TW201734304A - 燃燒室中點燃空氣─燃料混合物的點燃裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種點燃裝置，特別是用於點燃內燃機的燃燒室中的空氣-燃料混合物，包括：一火星塞，具有一第一電極和一第二電極；一高電壓源，用於在該高電壓源的輸出端上產生電的一高電壓脈衝；以及一高頻電壓源，用於在該高頻電壓源的輸出端上產生電的一高頻交流電壓；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一第一電導線路電性連接，藉此在該第一電極上施加該高電壓脈衝；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二電極電性連接，藉此把該高頻交流電壓施加在該第二電極上。

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：一火星塞，具有一第一電極和一第二電極；一高電壓源或直流電壓源，用於在該高電壓源的輸出端上產生電的一高電壓脈衝；以及一高頻電壓源或高頻交流電壓源，用於在該高頻電壓源的輸出端上產生電的一高頻交流電壓；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一第一電導線路電性連接，藉此在該第一電極上施加該高電壓脈衝。
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(DE)專利公開第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(DE)專利公開第10 2008 051 185 A1號，其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(DE)專利公開第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)之間燃燒，無源電極的電位位於發動機缸體以及汽車的整個車身的接地電位(0V)。接地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中。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。這將導致不明顯地產生自由電子，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之具有申請專利範圍第1項的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，高頻電壓源的輸出端通過一第二電導線路與第二電極電性連接，藉此把高頻交流電壓施加在第二電極上。
這具有如下優點：有兩個有源電極可供使用，藉此在火星塞的兩個電極之間的電漿通過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電漿。
把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。
在火星塞的第二電極與高頻電壓源的輸出端之間的第二電導線路電性連接一保護電路，該保護電路阻止高電壓源的高電壓脈衝擊穿至高頻電壓源的輸出端，藉此實現了保護高頻電壓源免於接受過高電壓。
在火星塞的第二電極與高頻電壓源的輸出端之間的第二電導線路電性連接一分隔元件，該分隔元件的形式為選頻的濾波器，特別是帶通濾波器，藉此實現從高頻電壓源之例如僅僅一個所希望的頻帶到火星塞的第二電極的選頻的傳輸。
該分隔元件在保護電路與高頻電壓源的輸出端之間接入到第二電導線路，藉此實現了保護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，該分隔元件在保護電路與第二電極之間接入到第二電導線路。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。
在高電壓源的輸出端與火星塞的第一電極之間的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，藉此實現了改善從高電壓源到該火星塞之間的高電壓傳輸。
在第一電極上僅施加高電壓脈衝，並在第二電極上僅施加高頻交流電壓，藉此實現了兩個有源電極的明確分隔。
10‧‧‧點燃裝置
12‧‧‧火星塞
14‧‧‧高電壓源
16‧‧‧高頻電壓源
18‧‧‧高壓電極、第一電極
20‧‧‧高頻電極、第二電極
22、26‧‧‧輸出端
24‧‧‧第一電導線路
28‧‧‧第二電導線路
30、31‧‧‧保護電路
32‧‧‧分隔元件
34‧‧‧電容
36‧‧‧電感
40‧‧‧接地電位
42、44‧‧‧箭頭
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)、以及高頻電壓源16。該火星塞12具有第一電極18(高壓電極)和第二電極20(高頻電極)。第一電極18和第二電極20分別伸入到例如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電性連接，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。在此，僅在第一電極18上施加高電壓脈衝。
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的第二電極20電性連接，藉此把高頻交流電壓從高頻電壓源16輸送給火星塞12的第二電極20。高頻電壓源16還與接地電位40電性連接。在此，僅在第二電極20上施加高頻交流電壓。
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的第二電極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濾波器，例如被設計成帶有恆定或可變的電容34以及恆定或可變的電感36的帶通濾波器。該帶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朝向第二電極 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，藉此實現最佳地將能量輸入到被點燃的電漿中。
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中含有兩個有源的電極，即高壓電極作為第一電極18和高頻電極作為第二電極20。不存在例如在通常的點火系統中的接地電極。點燃線圈14產生高電壓脈衝或直流(DC)高電壓脈衝，其在火星塞12的高壓電極18與高頻電極20之間達到擊穿電壓時允許點燃在兩個電極18、20周圍的空間(箭頭42)中最初的電漿。接下來輸送高頻電壓源16的高頻交流電壓，該電漿被繼續供應能量(箭頭44)，並由此保持一定的時間。藉此，相比於單獨採用高電壓源14的高電壓脈衝的情況，電漿保持得更為長久。
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)在火星塞12的高壓電極18與高頻電極20之間形成導電的電漿通道。通過電漿產生的自由電荷載體用於在高頻電極20與高壓電極18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中。這樣就連續地產生了電子，並使得電漿中的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-空氣混合物可靠地點燃，或者允許在燃料消耗恆定的情況下，提高發動機功率。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。該點火系統的明顯的優點在於，電漿直接在兩個有源的電極18、20之間燃燒。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例如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，可以將例如高達100kA的電流峰值放掉。
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功能相同的部件的附圖標記，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，保護電路30在分隔元件32與高頻電壓源16的輸出端26之間接入到第二電導線路28中。
另外，保護電路30及/或分隔元件32可附加地具有與接地電位40的電性連接，如圖1和圖2中的虛線所示。
另外，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電性地接入與接地電位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。保護電路要形成用於高頻的接地參考，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‧‧‧高壓電極、第一電極
20‧‧‧高頻電極、第二電極
22、26‧‧‧輸出端
24‧‧‧第一電導線路
28‧‧‧第二電導線路
30、31‧‧‧保護電路
32‧‧‧分隔元件
34‧‧‧電容
36‧‧‧電感
40‧‧‧接地電位
42、44‧‧‧箭頭

Claims (8)

  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(20)；一高電壓源(14)，用於在該高電壓源的輸出端(22)上產生電的一高電壓脈衝；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)電性連接，藉此在該第一電極(18)上施加該高電壓脈衝；其特徵在於：該高頻電壓源(16)的該輸出端(26)通過一第二電導線路(28)與該第二電極(20)電性連接，藉此把該高頻交流電壓施加在該第二電極(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)的該第二電極(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)的該第二電極(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選頻的濾波器，特別是帶通濾波器。
  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)中。
  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)與該第二電極(20)之間接入到該第二電導線路(28)中。
  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)，該保護電路形成用於高頻的接地參考。
  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(10)，其中，在該第一電極(18)上僅施加該高電壓脈衝，並在該第二電極(20)上僅施加該高頻交流電壓。
TW106110380A 2016-03-29 2017-03-28 燃燒室中點燃空氣─燃料混合物的點燃裝置 TW201734304A (zh)

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