TW201734303A - 燃燒室中點燃空氣-燃料混合物的點燃裝置 - Google Patents

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麥可 沃立哲
古恩納爾 阿姆布萊希特
馬丁 福契斯
彼得 渥克維斯
湯瑪士 慕曲
斯芬 古格
安卓 貝格納
戈登 諾仲
馬爾西 凡帝登
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Abstract

本發明涉及一種點燃裝置(10)，特別是用於點燃內燃機的燃燒室中的空氣-燃料混合物，包括：火星塞(12)，具有第一電極(18)和第二電極(19)；高電壓源(14)，用於在該高電壓源的輸出端(22)上產生電性的高電壓脈衝；及高頻電壓源(16)，用於在高頻電壓源的輸出端(26)上產生電性的高頻交流電壓；其中，高電壓源(14)的輸出端(22)與火星塞(12)的第一電極(18)通過第一電導線路(24)電連接，以在第一電極(18)上施加高電壓脈衝；第二電極(19)與接地電位電性連接；火星塞(12)具有第三電極(20)；其中，高頻電壓源(16)的輸出端(26)通過第二電導線路(28)與第三電極(20)電連接，藉此把高頻交流電壓施加在第三電極(20)上。

Description

燃燒室中點燃空氣-燃料混合物的點燃裝置
本發明涉及一種根據申請專利範圍第1項之前序部分的點燃裝置，特別是用於點燃內燃機的燃燒室中的空氣-燃料混合物的點燃裝置，包括：火星塞，具有第一電極和第二電極；高電壓源，用於在該高電壓源的輸出端上產生電性的高電壓脈衝；以及高頻電壓源，用於在該高頻電壓源的輸出端上產生電性的高頻交流電壓；其中，該高電壓源的該輸出端與該火星塞的該第一電極通過第一電導線路電連接，藉此在該第一電極上施加該高電壓脈衝；其中，該第二電極與接地電位電性連接。
所謂直接噴射燃油的柴油燃燒法由於可以在燃燒室中產生層電荷而在耗損方面具有很大優勢。然而，關於在合適的時間點進行可靠地點燃，燃燒室中不均勻的混合物對所採用的點燃方法帶來了嚴苛的要求，任何種類的波動都會降低點燃品質，進而降低整個發動機的效率。一方面，混合物的點燃位置會輕易地改變；另一方面，火星塞接地電極之第二電極的彎鉤會對混合物產生干擾作用。對直接噴射燃燒法的說明有一種點燃系統在空間上較明顯地延展到燃燒室，為此請參閱德國專利公開第DE 10 2004 058 925 A1號中所提出的，在內燃機的燃燒室中藉由電漿點燃燃料-空氣混合物，相應的高頻電漿點燃裝置包括電感和電容串聯的振盪迴路以及用於諧振激發該高頻源的串聯振盪迴路。電容通過內部電極和外部電極而產生，在這些電極之間有電介質。這些電極的最外端以預設相互距離伸入到燃燒室。
參閱德國專利公開第DE 10 2008 051 185 A1號為已知的一種點燃方法，該方法藉由高電壓脈衝產生火花電漿(spark plasma)，該火花電漿隨後藉由 高頻電場被繼續加熱，並在這種情況下轉變成輝光放電。高電壓脈衝和高頻產生器的輸出信號在此一併地被輸送至火星塞的火花電極。火星塞的對電極接地。
如今，現代的柴油電機點燃設備具有火星塞和電子控制單元的單獨點燃線圈。該火星塞是一種同軸結構，且主要由被絕緣體包圍的中間電極和與火星塞殼體連接的外部電極構成。點燃線圈為火星塞提供高電壓脈衝或直流高電壓脈衝。在這些電極之間，產生引起燃燒的火花。
在德國專利公開第DE 10 2013 215 663 A1號中記載了一種替代的方法，在該方法中，除了點燃線圈的所施加的高電壓外，還在火星塞上施加高頻電壓。在這種情況下，火花電漿轉變為高頻電漿。
在前述傳統的點燃方案中，火花電漿在兩個電極即有源的“受驅動的”電極(也稱為高電壓電極)和無源的電極(也稱為接地電極第二電極)之間燃燒，無源電極的電位位於發動機缸體的以及汽車的整個車身的接地電位(0V)。接地電極第二電極也可以設計成多重電極。這些點燃系統具有由原理引起的缺點：控制性缺陷，因為在電漿點燃之後，在點燃線圈中蓄存的能量在數十微秒的時間內便輸入到電漿。急劇上升的電流便是迅速增大的電子密度以及與此相關的電漿導電能力增大的結果。電漿中在往後起作用的所有過程都僅僅仍是這種能量輸入的結果，而無法再從外部予以影響。尤其是，不再對電漿進行加熱。這將導致產生不明顯的自由電子，隨之產生無明顯燃燒所需要的反應性物質，比如原子氧。相反地，在明顯較長的時間內進行燃燒卻依靠於先前產生的原子氧密度。
本發明的目的在於，在對火星塞電極之間的電漿的參數施加影響的可能性方面，改善上述類型的點燃裝置。
根據本發明，該目的通過上述類型在申請專利範圍第1項帶有特徵部分中給出特徵的點燃裝置得以實現。本發明的有利設計在其它申請專利範圍中有所記載。
為此，就上述類型的點燃裝置而言，根據本發明規定，該火星塞具有一第三電極；其中，該高頻電壓源的該輸出端通過一第二電導線路與該第三電極電連接，藉此把該高頻交流電壓施加在該第三電極上。
這具有如下優點：有兩個有源電極可供使用，藉此在該火星塞的兩個電極之間的該電漿通過該高電壓脈衝而點燃之後，在電壓位準明顯較低的情況下，高頻交流電壓可以立即繼續把能量輸入到該電漿。
把該高電壓源設計成一點燃線圈，由此實現了特別簡單且功能可靠的點燃裝置。
在該火星塞的該第三電極與該高頻電壓源的該輸出端之間的第二電導線路電性連接一保護電路，該保護電路阻止該高電壓源的該高電壓脈衝擊穿至該高頻電壓源的該輸出端，藉此實現了保護高頻電壓源免於接受過高電壓。
在該火星塞的該第三電極與該高頻電壓源的該輸出端之間的該第二電導線路電性連接一分隔元件，該分隔元件的形式為特別選頻的一低通濾波器，藉此實現從該高頻電壓源之僅一個所希望的頻帶到該火星塞的該第三電極的選頻傳輸。
該分隔元件在該保護電路與該高頻電壓源的該輸出端之間接入到該第二電導線路，藉此實現了保護該分隔元件免於接收過高電壓。
在本發明的一種較佳實施例中，該分隔元件在該保護電路與該第三電極之間接入到該第二電導線路。這具有如下優點：該分隔元件抑制了導通範圍之外的能量，由此實現了簡化保護電路。
在該高電壓源的該輸出端與該火星塞的該第一電極之間的該第一電導線路電性連接一保護電路，該保護電路用於形成一高頻接地參考，藉此實現了改善從該高電壓源到該火星塞之間的高電壓傳輸。
在一第一種變型方案中，在該第一電極上施加該高電壓脈衝時，在該第一電極與該第二電極之間形成一第一電漿通道，在該第三電極上施加該高頻交流電壓時，在該第三電極與該第二電極之間形成一第三電漿通道。藉此可以通過在該高頻電極上施加附加於該高頻電壓源的該高頻電壓，把更多的功 率在較長的時間內引入到電漿，藉此連續地產生電子，並使得該電漿中的自由電子密度保持得更久，因而實現了持久地產生反應性物質(尤其是原子氧)。
在一第二種變型方案中，在該第一電極上施加該高電壓脈衝時，在該第一電極與該第三電極之間形成一第二電漿通道，並在該第三電極與該第二電極之間形成一第三電漿通道。在該第三電極上施加該高頻電壓時，在該第三電極與該第二電極之間的該第三電漿通道得以保持，並在較長的時間內沿著較大的範圍傳播。
10‧‧‧點燃裝置
12‧‧‧火星塞
14‧‧‧高電壓源
16‧‧‧高頻電壓源
18‧‧‧第一電極
19‧‧‧第二電極
20‧‧‧第三電極
22‧‧‧輸出端
24‧‧‧第一電導線路
26‧‧‧輸出端
28‧‧‧第二電導線路
30‧‧‧保護電路
31‧‧‧保護電路
32‧‧‧分隔元件
34‧‧‧電容
36‧‧‧電感
40‧‧‧接地電位
42‧‧‧第一電漿通道
43‧‧‧第二電漿通道
44‧‧‧第三電漿通道
如下參照本發明之詳述附圖：圖1為本發明的點燃裝置的一種較佳實施方式的示意圖；以及圖2為本發明的點燃裝置的一種替代較佳實施方式的示意圖。
本發明的點燃裝置10在圖1中揭露的較佳實施方式具有火星塞12、高電壓源14(或直流高電壓源)、及高頻電壓源16。該火星塞12具有第一電極18(高壓電極)、第二電極19(接地電極)、及第三電極20(高頻電極)。第二電極19與接地電位40電性連接。第一電極18、第二電極19、第三電極20分別伸入到內燃機的工作缸內的燃燒室中(圖中未顯示)，在該燃燒室中要將燃料-空氣混合物點燃。高電壓源14被設計成一點燃線圈，並產生施加在高電壓源14的輸出端22上的高電壓脈衝或直流(DC)高電壓脈衝。在這裡所指電性的“直流高電壓脈衝”在此表示具有數千伏特(比如3kV~30kV或8kV~12Kv)的高電壓的直流高電壓脈衝。高電壓源14的輸出端22通過第一電導線路24與第一電極18電連接，藉此把高電壓脈衝從高電壓源14輸送給火星塞12的第一電極18。
高頻電壓源16產生施加在高頻電壓源16的輸出端26上的高頻交流電壓。高頻電壓源16的輸出端26通過第二電導線路28與火星塞12的第三電極20電連接，藉此把高頻交流電壓從高頻電壓源16輸送給火星塞12的第三電極20。高頻電壓源16還與接地電位40電性連接。
在第二電導線路28中復接入保護電路30。該保護電路30經過適當設計，使其一方面，防止高電壓源14的高電壓脈衝經由第二電導線路28擊穿至高頻電壓源16的輸出端26；另一方面，使得來自高頻電壓源16的高頻交流電壓朝向火星塞12的第三電極20傳導。通過這種方式保護高頻電壓源16免於接收過高電壓。
此外，在第二電導線路28中，在保護電路30與高頻電壓源16的輸出端26之間接入分隔元件32。該分隔元件32被設計成特別選頻的一低通濾波器，例如被設計成帶有恆定的或可變的電容34以及恆定的或可變的電感36的低通濾波器。該低通濾波器只允許高頻電壓源16的預設頻帶經由第二電導線路28朝向第三電極20通過。利用分隔元件32可以持續調整高頻交流電壓的輸入頻率，藉此實現輸入到被點燃電漿之能量的最佳化。
本發明的點燃裝置被設計成高頻電漿點燃系統，且在火星塞12中含有兩個有源的第一電極18、第三電極20，即作為高壓電極的第一電極18、作為高頻電極的第三電極20、以及接地電極第二電極19。點燃線圈14產生高電壓脈衝或直流(DC)高電壓脈衝，其在第一種變型方案中在火星塞12的高壓電極18與接地電極第二電極19之間達到擊穿電壓時允許點燃在第一電極18、第二電極19之間的空間(第一電漿通道42)中的最初的電漿。
此外，電漿含有電子、離子、激發的粒子和中子。自由電荷載體(電子和離子)首先在火星塞12的高壓電極18與接地電極第二電極19之間形成導電性的第一電漿通道42。接下來把高頻電壓源16的高頻交流電壓輸送給位於最初的電漿的空間中的第三電極20，由此在高頻電極20與接地電極第二電極19之間的空間(第三電漿通道44)中維持最初的電漿。相比於單獨採用高電壓源14的高電壓脈衝的情況，通過輸送高頻能量使得電漿保持得更為長久。尤其是，電漿在空間上從第三電漿通道44的中心增大。通過電漿產生的自由電荷載體用於在高頻電極20與接地電極第二電極19之間進行高頻電漿的電流傳輸。由此可以通過在高頻電極20上附加地施加高頻電壓源16的高頻電壓來把更多的功率在較長的時間內引入到電漿。這樣就連續地產生了電子，並使得電漿中自由的電子密度保持得更為長久，由此實現永久地產生反應性的物質(特別是原子氧)。 明顯增多的原子氧含量負責更高效的燃燒，還允許燃燒室中貧油的燃料-空氣混合物於可靠地點燃燒，或者允許在燃料消耗恒定的情況下提高發動機功率。
在第二種變型方案中，在第一電極18與第三電極20之間的第二電漿通道43中，且在第三電極20與接地電極第二電極19之間的第三電漿通道44中，形成最初的電漿。在把高頻電壓源16的高頻交流電壓輸送至第三電極20時，電漿得以長時間保持，並在空間上從第三電漿通道44的中心增大。
為了保護高頻電壓源16免於高電壓源14的高電壓脈衝，在高頻電極20與高頻電壓源16之間設置了保護電路30。高頻電壓源的可靠的接管得以實現，以便在最初的火花之後通過高電壓源14的高電壓脈衝繼續有效地把能量輸入到電漿中，因為最初的火花在任何情況下都在電極之間產生自由電荷載體。
保護電路30含有充氣式高壓放電器，其用以進行絕緣工作，只要電壓保持在例如大約450V的預定值以下。充氣式高壓放電器由於其僅大約2pF的小電容而不干擾。如果超過了充氣式高壓放電器的點燃電壓，電阻就會在數微秒內下降到很小的值，其中，可以將例如100kA的電流峰值放掉。
共同的接地電極第二電極19是高頻電極20和高壓電極18的參考電位。通過高壓電位與高頻電位的分離，迅速地降低了對分隔元件32的抗電壓能力的要求。同時，通過該步驟，明顯地降低了點燃線圈形式的高電壓線圈14的負擔，並且顯著地簡化了高電壓的產生。在柴油電機的載荷量越來越大而體積越來越小的背景下，產生用於可靠地點燃燒的足夠高的電壓脈衝是一種日益增長的趨勢。此外，在分隔元件的反應元件的選擇方面產生了更多的自由度，因為不必再顧慮點燃線圈盡可能小的電容載荷。與以前的電路設計相反，分隔元件的電容可以得到提高，而電感則下降，這實現簡化了分隔元件。
在圖2中，標記有與圖1功能相同部件的附圖標記，因而有關其介紹，參見圖1的上述說明。與根據圖1的第一實施方式不同，根據在圖2的第二實施方式中，分隔元件32接入到保護電路30與高頻電壓源16的輸出端26之間的第二電導線路28。
其中，保護電路30及/或分隔元件32附加地具有與接地電位40的電連接，如圖1和圖2中的虛線所示。
其中，在高電壓源14的輸出端22與第一電極18之間的第一電導線路24具有與接地電位40電性連接的保護電路31。該保護電路31在圖1和圖2中相應地用虛線標出。保護電路要用於形成高頻接地參考，而不阻止高電壓。
10‧‧‧點燃裝置
12‧‧‧火星塞
14‧‧‧高電壓源
16‧‧‧高頻電壓源
18‧‧‧第一電極
19‧‧‧第二電極
20‧‧‧第三電極
22‧‧‧輸出端
24‧‧‧第一電導線路
26‧‧‧輸出端
28‧‧‧第二電導線路
30‧‧‧保護電路
31‧‧‧保護電路
32‧‧‧分隔元件
34‧‧‧電容
36‧‧‧電感
40‧‧‧接地電位
42‧‧‧第一電漿通道
43‧‧‧第二電漿通道
44‧‧‧第三電漿通道

Claims (9)

  1. 一種點燃裝置(10)，特別是用於點燃內燃機的燃燒室中的空氣-燃料混合物，包括：一火星塞(12)，具有一第一電極(18)和一第二電極(19)；一高電壓源(14)，用於在該高電壓源的輸出端(22)上產生電性的一高電壓脈衝；以及一高頻電壓源(16)，用於在該高頻電壓源的輸出端(26)上產生電性的一高頻交流電壓；其中，該高電壓源(14)的該輸出端(22)與該火星塞(12)的該第一電極(18)通過一第一電導線路(24)電連接，藉此在該第一電極(18)上施加該高電壓脈衝；其中，該第二電極(19)與一接地電位電性連接；其中，該火星塞(12)具有一第三電極(20)；其中，該高頻電壓源(16)的該輸出端(26)通過一第二電導線路(28)與該第三電極(20)電連接，藉此把該高頻交流電壓施加在該第三電極(20)上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的點燃裝置，其中，該高電壓源(14)被設計成一點燃線圈。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的點燃裝置，其中，在該火星塞(12)的該第三電極(20)與該高頻電壓源(16)的該輸出端(26)之間的第二電導線路(28)電性連接一保護電路(30)，該保護電路阻止該高電壓源(14)的該高電壓脈衝擊穿至該高頻電壓源(16)的該輸出端(26)。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的點燃裝置(10)，其中，在該火星塞(12)的該第三電極(20)與該高頻電 壓源(16)的該輸出端(26)之間的該第二電導線路(28)電性連接一分隔元件(32)，該分隔元件的形式為特別選頻的一低通濾波器。
  5. 如申請專利範圍第3項或第4項所述的點燃裝置(10)，其中，該分隔元件(32)在該保護電路(30)與該高頻電壓源(16)的該輸出端(26)之間接入到該第二電導線路(28)。
  6. 如申請專利範圍第3項或第4項所述的點燃裝置(10)，其中，該分隔元件(32)在該保護電路(30)與該第三電極(20)之間接入到該第二電導線路(28)。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的點燃裝置(10)，其中，在該高電壓源(14)的該輸出端(22)與該火星塞(12)的該第一電極(18)之間的該第一電導線路(24)電性連接一保護電路(31)，該保護電路用於形成一高頻接地參考。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的點燃裝置，其中，在一第一種變型方案中，在該第一電極(18)上施加該高電壓脈衝時，在該第一電極(18)與該第二電極(19)之間形成一第一電漿通道(42)，在該第三電極(20)上施加該高頻交流電壓時，在該第三電極(20)與該第二電極(19)之間形成一第三電漿通道(44)。
  9. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的點燃裝置，其中，在一第二種變型方案中，在該第一電極(18)上施加該高電壓脈衝時，在該第一電極(18)與該第三電極(20)之間形成一第二電漿通道(43)，並在該第三電極(20)與該第二電極(19)之間形成一第三電漿通道(44)。
TW106110379A 2016-03-29 2017-03-28 燃燒室中點燃空氣-燃料混合物的點燃裝置 TW201734303A (zh)

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