一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置及方法

本发明涉及纳秒脉冲放电，特别是涉及一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、传统的点火系统由点火线圈和火花塞组成。根据流注理论，当初级线圈充电结束断开初级线圈回路后，次级线圈的感应电动势增大，火花塞电极之间的电场逐渐增大，中心电极表面的电子在电场作用下加速并逃逸出来，随着电场强度的增加，更多的电子开始飞向侧电极。在飞行路径上，加速的电子经过一系列碰撞，产生新的自由电子和正负离子。由于自由电子的移动速度快，正离子移动速度慢，这样便形成了一个电子崩。电子崩削弱了火花塞电极之间的电场分布，当电子崩连成一个整体时，原本绝缘的气体被击穿，变成等离子态，该放电过程为流注放电。

3、对于传统点火系统，在火花塞间隙未被击穿前，脉冲电压以1kv/us的速率升高，内燃机正常工作下火花塞电极之间的击穿电压为10kv-35kv之间，这就导致脉冲电压的上升时间时间在10us到35us之间。对于上升沿和半高宽高于1us的脉冲放电，会从流注放电最终发展为弧光放电。弧光放电通过放电产生的平衡等离子体能够维持高温，通过热效应引燃混合气，能耗较大，点火效率较低，同时在内燃机稀薄燃烧时会燃烧不稳定、燃烧不迅速、燃烧不完全，容易产生失火等现象，严重影响了内燃机的性能。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置及方法，设计一种高压瞬时纳秒脉冲的发生电路，该发生电路对点火线圈中感应出的脉冲电压进行重塑，大幅缩短脉冲电压上升时间与半高宽，将传统点火系统中火花塞电极之间的弧光放电转变为流注放电，从而提高燃烧效率并减少能耗。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置，包括：点火线圈、发生电路和火花塞间隙；

4、所述发生电路包括火花隙开关、第一电容、第二电容和二级管；所述火花隙开关与第一电容并联后连接至点火线圈的两端，所述第一电容与第二电容串联后与二级管并联，二级管的两端连接至火花塞间隙的两端；

5、所述点火线圈产生的脉冲电压对第一电容和第二电容充电，直至第一电容两侧的电压值超出火花隙开关的击穿电压时，火花隙开关导通，第一电容与第二电容两端电压串联并反相导通二极管；

6、所述二极管截止时，火花塞间隙处产生高压瞬时纳秒脉冲，以此进行流注放电并产生非平衡等离子体来促进燃烧。

7、作为可选择的实施方式，当火花隙开关导通后，第一电容与火花隙开关形成闭合回路，同时第一电容与寄生电感产生共振，使第一电容两端的电压变为其初始电压的倒数，此时由于第二电容电压不变，第一电容与第二电容两端电压串联并反相导通二极管。

8、第二方面，本发明提供一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置，包括：点火线圈、发生电路和火花塞间隙；

9、所述发生电路包括火花隙开关、第一电容、第二电容、第一二级管、电阻、第二二极管和电感；所述电阻的一端连接点火线圈，另一端通过第二二极管连接至火花隙开关，所述火花隙开关与第一电容并联，第一电容、第二电容与电感串联后与第一二级管并联，第一二级管的两端连接至火花塞间隙的两端；

10、所述点火线圈产生的脉冲电压流经电阻和第二二极管后，对第一电容和第二电容充电，直至第一电容两侧的电压值超出火花隙开关的击穿电压时，火花隙开关导通；

11、第一电容与电感产生谐振后，第一电容与第二电容两端电压串联并反相导通第一二极管；

12、所述第一二极管截止时，火花塞间隙处产生高压瞬时纳秒脉冲，以此进行流注放电并产生非平衡等离子体来促进燃烧。

13、作为可选择的实施方式，所述电阻用于电流，所述第二二极管用于保证电流流向为单向。

14、作为可选择的实施方式，所述点火线圈包括mos管和升压线圈，所述mos管连接电子控制单元，以通过电子控制单元控制mos管的通断；

15、所述升压线圈的初级线圈连接mos管和车载电源，所述升压线圈的次级线圈的两端连接火花隙开关的两端。

16、作为可选择的实施方式，通过车载电源对点火线圈进行充电，且通过电子控制单元控制mos管导通后，对升压线圈的初级线圈进行充电；

17、升压线圈的初级线圈充电完成后，通过电子控制单元控制mos管断开，初级线圈磁场消失，磁力线切割次级线圈，使次级线圈产生脉冲电压。

18、作为可选择的实施方式，所述高压瞬时纳秒脉冲的上升沿和半高宽都为纳秒级。

19、作为可选择的实施方式，将所述发生电路集成到火花塞中，从而构成高压瞬时纳秒脉冲火花塞，在不更换点火线圈的情况下实现火花塞的流注放电。

20、作为可选择的实施方式，将所述发生电路集成到点火线圈中，从而构成高压瞬时纳秒脉冲点火线圈，在不更换火花塞的情况下实现火花塞的流注放电。

21、作为可选择的实施方式，将所述发生电路集成到火花塞中，从而构成高压瞬时纳秒脉冲火花塞，高压瞬时纳秒脉冲火花塞分别与点火线圈和标准火花塞连接，实现标准火花塞点火间隙之间的流注放电。

22、第三方面，本发明提供一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火方法，采用第一方面或第二方面所述的高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置，包括：

23、对点火线圈进行充电，且控制mos管导通后，对升压线圈的初级线圈进行充电；

24、升压线圈的初级线圈充电完成后，控制mos管断开，初级线圈磁场消失，磁力线切割次级线圈，使次级线圈产生脉冲电压；

25、脉冲电压经发生电路后，在火花塞间隙处产生高压瞬时纳秒脉冲，以此进行流注放电并产生非平衡等离子体来促进燃烧。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

27、为了有效控制燃烧过程，减少点火能耗，提高燃烧的经济性并降低排放，本发明提供一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置及方法，设计一种高压瞬时纳秒脉冲的发生电路，该发生电路对点火线圈中次级线圈感应出的脉冲电压进行调理重塑，相较于传统点火系统，大幅缩短了脉冲电压上升时间与半高宽，将传统点火系统中火花塞电极之间的弧光放电转变为流注放电，从而提高燃烧效率并减少能耗。

28、本发明提出一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置及方法，将高压瞬时纳秒脉冲发生电路集成进火花塞中，设计了高压瞬时纳秒脉冲火花塞，可以在不更换点火线圈的情况下实现火花塞的流注放电；将高压瞬时纳秒脉冲发生电路集成进点火线圈中，设计了高压瞬时纳秒脉冲点火线圈，可以在不更换火花塞的情况下实现火花塞的流注放电；还设计了在不替换点火线圈与标准火花塞的前提下，用于与标准火花塞配合使用的高压瞬时纳秒脉冲火花塞，降低使用成本。

29、本发明提出一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置及方法，与采用饱和电感作为开关相比，采用火花隙开关可以更方便的调节第一电容两侧的电压；当火花隙开关为针触发三电极开关时，可以直接通过调整其内部气体压强来改变自身的击穿电压，间接来调整第一电容两侧的电压，进而改变纳秒脉冲电压的峰值电压。

30、本发明提出一种高压瞬时纳秒脉冲等离子体点火装置及方法，将传统点火系统的点火时间提升约1000倍，通过上升沿和半高宽更短的高压瞬时纳秒脉冲放电，能够抑制传统点火系统中火花塞间隙之间的电弧放电，通过流注放电产生非平衡等离子体来与燃气充分混合反应，减少了焦耳热的产生，降低了能耗，更有效的提高发动机的峰值功率与缸内压力。

31、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。