CN103201503B - 阻挡放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的之一是提供一种阻挡放电装置，其能够提高发动机的燃烧效率，同时克服麻烦的电极更换和装置商品化的问题。发动机的阻挡放电装置具有电介质体以及至少两个阻挡放电电极，该阻挡放电电极被保持在电介质体内并且被施加有用于阻挡放电的电压。该阻挡放电电极中的每一个不被暴露到缸膛的内部，并且被设置以便围绕缸膛。

Description

阻挡放电装置

技术领域

本发明涉及一种用于在发动机中使用的阻挡放电装置，该阻挡放电装置包括电介质体和阻挡放电电极。

背景技术

传统上，在例如火花点火发动机的情形下，已知如下结构，在该结构中将多点点火电极（以下称为“周围电极”）嵌入在被设置在缸盖和缸体之间的缸垫中，以便获得比仅使用单个点火间隙更大的火焰（例如，参见专利文献1）。

在这种结构中，火焰从被布置在燃烧室的天顶中央的中央点火塞和多个周围电极在燃烧室中同心地且三维地蔓延。因此，缩短了火焰蔓延至燃烧室的整个空间所需的时间，导致更少的时间损失并接近理论循环，以使得能够提高热效率。由此，能够实现空气燃料混合物的快速燃烧。

然而，因为周围电极具有该周围电极朝向燃烧室突出的结构，难以确保持久可靠性。即，因为点火塞的电极通常被消耗，必须每特定时间段更换该电极。在多点周围电极的情形下，多个周围电极被通过导电部件彼此串联地电连接。因此，即使当仅该周围电极中的一个被消耗时，也存在必须对于每个缸垫更换全部周围电极的缺点。

此外，虽然专利文献1中公开的周围电极被陶瓷保持并被烧制，但难以执行陶瓷的烧结。即，在暴露金属周围电极的状态下，难以在不发生中空的情况下烧结和制作陶瓷，而使得不能容易地实现其商品化和量产。

此外，也存在因为电极被嵌入在缸垫而难以实现商品化的问题。

先前技术文献

专利文献

专利文献1:JP-A-2007-270824

发明概要

发明要解决的技术问题

因此，鉴于以上问题做出本发明，并且本发明的一个目的是提供一种阻挡放电装置，其能够提高发动机的燃烧效率，同时克服麻烦的电极更换和装置商品化的问题。

解决该技术问题的技术方案

本发明采用以下构造来解决上述问题。即，本发明的发动机的阻挡放电装置包括：电介质体；以及至少两个阻挡放电电极，其被保持在该电介质体内部并且被施加用于阻挡放电的电压；其中，各个阻挡放电电极不被暴露到缸膛的内部并且被布置以便围绕该缸膛。

本文中，缸膛（cylinderbore）是包括缸垫的缸孔。特别地，缸膛是与当位置执行从上死点到下死点的往复操作时活塞的位置无关的，被暴露到缸内部而不被活塞遮挡的部分。缸膛概念地包括燃烧室。

根据该构造，通过阻挡放电产生诸如臭氧的活性物质，并且因此能够加速燃烧。特别地，因为电介质体和阻挡放电电极被布置以便围绕缸膛，能够产生沿缸膛表面的表面点火，并且因此通过该表面点火加速燃烧。此外，由于电极未被暴露到缸膛的内部，与传统电极相比，各个阻挡电极具有提高的耐久性。

作为易于量产且高可能性的实施例，提供了将阻挡放电电极嵌入在缸垫内的情形。

此外，为了即使在阻碍产生等离子体的高压下也维持等离子体的产生，优选的是，阻挡放电电极包括三个或更多个电极，并且能够根据缸的内压变更被施加电压的阻挡放电电极。

发明的有益效果

根据本发明，提供了能够提高发动机的燃烧效率，同时克服麻烦的电极更换和装置商品化的问题的阻挡放电装置。

附图的简单说明

图1是图示了对其应用了本发明的示例性实施例的发动机的主要部分的截面视图。

图2是描绘地图示了示例性实施例的阻挡放电装置的放大透视图，其中以断面图部分地示出了阻挡放电装置。

图3是对应于图2的、图示了根据本发明的另一个实施例的阻挡放电装置的视图。

用于实施发明的方式

现在将参考附图描述本发明的示例性实施例。

图1图示了两缸发动机100的一个缸的构造，该发动机100是具有点火塞1的火花点火内燃发动机。发动机100包括具有缸的缸体2，以及通过插入其间的缸垫3而被附接到缸体2的缸盖4。缸盖4设置有进气口5和排气口6，使得进气口5和排气口6分别通过进气阀7和排气阀8而被打开和关闭。进气阀7由被可旋转地附接到缸盖4的进气凸轮轴9驱动，并且排气阀8类似地由排气凸轮轴10驱动。缸盖4还设置有燃烧室11和燃料注入阀12，在该燃烧室11中，点火塞1被附接在燃烧室11的天顶中央处，并且燃料注入阀12使得燃料能够直接诸如到缸中。

缸盖4与设置在缸盖的下表面上的缸垫3一起被附接到缸体2。缸体2形成有缸膛13。缸膛13在其中容纳活塞14，活塞14在缸膛内部往复，并且活塞14经由连接杆15连接到曲轴（未示出）。在图1中，附图标记16表示水套，冷却水在该水套中循环。同时，发动机100可以采用在本领域中已知的火花点火型发动机，并且不包括缸垫3。

缸垫3由电介质陶瓷制成，并且具有大致与缸体2的上表面形状对应的平面形状。具体地，缸垫3基本上包括膛开口17和套开口19，该膛开口17与每个缸膛13的内径对应地设置，该套开口19与水套16的被设置在缸体2的上表面上的开口18对应。缸垫的其他部分紧密地附着到缸体2和缸盖4以呈现密封能力。在缸垫3被设置在缸盖4和缸体2之间时，膛开口17用作燃烧室11的一部分。在膛开口17附近，构成阻挡放电装置20的阻挡放电电极21和22被设置以便围绕膛开口17。在该示例性实施例中，缸垫3的一部分用作阻挡放电装置20的电介质体23。

阻挡放电电极21和22由诸如钨等的金属制成，并且包括环型第一电极21以及具有与第一电极21相同的大小和形状的第二电极22。即，第一和第二电极21和22分别具有如下大小和形状：通过该大小和形状能够将电极与缸膛13对应地沿着缸垫3的膛开口17的周围附接。第一和第二电极21和22被分别地沿着缸膛13平行地布置，并且被嵌入在缸垫3中。

即，如图2中示意性地示出的，在该示例性实施例中的发动机100包括阻挡放电装置20，该阻挡放电装置20包括被整体地附接到缸垫3的环型电介质体23，以及被保持在电介质体23内部的阻挡放电电极21和22。换言之，阻挡放电装置20包括缸垫3用作环型电介质体23的部分，以及被保持在电介质体23内部的两个阻挡放电电极----即第一和第二电极21和22。第一和第二电极21和22被布置以便围绕缸膛13而不被暴露到缸膛13内部。

通过使用交流发电机（未示出）向第一和第二电极21和22施加高电压，而通过阻挡放电在第一和第二电极21和22的内侧处在缸膛13中产生低温等离子体。交流发电机被构造为：通过使用DC-DC转换器作为升压电路，将例如为12V（伏特）的例如车辆电池的电压升压到300V至500V；使用H电桥电路，将经升压的直流电转换为具有约100Hz至10kHz的频率的交流电；并且附加地，输出使用变压器（未示出）而升压到约5kVp-p至20kVp-p的交流电。

在该示例性实施例中，从交流发电机输出的交流电被施加到第一和第二电极21和22，以在第一和第二电极21和22之间产生阻挡放电。利用该阻挡放电，在缸膛13的、被第一和第二电极21和22围绕的空间中产生等离子体，并且空气燃料混合物被点燃。

即，因为在缸膛13中产生的等离子体是沿着第一和第二电极21和22产生的，该等离子体以类似电极21和22的环型持续地存在。等离子体的产生在例如发动机100的压缩冲程期间对被压缩的空气燃料混合物起作用，导致产生诸如电子、离子、自由基、臭氧等的活性物质。虽然产生的等离子体是所谓的低温等离子体，但是因为电子具有高温，随着空气燃料混合物的温度通过压缩而升高，空气燃料混合物能够被点燃。在该情形下，在缸膛13中的火焰从产生等离子体的第一和第二电极21和22附近的部分朝向缸膛的内部蔓延。因为在缸膛13中存在由环型等离子体产生的活性物质以及通过链式反应增加的自由基等，燃烧朝向缸膛13的中央蔓延。

同时，当阻挡放电装置20在进气冲程期间操作时，能够在被引入到缸膛13的空气燃料混合物中增加由等离子体产生的活性物质或自由基。因此，如上所述，当活塞在压缩冲程中到达上死点时，因为空气燃料混合物的温度通过压缩而升高，空气燃料混合物被点燃。

如上所述，根据该示例性实施例的阻挡放电装置20包括环型电介质体23以及阻挡放电电极21和22，并且被安装到发动机100，该阻挡放电电极21和22被保持在电介质体23内部并且被施加用于阻挡放电的电压。这里，因为各个阻挡放电电极21和22被布置以便围绕缸膛13而不暴露到缸膛13内部，阻挡放电使得能够产生诸如臭氧等的活性物质，由此加速燃烧。特别地，因为环型电介质体23和阻挡放电电极21和22被布置以便围绕缸膛13，能够沿着缸膛13的内表面获得空气燃料混合物的表面点火。与仅使用点火塞的常规点式点火相比，这种表面点火能够加速燃烧。

该示例性实施例的阻挡放电装置20被设置在缸垫3中，并且阻挡放电电极21和22被嵌入在缸垫3中，使得易于执行其量产。此外，因为阻挡放电电极21和22不被暴露到缸膛13的内部，与现有技术相比提高了耐久性。

此外，阻挡放电电极21和22由钨制成，由于能够通过印刷容易地制作电极因而提供了优点。

此外，第一和第二电极分别被平行地布置，使得能够均匀地产生等离子体。

此外，在缸膛13中的尾气部分处产生等离子体，使得空气燃料混合物在易于积聚未燃烧气体的尾气部分处被点燃，由此防止发生爆震。由此，能够容易地提高压缩比。

可以使用直流发电机代替交流发电机。然而，因为在直流发电机中持续仅从阴极发射电子的状态，因此使用交流发电机能够限制电极被消耗。

此外，代替交流电压发电机，可以使用脉动电流发电机。即，通过在一对电极之间应用诸如脉冲型电压的脉动电压，而不是应用交流电，在该一对电极之间产生电场。类似交流电压发电机，脉动电流发电机被构造为：使用DC-DC转换器将从电池供应的直流电升压；通过高压直流电流的周期中断而将该高压直流电流转换成脉动电流；使用升压变压器将脉动电流升压，并且将经升压的脉动电流施加到该一对电极。在脉动电流发电机中，使用周期地接通和断开的开关电路而不是H电桥电路。通过使用脉动电流发电机，能够在该一对电极之间产生电场，从而具有与在上述示例性实施例中相同的效果。

同时，本发明不限于上述示例性实施例。

在阻挡放电装置中，代替上述的两个电极，可以在相应的电介质体中保持三个或四个或更多个电极。

图3中示意性地图示的阻挡放电装置20包括缸垫3和三个阻挡放电电极25、26和27，该缸垫3构成被整体附接到缸垫3的环型电介质体23，该三个阻挡放电电极25、26和27被保持在该电介质体23内部。这些相应的阻挡放电电极，即第一、第二和第三电极25、26和27，不被暴露到缸膛13的内部，并且被布置以便围绕缸膛13。此外，第一到第三电极25、26和27分别为环形，并且被从缸盖4朝向缸体2地沿着缸膛13平行地按顺序布置。这些第一到第三电极25、26和27被嵌入在电介质体23中。同时，在图3中示出的示例性实施例中，对应于在上述示例性实施例的那些元件的元件由相同的附图标记表示，并且将省略其详细描述。

利用阻挡放电电极23包括三个或更多个电极并且被施加电压的阻挡放电电极可以根据借助用于检测缸内压的手段检测的缸内压而变更的构造，能够根据驱动状态和燃烧室11的状态优化阻挡放电。

具体地，当缸的内压高时，通过使用AC发电机向第一和第二电极25和26施加高电压，在第一和第二电极25和26之间产生等离子体。相反，当缸的内压低时，通过使用AC发电机向第一和第三电极25和27施加高电压，在第一和第三电极25和27之间产生等离子体。即，当缸的内压高时，导致难以在燃烧室11中产生等离子体的状态。然而，在该情形下，可以通过使电极间距离尽可能短，而在短距离内集中地产生等离子体。另一方面，当内压低时，导致比在高压力下更容易在燃烧室11中产生等离子体的状态。因此，在该情形下，可以通过使电极间距离尽可能长，而在宽范围上产生等离子体。此外，使用由例如设置在燃烧室11中的缸内压传感器（未示出）测量的内压，或在燃烧室11中测量的离子电流值，可以作为用于检测缸内压的手段。

当根据缸的内压控制产生的等离子体的强度时，可以在与根据上述实施例关于AC发电机提供的描述中的相同的范围内改变电压和频率。例如，为了提高等离子体的强度，增加电压和频率。因此，虽然从能耗的观点这种措施是不利的，但是因为能够使等离子体更大，能够改进燃烧状态。

虽然已经在上述实施例中描述了通过等离子体的表面点火，点火塞可以与该表面点火大致同时地操作，使得通过点火塞的点式点火可以额外地与表面点火组合。在该情形下，因为通过等离子体的作用而在空气燃料混合物中包含了活性物质、自由基等，燃烧的蔓延比现有技术的多点点火方式更快，由此改进了燃烧特性。

虽然已经在上述实施例中描述了具有环型电介质体以及阻挡放电电极的阻挡放电装置，该阻挡放电装置也可以由大致半圆形的电介质体和阻挡放电电极构成，并且可以被布置在围绕缸膛的位置处。在该情形下，当电介质体彼此分开，并且电介质体被整体地附接到例如缸垫时，能够单独地移除电介质体，从而有利于维护。类似地，电介质体也可以是被划分为大致4个或8个部分的环型体。

虽然已经在上述实施例中描述了在被插入缸盖和缸体之间的垫中设置的阻挡放电装置，用于阻挡放电装置的安设位置不限于此。即，阻挡放电装置可以被设置在燃烧室中，或者被设置到在缸膛中的缸体，只要该位置不干扰活塞的上下运动。例如，当阻挡放电装置被设置在燃烧室中时，环型电介质体被优选地布置以便围绕点火塞。

除交流发电机外，可以使用脉动电流发电机或脉冲电压发电机，作为用于阻挡放电装置的电源。从脉动电流发电机输出的脉动电压的波形可以包括但不限于交流电的半波或全波整流波形、方波形等。

此外，除钨之外，可以使用铜用于阻挡放电电极。

虽然多个电极不需要被平行地布置，当电极被平行地布置时，可以产生均匀的等离子体，导致在燃烧室中的均匀燃烧。

虽然已经关于具有点火塞的火花点火型发动机进行了以上描述，发动机不限于具有点火塞的发动机。发动机也可以是例如柴油机。

在不偏离本发明的范围的情况下可以进行各种修改。

虽然已经详细地并且参考具体实施例描述了本发明，对本领域技术人员将显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变和修改。

本申请基于在2010年8月4日提交的日本专利申请（日本专利申请No.2010-175169），其全部内容通过引用在此并入。

附图标记列表

100发动机

3缸垫

21,22,25,26,27阻挡放电电极

23电介质体

Claims (3)

1.一种发动机的阻挡放电装置，包括：

电介质体；以及

至少两个阻挡放电电极，所述至少两个阻挡放电电极为环型并且被保持在所述电介质体内部并且被施加用于阻挡放电的电压；

其中，各个所述阻挡放电电极不被暴露到缸膛的内部并且被沿着所述缸膛平行地布置以便围绕所述缸膛，

其中，所述至少两个阻挡放电电极被彼此平行地布置。

2.根据权利要求1所述的阻挡放电装置，

其中，所述阻挡放电电极被嵌入在缸垫内。

3.根据权利要求1或2所述的阻挡放电装置，

其中，所述阻挡放电电极包括三个或更多个电极，并且能够根据缸的内压变更被施加电压的阻挡放电电极。