多极高频放电的弹性击穿点火系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及火花点火系统，尤其涉及一种在稀薄可燃混合气或废气再循环的缸内气体环境下能够实现稳定点火的多极高频放电的弹性击穿点火系统和方法。
【背景技术】
[0002]在火花点火系统中，点火器，例如火花塞，用于对燃烧区域内的空气-燃料混合气点火。众所周知，通过提高空燃比，或提高废气再循环率，稀释可燃混合气，可以得到更高压缩比和发动机负荷，从而实现更清洁、更有效的燃烧。当然，稀薄混合气会产生点火和火焰传播两方面的问题，必须使用点火源来确保成功点火和稳定燃烧。一种策略是通过电容性放电增强火花放电功率，这种方法对在稀薄混合气内产生稳定的火核较为有效。另一种策略涉及在燃烧区域内产生多个空间分布的火核，这种策略在稀薄或稀释混合气中具有一定的应用前景。
[0003]然而，现有的火花塞不能很好地适应于稀薄和/稀释可燃混合气中。众所周知，现有的火花塞通过火花塞间隙向缸内可燃混合气放电以实现点火。火花放电通过最短或最低阻抗路径进行，因此目前仅有单一中心高压电极的火花塞能够在放电过程中仅能产生单一的火花通道。尽管单一中心高压电极的火花塞可以具有多个接地电极，并形成多个虚拟火花间隙，但火花塞只会在一次点火中通过最低阻抗间隙产生唯一的火花。因此，现有火花塞不能在单一放电过程中产生多个空间分布的火核。
[0004]图1为现有技术中基于现有火花塞的点火系统100。点火线圈102具有初级绕组104和次级绕组106，由驱动模块108驱动，为火花塞110提供高电压。当提供的电压足够高，引起电极114和116之间的间隙112的可燃混合气介质击穿，形成火花。图1为火花塞110的等效电路图。由于火花塞110的电容性陶瓷绝缘体，在火花塞中心电极114和汽缸金属壳接地电极116之间形成了与火花间隙112并联的寄生电容118。寄生电容118在几十皮法范围，电容虽然很小，但对于起始火花击穿过程非常重要，因为它提供了击穿能量。图1中还显示了内电阻120，它嵌入火花塞110，在点火过程中限制火花电流和瞬态振铃噪音。
[0005]图2示出了图1点火系统的火花放电的电压曲线图(上)和电流曲线图(下)。火花放电过程由高压电击穿发动，如图2中高电脉冲所示，并由相对低压辉光过程维持。雪崩击穿过程将位于图1中电极114和116之间的火花间隙112的空气/燃料混合气离子化，进而使得火花间隙112内的介质开始导电。击穿电压取决于间隙距离和介质的气体性质，例如密度、温度和分子结构。例如，介质密度越高，要求击穿电压越高。击穿过程所需时间为纳秒级别，但由于高压具有非常高的冲击电流。因此击穿过程的瞬态电功率高，但由于短持续时间因而总能量较低。雪崩过程中或紧随其后的放电能量来自小寄生电容118，它在击穿过程前被高压充电。击穿后，电极114和116之间的导电通道引起电压下降到仅有几百伏，这足够维持发光放电。
[0006]明显地，图1的点火系统中，火花能量主要在相对更长的辉光放电阶段放电。然而，已知的研究结果表明高功率击穿过程对于发起和维持燃烧更有效。因此，相对基于现有火花塞的点火系统，提供一种增强的击穿能量和/或击穿持续时间的火花点火系统和相关方法，具有实际意义。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的一种技术问题是要提供一种实现在一次点火事件中形成多个火花的多极高频放电的弹性击穿点火系统和方法。
[0008]为了解决以上的技术问题，本发明提供一种点火系统，包括:有初级绕组和次级绕组的点火线圈，次级绕组具有提供高压信号的终端;有电极结构的点火器，所述电极结构包括与次级绕组的终端耦合的第一高压电极，与次级绕组的终端耦合的第二高压电极，和至少一个接地电极，所述电极结构在第一高压电极和所述至少一个接地电极之间设有第一火花间隙，并在第二高压电极和所述至少一个接地电极之间设有第二火花间隙；第一电容，串联在第一高压电极和点火线圈的次级绕组的终端之间，和第二电容，串联在第二高压电极和点火线圈的次级绕组的终端之间；以及与初级绕组的终端耦合用于驱动点火线圈的驱动模组。
[0009]本发明还提供了一种用于点火系统的电路，点火系统包括:有初级绕组和次级绕组的点火线圈，次级绕组具有提供高压信号的终端；电极结构，包括与次级绕组的终端耦合的第一高压电极，与次级绕组的终端耦合的第二高压电极，和至少一个接地电极；以及与初级绕组的终端耦合用于驱动点火线圈的驱动模块，其中，电极结构在第一高压电极和所述至少一个接地电极之间设有第一火花间隙，并在第二高压电极和所述至少一个接地电极之间设有第二火花间隙，电路包括:串联在第一高压电极和点火线圈的次级绕组的终端之间的第一电容，和串联在第二高压电极和点火线圈的次级绕组的终端之间的第二电容，以及设在第一高压电极和第一电容之间的第一电阻，和设在第二高压电极和第二电容之间的第二电阻。
[0010]本发明还提供了一种用于点火系统的点火器，包括:电绝缘材料制作的支撑体;至少一个由支撑体支持的接地电极;至少两个高压电极，支撑体对多个高压电极进行支撑，并使其相互绝缘，同时与所述至少一个接地电极绝缘。所述至少两个高压电极的每一个高压电极具有位于点火器火花形成一端的从支撑体的第一端突出的第一端，所述至少两个高压电极的每一个高压电极具有相对于所述第一端的包含在电绝缘材料中的第二端；高压终端，具有从所述支撑体的第二端突出用于连接点火线圈的终端的第一端，并具有相对于所述第一端嵌入所述电绝缘材料中并与所述至少两个高压电极的第二端相对的第二端;至少一个包含在所述电绝缘材料中的绝缘件，所述至少一个绝缘件设于所述高压终端的第二端和所述至少两个高压电极的第二端之间。
[0011]本发明提供了一种点火方法，包括:提供燃烧区域的可燃混合气;提供多个火花间隙，包括第一火花间隙和第二火花间隙，设于燃烧区域内，所述多个火花间隙与点火线圈的次级绕组电连接，所述次级绕组在使用期间提供高压信号;提供具有第一电容、与第一火花间隙串联的第一电容，提供具有第二电容、与第二火花间隙串联的第二电容，第一电容和第二电容被选择来分别为所述第一火花间隙和所述第二火花间隙提供预定的火花放电持续时间；使用驱动模块，对点火线圈进行充放电，分别为第一电容和第二电容提供高压信号；并在包括第一火花间隙和第二火花间隙的所述多个火花间隙产生多个火花。
[0012]本发明的优越功效在于:可以使用单个点火线圈实现在一次点火事件中形成多个火花，同时点火瞬时功率将显著高于传统点火方式，有利于增加在混合气稀薄或被稀释的工况下点火的成功率，提高发动机在极限工况下的工作稳定性。
【附图说明】
[0013]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为现有技术点火系统的简化图；
图2为图1的点火系统的火花放电的电压曲线图(上)和电流曲线图(下)；
图3为根据本发明实施例一的具有设于点火线圈和火花塞之间的串联高压电容的弹性击穿点火系统电路简化图；
图4为图3的弹性击穿点火系统在V处(上)测得的火花放电的电压曲线图、在Vl处(中)测得的火花放电的电压曲线图和电流曲线图(下)；
图5为根据本发明实施例二的带有多个火花间隙的弹性击穿点火系统的电路简化图；图6为图5的点火系统操作在“模式A”时在V处(上)、在Vl处(中)和V2处(下)测得的火花放电的电压曲线图；
图7为图5的点火系统操作在“模式B”时在V处(上)、在Vl处(中)和V2处(下)测得的火花放电的电压曲线图；
图8为图5的点火系统操作在“模式C"时，在V处(上)和在Vl处(中)测得的火花放