CN102562413A - 基于电晕放电的燃料点火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用一点火电极（5）在往复式内燃机的燃烧室（1）内点燃燃料-空气混合气的方法，所述点火电极（5）与燃烧室（1）的一具有地电压的腔壁（2）构成一电容器，其中一振荡电路（7）,其连接到一直流电／交流电转换器的次级侧和点火电极（5）,所述振荡电路通过一初级电压施加到所述直流电／交流电转换器的初级侧的方式而得到激励,其中振荡电路（7）的激励被控制，以使在燃烧室内的点火电极（5）处发生一电晕放电（22）并由此点燃燃料-空气混合气。根据本发明,初级电压被控制在一指定的设定值，该设定值在电晕放电持续期间变化，其变化取决于曲轴角和燃料-空气混合气的至少一个特征值。

Description

基于电晕放电的燃料点火方法

技术领域

本发明针对一种具有权利要求所述的技术特征的方法，这样的方法在国际申请WO2010/011838A1中已被公开。

背景技术

国际申请WO2010/011838A1公开了一种通过在燃烧室内电晕放电对内燃机燃烧室内的燃料-空气混合气（fuel/air mixture）点火的方法。为此目的，一点火电极加上电气绝缘结构后，从燃烧室的其中一具有接地电压（at ground potential）的腔壁伸入燃烧室内，并优选与燃烧室内一往复式活塞相对。点火电极与作为反电极的燃烧室的接地电压腔壁一起构成一个电容。燃烧室及室内的内容物充当电介质。根据活塞所处在的工作冲程燃烧室内包含有空气、燃料-空气混合气或者燃尽废气。

该电容作为振荡电路的一个组件，可被由直流电／交流电转换器（例如带中间抽头的变压器）产生的高频电压激发。此变压器与一开关装置（switching device）相互作用，此开关装置交替提供一可特定的直流电压于所述变压器的两个初级绕组上，所述两个初级绕组由中间抽头隔开。此变压器的次级绕组给一串联振荡电路供电，该串联震荡电路包括所述由点火电极和燃烧室的腔壁构成的电容。由变压器提供的并激发振荡电路的交流电压频率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之间出现电压的递增。例如，共振频率一般为30KHz~5MHz，在点火电极端，交流电压可达到10KV~500KV。

由此，电晕放电可以在燃烧室内发生。电晕放电不应当击穿而变成电弧放电或者火花放电，因此需要实行一些手段以保证点火电极和接地之间的电压保持低于完全击穿所需的电压值。为解决这一问题，国际申请WO 2010/011838A1披露了一种方法，该方法在变压器的输入端测量电压和电流强度，并且用所测得的电压除以所测得的电流强度计算得到阻抗值。如此算出的阻抗值与一固有设定的阻抗值比较，以便于保持电晕放电而不产生完全的电压击穿。

这种方法的缺点是电晕的形成并不理想，特别是不能一直获得理想大小的电晕。具体地说，越增加所产生的电晕的大小，振荡电路运行至越接近击穿电压。为了确保达不到击穿电压，所述设定阻抗值的上限必须设置的足够小，以始终避免电压击穿和由此导致的电弧放电。

发明内容

本发明要解决的问题是怎样生成更大的电晕放电以点火燃料混合物并最大限度的防止电压过载。

依照本发明,所述问题得到了解决，即以闭环控制把初级电压控制在一设定值，该设定值在电晕放电的燃烧持续时间内变化，其变化取决于曲轴（crankshaft）角和燃料-空气混合气的特征值。

按照本发明的方法，初级电压在一个电晕放电期间内得到调整，以在一个电弧放电所形成的击穿电压内变化。击穿电压取决于燃烧室的条件。曲轴角决定了点火电极和活塞之间的距离，此外，燃料-空气混合气本身也是影响击穿电压大小的重要因素。在电晕放电期间初级电压的设定值取决于曲轴角和燃料-空气混合气特征值而变化,例如燃料-空气混合气的密度,由此初级电压可以跟随设定值在击穿电压范围内变化。因此在电晕放电的整个期间让初级电压与击穿电压保持一理想距离是可能的。依照本发明，初级电压可以向击穿电压推移得更近而不会增加电压击穿的风险。

通过本发明的方法,能有利地获得十分恒定的在给定工作点的电晕大小。发动机制造商一般通过一制定的映射关系图表（program maps），指定点火最理想地应该于何时发生。点火时刻偏离于理想时间点或每次电晕放电的电压不相同，一般会导致效率降低。依照本发明，可以生成理想的让发动机在具体某一工作状态的电晕放电。从而可以改善发动机的低噪声运转和减少燃料消耗。

设定值优选地由一个制定的映射关系图表来指定。设定值的多个值可以输入到制定的映射关系图表中，以分别对应多种曲轴角值和燃料-空气混合气的特征值,例如其密度或温度。只要除曲轴角之外还把燃料-空气混合气的至少一个特征值计入考虑，则制定的映射关系图表可表示为一个矩阵图。制定的映射关系图表还可以有更高的维度，然而,必须计入有燃料-空气混合气的复数的特征值。尤其是,制定的映射关系图表还可以计入发动机工作状态，例如，其指示的设定值是作为发动机数据如发动机转速和发动机温度的一个函数。因此可以方便地在发动机工作点发生变化时，按变化了的条件迅速地调整初级电压。

指定初级电压设定值的一个制定的映射关系图表可以方便地储存于一个控制装置内。该控制装置可以是一个发动机控制单元,例如,或一个单独的与发动机控制单元通信的控制装置。制定的映射关系图表可以由制造商储存在控制装置的记忆体内如果在工作过程中发生电压过载,可以减小设定值，以使制定的映射关系图表容易地得到调整。

考虑到击穿电压是曲轴角和燃料-空气混合气特征值的一个函数，要建立一个制定的映射关系图表,求解出该击穿电压是很重要的。这可以在发动机工作期间实现，通过递增地增加初级电压直到发生电压过载，或递减地降低初级电压直到不再产生电压过载。当电压过载发生时，初级电压的极限值就是击穿电压。这是比较方便的，尤其是对制定的映射关系图表本身只需求解一次，因而可以在试验台上以自动化的方式进行。由此可基本上防止随后的发动机工作中的干扰电弧。

电压过载相当于一种电流的突然增加，因此可以容易地通过测量电流电压或阻抗来识别。优选地，还可以触发制定的映射关系图表的更新,例如在发动机运转到一限定的工作小时数后，或者超过了一指定次数的电晕放电后,或者通过一相关的控制指令,例如从发动机控制单元发出。在本文中，“制定的映射关系图表的更新”意思是，制定的映射关系图表所指定的设定值是曲轴角和至少一个燃料-空气混合气的特征值的函数，重新求解该函数并储存求解出的设定值。

在建立制定的映射关系图表的时候，还可以把发动机的几何参数，如冲程，缸径和/或活塞连杆长度考虑进去，加到有关的数学公式内。尤其是，还可以使用一个特征曲线，对活塞位置的影响和燃料-空气混合气的相关性进行计算求解。

用于控制初级电压的燃料-空气混合气特征值,可以从发动机工作参数直接地测量或运算求解。例如，可以根据加入的气压、减压阀位置、空气质量、燃料质量、进气温度和/或压缩比，至少大约地计算出燃料-空气混合气的密度。

附图说明

下面通过一个实施例，参照附图，对本发明的细节和益处进行更详尽的解释。

图1是用于车辆发动机的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是一示意图，显示汽缸压力和击穿电压对曲轴角的函数曲线。

具体实施方式

参照图1，燃烧室1由接地的腔壁2、3、4围成。点火电极5沿长度方向部分被一绝缘体6包裹，以电气绝缘的方式沿着顶部腔壁2插入到燃烧室1内。

串联振荡电路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。当然,串联振荡电路7还可以添加更多的本领域技术人员所熟知的用于串联振荡电路的电感器和/或电容器以及其他元件。

如图所示，一直流电／交流电转换器用于激励振荡电路7，直流电／交流电转换器由一高频发生器10构成，其包括一直流电压源11和变压器12，变压器12的初级侧带一中间抽头13，由此使初级绕组14和15能够在中间抽头13处连接。为了产生电晕放电,一初级电压施加到直流电／交流电转换器上，即施加到中间抽头13处。该初级电压可由直流电压源11产生，并可利用如脉宽调制的方法调整到所需的数值。

通过一高频切换开关16，初级绕组14和15的远离中间抽头13的那一端可交替接地。高频切换开关16的切换频率决定了用于激励串联振荡电路7的频率，所述切换频率可调。在A点，变压器12的次级绕组17为串联振荡电路7供电。高频切换开关16由一图中省略的闭环控制电路控制，当其达到该振荡电路的共振频率时，该振荡电路被激励，同时，点火电极5的末端与接地的腔壁2至4间的电压达到最大值。

参照图2，所示为装备有图1描述的点火装置的内燃机汽缸的纵向剖面图。形为气缸盖的上部腔壁2，圆筒状的周向腔壁3及活塞18的顶部4一起围成了燃烧室1，活塞18可在气缸内往复移动，活塞18还带有活塞环19。

在气缸盖2上设有一通道20，其让点火电极5以电气绝缘和密封的方式穿过进入到燃烧室内。点火电极5沿其长度方向上至少部分被一绝缘体6包裹，绝缘体可由烧结的陶瓷制成，例如一种氧化铝陶瓷。点火电极5的末端部分稍微地从绝缘体6伸出，进入到燃烧室1内，然而，末端部分可以与绝缘体6齐平或甚至被一绝缘材料薄层覆盖。

围绕点火电极5的末端，活塞18的顶部还可设有一些锋利突出部分21，可用来局部增强点火电极5与处于其相对位置的活塞18之间的电场强度。在振荡电路7得到激励时，在点火电极5与活塞18上可选的突出部分21之间的区域形成电晕放电，并伴随有一或多或少地密集的积电载流子云22。

汽缸盖2外部连接有一外罩23。外罩23的第一隔室24内放置有变压器12的初级绕组14和15及与其配合的高频切换开关16。外罩23的第二隔室25内放置有变压器12的次级绕组17和串联振荡电路7的剩余元件，以及可选地，还放置有检测振荡电路性能的装置。一接口26可用作建立连接例如，连接到一诊断单元29和/或一发动机控制单元30。

参照图3，所示为一示意图，显示汽缸压力p（实线)和击穿电压对曲轴角的函数曲线，并列举4个击穿电压的值图中，左侧y轴指示的是任意单位的汽缸压力，右侧y轴指示的是任意单位的电压。

在上死点之前，即曲轴角为0时，击穿电压已于此前的曲轴角α1和α2的区间开始增加，并明显地在上死点前达到一最大值。击穿电压从此最大值开始减少。加在直流电／交流电转换器初级侧的，用于产生电晕放电而无发生电压击穿的可允许的最大初级电压，其本质上与击穿电压的函数曲线是一样的。

击穿电压，即用于生成电晕放电的可允许的最大初级电压，不仅取决于曲轴角,还取决于燃料-空气混合气本身,尤其是其密度。击穿电压-曲轴角的函数曲线可以对一个或多个燃料-空气混合气的特征值进行求解，并可储存到制定的映射关系图表中。还可以代替击穿电压，把具体的可允许的最大初级电压输入到这样的制定的映射关系图表中，这样电晕放电的点火过程便不会发生电压过载并因此可以方便地控制初级电压。为了尽可能的防止电压过载,设置一个低于可允许的最大初级电压的设定值，例如以一指定的绝对值或相对值。例如，该绝对值可以用mV指示，又例如，该相对值可以用%指示。

通过这样的一个制定的映射关系图表，可以在电晕放电持续期间把初级电压控制在一设定值，该设定值取决于该曲轴角和燃料-空气混合气的至少一个特征值，如其密度。该设定值可以被选作为初级电压的最大值，或被选作为与击穿电压有一指定距离的电压值。

点火时刻与曲轴角有关,取决于这一点，在电晕放电持续期间，通过前述方法增加初级电压，例如在曲轴角α1和α2之间,或更小，例如小于曲轴角α2。在此方式下，可以防止电压过载和电弧放电的引发，且可以产生最大的电晕放电。

用于求解出该设定值的特征值，可以根据加入的气压、减压阀位置、空气质量、燃料质量、进气温度、压缩比，或另外的发动机工作参数计算出来。优选地指定该设定值也是发动机工作参数的函数，优选地指定为速度和/或发动机温度的函数。

在有更高维度的制定的映射关系图表的情况下,可以根据比在求解引发电晕放电的设定值时用到的更少的变量，方便的求解出在电晕放电燃烧持续期间设定值的变化。例如，引发电晕放电的设定值可以作为复数变量的函数，输入到一制定的映射关系图表，且电晕放电燃烧持续期间设定值的变化可以根据数量更少的变量计算出来。在最简单的情况下，电晕放电燃烧持续期间设定值的变化仅根据曲轴角计算出来。

Claims (11)

1.一种使用点火电极（5）在往复式内燃机的燃烧室（1）内点燃燃料-空气混合气的方法，所述点火电极（5）与燃烧室（1）的一具有地电压的腔壁（2）构成一个电容器，其中一振荡电路（7）,其连接到一直流电／交流电转换器的次级侧和点火电极（5）,所述振荡电路通过一初级电压施加到所述直流电／交流电转换器的初级侧的方式而得到激励，

其中振荡电路（7）的激励被控制，以使在燃烧室内的点火电极（5）处发生一电晕放电（22）并由此点燃燃料-空气混合气，其特征在于，所述初级电压被控制在一指定的设定值，该设定值在电晕放电持续期间变化，其变化取决于曲轴角和燃料-空气混合气的至少一个特征值。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述燃料-空气混合气的特征值为其密度。

3.根据前述权利要求任一项所述的方法,其特征在于，所述特征值基于以下至少其中一项进行计算：加入的气压、减压阀位置、空气质量、燃料质量、进气温度、压缩比。

4.根据前述权利要求任一项所述的方法,其特征在于，所述设定值为一个或多个发动机工作参数的函数。

5.根据前述权利要求任一项所述的方法,其特征在于，所述设定值为发动机转速的函数。

6.根据前述权利要求任一项所述的方法,其特征在于，所述设定值为发动机温度的函数。

7.根据前述权利要求任一项所述的方法,其特征在于，所述设定值由一制定的映射关系图表指定。

8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于，如果发生电压过载，则减小设定值，以使制定的映射关系图表得到调整。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述制定的映射关系图表在一指定次数的电晕放电后更新。

10.根据前述权利要求任一项所述的方法,其特征在于，如果击穿电压在电晕放电的燃烧持续时间内增加，则在电晕放电的燃烧持续时间内增加所述设定值。

11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，如果击穿电压在电晕放电的燃烧持续时间内减少，则在电晕放电的燃烧持续时间内减少所述设定值。

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