续射频RF火花(图4b)；应当注意，图5b中的火焰区域比图5a中的火焰区域广阔得多。

具体实施方式

如上所述，本发明涉及一种借助于火花塞点燃燃烧室中的氧化剂和燃料的混合物的方法、允许应用根据本发明的方法的点火系统10以及包括这种系统的发动机。

图1示出连接到发生器G上的火花塞3，该发生器适于以至少150μs的持续时间输送具有大于或等于1MHz的频率的第一和第二AC电信号4、5，这些信号通过200μs到600μs之间的延迟6彼此间隔开。所述信号的相位表示在曲线2中，该曲线示出在第一步骤4期间发射的、用于向火花塞3供给能量的第一信号4，其后是没有信号的延迟6，紧接着是在第二步骤5期间发射的第二信号5。

从图1中可以看出：

-曲线A示出当火花塞3仅由第一信号4供能时的火花温度；以及

-曲线B示出当火花塞3在第一信号4之后并经过给定的间隔延迟信号6而由第二信号5供能时的火花温度。当根据内燃机的运行特性研发系统时，必须调节信号的间隔延迟，以便使所产生的火花特性适于燃烧室内的相关条件，这使之可能优化点火条件。

第一和第二信号之间的间隔持续时间6选定为比第一信号的持续时间(也就是第一步骤4的持续时间)的至少一倍大，在该例子中，所述间隔持续时间6是1500μs或比第一信号4的持续时间(即150μs)长3.3倍。

图1中的水平虚线表示点火所必需的最小温度阈值。因此，为了点燃混合物，必须使该混合物被火花加热到该点火温度阈值以上的温度。

这样，在火花塞由第一信号供能的情况下，可能的点火区域具有最大长度“a”，该长度“a”远短于长度“b”，该长度“b”限定当火花塞由第一信号之后的第二信号供能时的可能点火区域。

因此，第二信号期间的点火区域比第一信号期间的点火区域大得多，这使之有可能增加火焰在燃烧室内的传播速度和减少未燃元素及不点火。

潜在点火区域的增加源自下列事实：

-第二步骤5的火花9(如图4b中可见，它在第一步骤期间产生的图4a的火花之后500μs被触发)比第一步骤4的火花7更长而分枝更少；和

-第二步骤5的火花9(图4b)具有比第一步骤4的火花7(图4a)的平均支流直径更大的平均支流直径；和

-第二步骤5中的火花区域中的温度T比第一步骤4的火花区域中的温度T高。

从而，如图5a和图5b所证实的，当利用根据本发明的方法时，由于被给定的最小延迟(图5b)彼此间隔开的两个连续的高频火花塞能量供给信号，燃烧室2中的混合物点燃区域8(“8”表示被点燃的混合物的体积)比源自单个信号的点燃区域(图5a)更广阔。

最后，如图3所示，给定信号(在第一或第二步骤4、5期间发射的第一或第二信号)具有火花塞末端AC电压U(具有频率F)，该电压的幅值随着它远离火花塞能量供给步骤的开始而增加，直到它达到最大电压为止。电压U的幅值增量的第一部分X与火花丝的形成的部分相对应。然后，在达到最大值之后，电压U减小直至稳定在给定的阈值。该信号的第二部分Y对应于火花丝的升温周期。所述信号的发射持续时间D，该持续时间对应于火花塞能量供给步骤3的持续时间。

要改进根据本发明的方法，第一和/或第二信号中每一个的这些信号参数U、F和D可以根据发动机的运行参数预先确定，所述发动机的运行参数为燃烧室2中的压力P和/或温度T以及/或者所点燃的混合物8的丰度。

Claims (5)

1.一种借助于从电极末端产生分枝火花的射频火花塞(3)在内燃机的燃烧室(2)内点燃氧化剂和燃料(1)的混合物的方法，该火花塞布置成出现在所述内燃机的燃烧室(2)中，该方法包括借助于具有大于1MHz的频率的第一AC电信号(4)向所述火花塞供给能量的第一步骤，该方法包括借助于具有大于1MHz的频率的第二AC电信号(5)向所述火花塞供给能量的第二步骤，该第二步骤在该第一步骤之后，并且以一定的间隔延迟(6)在时间上与该第一步骤间隔开，其特征在于，第一和第二步骤之间的所述间隔延迟(6)大于所述第一步骤的持续时间，并且第一和第二步骤之间的所述间隔延迟(6)是第一步骤的持续时间的1到5倍，并且第一步骤的持续时间在150μs到250μs之间，第二步骤的持续时间在150μs到250μs之间，从而提高所点燃混合物的体积并且减少点火失效。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二信号(4，5)具有各自的频率，所述频率大于1MHz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二电信号(4，5)中的每个都具有特定的参数，该特定的参数是信号的电压幅值(U)、AC电信号的频率(F)、信号的总持续时间(D)；以及，所述第一和第二信号(4，5)中的至少一个的参数的至少一个根据确定燃烧的参数在一处于所述第一和第二步骤之前的步骤期间被确定，所述确定燃烧的参数是测量和/或估算的并且包括至少一个燃烧室中的压力(P)、一个表示该室(2)内温度的温度(T)、燃料和氧化剂的混合物的丰度以及存在于混合物中的已燃烧气体的比例。

4.一种用于点燃内燃机所用的氧化剂和燃料的混合物的系统(10)，包括电流发生器(G)和至少一个连接到所述发生器(G)上的火花塞(3)，所述发生器(G)适于产生具有大于1MHz的频率的第一AC电信号(4)和具有大于1MHz的频率的第二AC电信号(5)，其特征在于，所述发生器(G)适于使所述第一和第二AC电信号(4，5)以一定的间隔延迟在时间上间隔开，并且适于应用根据权利要求1-3中任一项所述的方法。

5.一种内燃机，包括燃烧室和根据权利要求4所述的系统(10)。