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CN102105677A - 对于内燃机火花塞的供电控制 - Google Patents

对于内燃机火花塞的供电控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对内燃机的射频火花塞(1)供电至足以产生有很多分支的火花(130)的电压的方法。为此，该火花塞的供电电压逐级地增加至能够引燃的合适的电压。

Description

对于内燃机火花塞的供电控制
技术领域
本发明涉及一种用于对点火火花塞供电至能确保生成有多个点火分支的火花的电压的方法，特别是内燃机的有多个点火分支的火花。
本发明还涉及一种用于对这种火花塞供电的设备，该设备包括用于对该火花塞供电直到能确保生成有多个点火分支的火花的电压的装置。
背景技术
为了在对内燃机中的易燃混合物点火时进行更好的控制，已知地优先使用大尺寸的电火花。具体地，火花越大，热电弧与燃料云相汇合的可能性就越大，并且引燃更加高效。对于传统的点火火花塞，火花的大小(约为1立方毫米)受到火花塞两个电极之间的距离的限制。
为了增加点火火花塞的火花大小，已经提出：
-在US-A-5623179中，增加火花塞电极之间的距离；然而这种方案需要特别大的供电电压，该电压直接与电极间的距离成比例，
-在EP-A-1202411或EP-A-1526618中，使用在火花塞绝缘体上滑动的电弧，这使之能够使火花加长而无须将电压增至很大；然而，在这种方案中，火花的加长只能维持相对较短的时间并且热弧接触的绝缘表面损坏的很快；
-在FR-A-2886776或FR-A-2878086中，形成从单个尖头电极展开的多丝射频火花；这使之能够大大增加火花的长度，但是在这种方案的已知方法中，同时形成的丝数目有限(最多2-3个)。
发明内容
本发明的目的是避免现有技术方案中的性能限制。
另一个目的是大大增加射频火花的分支程度(也就是说同时生成的丝的总数)，并且因而增大这个火花以及进入该环境中的混合物的引燃效率。
为了至少接近所述目的，一种提出的解决方案是火花塞(特别是射频火花塞)的供电包括逐级地增加(因而包括至少一级)这个火花塞的电源电压直到合适的点火电压的步骤。
关于设备，也提出用于对火花塞供电的装置适于生成用于点燃火花的第一电压并且之后逐级地增加该第一电压直到所述合适的点火电压。
附图说明
下面参考以非限制性方式提供的附图更详细地描述本发明，其中；
-图1示出了安装在内燃机上的射频火花塞；
-图2示出了关于以传统方式控制的射频火花塞的典型时间/电压演进；
-图3和4示出了关于以不同方式控制的射频火花塞的根据本发明的时间/电压演进的例子；和
-图5示出了，与图1中的火花相比，可利用按照图3和4的控制而获得的有分支的火花。
具体实施方式
图1示出了安装在内燃机5的汽缸盖3上的射频(RF)共振火花塞1。火花塞的尖头1a通往内燃机的燃烧室7，待点燃的混合物被注入该燃烧室中。
这个RF等离子火花塞1是由低压RF电源9来激励的，该电源由具有所述内燃机的车辆的车载计算机11控制。每个多丝火花13因而从火花塞的单个尖头1a中形成。
这种火花塞的已知的通用工作模式例如在FR-A-2878086、FR-A-2886776或FR-A-2888421中说明。
如说明现有技术的图2所示，对RF火花塞1供电通常分成两个主要阶段。
在从施加电压的时刻t_0开始的初始阶段15a期间，施加于火花塞的电压U持续增加以使得较细的电通道13从火花塞的尖头1a形成。
一旦形成，这种多丝结构在下一阶段15b期间(图1中的t_1与t_2之间)被受控RF电源9所提供的电流加热至几千摄氏度。施加于所述火花塞的电压(大致为Um)在整个该第二阶段期间(几乎)保持不变。
在这个加热阶段结束时(部分15b1直到t_2)，热丝使得与燃烧室7相连的内燃机气缸中的混合物点燃。
然后，在这个通过火花塞点燃混合物的循环的最后阶段15c期间(图1中的t_2至t_3)，施加于该火花塞上的电压再次不断降低直至消失。
在阶段15b1结束时形成的丝13的长度L(图1中约为1厘米)只取决于施加于尖头1a的电压U的最大幅度。
从加热阶段15b/15b1期间开始，与施加于火花塞尖头上的最大电压(或适配的点火电压)相对应的RF电压的幅度保持不变(常数)，丝13的长度及其数目不再更改或实质上不再更改。
发明人注意到，在这种已知的工作模式中，RF火花13的分支程度(也就是说分叉点的数目，图1中标记为13a、13b)保持相对较低：在形成阶段期间所形成的丝相当直，具有几个分叉点(通常最多2到3个)，这限制了火花的大小。
为了提高多丝火花的分支程度，发明人提出修改用于对RF火花塞1供电的方法，特别如图3所示。
因此，实施将用于为火花塞供电的电压逐级地增至所述最大电压Um的步骤，来替代向火花塞电极的尖头1a实施这样的电压：在紧随t_0的时刻t_1(初始阶段15a的末尾)，在自供电起(时刻t_0)持续增加该电压之后能够出现最大电压Um(用于引燃的合适的点火电压)。
图3示出了这种几级的电压增加，在该例子中是两级：17.1和17.2。
因此，可以看出，利用本发明的方案，在图3所示的示例性实施例中，电压最初从t_0至t_10仅增加到值U1，这只是形成第一生成丝130所必需的电压，即图5中标记为“a”的那些，它们都源自火花塞电极的尖头1a。
在时刻t_10，即通常是在t_0开始激励之后几微秒(在所提出的实施例中是5至10微秒)，RF电源使得所施加电压的幅度稳定下来并且在几微秒的时间内(在所提出的实施例中是2至5微秒)保持它基本上为U1直到时刻t_20。
这是对应于级17.1的第一加热阶段。
有利地，这个第一电压级17.1的电压值U1只是用于在电极的自由端1a形成源自该自由端的电丝所必需的电压。
在这个时期内，主丝130“a”的温度达到1000至5000℃，所述通道内的气体开始大量电离，其电阻率从无穷大降低至只有几千欧姆。结果，火花塞的电压被施加到变成导体的丝“a”的端部(图5中的实心圆点)。
在时刻t_20至t_30之间，RF电源再次(持续)增加火花塞的电压幅度直到中间电压U2(其中U2当然大于U1)。
优选地，零电压与第一电压级的电压U1之间的电压差将大于第一电压级的电压U1与所述合适的点火电压Um之间的电压差，如图3和4所示。
由于电离丝130的直径(通常约为50至100微米)基本上小于尖头的直径(通常约为500微米)，因此只需要将针对丝130“a”端部的近电场所施加的电压U(与丝直径的平方成反比)稍微地增加至足以使得形成第二生成丝。这次，图3中标记为130“b”的新的丝是源自丝“a”的端部而不再是火花塞的尖头1a。
在从t_30至t_40的时期内，丝“b”被加热。再次使电压稳定在对应于第二级17.2的U2。尖头的电势因而在这些丝的端部(图5中的空心圆点)。
在时刻t_40至t_50期间，RF电压再次增加火花塞1a的电压以使得从前一次生成的丝的端部产生第三生成丝130“c”。
该过程可以继续进行。在图3、4和5中，认为该过程停止于此，因为假设在时刻t_50达到合适的点火电压Um。
因此，根据本发明的可实现预期目的的重要特征，从开始对火花塞供电的初始时刻t_0到稳定施加最大电压的t_50，在1到10微秒的时期内产生至少一级稳定电压。
一旦这种多丝结构通过连续生成丝分支130a、b、c而形成，它就在后续阶段150b期间被受控RF电源9所提供的电流加热(如前文所述)至几千摄氏度。施加于火花塞的电压(Um)在整个第二阶段期间基本上保持不变，如图3所示。
如传统的工作模式那样，在这个加热阶段结束时(部分150b1至时刻t_60)，热丝使得与燃烧室7相连的内燃机气缸中的混合物被点燃。
在通过火花塞点燃混合物的这个循环的最后一个阶段150c期间，施加于该火花塞的电压再次持续降低直到消失(时刻t_70)。
优选地，在两次电压增加之间(例如t_10至t_20和t_30至t_40)施加一电压级时期，该时期大于两个连续的电压增加级之间的时间间隔(例如t_20至t_30)。
循环“形成丝→加热丝→增加电压→形成...→加热...→增加...”可以按照需要被重复多次。每增加一次电压，就产生新的分叉点。
因此，用于供电的装置9、11相对于图2中的现有技术情形而被调整，从而以超过用于点燃火花的第一电压U1的级17.1...逐渐地在第一级产生的电火花的端部(实心圆点)产生新的分支130b...。
最后，通常以这种方式形成的火花130用分支程度来表示其特征，其分支程度远大于图2所示的传统激励。可以用
Figure BPA00001306979100061
估计总丝数，其中N0是一次生成的丝数而n是循环数。因此，在图5所示的情形中，其中N0≈3而n＝3N总数≈39或约为传统RF激励情况下的10倍。即使每次新生成的丝的平均长度越来越小，然而在其供电结束时火花的总长度远大于传统的供电情形(参见图1和5)。这增加了热弧与燃料/空气混合物相汇合的可能性并且因而使得引燃更加高效。
当然，应当指出，图2至4中所讨论的电压(Um、U1...)是可选的，因此以其第一可选方案而在左边显示的电压U的演进正弦曲线是清楚的。

Claims (8)

1.一种用于对内燃机的点火火花塞(1)供电至能确保生成有点火分支的火花(130)的电压的方法，其特征在于，包括将所述火花塞(1)的电源(9)电压从用于点燃所述火花(130)的第一电压(U1)逐级(17.1、17.2)增加到合适的电压(Um)的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从开始对所述火花塞(1)供电的初始时刻至稳定施加所述合适的电压(Um)，在1至10微秒的时期内实现稳定电压的至少一级(17.1、17.2)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以只用于在电极的自由端(1a)形成源自该自由端的电丝所需要电压值来产生第一电压级。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，零电压与第一电压级(17.1)的电压之间的电压差大于第一电压级(17.1)的电压与所述合适的电压(Um)之间的电压差。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在两次电压增加之间施加一电压级(U)时期，该电压级时期大于两个连续的电压增加级之间的时间间隔。
6.一种用于对点火火花塞(1)供电的设备，该设备包括用于对所述火花塞(1)供电至用于生成有分支的火花(130)的合适的点火电压(Um)的装置(9)，其特征在于，用于供电的所述装置(9)适于生成用于点燃所述火花(130)的第一电压以及随后将该第一电压逐级(17.1、17.2)增加到所述合适的电压。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，用于供电的所述装置(9)适于以超过用于点燃所述火花(130)的所述第一电压的级，逐渐地在所述第一级(17.1)产生的电火花的末端产生新的分支。
8.一种配备有根据权利要求6或7的设备的内燃机。
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