[发明专利]用于运行内燃机的点火装置的方法和内燃机的用于执行该方法的点火装置

说明书

背景技术

许多年以来，如今被构造成汽油发动机中的串联式点火设备根据线圈放电的简单和可靠的原理工作，也就是说，相应地被设计成变压器的点火线圈在初级侧根据其电感从车载电源电压部分充电直至其饱和范围。在点火时刻，借助于电子电路、例如通过点火IGBT（绝缘栅双极晶体管）中断充电。在次级侧由此形成例如5kV至35kV的电压，所述电压在内燃机的燃烧室中在点火塞的火花间隙中导致飞弧。接着，存储在线圈中的能量在点火等离子体中释放。

在推进性的发动机开发过程中，必须实现消耗节省和排放，在近几年来，消耗节省和排放已经一致地导致点火系统的上升的额外负担并且在未来还将进一步导致该额外负担。对此的示例例如是层燃烧，其中具有高流速的液体燃料组分阻碍了火花放电并且迫使多次重新点火。用于改善发动机效率的升高的燃烧室压力也提高了点火间隙中的抗击穿性并且迫使提高击穿电压，所述击穿电压也对点火塞磨损产生影响。后者在未来高度充电的发动机世代中导致次级侧电压升高到远高于35kV。在点火塞处升高的击穿电压以及变得密集的流动状态在趋势上缩短了火花的燃烧时长，因为存储在线圈中的能量的越来越多的份额必须被提供用于生成和保持火花。在开发新型燃烧方法中的一种非常有前景的趋势是使用多重火花，其中线圈能量以短时间间隔有效地传输到混合物，这提高了点燃安全性。

在当前使用的点火装置中，被构造为具有磁储能能力的变压器的点火线圈首先在初级侧从12V车载电源电压被充电到大致8A的电流。在此，安装在次级侧的截止二极管防止充电阶段期间的不期望的火花形成。在点火时刻，借助于电子开关－例如IGBT－来中断电流。

现在，点火线圈的磁场崩溃在初级侧和次级侧感应生成电压升高。在此，以IGBT的所使用的半导体技术为条件，初级电压被限制到通常400V。但是在次级侧，电压达到显著更高的值，该值首先由变压器的转换比来确定。因此在1：80的常用转换比的情况下，得出32kV的最大次级电压。但是该电压在实际中不能被达到，因为之前已经在点火塞的电极之间进行了随后具有电弧的电压击穿，然后次级电压突然下降到燃弧电压的值。击穿电压的典型值处于5kV至35kV，并且强烈依赖于电极间距、燃烧室压力和气体温度。电弧的燃烧电压处于几kV的范围中。

为了达到击穿电压，必须首先对次级侧电容进行充电－由次级绕组的构造和点火塞造成。在此，对于给定的击穿电压Uz有下式成立：

｛1｝                                                

Ec是为了达到击穿电压所需的能量，Csec是起次级作用的电容。

该能量在常规点火系统中由点火变压器的之前已经相应充电的主电感Lh来提供。  

｛2｝

El是所存储的能量

Lh是变压器的主电感

I是充电电流。

在常规的被构造成点火变压器的点火线圈中，所存储的最大能量为50mJ至130mJ。在击穿以后可用的剩余能量在接下来的电弧阶段被转换成电弧，其中次级电流不断降低。通常为0.5ms至1.5ms的电弧燃烧时长基本上由该剩余能量来确定。

在困难的点燃情况下对更长燃烧时长－以及由此对提高的点火能量－的要求可以通过提高最大储存的能量来满足。但是这造成磁芯的扩大，这导致点火线圈的不期望的扩大。尤其是在直接构造在点火塞管道中的所谓的“线束线圈（Pencil Coils）”的情况下，扩大是不可能的。简单提高点火能量的另一缺陷是与之相伴的点火塞的过量的磨损，因此不再能够实现所期望的寿命。如今的点火系统已经部分地达到了这些极限，使得简单提高点火能量不是技术上合理的方案。

但是已经显示，利用交变电流运行点火塞实现了两到三倍更长的寿命。相应地开发出用于机动车辆的交变电压点火系统。在此，点火线圈被构造成仅具有小储能能力的纯粹变压器。在例如为1：100的技术上合理的转换比的情况下，为了实现例如为20kV的击穿电压需要200V的初级电压，这又需要复杂的和昂贵的电压转换器。大的转换比－从12V车载电源电压到200V点火电源－也降低了电压转换器的效率，这又减小了点火系统的总效率。

尽管使用这样的交变电压点火可以解决燃烧技术的问题，但是出于成本原因，仅适用于高端车辆。因此，迄今为止，必须接受与提高的点火能量相伴的点火塞磨损，或者在串联式发动机处不能实现对点燃关键的运行状态。

发明内容

本发明所基于的任务是在同时显著提高点火塞的寿命的情况下显著改善点火行为。还应当能够尽可能无需附加成本地利用常规点火系统的组件。