[发明专利]高脉冲重复频率点火源

说明书

发明背景

1．发明领域

本发明涉及以柴油、天然气或代用燃料工作的燃气透平及要求最初点火源的柴油机的火花点火系统。

2．现有技术说明

诸如用于混合的电动车辆和发电的电力生产的目前的燃气透平由于采用了难以点燃的低挥发性燃料而要求极高能量的火花点火系统。一般高能量点火系统为用于航空电子工业中的那些点火系统，作为辅助动力设备(APUS)。这些系统中的一些具有苛刻如排放控制要求，这些要求通过提供极高能量点火源以便在太多的未燃燃料经排气系统释放之前起动发动机才能被满足。柴油机要求一些热塞(glo-plugs)来开始燃烧。在此情况下，该热塞顶端被加热到高于2000°F的温度，它通常需用大电流量(约每塞8安)和漫长的加热时间。

发动不点火增加了危险的废气排放。无数的没有充分加热燃烧室内火花塞绝缘子的冷起动使绝缘子积炭，这能导致不点火。该导电的积炭降低了点火过程可用的电压。使电压极快上升的火花点火感器可将因积炭结污的不点火减至最少。

为达到为点火所需的火花点火性能，同时减少因火花塞积炭结污的发动机不点火的事故，火花点火互感器铁芯材料必须具有某种特性。这种铁芯材料必须具有高的导磁率，在运转期间必须不是磁饱和，且须有低的磁损。这些所要求的性质的综合严重地剥夺了一些适用铁芯材料的可用性。铁芯材料可能的选择包括硅钢，铁淦氧磁体和铁基非晶体金属。通常用于通用互感器铁芯的普通硅钢是便宜的，但其磁损失太大。具有低磁损失的较薄的标准规格硅钢太贵。铁淦氧磁体不贵，但其饱和感应通常小于0．5T，且铁芯磁感应近乎零的居里点接近200℃。该温度太低，因为火花点火互感器的上工作温度一般为180℃左右。铁基非晶体金属有低的磁损失和大于1．5T的高饱和感应，然而，它显示了较高的导磁率。能达到适于火花点火互感器的导磁率值的铁基非晶体金属是需要的。采用这种材料，便能构成一种满足所需输出特性的实际尺寸规范的环形铁芯结构线圈。目前的汽车点火系统并不对火花塞产生足够的能量传输。这些系统的电压升高时间太慢，且输出阻抗太高使结污的火花塞下载到点火系统。这些系统中的脉冲重复频率受限于该线圈的充电和放电周期。相对于最高脉冲重复频率约为110Hz而言，一般的充电时间为5．5微秒，放电时间为4．5微秒。一般的汽车点火系的峰值火花电流约为100毫安，对于大多数的汽车应用场合可以是足够的，但对于起动应用场合却导致火花强度较弱。由于汽车点火线圈的高输出阻抗和实际的导线电阻，来自电瓶的许多能量存储到线圈和火花塞内，而不发生实际的火花。一般电磁线圈极高的二次感应，与高的实际导线电阻耦合的E或C型铁芯绕组降低了峰值功率传输。另一种诸如电容放电系统(CD)的技术依靠直流-直流(DC-DC)电压变换器来将一电容器充电到400-600伏。该电容器经一脉冲互感器型线圈放电，将能量传输到火花塞的控制放电装置。提供充足功率来操作一高脉冲重复频率点火系统的DC-DC变换器的价格是相当高的。诸如航空电子学点火系统的混合型系统能存储极高能量(500毫焦耳)到火花塞的控制放电装置，但由于功率消耗问题一般在10Hz或不足10Hz下工作，并还包括DC-DC变换器。

发明概述

本发明提供一种引起电压迅速上升(200-500纳秒)的电磁铁芯线圈组装件(和电子部件)，具有低输出阻抗(30-100欧姆)，产生高的(大于25千伏)开路电压，经火花塞控制放电装置传输高的峰值电流(0．4-1．5安)，快的充电时间(采用12伏电源约100微秒)，快的放电时间(约150微秒)，在火花塞控制放电装置内一般的能量为每脉冲6-12毫焦耳。采用简单的电子部件以单次至4千赫范围的速率很容易实现用12伏电瓶源操作。铁芯线圈组装件实际上可采用高于5伏的任何电压来操作。在这些可供选择的电压下，铁芯线圈的工作使充量时间随现有电压源而增长或缩短。这种经一表面间隙塞(代表航空电子学火花点火系统)或一普通J型间隙火花塞或改型传输的电子系统输出利用局部加热性能产生高功率点火源。该高脉冲重复频率电弧用作一基本上是瞬时的局部加热源，在一些应用中，这意味着对热塞实际取代的代价。