CN204827767U - 点火装置和点火系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及点火装置和点火系统,装置用于产生电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物,包括:金属管式外壳;由绝缘材料制造并牢固地固定于金属管式外壳的燃烧端的绝缘元件;缠绕在支持件上并设置于金属管式外壳内的线圈;设置于线圈和金属管式外壳之间的填充材料;和高电压电极排列,其包括:具有连接到线圈以接收来自线圈的电压的第一端的第一电极,第一电极至少部分延伸穿过绝缘元件;和具有从绝缘元件的燃烧侧面突出的第一端和嵌入于绝缘元件内的第二端的至少一个第二电极,至少一个第二电极的第二端通过绝缘材料与第一电极隔开,并用于与第一电极电容性耦合以接收来自第一电极的驱动信号,至少一个第二电极用于支持来自其中的电晕放电。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于产生和维持电晕放电以点燃例如内燃机或燃气涡轮机中的空气-燃料混合物的系统和方法。
背景技术
通常使用传统的火花点火系统来引发燃烧在例如内燃机(“ICE”)或燃气涡轮机中的空气-燃料混合物。首先在空气-燃料混合物中产生电弧放电,将空气-燃料混合物的周围区域加热至极其高的温度,导致电子从它们的原子核逃脱,从而产生相对小范围的高度电离的气体。随后燃烧反应(S)开始于电离气体的这一小范围内。在适当的条件下,放热燃烧反应加热电离气体的小范围周边区域的空气-燃料混合物,以引起进一步的电离和燃烧。这一连锁反应过程首先在ICE或燃气涡轮机的燃烧室中引起火焰中心,然后由火焰头继续移动穿过燃烧室,直至空气-燃料混合物燃烧。
在传统的火花点火系统中,当高电压直流电势施加到燃烧室中隔开的两个电极时,产生电弧放电。电极之间形成有相对短的间隙,从而高电压电势使电极之间逐渐出现强电场。该强电场促使电极之间的气体出现介电击穿。当自然存在于空气-燃料气体中的种子电子(seedelectrons)被强电场加速到高能级时,介电击穿开始。更具体地,种子电子被加速到这样的高能级,使得当其与空气-燃料气体中的另一电子碰撞时,其敲击该另一电子脱离原子核,结果得到两个较低能级的自由电子和离子。这两个较低能级的自由电子随后由电场依次加速到高能级,并且它们也和空气-燃料气体中的其它自由电子相碰撞。这种连锁反应导致电子雪崩,从而使得电极之间的大部分空气-燃料气体被电离成携带组成粒子(即离子和电子)的电荷。由于如此大部分的空气-燃料气体被电离,气体不再具有介电性能,而是作为导体,因此被称为等离子体。高电流通过电离的空气-燃料气体的细且亮得耀眼的柱状物(即电弧)从一个电极传递到另一个电极,直至点火系统中逐渐获得的电荷被耗散。因为气体经历了完整的介电击穿,所以当高电流流过时,电极之间存在低电压电势。这种高电流使得电弧周边的空气-燃料气体被急剧加热—高达30000°F。这一热量使空气-燃料混合物的电离维持足够长时间以引发燃烧。
遗憾的是,传统的火花点火系统有许多缺点和局限性。在ICE中,火花点火系统的电极通常是伸入燃烧室的火花塞的一部分。点火期间由电弧产生的极热将随着时间推移而损坏电极。而且,由于传统的火花点火系统依赖于产生热量来电离空气-燃料混合物,所以,其最大能量输出受限于电极能够维持的热量。此外,最近的趋势是通过增大空气/燃料比,或者通过增加排气再循环(EGR)的程度,来稀释空气-燃料燃烧混合物,从而系统能够工作于更高的压缩比和更大的负荷,并实现更清洁和更高效的燃烧。可惜,所增加的稀释程度使传统的火花点火系统出现了与点火和火焰传播相关的问题。因此,需要一个更坚稳的点火系统。
另一种方法是通过电晕放电来点燃ICE或气体涡轮机的燃烧室中的空气-燃料混合物。在这种系统中,具有由绝缘体支撑的中心电极的点火器被用作反电极,其和包裹绝缘体的外部导体、或者和处于接地电势的燃烧室壁一起形成电容器。包裹中心电极的绝缘体连同燃烧室及其内容物一起充当电介质。如此形成的电容器是电气振荡电路的一个组件,该电气振荡电路利用由例如升压变压器产生的高频电压激发。变压器和切换装置相互作用,该切换装置向变压器的初级绕组施加可指定的直流电压,变压器在次级绕组中产生正弦交流电流波形。变压器的次级绕组供电给具有由中心电极和燃烧室各壁形成的电容器的串联振荡电路。激励振荡电路的交流电压的频率的控制为,使该频率尽可能地接近振荡电路的谐振频率。其结果是点火电极和点火电极设置于其中的燃烧室的各壁之间的电压增高。在这些情况下,燃烧室中可以产生电晕放电。
可惜,在点火后且在燃烧期间,燃烧区中产生的自由基会导致燃烧区的电容以及系统谐振频率发生变化。因此,为了达到最佳的点火效果以及防止电弧出现,必须在点火过程中控制电晕的形成。已知的用于控制电晕形成以及防止电弧出现的方法涉及将工作频率改变为偏离谐振频率,以使得点火电极上的高电压降低,从而避免进一步出现电弧。从而,可以降低施加于初级绕组的电压,然后工作频率可以返回至谐振频率以提高效率。但是这种方法复杂且效率低下。
提供一种电晕点火系统及相关方法,以克服至少一些上述缺点以及已知系统的局限性,这将是有益的。
实用新型内容
根据本实用新型的至少一种实施例的一个方面,提供一种用于产生电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物的点火装置,其包括:金属管式外壳;由绝缘材料制造并牢固地固定于所述金属管式外壳的燃烧端的绝缘元件;缠绕在支持件上并设置于所述金属管式外壳内的线圈;设置于所述线圈和所述金属管式外壳之间的填充材料;和高电压电极排列,其包括:具有连接到所述线圈以接收来自所述线圈的电压的第一端的第一电极,所述第一电极至少部分延伸穿过所述绝缘元件;和具有从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的第一端和嵌入于所述绝缘元件内的第二端的至少一个第二电极,所述至少一个第二电极的第二端通过所述绝缘材料与所述第一电极隔开,并用于与所述第一电极电容性耦合以接收来自所述第一电极的驱动信号,所述至少一个第二电极用于支持来自其中的电晕放电。
根据本实用新型的至少一种实施例的一个方面,提供一种用于产生电晕放电以点燃在内燃机中空气/燃料混合物的点火系统,包括:射频(RF)变压器,包括具有高压侧和低压侧的次级绕组以及包括多个初级绕组;多个功率驱动电路,每个功率驱动电路耦合到所述多个初级绕组的不同的初级绕组;点火装置,具有如前所述的结构,其线圈耦合到所述次级绕组的高压侧,其高电压电极排列用于接收来自所述次级绕组的放大电压,以及用于产生电晕放电,所述点火装置为振荡电路的一部分,所述振荡电路具有在燃烧周期的不同阶段期间变化的谐振频率;信号发生器,用于在所述燃烧周期的分别不同的阶段为所述多个功率驱动电路的不同功率驱动电路提供不同的指令信号,以使得不同的初级绕组被用于在所述燃烧周期各自的阶段的谐振频率上产生不同的高电压振幅;和反馈子系统,用于检测所述点火装置的电场和/或电磁场的变化,用于基于所检测的电流和所述内燃机的工况之间已确定的相互关系,改变提供给所述多个驱动电路的不同驱动电路的不同指令信号。
根据本实用新型的至少一个实施例的一个方面,提供一种用于产生电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物的方法,包括:提供具有突出到燃烧区内的放电头的点火器;在燃烧过程的第一阶段期间,将RF变压器的第一初级绕组先于所述燃烧过程的发生驱动于第一预定电压电平和基于所述燃烧区中的第一阻抗的第一谐振频率,用以在所述点火器的放电头生成电晕放电;和在所述燃烧过程的继所述第一阶段之后的第二阶段期间,所述RF变压器的第二初级绕组在继所述燃烧过程的发生之后的时刻驱动于第二预定电压电平和基于所述燃烧区中的第二阻抗的第二谐振频率。
根据本实用新型的至少一个实施例的一个方面,提供一种用于控制电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物的方法,包括:提供耦合到具有至少一个初级绕组的RF变压器的次级绕组的高压侧的点火器;在燃烧过程的第一阶段期间,所述至少一个初级绕组之至少一者驱动于第一电压电平和第一谐振频率;在所述燃烧过程的第一阶段期间,检测来自所述次级绕组的低压侧的至少一条电流以及来自所述点火器的高压侧的放电电压;基于所检测的至少一条电流和所述放电电压,确定第二电压电平;和在所述燃烧过程的第二阶段期间,所述至少一个初级绕组之至少一者驱动于所述第二电压电平。
根据本实用新型的至少一个实施例的一个方面,提供一种用于控制电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物的方法,包括:提供耦合到具有至少一个初级绕组的RF变压器的次级绕组的高压侧的点火器,所述点火器连通所述内燃机的燃烧区;在燃烧过程的第一阶段期间,所述至少一个初级绕组之至少一者驱动于第一电压电平和第一谐振频率;在所述燃烧过程的第一阶段期间,检测来自点火器的高压侧的至少一个放电电压以及来自所述次级绕组的低压侧的电流;确定所检测的至少一个放电电压与电流以及所述内燃机的工况之间的关系;和在所述燃烧过程的第二阶段期间,所述至少一个初级绕组之至少一者驱动于第二电压电平处,所述第二电压电平随所述内燃机的不同的已确定的工况而不同。
根据本实用新型的至少一个实施例的一个方面,提供一种用于点燃内燃机中空气/燃料混合物的方法,包括:生成引导式电晕放电,其具有不足以支持所述空气/燃料混合物燃烧的能量和持续时间之至少一者,其中,自由基和活性产物之至少一者产生于所述引导式电晕放电期间;在预定点火正时,生成主电晕放电,其具有足够能量和足够持续时间以支持所述空气/燃料混合物的燃烧。
根据本实用新型的至少一个实施例的一个方面,提供一种用于点燃内燃机中空气/燃料混合物的方法,包括:在预定点火正时,生成具有足够能量和足够持续时间以支持所述空气/燃料混合物燃烧的电晕放电;继生成所述电晕放电后并且在所述空气/燃料混合物的燃烧期间,基于该燃烧混合物生成电振荡,其中施加足够的高电压以助于火焰传播。
附图说明
现在将只通过示例的方式以及参考附图对本实用新型进行描述,在一些附图中,相似的附图标记表示相似的元件,并且其中:
图1示出了根据现有技术的电晕点火系统。
图2为根据一种实施例的依赖电感性反馈的谐振点火电路图。
图3为根据一种实施例的依赖电容性反馈的谐振点火电路图。
图4为燃烧期间的对于不同空气/燃料比的电压与时间关系的曲线图。
图5为在没有放电、间歇电弧、连续电弧和电晕的条件下的电压与时间关系的曲线图。
图6为根据本实用新型一种实施例的用于控制过程的简化流程图。
图7示出了根据本实用新型一种实施例的包括RF变压器和多个初级绕组的电晕点火系统。
图8示出了根据本实用新型一种实施例的使用具有多个初级绕组的RF变压器产生的电压信号。
图9为用于第一驱动电路的电路图。
图10为用于第二驱动电路的电路图。
图11为用于第三驱动电路的电路图。
图12A示出了具有单个驱动MOSFET的点火器电路。
图12B示出了用于图12A的电路的操作时序图。
图13A示出了具有多个MOSFETs的点火器电路。
图13B示出了用于图13A的电路的操作时序图。
图14A示出了引导式点火+主点火时序图。
图14B示出了另一种引导式点火+主点火时序图。
图15A示出了用于具有燃烧调节的点火的时序图。
图15B示出了使用高压、中压、低压以调节燃烧的火焰区域与时间关系的一系列图。
图15C是示出了火焰区域上轻度电气化、中度电气化和高度电气化的效果的一系列显微图。
图16为根据本实用新型一种实施例的点火器的剖面图。
图17为依靠电容性反馈的点火器的剖面图。
图18A为根据本实用新型一种实施例的第一点火器的尖端部分的剖面图。
图18B是图18A的尖端的端视图。
图19A是根据本实用新型一种实施例的第二点火器的尖端部分的剖面图。
图19B是图19A的尖端的端视图。
图20A是根据本实用新型一种实施例的第三点火器的尖端部分的剖面图。
图20B是图20A的尖端的端视图。
图21A是根据本实用新型一种实施例的第四点火器的尖端部分的剖面图。
图21B是图21A的尖端的端视图。
图22A是根据本实用新型一种实施例的第五点火器的尖端部分的剖面图。
图22B是图22A的尖端的端视图。
图23示出了图22A和图22B中点火器的尖端沿不同路径的不同阻抗。
具体实施方式
下列描述使得本领域技术人员能够制造和使用本实用新型,并且在专利应用及其需求的环境下提供下列描述。此处所描述的对实施例的各种修改对于本领域技术人员是显而易见的,并且这里定义的一般原理,可应用于其它实施例和应用中,而未脱离本实用新型的精神和范围。因此,本实用新型不限于所示实施例,而是相应于与此处所描述的原理和特征一致的最宽范围。
现在参考图1,其示出了一种现有的电晕生成系统100。该电晕生成系统100包括驱动电路102、具有初级绕组P和次级绕组S的RF变压器104、谐振点火器106、以及燃烧区108。驱动电路102由直流(DC)源110供电,并驱动RF变压器104的初级绕组P于系统100的工作频率。对于实际应用,使用开关电源转换电路可以从12V电池产生DC电压。
点火器106包括谐振线圈112,其由金属壳(图1未示出)包围,用于消除磁干扰以及用于相对于燃烧区108安装点火器。线圈112和金属壳之间形成寄生电容。点火器106还包括突出到燃烧区108内的中央高电压电极114。燃烧区108,例如内燃机的燃烧室,通常是由金属筒壁和往复式元件如活塞的表面构成的包围体。该突出的电极114连同燃烧区108,包括燃烧区108的内容物,形成另一电容器。线圈112的电感、寄生“电容”以及燃烧区电容形成了振荡电路。如果电阻、电感和电容是固定的,则振荡电路的固有谐振频率是固定的,这将是显而易见的。特别地,使用等式(1)可以获得共振频率:
(1)
其中,L是电感,C为电容。将交流电流(AC)信号应用到振荡电路中,在振荡电路的谐振频率处,施加交流电流(AC)信号于振荡电路将在点火器电极114上生成放大的电压输出信号。
在点火之后或者在燃烧期间,燃烧区108产生自由基,因而改变自由区108的电容和系统谐振频率。因此,为补偿这些改变并优化点火效果,提供基于反馈信号的系统控制,这是有益的。根据本实用新型的至少一些实施例,高频共振等离子体点火系统的反馈是基于电场和/或电磁场检测的。例如,电感性耦合检测磁场,电容性耦合检测电场。在单个振荡周期中,电感性耦合和电容性耦合的反馈信号的振幅曲线遵循相似的趋势,但存在一些相位差。系统反馈控制可以基于检测到的电感性信号或者耦合的电容性信号,或是二者的组合。
图2所示为根据本实用新型的一种实施例的具有电感性耦合反馈的系统200。电晕生成系统200包括驱动电路202、具有初级绕组P和次级绕组S的RF变压器204、谐振点火器206和燃烧区208。驱动电路202由直流(DC)源210供电,并驱动RF变压器204的初级绕组P于系统200的工作频率。对于实际的应用,利用开关电源转换电路可以从12V电池产生DC电压。
点火器206包括谐振线圈212,其由金属壳(图2未示出)包围,用于消除磁干扰以及用于相对于燃烧区208安装点火器。线圈212和金属壳之间形成寄生电容。点火器206还包括突出到燃烧区208内的中央高电压电极214。燃烧区208,例如内燃机的燃烧室,通常是由金属筒壁和往复式元件如活塞的表面构成的包围体。突出的电极214连同燃烧区208,包括燃烧区208的内容物,形成了另一电容器。线圈212的电感、寄生“电容”和燃烧区电容形成振荡电路。
仍参考2,线圈216环绕电压放大器的次级绕组的一段218,用作电磁场检测器。根据感应性线圈耦合的原理(即变压器的基础),所检测的信号基于相位和振幅响应谐振环路中的电流变化。电晕点火系统200还包括反馈和控制系统。信号处理器220设计为获取来自电感性耦合电磁场检测器218的反馈信号。信号处理器220还用于决定信号和产生振幅轮廓曲线。基于振幅曲线,使用预定工作参数如点火时间、指令频率和持续时间等的数据库,电子控制单元(ECU)222确定系统200的实际运行条件。ECU222提供控制信号给信号生成器224,其基于系统200的实际运行条件生成驱动信号。
如图3所示为根据本实用新型一种实施例的具有电容性耦合反馈的系统300。相同的附图标记表示关于图2描述的相同的元件。谐振点火器306包括谐振线圈312,其由金属壳(图3未示出)包围,用于消除磁干扰和用于相对于燃烧区208安装点火器。导电元件320嵌入到谐振点火塞306(也参见图17(1704))以检测电场,并实质上形成了电容性分压器。信号基于相位和振幅响应电极放电头314处的电压变化。电晕点火系统300还包括反馈和控制子系统。信号处理器220设计为获取来自电容性耦合电检测器302的反馈信号。信号处理器220还决定了信号并产生振幅轮廓曲线。基于振幅曲线,并使用预定工作参数如点火时间、指令频率和持续时间等的数据库,电子控制单元(ECU)222确定系统300的实际运行条件。ECU222提供控制信号给信号生成器224,其基于系统300的实际运行条件生成驱动信号。
电容性耦合反馈信号可以在良好的校正时指示放电电压。电容性耦合反馈信号的幅度提供了放电过程的直接反馈。在内燃机的应用中,用于在转速范围和转矩条件下形成电弧的电压阈值可以被预校准,以为点火系统设置控制设定点。
电感性耦合反馈信号指示了提供到谐振器的总电流,而不是电晕放电电流。这样,电感性耦合反馈信号的振幅对于反馈控制是有用的,但只提供放电过程的间接反馈。
图4示出了当使用不同空气-燃料混合物时利用如图2或图3所描述的电感性耦合或电容性耦合获得的反馈信号振幅曲线的一个示例。图4所示的振幅曲线指示了输出的高电压的趋势。在图4中,只示出了振幅轮廓曲线的正半部,可以理解的是,未示出的负半部通常对称于正半部。来自检测器的实际信号为处于谐振频率的一系列正弦波。这样,图4所示的振幅轮廓曲线为谐振波形的波峰或波谷的包络。
信号振幅曲线可以在点火期间分为i)开始、ii)燃烧和iii)结束三个阶段。一旦谐振开始,根据空气-燃料混合物的条件,例如温度、压力和空气-燃料比,放电电极上的电压在几十微秒的时间范围内增大到峰值。在这段时间期间出现电晕放电的开始阶段。一旦燃烧区208的空气-燃料混合物中形成电离信道,燃烧区208的电容改变(通常为减小),从而改变整个系统200或300的固有谐振频率。虽然指令振荡频率保持相同,但整个系统会振荡在不同于谐振频率的频率。因此,电压在放电开始后减小。如图4所示,反馈信号振幅轮廓曲线很好地指示了燃烧区208中空气-燃料混合物的浓度,因为相比较淡浓度的空气-燃料混合物,较浓浓度的空气-燃料混合物导致产生更多的自由基,从而在燃烧阶段期间引起更强的初始放电以及更明显的压降。
采用电晕放电作为点火源的一个优点是,它可以减小引发的电流,且放电等离子温度较低。在理想的情况下,较低等离子温度可以减少电极的磨损,并增加点火器的寿命。然而,在实际应用中,由于燃烧区208的多变情况,在电晕点火系统200或300工作期间可能出现电弧。图5示出了根据不同放电模式的振幅轮廓曲线。作为讨论的基础,实线示出了如前所述的电晕放电。如果完全没有放电,电压在振荡期间几乎不变,且其幅度低于电晕开始电压的峰值。电弧可以间歇地或连续地发生。电弧的开始电压的峰值高于电晕放电的峰值。间歇性电弧可以发生在整个放电期间,或者可以仅发生在放电期间的一部分,在放电的开始、中间或结束期间伴随着电晕放电。当发生连续性电弧时,相比电晕放电的电压,其电压在击穿后极大程度地降低。
根据上述讨论,显而易见的是,在电晕放电点火系统的工作期间,预防电弧(完全介电击穿)对确保有效的点火过程是有利的。电弧预防方法可以包括用于电弧检测和消除的控制系统,以及使用各种更能耐住电弧形成的点火器尖端设计。
现在参考图6,其示出了一种基于所获取的振幅轮廓曲线控制点火系统和消除电弧的方法的简化流程图。ECU根据包括预定谐振频率、放电持续时间、供给的初级电压等的数据库设置点火参数。该数据库的确定是通过发动机基准测试和目的在于达成最大的电晕放电大小且不触发电弧的原理来实现的。但是在实时发动机运转中,多变的缸内条件可能会不可避免地产生电弧,从而需要电弧的检测和消除的机制。在放电期间,获取幅度轮廓,并检测放电模式。如果检测到电弧,该过程终止一段短时间如10微秒的指令信号以停止放电。然后该过程将重置指令,并在相同的燃烧周期内改变指令信号频率。随后降低提供到初级绕组的电压。为了使系统保持振荡于谐振频率以最小化谐振器的电阻上的能量耗散,在调整所供给的电压后,将指令信号频率重置为谐振频率。由于所供给的电压的相对缓慢的调整过程,可以采取若干燃烧周期或进行更长时间的调整。如果只有电晕放电且不存在电弧,则该方法估计空气-燃料比(λ),然后将空气-燃料比报告给ECU的燃料喷射控制。
对于期望的电晕点火过程,应该在开始时生成较高电压以触发电晕的开始,而由于燃烧区的气体变得更加导电,所以在放电和混合物燃烧过程中,需要连续降低的电压。现在参考图7,其示出了包括RF变压器的电晕点火系统,该变压器具有多个能够产生所需条件的初级绕组。电晕点火系统700包括驱动电路部分702、RF变压器704、谐振点火器706和燃烧区708。特别地,驱动电路部分702包括多个驱动电路D1…Dn,每个驱动电路由不同的直流(DC)源710供电。每个驱动电路D1…Dn驱动RF变压器704的不同初级绕组P1…Pn。实际上,可以使用开关电路从12V电池产生DC电压。另外,系统700配置成使用单个DC源和升压变压器以供电给所有的驱动电路D1…Dn。可选地,RF变压器704为空气芯RF变压器。进一步可选地,RF变压器704为铁氧体磁芯RF变压器。
现在参考图8,示出了使用具有多个初级绕组P1…Pn的RF变压器704产生的电压变化。每个初级绕组工作于各自的频率f1…fn和电压电平。图8的底部示出了RF变压器704的多个初级绕组的整个有效电压变化。通过绕组之间的切换,可以支持电压的快速变化而不受来自线圈的对抗。
如图7的讨论,每个初级绕组P1…Pn由相应的电源驱动器D1…Dn驱动。图9-11示出了适合用于图7的系统的不同电源驱动器。
图9是第一驱动电路的电路图。RF变压器的初级绕组(P)由具有一个MOSFET的电源驱动器驱动。初级绕组的电感和并联的电容器形成振荡环路。MOSFET的开/关在环路中产生振荡以及受控于MOSFET的频率。采用DC阻塞电容器以防止电流的直流部分在静态条件下传播通过初级绕组。扼流电感器和滤波电容器被用于阻挡来自传播回直流电源的高频噪声。一系列连接的肖特基二极管用于偏置MOSFET。快速恢复二极管并联MOSFET,以防止在切换过程中MOSFET瞬态过电压。采用门驱动电路来放大指令信号到足以用于驱动MOSFET的功率电平。
图10为第二驱动电路的电路图。RF变压器的初级绕组(P)由具有两个MOSFETs的电源驱动器驱动。绕组的一端连接到两个MOSFETs之间的交点;另一端连接到两个电容器之间,这使得DC电压分压,并为初级绕组提供参考电压。为每个MOSFET连接肖特基二极管和快速恢复二极管。MOSFETs相对地工作以在初级绕组中产生振荡。单个MOSFET上的半桥电路的优点在于,半桥电路可以保持双倍DC电压,延长了高电压输出极限。电源驱动器由DC电压源供电。对于实际应用,由开关电路从12V电池产生DC电压。门驱动可选地为集成了高侧和低侧的IC驱动器以驱动这两个MOSFETs。当使用两个相同类型的IC驱动器时,一个通常浮地用作高侧开关。
图11为第三驱动电路的电路图。RF变压器的初级绕组(P)由具有H桥结构的四个MOSFETs的电源驱动器驱动。该全桥电路包括两个相同的半桥电路。通过串联的初级电感和匹配电容形成振荡环路。通过加倍初级绕组中的电压变化,将全桥电路进一步扩大到高电压输出极限。
根据点火器组件的尺寸,谐振点火系统工作于从千赫兹到几兆赫兹的不同的频率。在兆赫兹频率时,MOSFET上的开关电源损耗显著。在该应用下,便宜的E级MOSFET在如此高频率下工作不会持续太久。通过同步运行多个初级绕组,降低每个MOSFET上的功耗。术语“同步运行”在本文中用来表示当一个初级绕组振荡时,另一个初级绕组也振荡。但是,振荡周期的相位可以不同。这种模式通常适用于具有相同初级绕组的系统。
图12A-B示出了具有图9的单个MOSFET驱动结构的双初级绕组系统的同步运行模式的一个例子。这里呈现了电路(图12A)以及图12B的时序图所示的操作顺序。两个初级绕组P1和P2以25%占空比工作于半个谐振频率,且P2的相位延迟半个周期。来自两个绕组的信号的组合产生与以50%占空比工作于谐振频率相同的磁通变化。对于n个初级绕组的结构,给定所期望的谐振频率(f_res)和占空比(D),单个绕组的频率和占空比分别为1/n*f_res和1/n*D。每个绕组的相位依次延迟1/n的周期。
图13A-B示出了具有图10的桥驱动结构的双初级绕组系统的同步工作模式的一个例子。图13A为电路图,图13B为示出了操作顺序的时序图。每个MOSFET以25%占空比工作于谐振频率。全体四个MOSFETs产生与以50%占空比工作于谐振频率相同的磁通变化。对于n个初级绕组的结构,给定所期望的谐振频率(f_res)和占空比(D),单个绕组的频率和占空比分别为1/n*f_res和1/n*D。
由于功率耗散到多个MOSFETs,每个MOSFET只承担总负载的一部分;从而提高了MOSFET的耐久性。
由于具有连续放电等离子的能力,谐振点火系统可以工作于引导式+主点火方案,即,在主放电触发点火之前,生成多个强度不足以支持成功点火过程的引导式电晕放电。虽然引导式电晕放电不能点燃混合物,但是它们用于处理混合物并产生自由基或一些活性产物。一旦主放电点燃混合物,由引导式电晕放电产生的残余自由基将加强火焰核的生长。
图14A示出了用于单个初级绕组系统的引导式+主点火方案。对于引导式放电,放电时间尽可能短以维持混合物未被点燃。主点火放电持续足够长时间以点燃混合物。
多个初级绕组点火系统为引导式和主放电的配置提供更加灵活的方案。图14B示出了用于双初级绕组系统的引导式+主点火方案的一个例子。引导式放电由一个或多个初级绕组产生于相对低的电压。可选地,其持续时间长于单个初级绕组的持续时间,因为初级电压较低。可选地,主放电由其它具有较高电压和/或较长持续时间的初级绕组产生。
引导式+主点火方案尤其有利于较淡浓度和/或稀释的混合物的点火。因为较淡和/或稀释的混合物通常需要强度更大和更长持续时间的放电以成功点火。在确定引导式点火的持续时间、电压和数量时,这种方案更为灵活。从内燃机控制的角度,引导式+主点火方案也是有优点的。对于由单个长时间电晕放电点火的较淡的混合物,在点火阶段早期的缓慢的火焰传播将使点火时间控制变得不准确。通过采用引导式+主点火方案,由残留的自由基协助的主点火使火焰核生长更快。因此显著提高了点火时间控制的精度。
除了应用引导式放电来先于主点火处理空气-燃料混合物,可选地,放电被随后用于主点火,以执行燃烧过程的调节。烃燃料的燃烧过程涉及基团的化学反应,从而产生电离颗粒。这些电离颗粒响应燃烧区内强电场的应用所产生的电力。在典型的火焰传播的过程中,由于焦物质的热膨胀,火焰头(燃烧区)逐渐从烧焦区移动到非烧焦区。在电晕点火燃烧过程中,在发起火焰核后,点火器融入烧焦区。在燃烧期间,由于电离的高温气体的形成,燃烧室中的可燃物质变得相对导电。因此,火焰头可以与由点火器产生的强电力相互作用。在只实现点火中,在成功形成自维持火焰传播过程之后,电晕放电终止。但是,在本实用新型的一种实施例中,继主点火后,点火器尖端施加连续变化的电场以实现燃烧的调节,从而协助将火焰传播到非烧焦区。图15A示出了具有燃烧调节的点火顺序的示例性时序图。如图15A所示,基于调节效率和驱动器电子设备上的电负载,调节燃烧调节持续时间以及所施加的电压。根据需要,可以改变电压以实现不同程度的调节。
现在参考图15B,其示出了的较淡浓度空气-燃料混合物的燃烧火焰区在三个不同调节电压电平的一系列曲线图。图15C呈现了示出火焰区的轻度、中度和高度电气化效应的一系列显微图。在每种情况下,电晕持续时间为200微秒,且电气化或电压调节过程的持续时间为1500微秒。显然,在任何给定时刻,燃烧火焰区随电压的增加而增加。
对于单个主点火系统,通过调谐点火系统的工作频率可以获得燃烧调节期间所使用的不同电压电平。另一方面,点火过程和燃烧调节过程可以分别控制于两初级线圈系统。在这种系统中,一个线圈专用于主点火,而另一个用于燃烧调节。两个不同阶段的输入电压(燃烧和燃烧调节)可以设置为不同的值,以实现点火和燃烧调节控制的各种组合。用于燃烧调节过程的电压可以高于或低于电晕的起始阈值电压。在电压调节阶段不需要发生电晕放电。由于混合物已经点燃,火焰头是响应于电场而不管是否发生电晕放电。燃烧调节被预计用于在快速火焰传播过程的情况下提供显著的优势。火焰头上的电推进能使火焰渗透进入火焰通常淬火的边缘层和裂缝,从而确保清洁的燃烧。
现在参考图16,其示出了图2的点火器206的放大的剖面图。点火器206包括缠绕在支持件1600上的谐振线圈212。线圈212由金属壳1602包围,用于消除磁干扰和用于相对于燃烧区208安装点火器206。线圈212和金属壳1602之间形成寄生电容。点火器206包括突出到燃烧区208内的高电压电极排列214。如图16所示,高电压电极排列214包括连接到线圈212的第一电极214a。第一电极214a终止于固定安装在点火器206的一端的绝缘元件1604内。通过绝缘元件1604的材料与第一电极214a分离的第二电极214b从点火器206的一端突出,并延伸入燃烧区208。第二电极214b电容性地耦合到第一电极214a。第二电极214b可选地具有高曲度尖端,用于提高电极周围的电压梯度。
仍参考图16,绝缘元件1604只设置于点火器206的延伸入燃烧区208内的一端。如上所述,第一电极214a的一端嵌入于绝缘元件1604。电容性地耦合到第一电极214a的第二电极214b从绝缘元件1604的燃烧侧面突出。例如,绝缘元件1604由陶瓷绝缘材料制成,并具有与填充材料1606相比相对较高的介电常数。通过限制点火器206中使用高介电常数的材料,即只在突出到燃烧区208内的一端使用,从而寄生电容也受到了限制。有利的是,相对较小的绝缘元件1604能够支撑缸内的高压和高温条件。低介电常数的填充材料1606(如PFTE)可选地具有低的机械强度。此外,高透过性树脂被应用于填满点火器的所有间隙,以便消除空隙,否则一旦施加高电压AC,空隙可能导致不希望的电晕放电。
图17示出了具有电容性耦合电场检测器的点火器的一个例子,例如图3所示的点火器。点火器306包括缠绕在支持件1700上的谐振线圈312。线圈312由金属壳1702包围,用于消除磁干扰,以及用于相对于燃烧区208安装点火器306。线圈312和金属壳1702之间形成寄生电容。点火器306还包括突出到燃烧区208内的高电压中心电极314。导电元件1704靠近高电压中心电极314嵌入。导电元件1704与中心电极314形成电容器,并与接地的金属壳1702形成电容器。中心电极314和金属壳1702之间的电场由导电元件1704划分。因此导电元件1704上的电压与中心电极314上的振荡高压成比例,并由这两个电容器的电容比确定衰减。屏蔽层1708内的线1706嵌入点火器306,以将形成于导电元件1704上的信号传送到控制器。屏蔽层1708使沿线1706的路径的电场干扰衰减,从而信号仅反映响应导电元件的位置处的电场变化。线和屏蔽层之间的材料1710可选地为任何绝缘材料,而不论其介电性能。屏蔽层1708可以接地或浮地。为获得高的衰减,导电元件1704的位置比中心电极314更靠近金属壳1702。图17所示的导电元件1704为杆状形状。可替代地,导电元件1704具有其它形状,例如为板状、球体状或环绕中心电极的圆柱体状等中的一个。屏蔽层1708可选地为金属管。可替代地,屏蔽层1708为金属编织物。
谐振点火器206或306的物理结构分别为点火系统200或300的功能部分,例如,形成用于振荡电路的电感器和电容器。线圈212或312的电感由线圈直径、长度和匝数确定。线圈212或312的尺寸以及对应的金属壳1602或1702的尺寸决定寄生电容,但是,线圈212和金属壳1602之间的填充材料1606的介电特性,或者线圈312和金属壳1702之间的填充材料1712的介电特性在确定电容方面也具有重要的作用。特别地,具有更大介电常数的填充材料1606或1712相比具有较小介电常数的填充材料具有更高的电容。
振荡电路的谐振频率由电感(L)和电容(C)二者确定。虽然电感和电容的不同组合可以用于提供相同的谐振频率,但是,最小化寄生电容是电路设计的基本原理,因为小电容将增加串联LC电路的Q因子,从而减小能量损失。换言之,较高的电容会因为AC流过电容而导致更多的能量被耗散于寄生电容。因此,特别是关于图16,点火器206中的线圈212和金属壳1602之间设有具有低介电常数的填充材料1606。更具体地,填充材料1606的介电常数小于氧化铝的介电常数。相似的注意事项也适用于图17的点火器306的结构。通过一个特定且非限制性的示例,填充材料1606或1712的介电常数小于3。此外,填充材料1606或1712应该为具有良好的绝缘性能的非多孔或低多孔材料。
图18A-22B描绘了各种不同的点火尖端的几何结构。但是应当理解的是,虽然这里描述的是关于图2的点火器206的不同尖端的几何结构,但是它们也可以同样适用于图3的点火器306。各图的(A)部分示出了通过点火器尖端截取的剖面图,相应的图的(B)部分示出了相同的点火器尖端的对应的端视图。现在具体参考图18和19,高电压电极214由绝缘材料1604分成第一电极214a和第二电极214b,从而第一电极和第二电极之间的间隙形成电容。虽然直流电流不能穿过第一电极和第二电极之间的绝缘材料1604,但是,由于绝缘材料1604的介电特性,高电压AC可以在电极214a和电极214b之间传送。在放电期间,除了燃烧区中的气体的阻抗,电极之间还产生额外的阻抗。在电晕放电期间,由于该额外的阻抗,绝缘材料消耗一些能量。然而,当燃烧区208中出现电弧,燃烧区中的气体的阻抗将突然下降到接近零,导致绝缘材料上的能耗急剧增加。当绝缘材料上消耗更多的能量,则提供给电弧通道的能量减少。其结果是,电弧持续时间缩短或者电弧被完全消除。显然,图18A和19A所示的尖端的几何结构相似。在这两种情况下,设置一个中央放电头,但是如图18A所示,金属壳1602和绝缘材料1604之间的连接存在台阶,而如图19A所示,金属壳1602的外表面和绝缘元件1604的外表面在彼此的接合处平齐。
图20示出了具有多个放电头2000a-d的点火器尖端的几何结构。所示的放电头2000a-d绕中心尖端214b对称布置,以提供五个不同的放电位置。当然也可以考虑其它数量个而不是五个放电头。
图21示出了具有多个放电头2100a-d的点火器尖端的几何结构,这些放电头从包围电极214a的圆柱部件2102突出。放电头2100a-d在图21a所示的点火器尖端的燃烧侧面上形成对称(方形)图案,但不存在图18A-20B所示的中心电极214b。当然,也可以考虑其它数量个而不是四个放电头。
图22示出了具有暴露于燃烧区的中心电极214a以及多个放电头2200a-d的点火器尖端的几何形状。放电头2200a-d相比中心电极214a在几何上更接近地。现在仍参考图23,中心电极214a和地之间的阻抗大于电极头2200a-d和地之间的阻抗。这样,当燃烧区工作于低压(低密度)的条件下,中心电极214a和放电头2200a-d之间的穿过燃烧区的气体的阻抗小于穿过绝缘材料1604的气体阻抗,且在中心电极头214a上发生放电。当燃烧区工作于相对高压(即高密度)的条件下,中心电极214a和放电头2200a-d之间的穿过气体的阻抗高于穿过绝缘材料1604的阻抗,且放电头2200a-d上发生放电。
虽然以上描述构成了本实用新型的多个实施例,但是应该理解的是,本实用新型易于进一步修改和变化,而不脱离所附权利要求的适当内涵。
Claims (18)
1.一种点火装置,用于产生电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物,包括:
金属管式外壳;
由绝缘材料制造并牢固地固定于所述金属管式外壳的燃烧端的绝缘元件;
缠绕在支持件上并设置于所述金属管式外壳内的线圈;
设置于所述线圈和所述金属管式外壳之间的填充材料;和
高电压电极排列,其包括:
具有连接到所述线圈以接收来自所述线圈的电压的第一端的第一电极,所述第一电极至少部分延伸穿过所述绝缘元件;和
具有从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的第一端和嵌入于所述绝缘元件内的第二端的至少一个第二电极,所述至少一个第二电极的第二端通过所述绝缘材料与所述第一电极隔开,并用于与所述第一电极电容性耦合以接收来自所述第一电极的驱动信号,所述至少一个第二电极用于支持来自其中的电晕放电。
2.根据权利要求1所述的点火装置,其特征在于,所述填充材料的介电常数小于氧化铝的介电常数。
3.根据权利要求1所述的点火装置,其特征在于,所述填充材料的介电常数小于3。
4.根据权利要求1所述的点火装置,其特征在于,所述第二电极的数目为一个,所述第一电极具有嵌入于所述绝缘元件内的第二端,所述第二电极和所述第一电极彼此轴向对齐,以使得所述第一电极的第二端朝向所述第二电极的第二端。
5.根据权利要求1所述的点火装置,其特征在于,所述第二电极的数目为一个,所述第一电极具有嵌入所述绝缘元件的第二端,所述一个第二电极的第二端包括与所述第一电极的长度的一部分重叠的圆柱体,其邻近所述第一电极的第二端。
6.根据权利要求5所述的点火装置,其特征在于,所述一个第二电极包括多个电极头,其远离所述圆柱体延伸并形成从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的电极头图案。
7.根据权利要求1所述的点火装置,其特征在于,所述第二电极的数目为超过一个,每个第二电极具有各自的第二端,所述第二端嵌入于所述绝缘元件内并通过所述绝缘材料与所述第一电极隔开。
8.根据权利要求7所述的点火装置,其特征在于,所述多个第二电极的一个第二电极与所述第一电极轴向对齐,所述多个第二电极的其余第二电极相对于所述第一电极的纵轴以相应的非零度角远离所述第一电极延伸,并形成从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的电极头图案,并且所述一个第二电极在所述图案的中心位置从所述绝缘元件的燃烧侧面突出。
9.根据权利要求7所述的点火装置,其特征在于,所述第一电极具有嵌入于所述绝缘元件的第二端,所述多个第二电极的一个第二电极的第二端包括与所述第一电极的长度的一部分重叠的圆柱体,其邻近所述第一电极的第二端。
10.根据权利要求9所述的点火装置,其特征在于,包括多个电极头,其远离所述圆柱体延伸并形成从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的电极头图案。
11.根据权利要求10所述的点火装置,其特征在于,包括具有第一端和第二端的另外的第二电极,所述第一端在所述图案的中心位置从所述绝缘元件的燃烧侧面突出,所述第二端嵌入于所述绝缘元件内,所述另外的第二电极和所述第一电极彼此轴向对齐,以使得所述第一电极的第二端朝向所述另外的第二电极的第二端。
12.根据权利要求1所述的点火装置,其特征在于,所述第一电极延伸穿过所述绝缘元件,并且具有从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的第二端,其中所述至少一个第二电极的第二端包括与所述第一电极的长度的一部分重叠的圆柱体。
13.根据权利要求12所述的点火装置,其特征在于,包括多个电极头,其延伸远离所述圆柱体,并形成从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的电极头图案,所述第一电极的第二端在所述电极头图案的中心位置从所述绝缘元件的燃烧侧面突出。
14.一种点火系统,用于产生电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物,包括:
射频RF变压器,其包括具有高压侧和低压侧的次级绕组以及包括多个初级绕组;
多个功率驱动电路,每个功率驱动电路耦合到所述多个初级绕组的不同的初级绕组;
点火装置,具有如权利要求1-13任意一项所述的结构,其线圈耦合到所述次级绕组的高压侧,其高电压电极排列用于接收来自所述次级绕组的放大电压,以及用于产生电晕放电,所述点火装置为振荡电路的一部分,所述振荡电路具有在燃烧周期的不同阶段期间变化的谐振频率;
信号发生器,用于在所述燃烧周期的分别不同的阶段为所述多个功率驱动电路的不同功率驱动电路提供不同的指令信号,以使得不同的初级绕组被用于在所述燃烧周期各自的阶段的谐振频率上产生不同的高电压振幅;和
反馈子系统,用于检测所述点火装置的电场和/或电磁场的变化,以及用于基于所检测的电流和所述内燃机的工况之间已确定的相互关系,改变提供给所述多个驱动电路的不同驱动电路的不同指令信号。
15.根据权利要求14所述的点火系统,其特征在于,所述反馈子系统包括:
电感性耦合线圈和电容性耦合插入件的至少一者,所述电感性耦合线圈用于检测在所述RF变压器的次级绕组的低压侧的电流,所述电容性耦合插入件用于检测在所述电极放电端的放电电压;
信号处理器,用于接收所检测的至少一条电流的信号指示以及放电电压变化,以及用于基于所述接收的信号提供已处理的信号幅度轮廓曲线;和
电子控制单元,用于接收来自所述信号处理器的所述已处理的信号幅度轮廓曲线,以及用于基于所述接收的已处理信号幅度轮廓曲线提供输出信号给所述信号处理器。
16.根据权利要求14所述的点火系统,其特征在于,所述点火装置包括设置于所述RF变压器的次级绕组的高压侧和所述高电压电极排列之间的线圈。
17.根据权利要求14所述的点火系统,其特征在于,所述点火装置包括具有嵌入式分压器的点火器。
18.根据权利要求16所述的点火系统,其特征在于,所述点火装置包括绝缘元件,所述高电压电极排列包括:
第一电极,其具有与所述线圈相连的第一端,所述第一电极至少部分延伸穿过所述绝缘元件;和
至少一个第二电极,其具有从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的第一端和嵌入于所述绝缘元件内的第二端,所述至少一个第二电极的第二端通过所述绝缘元件的绝缘材料与所述第一电极隔开。
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