CN103403340A - 具有选择性电弧的电晕点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电晕放电（24）点火系统，该点火系统包括一电极（38），该电极（38）发射射频电场并提供一电晕放电（24），以点燃可燃混合物。该系统包括一受控高压电源（52），该高压电源（52）在主电压下向一主储能器（28）提供能量。一固定高压电源（54）在额外电压下向一额外储能器（26）提供额外能量，且该额外电压大于主电压。在产生电晕放电（24）的同时，主储能器（28）的能量被提供至电极（38），而额外储能器（26）的能量不被提供至电极（38）。当电晕放电（24）切换至电弧放电时，额外储能器（26）的额外能量被提供至电晕点火器（22），以增强电弧放电并且在电晕放电（24）恢复前提供可靠的点火。

Description

具有选择性电弧的电晕点火系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年1月13日提交的第61/432,274号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明主要涉及一种电晕点火系统以及用于点燃燃烧室中燃料和空气的燃烧混合物的方法。

背景技术

电晕放电点火系统提供交流电压和交流电流，以接连不断地使高电位电极和低电位电极的极性反向，从而难以形成电弧放电并增强了电晕放电的形成。该系统包括带有电极的电晕点火器，该电极被充电至高射频电势，从而在燃烧室中产生强射频电场。该电场导致燃烧室中的部分燃料和空气的混合物电离并开始介电击穿，从而促进燃料-空气混合物的燃烧。在电晕放电点火系统的典型运行过程中，通过控制电场可以使燃料-空气混合物保持介电性能，并且可以产生电晕放电（也被称为非热等离子体）。燃料-空气混合物的电离部分形成一火焰锋，然后该火焰锋将自我保持，并燃烧该燃料-空气混合物的剩余部分。电晕放电具有较小的电流并且可以提供强健的点火而不需要大量的能量，从而不会造成点火系统的物理部件的明显磨损。在弗里恩（Freen）发明的专利号为6,883,507的美国专利中公开了电晕放电点火系统的一个示例。

通常可取的是，通过控制电场可以使燃料-空气混合物不会失去所有介电性能，如果失去所有的介电性能将会导致在电极和接地的缸壁、活塞或电晕点火器的其他部分之间产生热等离子体和电弧放电。然而，由于电晕放电的产生需要高电压，并且还由于改变了发动机的运行条件，因此电弧放电经常有意或无意地发生。通常，电晕点火系统中的电弧放电的持续时间不够长并且强度不足以强至为可燃混合物提供可靠的点火。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种用于点燃燃烧室中的燃料和空气的可燃混合物的电晕放电点火系统。该系统包括一电极，其用于在一射频电压下接收能量，并且发射一射频电场以电离可燃混合物并提供一点燃该可燃混合物的电晕放电。一主储能器在一主电压下储存能量，并且最终将该能量提供至电极。一额外储能器同样在一额外电压下储存能量。该额外电压大于该主电压。仅仅当电弧放电发生时，来自额外储能器的能量最终被提供至电极以增强电弧放电。

本发明的另一个方面提供了一种用于点燃燃烧室中的燃料和空气的可燃混合物的方法。该方法包括：在主电压下将能量储存在主储能器中，并且将来自该主储能器的能量最终提供至电极，从而使该电极发射一射频电场以电离可燃混合物并提供点燃该可燃混合物的电晕放电。该方法还包括：在额外电压下将能量储存在额外储能器中。该额外电压大于主电压。该方法进一步包括：仅仅当电弧放电发生时，才能将来自额外储能器的能量提供至电极以增强电弧放电。

在电晕放电点火系统的运行过程中，当电晕放电切换至电弧放电时，由主储能器单独提供至电晕点火器的能量通常不足以提供电弧放电，该电弧放电的持续时间通常不够长并且强度通常不足以强至能够可靠点燃可燃混合物。因此，当电弧放电出现时，通过额外储能器将额外能量提供至电晕点火器，即可补充由主储能器提供的能量，以增强电弧放电并为可燃混合物提供稳健、可靠的点火。

附图说明

请参阅下述详细说明并结合附图进行考虑，本发明的其它优点将更加容易领会和理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的设置在电晕放电点火系统的燃烧室中的电晕点火器的剖视图；

图2是根据本发明的一个实施例的电晕放电点火系统的电子元件的示意图；

图3是根据本发明的另一个实施例的电晕放电点火系统的电子元件的示意图。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种用于点燃燃烧室20中的燃料和空气的可燃混合物的电晕点火系统。该系统包括一点火端组件，该点火端组件包括通常提供电晕放电24以点燃可燃混合物的电晕点火器22。该系统包括一改进的能量储存和输出机构，除了主储能器28之外，其还包括一额外储能器26，以在电晕放电24切换至电弧放电时改善点火的可靠性。当电弧放电发生时，在增大的电压下的额外能量被提供至电晕点火器22，从而将电弧放电增强至能够点燃可燃混合物的水平。因此，在电弧放电的持续时间、超过一个或多个点火周期并且直至电晕放电24被重新储存前，该系统可以提供可靠的点火。

在正常运行条件下，主储能器28在主电压下储存能量并最终将该能量提供至电晕点火器22，而额外储能器26在大于主电压的额外电压下储存能量。只要电晕点火器22提供电晕放电24并且该电晕放电24可以有效点燃可燃混合物，则额外储能器26便不会将额外能量提供至电晕点火器22。然而，当电晕放电24切换至电弧放电时，额外储能器26便会将额外能量提供至电晕点火器22，以增强电弧放电。该增强的电弧放电的强度足以强在电晕放电恢复前提供可靠的点火。在检测到电弧放电的情况下，额外储能器26使得被提供至电晕点火器22的电压快速升高。当电弧放电发生时，释放至电晕点火器22的大量能量弥补了电弧放电相对于电晕放电24降低的点火效率。在能量大量释放后，储能器26、28再次被充电并且准备好在发生下一次电弧放电时使用。

电晕点火系统通常应用于汽车的内燃机（未示出）。如图1所示，该发动机包括气缸体30，该气缸体30具有绕气缸中心轴周向延伸的侧壁，并在侧壁之间形成有空间。该侧壁具有围绕顶部开口的顶端32。气缸盖34设置在顶端32上，并且延伸跨过顶部开口。一活塞36沿气缸体30的侧壁设置在其空间内，以在发动机的工作过程中沿该侧壁滑动。活塞36与气缸盖34间隔开，从而在气缸体30、气缸盖34和活塞36之间形成燃烧室20。

电晕点火器22垂直延伸进入燃烧室20，并且包括用于接收能量的电极38。在电晕点火系统的典型运行过程中，电极38接收的能量具有0.5-2.0兆赫的射频、10-100千伏的交流电压以及小于10安培的电流。然后，电极38在不大于10毫安的电流下发射射频电场，以电离部分燃料-空气混合物并形成电晕放电24，该电晕放电24点燃该燃料-空气混合物。如图1所示，电极38可以包括用于发射电晕放电24的点火端40。

如图2和3所示，电晕点火系统的电子设备包括电源42、低压电源44、点火器驱动电路46、点火器驱动器48、受控高压电源52、主储能器28、固定高压电源54以及额外储能器26。电源42向高压电源52、54提供能量，高压电源52、54最终将该能量提供至电晕点火器22的电极38。电源42通常为汽车的12伏特电池，但也可以是其他能源。在一个实施例中，电源42在0.1-40A的平均电流下提供能量。

低压电源44从电源42接收能量、储存能量并在0-24伏特的低压下将能量提供至点火器驱动电路46。该点火器驱动电路46在低压下从低压电源44接收能量，并利用该能量将电晕驱动信号56传输至点火器驱动器48。该点火器驱动电路46为运行在0.5-2.0兆赫的高频下的振荡电路。

驱动控制器58将驱动控制信号60传输至点火器驱动电路46，从而指示点火器驱动电路46输出电晕驱动信号56。驱动控制器58通常与汽车的发动机控制单元集成为一体，但也可以是独立的单元。电晕驱动信号56指示点火器驱动器48在预定的时刻、持续时间、电压等级和谐振频率下将能量提供至LC电路64并最终提供至电晕点火器22。当系统提供电晕放电24时，通过点火器驱动器48接收的能量来自主储能器28，而不是来自额外储能器26。由主储能器28提供的能量仅使得电晕点火器22提供用于点燃可燃混合物的电晕放电24。

主储能器28接收来自受控高压电源52的能量，该受控高压电源52接收来自电源42的能量。该受控高压电源52向主储能器28提供能量脉冲，该主储能器28向点火器驱动器48提供能量。在图2的实施例中，受控高压电源52直接接收来自电源42的能量。在图3的实施例中，受控高压电源52并不直接接收来自电源42的能量，而是接收来自固定高压电源54的能量，该固定高压电源54直接接收来自电源42的能量。图3的实施例可以提高制造效率和能源效率。

能量脉冲由受控高压电源52在预定的时刻、持续时间、电压等级下提供至主储能器28，从而使电晕点火器22在不大于10mA的电流下提供电晕放电24。由受控高压电源52提供至主储能器28的电流被称为主电流。在一个实施例中，受控高压电源52在平均值为0.1至10A且最大值高达40A的主电流下提供能量。

受控高压电源52在一这样的电压下提供能量，即，该电压大于由低压电源44提供的电压。在一个实施例中，受控高压电源52在30至100V且最大值高达150V的电压下提供能量。受控高压电源52具有不大于5000μF的电容。由受控高压电源52提供的能量脉冲将调制最终被提供至电晕点火器22的电压。

系统包括将能量控制信号68传输至受控高压电源52的能量控制器66，从而指示将能量脉冲提供至主储能器28的预设时刻、持续时间以及电压等级。受控高压电源52输出的能量可以被调节。然而，当形成电弧放电时，受控高压电源52通常无法单独输出足够比例的能量以将电弧放电增强至能够提供稳健点火的水平。特别地，受控高压电源52提供的主电流强度通常不足以将电弧放电增强至足够的水平。

在不带有改进的储能机构和输出机构而仅带有单个储能单元的其它电晕点火系统中，当电弧放电发生时，可以传输至电晕点火器22的有效能量通常被限制为在电弧放电形成时储存在单个储能单元中的能量。由受控高压电源52提供的能量必须足够小，以使该能量可以及时地从该单个储能单元传输至电晕点火器22。另外，如果受控高压电源52的电压设定为用于发生电弧放电的特定工作条件的低值，则由受控高压电源52提供的能量还可能被限制。

电晕放电点火系统的主储能器28接收来自受控高压电源52的能量脉冲、存储该能量，以及向点火器驱动器48提供该能量脉冲并将该能量脉冲最终提供至电晕点火器22。主储能器28在10-150伏特的最大电压下将固定量的能量存储在一电容中。由主储能器28存储的最大电压取决于系统的工作条件，例如，较低的气缸压力可能需要约20V的较低电压，而较高的气缸压力可能需要100V以产生足够的电晕放电。该固定量的能量取决于提供至主储能器28的能量比例，该能量比例由受控高压电源52的主电流的最大值控制，并取决于该主电流的最大值。

主储能器28对最后的点火器驱动器48和电晕点火器22所需的电流脉冲进行平滑处理，从而使电源42和受控高压电源52仅需要在平均电流下而不需要在最大电流下提供能量。主储能器28示为独立于受控高压电源52，然而可选地，该主储能器28也可以与受控高压电源52集成在一起。

点火器驱动器48接收来自点火器驱动电路46的电晕驱动信号56以及来自主储能器28的处于10-150伏特的电压下的能量，并且在固定的能量提供率、预定的时刻、持续时间、电压等级和谐振频率下将该能量提供至LC电路64，并最终将该能量提供至电晕点火器22。点火器驱动器48所接收的能量被称为驱动器能源50。电晕驱动信号56指示点火器驱动器48控制驱动器能源50，以满足固定能量提供率、预定的时刻、持续时间、电压等级，并且与LC电路64的谐振频率匹配。点火器驱动器48接收驱动器能源50作为DC电流、将该驱动器能源50转换为AC电流，并将该AC电流（称为点火器能源62）提供至LC电路64，并最终将该AC电流提供至电晕点火器22。点火器能源62包括来自主储能器28的能量以及来自额外储能器26的额外能量。点火器驱动器48还影响了点火端组件的谐振电感L₁和电容C₁。点火器驱动器48示为独立于点火器驱动电路46，然而可选地，该点火器驱动器48也可以与点火器驱动电路46集成在一起。

LC电路64接收来自点火器驱动器48的能量的AC电流，转换该能量，并将该转换的能量提供至电晕点火器22。在电晕点火系统的典型运行过程中，LC电路64通过将电压等级提高至通常大于点火器驱动器48所接收的能量的电压的至少20倍来转换能量。LC电路64还通过将电流等级减小至通常小于点火器驱动器48所接收的电流的至少20倍来转换能量。在一个实施例中，LC电路64将电压提高至10-100千伏，并将电流减小至0.1-5安培。

LC电路64由点火端组件的谐振电感L₁和电容C₁组成，该点火端组件的谐振电感L₁和电容C₁受点火器驱动器48的影响。LC电路64还将反馈信号70传输至点火器驱动电路46，从而指明点火端组件的谐振频率。点火器驱动电路46检查反馈信号70的信息，并采用该信息来确定预设的时刻、持续时间以及待提供至电晕点火器22的能量的电压等级。点火器驱动电路46还采用反馈信号70中的信息来确定所供能量的谐振频率，从而使该谐振频率与LC电路64的谐振频率匹配。

在电晕点火系统的典型运行过程中，电晕点火器22的电极38通常在0.5-2.0MHz的射频以及10-100kV的高压下接收来自LC电路64的能量。然后，该电极38发射该能量作为射频电场，以电离可燃混合物并提供用于点燃该燃料-空气混合物的电晕放电24，其中，电晕放电24具有10-100kV的电压以及小于10mA的电流。然而，在某些情况下，例如当发动机工作条件改变时，则电流增加，电场失去所有介电性能，并且电晕放电（非热等离子体）转变为热等离子体（也称为电弧放电）。电弧放电在电极38和接地的汽缸壁、活塞36或电晕点火器22的其他部分之间延伸。由于电弧放电通常不足以提供稳健的点火，因此电弧放电可以是有意产生的，但是通常也可以是由系统的工作条件的变化所无意中引起的。可以采用任何方法来检测电弧放电的发生。当电弧放电发生时，系统将存储在额外储能器26中的额外能量传输至电晕点火器22，以增强电弧放电，并因此改善点火的可靠性，直至恢复电晕放电24。

如图2和3所示，额外储能器26接收来自固定高压电源54的能量，该固定高压电源54接收来自电源42的能量。该固定高压电源54在100-200V的电压下以及在40A的最大电流下向额外储能器26提供能量。在图3的实施例中，由于受控高压电源52并不直接从电源42接收能量，因此固定高压电源54还向受控高压电源52提供从电源42接收到的能量。该实施例可以提高制造效率和能源效率。

由固定高压电源54提供至额外储能器26的能量通常被设为受控高压电源52可得到的最大可能电压或接近该最大可能电压。在一个实施例中，固定高压电源54所提供的电压与受控高压电源52可得到的最大电压之差不大于该受控高压电源52可得到的最大电压的5%。固定高压电源54可以将能量连续提供至额外储能器26，从而使该额外储能器26保持充满电。

额外储能器26接收来自固定高压电源54的能量，并且100至200伏特的电压（称为额外电压）下将该能量存储在一电容中。该额外电压优选等于额外储能器26能够保持的最大电压。额外电压通常大于主电压的1.1至10倍，或者大于由主储能器28可以存储的最大电压的1.1至10倍。在一个实施例中，额外电压为150至200伏特。固定高压电源54向额外储能器26提供能量，从而使额外储能器26保持该额外电压。固定高压电源54还在一大于主电流的电流（称为额外电流）下向额外储能器26提供能量。

额外储能器26通常不与受控高压电源52连接，并因此不需要限制其尺寸，从而使得额外储能器26向电晕点火器22提供的能量比主储能器28提供的能量更多。另外，额外储能器26不依赖于系统的工作条件，并因此可以保持充电至额外储能器26能够保持的最大电压。在一个可选的实施例中，额外能量可以是增加至存储在电源42的输出电容内的电荷中的电荷。

一开关72设置在额外储能器26和点火器驱动器48之间，以在电极38提供电晕放电24并且该电晕放电24有效点燃可燃混合物时，防止额外能量被传输至点火器驱动器48。开关72通常为含有场效应晶体管（fet）、双极面结型晶体管（bjt）、绝缘栅双极型晶体管（igbt）、可控硅整流器（scr）或其他半导体器件的电子开关72。可选的是，开关72可以是机械式的，例如继电器。当检测到电弧放电时，开关72闭合以将额外能量传输至点火器驱动器48。因此，驱动器能源50即包括来自主储能器28的能量又包括来自额外储能器26的额外能量。额外能量被传输至点火器驱动器48并最终被传输至电晕点火器22的电极38，以增强电弧放电并弥补电弧放电相对于电晕放电24降低的点火效率。额外能量通常能使电弧放电点燃可燃混合物，并确保可靠的点火，直至电晕放电恢复。当额外能量传输至点火器驱动器48时，额外储能器26立即通过固定高压电源54重新充电至最大电压，从而使系统准备好在下一次电弧放电发生时再次输出额外能量。

在电晕点火系统的常规运行过程中，开关72断开，以防止额外能量被提供至点火器驱动器48，然后，当电弧放电发生时闭合开关72，以根据需要传输额外能量。该系统包括一开关控制器74，从而指示开关72在电晕放电24的过程中保持断开，并且当电弧放电发生时闭合。

当电弧放电发生时，额外储能器26将额外能量经过开关72提供至点火器驱动器48。该点火器驱动器48同时接受驱动器能源50中的来自主储能器28的能量以及来自额外储能器26的额外能量，还接收来自点火器驱动电路46的电晕驱动信号56。然后点火器驱动器48根据电晕驱动信号56中传达的预定的比率、时刻、持续时间、电压等级以及谐振频率向LC电路64提供能量。点火器驱动器48接收来自储能器26、28的能量作为DC电流，并将该能量转换至AC电流，该AC电流被提供至LC电路64。该LC电路64还在将能量提供至电晕点火器22之前转换该能量。LC电路64增加了电压以增强电弧放电，并将该电弧放电保持超过至少一个发动机周期并且直至电晕放电24恢复。

当电弧放电发生时，存储的能量通常由额外储能器26在检测到电弧放电的10微秒内提供至电晕点火器22。该电晕点火器22同时接收来自主储能器28和额外储能器的能量。然后电晕点火器22在25-500mA的电流下发射作为电弧放电的能量以点燃可燃混合物。

本发明的另一方面提供了一种应用于电晕点火系统的用于点燃燃烧室20中的燃料和空气的可燃混合物的方法。该方法包括在主电流下向主储能器28提供能量，并在主电压下将该能量储存在主储能器28中。该方法进一步包括将来自主储能器28的能量最终提供至电极38，从而使电极38发射一射频电场以电离可燃混合物并提供点燃该可燃混合物的电晕放电34。

该方法还包括在大于主电流的额外电流下向额外储能器26提供能量。然后该方法包括在大于主电压的额外电压下将能量储存在额外储能器26中。该方法进一步包括仅仅当电弧放电发生时，将来自额外储能器26的能量提供至电极38以增强电弧放电。该方法包括当系统提供电晕放电24时，防止将来自额外储能器26的能量提供至电极38。当提供电晕放电时，开关72断开，以防止将来自额外储能器26的额外能量传输至电晕点火器22。并且该方法包括仅当电弧放电发生时，闭合开关72以将额外能量提供至电晕点火器22。该方法还包括使额外储能器26保持充满电，从而使系统准备好根据需要提供额外能量。

显然，鉴于上述教导，本发明可以有多种修改和变形，并且在所附权利要求的范围内，本发明还可以通过除具体描述的方式以外的其它方式实施。另外，权利要求中的附图标记仅为方便起见，而不能理解为任何形式的限定。

Claims (14)

1.一种电晕放电（24）点火系统，其用于点燃燃烧室（20）中的燃料和空气的可燃混合物，其特征在于，该系统包括：

一电极（38），其用于在一射频电压下接收能量，并且发射一射频电场以电离可燃混合物并提供一点燃所述可燃混合物的电晕放电（24），

一主储能器（28），其在一主电压下储存能量，并且最终将该能量提供至所述电极（38），以及

一额外储能器（26），其在一大于所述主电压的额外电压下储存能量，并且仅仅当电弧放电发生时，才将该能量最终提供至所述电极（38）以增强所述电弧放电。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统包括一位于所述额外储能器（26）和所述电极（38）之间的开关（72），以在提供所述电晕放电（24）时，防止所述额外储能器（26）的能量被提供至所述电极（38）。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，该系统包括一开关控制器（74），其指示所述开关（72）在所述电晕放电（24）被提供时保持断开，并且当所述电弧放电发生时闭合，其中，所述闭合的开关（72）使得所述额外储能器（26）的能量被提供至所述电极（38）。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述额外电压大于所述主电压的至少1.1倍。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统包括一电源（42）、一受控高压电源（52）以及一独立于所述受控高压电源（52）的固定高压电源（54），其中，所述受控高压电源（52）在所述主电压下将来自所述电源（42）的能量提供至所述主储能器（28），所述固定高压电源（54）在所述额外电压下将来自所述电源（42）的能量提供至所述额外储能器（26）。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述固定高压电源（54）使得所述额外储能器（26）保持充满电。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，由所述受控高压电源（52）提供的所述主电压为10V至100V，由所述固定高压电源（54）提供的所述额外电压为100至200V。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统包括一点火器驱动电路（46）以及一点火器驱动器（48），其中，所述点火器驱动电路（46）将电晕驱动信号（56）传输至所述点火器驱动器（48），所述电晕驱动信号（56）指明将能量最终提供至所述电极（38）的预定的时刻、持续时间、电压等级以及谐振频率，所述点火器驱动器（48）接收所述电晕驱动信号（56）以及来自所述主储能器（28）的能量，并且最终在预定的时刻、持续时间、电压等级以及谐振频率下将该能量提供至所述电极（38）。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，该系统包括一LC电路（64），其接收来自所述点火器驱动器（48）的能量，并在将该能量提供至所述电极（38）之前增加电压并减小电流。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述点火器驱动电路（46）为工作在0.5至2.0MHz的高频率下的振荡电路。

11.一种用于点燃燃烧室（20）中的燃料和空气的可燃混合物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在一主电压下将能量储存在一主储能器（28）中，

将来自所述主储能器（28）的能量最终提供至一电极（28），从而使所述电极（38）发射一射频电场以电离该可燃混合物并提供点燃该可燃混合物的电晕放电（24），

在一大于所述主电压的额外电压下将能量储存在一额外储能器（26）中，并且仅仅当电弧放电发生时，才将来自所述额外储能器（26）的能量提供至所述电极（38）以增强该电弧放电。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括当提供所述电晕放电（24）时，防止将所述额外储能器（26）的能量提供至所述电极（38）。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括使所述额外储能器（26）保持充满电。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括在一主电流下向所述主储能器（28）提供能量，并且在一大于所述主电流的额外电流下向所述额外储能器提供能量。

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