[发明专利]移动式火花点火系统及其所用的点火器

说明书

发明领域

本发明是有关内燃机的点火系统，它包括了伴随的点火线路以及诸如火星塞的点火器。

发明背景

自从汽车问市以来，其已经历过许多的变化了。这些许多具有改革性的变化可视为科技的成熟，而其中一些基本的原理则仍然保持着不变，诸如点火系统。而这些变化中所作的一些改进则包括了改变机械的分布，而以电子零件取而代之、增加可靠性，以可让更加容易调整的点火时间可适用于不同型态引擎的运作状况。负责产生高压，以可供作放电的电子零件亦已被改变了，取而代之的则是随处而见的晶体化线圈点火(TCI)以及电容量放电点火(CDI)系统。然而，纵然是如此，基本的火星塞结构仍然没有任何的改变。今日的火星塞和昔日的火星塞之间最大的不同主要是在于今日使用了进步性的材料，而其中基本的点-对-点放电的原理仍然没有改变。由火星塞电流所产生的磁场以及其本身电流间的交互作用而引起的力场而驱动的火花是一个相当吸引人的观念，因为其对于一个给定了的点火系统输入能量增大了点火核。长久以来世人即认知需要一个强化的点火源。而许多增加点火核的发明亦已介绍于世。使用等离子体型射以及劳伦兹力等离子体加速器是许多研究以及专利的主要目标。然而这些先前的发明中却没有一个可以归纳出一个具实际使用价值，以及在商业上可加以利用的结论。而这些先前发明的缺点则是在于其使用了过多的点火能量，因为其在所使用的引擎型式中消除了任何可能的效率增强作用。这种较高点火能量的需求造成了点火电极加速的腐蚀，且其亦降低了点火运作时甚至无法接受的程度。

将体积以及火星塞初始等离子点火核的表面积予以增加是一个相当不错的观念，因为其可实际地限制处在一个内燃引擎内部易燃混合气作出不合利益的事。而此一目的则是在于减少燃烧延迟的差异性，而燃烧延迟则是在当引擎以不良的混合气运作时所常见的一个现象。更特别地说，长久以来人们即藉由增加点火体积来消除点火的延迟。

而这种现在由以下来加以细说前，人们需要注意的是，若一个等离子体是限制于点火电极间极小的体积中时(其则如同现有的火星塞一般)，其初始的体积是相当小的，在此状况下，通常大约是1mm的等离子体会形成60,000°K的温度。此核会扩张并且冷却至大约为25mm的体积以及可以点燃易燃的气体2，500°K的温度，这一体积表示着大约0.04％的混合气在0.5升的汽缸中，以压缩比为8∶1的比例下予以完全地燃烧了。在由以下的讨论中，人们可知若点火核可以增大达100倍，4％的易燃混合气状会被点燃，而所谓的点火延迟则会大幅的降低了。然而这一使人欣慰的点火目标至今仍然未予以达到。

在这些早期的系统中所需要的电能，诸如是由美国的Fitzgerald在其专利4,122,816中所提出，其在每一次点火中是大于2焦耳。而此一能量则比现有的火星塞所使用的大40倍。

Mathews报告中则介绍在每一次点火中使用5.5焦耳的电能，或者是传统点火系统所使用能量的100倍。

在一个六缸且以每分钟3600转(RPM)的引擎中，引擎每次的回转需要点燃三个汽缸，或者是每秒180次的点火。而每次点火二焦耳则是每秒360焦耳(Joules/second)。此一能量必需由内燃机以大约18％的效率来加以提供，并且由能量转换装置以大约40％的效率来转换成较高的电压，以供引擎以大约7.2％的效率来加以使用。Fitzgerald燃烧燃料360/0.072焦耳/每秒或5000焦耳/每秒，以启动该点火器。

将1250Kg的汽车在一水平路面上以时速80公里(大约为50英里)的速度移动需要大约是9000焦耳/每秒的燃料能量。在某一引擎燃料以刺激动力转换效率为18％，且大约是50000焦耳/每秒的燃料将会被使用掉。因此，由Fitzgerald所使用的系统需要耗掉汽车用于启动其点火系统的能量大约是10％的燃料能量。而言则将会较预期中使用Fitzgerald点火系统所获得的效率为大。

在比较下，传统的点火系统使用大约是燃料能量的0.25来启动其点火系统。此外，在这系统中所使用的高能会造成火花塞的电极产生高度的腐蚀现象，因此亦会造成减低其有效的运作寿命。而此一减少的寿命是由Mathew所作的工作中看出，其中，对于减少点火能量的认识是为人所知，然而却仍然没有解决的方法。