通过电晕放电点燃内燃机中的燃料空气混合物的点火装置

摘要

通过电晕放电点燃内燃机燃烧室(23)中的燃料/空气混合物的点火装置，包括点火电极(9)，包围点火电极(9)的外导体(1,3)，所述外导体具有前端和后端，以及包括布置在点火电极(9)和外导体(1,3)之间的电绝缘体(8)，点火电极(9)的至少一个尖端(10)从绝缘体突出。点火电极(9)的至少一个尖端(10)被布置在由绝缘体(8)与帽(4)所关联屏蔽的空间(18)内，所述帽具有面对绝缘体(8)的内侧面以及朝向远离绝缘体(8)的外侧面以及一个或更多孔(7)，所屏蔽的空间(18)通过这些孔被连接到布置在帽(4)的外侧上的空间。

说明书

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种电晕点火装置的设计方案 和结构特征。

背景技术

本发明立足于如从DE 10 2010 045 170 B3已知的，具有权利要求1的 前序中规定的特征的点火装置。这一类型的点火装置被称作为电晕点火装 置或HF点火装置。

DE 10 2010 045 170 B3公开了可如何将内燃机燃烧室中的燃料/空气 混合物通过内燃室产生的电晕放电点燃。为此，点火电极以电绝缘方式穿 过处于地电位的内燃室的壁并突入到该燃烧室，优选地与燃烧室中提供的 往复活塞相对。点火电极连同接地电势的燃烧室的壁一起构成电容器作为 反电极。围绕在该点火电极周围的绝缘体和燃烧室及其容纳物质起电介质 的作用。根据活塞所在的位置的冲程，空气或燃料/空气混合物或废气被置 于燃烧室中。

电容器是电谐振电路的一部分，其由例如借助于具有中心抽头的变压 器而产生的高频电压激励。变压器与开关设备配合，开关设备交替地将预 定的直流(DC)电压施加到由中心抽头分隔开的变压器的两个初级线圈。 变压器的次级线圈向串联谐振电路供电，该电路中设置由点火电极和燃烧 室壁构成的电容。控制激励谐振电路的交流电(AC)电压的频率以使其尽 可能接近谐振电路的谐振频率。这导致点火电极和其中布置了点火电极的 燃烧室的壁之间的过电压。谐振频率典型地在500kHz和5MHz之间，点火 电极上的交流电(AC)电压达到例如10kV到100kV的值。可由此在燃烧室 中产生电晕放电。与火花放电相反，在电晕放电的情况下从点火开始就产 生大量电荷载子云。电晕点火的一个优点是燃料/空气混合物的点火开始于 体积，这与传统的火花塞相反，其中由点火火花在单个点产生燃料/空气混 合物的点火。因此据说电晕点火具有空间点火特性。

电晕点火装置的点火尖端是敏感的。带有许多个点火尖端的点火装置 尤其如此。为了保护点火尖端免收损坏，DE 10 2010 05 170 B3提出了将 点火电极包括其尖端嵌入在绝缘体中。这可以例如通过将点火电极的未分 支部分插入到陶瓷绝缘体块中然后在点火电极的分支部分喷射例如基于氧 化铝的绝缘材料，然后进行熔结而实现。则尖锐电极分支的两端免受绝缘 材料的磨损。

电晕点火装置的这种结构提供对点火电极尖端的有效保护，但是与巨 额费用联系在一起。

发明内容

本发明的一个目的是找出与较低费用相联系的用于保护点火电极尖端 的方案。

这一目的通过具有在权利要求1中具体规定的特征的点火装置实现。 本发明的有利改进在从属权利要求中公开。

本发明提供一种通过电晕放电点燃内燃机的燃烧室中的燃料/空气混 合物的点火装置，具有点火电极、包围该点火电极的外导体，所述外导体 具有前端和后端，以及布置在点火电极和外导体之间的电绝缘体。该点火 电极具有一个或更多从绝缘体中突出出来的尖端。点火电极的一个尖端或 点火电极的多个尖端被保护，由于它们被设置在由与点火装置的绝缘体相 关联的帽所屏蔽的空间中，所述帽具有面向该绝缘体的内侧面和朝向远离 绝缘体的外侧面以及一个或更多孔，这些孔是将所屏蔽的空间连接到置于 该帽的外侧面的空间的方式。当点火装置如所预期地被安装在内燃机时， 帽的外侧上的空间就是该内燃机的燃烧室。

如果它具有单个尖端，点火电极可经由这个尖端突出到由帽屏蔽的空 间内。如果点火电极分支，以使其具有多个尖锐分支，这些可全部被设置 在由帽所屏蔽的空间中的绝缘体的外面。

所述帽由金属材料构成，特别是由与外导体相同的材料构成。帽中提 供多少孔，点火电极就可以有多少个尖端，点火电极被分支为多个突出到 所述屏蔽空间中的尖端。点火电极的尖端指向不同方向，每个尖端可以被 布置成与帽中的孔相对。所述帽可以被附加到外导体前端(拧入体)或在 该外导体前端上形成。所述帽也可以被附加到内燃机的燃烧室壁上或在内 燃机的燃烧室壁上形成，尤其是在气缸盖上。帽可以由陶瓷构成并通过接 合连接到点火装置的外导体或内燃机的气缸盖。

特别的，在金属帽的内侧面，至少在一个与点火电极的尖端或尖端之 一相对设置的区域中，携带电绝缘层。电绝缘层也可以突出进入到帽中的 多个孔内，并覆盖孔里面的外围表面。

所述绝缘层的材料可以从以下选择：陶瓷材料、釉彩、搪瓷、金属氧 化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物。

绝缘体具有侧面，其位于外导体中的部分至少具有导电层，所述层桥 接绝缘体和外导体之间可能的空隙。

点火电压与由帽屏蔽的空间的大小和形状彼此相匹配并与发动机的燃 烧室的压力相匹配，以使形成的电晕放电作为例外最多仅能够在点火电极 的尖端与帽之间转换成火花放电，而且优选不在任何情况下转换成火花放 电。

使用本发明所述的点火装置的内燃机，其中压缩冲程中的燃料/空气混 合物压力至少达到50巴(bar)。

本发明具有一系列优点：

尽管点火电极经由一个或更多尖端从绝缘体突出出来，其仍旧被与绝 缘体关联的帽有效地保护。

在一个绝缘体中生产帽比在绝缘体中将电极嵌入到其尖端更容易。

由于帽具有一个或更多孔，其并不妨碍燃料/空气混合物的点火。相比 之下，已经发现根据本发明提供的帽甚至改进并能够加速点火过程。在由 帽屏蔽的相对较小空间中形成的电晕放电首先将所述空间中所提供的燃料 /空气混合物点燃，这是由于充满整个所屏蔽空间的电晕的扩展非常迅速而 发生。由帽屏蔽的空间中的所关联的极快压力增加意味着热火焰喷射从屏 蔽空间经由帽中的孔喷射进入发动机的实际燃烧室，在燃烧室中它们致使 燃料/空气混合物点火，点火非常快速地在整个燃烧室中扩张。这导致以下 进一步的优点：

--内燃机燃烧室中的燃烧功效增加，

--混合物可比先前更加精简地进行点火，

--便利了在更大的燃烧室内的混合物点火，

--减少内燃机的有害排放，

--在内燃机的循环周期内，在点火和燃烧过程中发生更小波动，这因 此便利了发动机控制并允许发送机被操作在接近于该发动机的爆燃界限。 由此减少了燃料消耗。

使用电晕点火，随着燃料/空气混合物压力的升高，电晕的大小以及因 此其空间点火特性减少，据此随着压力增加且随着燃烧室容量大小的增加， 电晕点火的点火质量降低。这通过提供根据本发明的帽被克服，这是因为 其致使初始点火总是占用由帽所屏蔽的空间，且由于热火焰喷射而然后在 整个燃烧室中快速扩张，热火焰喷射经由帽上的孔从所屏蔽的空间射入帽 外面的燃烧室内。这样，电晕放电所引起的点火的空间点火特性通过帽的 提供而被维护，本发明将电晕点火使用的可能性拓宽到具有更大燃烧室的 内燃机以及产生更高压力的内燃机。

点火电极尖端的磨损比没有帽的点火装置小，这是因为帽中点火电极 尖端的温度负荷被保持低于帽外。

根据本发明的点火装置可因此被特别用于处于压缩冲程中的燃料/空 气混合物的压力至少达到50巴(bar)的内燃机。这特别涉及大型固定式 燃气发动机，其中在点火时刻普遍达到100巴(bar)的压力。先前，大型 固定式燃气发动机使用火花塞点火。为了操作带有更精简混合物的不能被 火花塞很好地点燃的所述发动机，已知在预燃室中提供火花塞，燃料气体 额外提供到该预燃室，以使在预燃室(被称为气驱预燃室)内存在比主燃 烧室具有更高比例的燃料气体的燃料/空气混合物。根据本发明的电晕点火 装置使得不必使用被燃料气体填充的预燃室，而将大型固定式燃气发动机 的点火工作范围扩展到更大气缸容量和/或更精简的混合物。

根据本发明的点火装置中的包围绝缘体的外导体通常是点火装置的外 壳，其可在其前端上具有外螺纹，该点火装置可通过该外螺纹被拧进内燃 机气缸盖中的匹配内螺纹。外壳/外导体通常由钢构成。帽优选由与外导体 /外壳同样的材料构成。帽可被焊接到外壳/外导体的前端。

点火电极优选地分支到多个尖端内，尖端突出进入到所屏蔽的空间中。 多个尖端的提供具有这样的优点，电荷载子云，也被称为流光，可从每个 尖端开始。尖端优选指向不同方向，特别是以这样的方式：没有任两个尖 端指向同一方向。可布置这些尖端以使电荷载子云/流光被一起考虑而占用 最大容量。已证实提供4到7特别是5到7的环的电极尖端且它们被布置 成与它们的邻居处于相同距离是值得做的。

帽上的孔的数量可与点火电极尖端的数量相同。电极的每个尖端可被 布置成与帽上的孔相对。这样，在来自电极尖端的流光的区域中燃料/空气 混合物点火过程中产生的火焰喷射很容易离开由帽所屏蔽的空间并有效点 燃在燃烧室内呈现的燃料/空气混合物。然而，原则上，不需要提供如点火 电极具有的尖端那样多的帽上的孔，尖端也并不需要每个必须布置在帽上 的孔的对面。

绝缘体具有侧表面，其在位于外导体中的绝缘体部分中可具有电气导 电涂层，所述涂层至少部分地将绝缘体和外导体之间呈现的任何空隙桥接。 特别地，可在由点火装置外导体/外壳上的外螺纹所包围的部分中提供电气 导电涂层。通过这种螺纹的方式，点火装置可被拧入内燃机的气缸盖。导 电涂层至少在点上提供绝缘体和外壳之间的电气接触，以使该绝缘体与外 导体/外壳处于同样电势。这促进电晕的良好形成并因此促进良好的点火条 件。特别地，基于一个或更多贵重金属的层适用于作为电气导电层，例如 基于贵重金属的合金或基于一个或更多贵重金属的复合材料。由两种贵金 属组成的层可例如通过将粘贴剂应用到绝缘体而构成，所述粘贴剂包含两 种贵重金属粉末的混合物，例如银粉和钯粉混合物。这一粘结剂可以10微 米(μm)到20微米(μm)的厚度如15微米(μm)被用于该绝缘体，并然 后可被灌入。

点火电压水平、帽所屏蔽的空间容量以及帽所屏蔽的空间的形状可彼 此匹配并与点火装置想要的发动机内燃室中的压缩相匹配，以使电晕放电 成形充满最大容量。可选择所屏蔽的空间的大小和形状以使点火电极的尖 端和帽之间的电晕放电到火花放电的转换被阻止以及如果真发生的话仅很 少出现。可匹配所述参数以使在任何环境中在点火电极尖端和帽之间都不 发生火花放电。火花放电的发生可通过监控点火电极和帽所形成的电容器 所在的串联谐振电路的阻抗而识别出。火花放电以阻抗骤然降低表现其自 身。如果火花放电以这种方式被识别，连接到电晕点火装置的控制装置可 降低用于随后点火过程的电压。

当帽并未附加到点火装置的外导体，而是附加到包围点火装置的安装 位置的内燃机的气缸盖的壁上时，也实现了由屏蔽电极尖端的帽引发的点 火过程的有利影响。这种情况下，当点火装置被螺旋进入气缸盖中，点火 电极尖端仅仅达到由帽屏蔽的空间内，在这一实施例中所述空间也降低了 燃烧过程所致的点火电极尖端的压力和负荷。

金属帽，其内侧面上可至少在布置在与点火电极尖端相对的一个区域 或多个区域中携带电绝缘层。本发明这个细化的改进减少了一个或更多点 火电极尖端和金属帽之间的不想要的火花放电的危险。这导致进一步的优 点，即可将该帽做得更小。在某些情况下，从点火电极云的尖端开始的电 荷云(流光)随后确实达到帽的内侧面，但并不接触那里的电传导表面， 而是电绝缘表面，这阻止电晕放电转换成火花放电。由于其内侧面带有电 绝缘材料的涂层而将帽做得更小的可能性具有进一步的优点，即帽内提供 的燃料/空气混合物可被更快速点燃，该帽还可被用在其中仅仅很小的空间 可用于这种帽的那些发动机中。在其内侧面上提供以绝缘层的帽的进一步 的优点在于这样的事实：具有给定尺寸的帽，电晕放电可被控制以使该流 光大于不以绝缘方式被涂覆的金属帽，这是因为该流光不再必须与帽保持 这样大的距离，如同将需要具有纯金属帽。

电绝缘层可扩展到帽中的一个孔或多个孔，并覆盖在帽上划定孔的界 限的外围表面。电绝缘层可部分地或全部覆盖孔内侧的外围表面。由于本 发明的这一改进，进一步降低了电晕放电转换成火花放电的危险。

许多种材料适用于帽上的电绝缘层。当然，考虑到帽内普遍存在的条 件，该材料必须足够耐热并耐燃尽。陶瓷材料被认为是主要的，例如氧化 铝陶瓷。此外，然而也可能是釉料、搪瓷、金属氧化物、金属氮化物、金 属碳化物、金属硼化物。

替代在内表面涂覆电绝缘材料的金属帽，还可使用全部由电绝缘陶瓷 材料构成的帽，例如由氧化铝构成。这种帽不能被焊接到点火装置的外导 体或内燃机的气缸盖上，而相反可通过接合方式被连接到外导体或内燃机 的气缸盖上，例如通过适型配合或压入配合夹紧。

本发明的三个解释性实施例在随后的附图中示出并在此后进行说明。

附图说明

图1以斜视图示出根据本发明的点火装置；

图2示出图1的点火装置的简化纵切面；

图3示出图1所示的点火装置的前部分的更详细的纵切面；

图4以更放大的细节示出安装在内燃机气缸盖中的图3的点火装置的 前面部分；

图5示出根据本发明的点火装置的第二实施例，其安装在内燃机的气 缸盖上，汽缸盖上具有适合于该气缸盖的帽；以及

图6示出根据本发明的具有帽的点火装置的第三实施例，该帽的内侧 面上涂覆有电绝缘材料。

具体实施方式

参考附图标记

1 管形外壳

2 高频连接

3 拧入体

4 帽

5 帽的圆柱形部分

6 帽的预先弯曲的前部分

7 孔

8 绝缘体

9 点火电极

10 电极尖端

11 轴

12 导电玻璃元件

13 第二电极

14 接触衬套

15 屏蔽封盖

16 线圈

17 环状间隙

18 屏蔽空间

19 上的导电层

20 电绝缘层

21 气缸盖

22 火焰喷射

23 燃烧室

24 活塞

图1示出点火装置具有由金属材料制成的管形外壳1，由于所述金属 材料的导电性这使该外壳同时作为点火装置的外导体。在外壳1的后端， 提供高频连接器2，可经由该连接器向该点火装置由高频电气电压供电。 在管形外壳1的前端提供金属材料构成的拧入体3，其被固定在管形外壳1 上并也是外导体的一部分。图1中拧入体3具有外螺纹(未示出)，所述 体能够通过该外螺纹拧进内燃机气缸盖的螺纹孔。在拧入体3的前端固定 帽4，帽包括后圆柱部分5和向前弯曲的例如球形圆顶的前部分6，在该前 部分中提供孔7。图1中不能看到的点火电极尖端位于帽4下方。

在图2的点火装置的简化纵切面中，示出了管形外壳1和拧入体3所 提供的外导体包围绝缘体8，其中嵌入点火电极9。点火电极9分支到尖端 中。仅仅某些电极尖端10在图2的简化切面中示出。图2并未切削绝缘体 8，所以图2中点火电极9的嵌入部分并不是可见的。每个电极尖端10被 定向以使其指向帽4中所提供的孔中的一个的方向。

例如由烧结的氧化铝构成的绝缘体8从拧入体3稍微突出进入到空间 18，其将帽4从表面上屏蔽。

绝缘体8被提供以薄的导电层19，其位于摆置在拧入体3中的绝缘体 8的部分以及位于从拧入体3突出的绝缘体的部分的一部分，以保证绝缘 体8的外侧面具有与拧入体3同样的电势，该拧入体一旦被拧入气缸盖处 于地电势。传导层19并不扩展到点火电极9附近，而是与其具有足够的绝 缘距离。

图3示出点火电极10具有轴11从后面延伸进入绝缘体8，且轴通过 导电玻璃元件12连接到第二电极13，该第二电极具有插入到接触衬套14 的后端，该接触衬套安置在电屏蔽封盖15内将第二电极13连接到线圈16 的输出端，该线圈被安置在管形外壳1内且是产生电晕放电的串联谐振电 路的一部分。

线圈16以电气绝缘的方式被安置在管形外壳1中。线圈16和管形外 壳1之间所需要的绝缘可由燃气、电绝缘浇注胶、电绝缘油或类似物产生， 它们被注入高频线圈16和管形外壳1之间的环状间隙17中。管形外壳1 同时充当对来自外壳1的高频辐射泄漏的屏蔽。

图4示出拧入气缸盖21的点火装置的前部分。在这一解释中，可以看 出点火电极9分支到六个电极尖端10中，它们的一个被布置在中心并在轴 11的垂直方向上蔓延，五个电极尖端10彼此等间距被布置在中心电极尖 端周围。每个电极尖端10与帽4中的孔7相对而布置，其中示出了四个孔 7，两个孔位于帽4中被切面所略去的一部分中。示意性地示出了三个火焰 喷射22，在由帽4所屏蔽的空间18中存在的燃料/空气混合物点火后它们 经过孔7射入到燃烧室23中，所述燃烧室位于一侧的气缸盖21和帽4与 另一侧上的活塞24内燃机之间。

图5所示的实施例与图4所示的实施例区别在于，屏蔽电极尖端10的 帽4不固定在点火装置的拧入体3上，而是固定到气缸盖21上。当点火装 置被拧进气缸盖21时，电极尖端10都朝向孔7的方向，这可例如通过在 点火装置的底端提供标记而保证。

图6所示的实施例与图4所示的实施例区别在于，包括划定孔7的外 围壁的帽5的预先弯曲的前部分6被由电绝缘材料制作的层20覆盖，特别 是由陶瓷材料制作。这种层可例如通过火焰喷射陶瓷粉末浆或浸入陶瓷粉 末浆中然后烧结而产生。