CN105579701B - 用于点火气体燃料混合物的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于点火气体燃料混合物，特别是内燃机中的气体燃料混合物的方法和装置，其中通过对气体放电间隙施加由点火电路产生的高压，将至少一个由两电极界定的气体放电间隙点火。在所述气体放电间隙被击穿后，使用控制电路控制通过所述气体放电间隙的电流，使气体放电处于异常的辉光放电区，在此电流下，所述气体放电间隙间的电压在电流大于0.1A时以正梯度增大。控制流经所述气体放电间隙的电流，使其在0.1‑10A，优选为大于0.1A且小于或等于3A，进一步优选为0.5A和‑1A，其中所述电压为250‑3000V，优选为500‑2000V。将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间或周期控制在0.01‑50μs，优选为0.1‑10μs。

Description

用于点火气体燃料混合物的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于点火气体燃料混合物，特别是内燃机中的气体燃料混合物的方法和装置，其中至少一个由两个电极界定的气体放电间隙通过对所述气体放电间隙施加高压而被点火。

背景技术

目前，众所周知，高压电容器点火和晶体管线圈点火以及磁铁点火等可用于点火外部点火式内燃机燃烧室中的可燃气体燃料混合物。还有电容式等离子体点火，为已知点火方式的进一步发展形式，穿过并联连接的电容器的火花间隙进行放电(US 5 027 764，US5 197,448)。这些等离子体点火技术与前面提到的点火方式相比，表现出显著的关于燃烧技术和经济方面的优势。直接与气体放电间隙并联连接或通过至少一个高压二极管解耦的电容器的充电电容，在被击穿(电离)后产生通过所述气体放电间隙的强电流。据此产生的电流值为1-1000A。在气体放电的电弧区域的该电流在高温下产生带电等离子体。局部稀薄的混合物可用这种方式可靠地点火。由此产生的火花燃烧的持续时间约为几微秒。

在电弧区比较常见的从热阴极的热电子发射现象会导致不良后果，使火花塞电极受到强烈烧蚀。电弧放电会在阴极表面形成电弧斑点，由此在很大程度上抑制了气体放电。于是输入的点火能量会产生很大热损失，此外高频组分的集肤效应以及光弧的光束损失也会引起输入能量损失。由此必然消耗大量能量。通常也需要使用技术上较为复杂的等离子火花塞。此外，由于点火能量的这种引入方式，会产生湍流火焰传播。这种燃烧过程的火焰传播速度低，因此消耗大，CO和HC的废气值高，以及扭矩低，而最重要的是会使内燃机的转速较低。鉴于高压缩率，会产生更加频繁的爆震燃烧。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于点火气体燃料混合物的方法和装置，以改善燃烧，并产生具有高能量密度的大致为层流的快速火焰前缘，其中在气体放电间隙中产生具有大的表面和空间扩展的辉光层，并保持较低的电极损耗。

根据本发明，所述目的通过本发明的以下特征实现：

一种用于点火内燃机中的气体燃料混合物的方法，其中至少一个以两个电极为界形成的气体放电间隙，通过对所述气体放电间隙施加高压而被点火，所述方法的特征在于，所述气体放电间隙被击穿后，控制通过所述气体放电间隙的电流，使气体放电处于异常的辉光区，在此电流下，所述气体放电间隙间的电压在电流大于0.1A时以正梯度增加，将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间控制在0.01-50μs；

一种用于点火内燃机中的气体燃料混合物的装置，具有至少一个由两个电极界定的气体放电间隙、提供高压且具有点火变压器的点火电路，以及用于控制流经所述气体放电间隙的电流的控制电路，所述装置的特征在于，所述控制电路被配置为，用于在所述气体放电间隙被击穿后对所述电流进行控制，使所述气体放电间隙中的气体放电处于异常辉光放电区，在此电流下，所述气体放电间隙中的电压在电流大于0.1A时以正梯度增加，将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间控制在0.01-50μs。

通过本发明描述的以下措施可以作出进一步有利的发展和改进：

将通过所述气体放电间隙的电流控制为，使其在0.1-10A，并且所述电压为250-3000V；

将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间控制在0.1-10μs；

将流经所述气体放电间隙的电流的振幅和/或波形控制为脉冲形和/或上升型和/或下降型；

对所述高压引发的电流进行控制；

根据所述气体放电间隙的击穿情况，向所述气体放电间隙提供附加的电流，其中所述击穿情况使用传感器进行检测或使用电机控制进行设置；

所述附加的电流由受控的变压器或受控的电流源产生；

流经所述气体放电间隙的电流为斜坡状或锯齿状，或为交流电流，或为与交流分量叠加的直流分量；

所述控制电路被配置为用于所述用于点火内燃机中的气体燃料混合物的方法控制通过所述气体放电间隙的电流；

所述控制电路包括电流源和脉冲整形元件；

所述控制电路包括变压器(TR3，TR4)，所述变压器的初级侧设置有电压源和驱动电路(1，T4，8，12)，并且所述变压器被配置为，用于引发流经初级线圈(6，10)的电流，和用于当流经所述初级线圈(6，10)的电流超出规定的阈值和/或当达到规定的持续时间时，将所述初级侧断开；

所述驱动电路包括开关晶体管(T3，T4)和流经所述初级线圈(6，10)的电流或定时电路(8，9，12，13)的阈值检测器(R1，R2)，所述阈值检测器(R1，R2)对所述开关晶体管进行驱动；

所述点火变压器(TR2)另外设置有所述变压器(TR3)；

所述控制电路的所述变压器(TR4)同时形成所述点火变压器；

所述变压器(TR4)包括至少两个初级线圈(17，18)，其中一个所述初级线圈产生用于点火所述气体放电间隙的高压，另一个所述初级线圈在所述气体放电间隙被击穿后产生电压，以引发流经所述气体放电间隙的电流；

所述控制电路包括受控电流源，所述受控电流源包括直流电压源(14)、开关晶体管(T6)以及控制所述开关晶体管(T6)的脉冲整形元件(16)；

所述驱动电路包括控制所述开关晶体管(T3，T4)的脉冲整形元件(9，13)；

设置有用于检测所述气体放电间隙的击穿的传感器布置；

所述传感器布置包括位于高压线上的至少一个电容传感器或电感传感器，或由于所述控制电路的所述变压器(TR4)同时形成所述点火变压器，所述传感器布置包括附加的初级线圈用作传感器线圈；

至少火花塞的阴极包括由铁电性材料构成的电极；

所述将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间控制在0.1-10μs。

根据本发明，提出一种用于点火气体燃料混合物，特别是内燃机中的气体燃料混合物的方法，其中以两个电极为界形成的至少一个气体放电间隙通过对所述气体放电间隙施加高压而被点火。由于在所述气体放电间隙被击穿后，控制通过所述气体放电间隙的电流，使气体放电处于异常辉光放电区，在该电流下，所述气体放电间隙间的电压在电流大于0.1A时以正梯度增加，因此在气体放电间隙中产生确定的等离子体能量分布，其增加了阴极的等离子体的激发空间，并从阴极大量释放电子，从而以这种方式产生平流火焰前缘并使可燃气体燃料混合物形成可靠的火焰核心。所产生的密集的层流火焰前缘的特征为使混合物以低污染物的方式转化，并将其传播到燃烧空间的壁面。由此减少了燃烧室壁上形成的碳沉积物，也就是说，烧掉了覆盖在燃烧室壁上的碳沉积物。

用本发明所述方法可引发可靠的计时精确且无爆震的燃烧，其中穿过气体放电间隙的气体放电即使在难以点火的情况下也位于异常辉光区，其中难以点火的情况例如混合物被高度稀释，残余物含量高，即混合物稀薄且充电电流较大。在一定的操作条件下，所述操作条件如内燃机的负荷点/扭矩与速度，这会导致操作窗口增加，如关于混合比；并导致效率提高，主要体现为提高的功率、改进的燃料消耗和改进的废气值。特别是，这涉及未燃烧的碳氢化合物HC中的废气组分、一氧化碳CO、甲醛以及排放的颗粒物。

有利的是，将通过气体放电间隙的电流控制或设置为，使其处于0.1-10A，优选为大于0.1A并小于或等于3A，甚至更优选为0.5-1A，并且电压位于250-3000V，优选为500-2000V。将通过气体放电间隙的电压和电流的大小设定为，使得气体放电可靠地位于异常辉光区，同时考虑电极的几何形状、气体混合状况、压力和电极距离。

在优选示例性实施例中，持续时间和根据具体情况，流经气体放电间隙的电流的周期时间被控制为，使其在0.01-50μs之间，优选0.1-10μs。由此措施可保证气体放电不会移至电弧放电区。

有利的是，将流经气体放电间隙的电流的振幅和/或形状控制或设置为，使电流为脉冲形和/或上升和/或下降形。由此可将其配置为斜坡形或锯齿形或与交流分量叠加的直流分量等。可通过例如控制或设置流经气体放电间隙的电流的形状来取得或达到产生平流火焰的最佳点。这可通过例如斜坡状电流实现。通过气体放电间隙的电流的“振荡”也可是例如锯齿形、与直流电压叠加的正弦曲线，或者同样地，是为了增加产生层流火焰的可能性。

在一个特别优选的示例性实施例中，根据气体放电间隙的击穿，将附加的电流导向气体放电间隙，其中所述气体放电间隙的击穿由传感器进行检测或使用电机控制器进行设置。电流进程的形状可由此根据所需的设置进行更好的控制。从而由受控的变压器或受控的电流源产生附加的电流。

在进一步的示例性实施例中，对由高压引发并通过气体放电间隙的电流进行控制或设置。这可通过对产生高压的电路进行尺寸调节和控制而以简单方式实现，这意味着减少了开关操作。

根据本发明，同样提出一种用于点火气体燃料混合物，特别是内燃机中的气体燃料混合物的装置，所述装置适用于执行本发明的具有特定特征的方法。所述装置包括由两个电极界定的至少一个气体放电间隙、提供高压且设有点火变压器的点火电路，以及用于控制流经所述气体放电间隙的电流的控制电路，其中所述控制电路被配置为用于对所述电流进行控制，使穿过所述气体放电间隙的气体放电处于异常辉光区，在此电流下，所述气体放电间隙间的电压在电流大于0.1A时以正梯度增加。所述方法的优点也可使用本发明所述的装置实现。所述点火电路可设置为已知的点火电路，例如，高压电容器点火、晶体管线圈点火或磁铁点火。

特别有利的是，至少，含有电极的火花塞中的阴极由铁磁材料组成，其原因是由于集肤效应(电流位移效应)的增强，电极间的火花体积随铁磁材料而增加。另外给予的电极退出工作(electrode exit work)较小。由此，不应超过铁磁材料的居里温度，以保持因集肤效应而增加的火花体积，否则铁磁特性将发生改变。

此外，有利的是使用冷火花塞(即，具有一热额定值(heat rating)，通过该额定值，可使在相同的操作条件下绝缘陶瓷的表面温度较低)，因为冷火花塞具有较低的红外发射，且清洁燃烧的污染较低。

此外，由于火花塞的阴极，尤其是钢制造的火花塞的阴极的异常辉光燃烧，因此有利的是，发生等离子体渗氮过程，由此氮原子扩散进入电极表面，这意味着生成了具有非常坚硬表面的氮化层。由此大幅降低了电极的电火花烧蚀。因此，阳极可由贵金属或其合金制造，如由铱制造，以保护其免受烧蚀。如果流经辉光放电间隙的电流为交变电流或其极性随每个点火周期而发生变化，则可通过极性变化在火花塞的两个电极上实现等离子渗氮及使两个电极硬化。

根据本发明，所述控制电路包括电流源，优选为脉冲形成元件。所需的电流其幅值和/或其信号形状可被控制或设置为，使得可由此达到异常辉光放电的操作点。

在一特别优选的示例性实施例中，作为电流源的控制电路包括变压器，所述变压器的初级侧与电压源和驱动电路连接，其中所述驱动电路被配置为用于引发电流通过初级线圈，和用于当流经所述初级线圈的电流超出预定的阈值或达到规定的持续时间时将所述初级侧断开。因此所述驱动电路可包括开关晶体管和用于检测流经变压器初级线圈的电流和/或定时电路(time circuit)的阈值检测器，所述阈值检测器对所述开关晶体管进行驱动。所述定时电路由此可被设置为单稳触发器(单稳态触发器)或定时器或微处理器。

在一特别优选的实施例中，点火电路的点火变压器另外设置有变压器。以这种方式可对气体放电间隙施加附加的电流，并且该电流的参数可通过附加变压器以其各自的驱动电路进行简单设置。由此，附加变压器的尺寸可以保持小于产生高压所需的点火变压器。

在进一步的示例性实施例中，用于产生高压的点火变压器同时形成用于生成通过气体放电间隙的电流的变压器，其中驱动电路必须与之相适配。本实施例的优点为需要使用的部件较少。

同时形成点火变压器和生成通过气体放电间隙的电流的变压器的变压器优选设置有至少两个初级线圈，这意味着其优点为能够分别设置两个阶段——生成高压阶段和产生异常辉光区阶段——的能量数量。达到异常辉光区的操作点的电流脉冲可以这种方式更精确地固定。另外，不需要使用容易发生故障的高压二极管。所述两个初级线圈也可由具有抽头(tapping)的分线圈组成。本发明的这种装置还适用于改造和首次安装。

还可以一种有利的方式提供第三初级线圈作为传感器线圈，用于检测气体放电间隙的击穿，和引发通过气体放电间隙的附加电流的产生。

在优选示例性实施例中，控制电路包括激活直流电压源的受控电流源，开关晶体管和驱动开关晶体管的脉冲整形元件(pulse-shaping stage)。这样的实施例具有优势的原因是可以对附加电流，即通过气体放电间隙的电流进程的幅值和形状以简单的方式进行控制或设置。

驱动电路也可包括脉冲整形元件，其用于激活驱动电路的开关晶体管，从而用变压器对实施例中所述的形状和幅值进行设置或控制。

使用至少一个电容传感器(如平行导线/屏蔽体)的传感器布置可用于随着气体放电间隙的击穿而扫描电压分支(voltage flank)，或高压导体上的电感传感器(例如电流钳)可用于产生电流脉冲。所述布置在改造时非常有用。

本发明装置的不同实施例适用于控制或设置异常辉光区中气体放电的操作点所需的电流进程及其所需的电压，其中参数在所述方法中进行详细说明。应假定，必须考虑电流随时间的积分或电流的平方值，从而避免气体放电间隙从异常辉光区过渡到电弧区。

本发明所述的装置可有利地用于点火内燃机、其他热力发动机、加热装置或气体燃烧器中的气体燃料混合物。因此，也可对现有的点火电路进行改造。本发明所述的装置也可以用于形成气体放电间隙电极的不同的火花塞。另外，本发明所述的装置可至少局部地模压有用于电气绝缘的模具。

附图说明

本发明所述的实施例体现在下文中的附图中，并在下文的发明内容中进行了更详细的说明。所示附图为：

图1为本发明第一示例性实施例的本发明装置的电路图；

图2为本发明第二示例性实施例的本发明装置的电路图；

图3本发明第三示例性实施例的本发明装置的电路图；

图4为气体放电的示例性电流-电压特性曲线图；

图5为本发明装置所用的变压器初级侧和次级侧的电流进程随时间变化的特性曲线图；

图6为本发明第四示例性实施例的本发明装置的电路图；

图7为本发明第五示例性实施例的本发明装置的电路图。

具体实施方式

图1所代表的适于改造的本发明装置包括点火电路TSZ，所述点火电路TSZ设置为晶体管线圈点火并包括点火变压器TR2以及驱动电路2，其中驱动电路包括晶体管T2和以本身已知方式控制晶体管T2的微电脑3，以产生点火所需的高压。晶体管T2经其集电极与初级线圈4连接，初级线圈4另外位于电压源，如汽车电池。变压器TR2的次级线圈5通过相关的气体放电间隙GS和GS'与两个火花塞ZK和ZK'连接，也就是说表示一个双火花点火装置，但其只是一个示例。两个火花塞ZK和ZK'也可仅由一个火花塞代替，下文的描述中将会涉及仅一个火花塞和气体放电间。

高压二极管D3与支路中的火花塞ZK连接，以防止逆电流(back-current)。点火变压器TR2以已知方式在切断经由初级线圈4流过晶体管T2的初级电流后，向次级侧提供高压，并相应地在点火时刻向火花塞ZK提供高压。

另一变压器或匹配变压器TR3的次级侧通过高压二极管D1与气体放电间隙连接，以将高压与点火变压器解耦或隔开，其中另一变压器或匹配变压器TR3用于能量储存并与点火变压器TR2分开。变压器TR3的初级侧或初级线圈6的一侧施加操作电压，即汽车电池，其另一端与开关晶体管T3的集电极连接，开关晶体管T3的发射极通过电阻器R1接地。晶体管T3的底座与单稳态触发器8连接，其中晶体管T3和单稳态触发器8是驱动电路1的组件。传感器Sen可在变压器TR2或变压器TR3的一侧分别与导线连接，并被配置为电容传感器、电感传感器或分压器，用于检测气体放电间隙的击穿。

图1显示通过高压二极管D2解耦的另外的汽缸或气体放电间隙。但是，每个汽缸也可设置由变压器TR3和驱动电路1或开关晶体管T3组成的元件。

下文将更详细阐述图1所示的装置的工作方式。点火电路TSZ首先产生约10-30kV的高压，将其施加于火花塞ZK。由此影响气体放电间隙GS的击穿。由于单稳态触发器的输出被切换至“高”档位，通过传感器Sen设置单稳态触发器8的输入以驱动晶体管，其中传感器Sen可以是天线传感器，位于点火导线附近，用于检测气体放电路径的击穿。也可通过电机控制的另一输入来实现单稳态触发器8的触发。在图5的上部展示了，晶体管T3开始导电，并且一个增加的电流I流经变压器/匹配变压器TR3的初级线圈。例如，变压器TR3——其变压比为1:100且其次级线圈7的电感较小，约为15mH——的铁氧体芯带有磁场能。当单稳态触发器8的充电时间完成后，将输出切换至“低”档位，这意味着晶体管T3再次断开。切断的标准也可以根据电阻器R1的电流阈值测量值来进行设置。控制晶体管T3的驱动时间被设置为，使得在初级侧得到约50-100A(图5中是50A)的电流。当变压器TR3的变压比为例如1:100时，大约0.5-1A的电流流入预电离的气体放电间隙GS，原因在于，变压器TR3的初级侧的电流被中断，即匹配变压器TR3中所带的磁场能通过高压二极管D1而释放，并且视情况也可通过其他部件而释放，所述其他部件如干扰抑制滤波器，所述释放以流经气体放电间隙的电流的形式。

从图5中可以看出，变压器TR3的次级电流流动时长为大约5μs。当然，也可设置从0.1μs和10μs之间到50μs的时间段。由于所提供的电流i，放电发生在异常辉光放电区，其中图4展示了气体放电的特性曲线。电压大致在1kV的区域，其中根据各个部件的参数设计，电压区可为250-3000V，优选500-2000V。

在匹配变压器TR3的初级侧并且由此也是在其次级侧的最大电流可以根据单稳态触发器8的接通时间来确定，其中待释放的能量也依赖于初级侧充电电流I的最大值。在上述情况下，通过气体放电间隙的电流i的进程形状由变压器或匹配变压器TR3来确定，而电流幅值由初级侧的最大电流来确定。匹配变压器TR3是进程形状的控制元件，晶体管T3和单稳态触发器8的时间是所述最大电流的控制元件。

由于气体放电间隙的U/I特性曲线的典型进程是已知的，可通过施加限定的电流(impressing the defined current)达到某一操作点。如图5所示，由于次级电流的下降的分支，可可靠地实现异常辉光区的操作点。

脉冲整形元件(其替代单稳态触发器8地或另外地与晶体管T3的底座连接)表示在图1中，其参考数字为9。将与单稳态触发器8相同的输入信号传输至脉冲整形元件9，并基于这些信号根据确定的所需信号形状将晶体管T3激活。例如，可得到为锯齿波函数的形状的的初级电流或为下降或上升的各个脉冲或脉冲群的初级电流。变压器TR3的初级电流的相应形状被传输至次级侧，根据所述形状，将次级电流施加到气体放电间隙。这样的电流进程应当以上升或下降曲线的形式多次经过异常辉光放电的操作点以及由此层流火焰形成的操作点，从而确保点火的引发得到改善，也就是说通过多次达到操作点来提高点火的可靠性。

脉冲整形元件9可使用微控制器进行控制，或可包括所述微控制器，进行信号整形。指定的次级电流可包含交流分量，如锯齿形曲线，并由高压二极管D1进行整流，从而根据具体情况，只允许半波通过。因此产生流经气体放电间隙的叠加电流信号。

对于变压器TR2和TR3的尺寸和设计，变压器TR2可以被设计为传统的点火线圈，即为点火提供必要的高压的传统点火变压器。对于变压器，提供了具有空气间隙的铁氧体以在空气间隙中产生更大的磁能消耗。按照指定，线圈的变压比是1:100，其中这是一个大致的数字：比如可以选择1:75的变压比，也可在所述的各变压比之间进行选择。在本示例性实施例中的次级线圈约15mH，然而在初级侧可以选择幅值为约2.7μH，峰值电流为50-100A。本示例性实施例中的操作电压为12-24V。变压器TR3在气体放电间隙被击穿后，提供大约500到2000V的电压。

图2所示为本发明装置的另一示例性实施例，其中上述装置尤其是适用于首次安装，且所述装置的结构与图1左侧所示的结构相似，即提供的变压器TR4具有产生高压的功能，用于储存能量，及对通过气体放电间隙的电流进行设置或控制的功能。变压器TR4的初级线圈10处于12-24V的操作电压，并位于开关晶体管T4的集电极处，所述开关晶体管T4的发射极通过电阻器R2接地，且开关晶体管T4底部由微控制器12进行控制。

晶体管T4通过微控制器12接通，以触发点火程序。接通晶体管T4后，变压器TR4的初级侧通过增大的电流I而带有磁场能。通过断开晶体管T4，将高压施加到变压器TR4次级侧的气体放电间隙GS，这意味着该气体放电间隙被击穿。气体放电间隙被击穿后，变压器TR4的剩余能量用限定的电流进程引导，进入气体放电间隙，这意味着气体放电发生在异常辉光放电区，其中所述电流进程与图5中的电流进程相对应并表示为下降的坡线形。例如，如图5所示，初级切断电流约为50A，而击穿后电流i的幅值最大为0.5A，并在大约5μs的气体放电间隙的燃烧时间段内下降。由此通过变压器TR4的尺寸及其控制对电流进程进行设置。用于产生通过气体放电间隙的电流i并确定脉冲的部件是最大值时的晶体管T4、具有确定的晶体管T4的接通时间的微控制器12，以及具有确定变压比的变压器TR4，所述变压比此处同样也位于1:100至1:75的范围内。电阻器R2，更如图1所示的电阻器R1一样，可用于测量初级线圈10中的电流。

同样的，可使用用于激活晶体管T4的脉冲整形元件13，以实现与图5不同的电流进程形状。必须在匹配变压器TR4的初级侧实现具有通过晶体管T4切断的切断点的上升的电流坡线I作为主要脉冲，从而形成用于使气体放电间隙电离的高压。此后，脉冲整形元件13以这样一种方式控制晶体管T4：使气体放电间隙中的电流进程i与交流信号相对应。可以想到使用例如锯齿波，其中首先产生用于产生电离的高压，然后在每种情况下，产生异常辉光区的电流脉冲，所述锯齿波具有多个连续的下降的斜坡。由于在变压器TR4的次级电路中没有必要使用附加的二极管(气体放电间隙的高压和电流i由同一源TR4产生)，电流i未经整流。因此可以使用交流电流，即“纯锯齿形电流”。

图3显示单独储存能量的另一示例性实施例，其中具有驱动1的变压器TR3被受控电流源代替，并且其中本实施例尤其适用于进行改造。用于对气体放电间隙产生高压的点火电路与图1相对应，不再赘述。

受控电流源包括直流电压源14，直流电压源14例如可包含步进斩波器(step-upchopper)15和电容器C1，电容器C1被充电至例如2000V。电容器C1与受控开关晶体管T6的集电极连接，所述受控开关晶体管T6的发射极通过电阻器R3和二极管D1与火花塞ZK连接，以在击穿后控制电流i通过气体放电间隙。此处，脉冲整形元件16对晶体管T6进行控制。此处，其中由二极管D2和传感器Sen2表示的其他气体放电间隙可以通过与图1对应的方式进行控制。

如图1所示，在气体放电间隙被击穿后，通过受控电流源对通过气体放电间隙施加附加电流。可通过受控电流源，尤其是脉冲整形元件16、开关晶体管T6以及电阻器R3，来产生所施加的通过气体放电间隙的附加电流i的所需曲线形状。因此，根据已知实施例来选择电流的幅值和施加的持续时间，即，例如，在5-10μs的时间内产生0.1-1A的下降电流分支。根据具体情况，当各个元件的尺寸多少有点不同时，视情况可实现0.5-3A的电流强度或0.5-50μs的时长。

图6显示本发明的第四个示例性实施例，其适于改造和首次安装，其中所述电路原理上对应于图2所示电路的原理。在本实施例中，变压器/匹配变压器TR4的初级侧10包括两个线圈17，18，分别为产生高压的阶段和产生异常辉光区的中压的阶段提供能量储存，其中当电流在异常辉光区操作点下流经气体放电间隙GS时，气体放电间隙处的电压显示为中压(250-3000V)。供给两个线圈17，18的电压为12/24V。线圈17被由微控制器12控制的晶体管T4激活，本实施例中的另一线圈18被与电阻器R4串联的晶体管T5激活。第三线圈19——其被称为“传感器线圈”——设置在变压器TR4的初级侧10上，变压器TR4一方面接地，另一方面与单稳态触发器20连接，单稳态触发器20还与晶体管T5的控制输入连接。

通过微控制器12的控制输出使晶体管T4切换为导电状态，从而进行操作。通过T4的电流增大，并且相关的初级线圈17使变压器TR4带有磁场能。当达到电流最大值后，将晶体管T4断开，在变压器TR4的次级侧产生高压。所述高压通过高压导线导向气体放电间隙GS和GS'。达到击穿电压后，气体放电间隙GS和GS’发生电离，并且电压击穿达到约500-1000V的燃烧电压。15-40kV的电压分支由此而产生，并被转移到纳秒区的初级侧“传感器线圈”19，且该电压信号被传送到所设置的单稳态触发器20的输入端。单稳态触发器20的输出使晶体管T5切换到导电状态，导电5μs。通过变压器TR4的相关初级线圈18的电流I增大到最大值50A。晶体管T5之后再次切断。电流以1:100的变压比变压到变压器TR5的次级侧。0.5A的初始电流i流经气体放电间隙GS和GS'。减小的电流i保证气体放电间隙在异常辉光区进行操作。

所述电路的优点为产生高压和产生异常辉光区这两个阶段的能量值可以分别进行固定。因此，可更精确地设置电流脉冲，以达到异常辉光区的操作点。另外，像图2所示的电路那样，不需要使用容易发生故障的高压二极管。

同样地，本实施例中可使用脉冲整形元件13，而不用单稳态触发器20，该脉冲整形元件18驱动初级线圈18以产生电流i，其中工作方式如针对图2所述。

图7显示本发明的第五个示例性实施例，其中电路在原理上也与图2所示的电路原理相对应。该电路可在改造或首次安装时使用。

图7所示的示例性实施例，其方式与图2相对应，通过断开开关元件或晶体管T4使变压器TR4的初级线圈10中的电流断开后，在气体放电间隙GS产生高压。气体放电间隙GS被击穿后，剩余能量从变压器TR4的初级侧线圈10释放，以低阻抗方式穿过气体放电间隙GS。因此，必须在高电压电路中设置放电保护二极管D4以保护变压器TR4的次级侧免受分流损失(shunt losses)。放电保护二极管D4也用来在开关元件T4的接通过程中发挥保护作用，使其免受反向极化的阻断电压。

随后描述的放电过程在电离和气体放电间隙GS处点火电压被击穿成为燃烧电压之后开始。之后电流经二极管D5从变压器TR4的初级线圈10流出，进入气体放电间隙(晶体管T4被阻断)。然后通过变压器TR4的初级线圈10在具有至少两个电极的气体放电间隙GS间的放电确定该分支的电流进程。这一电路的优点为初级侧可高效地为气体放电间隙GS提供能量，以达到异常辉光放电的操作点。所述初级侧具有低阻抗。

Claims (22)

1.一种用于点火内燃机中的气体燃料混合物的方法，其中至少一个以两个电极为界形成的气体放电间隙，通过对所述气体放电间隙施加高压而被点火，所述方法的特征在于，所述气体放电间隙被击穿后，控制通过所述气体放电间隙的电流，使气体放电处于异常的辉光区，在此电流下，所述气体放电间隙间的电压在电流大于0.1A时以正梯度增加，将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间控制在0.01-50μs。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将通过所述气体放电间隙的电流控制为，使其在0.1-10A，并且所述电压为250-3000V。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间控制在0.1-10μs。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将流经所述气体放电间隙的电流的振幅和/或波形控制为脉冲形和/或上升型和/或下降型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述高压引发的电流进行控制。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述气体放电间隙的击穿情况，向所述气体放电间隙提供附加的电流，其中所述击穿情况使用传感器进行检测或使用电机控制进行设置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述附加的电流由受控的变压器或受控的电流源产生。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，流经所述气体放电间隙的电流为斜坡状或锯齿状，或为交流电流，或为与交流分量叠加的直流分量。

9.一种用于点火内燃机中的气体燃料混合物的装置，具有至少一个由两个电极界定的气体放电间隙、提供高压且具有点火变压器的点火电路，以及用于控制流经所述气体放电间隙的电流的控制电路，所述装置的特征在于，所述控制电路被配置为，用于在所述气体放电间隙被击穿后对所述电流进行控制，使所述气体放电间隙中的气体放电处于异常辉光放电区，在此电流下，所述气体放电间隙中的电压在电流大于0.1A时以正梯度增加，将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间控制在0.01-50μs。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制电路被配置为用于根据权利要求2至8任一项所述的方法控制通过所述气体放电间隙的电流。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括电流源和脉冲整形元件。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括变压器(TR3，TR4)，所述变压器的初级侧设置有电压源和驱动电路(1，T4，8，12)，并且所述变压器被配置为，用于引发流经初级线圈(6，10)的电流，和用于当流经所述初级线圈(6，10)的电流超出规定的阈值和/或当达到规定的持续时间时，将所述初级侧断开。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述驱动电路包括开关晶体管(T3，T4)和流经所述初级线圈(6，10)的电流或定时电路(8，9，12，13)的阈值检测器(R1，R2)，所述阈值检测器(R1，R2)对所述开关晶体管进行驱动。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述点火变压器(TR2)另外设置有所述变压器(TR3)。

15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述控制电路的所述变压器(TR4)同时形成所述点火变压器。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述变压器(TR4)包括至少两个初级线圈(17，18)，其中一个所述初级线圈产生用于点火所述气体放电间隙的高压，另一个所述初级线圈在所述气体放电间隙被击穿后产生电压，以引发流经所述气体放电间隙的电流。

17.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括受控电流源，所述受控电流源包括直流电压源(14)、开关晶体管(T6)以及控制所述开关晶体管(T6)的脉冲整形元件(16)。

18.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述驱动电路包括控制所述开关晶体管(T3，T4)的脉冲整形元件(9，13)。

19.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，设置有用于检测所述气体放电间隙的击穿的传感器布置。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述传感器布置包括位于高压线上的至少一个电容传感器或电感传感器，或由于所述控制电路的所述变压器(TR4)同时形成所述点火变压器，所述传感器布置包括附加的初级线圈用作传感器线圈。

21.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，至少火花塞的阴极包括由铁电性材料构成的电极。

22.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述将流经所述气体放电间隙的电流的持续时间控制在0.1-10μs。