[发明专利]用于在高压力下操作移动式火花点火器的方法和装置

说明书

相关申请

本申请基于35 USC 119(e)，要求2005年4月19日提交的、具有相同发明名称和受让人的序列号为60/672892的在前美国临时专利申请的权益，其内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及等离子体产生、点火和内燃(IC)机的领域。具体地，本发明涉及但不限于在此使用的点火方法和点火器；并且特别涉及用于各种应用的点火方法和设备，所述各种应用包括但不限于高压力发动机。更具体地，一些方面涉及放电电流向移动式火花点火器的传送，以便使它们的性能和寿命最大化，特别是在以高压力操作的内燃机中。

背景技术

因为各种原因，现今对增加内燃机和类似的燃烧环境中的压力的关注增加，随之而来的是需要能够在这些环境中工作的点火源。例如，内燃机的汽车公司和制造厂商希望能够提供具有这种IC发动机的车辆，所述IC发动机在比传统内燃机高得多的压力下工作。然而，到目前为止，还没有用于这种发动机的有效且实用的点火系统。格外关注的是点火器(火花塞)的寿命和点火器点火的可靠性。

移动式火花点火器(TSI)是这样的一种装置，该装置已作为有前景的用于内燃机的火花塞替代而被讨论，但是先前并不用于高压力发动机。例如，TSI已经在若干在先专利中示出，所述在先专利例如包括美国专利No.6,321,733和No.6,474,321，这两个专利都被转让给与本专利相同的受让人，它们对于TSI装置和点火系统说明的全部内容通过引用结合于此。

简要地说，基于TSI的点火系统提供大的等离子体核，该等离子体核通过洛伦兹(Lorentz)力(在较少程度上与热力一起)沿着点火器的电极传播并推进到燃烧室中。作用于点火核(即等离子体)的洛伦兹力经由等离子体中的放电电流与该同一电流在点火器的电极中造成的磁场相互作用而产生。洛伦兹力的大小与该电流的平方成比例。在以正常压力(即大约120psi的最大值)工作的发动机中，移动式火花点火器提供了优于传统火花塞的显著优点，这归因于它们产生的大的等离子体体积，对于可比较的放电能量，典型地为传统火花塞中的100至200倍左右。可实现增加效率并减少排放。

然而，对于较高的发动机工作压力而言，与以常规压力工作的发动机中相比，在点火器的电极之间启动放电所需的击穿电压显著较高。这对于TSI产生了问题，如对于任何火花塞那样。TSI中的电极，如传统火花塞中的那样，通过被称为隔离器的部件以隔开的关系保持，所述隔离器由绝缘材料如陶瓷形成。较高的击穿电压对于隔离器和电极两者都造成问题。

沿着在电极之间布设的隔离器的表面，与进一步沿着TSI中的或者在电极之间具有类似间隙的任何传统火花塞中的电极相比，击穿电压较低。实际上，击穿电压方面的这种差异直接随着燃烧室中的压力增加而变化。因此，虽然沿着隔离器表面的击穿电压随着压力而增加，但是该增加小于远离隔离器表面的电极暴露部分之间的击穿电压的增加。当击穿发生时(其结果是，通过等离子体的电阻迅速下降)，电流迅速上升，并且非常大的电流沿着隔离器表面在形成的等离子体中传导，因而产生作用于等离子体的洛伦兹力。然而，这种迅速上升的电流不仅产生很高温度的等离子体，而且在隔离器表面的附近产生强大的冲击波(shock wave)。电流越大，等离子体膨胀和引起的冲击波越快。这些综合效应会引起隔离器的变形和/或破损。

另外，大电流对隔离器表面附近的电极产生了非常快的侵蚀，在那里它们受到大电流、热量加热和由此导致的热离子发射的侵袭。

使用基于德克萨斯大学“railplug”设计的点火器已出现类似的问题，该设计在沿着高纵横比的放电间隙行进的等离子体中产生洛伦兹力(与具有低纵横比的放电间隙的TSI形成对照)。