一种高频高能量火花放电点火装置

摘要

本发明公开了一种高频高能量火花放电点火装置，属于点燃式发动机技术领域。本发明包括低压车载电源、控制模块、高频放电模块、高能量补充模块和火花塞；低压车载电源提供整个系统的供电；控制模块包括高频放电控制模块和高能量补充模块的控制信号的逻辑调配，实现精确控制放电频率和放电时长；高频放电模块包括第一电容、第二电容和高压线圈，用于提供高频击穿电压；高压线圈第一输入端连接第一电容放电点火输出端，高压线圈第一输出端连接地线，高压线圈第二输入端连接高压线圈出极端，高压线圈第二输出端连接火花塞和高能量补充模块。本发明应用于点燃式发动机点火，提高了点火装置的能量，精确控制放电频率和放电时长。

权利要求

1.一种高频高能量火花放电点火装置，其特征在于，包括低压车载电源、控制模块、高频放电模块、高能量补充模块和火花塞；其中，所述低压车载电源提供整个系统的供电；

所述控制模块包括高频放电控制模块和高能量补充模块的控制信号的逻辑调配，实现精确控制放电频率和放电时长，所述高频放电模块包括第一电容、第二电容和高压线圈，用于提供高频击穿电压；

所述高压线圈第一输入端连接所述第一电容放电点火输出端，所述高压线圈第一输出端连接地线，所述高压线圈第二输入端连接所述高压线圈出极端，所述高压线圈第二输出端连接所述火花塞和所述高能量补充模块；

所述高能量补充模块包括高频升压模块、电流防反模块、第一MOS管芯片、第二MOS管芯片和第三MOS管芯片，所述高能量补充模块通过所述电流防反模块、所述第一MOS管芯片、所述第二MOS管芯片和所述第三MOS管芯片对放电能量进行精确控制，其控制过程具体为：所述第一MOS管芯片闭合，所述第二MOS管芯片断开，使得所述高频升压模块为所述第一电容充电， 同时，所述第三MOS管芯片闭合为所述第二电容充电；

然后断开所述第一MOS管芯片，闭合所述第二MOS管芯片，所述第一电容向所述高压线圈初级侧放电，在所述高压线圈次极端产生高压，击穿混合气；

所述高能量补充模块提供10‑20kHz的高频控制响应，使得所述高频放电模块可放电

10‑20次每毫秒。

2.如权利要求1所述的高频高能量火花放电点火装置，其特征在于，所述高能量补充模块提供1000V‑3000V直流电压，直接接通在所述火花塞两端。

3.如权利要求1所述的高频高能量火花放电点火装置，其特征在于，所述电流防反模块包括第一高压二极管和第二高压二极管，所述第一高压二极管的负极连接所述高压线圈第二输出端，所述第二高压二极管的负极连接所述高能量补充模块输出端，第一高压二极管和第二高压二极管的正极共同连接到所述火花塞中心电极处。

4.如权利要求1所述的高频高能量火花放电点火装置，其特征在于，所述高压线圈由低内阻、高升压比、大电感量的线圈组成。

5.如权利要求1所述的高频高能量火花放电点火装置，其特征在于，所述火花塞内阻为

5k欧姆。

6.如权利要求1所述的高频高能量火花放电点火装置，其特征在于，所述低压车载电源为12V蓄电池。

7.如权利要求1所述的高频高能量火花放电点火装置，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容的容量为500NF‑1UF，耐压分别大于500V和3000V。

说明书

一种高频高能量火花放电点火装置

技术领域

[0001] 本发明涉及点燃式发动机技术领域，尤其涉及一种高频高能量火花放电点火装置。

背景技术

[0002] 为进一步提高点燃式(汽油)发动机排放性能和经济性能，稀薄燃烧和废气再循环燃烧是未来发动机燃烧系统关键的技术方向。伴随燃烧极限的扩大，发动机出现部分燃烧
甚至熄火现象，导致发动机燃烧稳定性下降严重。其次，稀薄燃烧和废气再循环燃烧往往通
过增强燃烧室内部气流运动速度来加速火焰传播，因此给点火系统的效果带来比较严重的
影响。

[0003] 点火方式种类繁多，目前比较流行的点火方式包括晶体管放电点火(Transistor Controlled ignition,TCI)，电容放电点火(Capacitor discharge igntion),微波点火
(Microwave ignition)，激光点火(Laser ignition)等。但是就工程实际应用来讲，只有晶
体管放电点火和电容放电点火可以稳定地提供点火源。

[0004] 晶体管放电点火可以通过增长充电时间，优化线圈参数，提高充电电压等方法增加点火能量。电容放电点火则可以通过增加放电频率，提高充电电压等方法增加点火能量。
但是，这两种点火系统依然存在各自的缺点和限制。对于晶体管放电点火，其充电时间长，
很难实现真正意义的能量提高，同时无法实现单一循环内的多次放电点火。对于电容放电
点火系统，其充电时间短，也无法提供较高的放电能量，不利于稀薄燃烧和废气再循环燃
烧。

[0005] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种高频高能火花放电点火装置，以解决上面的问题。

发明内容

[0006] 鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是点火装置的能量不足，放电时间可控性差，单次发动机循环的放电频次低的问题。解决这些问题是本发明的目的。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种高频高能火花放电点火装置，包括低压车载电源、控制模块、高频放电模块、高能量补充模块和火花塞；其中，所述低压车载电源提供整
个系统的供电；所述控制模块包括高频放电控制模块和高能量补充模块的控制信号的逻辑
调配，实现精确控制放电频率和放电时长；所述高频放电模块包括第一电容、第二电容和高
压线圈，用于提供高频击穿电压；所述高压线圈第一输入端连接所述第一电容放电点火输
出端，所述高压线圈第一输出端连接地线，所述高压线圈第二输入端连接所述高压线圈出
极端，所述高压线圈第二输出端连接所述火花塞和所述高能量补充模块。

[0008] 进一步地，所述高频放电模块可放电10‑20次每毫秒。

[0009] 进一步地，所述高能量补充模块提供1000V‑3000V直流电压，直接接通在所述火花塞两端。

[0010] 进一步地，所述高能量补充模块包括高频升压模块、电流防反模块、第一MOS管芯片、第二MOS管芯片和第三MOS管芯片；所述高能量补充模块提供10‑20kHz的高频控制响应，
以匹配响应的高频放电过程。

[0011] 进一步地，所述高能量补充模块通过所述电流防反模块、所述第一MOS管芯片、所述第二MOS管芯片和所述第三MOS管芯片对放电能量进行精确控制。

[0012] 进一步地，所述电流防反模块包括第一高压二极管和第二高压二极管，所述第一高压二极管的负极连接所述高压线圈第二输出端，所述第二高压二极管的负极连接所述高
能量补充模块输出端，第一高压二极管和第二高压二极管的正极共同连接到所述火花塞中
心电极处。

[0013] 进一步地，所述高压线圈由低内阻、高升压比、大电感量的线圈组成。

[0014] 进一步地，所述火花塞内阻为5k欧姆。

[0015] 进一步地，所述低压车载电源为12V蓄电池。

[0016] 进一步地，所述第一电容和所述第二电容的容量为500NF‑1UF，耐压分别大于500V和3000V。

[0017] 本发明与现有技术比较具有以下的技术效果：

[0018] 1)、本发明提高了点火装置的能量，增加了单次发动机循环的放电频次，可以从一次点火增加到10次至20次。

[0019] 2)、本发明点火装置可以在提高点火频率的情况下，还可以提高点火能量，单循环可以提供10kHz‑20kHz点火频率，点火能量达到200mJ‑1000mJ。

[0020] 3)、本发明点火装置可以控制点火频率，放电时间，提高点火系统的控制精度。

[0021] 4)、本发明点火装置可以提高稀薄燃烧极限，增强稀薄燃烧和废气再循环燃烧的能力，提高发动机热效率，降低排放，提高燃油经济性。

[0022] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

[0023] 图1是本发明的一个较佳实施例的高频高能量火花放电点火装置的结构示意图；

[0024] 图2是本发明的控制信号逻辑图；

[0025] 其中，1‑低压车载电源，2‑控制模块，3‑高频放电模块，4‑高能量补充模块，5‑火花塞，6‑能量管理模块，31‑第一电容，32‑第二电容，33‑高压线圈，41‑高频升压模块，42‑电流
防反模块，43‑第一MOS管芯片，44‑第二MOS管芯片，45‑第三MOS管芯片，421‑第一高压二极
管，422‑第二高压二极管。

具体实施方式

[0026] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限
于文中提到的实施例。

[0027] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定
每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

[0028] 如图1所示，一种高频高能量火花放电点火装置，包括低压车载电源1、控制模块2、高频放电模块3、高能量补充模块4、火花塞5和能量管理模块6；低压车载电源1为12V蓄电
池，提供整个系统的供电；控制模块2包括高频放电控制模块3和高能量补充模块4的控制信
号，以及逻辑调配，实现精确控制放电频率和放电时长；高频放电模块3包括第一电容31、第
二电容32和高压线圈33，用于提供高频击穿电压；高压线圈33第一输入端连接第一电容放
电点火输出端，高压线圈33第一输出端连接地线，高压线圈33第二输入端连接高压线圈33
出极端，高压线圈33第二输出端连接火花塞5和高能量补充模块4。高频放电模块3可放电
10‑20次每毫秒。高能量补充模块4提供1000V‑3000V直流电压，直接接通在火花塞5两端。高
能量补充模块4包括高频升压模块41、电流防反模块42、第一MOS管芯片43、第二MOS管芯片
44和第三MOS管芯片45；高能量补充模块4提供10‑20kHz的高频控制响应，以匹配响应的高
频放电过程。高能量补充模块4通过电流防反模块42、第一MOS管芯片43、第二MOS管芯片44
和第三MOS管芯片45对放电能量进行精确控制。电流防反模块42包括第一高压二极管421和
第二高压二极管422，第一高压二极管421的负极连接高压线圈33第二输出端，第二高压二
极管422的负极连接高能量补充模块4输出端，第一高压二极管421和第二高压二极管422的
正极共同连接到火花塞5中心电极处。高压线圈33由低内阻、高升压比、大电感量的线圈组
成。火花塞5内阻为5k欧姆。第一电容31和第二电容32的容量为500NF‑1UF，耐压分别大于
500V‑3000V。

[0029] 能量管理模块6由隔离型升压变压器将12V电压升高到1000V‑3000V，为第二电容32提供充电作用，将第二电容32电压升至目标电压，并在第二电容32放电时持续为导电通
路提供能量，第二电容32是储能电容。

[0030] 电流防反模块42隔离高低压之间的通路，保护电路，防止电流逆向传递；电流防反模块42的高压二极管采用超高耐压快速回复二极管，由于高压线圈33次级电压较高，因此
需要采用耐压30000V的二极管。

[0031] 高压线圈33为高速线圈，在升压比一定的情况下，初级电感更小，可以更快的实现充电放电过程。

[0032] 本发明能够快速调节能量管理模块6的输出电压，根据不同发动机工况提供不同的保持电压，提供相对应的点火能量给火花塞5。

[0033] 控制模块2控制第一MOS管芯片43、第二MOS管芯片44和第三MOS管芯片45的逻辑顺序，实现电路的整体运行。

[0034] 高频升压模块41将12V蓄电池电压升压至380V，为第一电容31充电；能量从低压车载电源1传递到能量管理模块6和高频升压模块41，通过第一MOS管芯片43和第二MOS管芯片
44的交替导通将高频升压模块41的高电压存储到第一电容31中，并将能量最终传递给高压
线圈33初级端。

[0035] 如图2所示，MOSFET1、MOSFET2和MOSFET3分别代表第一MOS管芯片43、第二MOS管芯片44和第三MOS管芯片45的信号图线。本发明的控制时序分阶段进行，首先，第一MOS管芯片
43闭合，第二MOS管芯片44断开，高频升压模块41为第一电容31充电。同时，第三MOS管芯片
45闭合为第二电容32充电，由于能量管理模块6的电压非常高，在极短时间内，第二电容32
即达到饱和。此时断开第一MOS管芯片43，闭合第二MOS管芯片44，第一电容31向高压线圈33
初级侧放电，在高压线圈33次极端产生高压，击穿混合气。当火花塞5导电通路形成，第二电
容32向火花塞5放电，加强点火过程，形成高频高能量点火，通用情况下点火频率可达5‑
20kHz，明显高于现有的点火系统。

[0036] 本发明的点火系统的能量更大，放电时间更短，放电频率更快。

[0037] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术
人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的
技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。