CN103857901A

CN103857901A - 内燃机的点火装置及点火方法

Info

Publication number: CN103857901A
Application number: CN201280049835.5A
Authority: CN
Inventors: 矢口龙也; 白石泰介
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: US9581125B2; WO2013065382A1; EP2775135A4; JPWO2013065382A1; US20140238347A1; CN103857901B; EP2775135A1; JP5761367B2

Abstract

本发明的点火装置，通过高电压产生电路而在火花塞的电极之间反复施加高电压。在存在气体流动的燃烧室内，由于通过首次放电而产生的活性粒子随着气体流动流至下游侧，该部分的混合气体的电阻Rdc暂时降低，因此，以使电阻比（Rdc/Rg）小于1的较短的放电间隔T进行高电压施加，其中，该电阻比（Rdc/Rg）是电阻Rdc与沿着电极间的最短距离lg的混合气体的电阻Rg的比值。由此，放电通道逐渐扩展至气体流动的下游侧，放电通道的长度延长。这种放电通道的延长有助于焰心扩大和初始燃烧时间缩短，可实现可靠的点火。

Description

内燃机的点火装置及点火方法

技术领域

本发明涉及在火花塞的电极之间反复施加电压而使其发生多次放电，进行混合气体点火的内燃机的点火装置及点火方法。

背景技术

例如在专利文献1、2中公开了下述技术：为了在燃烧室内可靠地使燃料和空气的混合气体点火，在火花塞的电极之间反复施加电压而发生多次放电。

专利文献1通过在火花塞的中心电极的周围配置例如3个侧方电极，并以脉冲状施加电压，从而依次在中心电极和彼此不同的侧方电极之间产生火花放电。在这里，通过使施加电压的间隔以一定程度增大，从而使下一次放电不在中心电极和刚刚发生过放电的侧方电极之间产生，而是在中心电极和另一个侧方电极之间产生。

专利文献2在进行电弧放电的主放电之前进行成为流注放电（streamer discharge）及辉光放电（glow discharge）的多次脉冲放电，以此提高电弧放电即主放电之前的活性粒子浓度。

此外，活性粒子通常是自由基（radical，包括离子或束缚电子的激发）、电子、原子、分子内部振动或平移运动等，由于活性粒子在通过放电而生成后随着时间经过变为稳定状态，因此其寿命较短。

在内燃机的燃烧室内，通常存在用于点火的混合气体的流动即气体流动。例如，在柱塞上下移动的通常的往复运动型内燃机中，由于柱塞的上下运动而在缸内产生气体流动。特别是空燃比高的稀薄混合气体或EGR系统的含有大量回流排气的混合气体，燃烧速度低且燃烧不稳定，因此，通常强制生成气体流动以弥补这一点。例如，使用下述方法，即，在进气通路上设置用于在燃烧室内生成滚流（tumbleflow）或涡流（swirl）等气体流动的设备，或者，通过调整进气阀的打开时间或开度而提高缸内的气体流动等。

如果这种气体流动位于火花塞附近，则放电而生成的活性粒子和焰心随着气体流动而流向下游，通常导致点火变得更加困难。专利文献1和专利文献2的技术均没有考虑这种气体流动的影响。

例如，在专利文献1的方法中存在不均匀性的问题，即，受到气体流动的影响，容易仅在中心电极和某个特定的侧方电极之间发生放电。

另外，在专利文献2的技术中，由于气体流动的存在而使得在主放电之前进行的脉冲放电所生成的活性粒子随着气体流动流至下游，因此，在进行主放电时，在主放电的周围没有多少活性粒子存在，导致活性粒子的火焰传播促进效果降低。

本发明的目的在于提供一种在存在气体流动的条件下，更加可靠且高效地进行混合气体点火的点火装置及点火方法。

专利文献1:日本特公昭61－27588号公报

专利文献2:日本特开2009－47149号公报

发明内容

本发明的内燃机的点火装置及点火方法为，在火花塞的电极之间反复施加电压而发生多次放电，进行混合气体点火。

并且，在本发明的一个技术方案中，在与将上述电极之间以最短距离连结的方向正交的方向上存在气体流动的速度分量的条件下，将第n次放电和前一次放电即第n－1次放电之间的时间间隔设定为，使得第n次放电的放电通道沿着上述气体流动方向比第n－1次放电的放电通道长。在这里，所谓放电通道是指放电时发光的路径。

另外，在本发明的另一个技术方案中，在与将上述电极之间以最短距离连结的方向正交的方向上存在气体流动的速度分量的条件下，在通过第n－1次放电而产生的活性粒子因气体流动而流向下游的放电路径的电阻，比以上述最短距离连结的路径的电阻小的期间内，进行第n次放电。此外，此处的放电路径是预想或预定放电的路径，与上述放电通道实质上差别不大，如果沿着放电路径实时地发生放电，则该路径即为放电通道。

众所周知，如果电极间的电位差达到一定水平，则位于电极之间的气体会发生绝缘破坏，发生放电。如果在电极之间发生放电，则由于混合气体的气体与电子之间的碰撞而生成自由基等活性粒子，电阻局部下降。该活性粒子存在寿命，其作用会在较短的时间内消失。特别是在存在气体流动的条件下，所生成的活性粒子随着气体流动而流至下游侧，因此，电极之间的电阻、特别是将最短距离连结的路径的电阻会较快地再次增加。

在这里，如果着眼于随气体流动而流至下游侧的活性粒子，则由于在其寿命结束之前，在之前发生放电位置的下游侧存在活性粒子，因此，在该部分产生电阻的降低。因此，如果在活性粒子的作用消失之前再次在电极之间施加电压，则与之前发生放电的位置相比，能够在气体流动的下游侧发生放电。具有代表性的是，这时的放电通道并不是使电极之间以最短距离连结的直线，而是变为向气体流动的下游侧鼓出的弯曲形状。通过如上所述变为弯曲形状的放电通道而生成的活性粒子由于气体流动的影响而进一步向下游侧流动，因此，可能在更下游侧发生使用该活性粒子的下一次放电。如果通过反复施加电压而如上所述逐渐在下游侧发生放电，则放电通道会逐渐向外侧延长。

但是，由于以弯曲形状鼓出的放电路径的长度，与直线放电路径相比，路径长度变长，因此，如果由于例如时间经过等而使活性粒子的作用减弱，则下一次放电会沿着直线路径产生。即，如果在活性粒子随着气体流动流至下游而产生的下游侧的放电路径的电阻，比电极之间以最短距离连结的路径的电阻小的期间内进行下一次电压施加，则沿着气体流动的方向陆续在下游侧发生放电，放电通道延长。这种较长的放电通道会使等离子体（plasma）的体积增大，在初始火焰的形成方面有利。

因此，根据本发明，能够在存在燃烧室内气体流动的条件下，稳定地形成通过反复施加电压而逐渐向外侧延长的较长的放电通道，实现更加可靠的点火。

附图说明

图1是具有本发明所涉及的点火装置的内燃机的结构说明图。

图2是火花塞的主要部分的说明图。

图3是表示在电极之间施加的脉冲状电压的一个例子的波形图。

图4是表示在电极之间施加的脉冲状电压的其它例子的波形图。

图5是表示在电极之间施加的脉冲状电压的其它例子的波形图。

图6是表示在电极之间施加的脉冲状电压的其它例子的波形图。

图7是对比示出在存在气体流动的条件下的（a）第1次放电通道和（b）第2次放电通道的说明图。

图8是表示电阻比（Rdc/Rg）相对于气体流动和放电间隔的特性的特性图。

图9是图8的各参数的说明图。

图10是表示放电间隔较小的实施例的电阻比（Rdc/Rg）及放电通道长度随时间变化的时序图。

图11是表示放电间隔较大的对比例的电阻比（Rdc/Rg）及放电通道长度随时间变化的时序图。

图12是表示放电通道相对于宽度较窄的电极而向外侧扩展的状态的说明图。

图13是表示放电通道相对于宽度较宽的电极而向外侧扩展的状态的说明图。

图14示出与图10相同的、使放电间隔伴随放电次数而变化的实施例的时序图。

图15是将放电间隔设定得较大的对比例的时序图。

图16是将放电间隔设定得较小的对比例的时序图。

图17是表示放电间隔的变化方式的一个例子的特性图。

图18是表示放电间隔的变化方式的其它例子的特性图。

图19是表示放电间隔的变化方式的其它例子的特性图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明优选的一个实施例进行详细说明。

图1示出具有本发明所涉及的点火装置的内燃机1的一个例子。该内燃机1作为4冲程循环的火花点火式汽油内燃机而构成，在收容有柱塞2的气缸3的顶部配置例如一对进气阀4及一对排气阀5，而且，在由这些进气阀4及排气阀5包围的顶面中心部配置有火花塞6。燃烧室7经由上述进气阀4与进气口8连接，且经由上述排气阀5与排气口9连接。进气口8在其上游侧与进气集气管10连接，在该进气集气管10的入口部配置有通过由电动机构成的致动器11进行开闭驱动的节流阀12。

另外，在各进气口8处配置有向进气阀4喷射燃料的燃料喷射阀13，并且，配置有用于在燃烧室7内主动地生成气体流动（例如涡流或滚流）的气体流动控制阀14。该气体流动控制阀14利用由电动机构成的致动器15进行开度控制，通过使进气口8内的进气流偏向一侧而强化燃烧室7的涡流或滚流。

此外，本发明并不限定于上述的内燃机1，能够应用于多种形式的火花点火式内燃机，例如，也可以是缸内喷射式内燃机，另外，也适用于不具有气体流动控制阀14这种可以改变气体流动的设备的内燃机。

在上述燃烧室7中，通过柱塞2的上下移动或经由进气阀4的进气流入等而生成气体流动，但为了促进混合气体的火焰传播，该气体流动具有预先设计的强度，即使在设有气体流动控制阀14这种设备的情况下，气体流动控制阀14也被控制为，基本上成为与运转条件对应而预先设计的气体流动。因此，气体流动的强度基本上是已知的。

上述火花塞6与能够以较短的间隔并以脉冲状施加电压的高电压产生电路16连接。在一个例子中，使用形成图3所示的矩形波形的单极型高电压产生电路16。本发明并不限定于此，也可以是输出图4所示的矩形波形的双极型高电压产生电路16，并且，也能够使用输出图5所示的三角波形的单极型高电压产生电路16，或输出图6所示的三角波形的双极型高电压产生电路16。此外，针对各种波形，按照各图所示定义放电间隔T。

另外，在本实施例中，如图2所示，火花塞6为通常的结构，具有：中心电极21，其形成沿着火花塞6的栓体23的中心延伸的棒状；以及侧方电极22，其以与该中心电极21相对的方式，以L字形延伸。在这种火花塞6的电极21、22之间，如果通过上述高电压产生电路16施加充分高的电位差，则会产生绝缘破坏，而在电极21、22之间发生放电。特别地，通过以脉冲状反复施加高电压，会反复发生多次放电。由于这种放电，从而能够大致沿着该放电路径观察到发光现象，在本发明中，将这种放电时发光的路径称为放电通道。此外，在上述的电极21、22的结构中，沿着中心电极21的中心线而将两个电极21、22的表面连结的直线线段，成为2个电极21、22的最短距离lg。

图7示出存在气体流动的条件下的放电通道（用标号31表示），其中，在与将电极21、22以最短距离lg连结的方向正交的方向上存在气体流动u。图7（a）示出第1次放电的放电通道。如该图（a）所示，即使存在较强的气体流动u，首次放电进而放电通道也会沿着2个电极21、22的最短距离lg形成。此外，该第1次放电会引起混合气体的绝缘破坏，但由于是极短的时间，因此，气体流动对所形成的放电通道的影响很小，可以忽略不计。

如果按照这种方式发生放电，则沿着其放电通道生成活性粒子，混合气体中的电阻下降。但是，在存在气体流动u的条件下，按照这种方式产生电阻降低的活性粒子随着气体流动而流至下游侧。因此，虽然是较短的期间，但也存在沿着从最短距离lg向下游侧偏移的活性粒子的混合气体的电阻，比沿着2个电极21、22的最短距离lg的混合气体的电阻小的期间。因此，在该期间内，如果进行第2次高电压的施加，则如图7（b）所示，沿着电阻相对较低的路径发生放电，因此，形成向下游侧鼓出的曲线状放电通道，而不是最短距离lg。即，形成具有比最短距离lg长的路径长度的放电通道。

通过该第2次放电产生的活性粒子仍受到气体流动u的影响而向下游侧移动，因此，同样地，与沿着2个电极21、22的最短距离lg的混合气体的电阻相比，图7（b）的放电通道更下游侧的混合气体的电阻暂时降低。因此，如果在此期间内进行下一次即第3次高电压的施加，则在图7（b）的放电通道的更下游侧形成第3次放电通道。

如上所述，在存在气体流动u的条件下，如果以对于活性粒子寿命而言足够短的间隔施加高电压，则放电通道逐渐向下游侧扩展，放电通道的长度延长。按照这种方式成长得较长的放电通道，有助于焰心的成长以及初始燃烧时间的缩短，因此，能够在存在气体流动u的条件下实现更可靠的点火。此外，也可以说放电通道的长度示出了通过放电而输入至混合气体的能量的大小，并且，放电通道越长，输入至混合气体的能量越大。

图8是针对第2次放电的放电通道与第1次放电的放电通道相比向外侧延长所需的放电间隔（施加高电压的间隔）T而整理并示出的特性图。其中，如图9所示，将气体流动的速度设为u[m/s]，将电极21、22间的最短距离设为lg[m]，将沿着该最短距离lg的混合气体的电阻设为Rg[Ω]，将沿着由于活性粒子的影响而延长至下游侧的放电路径的混合气体的电阻设为Rdc[Ω]。另外，将活性粒子的寿命设为τ[s]。

沿着延长至下游侧的放电路径的混合气体的电阻Rdc，随着活性粒子的生成而降低，另一方面，随着活性粒子寿命内的时间经过而增加，而且随着放电路径（放电通道）的路径长度变长而增加。在图8中，以该电阻Rdc与沿着最短距离lg的混合气体的电阻Rg的比值，即无量纲的电阻比（Rdc/Rg）进行评价。另外，对于放电间隔T[s]，同样地以与活性粒子的寿命τ[s]的比值，即无量纲的比值（T／τ）进行处理。并且，对于气体流动u[m/s]也同样地，考虑最短距离lg[m]大小的影响以及活性粒子寿命τ[s]的影响，以无量纲的参数（uτ／lg）进行评价。

按照上述方式进行整理后，如图8所示，针对每个无量纲化的气体流动（uτ／lg），获得与放电间隔（T／τ）对应的电阻比（Rdc/Rg）的值。在这里，为了将第2次放电的放电通道相对于最短距离lg延长至外侧，只要满足沿着外侧的放电路径的混合气体的电阻Rdc比沿着最短距离lg的混合气体的电阻Rg小，即，电阻比（Rdc/Rg）比1小即可。因此，如果针对气体流动（uτ／lg）设定放电间隔（T／τ），以使得电阻比（Rdc/Rg）在图8中位于比1小的区域中，则第2次放电的放电通道与最短距离lg相比延长至外侧。如果按照这种方式延长放电通道，则等离子体的体积增大，可实现焰心成长及初始燃烧时间缩短，可在存在气体流动的条件下得到更加可靠的点火。

此处定义的电极21、22间的电阻Rg、Rdc，是刚要放电之前的混合气体的电阻。特别地，第1次放电时的电阻是刚要绝缘破坏之前的电阻，通常是大于或等于100kΩ的大小。在第2次及其以后的放电时，在混合气体中存在由于之前的放电而产生的活性粒子，在燃烧室7中产生电阻值的空间分布。放电时的混合气体的电阻根据该活性粒子浓度的空间分布而变化。由于点火时期的火花塞6附近的气体流动强度是已知的，因此，能够通过掌握放电而产生的活性粒子的浓度、电阻率以及活性粒子的寿命，从而预测由于气体流动而流向下游侧的放电路径的电阻Rdc。

另外，对于第3次及以后的放电也相同。即，第n次放电时，如果将放电间隔T设定为，使流向下游侧的放电路径的电阻Rdc比沿着最短距离lg的放电路径的电阻Rg小，则放电通道按照向气体流动u的下游侧扩展的方式逐渐延长。

图10示出按照上述方式设定放电间隔T的情况下的电阻比（Rdc/Rg）和放电通道的长度随时间经过的变化。在本例中，在第2次及其以后的放电时，电阻比（Rdc/Rg）变为小于1，沿着通过气体流动u而移动至下游侧的放电路径发生放电。因此，放电通道的长度如虚线所示逐渐延长。另一方面，放电路径按照上述方式向外侧延长的结果，与气体流动u对活性粒子扩散的影响一起，使得电阻Rdc随着放电次数的增加而逐渐增大。即，随着放电次数增加，电阻比（Rdc/Rg）逐渐接近于1。在图示例子中，在第37次放电之前，电阻比（Rdc/Rg）小于1，直至该第37次为止，可观察到放电通道的延长。由此，放电通道的长度最终延长至电极21、22间的最短距离lg的大约8倍。这非常有助于焰心的扩大和初始燃烧时间的缩短。

在第38次放电时，由于沿着最短距离lg的混合气体的电阻Rg变得比迂回至下游侧的放电路径的电阻Rdc小，因此沿着最短距离lg发生放电。因此，在该阶段，放电通道的延长结束。此外，该图10是为了容易理解，假定放电通道延长至最后而求出电阻比（Rdc/Rg）的模拟图，是以电阻比（Rdc/Rg）从第38次开始也增大的方式绘制的，但实际上认为由于放电通道的长度返回至初始状态（最短距离lg），而使得电阻比（Rdc/Rg）再次减小，另外，放电通道也再次逐渐增加。

图11示出放电间隔T设定得较大且电阻比（Rdc/Rg）未小于1的对比例的情况下的特性。在该对比例中，在第2次及其以后的放电时，由于电阻比（Rdc/Rg）大于或等于1，沿着最短距离lg的混合气体的电阻Rg比沿着下游侧的放电路径的电阻Rdc小，因此，第2次及其以后，沿着最短距离lg发生放电。因此，不会发生放电通道的延长。此外，该图11的电阻比（Rdc/Rg）的特性也是模拟的，即，假定放电通道延长至最后而求出电阻比（Rdc/Rg），与实际不同。实际上，认为第2次及其以后达到大致恒定的电阻比（Rdc/Rg）。

图10的横轴的时间和图11的横轴的时间是同一刻度，图10的例子的放电间隔T设定为图11的例子的放电间隔T的1/5。

此外，从理论上来说，放电间隔T越小，放电通道成长得越长，输入至混合气体的能量越大，但实际上，点火性并不是与上述因素成正比地提高的，另外，由于高电压产生电路16中各次的电压受到限制，因此，放电间隔T存在适当的下限。

下面，图12及图13是对于火花塞6的一侧电极的宽度与另一侧电极的宽度相比相对较宽的情况下的放电通道的形成进行说明的图，在图示例子中，与中心电极21前端的宽度相比，侧方电极22前端的电极片22a的宽度相对较大。在使用这种火花塞6的情况下，优选通过按照上述方式适当设定放电间隔T，使得向气体流动u的下游侧鼓出的第n次放电通道31如图12所示，至少形成为与宽度较窄的电极21相比向外侧扩展。此外，如图13所示，优选第n次放电通道形成为与宽度较宽的电极22相比向外侧扩展。如果这样向电极21、22的外侧鼓出而形成放电通道31，则温度相对较低的电极21、22的灭火作用、即针对焰心的冷却作用降低，在焰心发展方面有利。

此外，本发明的利用气体流动而使放电通道延长这一构思，并不限定于火花塞和电极的形状及结构，能够广泛应用。

下面，基于图14对下述实施例进行说明，即，不是使放电间隔T恒定，而是在放电开始的初始区间内使放电间隔T相对较长，在经过多次放电后的区间内使放电间隔T相对较短。

如前所述，即使在存在气体流动u的条件下，首次放电进而放电通道也会沿着2个电极21、22的最短距离lg形成。在上述这种放电通道较短的状况中，因放电路径的电阻Rdc较低，因而即使是较长的放电间隔T，放电通道也会由于气体流动u而逐渐向下游侧延长。但是，如果放电通道变长，则沿着延长的放电通道的放电路径的电阻Rdc变高，接近于沿着最短距离lg的放电路径的电阻Rg。

图15的对比例是将放电间隔T设定得较大，且将该放电间隔T维持为恒定的例子，在第2次放电之前放电通道延长，但在第3次放电中电阻比（Rdc/Rg）达到1，沿着最短距离lg发生放电。因此，放电通道的延长作用受到限制。

另一方面，图16的对比例是将放电间隔T设定得较短，设定为图15的1/7，能够在电阻比（Rdc/Rg）达到1之前实现更大的放电通道的延长，但放电次数较多。

图14的实施例是考虑这一点而使放电间隔T随着放电次数n而变化的情况，具体来说，从第1次放电至第2次放电之间的初始放电间隔T与图15的对比例相同，第3次放电、第4次放电的放电间隔T逐渐缩短，从第15次放电至第16次放电之间以及之后的放电间隔T，变为初始放电间隔T的1/7（即与图16的对比例同一的放电间隔T）。

通过使放电间隔T按照上述方式变化，从而与图16的对比例同样地，能够充分获得放电通道的延长作用。并且，直至放电通道延长至最大为止的放电次数，与图16的对比例相比减少，可抑制反复放电引起的电极21、22的消耗。例如，与图16的对比例相比，在图示例子中，直至放电间隔T变为初始的1/7为止的区间中的放电次数削减至1/4左右。

关于放电间隔T以怎样的方式随着从首次放电开始的放电次数n的增加或时间经过而缩短，可能有多种方式。

图17～图19示出上述方式的一个例子，在图17的例子中，对应于时间经过或放电次数n的增加，使放电间隔T阶跃地减小。图18的例子是使放电间隔T连续减小的例子。在图19的例子中，使放电间隔T连续减小后保持恒定，然后再次连续减小后保持恒定，重复进行这种循环。

Claims

1.一种内燃机的点火装置，其在火花塞的电极之间反复施加电压而使其发生多次放电，进行混合气体的点火，其中，

在存在与将上述电极之间以最短距离连结的方向正交的气体流动的条件下，将第n次放电和其前一次的第n－1次放电之间的时间间隔设定为，使得第n次放电的放电通道与第n－1次放电的放电通道相比，沿着上述气体流动方向延长。

2.根据权利要求1所述的内燃机的点火装置，其中，

将第2次放电和第1次放电之间的时间间隔设定为，使得第2次放电的放电通道与第1次放电的放电通道相比，沿着上述气体流动方向延长。

3.在通过第1次放电而产生的活性粒子因气体流动而流向下游的放电路径的电阻，比将上述最短距离连结的路径的电阻小的期间，进行第2次放电。

一种内燃机的点火装置，其在火花塞的电极之间反复施加电压而使其发生多次放电，进行混合气体的点火，其中，

在存在与将上述电极之间以最短距离连结的方向正交的气体流动的条件下，在通过第n－1次放电而产生的活性粒子因气体流动而流向下游的放电路径的电阻，比将上述最短距离连结的路径的电阻小的期间，进行第n次放电。

4.根据权利要求3所述的内燃机的点火装置，其中，

在通过第1次放电而产生的活性粒子因气体流动而流向下游的放电路径的电阻，比将上述最短距离连结的路径的电阻小的期间，进行第2次放电。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机的点火装置，其中，

上述火花塞的电极具有宽度相对较窄的一侧的电极、和宽度相对较宽的另一侧的电极，第n次放电的放电通道形成为，至少与宽度较窄的电极相比向外侧扩展。

6.根据权利要求5所述的内燃机的点火装置，其中，

第n次放电的放电通道形成为，与宽度较宽的电极相比向外侧扩展。

7.一种内燃机的点火方法，其在火花塞的电极之间反复施加电压而使其发生多次放电，进行混合气体的点火，其中，

8.一种内燃机的点火方法，其在火花塞的电极之间反复施加电压而发生多次放电，进行混合气体的点火，其中，

9.根据权利要求1至6中任一项所述的内燃机的点火装置，其中，

与上述n的值相对较小的区间相比，在上述n的值相对较大的区间中，使得第n－1次放电和第n次放电之间的时间间隔相对较短。

10.根据权利要求7或8所述的内燃机的点火方法，其中，

与上述n的值相对较小的区间相比，在上述n的值相对较大的区间中，使第n－1次放电和第n次放电之间的时间间隔相对较短。