[发明专利]点火装置和点火系统

说明书

本发明公开了一种用于产生电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物的方法。提供具有突出到燃烧区内的放电头的点火器。在燃烧过程的第一阶段期间，RF变压器的第一初级绕组先于所述燃烧过程的发生驱动于第一预定电压电平和基于所述燃烧区中的第一阻抗的第一谐振频率，用以在所述点火器的放电头生成电晕放电。在继所述第一阶段之后的第二阶段期间，所述RF变压器的第二初级绕组在继所述燃烧过程的发生之后的时刻驱动于第二预定电压电平和基于所述燃烧区中的第二阻抗的第二谐振频率。

技术领域

本发明涉及用于产生和维持电晕放电以点燃例如内燃机或燃气涡轮机中的空气-燃料混合物的系统和方法。

背景技术

通常使用传统的火花点火系统来引发燃烧在例如内燃机(“ICE”)或燃气涡轮机中的空气-燃料混合物。首先在空气-燃料混合物中产生电弧放电，将空气-燃料混合物的周围区域加热至极其高的温度，导致电子从它们的原子核逃脱，从而产生相对小范围的高度电离的气体。随后燃烧反应(S)开始于电离气体的这一小范围内。在适当的条件下，放热燃烧反应加热电离气体的小范围周边区域的空气-燃料混合物，以引起进一步的电离和燃烧。这一连锁反应过程首先在ICE或燃气涡轮机的燃烧室中引起火焰中心，然后由火焰头继续移动穿过燃烧室，直至空气-燃料混合物燃烧。

在传统的火花点火系统中，当高电压直流电势施加到燃烧室中隔开的两个电极时，产生电弧放电。电极之间形成有相对短的间隙，从而高电压电势使电极之间逐渐出现强电场。该强电场促使电极之间的气体出现介电击穿。当自然存在于空气-燃料气体中的种子电子(seed electrons)被强电场加速到高能级时，介电击穿开始。更具体地，种子电子被加速到这样的高能级，使得当其与空气-燃料气体中的另一电子碰撞时，其敲击该另一电子脱离原子核，结果得到两个较低能级的自由电子和离子。这两个较低能级的自由电子随后由电场依次加速到高能级，并且它们也和空气-燃料气体中的其它自由电子相碰撞。这种连锁反应导致电子雪崩，从而使得电极之间的大部分空气-燃料气体被电离成携带组成粒子(即离子和电子)的电荷。由于如此大部分的空气-燃料气体被电离，气体不再具有介电性能，而是作为导体，因此被称为等离子体。高电流通过电离的空气-燃料气体的细且亮得耀眼的柱状物(即电弧)从一个电极传递到另一个电极，直至点火系统中逐渐获得的电荷被耗散。因为气体经历了完整的介电击穿，所以当高电流流过时，电极之间存在低电压电势。这种高电流使得电弧周边的空气-燃料气体被急剧加热—高达30000°F。这一热量使空气-燃料混合物的电离维持足够长时间以引发燃烧。

遗憾的是，传统的火花点火系统有许多缺点和局限性。在ICE中，火花点火系统的电极通常是伸入燃烧室的火花塞的一部分。点火期间由电弧产生的极热将随着时间推移而损坏电极。而且，由于传统的火花点火系统依赖于产生热量来电离空气-燃料混合物，所以，其最大能量输出受限于电极能够维持的热量。此外，最近的趋势是通过增大空气/燃料比，或者通过增加排气再循环(EGR)的程度，来稀释空气-燃料燃烧混合物，从而系统能够工作于更高的压缩比和更大的负荷，并实现更清洁和更高效的燃烧。可惜，所增加的稀释程度使传统的火花点火系统出现了与点火和火焰传播相关的问题。因此，需要一个更坚稳的点火系统。

另一种方法是通过电晕放电来点燃ICE或气体涡轮机的燃烧室中的空气-燃料混合物。在这种系统中，具有由绝缘体支撑的中心电极的点火器被用作反电极，其和包裹绝缘体的外部导体、或者和处于接地电势的燃烧室壁一起形成电容器。包裹中心电极的绝缘体连同燃烧室及其内容物一起充当电介质。如此形成的电容器是电气振荡电路的一个组件，该电气振荡电路利用由例如升压变压器产生的高频电压激发。变压器和切换装置相互作用，该切换装置向变压器的初级绕组施加可指定的直流电压，变压器在次级绕组中产生正弦交流电流波形。变压器的次级绕组供电给具有由中心电极和燃烧室各壁形成的电容器的串联振荡电路。激励振荡电路的交流电压的频率的控制为，使该频率尽可能地接近振荡电路的谐振频率。其结果是点火电极和点火电极设置于其中的燃烧室的各壁之间的电压增高。在这些情况下，燃烧室中可以产生电晕放电。