具有预燃室以及通过高频等离子体放大的火花塞点火火花的
点火系统以及相应的方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及点火方法和点火系统，该点火系统用于借助外源点火执行点燃
内燃机、尤其是点燃
汽油内燃机的
燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物的点火方法。
背景技术
[0002] 已知具有布置在
燃烧室和进气弯管之间的预燃室的内燃机。将燃料喷入预燃室中或必要时也可直接喷入燃烧空间中，从而以吸入且压缩的燃烧空气提供燃料-空气混合物。在预燃室中布置火花塞，火花塞称为预燃室火花塞。
[0003] 通过优选构造成点火线圈的高压电源在
电极和接地之间提供高压脉冲，高压脉冲引起在电极和接地之间的火花放电。点火火花导致点燃燃料-空气混合物或在废气再循环时导致点燃燃料-空气-废气混合物。
[0004] 在空气大量过剩(少量混合物)的情况下和/或在通过废气再循环而稀薄混合物时会导致着火问题并且进而导致不完全燃烧和/或使燃料-空气混合物点燃失效。
[0005] 已知这样的点火系统，该点火系统与等离子体发生装置耦合。在文献WO 2017/167437 A1中公开了一种用于借助火花塞在内燃机的燃烧空间中点燃燃料-空气混合物的点火装置，火花塞具有三个电极。设置成，火花塞的第一电极与用于产生高压电脉冲的高压电源连接，从而在第一电极上施加高压脉冲。第二电极与接地电位电连接。火花塞的第三电极与高频
电压源的输出部电连接，从而在第三电极上施加高频交流电压以产生等离子体。
[0006] 由文献WO2017/108389 A1已知一种用于点燃燃料-空气混合物的点火装置，其基于部分放电的原理。对此，点火装置的两个电极中的至少一个完全被固体的
电介质包围。如果在电极之间施加电压脉冲，则由于形成的
电场产生部分放电，部分放电会导致形成点火等离子体和火焰芯。因为两个电极通过围绕其中至少一个电极布置的电介质彼此电绝缘，不能完全放电。因此即使在高的点火电压的情况下也可实现可靠且稳定地点燃燃料-空气混合物，而没有导致电极严重烧损。
[0007] 根据文献DE 10 2015 114 718 A1设置，内燃机具有包括点火装置的等离子体点火系统以及在
气缸中的用于借助燃料
喷嘴直接喷射的燃料喷入装置，点火装置在气缸中具有电介质的屏障放电装置。
控制器使得内燃机、等离子体点火系统和燃料喷入系统在功能方面彼此连接。燃料喷入装置在激活点火装置之前喷入第一燃料脉冲。然后点火装置触发等离子体
能量脉冲。如此控制燃料喷入装置，使得燃料喷入装置在
等离子体能量脉冲期间喷入第二燃料脉冲。
[0008] 此外由文献DE 10 2017 214 641 A1已知在设有燃料喷入装置的内燃机中的燃烧辅助装置。在此设置成，将至少一部分燃料喷入进气弯管中。此外，燃烧辅助装置具有电极元件，电极元件布置在进气弯管中并且将高频高压施加到电极元件上。
[0009] 在文献DE 10 2004 058 925 A1中公开了一种用于汽油
发动机的具有高频等离子体点火装置的点火系统。点火系统在燃烧空间中提供空间展开的等离子体以点燃燃料-空气混合物。高频等离子体点火装置由
串联振动回路构成，其具有电感、用于共振激励的高频源和电容，其中，电容由内电极和外电极以及位于其间的电介质构成并且电极以其外端彼此带有预设间距地直达燃烧空间中。
[0010] 由文献DE 10 2014 202 520 B3已知一种高频放电点火装置，其可稳定地带来高频
电流，使其流入火花放
电路径中并因此有效地形成大的
放电等离子体。高频放电点火装置具有火花塞、产生高电压并且将产生的高电压输送给火花塞以便由此在火花塞的间隙中形成火花放电路径的点火线圈装置、增大交流电电压的电压放大装置和高频电流输送装置，其借助电压放大装置将交流电输送给构造在间隙中的火花放电路径。
发明内容
[0011] 本发明的目的是，提供用于具有外源点火装置的内燃机、尤其用于具有预燃室点火装置的改进的点火系统。
[0012] 尤其点火系统应改进点燃燃料-空气混合物的可靠性并且也应在不利的运行条件下确保燃料-空气混合物的完全燃烧。
[0013] 尤其应克服在借助稀薄的或少量的燃料-空气-废气混合物或燃料-空气混合物运行内燃机时出现的着火问题。
[0014] 由此应尤其在具有废气再循环的内燃机中明显改善或根本实现借助稀薄的燃料-空气混合物运行内燃机。
[0015] 应以(高于)废气再循环(AGR)的25％的稀薄率或(高于)λ＞1.6的“少量率”有效地实现运行内燃机。有利地，通过本发明应使稀薄性扩大、即提高>/＝5％更高的AGR率或提高少量率为0.1至0.3λ单位。
[0016] 此外尤其应在部分负荷范围中能够有效地运行内燃机。通过借助根据本发明的点火系统运行内燃机还应在不利的运行条件下提高效率并且降低燃料中的一
氧化
碳和未燃烧的碳氢化合物的排放。
[0017] 此外，点火系统应有利地适用于根据米勒燃烧方法进行运行以及借助直接燃料喷入加载
汽油发动机。
[0018] 本发明的出发点是用于外源点火的内燃机的点火系统，其中，燃料的外源点火通过为内燃机的至少一个燃烧空间配备的火花塞实现，其中，火花塞的第一电极与高压电源的高压输出部电连接，并且第二电极构造成接地，其中，火花塞的第一电极与点火设备耦合，点火设备具有高频输出部，在高频输出部上施加高频电压，其中，火花塞的高压电源的高压输出部和高频输出部彼此电连接，从而放大通过火花塞的高压电源构造在高压电源的高压输出部上的第一电极和第二电极之间的电压路径以借助施加在高频输出部上的高频电压产生点火火花的火花放电，对此高频电压经由高频输出部耦合到高压电源的电压路径中，由此可在点火火花上/中耦入高频等离子体，其通过额外的引入点火火花中的能量和增大的点火火花体积提高燃烧空间中的燃料的点火可靠性。
[0019] 在该
专利申请中提及功率放大装置时，可设置为电压以及电流放大装置。在提及高频电流时，也可认为是高频电压。
[0020] 根据本发明设置成，火花塞具有包括至少一个开口的预燃室，开口使预燃室与燃烧空间在燃料方面连接，从而在预燃室中的可耦入高频等离子体的点火火花引起预燃室中的燃料的等离子体辅助的外源点火。
[0021] 点火系统在点火设备方面优选包括高频发
电机和功率
放大器。
[0022] 在优选的设计方案中，点火系统包括火花塞，火花塞是预燃室火花塞，火花塞具有包括至少一个开口的盖板，从而预燃室火花塞的预燃室布置在盖板和第一电极之间。
[0023] 在另一优选的设计方案中，点火系统包括火花塞，该火花塞是顶盖式电极火花塞，顶盖式电极火花塞同样构造有包括至少一个开口的预燃室。
[0024] 优选还设置成，点火系统在燃烧空间中具有至少一个
传感器，传感器检测燃料的至少一个点火参数。
[0025] 本发明还涉及优选通过使用具有前述特征和在
说明书中所述特征的点火系统进行的点火方法。
[0026] 根据本发明的点火设备用于实施下面所述的根据本发明的方法。为此，点火设备尤其包括控制装置，在控制装置中存储用于实施该方法的计算机可读的程序
算法和必要时所需的组合特征曲线。
[0027] 该方法的出发点是外源点火的内燃机，其中，燃料的外源点火通过为内燃机的至少一个燃烧空间配备的火花塞实现，其中，火花塞的第一电极与高压电源的高压输出部电连接，并且第二电极构造成接地，其中，火花塞的第一电极与点火设备耦合，点火设备具有高频输出部，在高频输出部上施加高频电压，其中，火花塞的高压电源的高压输出部和高频输出部彼此电连接，从而放大通过火花塞的高压电源构造在高压电源的高压输出部上的第一电极和第二电极之间的电压路径以借助施加在高频输出部上的高频电压产生点火火花的火花放电，对此高频电压经由高频输出部耦合到高压电源的电压路径中，由此可在点火火花上/中耦入高频等离子体，其通过额外的引入点火火花中的能量和增大的点火火花体积提高燃烧空间中的燃料的点火可靠性。
[0028] 根据本发明设置，火花塞具有包括至少一个开口的预燃室，开口使预燃室与燃烧空间在燃料方面连接，从而形成在预燃室中的可耦入高频等离子体的点火火花，从而引起预燃室中的燃料的等离子体辅助的外源点火。
[0029] 通过在点火设备的输出部处将高频电压耦入高压电源的电压路径中有利地形成具有
叠加的高频电压的高压脉冲。点火方法优选特征在于，在可预设的开始时间点在点燃点火火花之前或在点燃点火火花同时或在点燃点火火花之后产生高压等离子体并且耦入点火火花中。
[0030] 尤其优选设置成，高频等离子体最迟在点燃点火火花之前0.5ms或最迟在点燃点火火花之后0.5ms起动，因此产生且耦入高频等离子体。
[0031] 优选地，自可预设的燃烧时间的开始时间点直至2.5ms都保持高频等离子体。
[0032] 此外优选设置成，高频等离子体的燃烧时间可变并且根据在燃烧空间中感应检测到的燃料点火参数变化。
[0033] 因此根据本发明设置成，高频等离子体的燃烧时间根据感应检测到的燃料点火参数变化并且在点火参数差的情况下延长或在点火参数好的情况下缩短，其中，在点火参数好的情况下高频等离子体的燃烧时间设定为＜1ms或设定产生高频等离子体。
[0034] 在点火方法中优选设置成，在
功率放大器的高频输出部处的高频电压具有的
频率为1至100MHz并且电压在0.1kV和30kV、尤其在0.4kV和1kV之间的电压幅值内。
[0035] 在特别优选的设计方案中，在高压电源的高压输出部处的电压斜率通过由HF发电机经由功率放大器在高频输出部处产生的高频电流在耦入电压路径中时叠加高压电源，其在结构上作用于高压电源的点火电压需求，从而有利地降低在高压电源的高压输出部处的高压电源点火电压需求。
[0036] 此外设置成，通过传感器检测燃烧空间中的燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物的点火参数并且根据其中至少一个检测到的点火参数点燃火花塞并且产生高频等离子体，其中，至少一个实际运行变量、尤其高频
信号的频率和/或电压幅值和/或用于产生高频等离子体的开始时间点随着在点火火花中额外引入能量和/或通过耦入的高频等离子体增大点火火花体积而根据至少一个检测到的点火参数的大小匹配至少一个可预设的理论-实际-运行变量。
[0037] 实际运行变量基于点火参数匹配预设的理论-实际-运行变量，作为点火参数尤其设置燃料的电荷稀薄度作为变量，其由于在燃烧空间中减小燃料量或外部或内部的燃料废气再回收而处在火花塞的点火火花的点火时间点。
[0038] 通过在高压电源的高压输出部处产生的高压引起在第一电极和构造成接地的第二电极之间的火花放电以及点火火花，点火火花点燃燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物以进行燃烧。点火火花在此形成火花通道。
[0039] 本发明有利地实现了，火花通道通过根据本发明的高频功率的“耦入”接收产生的高频等离子体，其中，高频等离子体将额外的能量引入预燃室内的点火火花中以点燃燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物，其中，还有利地使得点火火花体积的增大和等离子体燃烧时间更长。
[0040] 对此，根据本发明设置，还在可预设的开始时间点产生高频等离子体时出现火花通道，从而通过高频等离子体可承担火花通道。换句话说，首先切断火花，在开始时间点之后通过高频等离子体的火花比没有高频等离子体的火花更强且更密集，借此通过高频等离子体继续输送和维持火花通道。
[0041] 由此最终引起，整个的燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物即使在不利的点火条件下也可更为可靠且更为完全地点燃。
[0042] 产生的高频等离子体和耦入火花通道中的高频等离子体有利地引起了氧分子中的氧
原子的离解。由此用于燃烧的养原子和同时产生的自由基有利地引起如下的效果，即，整个燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物更易于反应且因此更快且更可靠地点燃。由此燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物有利地可更轻易点燃，由此明显改善了燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物的可点燃性。通过火花通道形成的导向通道由额外地通过高频等离子体输送的能量更长时间地形成/保持并且稳固。通过高频等离子体的燃烧时间优选火花通道的能量保持直至2.5ms的时间。火花通道的保持时间延长直至2.5ms有利地使得燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物基于检测到的点火参数比现今输送更多能量。
[0043] 此外，通过额外输送能量有利地更长时间地保持火花通道的高温。
[0044] 因此，最终即使在以电荷稀薄运行内燃机、即少量的燃料-空气混合物的情况下也可有利地借助根据本发明的点火系统实现(几乎)完全的燃烧，从而即使在表现为空气过量的混合物少量(减少)的情况下以及在由于废气再循环造成燃料-空气-废气混合物稀薄的情况下(通过内部或外部的废气再循环AGR造成电荷稀薄)也可点燃否则难以点火的混合物。
[0045] 同时通过高频等离子体有利地增大了点火火花的体积，由此必要时通过增大火花通道与燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物的
接触面改善了难以点燃的混合物的点火。
[0046] 难以点燃的混合物尤其在发动机运行时出现在下部的部分负载区域中。
[0047] 通过本发明改进了难以燃烧的燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物的点火可靠性和完整性。
[0048] 借助根据本发明构造的点火系统，为配备有点火系统的直接喷入的内燃机实现了在所有运行范围、尤其即使在部分负载范围中也能可靠且有效点燃燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物。
[0049] 通过本发明尤其在部分负载运行中尤其能够可靠运行具有明显更大电荷稀薄度的汽油发动机。同时该运行方式降低了氮氧化物的排放。
[0050] 通过改进的燃烧降低了没有燃烧或仅不完全燃烧的碳氢化合物的释放。因此，除了降低有害物质的释放，同时降低了发动机的特殊燃料消耗。
[0051] 相比于借助在
主燃烧室(无预燃室的情况)中的高频等离子体辅助进行点燃，通过使用具有预燃室的预燃室火花塞或顶盖式电极火花塞可在预燃室之内随着高频等离子体产生在点火火花中有利地实现，在电荷稀薄的情况下明显提高点火可靠性。
[0052] 由此可进行较高的燃烧率并因此进一步降低燃料消耗。尤其在下部部分负荷的情况下可降低预燃室火花塞的已知点火问题(没有高频等离子体辅助的情况下)。
[0053] 尤其根据本发明在电荷稀薄的
电动机中使用根据本发明的点
[0054] 火系统并进行根据本发明的方法，即，设有废气再循环运行的发动机、尤其加载的、直接喷入的汽油发动机和/或根据米勒方法运行的汽油发动机。
附图说明
[0055] 下面根据附图阐述本发明。其中示出：
[0056] 图1A示出了内燃机的气缸，在气缸中布置具有预燃室的火花塞、尤其预燃室火花塞，火花塞与点火设备连接并且与作为高压电源的点火线圈、高频发电机和功率放大器一起形成根据本发明的第一实施方式的点火系统；
[0057] 图1B示出了具有点火设备的预燃室火花塞(没有内燃机的气缸)，预燃室火花塞与点火线圈、高频发电机和功率放大器一起形成根据本发明的第一实施方式的点火系统；
[0058] 图2A示出了内燃机的气缸，在气缸中布置具有预燃室的火花塞、尤其顶盖式电极火花塞，火花塞与点火设备连接并且与点火线圈、高频发电机和功率放大器一起形成根据本发明的第二实施方式的点火系统；
[0059] 图2B示出了具有点火设备的预燃室火花塞(没有内燃机的气缸)，预燃室火花塞与点火线圈、高频发电机和功率放大器一起形成根据本发明的第二实施方式的点火系统。
具体实施方式
[0060] 第一实施方式：
[0061] 图1A和图1B总体上示出了点火系统10的布置在内燃机12的燃烧室16中的预燃室火花塞18，除了预燃室火花塞18以外，作为用于火花点火的点火设备，点火系统还包括高压电源、尤其点火线圈24，高频发电机32和功率放大器40。
[0062] 预燃室火花塞18包括尤其构造成
中心电极的第一电极20和预燃室18’以及作为
接地电极的第二电极26。
[0063] 火花塞18、尤其预燃室火花塞在盖板42中具有至少一个开口46，从而预燃室火花塞18的预燃室18’布置在盖板42和第一电极20之间。经由至少一个开口46使得形成预燃室点火空间的预燃室18’与主燃烧室16(参见图1A)连接。
[0064] 借助喷嘴52(参见图1A)将燃料喷入主燃烧室16中。通过将燃料喷入被进气弯管50吸入的空气或借由废气再循环补充的空气-废气混合物中，在燃烧室16中制造燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物，其按已知方式通过上升运动的
活塞54而被压缩。在活塞54的压缩升程期间，燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物到达预燃室火花塞18的预燃室18’。
[0065] 通过点火火花34，在预燃室18’中、尤其在预燃室18’的预燃室点火空间中开始点燃燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物。
[0066] 对此，经由通过点火线缆56实现的电线路将相应的点火高电压从点火线圈24的高压输出部22引导到预燃室火花塞18的中心电极20上。
[0067] 为了点燃燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物，按规定触发点火火花34。
[0068] 在形成点火火花34之前或与此同时或紧接着已经形成的点火火花34，将通过高频发电机32产生的且经由功率放大器40引导且因此放大的高频电压从高频输出部30引导到预燃室火花塞18的中心电极20上，因此在可预设的开始时间点(在形成点火火花34之前或同时或之后)耦入点火线圈24的高压输出部22中。
[0069] 因此，通过点火火花34实现的具有导向通道被加载产生的且耦入的高频等离子体36并且相比于传统的点火火花，形成的点火火花34被施加更高能量以及优选保持更长时间并且由于耦入的高频等离子体36而体积更大。
[0070] 除了普通的点火火花以外，通过高频等离子体36有利地从相应的混合物的分子化合物中产生更多的自由基，自由基使得燃烧更稳定且更快。
[0071] 施加更大能量的点火火花34且使该点火火花34保持更长时间以及使点火火花34保持更大的体积的结果是，总体上有利地提高了点火能量，由此也可使不太好点燃的燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物更可靠地点燃。因此还借助部分加载/压缩的燃烧空气再循环使得更稀燃的燃料-空气混合物或更稀薄的燃料-空气-废气混合物更为可靠且完全地点燃。
[0072] 通过可靠的点火(点燃)使得燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物实现更为完全的燃烧，由此降低了污染物排放。此外，降低了特殊的燃料消耗并且避免了内燃机12和预燃室火花塞18的损坏。
[0073] 内燃机12的
气缸体48的在图1A中示出的气缸在进气弯管50的区域中以及在排气弯管62的区域中通常构造有控制
阀60、尤其进气阀和出气阀。
[0074] 第二实施方式：
[0075] 图2A和图2B总体上示出了点火系统10的布置在内燃机12的燃烧室16中的顶盖式电极火花塞44，除了顶盖式电极火花塞44以外，作为用于对顶盖式电极火花塞44进行火花点火的点火设备，点火系统类似于第一实施方式还包括点火线圈24，高频发电机32和功率放大器40。
[0076] 顶盖式电极火花塞44包括尤其构造成中心电极的第一电极20和预燃室44’以及作为接地电极的第二电极26。
[0077] 顶盖式电极火花塞44构造有包括至少一个开口44’-1的预燃室44’。经由至少一个开口44’-1使得形成预燃室点火空间的预燃室44’与主燃烧室16(参见图2A)连接。
[0078] 借助喷嘴52(参见图1A)将燃料喷入主燃烧室16中。通过将燃料喷入被进气弯管50吸入的空气或借由废气再循环(AGR)补充的空气-废气混合物中，在燃烧室16中制造燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物，其按已知方式通过上升运动的活塞54而被压缩。在活塞54的压缩升程期间，燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物到达顶盖式电极火花塞44的预燃室44’。
[0079] 有利地以所述效果，通过点火火花34，在预燃室44’中、尤其在预燃室44’的预燃室点火空间中开始点燃燃料-空气混合物或燃料-空气-废气混合物。
[0080] 适用于第一实施方式的针对根据本发明的方法和点火设备的构造和点火系统10的描述总体上也适用于第二实施方式，在图2A和图2B中第二实施方式类似于第一实施方式那样示出。
[0081] 具有预燃室18’的预燃室火花塞18和具有预燃室44’的顶盖式电极火花塞44的区别是，具有预燃室44’的顶盖式电极火花塞44是两件式的，即，顶盖式电极火花塞44和预燃室44’是两个单个的部件，由此虽然在结构上有稍微更大的空间需求，但是部件可单个地更换。该区别尤其对于火花塞的更换期限很有利，因为火花塞通常不是在车辆整个使用寿命中都工作。
[0082] 附图标记列表
[0083] 10 点火系统
[0084] 12 内燃机
[0085] 16 燃烧室
[0086] 18 预燃室火花塞
[0087] 18’ 预燃室火花塞的预燃室
[0088] 20 第一电极、中心电极
[0089] 22 高压输出部
[0090] 24 高压电源、点火线圈
[0091] 26 第二电极；接地电极
[0092] 30 高频输出部
[0093] 32 高频发电机
[0094] 34 点火火花
[0095] 36 高频等离子体
[0096] 40 功率放大器
[0097] 42 盖板
[0098] 44 顶盖式电极火花塞
[0099] 44’ 顶盖式电极火花塞的预燃室
[0100] 44’-1 顶盖式电极火花塞的预燃室中的开口
[0101] 46 顶盖式电极火花塞的盖板中的开口
[0102] 48 气缸体
[0103] 50 进气弯管
[0104] 52 喷嘴
[0105] 54 活塞
[0106] 56 点火线缆
[0107] 58 绝缘体
[0109] 62 排气弯管
