CN103423061A - 超高能火花放电系统 - Google Patents

Abstract

一种超高能火花放电系统，该系统包括点火能量控制单元、电感式放电单元、DC-DC升压单元、储能电容组、组合型外开式火花塞。该系统通过电感式放电，击穿火花塞间隙，在正负电极之间形成等离子沟道，从而引发并联在火花塞旁的高能电容放电。区别于其他高能点火系统，该装置单次点火能量最高可达到数焦耳，同时可形成稳定的激波，促使火核的形成。可用于流速较高、温度较低的稀薄燃烧场合，如高纬度燃气涡轮发动机重启动、脉冲爆震发动机启动、均质压燃活塞发动机点火、增压缸内直喷汽油机点火等。能够显著提高着火稳定性，提高燃烧效率，降低燃烧过程中的污染物排放。

Description

超高能火花放电系统

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，尤其涉及缸内直喷汽油机的超高能火花放电系统。

背景技术

点火系统作为内燃机的重要组成部分，始终伴随着内燃机技术的进步而不断演化。从化油器技术，到进气道喷射技术，到现今缸内直喷技术的兴起，点火系统也经历了点火能量由低到高的发展道路。目前普遍使用的点火技术，是基于电感式火花放电技术，在初级线圈通电后，电能转换为磁能储存于线圈内。当初级线圈突然断路时，在次级线圈感应出上万伏的高压，从而击穿火花塞间隙进行空气放电。目前一般点火能量约达到30~50mJ，而赛车上则会达到100mJ左右。

在缸内直喷汽油发动机的研发过程中，点火系统的能力高低则直接决定了稀薄燃烧和EGR技术的使用程度和界限。提高点火能量、加宽火花塞间隙、延长火花持续时间都有利于火核的形成，确保稳定快速的燃烧，才能达到节能减排的目的。此外，在高纬度燃气涡轮发动机重启动、脉冲爆震发动机启动、均质压燃活塞发动机点火等稀薄燃烧场合，超高能点火技术同样能得到应用。

增强点火能量的方式有很多，可以通过提高电压、提高电流、增加放电次数、延长发电时间、电晕点火、激光点火、微波点火等等。北京交通大学的王跃等借鉴摩托车点火系统的优点，采用升压电路给电容充电后，通过电容给初级线圈充电，提高了充电电压，缩短了充电时间。并在一台PFI发动机上与普通点火系统对比试验，发现该点火系统具有放电峰值电流大，而放电时间短的特点（王跃.  气体燃料发动机电容放电式点火系统的研究[D]. 北京交通大学 2011）；Delphi公司的设计研发了针对喷雾引导（Spray-Guided）分层稀燃的缸内直喷汽油机（GDI）的点火系统，该系统可采用多次点火，实现点火能量增强（Piock, W., Weyand, P., Wolf, E., and Heise, V., "Ignition Systems for Spray-Guided Stratified Combustion," SAE Int. J. Engines 3(1):389-401, 2010, doi:10.4271/2010-01-0598）；Mohamed H等总结了激光点火近年来的研究进展，阐述了激光点火可实现空间定位、多点着火的优势（Mohamed H. Morsy, Review and recent developments of laser ignition for internal combustion engines applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 16, Issue 7, September 2012, Pages 4849-4875, ISSN 1364-0321, 10.1016/j.rser.2012.04.038）。然而各种新兴点火系统都具有一些不足之处，点火能量提高有限；忽视点火系统与火花塞的匹配问题；对提高点火能量后，强电磁干扰对车载其他电子元器件的不利影响考虑不足；同时，在性价比和可靠性也都存在一定局限。此外，一些国际上前沿的燃烧学研究表明，单纯的提高点火能量，即点火区域的最高温度，并不是提高着火稳定的最佳途径。点火初期是否能形成强大稳定的激波，以及足够的化学自由基团，可能是确保火核生成，以及火焰向外传播的决定性因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种超高能火花放电系统，在较低的成本下，实现点火能量1～2个数量级的提高，促使火花放电的初期形成稳定的激波现象，以辅助火核的形成与火焰的传播。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种超高能火花放电系统，包括点火控制单元、DC-DC升压单元、变压器、开关元器件、二极管、专用火花塞、限流元件、储能电容组和高低压隔离单元。储能电容组的正极与组合式火花塞的负极相连，通过电感式放电，击穿火花塞间隙，在正负电极之间形成等离子沟道，引发并联在组合式火花塞下部旁的储能电容组放电，电流从火花塞的负极流向正极。

所述点火控制单元与开关元器件相连，开关元器件与变压器初级线圈的一端相连，点火控制单元控制开关元器件的通断；变压器初级线圈的另一端接电池正极，变压器次级线圈一端与组合式火花塞的上部相连，变压器次级线圈另一端与二极管连接，组合式火花塞的下部与电池负极相连；高低压隔离单元接入组合式火花塞上下部的连接处，储能电容组的正极通过高低压隔离单元与组合式火花塞的外部金属壳相连，储能电容组通过限流元件与DC-DC升压单元相连，点火控制单元与DC-DC升压单元通过控制器局域网络CAN总线进行通讯，点火控制单元通过隔离的电压采样，实时监测储能电容组充放电情况。

所述点火控制单元包括单片机和基本外围电路，其与开关元器件和DC-DC升压单元相连。点火控制单元由12V电池供电。

所述储能电容组采用金属化聚丙烯薄膜型无极性电容，电容组的总容值大于或等于10μF，耐压大于或等于630V。

所述组合式火花塞由上下两部分组成，两部分可以分离。

所述组合式火花塞的上部包括铜头、电阻粉、铜座和外部陶瓷壳体，内嵌的电阻粉阻值在1～10kΩ。电阻粉的成分为低温玻璃粉，通过高温烧结后，可以起到密封于导电的作用，并带有一定电阻值。

所述组合式火花塞的下部包括中心电极、陶瓷绝缘正极和外部金属壳体，中心电极为正极，且向外突出，形状为圆盘，外部金属壳体为负极，与发动机缸体及电池负极相连，形状为均布的四个引脚，火花间隙大于或等于2mm。

所述DC-DC升压单元采用推挽式拓扑结构，DC-DC升压单元的变压器将初级与次级电路完全隔离，并通过光耦电路，对次级电压进行隔离的反馈控制。

所述高低压隔离单元采用耐压大于或等于1000V，额定电流大于或等于3A的二极管，由大于或等于15个二极管串联成一列；或者由大于或等于二列的二极管并联后，组成高低压隔离单元。

所述限流元件采用钨丝，其电阻值小于或等于800Ω，承受功率大于或等于50W。

本发明的优越功效在于：

1）单次发电的能量达到大于或等于1J；

2）放电过程伴随有较大光晕及明显的激波现象；

3）可在流速较高、温度较低的稀薄燃烧场合，如高纬度燃气涡轮发动机重启动、脉冲爆震发动机启动、均质压燃活塞发动机点火、增压缸内直喷汽油机点火，促使火核的形成与火焰的传播；

4）能够显著提高着火稳定性，提高燃烧效率，降低燃烧过程中的污染物排放。

附图说明

图1为本发明的总体系统框图；

图2为组合式火花塞的上部结构示意图；

图3为图2的剖视图；

图4为组合式火花塞的下部结构示意图；

图5为图4的剖视图；

图6为组合式火花塞的上下部装配结构示意图；

图7为本发明高能放电原理图；

图中标号说明

101—点火控制单元；                    102-DC-DC升压单元；

103—变压器；                          104—开关元器件；

105—二极管；                          106－组合式火花塞；

107－限流元件；                        108－储能电容组；

109－高低压隔离单元； 

2－火花塞的上部；

201—铜头；                            202－电阻粉；

203－铜座；                            204－陶瓷壳体；

3－火花塞的下部；

301－中心电极；                        302－陶瓷绝缘体；

303－金属壳体；                        304－火花间隙。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种超高能火花放电系统，包括点火控制单元101、DC-DC升压单元102、变压器103、开关元器件104、二极管105、组合式火花塞106、限流元件107、储能电容组108和高低压隔离单元109。点火控制单元101与开关元器件104相连，并控制开关元器件104的通断。控制开关元器件104与变压器103的初级线圈相连。变压器103的初级线圈的另一端接电池正极。变压器103的次级线圈一端与组合式火花塞106的上部相连，另一端与二极管105连接。组合式火花塞106的下部与电池负极相连。高低压隔离单元109接入组合式火花塞106上下部的连接处。点火控制单元101与DC-DC升压单元102通过控制器局域网络CAN总线进行通讯。DC-DC升压单元102通过限流元件107与储能电容组108相连。点火控制单元101通过隔离的电压采样，实时监测储能电容组108充放电情况。储能电容组108的正极通过高低压隔离单元109与组合式火花塞106外部金属壳相连，即火花塞的负极。

点火控制单元101包括单片机系统、模数转换A/D模块、CAN通讯模块、开关管驱动等附属电路，其作用是定时地控制开关元器件104的通断，从而控制放电的时刻。同时，实时监测储能电容组108充放电情况，并通过CAN总线与DC-DC升压单元102进行通讯，可实现点火能量的闭环控制。

DC-DC升压单元102包括脉宽调制（PWM）生成芯片及附属元件、推挽式变压器、过压保护、过流保护、功率MOS管、MOS管驱动芯片、整流滤波电路和隔离光耦电压反馈。其功能是通过推挽式的拓扑结构，将+12V的直流电压，逆变为交流电后，进行升压，再经过整流变为高压直流源。该DC-DC升压单元102最终输出的电压在200～1000V连续可调，并通过CAN总线与点火控制单元101进行通讯。

变压器103与开关元器件104组成基本的电感式火花放电电路。与现有的常用点火电路原理一致。在初级线圈通电后，电能转换为磁能储存于变压器的线圈中。当初级线圈突然断电时，由于互感和自感现象，在变压器的次级线圈形成高压，从而击穿火花塞的间隙，完成放电。二极管105用于控制电感放电的方向，抑制在初级线圈通电开始时，由感应产生的火花塞击穿。

储能电容组108采用金属化聚丙烯薄膜型无极性电容，电容组的总容值大于或等于10μF，耐压大于或等于630V。其作用是储存由DC-DC升压单元102输出的高压直流电，并在组合式火花塞106进行电感式放电后释放能量。限流元件107采用钨丝，其电阻值小于或等于800Ω，可承受功率大于或等于50W。其作用是限制DC-DC升压单元102向储能电容组108的充电速度，防止点火能量过大而损坏火花塞的电极。同时又要尽可能减小其本身带来的能量损耗。

组合式火花塞106由上下两部分组成，两部分相连，可以分离。图2和图3展示了组合式火花塞上部的剖面图和外形图。上部包括铜头201、电阻粉202、铜座203、外部陶瓷壳体204，电阻粉阻值在1～10 kΩ。图4和图5展示了组合式火花塞下部的剖面图和外形图。下部包括中心电极301、陶瓷绝缘体302、外部金属壳体303，下部火花间隙304大于或等于2mm。中心电极为正极，中心电极向外突出，形状为圆盘。外部金属壳体为负极，与发动机缸体及电池负极相连，形状为均布的四个引脚。组合式火花塞上部的作用在于抑制由电感式放电而产生的脉冲电磁干扰。组合式火花塞下部的作用在于为电容放电提供低阻抗通路，实现电容放电的爆发性。

高低压隔离单元109采用耐压大于或等于1000V，额定电流大于或等于3A的二极管。由大于或等于15个二极管串联成一列。由大于或等于二列二极管并联后，组成高低压隔离单元。其作用是隔离电感式放电产生的负高压，保护储能电容组108等相对电压较低的电路。

图7为高能放电原理图。组合式火花塞上部401的铜头通过电缆110与变压器103的次级线圈相连。由变压器生成的负高压（相对于电池负极），可达到负1.5～3万伏特，经过电流通路502完成电感式的先导放电。在此过程中，由于电感放电本身脉冲性、超高压的特性，会产生强电磁干扰。通过火花塞上部401的内置阻尼，可以大大消减脉冲尖峰，从而减少电磁干扰，有利于满足电磁兼容性EMC的行业标准。图中电流通路502所示的是电流的方向，根据物理学的惯例，电流方向与电子运动的方向是相反的，即电子运动的方向与 502所示的方向相反，从401经过402，再从402的中心电极经过等离子沟道流向402的金属外壳，然后流向电池负极（地）。这种设计的作用在于，比起从冷表面移动到热表面，电子更容易从一个热表面移动到冷表面。相比之下，如果让电子从一个冷表面跳跃到热表面上，其所需的电压比从一个热表面跳跃到冷表面上要高出约15～30%。在发动机中，中心电极301由于被绝缘陶瓷体302包裹，不利于散热。而金属外壳（负极）与发动机缸体直接接触，更利于热传导。所以中心电极301的温度往往高于金属壳体303的温度。所以电子更容易从402的中心电极经过等离子沟道流向402的金属外壳，这样确保了放电的稳定性。电感放电开始后，火花塞间隙被击穿，在正负电极之间形成等离子沟道，从而引发储能电容组108的放电。电容放电的通路501也是依照前文所述阴极放电的原理。电流从储能电容组108正极流出，经过下部火花塞402的外部金属壳体到中心电极，再通过高低压隔离单元109，流回到储能电容组108的负极，而电子则沿反方向运动。相比于前一阶段的电感式放电，电容放电通路并不经过上部火花塞401。这是因为低电阻的放电回路，能够使电容放电过程迅速地完成。而大量能量的迅速释放，能使火花塞间隙周围的空气因电离和受热而急剧膨胀，当膨胀速度超过当地音速时，就会产生强烈的激波现象。另一方面，由于储能电容组108所存储的电压不超过1000V，放电过程不会产生尖峰脉冲，其产生的电磁干扰在可以承受的范围内，所以不需要上部火花塞401的内部阻尼来抑制。

本发明属于一种超高能火花放电系统，可用于流速较高、温度较低的稀薄燃烧场合，如高纬度燃气涡轮发动机重启动、脉冲爆震发动机启动、均质压燃活塞发动机点火、增压缸内直喷汽油机点火等。能够显著提高着火稳定性，提高燃烧效率，降低燃烧过程中的污染物排放。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超高能火花放电系统，其特征在于：包括点火控制单元、DC-DC升压单元、变压器、开关元器件、组合式火花塞、限流元件、储能电容组和高低压隔离单元，储能电容组的正极与组合式火花塞的负极相连，通过电感式放电，击穿火花塞间隙，在正负电极之间形成等离子沟道，引发并联在组合式火花塞下部旁的储能电容组放电，电流从火花塞的负极流向正极。

2.如权利要求1所述的超高能火花放电系统，其特征在于：所述点火控制单元与开关元器件相连，开关元器件与变压器初级线圈的一端相连，点火控制单元控制开关元器件的通断；变压器初级线圈的另一端接电池正极，变压器次级线圈一端与组合式火花塞的上部相连，变压器次级线圈另一端与二极管连接，组合式火花塞的下部与电池负极相连；高低压隔离单元接入组合式火花塞上下部的连接处，储能电容组的正极通过高低压隔离单元与组合式火花塞的外部金属壳相连，储能电容组通过限流元件与DC-DC升压单元相连，点火控制单元与DC-DC升压单元通过控制器局域网络CAN总线进行通讯，点火控制单元通过隔离的电压采样，实时监测储能电容组充放电情况。

3.如权利要求1所述的超高能火花放电系统，其特征在于：所述储能电容组采用金属化聚丙烯薄膜型无极性电容，电容组的总容值大于或等于10μF，耐压大于或等于630V。

4.如权利要求1所述的超高能火花放电系统，其特征在于：所述组合式火花塞由上下两部分组成，两部分可以分离。

5.如权利要求5所述的超高能火花放电系统，其特征在于：所述组合式火花塞的上部包括铜头、电阻粉、铜座和外部陶瓷壳体，内嵌的电阻粉阻值在1～10kΩ。

6.如权利要求5所述的超高能火花放电系统，其特征在于：所述组合式火花塞的下部包括中心电极、陶瓷绝缘正极和外部金属壳体，中心电极为正极，且向外突出，形状为圆盘，外部金属壳体为负极，与发动机缸体及电池负极相连，形状为均布的四个引脚，火花间隙大于或等于2mm。

7.如权利要求1所述的超高能火花放电系统，其特征在于：所述DC-DC升压单元采用推挽式拓扑结构，DC-DC升压单元的变压器将初级与次级电路完全隔离，并通过光耦电路，对次级电压进行隔离的反馈控制。

8.如权利要求1所述的超高能火花放电系统，其特征在于：所述高低压隔离单元采用耐压大于或等于1000V，额定电流大于或等于3A的二极管，多个串联或并联，组成高低压隔离单元。

9.如权利要求1所述的超高能火花放电系统，其特征在于：所述限流元件采用钨丝，其电阻值小于或等于800Ω，承受功率大于或等于50W。

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