CN101849100A - 测量用于内燃机的射频点火系统中的电离电流的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的射频点火设备，其特征在于，该设备包括：电源电路(2)，包括：变压器(T)，其次绕线(LN)连接至共振器(1)，并且包括：2个电极，其能够生成火花以在点火命令时在引擎汽缸中启动燃烧；测量电容器(C_MEs)，其串联在所述变压器的次绕线和所述共振器之间；以及测量电路(10)，用于测量燃烧气体的电离电流(I_ION)，连接至所述测量电容器，所述测量电路包括：电压发生器，其具有低输入阻抗，能够向测量电容器供应极化电压(V_POLAR)以生成电离电流；放大电离电流的第一装置(M₁，R_A，R_B)；和测量代表放大电离电流的电压(Vs)的装置(Rs)。

Description

测量用于内燃机的射频点火系统中的电离电流的设备

技术领域

本发明涉及在电控的射频点火系统中用于内燃机的测量设备，其适于测量在燃烧时引擎汽缸中的气体的电离电流。

背景技术

典型地，在点火结束之后测量引擎汽缸中的气体的电离电流，并且其特别有利地适用于例如检测与燃烧室的压力峰值相应的曲轴转角，用于检测爆震，或甚至用于识别失火。

用于测量传统点火系统的电离电流的电路是已知的，其中所述操作包括在火花塞的电极之间生成火花之后使得燃烧室中混合物极化，以测量由于火花的传播引起的电流。

这种电路通常位于与火花塞连接的点火线圈的次级线圈的底部。

然而，这些电路需要专用于传统点火的特征，因此不适合于等离子体生成点火系统，其实现射频插塞线圈(plug-coil)型的火花塞，如以申请人名称提交的以下专利申请中详细所述：FR 03-10766、FR 03-10767和FR03-10768。

射频点火的特定特征在测量电离电流时引起多种限制。在实践中，在点火结束之后测量电离电流。其幅值取决于在插塞的高压电极和引擎接地之间施加的直流(DC)电压或“极化电压”。极化电压典型地位于电池电压和几百伏特之间。经验示出代表电离电流的信号具有0.1uA和1mA之间的幅值，其取决于燃烧室的条件(温度、压力、混合物的成分等)。现在，点火控制信号导致大量电流，其具有大约120dB的幅值偏差以及要测量的电离电流。因此，测量电路经历不能够获得低电流的强光(glare)时间。

此外，这种点火能够引起2种放电(多丝火花或单丝弧)，他们对于测量系统具有不同的影响。因此，难以保证电离电流测量相对于所生成的放电类型的独立性。

发明内容

因此，本发明的目的在于通过提出一种设备至少部分地解决这些缺陷，所述设备用于测量适于射频点火系统的电离电流。

考虑这个目的，因此本发明涉及一种用于内燃机的射频点火设备，其特征在于，该设备包括：

-电源电路，包括：变压器，其次绕线连接至具有大于1MHz的共振频率的至少一个共振器，并且包括：2个电极，其能够生成火花以在点火命令时在引擎汽缸中启动燃烧；

-测量电容器，其串联在所述变压器的次绕线和所述共振器之间；以及

-电路，用于测量在汽缸中燃烧气体的电离电流，连接至所述测量电容器，所述测量电路包括：电压发生器，其具有低输入阻抗，能够向测量电容器供应极化电压以生成电离电流；放大电离电流的第一装置；和测量代表放大电离电流的电压的装置，其连接至第一放大装置的输出。

有利地，所述测量电容器串联在所述变压器的次绕线和共振器之间，位于变压器和共振器的接地回线的级处。

根据一个实施例，所述测量电路包括：晶体管，以共同基极配置安装；其第一电极连接至所述测量电容器的端子；以及其第二电极经由所述第一放大装置连接至所述极化电压。

根据另一个实施例，以共同基极配置安装的晶体管的第一电极还连接至测量电路的输入电阻器。

有利地，测量代表放大电离电流的电压的装置还经由第二放大装置连接至输入电阻器，所述第二放大装置能够放大在输入电阻中循环的电流并具有与第一放大装置相同的放大因子。

根据一个实施例，所述放大装置包括电流镜。

根据一个实施例，所述测量代表放大电离电流的电压的装置包括测量电阻。

根据另一个实施例，所述变压器的主绕线在一端连接至电源电压，并且在另一端连接至由控制信号控制的至少一个开关晶体管的漏极，所述开关晶体管以所述控制信号限定的频率向所述主绕线的端子施加电源电压。

优选地，所述变压器具有可变圈数比。

附图说明

根据阅读通过示例性和非限制性实例并参照附图所给出的以下说明书，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚，其中：

图1是等离子体生成射频插塞线圈的模型化的共振器的视图；

图2是示出根据现有状态的电源电路的视图，使得能够向图1中模型化的插塞线圈的端子施加射频范围内的交流电压；

图3是示出图2的电路的变型的视图；

图4是示出根据本发明的适于测量电离电流的电源电路的视图；以及

图5示出电离电流测量电路的实施例。

具体实施方式

在受控射频点火的环境中实现的插塞线圈电学等同于共振器1(见图1)，其共振频率F_c大于1MHz，并且典型地接近于5MHz。共振器1包括串联的电阻Rs、电感线圈Ls和指示为Cs的电容器。插塞线圈的点火电极11和12连接至共振器的电容器Cs的端子，使其能够生成多丝放电，以便当按其共振频率对共振器供电时在引擎的燃烧室中启动混合物的燃烧。

在实践中，当按其共振频率

通过高电压对共振器供电时，在电容器Cs的端子处的幅值被放大，从而在距离为厘米量级的电极之间以高压力出现多丝放电，并且峰值电压小于20kV。

然后，将火花称为“分支”，因为他们包括给定量的至少多个电离线路或路径的同时生成，他们的分支还是全向的。

然后，对于射频点火的这种应用需要使用电源电路，其能够生成电压脉冲，典型地是100ns的量级，可能能够达到1kV的量级的幅值，其频率非常接近于射频插塞线圈的等离子体生成共振器的共振频率。

图2示意性示出这种电源电路2，细节见专利申请FR 03-10767。射频插塞线圈的电源电路通常实现所谓的“伪E级功率放大器”电路。这个电路使其能够创建具有上述特征的电压脉冲。

这个电路包括中间DC电源Vinter(其可从0改变至250V)、功率MOSFET晶体管M和并行共振电路4，后者包括与电容器Cp并联的线圈Lp，也具有接近于5Mhz的共振频率。晶体管M被用作控制并联共振电路和等离子体生成共振器1的端子处的交换的开关，其被指定连接至电源电路的输出接口OUT。

按大致与共振器1的共振频率一致的频率通过由控制级3提供的控制逻辑信号V1在其栅极上驱动晶体管M。

可在0和250V之间改变的中间DC电源电压Vinter可有利地由高电压电源(典型地，DC/DC转换器)提供。

因此，在其共振频率附近，并联共振器4将DC电源电压Vinter转换成放大的周期电压，其相应于电源电压乘以并联共振器的品质因子，并在开关晶体管M的漏极的级处施加给电源电路的输出接口。

然后，开关晶体管M将放大的电源电压施加给电源的输出，其频率由控制信号V1限定，尽可能接近于插塞线圈的共振频率，以在插塞线圈的引起和维持多丝放电所需要的电极端子处生成高电压。

因此，晶体管按约5MHz的频率切换高电流(I_peak≈20A)，并具有可达到1kV的漏极-源极电压。因此，晶体管的选择是重要的，并且需要电压和电流之间的权衡。

此外，根据图3中所示的实施例，提出将并联线圈Lp替换为变压器T，其具有可变圈数比(例如在1和5之间)并适配该圈数比，以减少开关晶体管M的漏极-源极电压。变压器的主绕线L_M在一端连接至电源电压Vinter，并且在另一端连接至开关晶体管M的漏极，从而按控制信号V1限定的频率控制向主绕线的端子施加电源电压Vinter。

变压器的次绕线L_N的一端通过接地回线6接地，并被设计为连接至插塞线圈。这样，通过链路线5和6(包括接地回线6)连接至次绕线的端子的插塞线圈的共振器1因此由变压器的次绕线供电，如图4所示。

然后，适配圈数比使得能够减少晶体管的漏极-源极电压。然而，降低主绕线的电压导致通过晶体管的电流增加。然后，可通过例如将同一控制级3控制的两个晶体管并联来补偿这种限制。

在点火时，对于分支火花重要地，使体积增长，以确保燃烧和最佳引擎操作。因此，电离电流的测量需要使用这样的组件，其不降低点火的能量效率。

为此目的保持的方案包括在变压器T的次绕线和共振器1之间使测量电容器C_MES串联至接地回线6。因此，有利地将测量电容器置于电路上的相对于地的电势差尽可能低的点处。

典型地大约10个毫微法拉(nanofarad)的缩减电容的电容器使其能够不干扰点火系统，同时具有执行电离电流的低频率测量的可能。

因此，相对于其他无源组件选择这个测量组件的主要优点在于其射频特性。在实践中，在高频率下，本领域普通技术人员知晓电容器的高频等效电路包括串联的共振器。现在，共振器具有根据向其输入端施加的信号频率而改变的阻抗，并且在共振器的共振频率处是最小值。然后，共振器的阻抗根据频率的这种改变特征使得电容器在点火共振频率的附近出现很低阻抗，以及在用于点火信号的频带(F_ION＜15kHz)中出现高阻抗。因此，明智地选择测量电容器，以在用于点火控制信号的频率范围内提供其最低阻抗。这样能够最小化在测量电容器的端子处的电压，以保护测量电路，现在将参照图5进行描述。

可在点火结束之后立即从离子信号提取有用的燃烧信息。通过在平均40°曲轴上持续的燃烧，可容忍在火花结束之后(或对于6500rpm的引擎速度约8°曲轴)直到200us的信息被掩饰。然后，有必要提供能够用于很快地执行测量的测量电路。由于测量电路在点火阶段饱和(由于点火控制信号引起的主电流)，于是有必要使得电路减饱和时间不超过200us，以能够在线性模式下获得测量信号。

此外，如图5所示连接至测量电容器C_MES的端子的测量电路10有利地包括：电压发生器，其具有低输入阻抗(典型地，约10欧姆的量级)，以减少测量电路的强光时间，并且能够供应DC极化电压V_POLAR以对测量电容器C_MES充电。电压V_POLAR可以在例如12和250V之间。

因此，发生器的低输入阻抗使其能够保持在电容器端子处的电压恒定和/或在火花之后快速将其电压带到V_POLAR。对于电流I_ION，这个阻抗足够低，所述电流I_ION表示通过晶体管T_B(并且不通过电容器C_MES)在燃烧室中提供的气体燃烧趋势，以下将更详细描述其操作。这个放电电流I_ION就是要经由图5的测量电路10测量的电流。

因此，经由极化级12向电路施加极化电压V_POLAR，所述极化级12包括与晶体管的发射器上的输出以共同基极配置安装的双极晶体管T_B，连接至测量电容器C_MES的端子。以共同基极配置安装晶体管T_B特征特别地在于其低输入阻抗，有利地使其能够在测量电路上获得期望的反应。

例如，通过将这个电路连接至测量电容器，获得输入阻抗Z_E，其等于：

$Z_E=R_{\mathrm{IN}}/\left(\frac{r_{\mathrm{be}}}{\mathrm{\β}+1}\right)$

其中：R_IN是位于测量电路的输入端处的电阻，

R_be指示晶体管TB的固有电阻，以及

β相应于晶体管TB的增益。

典型地，通过选择：R_IN＝8kΩ，R_be＝1kΩ以及β＝100，我们获得Z_E≈10Ω。

经由测量电路的输出电阻R_S测量代表电离电流I_ION的电路12的输出电流I_S，实际上电流经过如在以下将更详细理解的测量电路的输出电阻R_S，所述电流在该输出电阻端子处向其施加电压V_S，然后其测量提供电离电流的电压的映像。

这个电流I_S大致等于进入晶体管T_B中的电流I_C和在电路的输入电阻R_IN中循环的电流I_P之间的电流差。

现在，由于要测量的电离电流的幅值较低并且通常小于1mA，所以测量电路有利地包括电流放大装置。为此，测量电路包括第一电流镜M₁，其连接在极化电压源V_POLAR和晶体管T_B的输入端之间，并具有由电流镜M₁的每个分支中分别存在的电阻R_A和R_B的值限定的放大增益G_m＝R_A/R_B。因此，电流镜M₁使其能够放大进入晶体管T_B(其连接至电流镜M₁的输出端)中的信号I_C的电流，以复制用于晶体管R_S的这个放大信号。

由此可见，电流I_C是电离电流I_ION和在输入电阻R_IN中循环的电流I_R的总和。此外，为了测量在仅代表电离电流的R_S的端子处的电压V_S，有必要从在电流镜M₁的输出处获得的放大信号中减去与输入电阻R_IN中循环的电流相应的无用分量。

为此，测量电路包括第二电流镜M₂，其连接在电路的输入电阻R_IN和接地之间，并具有由电流镜M₂的每个分支中分别存在的电阻R’_A和R’_B的值限定的，与第一电流镜M₁相同的放大增益G_m。

因此，通过比例G_m＝R_A/R_B＝R’_A/R’_B放大的、大致等于电离电流I_ION的电流差I_C-I_R经过与第二放大装置M₂的输出连接的输出电阻R_S。换句话说，由电离电流的放大映像通过输出电阻Rs，以根据如下关系获得在其端子处的输出电压Vs：

V_S＝G_m x R_S x I_ION

其中：G_m是电流镜的增益，

R_S是输出电阻，和

I_ION相应于电离电流。

为了获得高电离电流，必须通过尽可能高的，但是受到由电路的晶体管所支持的最大电压和电流限制的DC电压来极化电路。此外，由测量电路的晶体管接受的最大电压确定电路的极化电压。类似地，输入电流必须保持足够低，以确保线性模式的操作。这个限制制约了向电流镜施加的增益。因此，在输入端上(在测量电容器的端子上)短路的情况下，电流在电流镜M₁的电阻R_A中增加。通过放大，增加电阻R_B中的电流。为了保护电路，可从集电极向电流镜M₁的第二晶体管的基极增加二极管D₂。

还可看到，在测量电容器的端子处的电压还是所生成的火花类型的函数。在插塞的电极和接地面之间的单丝火花导致在测量电容器中循环的电流突增，因此在其端子处导致电压的较大改变，潜在地损坏测量电路。因此，测量电路可提供保护二极管D₁，使其能够将过多能量传送至缓冲器电容器C_T，并确保在测量电容器的端子处的电压不超过极化电压V_POLAR。

Claims (9)

1.一种用于内燃机的射频点火设备，其特征在于，该设备包括：

-电源电路(2)，包括：变压器(T)，其次绕线(L_N)连接至具有大于1MHz的共振频率的至少一个共振器(1)，并且包括：2个电极(11，12)，其能够生成火花以在点火命令时在引擎汽缸中启动燃烧；

-测量电容器(C_MES)，其串联在所述变压器的次绕线和所述共振器之间；以及

-电路(10)，用于测量在汽缸中燃烧气体的电离电流(I_ION)，连接至所述测量电容器，所述测量电路包括：电压发生器，其具有低输入阻抗，能够向测量电容器供应极化电压(V_POLAR)以生成电离电流；放大电离电流的第一装置(M₁，R_A，R_B)；和测量代表放大电离电流的电压(Vs)的装置(Rs)，其连接至第一放大装置的输出端。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测量电容器(C_MES)串联在所述变压器的次绕线和共振器之间，位于变压器和共振器的接地回线(6)的级处。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述测量电路包括：晶体管(T_B)，以共同基极配置安装；其第一电极连接至所述测量电容器的端子；以及其第二电极经由所述第一放大装置连接至所述极化电压(V_POLAR)。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，以共同基极配置安装的晶体管的第一电极还连接至测量电路的输入电阻(R_IN)。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，测量代表放大电离电流的电压的装置还经由第二放大装置(M₂，R’_A，R’_B)连接至输入电阻，所述第二放大装置(M₂，R’_A，R’_B)能够放大在输入电阻中循环的电流并具有与第一放大装置相同的放大增益。

6.如先前任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述放大装置包括电流镜。

7.如先前任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述测量代表放大电离电流的电压的装置包括测量电阻(Rs)。

8.如先前任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述变压器的主绕线在一端连接至电源电压(Vinter)，并且在另一端连接至由控制信号(V1)控制的至少一个开关晶体管(M)的漏极，所述开关晶体管以所述控制信号限定的频率向所述主绕线的端子施加电源电压。

9.如先前任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述变压器具有可变圈数比。

Images