CN101627206B - 通过单个功率级控制多个火花塞线圈 - Google Patents

通过单个功率级控制多个火花塞线圈 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种等离子体发生装置，其特征在于其包括：供电电路(2)，其包括受控制信号(V1)控制的开关(M)，以便以所述控制信号定义的频率向所述供电电路的输出端施加中间电压(Vinter)；经由连接器(20)并联设置于所述供电电路输出端上的多个等离子体发生火花塞线圈(BB1，BB2，BB3，BB4)，每个连接器(20)被设计成以可拆除形式连接到对应的火花塞线圈并包括适于使所述火花塞线圈的谐振频率偏移以使每个火花塞线圈具有不同谐振频率的模块(23)；所述供电电路的控制装置(5)，其从所述火花塞线圈的谐振频率确定所述控制频率，以便根据所使用的控制频率有选择地控制所述火花塞线圈。

Description

通过单个功率级控制多个火花塞线圈
本发明总体上涉及一种在火花塞两电极之间产生等离子体的系统，这些系统尤其用于对内燃机燃烧室中的气体混合物进行受控射频点火。
对于利用等离子体的产生进行汽车点火的应用而言，结合了线圈火花塞组件的等离子体发生电路被用于在它们的电极之间产生多灯丝放电，从而能够引发引擎燃烧室中混合物的燃烧。在以申请人名义提交的以下专利申请中详细描述了多火花塞：FR 03-10766、FR 03-10767和FR 03-10768。
常规上利用谐振频率Fc大于1MHz，典型地接近5MHz的谐振器1对这种线圈-火花塞组件进行建模。谐振器包括串联的电阻器R、电感器L和电容器C。线圈-火花塞组件的点火电极10和12连接到电容器C的端子。
当为谐振器提供处于其谐振频率的高电压时，电容器C端子处的幅值被放大，从而能够在厘米量级的距离上在火花塞电极之间生成多灯丝放电，该放电具有高压且峰值电压小于20kV。
那么将火花称为分支火花，因为它们需要同时在给定体积之内产生至少若干电离线或路径，它们的分支还是全方向的。
控制这种线圈-火花塞组件的电源需要使用能够产生通常为100ns量级的电压脉冲的供电电路，电压脉冲可以达到大约1kV的幅值，频率非常接近线圈-火花塞组件的射频谐振器的谐振频率。谐振器谐振频率和发电机操作频率之间的差异越小，谐振器的过电压系数(其输出电压和其输入电压幅值之比)就越高。
在图2中示意性示出了这种供电电路，在专利申请FR 03-10767中更详细地描述了这种供电电路。其常规上采用“E类功率放大器”设置。这种类型的DC/AC转换器使其能够产生具有前述特征的电压脉冲。
根据图2的实施例，放大器2包括被用作用于控制谐振器1端子处的开关的MOSFET功率晶体管M。
于是，控制装置5以控制频率产生控制信号V1并经由示意性示出的控制级3向功率MOSFET M的栅极施加该控制信号V1。在其谐振器1被控制信号V1激励时，为了控制放大器输出端处连接的线圈-火花塞组件电极之间火花的产生，所述信号不是持久的，而是以控制频率的控制脉冲系列形式出现的。
如专利申请EP-A-1 515594中所述，在晶体管M的中间电压Vinter的源极和漏极之间连接并联谐振电路4。这种电路4包括与电容器Cp并联的电感器Lp。
在接近其谐振频率处，并联的谐振器将中间电压Vinter转换成放大电压Va(图5所示)，放大电压对应于中间电压乘以并联谐振器的过电压系数。在还连接到谐振器1的输入的晶体管M的漏极上提供该放大电压。
因此晶体管M充当开关并在控制信号V1处于高(或低)逻辑状态时在谐振器1的输入处施加(或阻断)电压Va。于是晶体管M强加由控制信号V1决定的开关频率，努力使其尽可能接近连接在输出端的线圈-火花塞组件的谐振频率(典型地为5MHz)，以便维持形成线圈-火花塞组件的并联谐振器4和串联谐振器1之间的能量传输并使之最大化。
然后，在线圈-火花塞组件的谐振频率处，上述输出电压Va乘以串联谐振器1的过电压系数，出现在串联谐振器1的电容器C的端子处，即，出现在火花塞处电极的端子处。
必需要在谐振器的谐振器频率上执行这一阶段从放大器形成的功率级到线圈-火花塞组件的谐振器的能量转移，以便确保有良好的效率。具体而言，如果晶体管M强加不同于线圈-火花塞组件的谐振频率的开关频率，由于用于线圈-火花塞组件的串联谐振器的通带窄，能量转移会劣化。
在利用等离子体产生进行汽车点火的应用中，每个燃烧室都装备了如上所述的线圈-火花塞组件，以便按需启动燃烧。
因此，对于4汽缸引擎而言，例如，必需要有四个如上参考图2所述的E放大器类型的供电电路，以便分别供应和控制四个线圈-火花塞组件。
于是，这种基于具有与要控制的线圈-火花塞组件一样多的放大路径的配置限制了这种通过等离子体产生进行的汽车点火的发展潜力，不仅因为在发动机罩下方进行这种安装需要的空间需求，而且因为安装成本，这可能会被证实对设想在批量生产车辆中安装这种点火装置产生阻碍。
本发明目的是通过能够借助同一放大路径来控制多个线圈-火花塞组件来克服这一缺点。
鉴于这一目的，本发明涉及一种等离子发生装置，其特征在于其包括：
-供电电路，其包括受控制信号控制的开关，以便以所述控制信号限定的频率向所述供电电路的输出端施加中间电压，
-经由连接器并联设置于所述供电电路输出端上的多个等离子体发生线圈-火花塞组件，每个连接器被设计成以可拆除形式连接到对应的线圈-火花塞组件并包括被设计成使所述线圈-火花塞组件的谐振频率偏移以使每个线圈-火花塞组件具有独立谐振频率的模块，
-用于所述供电电路的控制装置，其从所述线圈-火花塞组件的谐振频率之一确定所述控制信号的频率，以便根据所使用的控制频率有选择地控制所述线圈-火花塞组件。
有利地，每个等离子体发生线圈-火花塞组件包括谐振器，所述谐振器具有1MHz以上的频率且包括两个电极，当向所述供电电路的输出端施加高压电平时，所述谐振器能够在所述两个电极之间产生等离子体。
根据一个实施例，利用普通连接元件在所述连接器自身之间组装所述连接器。
优选地，所述连接元件包括极简单模块，由此可以将其以单一方式紧固到所述多个线圈-火花塞组件。
有利地，被设计成偏移线圈-火花塞组件谐振频率的所述模块包括用于修改要与所述组件紧紧相邻定位的线圈-火花塞组件的电感值的模块。
根据一个实施例，用于修改所述线圈-火花塞组件的电感值的所述模块包括直接与所述线圈-火花塞组件的绕组接触的绕组。
优选地，所述修改模块的所述绕组设置在由磁性材料制成的元件周围。
优选地，所述修改模块的所述绕组至少部分被由磁性材料制成的元件围绕。
根据另一个实施例，用于修改所述线圈-火花塞组件的电感值的所述模块包括直接与所述线圈-火花塞组件的绕组相靠设置的由磁性材料制成的元件。
优选地，所述由磁性材料制成的元件围绕所述线圈-火花塞组件的所述绕组末端的至少一部分。
优选地，所述由磁性材料制成的元件包括插入所述线圈-火花塞组件的绕组中的中心芯。
根据一个实施例，所述磁性材料包括铁氧体。
通过参考附图阅读以非限制性范例的方式给出的以下描述，本发明的其他特征和优点将变得更加显而易见，附图中：
-图1是示出了用于对等离子体发生线圈-火花塞组件建模的谐振器的电气模型的图示；
-图2是示出了用于产生高电压的装置的图示，该装置结合了用于为线圈-火花塞组件供电和控制的放大器；
-图3示出了根据本发明的射频点火系统的完整图示，该系统包括4个并联于单个电源级输出端的火花塞线圈组件；
-图4a到4c示出了用于使每个线圈-火花塞组件的谐振频率偏移的装置的各实施例，该装置要并入用于线圈-火花塞组件的连接装置中；
-图5示出了连接装置的实施例；
-图6示出了对根据本发明的点火系统实施控制的范例的流程图。
本发明提出利用单个放大路径，换言之，利用单个图2中上述E类功率放大器类型的供电电路，控制多个线圈-火花塞组件，以便为并联于该单个供电电路输出端的多个线圈-火花塞组件有选择地供电。
图3示出了这种架构，根据本发明，其中使用单个供电电路2分别单独控制经由连接装置并联到供电电路输出端的4(以及扩展到N)个线圈-火花塞组件，即BB1、BB2、BB3和BB4。
常规上，连接装置由多个连接器20构成，每个连接器都被设计成以可拆除的方式连接到多个线圈-火花塞组件的对应线圈-火花塞组件。
能够借助单个供电电路独立控制多个线圈-火花塞组件的条件是每个等离子体发生线圈-火花塞组件自己的谐振频率与其他组件的谐振频率有很大不同。这里的具体目的是避免形成线圈-火花塞组件的每个谐振器的谐振频率范围重叠，从而克服同时多处点火的问题。
然而，尤其出于与这些火花塞的工业生产过程效率相关的原因，由于每个线圈-火花塞组件优选具有相同的谐振频率，本发明规定，在每个连接器20中包括用于以预定方式偏移相应线圈-火花塞组件的谐振频率的装置，使得每个线圈-火花塞组件具有独立的谐振频率。
这样实现的线圈-火花塞组件的频率分布必需要使得线圈-火花塞组件之间的谐振频率差异优选大于每个谐振器的通带。例如，将选择大于谐振器通带两倍的差异。
于是，线圈-火花塞组件的这种谐振频率分布使得单个功率级能够交互作用，并能够从单个供电电路2独立控制4个线圈-火花塞组件，从而为点火系统实现大的成本节约和体积节省。
图4a示出了线圈-火花塞组件BB1的连接器20。它与所述组件直接相邻，且由控制所需的两个导体21和22形成。
于是，每个连接器20就结合了装置23，装置23被设计成以预定方式偏移对应线圈-火花塞组件的谐振频率，使得所有线圈-火花塞组件的偏移谐振频率满足上述原理，即，使每个线圈-火花塞组件的谐振频率相对于彼此偏移优选大于每个线圈-火花塞组件通带两倍的值。
更确切地讲，被设计成偏移对应线圈-火花塞组件谐振频率的装置23包括用于修改要与所述组件直接相邻定位的线圈-火花塞组件的电感值的装置。
根据图4a中所述的第一实施例，这些用于修改线圈-火花塞组件电感值的装置包括要直接靠着线圈-火花塞组件的绕组L设置的磁性材料制成的元件30。
根据直接与其绕组耦合的磁性材料，更具体而言，根据与绕组相邻放置的元件的材料和几何性质，修改线圈-火花塞组件的电感值。
举例来说，可以使用铁氧体型磁性材料。
根据图4b中所示的第二实施例，由磁性材料制成的元件30包括要插入线圈-火花塞组件的绕组L中的中心芯32。
根据一种变体，配置由磁性材料制成的元件30，以便至少围绕线圈-火花塞组件的绕组L的端部的一部分。这种配置还具有改善线圈-火花塞组件的过电压系数的优点。
不过，据发现，按照期望分布线圈-火花塞组件的谐振频率在特定情况下需要使用长度一直扩展到绕组三分之一的铁氧体，这种情况可能在铁氧体和绕组之间绝缘或电容耦合方面引起问题。
因此，根据一种备选方案，连接器20结合绕组而不是铁氧体型磁元件。这样并入连接器的绕组要与线圈-火花塞组件的绕组直接接触。那么，两个绕组之间的耦合会显著改善频率偏移。
根据图4c所示的另一备选方案，连接器20包括要与线圈-火花塞组件直接接触的绕组34和磁性材料，例如铁氧体型磁性材料制成的元件36两者。然后在磁性元件36周围设置绕组34，此外可以将其配置成至少部分围绕所述绕组。
因此上文提出的方案包括：向每个线圈-火花塞组件的连接器20增加直接对着线圈-火花塞组件的元件(铁氧体和/或绕组)，以便修改其谐振频率，从而达到如下结果，即，并联于单个供电电路出口处的每个线圈-火花塞组件具有对其而言特定的谐振频率，如上所述，这些频率相对于彼此偏移。
根据图5所示的一个特定实施例，利用普通、优选刚性的连接元件26在连接器20之间进行组装，这样连接元件26充当单个连接器，利用其将前述频率偏移元件集成起来，从而以预定方式偏移每个汽缸的线圈-火花塞组件的频率。
除了能够使部件数量最小且因此优化制造工艺之外，这样的单个连接器还可以通过可靠方式被紧固到引擎上，从而相对于常规使用的独立连接器确保对振动有良好的机械阻力。
有利地，形成单个连接器26的连接元件包括极简单的装置27，使其能够以单一方式被紧固到多个线圈-火花塞组件。
于是，能够在单个连接器26中放置对例如汽缸No.1产生最小(或甚至零)频率偏移的元件23，并对直到例如汽缸No.4组件增大频率偏移。
于是在这种配置中，控制装置提前知道了各线圈-火花塞组件的控制频率次序和汽缸次序之间的对应关系。这种对应关系存储在控制装置中。
那么，这种控制单个供电电路的方法必需要考虑到针对要为每次点火控制的路径调节的频率。
根据图6中的范例，在接收到点火请求时，控制装置首先能够确定要控制的汽缸，汽缸是按照它们设置于引擎中的次序从1到4编号的。因此，为每个汽缸编号分别分配对于要控制的线圈-火花塞组件特定的谐振频率F1、F2、F3和F4。
于是，控制装置包括根据要点火的汽缸编号和预先存储的对应关系从这些频率F1、F2、F3和F4确定要产生的控制信号的频率的模块。
一旦确定了控制频率，控制装置就向输出端接口施加所述频率的控制信号，以便控制开关M。
然后，当然由用于这次点火的控制频率控制向要为点火而控制的线圈-火花塞组件进行的选择性功率转移。
根据一个特定实施例，可以利用以本申请人名义申请的法国专利申请FR 05-127669和FR 05-12770中所述的表格或自动控制方法来确定要在单个供电电路的输出端获得的谐振频率。
例如，可以为控制装置装备用于接收引擎操作参数(引擎油温、引擎转矩、引擎速度、点火角度、进口空气温度、燃烧室中的压强等)的测量信号和/或电源操作参数的测量信号的接口，还装备存储着测量信号和要产生的控制信号频率之间关系的特定存储器模块。于是，控制装置根据在接收接口接收的测量信号和存储器模块中存储的关系确定要产生的控制信号的频率。
可以想到除了为内燃机实施受控点火之外的应用而不会因此脱离本发明的范围，例如在颗粒过滤器中实施点火或空气调节系统中的去污染点火。

Claims (13)

1.一种等离子体发生装置，其特征在于包括：
-供电电路(2)，其包括通过控制信号(V1)控制的开关(M)，以便以所述控制信号定义的频率向所述供电电路的输出端施加中间电压(Vinter)，
-经由多个连接器(20)并联设置于所述供电电路的输出端上的多个等离子体发生线圈-火花塞组件(BB1，BB2，B33，BB4)，每个连接器(20)被设计成以可拆除形式连接到对应的线圈-火花塞组件，并包括被设计成使所述线圈-火花塞组件的谐振频率偏移以使得每个线圈-火花塞组件具有独立谐振频率的模块(23)；
-用于所述供电电路的控制装置(5)，其从所述线圈-火花塞组件的谐振频率之一确定所述控制信号的频率，以便根据所使用的控制频率有选择地控制所述线圈-火花塞组件。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个等离子体发生线圈-火花塞组件包括谐振器(1)，所述谐振器具有1MHz以上的频率且包括两个电极，当向所述供电电路的输出端施加高压电平时，所述谐振器能够在所述两个电极之间产生等离子体。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，利用普通连接元件(26)在所述多个连接器(20)之间组装所述多个连接器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述连接元件包括可以将所述连接元件以单一方式紧固到所述多个线圈-火花塞组件的模块(27)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，被设计成偏移线圈-火花塞组件的谐振频率的所述模块(23)包括用于修改与所述组件直接相邻定位的线圈-火花塞组件的电感值的模块。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，用于修改所述线圈-火花塞组件的电感值的所述模块包括被设置成直接与所述线圈-火花塞组件的绕组(L)接触的绕组(34)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，用于修改所述线圈-火花塞组件的电感值的所述模块的所述绕组(34)设置在由磁性材料制成的元件(36)周围。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，用于修改所述线圈-火花塞组件的电感值的所述模块的所述绕组(34)至少部分被由磁性材料制成的元件(36)包围。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，用于修改所述线圈-火花塞组件的电感值的所述模块包括直接与所述线圈-火花塞组件的绕组(L)相靠设置的由磁性材料制成的元件(30)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述由磁性材料制成的元件(30)围绕所述线圈-火花塞组件的所述绕组末端的至少一部分。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述由磁性材料制成的元件(30)包括插入所述线圈-火花塞组件的所述绕组中的中心芯(32)。
12.根据权利要求7或9所述的装置，其特征在于，所述磁性材料包括铁氧体。
13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述磁性材料包括铁氧体。
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