CN109196221A - 用于对燃烧室中的空气-燃料混合物进行点火的点火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对特别是内燃机的燃烧室中的空气‑燃料混合物进行点火的点火装置(10)，具有：火花塞(12)，其具有第一电极(18)和第二电极(19)；高电压源(14)，其用于在高电压源的输出(22)处产生高电压脉冲；以及高频电压源(16)，其用于在高频电压源(16)的输出(26)处产生高频交流电压，其中，高电压源(14)的输出(22)经由第一导电路径(24)而电连接至火花塞(12)的第一电极(18)，使得高电压脉冲被施加到第一电极(18)，第二电极(19)电连接至接地电位，火花塞(12)具有第三电极(20)，高频电压源(16)的输出(26)经由第二导电路径(28)而电连接至第三电极(20)，使得高频交流电压被施加到第三电极(20)。

Description

用于对燃烧室中的空气-燃料混合物进行点火的点火装置
根据权利要求1的前序，本发明涉及一种点火装置，用于对特别是内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物进行点火，所述点火装置具有：火花塞，其具有第一电极和第二电极；高电压源或DC高电压源，其用于在所述高电压源的输出处产生高电压脉冲或DC高电压脉冲；以及高频电压源或高频交流电压源，用于在该高频电压源的输出处产生高频交流电压，其中，所述高电压源的输出经由第一导电路径而电连接至所述火花塞的所述第一电极，使得所述高电压脉冲被施加到所述第一电极，所述第二电极电连接至接地电位。
由于在燃烧室中能够实现分层进气的可能性，因而具有直接燃料喷射的所谓的Otto燃烧过程为减少消耗提供了相当大的潜力。然而，燃烧室中不均匀的混合物对用于在合适的时间实现可靠点火的点火方法提出了更高的要求。例如，任何种类的波动都会降低点火质量，从而降低发动机的整体效率。一个方面，可燃混合物的位置可能稍微变化，另一方面，火花塞接地电极的钩(hook)可能干扰混合物的形成。具有到燃烧室中的较大空间延伸的点火系统对直接喷射燃烧过程是有帮助的。为此，DE 10 2004 058 925 A1提出了通过等离子体在内燃机的燃烧室内点燃燃料-空气混合物。相应的高频等离子体点火装置包括具有电感和电容的串联谐振电路和用于对该串联谐振电路进行谐振激励的高频源。电容被表示为具有介于中间的电介质的内导体电极和外导体电极。这些电极的最外端间隔一定距离并延伸到燃烧室中。
通过DE 10 2008 051 185 A1已知一种点火方法，其中，通过高电压脉冲产生火花等离子体，然后通过HF场进一步对所述等离子体进行加热，从而变成辉光放电。由此，HF发生器的输出信号和所述高电压脉冲被共同馈送到火花塞的火花电极。火花塞的回流电极接地。
当今，现代汽油发动机点火系统包括火花塞和带有电子控制单元的单个点火线圈。火花塞具有同轴结构，并且基本上由被绝缘体包围的中心电极和连接到火花塞壳体的外电极组成。点火线圈为火花塞提供高电压脉冲或DC高电压脉冲。在电极之间产生火花，这启动燃烧。在DE 10 2013 215 663 A1中描述了一种替代方法，其中除了从点火线圈施加的高电压之外，还向火花塞施加高频电压。火花等离子体由此转变为HF等离子体。
在上述的经典点火概念中，火花等离子体在两个电极，即，有源“驱动”电极(也称为高压电极)和电位连接到发动机组的地线(0V)和汽车的整个车身的无源电极(也称为接地电极)之间燃烧。接地电极也可以以多电极的形式设计。由于在等离子体点火之后，储存在点火线圈中的能量仅在几十纳秒的时间尺度上耦合到等离子体，因而这些点火系统因基本原理而具有可控性差的缺点。由于电子密度迅速增加和等离子体电导率相关联地增加，因此电流急剧增加。等离子体中的所有后续过程仅仅是该能量输入的结果，并且不再能够受外部影响。特别地，不再发生对等离子体的进一步加热。其结果是没有产生显著的自由电子，因而没有产生促进燃烧的反应性物质，例如原子氧。另一方面，燃烧发生在明显更长的时间尺度上，但依赖于先前产生的原子氧的密度。
本发明基于在影响火花塞的电极之间的等离子体的参数的可能性方面改进上述类型的点火装置的问题。
根据本发明，通过上述类型的具有权利要求1的表征特征的点火装置来解决该问题。本发明的有利变形在其它权利要求中得到描述。
为此，在根据本发明的上述类型的点火装置中，所述火花塞具有第三电极，其中，所述高频电压源的输出经由第二导电路径而电连接至所述第三电极，使得所述高频交流电压被施加到所述第三电极。
这具有如下优点：两个有源电极可供使用，使得在通过所述高电压脉冲对所述火花塞的两个电极之间的等离子体进行点火之后，所述高频交流电压可以以明显较低的电压水平立即继续将能量耦合到等离子体中。
高电压源被设计成点火线圈的形式，由此实现了特别简单且功能可靠的点火装置。
保护电路在第二导电路径中被电连接在所述火花塞的所述第三电极和所述高频电压源的输出之间，该保护电路阻止来自所述高电压源的高电压脉冲击穿至所述高频电压源的输出，由此实现了保护所述高频电压源免受过电压。
采用频率选择滤波器的形式、特别是采用带通滤波器的形式的隔离元件在所述第二导电路径中被电连接在火花塞的所述第三电极和所述高频电压源的输出之间，由此实现了例如仅期望频带的从所述高频电压源向所述火花塞的所述第三电极的频率选择传输。
所述隔离元件在所述第二导电路径中被电连接在所述保护电路和所述高频电压源的输出之间，由此也实现了保护所述隔离元件免受过电压。
在本发明的优选的进一步发展中，所述隔离元件在所述第二导电路径中被电连接在所述保护电路和所述第三电极之间。这具有如下优点：该隔离元件使带通范围外的能量衰减，从而简化了保护电路的实现。
保护电路在所述第一导电路径中被电连接在所述高电压源的输出和所述火花塞的所述第一电极之间，该保护电路表示HF的接地参考，由此实现了改进从所述高电压源向所述火花塞的高电压传输。
在第一种情况下，在向所述第一电极施加所述高电压脉冲时，在所述第一电极和所述第二电极之间形成第一导电等离子体通道，并且在向所述第三电极施加所述高频交流电压时，在所述第三电极和所述第二电极之间形成第三导电等离子体通道。因此，通过从所述高频电压源向高频电极另外施加高频电压，可以在较长时间段内向等离子体引入更多的功率。作为结果，连续地产生电子，并且等离子体中的自由电子密度保持得更久，这与反应性物质(尤其是原子氧)的持久产生相关联。
在第二种情况下，在向所述第一电极施加所述高电压脉冲时，在所述第一电极和所述第三电极之间形成第二导电等离子体通道，并且在所述第三电极和所述第二电极之间形成第三导电等离子体通道。在向所述第三电极施加高频电压时，所述第三电极和所述第二电极之间的第三等离子体通道被保持并在较长的时间段内在较大的空间中传播。
以下参考附图来更详细地描述本发明，其中：
图1示出根据本发明的点火装置的优选实施例的示意表示；以及
图2示出根据本发明的点火装置的替代优选实施例的示意表示。
图1表示根据本发明的点火装置10的优选实施例，点火装置10包括火花塞12、高电压源或直流(DC)高电压源14、以及高频电压源16。火花塞12具有第一电极18(高压电极)、第二电极19(接地电极)、以及第三电极20(高频电极)。第二电极19与接地电位40电连接。电极18、19、20伸入到例如内燃机工作缸中的燃烧室(未示出)内，其中要对燃料-空气混合物进行点火。高电压源14被设计成点火线圈的形式，并产生在高电压源14的输出22处存在的高电压脉冲或直流(DC)高电压脉冲。在这种情况下，“DC高电压脉冲”的表达是指具有数kV(例如，3kV至30kV或者8kV至12kV)的高电压的DC电压脉冲。高电压源14的输出22经由第一导电路径24而电连接至第一电极18，使得来自高电压源14的高电压脉冲被馈送至火花塞12的第一电极18。
高频电压源16产生该高频电压源16的输出26处所存在的高频交流电压。高频电压源16的输出26经由第二导电路径28而电连接至火花塞12的第三电极20，使得高频交流电压从高频电压源16馈送至火花塞12的第三电极20。高频电压源16还电连接至接地电位40。
保护电路30电连接至第二导电路径28中。该保护电路30被配置为使得：在一方面防止来自高电压源14的高电压脉冲击穿第二导电路径28直至高频电压源16的输出26，并且在另一方面使来自高频电压源16的高频交流电压沿火花塞12的第三电极20的方向传递。以这种方式，保护高频电压源16免受过电压。
隔离元件32也在第二导电路径28中电连接在保护电路30和高频电压源16的输出26之间。该隔离元件32被设计成频率选择滤波器的形式，例如设计成具有恒定的或可变的电容34、以及恒定的或可变的电感36的带通滤波器的形式。该带通滤波器仅允许来自高频电压源16的预定频带沿第三电极20的方向通过第二导电路径28。可以利用隔离元件32持续调整高频交流电压的耦合频率，使得实现能量向被点火的等离子体的最佳输入。
根据本发明的点火装置被设计成高频等离子体点火系统的形式，并且在火花塞12中包括两个有源电极18、20即作为第一电极18的高电压电极和作为第三电极20的高频电极、以及接地电极19。点火线圈14产生高电压脉冲或直流(DC)高电压脉冲，其中在第一种情况下，该高电压脉冲或直流高电压脉冲在火花塞12的高压电极18和接地电极19之间到达击穿电压时对两个电极18、19之间的空间(第一等离子体通道42)中的最初等离子体进行点火。
等离子体包含电子、离子、激发粒子和中性粒子等。自由电荷载体(电子和离子)首先在火花塞12的高电压电极18和接地电极19之间形成能导电的第一等离子体通道(箭头42)。通过后续从高频电压源16向位于最初等离子体空间内的第三电极20馈送高频交流电压，在高频电极20和接地电极19之间的空间(第三等离子体通道44)中维持最初等离子体。与仅通过来自高电压源14的高电压脉冲维持的情况相比，通过输入高频能量使得等离子体维持得更久。特别地，等离子体在空间上从第三等离子体通道44的中心扩大。通过等离子体创建的自由电荷载体用于高频电极20和接地电极19之间的高频等离子体的电流传输。因此，可以通过向高频电极20额外施加来自高频电压源16的高频电压来将更多的功率在更长的时间段内引入到等离子体中。这意味着连续地产生电子，并且等离子体中的自由电子密度维持得更久，这与反应性物质(尤其是原子氧)的持久产生相关联。明显增加的原子氧含量确保更有效的燃烧，此外还允许燃烧室中稀薄的燃料-空气混合物的可靠点火、或者允许在燃料消耗恒定的情况下提高发动机功率。
在第二种情况下，在第一电极18和第三电极20之间的第二等离子体通道43中、以及在第三电极20和接地电极19之间的第三等离子体通道44中形成最初等离子体。在从高频电压源16向第三电极20馈送高频交流电压时，等离子体随时间保持并且在空间上从第三等离子体通道44的中心扩大。
为了保护高频电压源16免受来自高电压源14的高电压脉冲，在高频电极20和高频电压源16之间设置了保护电路30。由于最初的火花总是在电极之间产生自由电荷载体，因此确保高频电压源的可靠采用，以在通过来自高电压源14的高电压脉冲的最初火花之后继续有源地将能量耦合到等离子体中。
保护电路30例如包括充气式浪涌放电器，其中只要电压保持在例如约450V的预定值以下，该充气式浪涌放电器就具有隔离效果。充气式浪涌放电器由于其仅约2pF的低电容而不产生干扰。如果超过充气式浪涌放电器的点火电压，则电阻在数微妙内下降至非常低的值，其中例如100kA的电流峰值可被消散掉。
共通接地电极19是高频电极20和高压电极18的参考电位。通过使高压电位和高频电位分离，显著地降低了对隔离元件32的介电强度方面的要求。同时，通过该步骤，明显地降低了点火线圈形式的高电压源14的负载，并且明显地简化了高电压的产生。在载荷量越来越高且体积小的汽油发动机的背景下，产生足够高的电压脉冲以确保可靠的点火代表着日益增长的挑战。此外，这导致在选择隔离元件的反应性构造件时的自由度更大，这是因为不必再确保点火线圈上的尽可能低的电容性负荷。与先前的电路方案相比，隔离元件的电容可以增大，而电感可以减小，从而简化了隔离元件的实现。
在图2中，如图1中那样，利用相同的附图标记来标注具有相同功能的部件，关于其介绍，参考图1的上述说明。与根据图1的第一实施例不同，在根据图2的第二实施例中，保护电路30在第二导电路径28中连接在隔离元件32和高频电压源16的输出26之间。
可选地，保护电路30和/或隔离元件32还具有到接地电位40的电连接，如图1和图2中的虚线所示。
可选地，具有到接地电位40的电连接的保护电路31在第一导电路径24中被电连接到高电压源14的输出22和第一电极18之间。该保护电路31在图1和图2中相应地用虚线指示出。该保护电路旨在表示HF的接地参考，而不阻止高电压。

Claims (9)

1.一种点火装置(10)，用于对特别是内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物进行点火，所述点火装置(10)具有：
火花塞(12)，其具有第一电极(18)和第二电极(19)；
高电压源(14)，其用于在所述高电压源的输出(22)处产生高电压脉冲；以及
高频电压源(16)，其用于在所述高频电压源(16)的输出(26)处产生高频交流电压，
其中，所述高电压源(14)的所述输出(22)经由第一导电路径(24)而电连接至所述火花塞(12)的所述第一电极(18)，使得所述高电压脉冲被施加到所述第一电极(18)，所述第二电极(19)电连接至接地电位，
其特征在于，
所述火花塞(12)具有第三电极(20)，其中所述高频电压源(16)的所述输出(26)经由第二导电路径(28)而电连接至所述第三电极(20)，使得所述高频交流电压被施加到所述第三电极(20)。
2.根据权利要求1所述的点火装置(10)，其特征在于，所述高电压源(14)被设计成点火线圈的形式。
3.根据权利要求1或2所述的点火装置(10)，其特征在于，保护电路(30)在所述第二导电路径(28)中被电连接在所述火花塞(12)的所述第三电极(20)和所述高频电压源(16)的所述输出(26)之间，所述保护电路(30)阻止来自所述高电压源(14)的所述高电压脉冲击穿至所述高频电压源(16)的所述输出(26)。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的点火装置(10)，其特征在于，采用频率选择滤波器的形式、特别是采用带通滤波器的形式的隔离元件(32)在所述第二导电路径(28)中被电连接在所述火花塞(12)的所述第三电极(20)和所述高频电压源(16)的所述输出(26)之间。
5.根据权利要求3和4所述的点火装置(10)，其特征在于，所述隔离元件(32)在所述第二导电路径(28)中被电连接在所述保护电路(30)和所述高频电压源(6)的所述输出(26)之间。
6.根据权利要求3和4所述的点火装置(10)，其特征在于，所述隔离元件(32)在所述第二导电路径(28)中被电连接在所述保护电路(30)和所述第三电极(20)之间。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的点火装置(10)，其特征在于，保护电路(31)在所述第一导电路径(24)中被电连接在所述高电压源(14)的所述输出(22)和所述火花塞(12)的所述第一电极(18)之间，所述保护电路表示HF的接地参考。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的点火装置(10)，其特征在于，在第一种情况下，在向所述第一电极(18)施加所述高电压脉冲时，在所述第一电极(18)和所述第二电极(19)之间形成第一导电等离子体通道(42)，并且在向所述第三电极(20)施加所述高频交流电压时，在所述第三电极(20)和所述第二电极(19)之间形成第三导电等离子体通道(44)。
9.根据权利要求1至7中至少一项所述的点火装置(10)，其特征在于，在第二种情况下，在向所述第一电极(18)施加所述高电压脉冲时，在所述第一电极(18)和所述第三电极(20)之间形成第二导电等离子体通道(43)，并且在所述第三电极(20)和所述第二电极(19)之间形成第三导电等离子体通道(44)。
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