CN104736837B - 用于内燃机的等离子点火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机的等离子点火装置。它包含通过电气/电子连接装置(50、11、26、27、31、32、33、36.1、36.2、B)在电路中相互连接的驱动和模拟和/或数字控制单元(20)、点火线圈(30)和火花塞(40、41)。点火线圈(30)包含两个相互串联的初级绕组(34、35)，第一初级绕组(34)与第二初级绕组(35)之间有中心电气连线(34.1)，用于对与两个初级绕组(34、35)串联连接的电容(37)进行充电，并对磁性耦合到点火线圈(30)的次级绕组(36)的磁芯(38)进行充磁，以产生跨越火花塞(40)的放电“间隙”(41)的电势差i。

Description

用于内燃机的等离子点火装置
说明书
本发明涉及一种用于内燃机的等离子点火装置。
现有技术中存在已知的内燃机，其工作方式为，对空气与燃料的混合物进行压缩，通过引燃所述混合物产生的火花，在发动机的一个或多个燃烧室内产生受控的爆炸，以此为所述内燃机提供动力。火花以通常方式产生，并向在电极之间呈现出特定间隙的火花塞提供高电压能量，所述间隙被称为“放电间隙”。所形成的放电将引发混合物的燃烧。
内燃机的效率和污染物排放特性部分取决于混合物的性质和燃烧模式。
在燃烧不完全或火花未产生、且燃烧室内的燃料并未完全燃烧的情况下，这样数量的未燃烧混合物将作为废气从配备有所述内燃机的车辆上排出。存在于燃烧室内的混合物总量的完全燃烧还由点火效率决定。
针对改善热机内的燃烧状况的目的，已经研究出许多种可能的解决方案，其中有些是要诱发燃烧室内的气体混合物形成等离子状态。
动力学特性由电磁力主导的系统被称为等离子体系统：等离子体是带电粒子与它们所产生的场的组合。
等离子体是物质的第四种状态，其通过对气体或混合物的电离化获得。在电离状态下，发现等离子体以这样的方式作用：其为电的良导体，且对电磁场的响应性很高。
由此，正因为上述特性，内燃机的燃烧室内生成等离子体可确保使混合物的燃烧得以改善。事实上，在其在燃烧室内的蔓延过程中，由等离子体产生的火焰前缘会在气态混合物中产生非常高的温度，这样有利于同一火焰前缘的快速蔓延，其行进所需时间可得以缩短，由此可使性能大幅改进，并显著减少未燃烧气体的量。
更具体而言，内燃机的燃烧室内的气体混合物形成等离子态的过程包括以下不可分开的3个阶段：
1.通过产生火花使电介质击穿；
2.燃烧室内气体的高能电离化，被称为等离子体；
3.保持受控电离化阶段或等离子体阶段。
在第一阶段(通过产生火花使电介质击穿；所述的阶段1)，在火花塞的电极之间产生电势差，使得高能放电(阶段1)穿过电介质(例如空气与燃料的混合物)。随后为第二阶段(燃烧室内气体的高能电离化，被称为等离子体)，在此期间发生等离子体的形成。在此阶段(第2阶段)，燃烧室内的混合物被引燃。在此阶段，存在气体混合物的局部点燃和火焰前缘的形成。由于有阶段3(保持受控电离化阶段或等离子体阶段)，通过提高火焰前缘的速度和强度，保证了火焰前缘蔓延的改善。
已经知道，现有技术中有能够实现上述要求的装置。
一种已知的等离子体点火装置包括高压变压器运行所需的电气/电子部件和用于供电的电气连接装置。所述的电气/电子装置包括等离子点火装置运行所需的电路，等等。该电路基本上由充电主电路、用于控制高压变压器的控制电路、和点火电路组成，此外还包括电气连接件和用于提供能量所需的部件。
具体而言，文件US2010/0319644披露了由以下各项组成的一种等离子体点火装置：
-主控制电路，其实质上由电流发生器、阻塞二极管、电感元件和电容组成；
-线圈驱动电路，包括上述电容、SCR(可控硅整流器)式二极管、高压变压器的初级绕组(例如，高压点火线圈)和高压阻塞元件。
SCR二极管提供一种可由外部信号激活的开关机制，以使电容向高压点火线圈的初级侧放电。例如，发动机控制单元(ECU)可以激活SCR二极管，以在预定的发动机气缸内产生点火。点火电路包括高压变压器的次级侧和火花塞或其他点火装置。在初次施加放电脉冲(例如，由SCR二极管信号导致)之后，随着电流流过变压器绕组，高压变压器的阻抗立即显著增大。高压变压器的阻抗可确保电容以足够低的速率放电，从而使得次级并联路径可将留存在电容内的能量通过初始等离子电弧直接释放(其中所述次级并联路径由高压阻塞元件提供保护，其将电容的输出直接连接至火花塞电极之间“间隙”)，即使在电容的电压低于高压变压器的次级输出的情况下亦可实现。由此该电流可使等离子体芯扩展，从而提高火花能量，使更多的气体(空气和燃料混合物)电离，并确保良好的燃烧效果。从上文可以看出，作为所述文件的目的的发明包括用于部分控制线圈的SCR二极管。该二极管只能在点火阶段被控制，在开关断开时则无法控制。因此，所述发明无法提供这样的技术手段，该技术手段能够对特别针对所述循环的定时加以干预，即使发动机速度变化也可保持其恒定，原因在于SCR二极管的闭合总是会在电容内的能量被释放的时刻发生。
在文件WO2012/106807中还披露了一种用于生成连续等离子体的控制单元。具体而言，在所述文件中，披露了一种电位发生电路800(在所述文件中见图8，在本文中为“图2”)，包括：
-3个半导体元件：第一二极管803、第二二极管806和静态开关807；
-3个无源部件：电感802、电容804和变压器，例如点火线圈805。
电位发生电路800还包括控制单元809，其被耦合至静态开关807的栅极，用于控制开关807的开关功能。电位发生电路800还包括直流电源801。直流电源801的负极一侧被耦合接地，而直流电源801的正极一侧则被连接至电感802，继而再耦合至第一二极管803的阳极。电容804的一侧被耦合接地，另一侧则被耦合至第一二极管803的阴极。第一二极管803的阴极还被耦合至点火线圈805的初级绕组(I)的第一端。点火线圈805的初级绕组(I)的第二端被连接至第二二极管806的阳极。第二二极管806的阴极被连接至静态开关807的连接点。静态开关807的栅极通过控制线路808被连接至控制单元809的输出端。静态开关807的漏极被连接至地。控制单元809的输入线路被耦合至电位发生电路800的输入端口811。输入端口811被耦合至控制通道813。点火线圈805的次级绕组(II)被耦合至电位发生电路800的第一端子812的一端。电位发生电路800的第一端子812和第二端子814被外部耦合至相应的外部电极上，所述外部电极形成放电“间隙”816，以供在燃烧室内存在气体混合物(空气/燃料)的条件下使用。
由此，在进行分析时，电位发生电路800可被分解为4个子电路。第一子电路为包括地、直流电源801、电感802、第一二极管803、电容804和地的闭合电路。第二子电路为包括地、电容804、点火线圈805的初级绕组(I)、第二二极管806和静态开关807以及地的闭合电路。第三子电路为包括地、直流电源801、电感802、第一二极管803、点火线圈805的初级绕组(I)、第二二极管806、静态开关807和地的闭合电路。第四子电路为包括点火线圈805的次级绕组(II)的闭合电路，所述绕组(II)通过第一端子812和第二端子814被连接至形成放电“间隙”816的一对外部电极。
WO2012/106807中所示系统、电路和方法的运行包括4个阶段。在第一阶段，静态开关807被控制单元809闭合。静态开关807通过初级绕组开始对电感802和点火线圈805充电，使流过第三子电路的电流充电到所需的水平。此电流水平将首先决定存储在电感802内的能量被传送至电容804的量，其次，将决定存储到点火线圈805内的能量的量。
在第二阶段，静态开关807被控制单元809打开。静态开关807结束导电，电容804通过第一子电路被充电到正电压。与此同时，存储到点火线圈805内的能量经第四子电路释放，在放电“间隙”816内产生具有负极性的高压。如果第二阶段跟随初始第一阶段进行，则在放电“间隙”816内会发生电介质击穿。
在第三阶段，静态开关807被控制单元809闭合。静态开关807开始导电，电容804经第二子电路被充电，通过点火线圈805将能量传送至第四子电路，在放电“间隙”816内产生高压，所述高压例如具有正极性。
在第四阶段，静态开关807保持闭合，流经第二子电路的电流减小，电容804被重新充电至负电压，导致流经第一子电路的电流增大，此电流对电感802充电。到第四阶段结束时，存在于燃烧室内、位于放电“间隙”816附近的气体混合物将承受两个初始电压脉冲。气体混合物的电介质击穿可能在第二阶段开始时出现的第一电压脉冲期间发生，或者在第三阶段内出现的第二电压脉冲期间发生。
第二、第三和第四阶段重复进行，以在燃烧保持阶段920内产生振荡的驱动电压。在振荡驱动电压产生之前的点火延迟时间被用于确保气体混合物从电介质击穿到其点火的过渡。
振荡驱动电压可确保电子流通过放电“间隙”，以便出现电离雪崩效应。
然而，已知的现有技术存在一些缺点。
已知的现有技术的一个缺点是所述装置的控制和驱动电路相当复杂，为了正常工作，需要相对大量的部件，这会导致可靠性和成本方面的问题。
现有技术的另一个缺点是无法减小所述装置的整体尺寸，因此其事实上无法将其集成到其他部件之内。
还有一个缺点是，由于在主控制电路处存在多个串联电感，在电磁充电阶段可能发生显著的能量损耗，这将导致对电源有更高的电能需求。
电源疲劳及由此造成其使用寿命缩短也是已知的现有技术的一个缺点；此情况由在点火线圈的初级绕组的电磁充电阶段中对能量的大量需求而导致。
此外，已知的现有技术的一个缺点是，在存在高压缩比或采用涡轮增压发动机的情况下，在燃烧室内的高紊流状态下，无法对电离能释放阶段进行合适的控制。这造成所述装置在上述条件下性能不佳，在发动机转数变化时，会造成燃烧质量恶化，并对发动机的效率和污染物排放造成不利影响。
最后，已知的现有技术还有一个缺点是，其无法将形成该装置的所有部件均与点火线圈装到一起，因此需要加装屏蔽，以阻止释放电磁干扰，这增加了成本、重量、尺寸，并加大了对可靠性和性能的影响。
本发明旨在针对这些缺点，提供一种解决方案。
本发明的一个目的是提供一种可减少运行所需部件的数量、确保在使用上的可靠性和灵活性的用于内燃机的等离子点火装置。
本发明的另一个目的是提供一种如说明书所述的尺寸紧凑的等离子点火装置。
本发明的另一个目的是披露一种如说明书所述的能够使所有运行阶段(特别是在点火线圈的初级绕组的电磁充电阶段)的电能损耗降至最低的等离子点火装置。
本发明的一个随之产生的目的是提供一种如说明书所述的能够以最大限度的可行方式将其耗电需求降至最低的装置。
本发明的另一个目的是提供一种如上文所述的能够减少电源疲劳并由此延长所述部件使用寿命的装置。
本发明还有一个目的是提供一种如说明书所述的等离子点火装置，其即使在高压和高紊流水平下仍能够运行，改善内燃机在所有转速下及转速变化情况下的燃烧状况，改善性能(通过降低能耗水平和改善热交换过程来提高效率)，并将所述发动机的污染物排放量降至最低。
有可能提供一种如说明书所述的等离子点火装置，其能够以有限的尺寸被完整地与点火线圈组装到一起，而不需要加装另外的电磁辐射滤波器和屏蔽，这也是本发明的一个目的。
最后，本发明的一个目的是提供一种如说明书所述的易于实现、使用方便、成本有限、性能更好、尺寸更小且可靠性高的等离子点火装置。
鉴于这些目的，本发明提供一种用于内燃机的等离子点火装置，其基本特性如权利要求1所述。
更多有利的特征在从属权利要求中列出。
所有权利要求均应作为本公开整体的组成部分。
以下将参照仅作示意性、非限定性示例给出的附图对本发明进行更为全面的说明，其中：
图1为根据本发明的用于内燃机的等离子点火装置的示意性和示例性表示。
图2示出现有技术中已知的一种电路。
在图1中，作为本发明目的的用于内燃机的等离子点火装置整体以数字10标示。它主要包括：
-驱动和模拟和/或数字控制单元20；
-点火线圈30；
-火花塞40；
-电压发生器，例如电池B；
-与发动机控制单元ECU(其本身在现有技术中已知，在本文中未示出)实现双向连接的连接件50
所述驱动和模拟和/或数字控制单元20实质上包括：
-驱动和控制单元21；
-第一二极管22；
-第二二极管23；
-静态开关24；
-电阻25；
-电压控制装置28。
所述点火线圈30实质上包括：
-第一初级绕组34；
-第二初级绕组35；
-次级绕组36；
-电容37；
-电磁芯38。
所述火花塞40包括：
-放电“间隙”41。
主要电气连接
参见图1，驱动和模拟和/或数字控制单元20的电气连接方式为：在一侧，分别通过双向的模拟和/或数字总线式连接件50连接至发动机控制单元ECU(其本身在现有技术中已知，在本文中未示出)，以及通过合适的电气连接件11连接至电压发生器B，在另一侧，分别通过电气连接件31及32连接至点火线圈30，以及通过接地连接件26及27连接至地。
除上述两个连接至驱动和模拟和/或数字控制单元20的连接件31和32之外，点火线圈30还有接地连接件33和两个用于在所述点火线圈30与火花塞40之间进行电气通信的连接件36.1和36.2。
在内部，驱动和模拟和/或数字控制单元20有驱动和控制单元21，其与下述内部部件电气连接：通过连接元件21.1和21.4与第一二极管22连接；通过连接元件21.2与静态开关24连接，通过连接元件21.3与电阻25连接。
在内部，点火线圈30有两个初级绕组34和35，它们相互串联连接。此外，两个所述初级绕组34和35的组合通过连接件35.1被串联连接至电容37。所述电容37又转而通过连接件33被串联接地。如上所述，两个初级绕组34和35在一侧通过连接件35.1被连接至电容37，在另一侧被连接至连接件32，用于在所述驱动和模拟和/或数字控制单元20与点火线圈30之间进行电气通信。此外，所述两个初级绕组34和35通过位于所述两个绕组之间的中心连接件34.1被连接至连接件31。
通过磁芯38，次级绕组36被设置为与两个初级绕组34和35进行磁性通信。
运行
作为本发明的目的，用于内燃机的等离子点火装置的运行基本上包括5个阶段。
在第一阶段，静态开关24被驱动和控制单元21闭合。静态开关24通过第一初级绕组34开始对点火线圈30充电，直至通过电路达到给定的电流水平(由电阻25以安培为单位测得)，所述电路由经由连接件11的电压发生器B(例如电池)、第一二极管22、经由连接件31和连接件34.1的第一初级绕组34、经由连接件34.2和连接件32的第二二极管23、静态开关24和连接至接地连接件26的电阻25组成。与此同时，由与第二初级绕组35串联连接的第一初级绕组34感应出的电动势的流动产生反向电流，该反向电流通过第二初级绕组35及相应的连接件35.1，将电容37充电至正电压。
如前所述，对流过所述电路的电流值的控制通过电阻25实现，驱动和控制单元21检测电阻25两端的与流过的电流值成正比的电势差值。驱动和控制单元21会监测电阻25，直至其两端达到预定的电势差。所述电阻25的两端的电势差达到所述预定值确保了有最大数量的能量被存入点火线圈30内。
然后静态开关24被经连接件21.2的驱动和控制单元21所驱动而断开。静态开关24由此断开电气触头，从而阻断所述的电流。正是由于对初级绕组34和35进行的所述分断，从而产生过压，其会抵御电流的变化。由此会产生反向电流，该反向电流将电容37置为正电压充电状态。与第一初级绕组34相反，电容37的充电量取决于第二初级绕组35的匝数。
在第二阶段，静态开关24仍然断开，能量被存储到点火线圈30内、更具体而言即存储到磁芯38内的能量通过次级绕组36和连接件36.1及36.2释放，由此在火花塞40的放电“间隙”41内产生高压，所述高压例如是负极性的。
在第三阶段，静态开关24被驱动和控制单元21通过21.2闭合。静态开关24使电能能够流经由电位发生器B及相应连接件11、第一二极管22、电压控制装置28、连接件31和连接件34.1、第一初级绕组34及相应连接件34.2、连接件32、第二二极管23、静态开关24、电阻25和接地连接件26组成的电路。由此，产生电流，该电流流经对电容37放电的第一初级绕组34、除了传送电容能量还传送电感能量的第二初级绕组35，以及磁芯38，流向第二次级绕组36，第二次级绕组36通过连接件36.1和36.2，在火花塞40的放电“间隙”41内产生高压，所述高压例如为正极性。
在第四阶段，静态开关24保持闭合，流过上述电路的电流值减小，电容37经第二初级绕组35放电，导致流经第一初级绕组34的电流增大，由此对点火线圈30进行充电。
在所述运行中，空气与燃料的混合物承受两个电脉冲：一个为正电压，一个为负电压。电介质击穿通常在第二运行阶段中产生的第一脉冲(例如负脉冲)期间发生，或者在第三运行阶段中产生的第二脉冲(例如正脉冲)期间发生。
在运行的第五阶段，驱动和控制单元21通过硬件和软件方式、以预定频率的PWM(脉冲宽度调制)指令驱动静态开关24，控制静态开关24的闭合时间Ton和断开时间Toff。所述断开时间Toff和闭合时间Ton由驱动和控制单元21通过算法确定，该算法对通过分析预定参数而提供的数据和通过监测反馈环而获得的数据进行处理，该反馈环由电压控制装置28及用于连接至驱动和控制单元21的相应连接件21.4、连接件31、连接件34.1、连接件32、第二二极管23、静态开关24、电阻25和接地连接件26组成。由于采用了零电流开关PWM技术，驱动和控制单元21可通过硬件和软件方式改变静态开关24的断开和闭合时间以及开关周期。
这种开关操作会在次级绕组36上产生一个在正值与负值之间振荡的高压电势，该高压电势能够使跨越放电“间隙”41的气体/混合物在由发动机控制单元ECU(其本身在现有技术中已知，在本文中未示出)所确定的时段内保持在等离子体状态下。所述振荡电势可维持跨越火花塞40的放电“间隙”41的电弧，由此在次级绕组36内形成电流，便于处于等离子状态的气体/混合物的膨胀，由此形成火焰前缘，由此，燃烧室内的气体混合物被引燃。上述效应称为雪崩电离效应。
优点
本发明可有利地实现上文列出的所有目的。
具体而言，本领域技术人员将注意到，外部部件的减少，电场/磁场的电路效率得以提升，这样可确保所实现的等离子点火装置占用空间较小，可靠性更高，使用灵活性水平较高，并可适应在各种内燃机中的应用，每种内燃机均在燃烧控制方面有其独特的需求。
此外还可注意到，在第一运行阶段，只有第一初级绕组34负责对线圈30充电。由此，其对电压发生器B的供能需求相比现有技术所教导的要更低。这种特性可有利地增加所述电位发生器B的使用寿命，确保运行成本较低，且可靠性得以提升。
由于作为本发明的目的的装置，可能在线圈30内部获得更高的能量积累，由此产生更强的火花，并确保发动机的燃烧室内的燃烧状况更好，从而获得更好的性能并减少污染物排放。
本发明的另一个优点来自于可能在气体混合物的紊流和压力水平均较高的情况下运行。这样就有可能在内燃机上配备本装置，从而可获得比现有技术中可获得的水平更好的性能水平。
此外，由于有利的电路架构，本发明不会受电压发生器B产生的可能的尖峰电压的影响，并能够消除所述尖峰电压可能造成的任何不利影响。
有利的是，由于采用了通过零电流开关的控制方式，本发明可以减小静态开关24两端的电荷损耗。
本发明的另一个优点是具有反馈环，其可实现对运行各阶段及雪崩效应的映射。
最后，本发明还可有利地将与点火线圈安装在一起的电路/磁路的尺寸缩减50％以上，由此使重量、电气损耗和部件成本均得以降低。此外，由于电/磁部件与线圈安装在一起，无需提供额外的电磁屏蔽或滤波器。
当然，在不超出本发明保护范围的条件下，可以对上文所述的实施方式进行多种改变和修改。

Claims (7)

1.一种用于内燃机的等离子点火装置，包括通过电气/电子连接装置(50、11、26、27、31、32、33、36.1、36.2、B)在电路中相互连接的驱动和模拟和/或数字控制单元(20)、点火线圈(30)和火花塞(40、41)，
所述点火线圈(30)包括相互串联的第一初级绕组(34)和第二初级绕组(35)，在第一初级绕组(34)与第二初级绕组(35)之间具有中心电气连接件(34.1)，用于对与所述第一初级绕组(34)和所述第二初级绕组(35)串联连接的电容(37)进行充电，并对磁性耦合到所述点火线圈(30)的次级绕组(36)的磁芯(38)进行充磁，以产生跨越所述火花塞(40)的放电间隙(41)的电势差，
其中，所述电容(37)被连接在所述第二初级绕组(35)和接地连接件(33)之间；
其中所述驱动和控制单元包括：
第一二极管(22)，其被设置在电压发生器和所述中心电气连接件之间；
第二二极管(23)，其具有连接到所述第一初级绕组的阳极端子；
开关(24)，其具有到所述第二二极管的阴极端子的连接件；
其中所述驱动和控制单元被配置为驱动所述开关的断开和关闭，以对所述初级绕组进行充电和放电，并对所述电容进行充电和放电，从而在所述火花塞的电极之间产生火花。
2.如权利要求1所述的等离子点火装置，其特征在于，所述驱动和模拟和/或数字控制单元(20)还包括驱动和控制单元(21)、电阻(25)、电压控制装置(28)，以通过驱动所述开关(24)，对负责对所述第一初级绕组(34)和所述第二初级绕组(35)进行电/磁充/放的电/磁路进行断开/闭合，对所述次级绕组(36)进行断开/闭合，以及对磁芯(38)进行断开/闭合。
3.如权利要求2所述的等离子点火装置，其特征在于，所述驱动和模拟和/或数字控制单元(20)还包括至少一个电气/电子连接件(50)，所述电气/电子连接件(50)用于在脉冲/指令不是由所述驱动和控制单元(21)产生的情况下，接收来自外部发动机控制单元ECU的脉冲/指令。
4.如权利要求2所述的等离子点火装置，其特征在于，所述驱动和模拟和/或数字控制单元(20)还包括位于所述电压控制装置(28)与所述中心电气连接件(34.1)之间的电气连接件(31)，和位于所述第一初级绕组(34)与所述第二二极管(23)之间的第二电气连接件(32)。
5.如权利要求2所述的等离子点火装置，其特征在于，还包括由所述电压控制装置(28)、所述第一初级绕组(34)、所述第二二极管(23)、所述开关(24)和所述电阻(25)组成的反馈环路，所述电阻(25)元件通过连接件(26)接地，使得所述驱动和控制单元(21)能够通过所述反馈环路确定所述开关(24)的断开/闭合时间。
6.如权利要求2所述的等离子点火装置，其特征在于，所述驱动和控制单元(21)还包括用于通过脉冲宽度调制PWM驱动所述开关(24)的硬件和软件。
7.如权利要求2所述的等离子点火装置，其特征在于，所述驱动和控制单元(21)还包括用于通过零电流开关驱动所述开关(24)，从而改变其断开/闭合时间和/或周期的硬件和软件，使得所述零电流开关在所述次级绕组(36)内产生振荡电势，且使得所述振荡电势产生跨越所述火花塞(40)的放电间隙(41)的至少一个电弧，并保持其处于激活状态。
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