TW505734B - Add-on unit to conventional ignition systems to provide a follow-on current through a spark plug - Google Patents

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505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（ί ) [發明背景] 1. 發明領域 本發明之領域係關於用於內燃機之點火系統，且尤指 係可結合於習用點火系統以致能一移動式火花點火器（ TSI，traveling spark ignitor)之操作的附加（add-on)單元 〇 2. 相關技藝之敘述 美國專利第5,7〇4,321號與美國專利申請案第 09/204,440號係揭示移動式火花點火器（TSI)以及伴隨之 電氣系統，該二者係均以參照方式而納入本文，其係顯示 可提供用於內燃機操作之多個優點。當內燃機係面臨非均 質、高度可變、或者混合不良之燃料/空氣混合物時，該於 操作上之影響係尤爲明顯。此等情況係可能發生於操作在 低RPM (轉速）之混以碳化物（carbureted)引擎、傾斜 (lean)運轉之引擎（尤其是當運用高度廢氣反覆循環時 )、以及運轉於層化充電模式之直接注入式引擎。 硏究係已顯示的是，當於引擎汽缸內之燃料/空氣混合 物的速度係低時，對於一大但壽命短的點火核心之有利影 響係尤爲明顯（參閱例如由Robert Boewing等人發表於 SAE論文第1999-01-0799號之“用於SI引擎中之高度稀 釋混合物的點火系統”，其係以參照方式而納入本文）。 此系統之進一步的優點係直接源於較大的點火核心。於極 高速下’引擎操作係實際受限於火花前緣傳輸之速度，而 一 TSI系統係能夠加速於此速度之燃燒（對於競賽式應用 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------------------I----^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 A7 B7 五、發明說明（7) 尤爲重要）且增量式推高載具速度。 該類系統係允許引擎可運轉得更爲乾淨，且發出較低 階層之碳化氫放射。任何型式之火星塞若係操作如同以上 討論之參考文獻中所述者，將可達成超過其正常作業之操 作上的優點。因此，雖然以下之探討係特別關於TSI系統 ，將可知悉的是，本文所含之揭示內容係可應用於現有或 者日後硏發之任何型式的火星塞。 [發明槪論] 上述之TSI系統係需有特定之電子電路，藉以建立一 大電漿核心。若該等系統係欲實行於用於內燃機之點火系 統，電子電路可能係需重新設計，藉以提.供所需電位於 TSI系統之電極間。然而，此種重新設計係可能證明爲昂 貴者。再者，爲了修改一原先存在之引擎以最佳化地操作 一 TSI系統，現存之火星塞點火電子電路將需作修改，其 將伴隨必須分解部分之引擎。 爲了克服此等及其他缺點，本發明係提出一種附加單 元，其可係易於結合一習用點火系統，以升級爲一新的點 火系統或者退而裝配於較舊之系統，藉以最佳化地操作一 TSI系統。 於一個實施例中，係揭示一種附加模組，可將習用點 火系統轉換爲能夠驅動一移動式火花點火器之點火系統。 此附加電路係包括一第一阻斷元件，具有一第一與第二接 線，第一接線係適用以連接至習用點火系統之一輸出，當 該附加電路係連接至習用點火系統時，該第一阻斷元件係 4 本紙張尺度適用宁國國豕彳示準（CNS)A4規格（210 X 297公爱 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本貧) -----I--t· — —'-----. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 【37 五、發明說明（〜） 串聯連接於習用點火系統與該點火器之間。該附 包括一持續電流產生器，係電氣耦接至該點火器與第一阻 斷元件之第二接線。該附加電路更包括一第二阻斷元件’ 係耦接於持續電流產生器與該點火器之間。 [圖式簡單說明] 本發明之各個實施例係藉由參照隨附圖式以顯矛：&說 明於後，相同之項目係由相同之元件符號表示，其中： 第1圖係一圓筒狀馬歇爾（Marshall)槍之橫截面圖 ，以圖畫方式表示其操作，此係有助於瞭解本發明； 第2圖係用於本發明一實施例之一圓筒狀移動式火花 點火器的橫截面圖，係穿過該圓筒軸所取得，包括二個電 極，且其中所產生之電漿係藉著於軸向方向膨脹而移動； 第3A圖係用於第2圖所示賓施例之一圓筒狀移動式 火花點火器的頂端詳圖； 第3B圖係一圓筒狀移動式火花點火器之頂端一實施 例的詳圖； 第4圖係進一步界定本發明一實施例之三度空間橫截 面圖； 第5圖係用於本發明另一實施例之一移動式火花點火 器的橫截面圖，其中所產生之電漿係藉著於徑向方向膨脹 而移動； 第6圖係用於本發明的一個實施例之一移動式火花點 火器的部分切除圖，如同係安裝至一引擎之汽缸； 第7圖係用於本發明的第二實施例之一移動式火花點 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） -------------------丨訂----------線# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 A7 B7 五、發明說明（午） 火器的部分切除圖’如同係安裝至一引擎之汽缸； 第8圖顯示用於本發明的一個實施例之另一移動式火 花點火器的橫截面圖； 第9A圖顯示用於本發明的另一實施例之另一移動式 火花點火器的縱向截面圖； 第9B圖係第9A圖之移動式火花點火器的端視圖，顯 示相對電極之自由端； 第9C圖係第9B圖之一部位的放大視圖； 第10圖係說明第2圖之點火器實施例，根據本發明之 一個實施例，耦接至操作該點火器之一範例電氣點火電路 的一示意圖； 第11圖係根據本發明之一個實施例的一點火電路之高 階方塊圖； 第12圖顯示根據本發明之另一個點火電路實施例的電 路示意圖； 第13圖顯示第11圖之二次側電子電路的一個實施例； 第14A-14C圖顯示第11圖之一次側電子電路的替代 實施例； 第15A-15C圖顯示第11圖之二次側電子電路的替代 實施例； 第16圖顯示本發明之一電氣點火電路的一高電位方塊 圖； 第Π圖係於第16圖揭示之電路的詳圖； 第18圖係於第17圖揭示之二次側電路的詳圖； 6 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 _B7 _ 五、發明說明（< ) 第19圖係表示介於一火星塞之電極間的電壓相對於時 間之一實例，該電壓係可由第18圖之電路所建立； 第20圖係第18圖所示之二次側電路的一替代例； 第21圖係第18圖所示之二次側電路的另一替代例； 第22圖係第21圖所示之電路的一變化例； 第23圖係於第17圖揭示之電路的串聯連接形式者； 第24圖係第23圖所示之電路的一變化例； 第25圖係本發明之點火電路的另一變化例； 第26圖係本發明之點火電路的又一實施例； 第27圖顯示作爲包括於一附加單元之二次側電子電路 係結合一習用點火系統而使用； 第28圖顯示一習用火星塞係如何置放於一燃燒室;及 第29圖顯示本發明之實施例係如何置放於一燃燒室。 [元件符號說明] 2電場 4磁場 6朝外方向 10、12電極 14隔離器（介電質） 16電漿 17移動式火花點火器（TSI) 18第一電極 19安裝機構（螺紋） 20第二電極 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂----------線-^· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（b ) 21火星塞連接器 22 TSI 17之頂端 23絕緣（介電）材料 24電漿 25內部電極

26碟形（圓形）電極表面 27 TSI 28外部電極 29環形腔部（放電間隙） 29A朝外之徑向方向 32電漿 42習用點火系統 44低電壓電源 46、48電容器 50、52二極體 54電阻器 56介電材料23之表面 90汽缸頭部 92汽缸 94活塞 96活塞頭部 98電漿24的行進方向 100電漿32的行進方向 101三電極電漿點火器 ----—------------—^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁). 本紙張尺度適用申國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 505734 A7 _B7 五、發明說明（1 ) 104內部電極 106外部電極 108第三電極 110高電壓線圈 112絕緣器（絕緣材料）

114絕緣器112之暴露表面 120 TSI 122、124桿形電極 126介電材料（絕緣器） 128金屬本體 130剛性托架 140同軸連接器 200氣隙 201點火電路 202 —次側電路 203膨脹間隙 204導電材料（上表面） 205下表面 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 〈請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 208二次側電路 210電源供應器 212充電電路 214線圈驅動電路 220火星塞及相關電路 222二次側充電電路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 505734 A7 _B7_ 五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 224電源供應器 258 —次側繞組 260二次側繞組 264 SCR (矽控整流器） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 265閑極 266、270電容器 272、274電感器 276、278 二極體 283高電壓段 284電容器 285低電壓段 286高電流二極體 288二極體 290選用之電阻器 300點火線圈 302火花間隙 400磨損區域 402 —次側繞組 404節點 602持續（follow-on)電流產生器 604開關 620電容器 622二極體 624電感器 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7_ 五、發明說明（"ί ) 626二極體 628線圈芯 630火花間隙 632電感器 700三電路點火系統 702高電壓電路 704第二電路 706第三電路 708 —次側電路 710二次側充電器 712火花間隙 720阻斷二極體 722、724輸出端子 726充電電路 730第一變壓器 732二次側 734峰値電容器 736火花間隙 738 —次側 740第二變壓器 742二次側 744第一端子 746第二端子 748充電電路 11 本紙張尺度適用中國國^標準(CNS)X4l^格(210 x 297公釐) -----------in—---訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 _B7_ 五、發明說明（/。） 802燃料注入器 804 燃料柱（plume) 806燃燒室 808未具有實質量燃料之區域 . 810火星塞 812第一電極 814第二電極 816活塞 820電漿產生裝置 822、824 電極 830雙能量電子電路 832電漿 [詳細說明] 以下之詳細說明將敘述本發明的特點之數個實施例以 及構件。將可瞭解的是，本發明之各個不同特點係可作結 合或省略，視對於各個實施例之背景以及所需元件而定， 其僅係包括於隨附之申請專利範圍中。 I·操作之一般理論 以下之討論係將關於一種電漿產生裝置之一般操作，藉以更 爲淸楚解說本發明的特點。 第1圖顯示一種前技之馬歇爾槍（電漿槍）的簡化實 施例，其有限度地呈現建立大體積電漿之一有效方式。於 第1圖中之示意呈現係顯示出於一說明性馬歇爾槍之電場 2與磁場4，其中Βθ係指向沿著磁場線4的角向（poloidal I ------------· I-------^----------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（u) )磁場。電漿16係由勞倫茲力向量F與熱膨脹而移動於一 朝外之方向，新的電漿係隨著持續放電而由新鮮氣體之崩 潰所連續產生。Vz係電漿核心速度向量，亦係指向於由箭 號6所表示之Z方向。因此，電漿16保隨著其移動沿著 並通過介於電極1〇、I2 (其係由隔離器或介電質14而維 持分隔之關係）之間的空間。一旦電漿16係離開電極1〇 、12，其體積膨脹且於過程中冷卻。在其已經冷卻至點火 溫度以後，其點火該可燃燒之混合物。幸運的是，增加電 漿體積係符合於用以減少放射及改善燃料經濟性之公認的 策略。二個該種策略係欲提高於汽缸內的氣體混合物之稀 釋（dilution)，以及欲減少行程對行程之變化。 氣體混合物之稀釋，其係通常運用過量空氣（運轉該 引擎傾斜）或者廢氣再循環（EGR)，藉著降低燃燒溫度 而減少氮氧化物之形成。氮氧化物係於煙霧之形成中扮演 重要的角色，且其減少係對於汽車工業之一持續挑戰。氣 體混合物之稀釋亦提高燃料效率，藉著降低溫度且因此減 少透過燃燒室壁部之熱損失、改善比熱比値、及藉著降低 於部分負載之泵損失。

Zeilinger係針對三個不同火花時間，而判定每馬力小 時所作功之氮氧化物形成，爲空氣對燃料比之一函數（ Zeilinger，K·，博士論文，慕尼黑技術大學，1974年）。他 發現該空氣對燃料比以及火花時間均影響燃燒溫度，且因 而影響氮氧化物形成。隨著可燃燒混合物或者空氣對燃料 比（A/F，air/fuel ratio)係以過量空氣作稀釋（即A/F大於 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------> I------^---------i^w— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（π) 化學計量者），該溫度係下降。開始時，此效應係藉由增 加氧量而減小。氮氧化物（Ν0Χ)形成係增加。當該混合 物係進而稀釋時，形成係減少至低於化學計量混合物 者許多之値，因爲燃燒溫度降低係遠超過氧氣（〇2)之增 加。 一較爲提前之火花時刻（即在頂端死區前之較多度處 起始點火），將升高峰値溫度而減低引擎效率，因爲較大 部分之可燃燒混合物係在活塞到達頂端死區（TDC，top dead center)前而燃燒，且該混合物係壓縮至較高溫度， 因而導致較高許多之N0X階層與熱損失。隨著該混合物係 作成貧乏（lean )，則其提供最大制動轉矩（MBT\ maximum brake torque)時刻之該火花時刻係增高。 氣體混合物之稀釋係造成能量密度與火焰傳輸速度之 減小，其影響點火與燃燒。較低能量密度係減少在一給定 體積內由化學反應所釋放之熱，且因而轉移介於化學熱釋 放與至周圍氣體熱損失之間的平衡。若熱釋放係小於熱損 失，火焰將無法傳遞。因此，需有一較大之初始火焰。 降低該火焰傳輸速度，將提高燃燒持續期間。點火延 遲係起因於該火焰前緣於一開始時爲極小，致使其極爲緩 慢地成長，由於燃料空氣混合物之量係正比於表面積。於 點火延遲及燃燒持續期間之增加係造成火花提前之增加以 及較大的循環對循環變化，其減小該功輸出而且加大引擎 不平順度。一較大的點火核心將減小所需之火花時刻提前 ’且因而減弱關聯於該提前之負面效應。（此等負面效應 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----I I --------^ . 505734 A7 _ B7 五、發明說明（ή ) 係提高欲點火該可燃燒混合物之困難度，歸因於在該火花 時間之較低的密度與溫度，以及於點火延遲之變化，其致 使可驅動能力變差）。 循環（cyclic)變化係由局部空氣對.燃料比、溫度、剩 餘氣體量、及干擾之無可避免的變化所造成。此等變化於 汽缸壓力之效應係主要歸因於其在火焰初始膨脹速率之影 響。此影響係可大爲降低，藉著提供其係明顯大於非同質 者（inhomogeneities)平均尺寸之一火花體積。 於引擎燃燒過程之循環變化的降低係將減少放射而提 高效率，藉著減少不良燃燒循環數，且藉著擴大該引擎之 操作空氣燃料比範圍。 雖然增加火花體積，本發明之某些實施例亦可提供將 火花更深地移動至可燃混合物，具有縮短燃燒持續期間之 效果。 欲達成此等目標，本發明之某些實施例係使用其具有 長度相當短且其間距離相當大之電極的點火器;即’介於該 等電極之間的距離係較電極長度爲大。 II.雷漿產牛裝置（點火器）之結藍 以下之敘述係將解說根據本發明之電漿產生裝置的實施例之 不同特點。 第2圖顯示根據本發明之一 TSI 17的一個說明實施例 。此實施例具有標準之安裝機構丨9 (諸如螺紋），以供安 裝TSI 17於一燃燒室，諸如一內燃機之活塞室。此等螺紋 係可安裝該TSI於燃燒室中，俾使該等電極延伸特定距離 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ill —---^------I--線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 _ 一-—-... 一…_ B7 五、發明說明（A) 至燃燒室中。TSI 17之安裝係可影響內燃機之操作，且係 將較爲詳細討論於下文。TSI 17亦含有—'標準之公（male )火星塞連接器21、與絕緣材料23。TSI 17之頂端22係 大爲不同於標準之火星塞。於一個實施例中，頂端22係包 括二個電極，即一第一電極18與一第二電極20。第2圖 所示之特定實施例係具有同軸配置於第二電極20之第一電 極18;即，第二電極20係環繞第一電極18。第一電極18 係附接至一遠端啓動（boot)連接器21。介於該等電極間 的空間係實質充塡有絕緣材料（介電質）23。 一電壓係施加至TSI 17於第一電極18與第二電極20 之間，致使一放電起始沿著絕緣材料23之表面。對於跨於 絕緣材料23之一放電所需的電壓，係低於對於離絕緣材料 23某段距離之介於電極18與20間的一放電者。因此，初 始放電係發生跨於絕緣材料23。該初始放電之位置係將於 本文稱之爲“點火區域”。此初始放電係構成該氣體（空 氣/燃料之混合物）之離子化，因而建立一電漿24。此電漿 24係一良好導體，且以較欲構成電漿所需者爲低之一電壓 而維持一電流於第一電極18與第二電極20之間。通過電 漿之電流係作用以離子化更多的氣體爲一電漿。環繞電極 之電流感應磁場以及通過之電流係交互作用，以產生一勞 倫茲力於電漿上。此力係致使通過電漿之電流初始點移動 ，因而建立一較大體積之電漿。此係和傳統的點火系統大 大不同，傳統的點火系統中之火花初始點係爲固定。所產 生之勞倫茲力係亦作用以將電漿自TSI 17所排出。電漿之 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐> -------------------It--------1^. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7__ 五、發明說明（β ) 固有的熱膨脹係有助於此排出情形。即，隨著電漿加熱及 膨脹，其係迫使朝外行進而遠離該介電材料23。 第一電極18與第二電極20係分別可由包括任何適合 導體之材料所作成，舉例而言，諸如鋼·、被覆金屬、鍍鉛 之鋼（針對防蝕或者“性能手段（engine) ”）、銅、以 及諸如鉬（Mo)或鎢（W)之高溫電極金屬。該等電極（ 一者或二者）係可爲具有受控制熱膨脹之金屬，如同 Kovar (Carpenter技術公司之一商標及產品），且係塗覆 以諸如氧化亞銅之材料，以提供良好之後續密封至玻璃或 陶瓷材料。電極材料係亦可作選取，以減少功率消耗。舉 例而言，係可使用塗钍之鎢，由於其輕微之放射能係可有 助於預先離子化介於電極間之空氣或者空氣燃料混合物， 盡可能降低所需之點火電壓。此外，該等電極係可由高居 禮（Curie)溫度之永久磁鐵材料所作成，並係極化以有助 於排出電漿之勞倫茲力。 該等電極除了於其端部之數毫米外係由絕緣材料23所 分隔，該絕緣材料23係可爲高谭電氣絕緣之一隔離器或者 絕緣材料。舉例而言，此材料係可爲磁器或者燒釉之陶瓷 材料，如同於習用火星塞所使用者。或者是，舉例而言， 其係可由耐火之水泥（cement)、可加工之玻璃陶瓷（諸 如Macor，乃Coming玻璃公司之一商標及產品）、或模製 之礬土（alumina)、穩定化之氧化锆（zirc〇nia)或類似 者所形成，係經燒烤且以諸如焊接玻璃陶瓷原料而密封至 該等金屬電極。如上述，陶瓷材料亦可包含諸如鋇（ 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2l〇_x四/"^3--------- t—I-----^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 A7 B7 五、發明說明（A) barium)鐵氧體（ferrite)之永久磁鐵材料。 應係知悉的是，第二電極2〇係無須爲完全環繞第一電 極18之一完整的圓柱體。即，第二電極20係可具有自其 移除之部位，俾使存有分開第二電極20.的部分與其他部分 之空間。此等部分若作連接時係將建立環繞第一電極18之 一完整的圓形者。 第3A圖係用於第2圖所示之頂端22的一個可能實施 例之較爲詳細的橫截面圖。在此所示之特別實施例係關於 TSI 17。然而，應注意的是，此結構之特定性質係可應用 於下文討論之實施例的任一者（例如TSI 27、101、與120 )，或者可應用於日後發現的任何實施例。 所示之頂端（tip) 22係包括第一電極18與第二電極 2〇。介於第一電極18與第二電極20之間係絕緣材料23。 絕緣材料23係塡充介於電極18與20之間的空間之一實質 部位。介於電極18與20之間的空間之未由絕緣材料23所 塡充的部位，係於本文中稱爲放電間隙。此放電間隙具有 一寬度Wdg，其係介於電極18與20之間的距離且係於其 最接近的點所測量。第一電極18延伸超過絕緣材料23之 長度係在此標示爲h，而第二電極20延伸超過絕緣材料 23之長度係在此標示爲12。該h或12之較短者係在此稱爲 該放電間隙之長度。第一電極18係具有半徑η，而第二電 極20係具有半徑r2。介於第一與第二電極之半徑間的差距 ^- ΙΊ，係代表該放電間隙之寬度Wg。然而’應係注意的 是’ Wg亦可由介於二分隔之非同心圓的電極間之距離所表 18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -n n n n n ϋ n 一 ο*. I ϋ n n n n I < 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（) 示。 透過第一電極18與電漿24而至第二電極2〇之電流 係將建立繞於第一電極18之一尖銳稜角的（angular)磁 場B〇 (I，r)，其取決於電流以及與第一電極18之軸的距 離（半徑r，參看第1圖）。因此，該磁場B〇產生一勞倫 茲力F於沿著電極18、2〇之軸向方向z的電漿24中之帶 電粒子上。該力係大約計算於以下之式（1 ): F〜I〜Ir . B〇 ( 1 ) 此力係加速該等帶電粒子，歸因於與未帶電粒子之碰 撞，將加速整個電漿。應注意的是，該電漿係由帶電粒子 (電子與離子）以及中性原子所組成。於放電間隙之溫度 係不夠高以完全離子化所有的原子。 作爲用於熔合裝置的電漿源之原始的馬歇爾槍係操作 於真空，以短脈衝之氣體往入於電極之間。由一電容器之 放電所建立於電極之間的電漿係加速於數公分之一距離， 以至大約107公分/秒之最終速度。於電漿之拖曳力Fv係大 約正比於電漿速度之平方，如顯示於以下之式（2):

Fv 〜vp2 (2) 電漿於其加速之距離係短的（1至3毫米）。誠然， 實驗已經顯示的是，增加該電漿加速距離之長度超過1至 3毫米，將不會大爲提高電漿外出速度，雖然用以驅動該 TSI之電能係大爲增加。在大氣壓力下且對於大約300毫 焦耳之輸入電能而言，平均速度係接近於5Xl04cm/seC且 在引擎之高壓力下將係更低。在8:1的壓縮比之下，此平 19 本紙張尺度適用中國國家ί票準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) ---------------------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 Λ7 ___________ B7 五、發明說明（d) 均速度係大約爲3 X 104cm/sec。 對比而言，若較多能量係置於一習用火花之單一放電 ，其強度係稍微增加，但所建立之電漿的體積係未顯著增 加。於一習用火花，當放電路徑之導電率係提高時，極大 部分之能量輸入係成爲加熱該等電極。 給定上述之尺寸限制，本發明係可最佳化該電磁力（ 勞倫茲力）與熱膨脹力之結合，當該TSI係根據以下之大 約條件所構成時： (r2- Γ! ) /Ix^ 1/3 ( 3 ) 其中lx係^與12之較短者的長度。應係注意的是，所 表示之該等尺寸界限係爲大約者;在其上或下之微小偏差仍 將產生根據本發明之具功能性的TSI，雖然可能具有稍低 於最佳性能者。此外，此等尺寸僅僅界定外界限，熟悉此 技術之人士將可理解的是，諸多結構均將滿足此等尺寸特 徵。 該量（r2- ri) /U系代表間隙對長度之比値。對於相同 的輸入能量而言，一較小的間隙對長度之比値將可增加其 驅動電漿遠離TSI之勞倫茲力（當歸因於較小之電漿阻力 而有一較大電流時）。若此間隙對長度之比値係太小，由 勞倫茲力所提供之額外能量係主要成爲蝕化該等電極，歸 因於在該等電極上之濺鍍過程增加。再者，如前文所述， 一最佳執行之TSI應構成一大體積的電漿。對於相同電極 長度而提高該間隙對長度之比値，將增加該電漿可係於其 中構成之體積，且因而有助於增加所產生電漿之體積。因 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------1---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 A7 B7 五、發明說明（A) 此，本發明之TSI係較佳具有一足夠大的間隙對長度之比 値，俾使係有可構成電漿於其中之足夠的體積。此體積限 制亦作爲設定對於該間隙對長度之比値的一底限。已經得 知的是，大約1/3或稍大的一間隙對長度之比値係可建立 介於此二限制之間的一最佳平衡。 相對於早期之嘗試（其當嘗試以加速電漿時係損失輸 入能量，歸因於隨著速度平方而增長之拖曳力），當具有 此大的間隙對長度之比値時，將提供對於電漿產生之較大 的體積。該較大的電漿體積係以較小輸入能量且在較低速 度下而發出。減小輸入能量，將於該等電極上產生較小程 度之蝕化。此舉係進而導致產生一種TSI，其具有先前所 無法達成的壽命。 較佳而言，本發明之TSI點火系統於每次點火係使用 不超過400毫焦耳（m〗）。相較而言，早期之電漿及馬歇 爾槍點火器並未達成實際利用性，因爲其運用較大許多之 點火能量（例如每次點火爲2至1〇焦耳），其引起該點火 器之快速蝕化以及短的壽命。於引擎性能之進一步的效率 增益，係因增加之點火系統能量消耗而交出。 第3B圖顯不一' TSI之頂端（tip ) 22部位的另一實施 例。於此實施例中，一氣隙200係存在於第一電極18與第 二電極20之間的絕緣材料23之表面上的直接路徑。此氣 隙200係具有一寬度Wag與一深度Dag。寬度wag與深度 Dag係可能在個別TSI之間變化，但對於各個單一 TSI而言 係爲固定。於此結構中之絕緣材料係包括一上表面204與 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音心事項再填寫本頁) 訂----------線* 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（/) 一下表面205，下表面205係位在氣隙200之底部。具有 諸如第3B圖顯示者之上表面204與下表面205的一種點 火器，係將於本文中稱作爲一種“半表面（semi-surface) 放電”點火器。應係知悉的是，一種半表面放電點火器係 無須具有如第3B圖所示之尺寸比値。 氣隙200係作用以數個獨特之目的，但其主要效用係 欲提高TSI之使用壽命。首先，氣隙200係有助於防止電 極18與20歸因於絕緣材料23上的完整導電路徑之建立而 被短路。該導電路徑係可能由多個機構所建立。舉例而言 ，每當一 TSI係點火時，該等電極之一部份金屬係毀損。 此電極金屬之移除係習稱爲磨損（ablation)。電極之磨損 將產生一金屬沉積薄膜於絕緣材料23之表面上。經過一段 時間，此薄膜係可能變成固體且夠厚以載有一電流，因而 成爲一導電路徑。可能於該等電極間建立一導電路徑的另 一方式係，來自於導電材料204上之過量建立的碳沉積或 類似者。若建立的碳沉積係成爲夠大以載有一電流，則可 能造成該等電極之一短路情形。此直接互連係導致大量的 能量分給且消耗於TSI 17，而並無於電漿體積之明顯增加 。氣隙200係提供在一短路情形可能發生之前該導電路徑 必須跨越之實際障壁。即，爲了發生一短路情形，該氣隙 係必須以金屬或碳或其組合而完全跨接。 氣隙200亦係作用以有助於減少電極磨損。若氣隙 200係不存在，每當TSI 17係用以點火一電漿核心時，初 始放電係被發現爲發生於該等電極上相同的點之間。亦即 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -----------------丨丨訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 A7 B7 五、發明說明（ >丨） ，該初始放電係將可能發生在絕緣材料接觸第二電極20之 點（假設一放電係由第一電極18至第二電極20)。因爲 該放電係發生在相同點，第二電極2〇係太快磨損且最後於 該放電點處而損毀，因爲第二電極2〇係實質上成爲較其他 點爲弱。氣隙200之引入將致使該初始放電點改變。藉著 散佈該等放電點跨於電極20，磨損係散佈於較大之表面;此 舉係大爲提高電極壽命。第二電極2〇係較佳爲一大致平滑 表面。此舉允許火花跳躍於第二電極20上的較多位置，且 因而增加磨損發生於其上之面積。此係關於第4圖而較爲 詳細顯不及討論。 第4圖係一 TSI之一端的實例之一側的切除側視圖。 此實例包括第一電極18、第二電極20、絕緣材料23與氣 隙200。如前所述，若氣隙200係不存在，初始崩潰點將 發生於大致相同之位置，即第二電極2〇將接合該絕緣材料 23之處。此舉導致第二電極20於該點之快速蝕化，且侷 限點火器壽命。氣隙2〇〇係藉著改變初始放電之位置而有 助於克服此問題，俾使第二電極2〇係不會每次均磨損在相 同點。此係圖示於第4圖中，其具有一寬度Wa與一高度 Ha之一磨損區域400。該點火器係第一次點火時，初始崩 潰將發生於該二個電極彼此最接近之點。此時，該電極之 某些磨損係將發生;因此，該點可能不再是最接近之點，故 下一崩潰將於下次點火（假設一均勻氣體混合物）期間發 生在“新的”最接近之點。氣隙200係擴大於其發生此放 電之區域。假設爲一圓柱狀之第二電極20，若該點火器係 23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -ΙΨ----- 訂-----I---線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 Δ7 ___B7 _ 五、發明說明（ 已經由於氣隙200而繞於第二電極20整個磨損一薄環，該 最接近之點將係稍微高或低於此環。此係發生於該點火器 之整個壽命期間內。 結果，出現磨損區域400。然而，.此區域之尺寸係足 夠大，俾使該點火器在第二電極20磨損之前係可持續達一 商用可行的時間。該氣隙之寬度Wag係限制爲放電間隙之 寬度Wdg的大約一半，因爲若此寬度係稍微較大者，跨於 絕緣材料23之崩潰效應係可能喪失，歸因於電極間的空間 增加所引起之電阻增加。 磨損區域400係導致用於根據本發明一個實施例之一 種點火器的另一實際限制。尤其是，於該等同心圓的電極 之例中，第二電極20之內側應係大致平滑，以確保介於該 等電極間的距離係在該放電間隙之全長均大致相同。尤其 是，此意謂著在氣隙200之頂端的鄰近處，第二電極20應 該並無一部位係較任何其他部位爲更接近於第一電極18。 再者，當具有大致平滑之第二電極20時，將允許第二電極 20之磨損係發生遍及整個磨損區域400。 目前而言，彼等習用火星塞（其本質爲同心圓者且具 有延伸超過介電材料之一中心電極）具有外部電極，並不 適合利用由本文揭示之實例TSI所產生的勞倫茲力。於此 等習用火星塞，大部分之外部電極係導向（至少某一程度 )徑向遠離該中心電極。爲了產生勞倫茲力於外部電極， 該外部電極必須提供一電流返回路徑，其係大致平行於該 中心電極。因此，於某些實施例中，係可能欲令第一與第 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） — — — — — — — — — — — --— — — — — — ^ « — — — — — —I — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 ______ 五、發明說明（勹） 二電極之配置爲’使得該等電極之面對側係至少於起始區 域維持大致平行。於其他實施例中，該等電極係應於該放 電間隙之全長均爲大致平fj於彼此。即，第一與第二電極 係應爲平行於彼此，從接近上表面2〇4 ‘之至少一區域到該 等電極之末端。於其他實施例中：，第一與第二電極可維持 平行於彼此，在上表面204下方某一距離。舉例而言，第 一與第一電極可維持平行於彼此，在上表面204下方之一 距離’其係大約等於放電間隙之寬度Wdg;或者係維持平行 於彼此達一距離，其代表介於該放電間隙寬度Wdg之零與 一之間的任何分數。應係知悉的是，本文揭示之該等TSI 實施例任一者的該等電極係亦可作此配置。 再次參照第3B圖之實施例，另一間隙（膨脹間隙203 )係可能存在於絕緣材料23與第一電極18之間。膨脹間 隙203具有一初始寬度We，當TSI 17係冷時。於某些實 施例中，膨脹間隙203係存在於絕緣材料23與第一電極 18之間，大致上爲TSI 17之全長。於其他實施例中，膨脹 間隙203係可能僅存在於第一電極18與絕緣材料23之間 ，於上表面204之下方的數公分（例如1至10公分）。 膨脹間隙203之一個目的係提供一個空間，隨著第一 電極18係於操作期間加熱，其係可膨脹至該空間。若無該 膨脹間隙203，則第一電極18之任何膨脹均可能引起絕緣 材料23之碎裂。若該絕緣材料係碎裂，其介電性質係將改 變且因而降低該TSI之效率。再者，膨脹間隙203係有助 於減小短路情形之可能性，以類似針對於氣隙2〇〇之方式 25 . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------丨訂*-------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（A ) 。然而，應可理解的是，若係發現較可橈性而較不脆之絕 緣材料，則於第3B圖所示之實施例係可作成不具有該膨 脹間隙203。 所示以運轉良好之TSI係作成具有一氣隙寬度Wag約 爲0.53毫米（mm)、一氣隙深度Dag約爲5.00毫米、及 一膨脹間隙寬度We約爲0.08毫米。此等尺寸係實施於類 似於第2圖之TSI Π的一種集中（同心）電極式TSI，其 中第一電極18之長度爲約2·7毫米，第二電極20之長度 爲約1.2毫米，且介於其間之間隙（r2-ri)係約爲2.4毫米 。應係瞭解的是，以上論及之氣隙與膨脹間隙之各者或二 者係均可運用於下文所論之TSI的任一實施例。 第5圖係根據本發明之一 TSI 27的另一實施例之例子 。TSI 27包括一內部電極25，其係同軸置放於一外部電極 28之內。介於電極25與28之間的空間係實質上塡充以一 絕緣材料23 (例如陶瓷材料）。第5圖之實施例相對於第 2圖者的主要差異特點係在於具有一扁平碟形（圓形）表 面電極26，其係整體形成於（或者附接於）中心電極25 之自由端，對於電極25以及面對電極28之縱向軸而橫向 延伸。進而注意的是，當該電漿點火器27係裝設於一活塞 汽缸時，碟部26之水平面係平行於關聯之活塞頭部（未作 顯示）。面對電極26之電極28的端表面係大致爲扁平圓 形之形狀，延伸平行於電極26之面對表面。結果爲，一環 形腔部29係形成於電極26與28的相對表面之間。更精確 而言，電極26與28的二個大致平行表面係分隔且其方位 26 I--I----------------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（β ) 係平行於一關聯之活塞頭部的頂部，此不同於第2圖之實 施例（其中該等電極係延伸垂直於使用中的一關聯之活塞 頭部）。考慮當空氣燃料混合物係點火時，關聯之活塞係 “上升”且係接近於火星塞或者點火器.27，俾使其較佳爲 由點火器27之間隙29至關聯之汽缸壁，而非至活塞頭部 。本質上爲平行之電極26與28係大致平行於點火時刻之 可燃燒混合物體積的最長尺寸者，而不是方位垂直於此尺 寸並且朝向活塞頭部（如同於第2圖之實施例與先前技術 者）。已經發現的是，當相同之電氣條件係使用以激勵點 火器17與27時，各自之電漿加速長度L與1係大致相等 以供得到最佳之電漿產生。此外，在此等條件下，對於 TSI 27之以下尺寸將可作用良好:碟形電極26之半徑R2 = 6.8mm，隔離陶瓷材料之半徑Rl = 4.3mni，該等電極間之 間隙 g2= 1.2mm，且長度 L= 2.5mm。 於第5圖之說明實施例中，電漿32係起始於絕緣器 25之暴露表面處的放電間隙29，且係以箭號29A之徑向 方向而朝外成長及膨脹。此係提供優於第2圖之TSI實施 例的優點。第一，碟形電極26其暴露於電漿32之表面積 係大致等於外部電極29其暴露於電漿32之端部位者。此 意謂著該碟形電極26之內側部位的蝕化係可預期爲極度小 於第2圖之TSI 17的內部電極18之暴露部位者，後者係 具有較小許多之暴露於電漿32的表面積。第二，於TSI 27 中之絕緣材料23係提供對於電極26之一額外的熱傳導路 徑。該添加的絕緣材料23係將保持電極金屬25、26爲冷 27 本紙張尺度適时目(CNS)A4iF(210 ---------I I --------^--I ----I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（>) 於電極18。此外，於運用TSI 27時，該電漿係將不會撞擊 於（或者蝕化）關聯之活塞頭部。 第6與7圖係以繪圖方式說明介於第2圖之TSI 17與 第5圖之TSI 27 (當係裝設於一引擎時）之間的電漿軌跡 差異。於第6圖中，一 TSI 17係安裝於一汽缸頭部90，關 聯於一汽缸92與一活塞94，活塞94係往復運動（即上下 移動）於汽缸92之中。如同於任何習用之內燃機中，隨著 活塞頭部96係接近頂端死區，TSI 17係將被激勵。此舉係 將產生電漿24，其將於箭號98之方向行進僅一段短距離 ，朝向或者達到該活塞頭部96。於行進期間，電漿24將 點火於汽缸92之中的空氣/燃料混合物（未作顯示）。該 點火係開始於電漿24之鄰近處。對比於電漿24之該種行 進，如第7圖所示之TSI 27係提供該電漿32爲行進於箭 號100的方向，造成相較於由TSI 17所提供者之較大量的 空氣/燃料混合物之點火，如前文所解說。 於本TSI系統中，一觸發電極係可添加於第2至5圖 之內部與外部電極間，以降低欲致使一初始崩潰於第一與 第二電極間而所需之電壓。第8圖係槪略顯示一種三電極 電漿點火器101。第8圖亦顯示出其可驅動一 TSI之簡化 版的電子電路。一內部電極104係同軸置放於外部電極 106之內，二者均具有數微米大小之直徑。一第三電極108 係徑向置放於內部電極104與外部電極106之間。第三電 極108係連接至一高電壓（HV)線圈110。第三電極1〇8 起始一放電於二主要電極104與106之間，藉著充電絕緣 28 本紙張尺度適用中國國家標準YCNS)A4規格(210 X 297公髮) ----------I --------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7_ 五、發明說明（4) 器112之暴露表面114。介於所有三個電極104、106、108 之間的空間係塡充以絕緣材料112 (例如陶瓷材料），除 了在點火器1〇〇之燃燒端處介於電極104與106之間的最 後2至3毫米空間。在由第三電極108 .之起始後，介於二 主要電極104與106之間的一放電係開始沿著絕緣器112 之表面114。氣體（空氣燃料混合物）係由該放電所離子 化。此放電係建立一電漿，其成爲一良好的電氣導體且允 許於電流大小之增加。增加之電流將離子化更多之氣體（ 空氣燃料混合物），並增加該電漿之體積，如前文所解釋 〇 介於第三電極108的頂端與外部電極106之間的高電 壓係提供極小電流放電，其係足以建立足夠的帶電粒子於 絕緣器112之表面114,以供發生一初始放電於電極104 與106之間並沿著介電質或絕緣器112之表面114。 如於第9A、9B與9C圖所示，本發明之另一個實施例 包括一 TSI 120，其具有平行之桿狀電極122與124。如圖 所示，平行之電極122、124具有由介電絕緣材料126所包 封之其個別長度的實質部位。介電絕緣材料126之一頂端 係保持一火星塞啓動（boot)連接器21，其係機械式及電 氣式固定至電極122之頂端。如圖所示，介電絕緣材料 126係剛性保持電極122與124爲平行，且一部位係剛性 保持外部金屬本體128，其具有安裝螺紋19於一底部。於 此例中，如圖所示，電極124係經由一剛性托架130而機 械式及電氣式固定至金屬本體128。如第9A圖所示，電極 29 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210:297公釐） I-----------------丨訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（d) 122與124之各者係分別延伸一1距離丨1與丨2，由介電絕緣 材料126之底端表面而朝外。 參考第9B與9C圖，電極I22與124係可爲分隔一距 離G之平行桿，其中G係意指介於電極.122與124之間的 放電間隙寬度（參看第9C圖）。 已係發現的是，當如上所述般而操作一 TSI時，將可 能產生大量之射頻（RF)雜訊。於初始之高電壓崩潰期間 ，電流係以一方向流通於一第一電極，且係以另一方向流 通於一第二電極。此等反向流通之電流將產生RF雜訊。 於習用之火星塞，此雜訊之產生係並非一議題，因爲一電 阻性元件係可置放於該火星塞之流入電流路徑。然而，歸 因於在本發明運作之大電流級期間所遭遇之大電流，該種 習用解決之道係不可行，因爲該電阻器將使得並無法流通 足夠之電流以產生大的電漿核心。 該RF雜訊可能干擾多種電子裝置，且若未適當屏蔽 時可能違反規定。緣是，再次參照第9A圖，TSI 12〇亦可 包括一同軸連接器140，用以附接一同軸電纜（未作顯示 )至TSI 120。同軸連接器140係可爲螺紋、彈扣（snap) 連接、或者任何其他適合的連接器，以供附接一同軸電纜 至一點火器。應係瞭解的是，雖未說明於上述實施例’該 同軸連接器H0係可被包括於前述實施例之任一者。再者 ，同軸連接器140係可被包括於目前採用或者日後製造之 任何的半表面點火器。此種電纜將典型提供電力至該啓動 連接器21，環繞介電絕緣材料126，且結合該本體128以 30 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -n n n n n ϋ n ^1041 n n n n n n i I . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（>1) 提供接地。該種電纜應係能夠承受高電壓（於一次放電期 間），並承載大電流（於二次放電期間），且可克服於一 引擎室之惡劣操作環境。一種適合之同軸電纜係RG-225 鐵弗龍（Teflon)同軸電纜，具有雙包線屏蔽。其他適合 之電纜係包括揭示於PCT公開申請案WO98/10431 (標題 爲“高功率火星塞接線，” 1997年九月7日申請），其係已 參照方式而納入於本文中。 ΐχι.點火電路 以下之敘述將針對點火電路之各種實施例，其可導致 有效運用先前揭示之電漿產生裝置。應可知悉的是，下文 中揭示之點火電子電路應用係可同樣適用於其他型式之火 星塞。 第10圖顯示一 TSI 17以及相關於其之電氣或電子點 火電路的基本元件之示意圖，其提供用於放電（電漿）之 電壓與電流。（相同之電路以及電路元件係可使用以驅動 本文揭示或者日後發現之一 TSI的任何實施例。）介於二 電極18與20之間的放電係起始，沿著介電材料23之表面 56。該氣體（空氣/燃料混合物）係由放電所離子化，建立 一電漿24，其成爲電流之一良好導體，且允許介於電極間 的電流係於較起始該電漿者爲低的電壓。此電流將離子化 更多的氣體（空氣/燃料混合物），並增加電漿24之體積 〇 如圖所示，放電係由第一電極18而行進至第二電極 20。凡此業界一般人士均將可理解，該等電極之極性係可 31 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------I------^ . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（V ) ’反接。然而，令放電由第一電極18而行進至第二電極20 係有其優點。於此實施例之實際限制，亦即第二電極20環 繞第一電極18之此一事實，將允許第二電極2〇具有較大 的總表面積。一電極之表面積愈大，則對於削磨該電極之 抗力係愈多。令第一電極2〇爲正離子撞擊之目標，因爲其 對於削磨電極之較大抗力，以允許製造具有較長使用壽命 之 TSI 17 〇 第10圖所不之電氣電路係包括~習用點火系統42( 例如電容性放電點火（CDI)或者電晶體化線圈點火（TCI ))、一低電壓（Vs)電源44、電容器46與48、二極體 50與52、以及一電阻器54。習用點火系統42提供所需之 高電壓，其係欲使沿著介電材料23之表面56的放電間隙 中之空氣/燃料混合物爲崩潰或者離子化。一旦該導電路徑 係已經建立，電容器46係透過二極體50而快速放電，提 供一高功率輸入（或電流）至電漿24。二極體50、52係 電氣隔離該點火線圈（未作顯示）與相當大的電容器46 ( 介於1與4//F)。若二極體50、52係不存在，歸因於由 電容器46所提供之低阻抗，該點火線圈將係不能夠產生一 高電壓。該點火線圈將不用充電該電容器46。電阻器54、 電容器48、與電壓源44之功能係在一放電週期後而再次 充電該電容器46。電阻器54之使用係一種方式，以防止 介於電壓源44與TSI 17的火花間隙之間的一低電阻電流 路徑。 第11圖係根據本發明之一點火電路201的一個說明 32 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 Λ7 B7 五、發明說明（w) 實施例之高階層方塊圖。此實施例之電路係包括一次側電 路202、點火線圈300、與二次側電路208。 於一個適合實施例，一次側電路202包括一電源供應 器210。舉例而言，電源供應器210係可爲一種直流（DC )對直流（DC)之轉換器，具有12伏特之輸入與400至 500伏特之輸出。於其他實施例中，電源供應器210係可 爲一種振盪式電壓源。一次側電路202亦包括一充電電路 212與一線圈驅動電路214。該充電電路充電諸如電容器（ 未作顯示）之一裝置，藉以供應該線圈驅動電路214以充 電驅動該點火線圏300。於一個實施例中，該電源供應器 210、充電電路212、與線圈驅動電路214係可爲一 CDI電 路。然而，應可瞭解的是，此三個元件係可組合構成爲能 夠引起放電於火星塞之二電極間的任何型式之習用點火電 路，例如一 TSI系統。線圈驅動電路214係連接至點火線 圈300之低電壓繞組。點火線圈300之高電壓繞組係電氣 耦接至二次側電路208。 於第11圖之實施例中，二次側電路208包括一火星 塞及相關電路220、一二次側充電電路222、與一電源供應 器224。火星塞及相關電路220可包括一電容器（未作顯 示），其係使用以儲存能量於二次側電路208。分別用於 一次側電路202與二次側電路208之二個電源供應器210 、224係可由單一電源所引出。應可知悉的是，關於以下 點火電路所用之辭語“火星塞”係可指能夠產生電漿之任 何點火塞，諸如前述之電漿產生裝置與電漿逐出裝置。 33 ^^尺度適用中國國家標ί (CNS)A4規格(210><297¥¥) > " --------------------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（θ) 第12圖係關於第1〇圖之上述電路的較爲詳細者。於 一商業應用中’第12圖之電路係較佳以較爲能量有效之方 式而供再次充電該電容器46 (第10圖），運用一共振電 路。再者，習用之點火系統42 (第1〇 .圖）之唯一目的係 建立初始崩潰’其係修改以較習用者爲運用較少之能量且 較快放電。幾乎所有之點火能量係由電容器46 (第10圖 )所供應。該修改係主要爲減小高電壓線圈之電感，藉著 使用較少之二次側匝數。此舉係爲可能，因爲當放電係發 生於一絕緣表面時，起始放電係可爲較低許多之電壓。所 需之電壓係可爲其致使空氣中之氣體崩潰所需者的約三分 之一。 將該電子電路與TSI之參數（電極之長度、同軸圓柱 體之直徑、放電之期間）匹配，將使電漿之體積爲最大化 ，當其對於〜給定儲存電能而離開TSI時。藉著適當選擇 電子電路之參數，係可能得到其轉移實質最大電能至電漿 之電流與電顧時間描述（profile)。該點火電子電路係可 分成四個部分:分別爲一次側電路202與二次側電路208， 以及分別爲其關聯之充電電路212與222。一次側電路202 亦包括一線嚷驅動電路214。二次側電路208可包括火星 塞與相關電子電路220，其係可分解爲一高電壓段283與 一低電壓段285。 一次側電路202與二次側電路208係分別對應於點火 線圈3〇〇之一次側繞組258與二次側繞組260。當SCR 264係經由施加一觸發訊號至其閘極26S而導通時，電容 34 -------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（A) 器266係放電通過SCR 264，其造成一電流於一次側繞組 258。此係依次分出一高電壓跨於關聯之二次側繞組260， 其致使於靠近火星塞206之一區域中的氣體爲崩潰並構成 一導電路徑，即一電漿。一旦該電漿係以建立，二極體 286係導通，且二次側電容器270係放電。 在一次側電容器266與二次側電容器270係分別已放 電之後，其係由個別的充電電路212與222所再次充電。 該二充電電路212與222係分別納入一電感器272與274 、一二極體276與278、以及一電源供應器210與224。電 感器272與274之功能爲防止該等電源供應器係短路透過 火星塞206。二極體276與278之功能爲避免振盪。電容 器284係防止電源供應器224之電壓乂2經歷大的變動。 電源供應器210與224均供應500伏特或較小者之電 壓，分別用於電壓ν!與V2。其係可結合爲一個電源供應 器。電源供應器210與224係可爲直流（DC)對直流（ DC)轉換器，來自一 CDI (電容性放電點火）系統，舉例 而言，其係可由一 12伏特之汽車電氣系統所供電。 大電流二極體286具有一高的逆向崩潰電壓，對於所 有之引擎操作條件而言，均大於前文揭示之電漿產生裝置 任一者的最大火星塞崩潰電壓。二極體286之功能爲將二 次側電容器270與點火線圈300隔離，藉著阻斷由二次側 繞組260至電容器270之電流。若此隔離係不存在，點火 線圈300之二次側電壓將充電該二次側電容器270;且若給 定一大電容，點火線圈300將永遠無法建立足夠高之電壓 35 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐) '~ -----------------I I -----11^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（糾） 5 以令接近火星塞2〇6之區域中的空氣/燃料混合物崩潰。 二極體288係防止電容器270透過二次側繞組260而 放電，當並無火花或電漿時。最後，可選用之電阻器290 係可使用以減小流過二次側繞組260之電流，因而減小由 該電路所發射之電磁輻射（射頻雜訊）。 第13至15圖詳細顯示其係可根據本發明所使用之一 般各種替代的二次側電路208。 第13圖顯示根據本發明的二次側電路208之一個實 施例的例子。此電路提供跨於火星塞206之一快速初始崩 潰，歸因於電感器L1而隨之以一緩慢後續電流於火星塞 206之電極間。緣是，此電路係可視作爲一“快-慢（fast_ slow) ” 電路。 點火線圈300之二次側（高電壓）繞組260係接收來 自一次側電路（未顯示）之電能，以充電其係與點火線圏 3〇〇並聯連接之電容器C1，該一次側電路係附接至點火線 圈300之低電壓側繞組（未顯示）。當跨於電容器ci之 電壓係變爲夠大以引起一崩潰於火花間隙302與於火星塞 206之電極間時，電容器C1係透過火花間隙302與火星塞 2〇6而放電。電容器C1係藉著電感器L1而防止放電至電 容器C2，電感器L1係本質上對於一快速改變之電流而作 用爲一無限大之電阻。 由電容器C1之放電所引起之此初始崩潰（breakdown )係初始相，其開始形成一電漿核心於該火星塞之電極間 〇 36 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------------^---I-----^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 A7 B7 五、發明說明（0) 應係瞭解的是，火花間隙302係可由一個二極體或者 其他裝置所取代，其係能夠處理跨於二次側繞組260之高 電壓，且係能夠阻斷一大電流放電至二次側繞組260。於 下文說明以及隨附圖式中，火花間隙30.2將不時被述及且 係顯示爲一個二極體，以針對某些分析之目的而說明其理 論上之可交換性。 在該初始崩潰發生之前，電容器C2係由電源224所 充電。電源224之大小係使得，其並未建立跨於電容器C2 之足夠大的電壓以引起跨於火星塞206之崩潰。在電容器 C1已經透過火星塞206而起始放電之後，電容器C2係接 著透過火星塞206而放電。相較於由電容器C1之放電所 提供者，電容器C2之放電係一較低電壓、較大電流之放 電。電容器C2係藉著火花間隙302而防止放電通過二次 側線圈260。如上所論，火花間隙302係可由一個二極體 所替代，其能夠承受跨於電容器C1之高電壓，且係能夠 阻斷電容器C2之大電流放電行進至二次側繞組260。電容 器C2透過火星塞206之放電係後續之低電壓、大電流脈 衝，其致使該電漿核心擴大且係由介於火星塞206之電極 間而掠出，如前文所述。 電容器C2透過火星塞206之放電係較電容器C1之放 電爲慢。該放電較慢之理由係歸因於電感器L1，其係作用 以減慢該電容器C2可透過火星塞206而放電之速率。於 一個實施例中，電容器C2之電容値係大於電容器C1，且 熟悉此技術之人士所習知的是，電容器C2之放電速度係 37 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---I---!線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（J) 因此爲較慢。 電阻器R1係作用爲一限流電阻器，俾使在電容器C2 已放電後，該電源供應器並未提供一連續的電流而通過火 星塞206。應可知悉的是，介於電阻器.R1與電源供應器 224之間的連接係一限流電源供應器之戴維寧（Thevenin )等效者。亦應知悉的是，電阻器R1係可由適當大小之 電感器所替代，以防止來自電源供應器224的一連續電流 之持續通過火星塞206。電阻器R1與電源供應器224之組 合係於本文中常被槪括稱爲一個二次側充電電路。 關於第13圖所述元件之適當値包括Cl=50pF，Ll=200 //H，C2=2//F，R1=2K歐姆，且電源供應器224提供500 伏特。 第14A至14C圖顯示對於一次側電路之不同變化的各 種電路示意圖。其均使用一電容器62〇，其係由一次側電 路212透過一次側線圈繞組258而充電。第14A至14C圖 所示之所有實施例均亦包括一 SCR 264，其係用以透過繞 組258而快速放電該電容器620，其係建立高電壓於二次 側繞組260。該三個電路均具有二極體622，於不同之位置 〇 第14A圖具有二極體622，其係與一次側繞組258爲 並聯連接。一旦電容器620係完全放電且開始以相反極性 而再次充電，二極體622係成爲導電，且通過一次側繞組 258之一電流係持續通過二極體622，直到其係分別由該〜 次側繞組258與二極體622之電阻所消散爲止，且能量係 38 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------Lf--------訂---------線鲁 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（β) 轉移至該二次側繞組。因此，線圈電流與二次側電壓（高 電壓）係未改變極性。 第14B圖具有二極體622，其係與SCR 264爲並聯連 接。當SCR 264觸發時，電容器620係放電，且歸因於一 次側繞組258之電感而以相反極性再次充電。一旦電容器 620係充電至最大電壓，電流係反向而通過二極體622。此 循環係重複直到所有能量係消散爲止。該線圈電流與高電 壓係因而振盪。 第14C圖之電路係設計爲提供單一通過之電流而通過 一次側繞組258，且以相反方向而再次充電該電容器620。 接著，透過二極體622與電感器624 (其係串聯連接於 SCR 264的陽極與接地之間），於較慢速率以相反方向之 第二通過的電流係發生，俾使該電容器係在火星塞（未作 顯示）之火花熄滅後而再次充電。二極體622與電感器 624係作用爲一能量復原電路。 第15A至15C圖顯示二次側電路208之其他實施例。 於第15A至15C圖所顯示之實施例係包括火星塞與相關電 路220 (第11圖）。 第15A圖之實施例係包括單一之二極體626。應係知 悉的是，二極體626係可由複數個串接之二極體所取代。 二極體626係可提供一低阻抗路徑，供電容器C2放電。 於此實施例，較佳係該二繞組258與260爲完全分開。 第15B圖係一直通式（thru-)電路。此實施例係包括 電容器C2，其透過二次側繞組260而放電。一般而言，歸 39 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------^--------_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 505734 A7 B7 五、發明說明（J) 因於二次側繞組260之大電感，此係造成非常慢之放電。 然而，若線圈鐵心628係飽和，戲劇化地減小線圈電感， 則該放電係可發生更爲快速。 第15C圖顯示二次側電路之另一實施例。於此實施例 中，電感器632係與二次側繞組260爲並聯配置。火花間 隙630係串接於二次側繞組260與火星塞206之間。 於上述之該等實施例中，放電之性質係可描述爲二級 (階段）式性質。然而，於某些情況下，其係可欲對於放 電而增加一第三級。已係發現的是，一初始大電流脈衝（ 突波）可能係需允許該電流通道開始移離介於一電漿產生 裝置之電極間的介電材料上表面。然而，若此初始大電流 脈衝係傳送能量太快，該電漿係可能未移動達足夠長之時 間以建立一大的核心。亦即，若該電流係足夠大以產生其 可充分致使火花行進之一勞倫茲力，該電流係可能太快放 電所有之儲存能量，而無法允許火花行進足夠遠以產生加 大之電漿核心。再者，大電流係導致增加之電極磨損。此 等缺點係可免除，藉著加長放電或者減小對於一給定放電 之電流量。然而，若該電流係減小以達成較長之放電，所 得之勞倫茲力係可能不夠強以致使火花移離當火花係源起 之位置（例如該介電材料上表面）。以下之實例將討論其 克服此等問題之各種電路及其他，藉著結合具有大電流快 速放電之初始崩潰（以令火花移動）及較小電流之較長放 電（以令電漿核心增大，同時令電極磨損爲最小）。 第16圖顯示其將於本文中稱作爲一種並聯三電路之點 40 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公爱）- (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) --------—-------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（Μ ) 火系統700的一實例。此系統包括一習用之高電壓電路 702、一第二電路7〇4與一第三電路706。該高電壓電路 7〇2及第二電路704係與火星塞206爲並聯連接。此並聯 連接者係類似於前文所述者。高電壓電路702係可爲任何 習用的點火電路，諸如CDI電路、TCI電路或者磁電式點 火系統。高電壓電路702係提供初始高電壓’以離子化於 一電漿產生裝置之放電間隙中的空氣/燃料混合物。於以下 之實例中，應係瞭解的是’該高電壓電路用於包括點火線 圈之一次側與二次側繞組。第二電路704係提供後續（ follow-on)電流，其作用以擴大電隳核心。第16圖之實施 例亦包括第三電路7〇6，其係連接至第二電路704。於某實 施例中，第三電路706係可爲第二電路704之子電路。第 三電路706係提供於後續電流期間之一初始脈衝電流，其 致使初始電流路徑（及環繞電漿）能夠移動遠離該介電質 之上表面。 第Π圖顯示於第16圖所示電路之較爲詳細的實例。 此電路係包括一高電壓電路702、第二電路704與第三電 路 706。 第一電容器C1係與高電壓電路702爲並聯連接。第 一電容器C1之功能係增強介於火星塞206之電極間的初 始火花，藉著提供一快速之高電壓放電。於某些實施例中 ，第一電容器C1係省略。針對此討論之故，電容器C1與 高電壓電路702之組合係應稱爲第一電路708。 第一電路708亦可包括一第一子電路SCI，其係連接 41 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮) · 一 --------------------訂 --------•線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 A7 B7 ___ 五、發明說明（^) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於電容器Cl與火星塞206之間。第一子電路SCI係可爲 任何裝置，其能夠防止第二電路7〇4與第三電路706的電 容器之放電至第一電容器C1，以及防止對第一電容器C1 充電。第一子電路SCI之另一特徵爲可減短該高電壓之上 升時間。可使用作爲第一子電路SCI之適合元件係包括（ 但不侷限於）二極體與火花間隙。 第二電路704係包括一第二電容器C2、電感器L1、 與第二子電路SC2。二次側充電器710係附接至第二電路 704，並包括電阻器R1與電壓源224。 電感器L1係作用以減慢第二電容器C2之放電。如以 下所論，此舉允許所需之三級電壓以產生增加之電漿成長 。第二子電路SC2係作用以將第二電路704與於第一電路 708所建立的高電壓作隔離，以保護第二電路704並且提 供一高阻抗，以迫使第一電路708提供足夠高之電壓而致 使介於火星塞206之電極間的初始崩潰。爲達此目的，第 二子電路SC2係可爲一高壓二極體或者電感器。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第三電路706包括一第三電容器C3，係與火星塞206 爲並聯連接。第三電路706係可選用地亦包括一第三子電 路SC3。第三電容器C3係提供一初始脈衝之電流，其允 許該電漿移動遠離該初始崩潰之區域。該可選用之第三子 電路SC3係可用以防止第三電容器C3之快速再次充電。 若第三子電路SC3係省略時，第三電容器C3係可與第二 電容器C2及電感器L1而構成一振盪電路。第三子電路 SC3之可能實施係包括（但不侷限於）並聯連接於一電感 42 f紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^~ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明（w) 器或一電阻器之二極體，或者僅爲單一之二極體。誠然， 該二極體係可作連接，俾使其陽極係連接至第三電容器C3 ，且其陰極係連接至電感器L1。 第18圖顯示二次側電路208之又.一實施例。此電路 係提供一初始“彈扣（snaP) ”高電壓跨於火星塞206，隨 之以第一大電流放電及較慢之放電。第18圖係將用以進而 解說一三級式電路之操作。如上所論，該高電壓電路（未 作顯示）傳送電力至點火線圈300之二次側線圈260。當 跨於二次側線圈260之電壓係超過介於星塞206之電極間 的崩潰電壓時，一高電壓之初始放電係發生於電極間。於 此實施例中，該第一與第二子電路係已由二極體D1與D2 所取代。 跨於火星塞206所放電之初始電壓係可爲於500伏特 之範圍。因此，二極體D1應係能夠承受跨於其之接近500 伏特的電壓降。然而，500伏特係僅爲舉例所給定，凡此 業界之一般技術人士均將易於理解，視應用而定，此電壓 係可爲較高或較低者。 該初始高電壓係提供數個功能。首先，此高電壓可有 助於敲落鬆脫存在於星塞206之電極間的任何碳及/或金屬 沉積物。此外，此高電壓亦可開始形成該電漿核心。 於一次側電路係充電該電晶體線圈300之時間內，電 源供應器224係對電容器C3與C2充電。二極體D2係防 止二次側線圈260透過電容器C3或C2而放電。 在二次側線圈260透過火星塞206之初始放電後，電 43 本紙張尺度適用中國國家標準(cnS)A4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) -------訂---------線一 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（π) 容器C2與C3二者均開始透過火星塞206而放電。相較於 電容器C2之放電，電容器C3之放電係爲快速放電，歸因 於置放於二者之間的電容器L1。因此，電容器C3係提供 透過火星塞206之一快速、大電流的放.電，其作用以致使 介於火星塞206之電極間的電漿核心擴大並且朝外行進於 電極間。歸因於電容器L1，電容器C2之放電係較電容器 C3之放電爲慢，且甚至在電容器C3係已放電後而維持一 電流於電極間。藉由阻斷二極體D3，電容器C2係防止透 過電容器C3而放電（及充電）。 第19圖係比較跨於火星塞206之電極間的電壓對時 間圖。由時間t〇至h，跨於火星塞206之電極間的電壓係 上升，隨著跨於二次側線圈260之電壓係增高直到時間tl 。於時間ti，該電壓係增高至當一崩潰發生於火星塞206 之電極間的一位準。此外，因爲介於電容器C3與該火星 塞之間係並無電感器，電容器C3亦開始放電，其增加通 過該火星塞之電流且導致跨於電極間的“彈扣（snap) ” 情形。二次側線圈260與電容器C3係均允許爲自由放電 。因此，電壓於時間與t2之間係快速下降。於時間t2， 電容器C2 (其放電係由電感器L1所延遲）係開始放電通 過火星塞206。二次側線圈260以及電容器C2與C3之結 合放電，係爲介於時間t2與t3之間的電壓曲線平坦度之理 由。在時間t3之前，電容器C3與二次側線圈260係已完 全放電，而電容器C2係允許其獨自放電且提供一電流通 過電極間之電漿達一延長時間週期（即直到其完全放電或 44 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------------^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明u)) 者一新的循環開始爲止）。應可理解的是，前文之功能性 解說係可應用於本文所述三級式電路之任一者。舉例而言 ，一類似之三級式放電係可藉著關於第18與19圖所述之 電路的任一者而產生。 . 關於第18圖所述元件之適當値係得知爲C2=0.1/zF， C3=2//F，Ll=200//H，及R卜2K歐姆，且電源供應器224 提供500伏特。 第20圖顯示二次側電路208之再一實施例。此實施 例係實質上同於關於第18與19圖所論者，除了第三子電 路SC3。舉例而言，第三子電路SC3包括並聯連接之一二 極體D3與一電感器L3。二極體D3之陰極係連接介於二 極體D2與電感器L1之間，且其陽極係連接至電容器C3 〇 第21圖顯示類似於第18圖之一電路，除了二極體D1 與D2係分別由一火花間隙712與電感器L2所取代。此實 施例之作用係極爲相同於第18圖者。火花間隙712與電感 器L2係提供如同二極體D1與D2之相同功能性，雖然其 係以一不同方式替代。火花間隙712提供一阻抗，俾使電 容器C1與C2並不放電至二次側線圈260，而火花間隙 712與電感器L2提供一類似阻抗，以避免二次側線圈260 之電壓將充電該電容器C2與C3，而代替爲放電跨於火星 塞206之電極。電感器L2提供此功能性，歸因於電感器 之固有特性以及跨於火花間隙712之崩潰的特性頻率。電 感器L2之大小係應使其可提供於氣隙崩潰之特性頻率（ 45 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 Λ7 _ B7 五、發明說明（0) 約爲10百萬赫茲）下的一足夠高阻抗，同時仍可允許電容 器C1與C2經其放電。於某些實施例中，火花間隙712係 可由固態元件所取代，該等固態元件係以類似於火花間隙 之方式而操作，諸如崩潰二極體、自觸發式矽控整流器（ SCR)。於其他方面，多級式放電係同於上述者。 誠然，且如於第22圖所示，該二次側電路可包括前述 之第三子電路SC3。於第22圖之實施例中，第三子電路 SC3係包括並聯連接之一二極體D3與一電感器L3，其中 該二極體D3之陰極係連接介於二極體D2與電感器L1之 間，且其陽極係連接至電容器C3。誠然，第三子電路SC3 可僅包括二極體D3。 第23圖係一電路之替代實施例，其提供透過火星塞 206之一三級式放電。於此實施例中，一習用之高電壓電 路702係可直接連接至火星塞206。阻斷二極體720係連 接於高電壓電路702的輸出端子722與724之間，且作用 爲防止該高電壓電路充電該等電容器C2與C3。電容器C3 係連接於阻斷二極體720的陽極與接地之間。串聯連接之 電感器L2與電容器C2係並聯連接於電容器C3。如前所 述，在由習用高電壓電路702的高電壓所引起之介於火星 塞206的電極間之初始崩潰後，電容器C3係透過火星塞 206而快速放電，而電容器C2之放電係由電感器L2所減 慢。於此實施例之放電係類似於第19圖所揭示者。誠然， 且如前所論，第23圖之電路係亦包括一充電電路726，以 在各次放電前而充電該等電容器C2與C3。 46 ----------------------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 505734 經濟部智慧財產局員工消費合外社印製 A7 B7 五、發明說明（β) 第24圖顯示類似於第23圖所示者之一實施例，除了 第三子電路SC3。於此實施例中，第三子電路SC3係包括 並聯連接之一二極體D3與一電感器L3 ’其中該二極體D3 之陰極係連接介於二極體D2與電感器L1之間’且其陽極 係連接至電容器C3。 第25圖係根據本發明之二次側電路208的另一實施 例之例子。此實施例之不同於前文實施例者係至少在二個 方面。第一，此實施例並未使用一火花間隙或二極體’以 防止二次側電路208之電容器C2係由跨於點火線圈300 之二次側繞組260的電壓所充電。第二，一次側電路202 之電源供應器210係供應一振盪式電壓。於一實施例中， 電源供應器210係可振盪於射頻（RF)之頻率。 於此例中之點火線圏300係具有一次側繞組402，其 具有較二次側繞組260爲少之匝數。於一較佳實施例中， 點火線圈300之二次側繞組260具有一自振盪，大約等於 振盪式電源供應器210之振盪頻率f〇。因爲點火線圈300 之一次側繞組402係具有較該二次側繞組爲少之匝數，其 共振頻率並不相符於振盪式電源供應器210之振盪頻率。 緣是，一適當大小之電容器C5係使用以調諧一次側繞組 402爲振盪式電源供應器210之振盪頻率。因此，一振盪 式高電壓係存在於節點404。如上文所討論，二極體D1係 防止電容器C2之放電至二次側繞組260。二極體D1亦作 用爲一個半波整流器。然而，如於此業界中之一般技術人 士將可理解，二極體D1係可由一電容器所取代，其將通 47 尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) — - —----------------— I -----1--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（杣） 過完整之振盪訊號而同時仍然阻斷來自電容器C2之直流 放電。 相對於前文論及之前幾個實施例，藉著並聯連接之電 感器L1與電容器CM而非藉著一個二極體，跨於繞組260 之電壓係防止放電至電容器C2。電感器L1係較佳具有一 高品質因數Q，其理論上可允許於其共振頻率提供無限大 之阻抗。電容器C4係使用以調諧該電感器L1，俾使其共 振頻率係相符於振盪式電源供應器210之振盪頻率。以此 方式，該振盪式電壓係防止通過至電容器C2。 如前文所論，當於節點404之電壓係超過跨於火星塞 206之電極的崩潰電壓時，二次側繞組260係放電通過火 星塞206之電極。然後，電容器C2提供後續之電流，其 致使電漿核心擴大且係由火星塞206之電極間而發出。並 聯組合之電感器L1與電容器C4係未影響電容器C2之放 電，因爲此放電係於較低之頻率。 第26圖顯不另一替代實施例電路，其係可使用以提供 一多級式放電至一電漿發出裝置。此實施例係包括一第一 變壓器730，其係典型爲一高電壓點火系統之一部份。一 峰値電容器734係並聯連接於第一變壓器73〇之二次側 732。峰値電容器734係與串聯連接之一火花間隙736及一 第二變壓器740的一次側738爲並聯連接。於一個實施例 中，第二變壓器74〇係爲一種環狀鐵心（tor〇dial)變壓器 (例如爲金屬鐵心），於其二次側742係具有較於一次側 738爲多的匝數。 48 ^^尺度適用中國國家標準(CNS>A4規格（210 X 297公釐） "" ' --------- --------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 B7 五、發明說明U7 ) 當一足夠之電壓係儲存於峰値電容器734時’可發生 一快速崩潰跨於火花間隙736。此快速崩潰係感應一高電 壓於第二變壓器740的二次側742。感應於二次側742之 高電壓係引起初始崩潰於火星塞206之電極間’該火星塞 206係連接於二次側742的一第二端子744與接地之間。 第三電容器C3係連接於二次側742的第二端子746 與接地之間。第三電容器C3係並聯連接於串聯組合之電 感器L1與電容器C2。一充電電路748係可連接至介於電 感器L1與電容器C2之間的一點，以充電該電容器C2與 C3 (如前文所論，該種充電電路可包括一電源與一電阻器 ，該電阻器係連接至介於電感器L1與電容器C2之間的該 點）。 在介於火星塞206之電極間的初始崩潰之後，電容器 C2與C3係透過第二變壓器740之二次側742而開始放電 (即電流開始流通）至火星塞206。通過二次側742之電 流將致使第二變壓器740之鐵心爲飽和，且因而減小二次 側742之有效阻抗。如前述，電感器L1將減緩電容器C2 之放電，以建立類似於第19圖所示者之通過火星塞206的 一放電。於一個實施例，該一次側732與二次側742之相 位係分別應使得歸因於初始崩潰之於二次側742的感應電 流係流通於由電容器C2與C3放電之相同方向。此舉係避 免必須反向於鐵心中之磁場，且因而避免關聯於此一反向 之損失。 關於第26圖所述之元件値的實例係：Cl=200pF， 49 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注音心事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 ______B7___ 五、發明說明（以） C2=2.2，C3=0.67，Ll=xx (吾需 C1 與 C2 之單位及 L1 之 値）。 IV.附加單元 上述二次側電路實施例之任一者係均可賓施作爲一附加單元 ，以係使用結合一安裝於內燃機之習用點火系統，藉以允許該等引 擎以有效方式操作一電漿產生裝置。舉例而言，參考第27圖，二 次側電路208係可整體包封於一小型封裝，其係連接至一次側電子 電路202 (其係可爲任何習用點火系統，如所顯示，且包括點火線 圈300)之輸出。於一個實施例，該附加單元包括二極體D1與D2 ，或者係，包括其係可取代爲設有前文所論之火花間隙。火星塞 206係介於二極體D1與D2的陰極之間。後續（follow-on)電流產 生器係可含有前述二次側電路之任一者，如由阻斷元件D2的右側 所觀之者。應可知悉的是，若一次側電子電路使用交流電壓源，D2 係可由並聯之LC組合所替代。再者，電源供應器224係可爲共同 設置或者接收來自一次側電子電路之電源的電力。 於一個實施例，二次側電子電路208係可爲不導通， 以允許僅由一次側電子電路控制火星塞。此舉對於某些引 擎操作條件而言係爲有利。舉例而言，當引擎係運轉於高 RPM時，係歸因於由一汽化器於此速度所提供之燃料/空 氣混合。因此，當係判定出該引擎係操作於足夠高之RPM 以具有良好混合物，且係無須一後續電壓以建立較大之電 漿核心時，開關604係可打開。 :麗漿產牛裝置於燃億窒：> P放 一點火器之最佳置放係將關於第26與27圖而討論於 _ 50 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝--------訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505734 A7 ____B7_ 五、發明說明（Μ) 下文中。槪括而言，當操作於含有層化混合物之系統時， 該點火器係應安裝於燃燒室中，俾使其並未接觸引入於燃 燒室中之燃料柱（plume)，但係由一距離外而發出電漿至 該燃料柱。 第28圖係用於內燃機之一習用點火配置之實例。一燃 料注入器802係週期地注入一燃料柱804至一燃燒室806 。在燃料柱804係已注入之後，燃燒室806係含有成層的 混合物，具有一富有燃料之區域（燃料柱804 )以及未具 有實質量燃料之一區域808。諸如習用火星塞之一火星塞 810係點火該燃料柱804，藉著建立一放電（火花）於第一 電極812與第二電極814之間。該火花致使該燃料柱804 點火，且驅動活塞816於朝下之方向。 如上所論，關聯於該種系統係存有數個問題。亦即， 燃料柱804之位置係必須導引使得有一最小量燃料靠近燃 燒室806之壁部，藉以避免因燃燒室806之壁部而熄滅火 焰。此外，於第一電極812與第二電極814之間的放電係 必須定位以使其接觸燃料柱804，否則燃料柱804係可能 點火失敗。將該等電極812與814直接置放於燃料柱804 之路徑，可能導致火花係因通過燃料而熄滅，或者造成火 星塞810之大量髒污情形。 第29圖係舉例說明運用本文揭示者以避免此等問題之 道。如前述，燃料注入器802係注入一成層的混合物（即 燃料柱804)至一燃燒室806。因此，燃燒室806係包括成 層混合物之燃料柱804,以及其未含有實質量燃料之一區 51 ^^長尺度適用中國國家標準(CNS)A4規袼（21(^ 297公釐） ----I-------------It---I---— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（0) 域808。應可知悉的是，燃料注入器8〇2可運用種種方法 (諸如直接燃料注入）而引入燃料柱804至燃燒室806。 一電漿產生裝置820係置放於燃燒室內，俾使其電極 822與824之末端係同高或者接近同高於燃燒室806之壁 部。於一個實施例中，電極822與824之較長者的末端係 延伸少於約2·54公分（1英吋）至燃燒室806。於其他實 施例中，該等電極係延伸於約0與2.54公分間之任何距離 至燃燒室806。如前文所述，電漿產生裝置820產生一體 積之電漿832，其係發出於電極822與824之間而至燃料 柱804，且點火該燃料柱804。該種系統係允許點火系統設 計者將整合一電漿產生裝置，其係同高或者接近同高於一 最佳化之燃燒室。取代將火星塞延伸到達至燃料柱804 ( 並且招致前文所述諸多問題），本發明之一個實施例係使 用特定雙能量電子電路830 (如前文所述）與一適當設計 的電漿產生裝置之組合，以構成一電漿832並將其注入至 燃料柱804。 於高速下，引擎係一般運轉於一同質混合物模式之操 作，當燃燒係於接近引擎循環之頂端死點處起始時，燃料 注入器係於循環初期將注入燃料柱804至燃燒室806，以 提供均勻混合物於整個燃燒室806。本發明之點火系統係 證明爲同樣有利於此模式。第一，電漿產生裝置820係可 爲同高或者接近同高於汽缸壁，其減少碳化氫之發射以及 由繞於突出火星塞之火焰熄滅所造成的部分燃燒情形。第 二，電漿產生裝置820係設計爲一 “冷式（c〇ld) ”火星 52 尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮) ^ ——-----------1---- ---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505734 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（η ) 塞，免除現今使用於層化混合物引擎之突出火星塞設計所 造成的潛在預先點火問題。第三，本發明係允許燃燒室之 設計更佳爲針對於高速下之性能。 最後，於某些實施例中，本發明係可操作於一習用模 式（相對於前述之二級式模式）。於此等實施例中，該系 統可包括一禁能（disabling)元件（外部式或者內建式;可 能爲該電子電路所固有），以供控制該TSI操作對習用操 作之應用，根據操作區域需一較高能量之點火核心。該禁 能元件係作用以禁能後續電流提供者（例如二次側電子電 路），或者係防止於該提供者中所產生的電流放電通過點 火器。於各情形下，淨效應係防止傳送後續電流至點火器 〇 該系統係可切換模式，基於引擎RPM、節流閥位置、 RPM作變化之速率、或者其可看出燃料如何混合之任何其 他可用的引擎條件。實施該種系統之一簡單方式爲，僅爲 舉例而再參考回到第19圖，包括介於該電路之產生後續電 流部分間（例如D2之左側）的一附加元件（諸如一閘流 體（thyristor))，其允許僅當該元件作動時提供該後續部 分。實際上，該種元件係阻斷來自後續電流提供者之電流 。或者係，且如前文所論，該開關604係可作用爲當不需 要後續電流時可中斷該後續電流提供者。如吾人可易於理 解，開關604或者該附加元件係可由一電路所控制，該電 路係視前述以及其他操作條件而定以決定最佳操作模式。 雖然係已敘述若干個實施例，凡熟悉此技術之人士均 53 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） -----------•裝--------訂---------線· (請先間讀背面之江意事頊再填寫本頁) 505734 A7 B7 _ 五、發明說明（〇) 應可明瞭，祇是藉由實例作呈現之前文係僅爲說明性而不 具限制性。諸多修改以及其他實施例係在業界一般技術之 範疇內，且係意欲歸屬於本發明之範疇內。 I—----——-----—^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 505734 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1. 一種供使用於習用點火系統之附加電路，其允許習 用點火系統可操作於移動式火花點火器，該種附加電路包 含： 一第一阻斷元件，具有一第一與第二接線，第一接線 係適用以連接至習用點火系統之一輸出，當該附加電路係 連接至習用點火系統時，該第一阻斷元件係串聯連接於習 用點火系統與該點火器之間； 一持續電流產生器，係電氣耦接至該點火器與第一阻 斷元件之第二接線;及 一第二阻斷元件，係耦接於持續電流產生器與該點火 器之間。 2. 如申請專利範圍第1項之附加電路，其中該持續電 流產生器包括： 一第一電容器； 一第二電容器，係與第一電容器爲並聯耦接;及 一電感元件，係串聯連接於第一電容器與第二電容器 之間。 經濟部智慧財產局a(工消費合作社印製 3. 如申請專利範圍第2項之附加電路，更包括一充電 部分，係並聯連接於第二電容器。 4. 如申請專利範圍第1項之附加電路，更包括一第一 電容器，並聯於習用點火系統之一輸出線圈，該電容器之 一端子係耦接至第一阻斷元件之第一接線。 5. 如申請專利範圍第4項之附加電路，更包括一第二 電容器，係耦接至第一阻斷元件之第二接線。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） 505734 AS B8 C8 D8 ； 六、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第5項之附加電路，其中該第二阻 斷元件係位於第二電容器與第一阻斷元件的第二接線之間 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 〇 7. 如申請專利範圍第6項之附加電路，其中該第二阻 斷元件係一個電感器。 8. 如申請專利範圍第6項之附加電路，其中該第二阻 斷元件係一個二極體。 9. 如申請專利範圍第6項之附加電路，其中該第一阻 斷元件係一個火花間隙。 10. 如申請專利範圍第9項之附加電路，其中該第一阻 斷元件係一個二極體。 11. 如申請專利範圍第1項之附加電路，其中該持續電 流產生器包括： 經濟部智您財.4局Μ工消費合作社印製 一'第二電路，係親接至該點火器’在初始之局電壓後 而提供穿過電漿核心之一持續電流，其擴大該電漿核心;及 一彈扣電路，係耦接至該點火器，在持續電流期間提 供一初始脈衝電流至該點火器，致使該電漿核心係開始移 動離開介電材料之上表面。 12. 如申請專利範圍第11項之附加電路，其中該彈扣 電路係第二電路之一子電路。 13. 如申請專利範圍第1項之附加電路，其中該第二電 路係並聯耦接於該點火器。 H.如申請專利範圍第13項之附加電路，更包含一第 一電容器，係耦接於第一阻斷元件之第一接線。 2 ( CHS ) A4^ ( 210x297^1 ) " 505734 A BCD 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 15. 如申請專利範圍第14項之附加電路，更包含一第 一子電路，係耦接於該點火器與第一電容器之間，防止第 二電路與彈扣電路係對第一電容器充電。 16. 如申請專利範圍第15項之附加電路，其中該第一 子電路包括一個二極體。 17. 如申請專利範圍第15項之附加電路，其中該第一 子電路包括一個火花間隙。 18. 如申請專利範圍第11項之附加電路，其中該第二 電路包括： 一第二電容器； 電感器;及 一第二子電路。 19. 如申請專利範圍第18項之附加電路，其中該電感 器係耦接於第二電容器與該點火器之間。 20. 如申請專利範圍第19項之附加電路，其中該第二 子電路係耦接於電感器與該點火器之間，當使用時將第二 電路自該習用點火系統而隔離。 經濟部智慧財.4局P'工消費合作社印製 21. 如申請專利範圍第20項之附加電路，其中該第二 子電路係包括一個電感器。 22. 如申請專利範圍第20項之附加電路，其中該第二 子電路係包括一個二極體。 23. 如申請專利範圍第11項之附加電路，其中該彈扣 電路係並聯耦接於該點火器。 24. 如申請專利範圍第23項之附加電路，其中該彈扣 __3_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 505734 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 電路包括一第三電容器。 25. 如申請專利範圍第24項之附加電路，其中該彈扣 電路更包括一第三子電路，串聯連接於第三電容器與該點 火器之間。 . 26. 如申請專利範圍第25項之附加電路，其中該第三 子電路包括一個二極體。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智总財產局段工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨OX”7公釐）