CN101490407A - 点火系统 - Google Patents

Abstract

一种点火系统(10)，包括具有第一端(14)的火花塞(12)，所述第一端限定在第一电极(18)和第二电极(20)之间的火花间隙(16)。包括初级绕组(44)和次级绕组(50)的变压器(46)也形成该系统的一部分。次级绕组在次级电路中与第一电极(18)连接，并且次级绕组的电阻小于1KΩ且电感小于0.25H。驱动电路(26)与初级绕组连接。

Description

点火系统

技术领域

本发明涉及点火系统，更具体地涉及内燃机的点火系统。本发明还涉及可选择的火花塞、火花塞的驱动电路及相关的方法。

背景技术

已知车辆的点火系统包括被相应的高压电缆连接到远处的中央高压发生装置的多个分布的火花塞。在一个已知的电容器放电点火系统中，高压发生装置包括和与变压器的初级绕组串联的电源开关装置(如SCR开关)连接的一个电容器。次级绕组与高压电缆连接。在使用中，当发动机的活塞达到预定位置，电源开关装置切换到闭合状态。电容器中的能量随后传送到初级绕组，由于次级绕组与初级绕组的比例关系，也导致次级绕组中有更高的电压。一当次级绕组的电压达到火花塞的火花电极之间的火花间隙的击穿电压，在火花电极之间产生等离子放电。

在该已知的系统中，开关电路限制可使用的变压器的最小电感。限制的因素是开关的最大电流额定值机、开关的切换速度ts、开关的切换电压和开关的成本。这些限制导致很高的次级绕组电感，这有一些缺点包括成本的问题。大的电感通常要求几千米(一万绕组)的细铜丝，这是很贵的。系统是效率低的，在于几千米的细铜丝有几千欧姆的电阻。为了传送足够的能量用于可靠的火花，每个火花要求大量额外的能量。由于必须输送大量的能量以及需要大量的铜，系统很笨重。铜的电阻造成的能量损失加热了变压器。这对可传送到火花的大量能量加上严格的限制，也影响变压器用于冷却的布置。燃料效率、燃烧的完全性、燃烧时间、废气的清洁度和周期到周期燃烧的可变性受到限制。由于变压器大且被加热，通常要放置在远离发动机处。这要求在火花塞和变压器之间的高压电缆。这些高压电缆产生大量的电磁辐射，这会影响其它的电气设备。为了取消高压电缆，使用包括在各火花塞的点火线圈的塞上线圈系统。由于这些线圈很接近发动机，通常有很小的气流绕着它们，容易过热，这使这些线圈不可靠。

已经建议用有很小的次级电阻的一些点火线圈。这通过使用有高的导磁性的磁路，以减少绕组的数目并保持对开关电路足够高的电感来完成。这一方法的缺点是高的导磁性的磁性材料容易饱和因此要求大的芯子。

一些其它的点火系统在次级侧有次组能量传送通道。它们都有能量必须穿过次级绕组或者穿过半导体装置的缺点。如果能量穿过次级绕组，由于高的绕组电阻，传送是效率很低的。另一方面，半导体装置必须是一个高压(通常高于30kV)、高电流(通常高于1A)的装置。这些装置是昂贵的、也导致能量损失。

这些系统的另外的缺点是次级绕组的自共振频率很低(典型的小于20kHz)。低的自共振频率是由于次组绕组的长的长度和大的次级绕组电感。当次级绕组连接在次级侧电路中，次级侧电路的自共振频率甚至比次级绕组的自共振频率更低，因为火花塞和电缆的电容的关系。由于低的次级共振频率，要用几十微秒把火花塞或电极电容充电到击穿电压，及用几十微秒来发散残余的次级能量。这限制了可在多火花点火系统中产生的成功脉冲的数目，这限制了可在点火时传送的能量的量。通过把电容器平行于点火系统放置，在一些点火系统中传送的能量的效率和量增加。在这些系统中，次级共振频率甚至会更低。甚至在计算最佳的火花时间的系统中(下面讨论)，火花不能控制在几千微秒内。在600rpm时，不精确度大于发动机转动中的一度。

现有技术还使用火花塞测量点火中的电流或点火后的离子化气体的电阻以得到在燃烧后的气体温度、压力或成份的信息。该信息随后用作输入到发动机测量系统的一个输入以计算平均的最佳的火花时间。由于点火变压器的高的损失，测量必须在变压器的次级侧进行，这使次级侧电路变复杂。

由于周期到周期的变化，平均最佳的火花时间可与单个周期的理想火花时间相当不同。虽然有一些技术可用于测量点火前燃烧室内的状态，但没有一种可以广泛使用，因为这些技术要求到进入燃烧室的过分的进入点、是昂贵的、大部分有低的可靠性且是复杂的。

当使用用于测量的火花塞时，低的次级共振频率因而限制点火后测量频率，并且如果不是不可能，也会使点火前测量气体性能很困难。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供相信可至少减轻上述缺点的替换的点火系统、火花塞、火花塞的驱动电路及相关的方法。

按照本发明，提供了一种点火系统，包括：

具有限定在第一电极和第二电极之间的火花间隙的第一端的火花塞；

包括初级绕组与次级绕组的变压器，次级绕组在次级电路中与第一电极连接，并且次级绕组的电阻小于1KΩ和电感小于0.25H；和

与初级绕组连接的驱动电路。

所述驱动电路可包括绝缘门半导体装置，和所述变压器的初级绕组连接在所述绝缘门半导体装置的漏极源极电路中。

所述驱动电路可包括电荷储存装置放电电路，所述电荷储存装置放电电路包括至少一个第一电荷储存装置，如至少一个电容器。

所述驱动电路可包括与所述绝缘门半导体装置的门连接的门电路，所述门电路包括所述电荷储存装置和快速开关装置，并且构造成电流在绝缘门半导体装置的漏极源极电路中开始流动前，在所述绝缘门半导体装置的门上卸下对于所述绝缘门半导体装置的预选定的导电状态足够的电荷。驱动电路可以有小于约6微秒的充电时间和小于约2微秒的放电时间。

在另一个实施例中，所述驱动电路可包括高频功率振荡器。

所述振荡器可构造成在基本上所述初级电路的共振频率振荡。振荡器的频率可大于10kHz、大于100kHz或甚至大于500kHz或甚至大于1MHz。

所述次级电路可与第二能量储存装置连接。所述第二能量储存装置可与所述第一能量储存装置是同样的。所述第一和第二能量储存装置可与一个恒流和/或恒压的电源连接。

所述驱动电路、变压器和火花塞可都位于一单个壳体中，其中火花间隙暴露在壳体的一端。壳体优选地由导电材料，如合适的金属制造，起法拉第罩的作用。可以明白使用法拉第罩，在使用中可屏蔽或折制电磁干扰传送。

恒定的电流和/或电压源可位于壳体的外面，和可以通过从壳体朝壳体第二端延伸的电缆与壳体连接。

所述变压器的初级绕组和所述次级绕组之间的耦合度可小于80％(k<0.8)，或者k<0.6、或k<0.4、或k<0.2。

所述变压器可包括有方形磁滞的铁芯。

所述次级绕组的电阻可小于100Ω，或小于50Ω，或小于20Ω，或小于10Ω。

所述次级绕组的电感可小于100mH，或小于50mH、或小于20mH、或小于3mH、或小于1mH。

初级绕组的电感可小于5μH。

次级绕组的自共振频率可高于10kHz、或高于100kHz、或高于500kHz以及或高于1MHz。

按照本发明的另一方面，提供了火花塞的电容放电驱动电路，该电路包括电容器、连接在绝缘门半导体装置的漏极源极电路中的变压器的初级绕组，与火花塞连接的变压器的次级绕组。绝缘门半导体装置可以由包括电容器及快速开关装置的门电路驱动，以便在装置合上电之前，在装置的门上卸下对于在装置的漏极源极电路中的预选定的导电状态足够的电荷。

按照本发明的另一方面，提供了一种火花塞，包括第一电极和第二电极，限定了火花间隙，形成电极电容器。并构造成使得所述火花塞在使用中可被驱动以仅仅在任何电极产生电晕，或在火花间隙上产生火花前在任一电极产生电晕。

所述电极可构造成使得在任一电极在电晕产生阈值储存在所述电极电容器中的能量基本小于在火花间隙产生火花需要的能量。

所述第一电极可作为包括第一端和第二端的总的为细长的圆柱形的绝缘材料体的铁芯沿轴向延伸；所述第一电极终止在从所述绝缘材料体的第一端向内间隔开的电极的第一端处；所述绝缘材料体限定从所述绝缘材料体的第一端延伸并终止在所述第一电极的第一端的盲孔，以及所述第二电极位于朝着所述绝缘材料体的第一端，因而提供了在所述第一电极和所述第二电极之间的电极电容器，并在使用中提供了在所述盲孔中产生电晕区和所述第二电极之间的第二电容器。

本发明的范围还包括提供了一种监测与在一室中的气体物质关联的至少一个参数的方法，所述方法包括下列步骤：

使用第一电极和第二电极，所述电极中至少一个暴露于所述气体物质并且所述电极一起限定一间隙和形成一电极电容器，以在所述电极中至少一个处产生电晕；

使所述电晕改变指示所述至少一个气体参数的、在所述至少一个电极的区域中的电参数；

产生待由所述电极连接的电路检测的与电参数相关的信号；和

测量由所述布线传感的信号，以监测所述至少一个气体参数。

所述电极可形成构造成使得在任一电极在电晕放电阈值储存在所述电极电容器中的能量基本小于在火花间隙产生火花需要的能量的火花塞的一部分；并且包括用信号驱动所述电极以产生所述电晕或在所述间隙上形成火花前产生所述电晕的步骤。

所述信号可以是快速上升时间电压信号，所述电压信号是单电压脉的边缘和连续波的边缘中的一个。所述快速上升时间电压的上升时间可足够高到在所述电极中的一个或两个处产生正或负的电晕。所述上升时间可比100kV/μS快。

在本方法的另一个形式中，所述信号的幅度可小于、等于或大于在火花间隙区域正或负的电晕阈值电压。所述电压信号的幅度可小于、等于或大于火花间隙的击穿电压。

所述信号可反馈到所述变压器的初级侧，所述变压器的次级侧与至少一个电极连接，并且所述测量在所述变压器的初级侧进行。

可在所述物质点燃前、中和/或后监测所述气体参数。

所述气体参数可用来测量在火花间隙上的火花的定时和火花中的能量中的至少一个。

所述气体参数可以是室中的压力、物质的成分和在室中移动的活塞的位置中的任意一个或多个。

所述方法还包括在适合产生所述电晕用于测量的第一低水平和形成火花并传送用于点火的能量的第二高水平之间改变所述电极的驱动电路的输出功率水平的步骤。所述第二功率水平可取决于测量的结果。

附图说明

下面参照附图，仅仅以实例的方式进一步说明本发明，附图中：

图1是本发明的点火系统的示意图；

图2是形成本发明的点火系统的一部分的电容器放电驱动电路第一实施例的电路图；

图3(a)至图3(c)是图6和图2中点3a、3b、3c处的电压波形；

图4是驱动电路的第二实施例的电路图；

图5是驱动电路的第三实施例的电路图；

图6是驱动电路的第四实施例的电路图；

图7是通过按照本发明的点火系统的轴向剖面图，详细示出变压器；

图8变压器的另一实施例的类似图7的视图；

图9是带有驱动电路的另一实施例的系统的方框图；

图10是图9的系统的更详细地图；

图11(a)、(b)、(c)和(d)是在图9和10中选定的点的电压和电流的波形；

图12是图9和10中的驱动电路一部分的替换实施例；

图13是替换的火花塞的部分剖开的示意图。

具体实施方式

按照本发明的点火系统在图1中总的标为附图标记1。

点火系统10包括细长的火花塞12，火花塞12有限定在第一高压电极18和第二电极20之间的火花间隙16的第一端14。在第二端24设有与第一电极连接的连接端子22。点火系统10还包括火花塞12的驱动电路26，该电路将在下面详细说明。

火花塞12和驱动电路26位于合适材料(如合适的金属)制的壳体28中起到法拉第罩的作用。火花塞朝着塞的第一端14的、并且也设有把塞固定到发动机体30的螺纹的金属部分延伸超过壳体28的第一端34，使得火花间隙暴露在壳体的第一端，并且在使用中，火花间隙16位于燃烧室32中。在壳体的相对端或第二端36，设有用于光缆的和电缆42(下面更详细说明)延伸到系统10的孔38。

相信用上述的包住及屏蔽火花塞12及驱动电路26的罩28的自包含系统，可抑制高压开关电路发散的电磁干扰。

也相信按照本发明的、包括位于单壳体28中的火花塞12及驱动电路26的系统10，可通过取消中央变压器、电容器放电组件及延伸到分布的火花塞的高压电缆，减小车辆罩的复杂性。也相信可以简化维修。

驱动电路26(成电容器放电电路形成的)第一实施例在图2中详细示出。电路26包括与本机变压器46的初级绕组串联的第一电容器C1和快速的电开关装置T1或48。变压器的第二绕组50与第一电极18连接，第一电极18与接地的第二电极20限定火花间隙16。

电源开关装置48可包括一个电绝缘门半导体装置(如MOSFET或IGBT)，并优选地按照类似本申请人的US 6870405 B1公开的类型的驱动电路的方法及使用该驱动电路驱动，上述文件的内容结合作为本发明的参考。

如图2及6最好地示出，电路26使用一个单MOSFET48产生几千伏的电压对电容器C1充电，以及开关电容器C1以产生穿过火花间隙16的高压。在图3(a)和3(c)中示出图6中的点3a和图2中的点3b和3c的电压波形。应用到MOSFET的门以卸下或传送足够电荷到MOSFET的门上接通MOSFET，也就是到在MOSFET的漏极源极电路中的导电性的要求状态的短持续时间的电压脉冲在图3(a)中示出。现在具体参考图2，当一个直流电压V1第一次加到电路，电容器C1充电到稳定状态电压V2＝V1。当MOSFET接通，电容器C1通过变压器的初级绕组44放电。电容器C1的能量不仅在火花间隙16的等离子火花中发散，而且在变压器46及晶体管48中发散。在电容器放电后，电容器C1上的电压几乎为零。只要晶体管48接通，通过电感L3的电流增加，能量储存在电感中。当晶体管48断开，电容器通过二极管D1和电感L3充电。当穿过电容器C1的电压V2小于供电电压V1时，通过电感L3的电流继续增加。一当V2>V1，通过电感的电流减小，而储存在电感L3中的所有能量传送到电容器C1。当电感L3中的电流达到零，电容器C，保持充电直到晶体管48再接通。如图3(c)中可看到，第一周期占约12μs，因此电容器放电周期可每大约8μs重复。在高的发动机转速下，如6000rpm，发动机的每度转动46μs。因此，在上死点前，可完成相当大数目的上述周期。

如果MOSFET 48接通仅仅短的时间，几乎设有能量储存在电感L3中。随后，最终的电压V2可到约2倍的供电电压V1。如果MOSFET保持接通较长的时间，可达到比2×V1更高的V2。

在点火系统10的原型中，使用300V的供电电压V1把电容器充电到约600V。如果当电容器放电后断开MOSFET 48时仍然有些能量留在电容器C1上，电压V2将不达到2×V1。这可以通过把MOSFET保持接通一段合适的时间来补偿，使得足够的能量可储存在电感L3上。

电路26可以以低至14V的供电电压V1操作。这可以通过把MOSFET 48保持接通较长的时间以储存足够的能量在电感L3中来达到，因此电容器可充电到600V。应明白这将增加周期的时间。

参见图4，如果储存在电容器C1上的能量不足以把次级侧总电容充电到30kV，可使用一个高压二极管D2用在变压器46的次级侧。对于各电容器放电周期，火花塞或电极电容Cs进一步充电直到达到击穿电压。可用平行的一个附加的高压电容器(未示出)来以加火花塞电容，以便增加传送到在首先几个毫微秒内传送的能量。

如图5所示，可通过加入电容器C3和二极管D2，保护MOSFET48以防止反向的过电压。这也提供了通过次级绕组50到火花等离子的附加的能量传送通路。当MOSFET 48接通，电压V2成为零，使V5变成负的。在通过电容器放电产生火花等离子后，电容器C3通过MOSFET 48、次级绕组50和火花等离子放电，进一步加热等离子。由于低的次级绕组电阻，次级能量传送是足够的，由于低的次级电感，次级能量传送是快的，并且也可以用MOSFET 48控制。

参见图6(这是用快速MOSFET开关，图2的实施方式)，当经过光缆40接受的定时信号52开始通过晶体管T3传导，电容器C2开始通过电阻R1从电容器C1上的电压充电。电容器C1有比电容器C2高得多的电容。一旦电容器C2上的电压达到晶体管T2的电子雪崩电压，晶体管T2接通，把电容器C2上的电荷卸在MOSFET 48的门上，如上所述。随后该电荷在小于5毫微秒内接通MOSFET 48。随后从电容器C1发生电容器放电，如上所述。当MOSFET 48接通，在迟后时间t_on后，接通晶体管T4。随后，晶体管T4把MOSFET 48的门的电压拉低，因而断开MOSFET 48。一当MOSFET 48断开，电容器C1如上所述地充电，并且整个周期重复。因此只要通过光缆40接收到定时信号52，图6中的电路26作为自振荡电路操作。一个滤波器60可设在直流电压供电电缆42中并位于壳体28内，因而进一步抑制电磁干扰。

当使用已知的火花塞时，需要约5mJ的能量把约10-15pF的火花塞电容Cs充电到20kV-30kV。该能量也足够点燃室中的燃料，只要燃料/空气混合物不太贪乏。由于次级绕组50的寄生电容，这在已知的系统中比15pF大得多，基本大于5mJ的能量必定供应到次级电路。在本发明中，可以保持寄生电容低于15pF，这将意味着仅仅要求附加的约5ml的能量来达到击穿电压。因此要求在变压器46的初级侧上有在600V下约55nF的最小电容C1，以把10mJ的能量供到次级。初级绕组的电感L1的最小值被开关装置48的开关速度及放大的电流容量限制。对于带相关的驱动电路的MOSFET 48，开关速度t_s<1ns，要求L1>18pH以防止开关损失。在上述的原型中，使用上述驱动方法和电路的MOSFET的最大电流容量在开始的100ns时约为120A。这给予电感L1>1.4mH和次级电感L2>3.5mH的低的限制值。上述的最大电流容量设定电感L1低的限制值，这比由已知的SCR技术的开关速度指示的显著地更低。

相信按照本发明的系统比已知的系统效率更高，由于MOSFT 48的快速的开关时间，可以减小与变压器相关的电感，这导致减小金属丝的长度，及因此变压器的尺寸和感抗减小。希望导致有几十米的次级金属丝长度(与现有电容器放变压器中用的几千米的金属丝比较)，电阻小于1kΩ、优选地小于100kΩ、更优选地小于几十Ω，如小于50Ω、或小于20Ω和甚至小于10Ω。由于次级电阻小于火花等离子电阻，大部分能量传送到等离子。

由于低的次级电感和比较短的金属丝长度，可期望次级侧自共振频率高于10kHz、优选地高于100kHz、更优选地高于500kHz、最优选地高于1MHz。次级侧共振频率将比自共振频率低，并被变压器铁芯材料的损失限制。用铁素体类型的铁芯，次级侧共振频率可以为500kHz到1MKHz。

现在参见图7和图8，图中示出变压器46的两个实施例。初级绕组44包括十个细铜丝的绕组，次级绕组50包括400个0.1mm的铜丝绕组(约10m的铜丝)和变压器铁芯47包括铁素体棒64和外铁素体管66。初级绕组的电感为2-4mH。通过把初级绕组置于朝着杆64的一端(如图7所示或通过加入与初级绕组44串联的环形电感68(如图8所示)，完成弱的耦合。螺旋管可有包括非磁性材料的芯子92或可包括变压器铁芯的一部分。变压器46的初级绕组44和次级绕组50之间的耦合度可以小于80％(也就是k<0.8)，或者k<0.6，或者k<0.4，或k<0.2。次级绕组可包括如图7所示的单层绕组，或者可包括多于一层，如图8所示。平行的层减小了电阻，而保持同样的电感、绕组比和铁芯。次级绕组单层电阻力约20Ω，两双层为约10Ω，电感为约3mH和自共振频率为约500kHz。如所述，次级绕组的电感优选地小于25mH，优选地小于100mH，优选地小于50mH，更优选地小于20mH、更优选地小于10mH，更优选地小于3mH，及最优选地小于1mH。铁素体材料可加入变压器的两端磁性连接内杆64和外管66。

驱动电路26的第二实施例更详细地示于图9。在该实施例中，变压器46的初级绕组44连接到电振荡器56。电振荡器56连接到能源58，这些都在壳体28内。能源可通过电缆42连接到壳体外的直流电压源，和振荡器有通过光缆40到壳体外面的触发输入连接。变压器46的次级绕组50与初级绕组44弱地耦合。次级绕组50与火花塞12及能源58串联。次级绕组电感、电容和火花塞电容形成有确定的共振频率的LC共振电路。变压器46可有具有方形磁滞的铁芯47，这意味着对低电流，次级绕组有比较高的电感，但是在某些更高的电流下，电感会突然变成小得多。

图10示出谐波叠加驱动电路的另一实施例，其中两个电MOSFET60、62使用在电振荡器56中。当接收一个触发时开始振荡的振荡器64正通过变压器66。驱动MOSFET 60，62的门。能源58包括两个储能电容器C5和C6。能源58通过电缆42与壳体外面的电压和/或电流限制的电源67连接。

图9和10的实施例将参照图11(a)至(d)所示的电压和电流波形来解释。一些能量被外恒压或恒流的电源67储存在能源58中。当通过输入40接收到外触发，功率振荡器开始在次级共振频率(如图11(a)的100所示)振荡。由于初级绕组和次级绕组之间弱的耦合，在每一周期中，一些能量传送到次级共振电路。在各周期，能源58减少(如图11(b)的102所示)，而穿过火花间隙16的直流电压增加(如图11(c)的104所示)。该电路的性能类似于在其共振频率驱动的串联共振电路。在几个共振周期后，当达到火花间隙16的击穿电压时，几乎所有传送到次级侧的能量散发在火花间隙(如所示在105处)中。在击穿后，振荡器保持振荡(如附图标记107所示)，因而仍然通过变压器46传送能量到火花。由于次级绕组50的低的电阻，能量传送是相当有效的。一当等离子形成在火花电极之间，能源58产生直接通过等离子和次级绕组50的另外的电流。由于次级绕组的电感在1mH的量级，电流以0.5A/μs的速率增加。如果几微秒后铁芯47饱和，次级绕组的电感将变得更小，如前面所述。电流随后会更快地增加(大于3A/μs)，如图11(d)的附图标记106所示。如果以某些方式猝熄火花，振荡器会再自动产生一个高压以维持火花。随后能量传送到火花，直到能源58耗尽。当能源耗尽时，振荡器停止。

如果在约4个周期内达到击穿电压，振荡器的频率不需要是实际的次级共振频率，而可以差百分之几。这使得从次级侧反馈到振荡器不必要，并且留下在共振频率方面变化的足够精度，由于温度变化及不同的火花塞设计。

如图12所示，可加入电感68和电容94与初级绕组44串联。这一加入的主要目的安全保护谐波驱动电路56避免受到高频高能的返回脉冲的影响。也可以减小绕组比及减小高压变压器46的次级绕组50的绕组数目。

由于在谐波叠加驱动中，比在普通的电容器放电点火(CDI)系统中在各周期中传送更少的能量，因此同样的开关装置可用更小的次级电感和电阻。该驱动使得用600V的开关装置48，可以减小变压器46的绕组比到小于1:25，在普通的CDI系统中，要求该绕组比大于1:50。这可以减小次级电感到四分之一，这也将减小次级电阻及增加自共振频率。一个附加的优点是由于弱的耦合，保护驱动电路免受高能脉冲反馈在次级侧上。

参见图13，也提供了一个替换的火花塞。替换的火花塞70包括有第一端74和第二端76的细长的、一般是圆柱形的陶瓷体72。第一电极80作为芯子沿着陶瓷体中心延伸，并且其第一端82终止在离火花塞第一端74一段距离d处。第一电极80的第二端与第二端76的接点或端子84电连接。位于朝着陶瓷体的第一端的一个第二电极78可是带螺纹的。因此，火花塞限定了从塞的第一端74延伸并终止在第一电极的第一端的一个盲孔86。限定中心孔90的环形元件88包覆火花塞的第一端74，并与第二电极电接触。盲孔86沿其长度可有或没有均匀的横截面积。例如，盲孔86可以是沿任何方向成锥形的。中心孔90的横截面积可与盲孔86的横截面积一样，或比其大，或比其小。

因此火花塞70包括或在使用中提供在第一电极80和第二电极78、88之间的一个第一或电极电容器及在使用中在孔中产生的一个电晕区域(下面将说明)和第二电极78、88之间一个第二电晕电容器。

陶瓷体72绕着第一电极80比绕着盲孔86更宽(有更大的外径)。这使电极电容比电晕电容小。陶瓷体的外面和/或导电的第二电极的里面可以是锥形的以增加或减少朝着盲孔任一端的电容。

当电压加到第一电极80，在盲孔80中在第一电极的端部82的电场强度比孔中其它部分的更高。这可以加上高压脉冲使得在盲孔中在第一电极处的电场足够高以形成电晕放电，但是在盲孔中的其余部分的电场强度低于击穿的电场强度。

当加上这种电压，在端部82发生电晕放电。如果保持施加的电压，电晕事实上沿陶瓷体的第一端74的方向延长第一电极，在盲孔中的其余部分的电场强度将增加。当电晕电容器充电时，等离子事实上从第一电极的端部82朝第二电极88生长。电晕电容越高，电晕生长越慢。当电晕接近接地电极88，电场可达到击穿电场强度，和会形成火花。

由于电晕放电散发能量，能量必须供到第一电极以保持电晕生长。如果储存在电极电容器和次级电路中的能量不适当地对电晕电容器充电，电晕只生长一段距离随后熄灭。如果供应更多的能量，能量可是足够引起电晕生长有到产生火花，但是仍然会是小于最小要求的点火能量。

在每次电晕放电后，在电晕中损失的能量的量可用来得到盲孔中气体温度、压力和成分的信息而不用点燃气体(下面将说明)。更具体地，电晕引起电荷分离，这改变了气体的电参数。在电晕中损失的能量的量和电参数的改变可用来得到上述信息。

当甚至更多的能量供应到火花塞和散发在加热电极之间的导电等离子，气体开始点燃，迅速膨胀并喷出进入到燃烧室，点燃气体。能量传送必须优选地是足够快以便在等离子吹出盲孔前传送大部分能量。

如果对于制造火花而言供应的能量不够(或电压脉冲太短)，则一定量的能量损失，这取决于在图1中示出的有活动活塞33的室32中的压力温度/气体成分。在如上所述的电容器充电周期后，至少残余能量的一部分传送或反馈到变压器46的初级侧，并可在MOSFET48断开后，在电容器C1上测量。如果使用上述的谐波叠加驱动，传送或反馈到能源58的能量也可以测量。但是，如果在次级绕组中的能量损失不太大，只可以在初级侧上测量电晕中的能量损失。上面的驱动电路也必须最佳地使用替换的火花塞用于燃烧，因为低的次级电感对于在不同的情形下的电晕放电有很快的电压上升时间。

如果在产生电晕后，一电压供到电极上并且该电压太小而不能维持电晕，则电晕将熄灭。由于有供给的电压，被电学分离的电荷移动到电极。电荷在电极之间的移动在次级电路中产生电流，该电流可测量以给出室中气体压力和气体成分的指示。

如果盲孔长度d增加，则击穿电压增加，但是一个电晕开始的离子化阈值电压基本保持一样。在离子化电压下储存在电极电容器中的能量因此保持一样，但是产生火花需要的能量和点燃气体需要的能量增加。

因而可以通过增加盲孔长度d让一个火花塞使得在离子比电压储存在电极电容器中的能量小于产生火花要求的能量，也小于点燃气体要求的能量。注意在普通的火花塞中，形成电晕的电压很接近产生火花的击穿电压。由于在普通的火花塞中，多于5mJ的能量在这些电压储存在电极电容器中，一个火花会形成并且能量散失在等离子中，可能点燃气体。

因此，火花塞可构造成使得在任何电极在电晕放电阈值储存在电极电容器中的能量基本小于在火花间隙上产生火花要求的能量；并且方法还包括用电压信号驱动电极以产生所述电晕，或在火花间隙上形成火花前产生所述电晕的步骤。

电压信号可以是快速上升时间电压信号，该信号是单电压脉冲的边缘和连续波的边缘中的一个。快速上升时间电压的上升时间可足够高以在一个或两个电极产生或负的电晕。上升时间可比100kV/μs快。

在方法的另一种形式中，电压信号的幅度是小于、等于或大于在火花间隙区域的物质的正或负的电晕阈值电压的幅度。电压信号的幅度可以是小于、等于或大于火花间隙的击穿电压的幅度。

所述方法可包括改变电极的驱动电路的输出功率水平在适合于产生用于测量的电晕放电的第一较低的水平到形成火花及传送用于点燃的能量的第二较高的水平之间的步骤。第二功率水平可取决于测量的结果。因此，在产生电晕和形成火花之间的时间段是不明确的因为火花绝不产生，或可以是可选择的。

测量的数据可用来确定室压力、活塞的位置、在室中的预燃烧参数、燃烧参数和后燃烧参数中的一个或多个，及打开如对于可能的发动机控制的目的和自动定时的改进定时、改进的能量传送控制，系统信息的可能性。

自动定时的一个方法是使用多重低能量电晕放电和测量传送回初级侧能量的变化。当气体接近最大压缩时，变化率将变得很小。当变化率小于阈值时，气体点燃。

通过使用上述的驱动电路、低损耗高频变压器和合适的火花塞，可实施这些控制系统和方法。驱动电路的功率水平可在产生电晕放电用于如上所述的测量的第一低的功率水平的点燃气体的第二较高的水平之间调节及变化。通过位于壳体28内的控制电路可进行功率控制及测量。控制器可集成在驱动电路中。这消除了需要与壳体连接的外触发40。也可以消除用来传感活塞位置以测定火花时间的其它机构。控制器可包括微处理器及关联的记忆装置，其中可储存对于不同的燃烧室条件的最佳的火花时间/时段和/或能量和/或功率水平。控制器可连接或形成中央能量处理系统的一部分。

可使用更高级的控制系统基于燃烧室的测量来计算火花时间/时段和能量。对于不同的燃烧室条件的最佳的火花时间段和能量对于某些发动机可事先测量并编程在控制器中。

Claims (31)

1.一种点火系统，包括：

具有第一端的火花塞，所述第一端限定位于第一电极和第二电极之间的火花间隙；

包括初级绕组与次级绕组的变压器，次级绕组在次级电路中与第一电极连接，并且次级绕组的电阻小于1KΩ且电感小于0.25H；和

与初级绕组连接的驱动电路。

2.按照权利要求1所述的点火系统，其特征在于所述驱动电路包括绝缘门半导体装置，并且所述变压器的初级绕组连接在所述绝缘门半导体装置的漏极源极电路中。

3.按照权利要求1或2所述的点火系统，其特征在于所述驱动电路包括电荷储存装置放电电路，所述电荷储存装置放电电路包括至少第一电荷储存装置。

4.按照权利要求3所述的点火系统，其特征在于所述驱动电路包括与所述绝缘门半导体装置的门连接的门电路，所述门电路包括所述第一电荷储存装置和快速开关装置，并且构造成在电流开始在绝缘门半导体装置的漏极源极电路中流动之前，在所述绝缘门半导体装置的门上卸下对于所述绝缘门半导体装置的预选定的导电状态足够的电荷。

5.按照权利要求2所述的点火系统，其特征在于所述驱动电路包括高频功率振荡器。

6.按照权利要求5所述的点火系统，其特征在于所述振荡器构造成基本上在所述初级电路的共振频率下振荡。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的点火系统，其特征在于所述次级电路与第二能量储存装置连接。

8.按照权利要求7所述的点火系统，其特征在于所述第二能量储存装置与所述第一能量储存装置是相同的。

9.按照权利要求7或8所述的点火系统，其特征在于所述第一和第二能量储存装置能与恒流和/或恒压电源连接。

10.按照权利要求1至9中任一项所述的点火系统，其特征在于所述驱动电路、变压器和火花塞都位于一单个壳体中，火花间隙暴露在壳体的一端。

11.按照权利要求10所述的点火系统，其特征在于所述恒流和/或恒压电源位于所述壳体的外面，并且能通过从壳体朝壳体的第二端延伸的电缆与所述壳体连接。

12.按照上述权利要求中任一项所述的点火系统，其特征在于所述变压器的初级绕组和次级绕组之间的耦合度小于80％。

13.按照上述权利要求中任一项所述的点火系统，其特征在于所述变压器包括具有方形磁滞的铁芯。

14.按照上述权利要求中任一项所述的点火系统，其特征在于所述次级绕组的电阻小于100Ω。

15.按照上述权利要求中任一项所述的点火系统，其特征在于所述次级绕组的电感小于100mH。

16.一种火花塞，包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极限定一火花间隙，形成一电极电容器，并构造成使得所述火花塞在使用中可被选择性地驱动以仅在所述电极中的任意一个处产生电晕，或在火花间隙上产生火花前在所述电极中的任意一个处产生电晕。

17.按照权利要求16的火花塞，其特征在于所述电极构造成使得在任一电极处在电晕产生阈值下储存在所述电极电容器中的能量基本小于在火花间隙上产生火花所需要的能量。

18.按照权利要求16或17的火花塞，其特征在于所述第一电极作为用于大致细长的圆柱形的绝缘材料体的铁芯沿轴向延伸，所述绝缘材料体包括第一端和第二端；所述第一电极终止在从所述绝缘材料体的第一端向内间隔开的电极的第一端；所述绝缘材料体限定一盲孔，所述盲孔从所述绝缘材料体的第一端延伸并终止在所述第一电极的第一端；并且所述第二电极定位成朝向所述绝缘材料体的第一端，因而提供在所述第一电极和所述第二电极之间的电极电容器，并在使用中提供了在所述盲孔中的产生电晕区和所述第二电极之间的第二电容器。

19.一种监测与在室中的气体物质关联的至少一个参数的方法，所述方法包括下列步骤：

使用第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极中至少一个暴露于所述气体物质，并且所述第一电极和第二电极一起限定一间隙并形成一电极电容器，以在所述至少一个电极处产生电晕；

使所述电晕改变在所述至少一个电极的区域中的电参数，所述电参数指示所述至少一个气体参数；

产生待通过与所述电极连接的电路检测的与电参数相关的信号；和

测量由所述电路检测的信号，以监测所述至少一个气体参数。

20.按照权利要求19的方法，其特征在于所述电极形成火花塞的一部分，所述火花塞构造成使得在任一电极处电晕放电阈值下储存在所述电极电容器中的能量基本小于在火花间隙产生火花所需要的能量；并且包括用一信号驱动所述电极以产生所述电晕或在所述间隙上形成火花前产生所述电晕的步骤。

21.按照权利要求20的方法，其特征在于所述信号是快速上升时间电压信号，所述快速上升时间电压信号是一单电压脉的边缘和一连续波的边缘中的一个。

22.按照权利要求21的方法，其特征在于所述快速上升时间电压的上升时间足够高，以在所述电极中的一个或两个处产生正或负的电晕。

23.按照权利要求22的方法，其特征在于所述上升时间比100KV/μS快。

24.按照权利要求20的方法，其特征在于所述信号的幅度小于、等于或大于在火花间隙区域中的物质的正或负的电晕阈值电压。

25.按照权利要求24的方法，其特征在于所述电压信号的幅度小于、等于或大于火花间隙的击穿电压。

26.按照权利要求19至25中任一项的方法，其特征在于所述信号反馈到所述变压器的初级侧，所述变压器的次级侧与所述电极中的至少一个连接，并且所述测量在所述变压器的初级侧进行。

27.按照权利要求19至26中任一项的方法，其特征在于所述气体参数是在所述物质点燃前、点燃期间和/或点燃后监测的。

28.按照权利要求19至27中任一项的方法，其特征在于所述气体参数用来确定在火花间隙上的火花的定时和火花中的能量中的至少一个。

29.按照权利要求19至27中任一项的方法，其特征在于所述气体参数是室中的压力、物质的成分和在室中移动的活塞的位置中的任意一个或多个。

30.按照权利要求20的方法，其特征在于还包括以下步骤：在适合产生用于测量的所述电晕的第一低水平和形成火花并传送用于点火的能量的第二高水平之间改变所述电极的驱动电路的输出功率水平。

31.按照权利要求30的方法，其特征在于所述第二功率水平取决于所述测量的结果。

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