CN102177334A - 用于测量内燃机的射频点火系统中的电离电流的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机射频点火的设备，包括电源电路(2)，该电源电路包括变压器(T)和两个电极，其中变压器的二次绕组连接到至少一个共振器(1)，该共振器具有超过1MHz的共振频率，上述电极能够响应于点火命令而产生火花，启动发动机汽缸中的可燃混合物的燃烧，其特征在于，该设备包括：串联连接在二次绕组和共振器之间的测量电容器(CMES)，用于测量上述测量电容器的接线端上电流(IION)的测量电路(40)，上述电流提供燃烧如何进行的电像，连接在电容器和测量电路之间的保护电路(30)，以及其设计为使所述电流测量的获取时间不受通过点火命令引发的电气效应的影响。

Description

用于测量内燃机的射频点火系统中的电离电流的设备

技术领域

本发明涉及内燃机的共振射频点火技术领域。更具体而言，本发明涉及一种用于测量发动机汽缸气体的电离电流的设备。

背景技术

通常在点火结束之后测量发动机汽缸中气体的电离电流，并且据此用于执行燃烧进程的诊断，例如为了检测出对应于燃烧室最大压力的相角，以便检测出是否发生爆震或者甚至识别燃烧点火失败。

用于测量传统点火系统的电离电流的电路是人们熟知的，它的操作包括：在火花塞的电极之间产生火花之后，极化存在于燃烧室中的气体/燃料混合物，从而测量火焰蔓延产生的电流。

然而，这种电路只能适用于传统点火的特征，而不适用于例如等离子体生成点火系统，等离子体生成点火系统采用射频火花塞线圈型(BME)火花塞，其在申请人的名字提交的下列专利中得以详细地说明：FR03-10766，FR 03-10767和FR 03-10768。

实际上，射频点火的细节会对测量燃烧引发的电流带来诸多约束。

首先，点火命令信号会产生大量电流，由于可燃混合物的燃烧，这会造成电离电流产生超过120dB的振幅差。因为该电流是在点火结束之后测量的，所以会有眩光时间，在此期间测量电路不能获取微弱电流。

此外，由于将测量电路插入到点火系统中，所以不会大幅降低点火系统的效率是至关重要的。

最后，这种类型的射频点火会产生两种类型的放电，即多丝火花和单丝电弧，它们对点火系统会带来不同的影响。因此，要确保电离电流的测量与产生的放电类型无关是困难的。

因此，本发明旨在提出一种用于测量射频点火系统的电离电流的设备，特别是有可能通过最小化测量掩蔽周期以及确保测量不受产生的放电类型的影响，从而克服上述约束。

发明内容

为了实现上述目的，本发明因此涉及一种用于内燃机射频点火的设备，包括电源电路，该电源电路包括变压器和两个电极，其中变压器的二次绕组连接到至少一个共振器，该共振器具有超过1MHz的共振频率，上述电极能够响应于点火命令而产生火花，从而启动发动机汽缸中的可燃混合物的燃烧，其特征在于，该设备包括：

串联在变压器的二次绕组和共振器之间的测量电容器，

用于测量上述测量电容器的接线端处电流的测量电路，上述电流提供燃烧趋势的电像，

连接在测量电容器和测量电路之间的保护电路，其目的是使上述电流测量的获取时间不受通过点火命令引发的电气效应的影响。

根据一个实施例，在变压器和共振器的接地回路线的电平，测量电容器串联连接在变压器的二次绕组和共振器之间。

根据本发明的设备优选地包括使可燃混合物极化的装置，该装置目的是在共振器的电极和发动机接地之间施加极化电压。

根据一个实施例，保护电路包括二极管桥，该二极管桥被电源电压下的电阻极化，该电源电压和极化电压成比例。

优选的，测量电路包括利用运算放大器构成的电流-电压转换器。

根据一个实施例，运算放大器包括连接到极化电压的同相输入，以及经保护电路连接到测量电容器的接线端的反相输入。

优选的，电流-电压转换器包括反馈电阻器和并联连接到反馈电阻器的反馈电容器。

优选的，电流-电压转换器的输入阻抗比测量电容器的阻抗低至少100倍。

根据一个实施例，变压器的初级绕组一侧连接到中间电源电压，以及另一侧连接到由控制信号控制的至少一个开关晶体管的漏极，开关晶体管在控制信号限定的频率下施加电源电压至初级绕组的接线端。

优选的，变压器具有可变匝数比。

附图说明

通过阅读下面的说明书，其中给出示例性而非限制性的示例并参考附图，将可以更加清楚的理解本发明的其它特征和优点，其中：

图1是对等离子体发生射频火花塞线圈建模的共振器的示意图；

图2是示出根据现有技术的电源电路的示意图，其中该电源电路施加射频范围内的交流电压至图1中建模的火花塞线圈的接线端是可能的；

图3是示出图2的电路变型的示意图；

图4是示出根据本发明所设计的电源电路的示意图，该电源电路用于测量点火命令期间火花塞电极接线端处的电离电流和电压；以及

图5示出电离电流测量电路的一个实施例；

图5a示出图5的实施例的第一变型例；以及

图5b示出图5的实施例的第二变型例。

实施方式

受控射频点火部分中采用的火花塞线圈电气等效于共振器1(见图1)，其共振频率Fc超过1MHz，并且通常接近5MHz。该共振器包括串联的电阻器Rs、电感线圈Ls和电容器Cs。当共振器通电时，火花塞线圈的点火电极11和12连接到共振器的电容器Cs的接线端，从而可以产生多丝放电(multi-filament discharges)，以启动发动机燃烧室中混合物的燃烧。

实际上，当共振器在其共振频率Fc(

))上由高压供电时，电容器Cs的接线端上的振幅被放大，使得在高压且峰值电压小于20kV下，在电极之间产生多丝放电，其中电极距离为厘米级。

然后应用术语“分化火花(branched sparks)”，既然这些火花涉及在给定体积下同步产生至少几条线或几条路径的电离，那么它们的分化也是全向的。

然后将其应用到射频点火需要采用电源电路，该电源电路能够产生电压脉冲，通常是100ns级，能够达到1kV级的振幅，频率非常接近射频火花塞线圈的等离子体发生共振器的共振频率。

图2示意性示出这种电源电路2。射频火花塞线圈的电源电路通常采用所谓的“伪E级功率放大器”结构。这种结构可以产生具有上述特征的电压脉冲。

这种结构包括：中间直流电源V_inter，它的电压能够从0变化到250V；功率MOSFET晶体管M以及并联共振电路4，它包括并联到电容器Cp的线圈Lp。晶体管M用作开关，以便控制并联共振电路和等离子体发生共振器1的接线端的切换，其中该等离子体发生共振器旨在连接到电源电路的输出界面OUT。

晶体管M在其门极上受一频率上的命令逻辑信号V1的驱动，它由命令级3来供电，所述频率应当基本等于共振器1的共振频率。

中间直流电源电压V_inter能够优选地由高压电源(典型地是直流/直流转换器)来供电。

因此，接近其共振频率时，并联共振器4将中间直流电源电压V_inter转换成放大周期电压，它对应于电源电压乘以并联共振器的Q因数，以及将其施加到处于开关晶体管M的漏极电平的电源电路的输出接口。

然后在命令信号V1限定的频率上，其中该频率应当尽可能接近火花塞线圈的共振频率，开关晶体管M将放大的电源电压施加到电源的输出，从而在火花塞线圈的电极接线端产生高压，这对于产生和维持多丝放电而言是必需的。

因此在大约5MHz的频率上且利用能够达到1kV的漏源电压，晶体管切换高电流。

根据图3所示的变型例，并联线圈Lp于是由变压器T所替代，该变压器具有1至5的匝数比。变压器的初级绕组L_M的一侧连接到中间电源电压V_inter，以及另一侧连接到开关晶体管M的漏极，在命令信号V1限定的频率下，控制中间直流电源电压V_inter到初级绕组的接线端的施加。

变压器的二次绕组L_N的一侧通过接地回路线6连接到地，该二次绕组的一部分设计为连接到火花塞线圈。通过这种方式，火花塞线圈的共振器1因此由变压器的二次侧来供电，其中火花塞线圈的共振器通过连接线5和6连接到二次绕组的接线端，其中包括接地回路线6。

改变匝数比则可以减小晶体管的漏源电压。然而，减小初级侧电压会导致流过晶体管传递的电流增大。然后可以通过设置例如由相同的控制级3并行地控制的两个晶体管，从而可以消除该约束条件。

在点火期间，产生大量的分化火花对于确保燃烧和最佳发动机运行是必要的。对于本申请而言，燃烧的存在是通过电容器Cs的接线端之间的可变电阻R_ION来表示的。

代表燃烧趋势的电离信号具有0.1μA至1mA的振幅，振幅大小根据燃烧室的条件而定(温度、压力、混合物组成等等)。因此，需要努力测量出相对于点火信号的振幅比高达120dB的信号。

电离信号是低频信号，并且在100kHz频率进行采样可以用于提取所有有用信息。在射频点火的情况下，等离子体发生共振器R_sL_sC_s在超过1MHz并且通常为4MHz至6MHz之间的频率下驱动。因此接近二十的频率差是有利的，这于是可以用于抵消振幅电平差。

产生电离电流的测量需要采用没有降低点火能量效率的部件。

参照图4，为此目的所采用的技术方案包括在接地回路线6将测量电容器C_MES串联连接到变压器T的二次绕组和共振器1之间。因此，测量电容器优选设置在电路中相对于接地的电位差尽可能低的位置。

采用大约10毫微法电容的电容器可以不干扰点火系统同时保持执行电离电流的低频测量的可能性。

因此，选择这种测量部件而不采用其它无源部件的主要优点在于射频性能。实际上，在高频时，本领域技术人员熟知，电容器的高频等效电路包括串联共振器。实际上，共振器的阻抗根据施加到输入的信号频率而改变，并且在共振器的共振频率下阻抗最低。共振器的阻抗根据频率改变的这种特性于是使得电容器在点火的共振频率附近呈现非常低的阻抗，在用于电离信号的频率带(F_ION＜15kHz)处呈现高阻抗。因此，需要慎重的选择测量电容器，使其在用于点火命令信号的频率范围内呈现其最低阻抗。这使得最小化测量电容器的接线端电压成为可能，从而保护测量电路，下面参照图5来说明测量电路。

设置提供电压V_polar的直流电源(图中未示出)，从而极化火花塞线圈的高压电极，该高压电极相对于发动机的汽缸头连接到电源电路的输出，从而使得在点火结束之后极化可燃混合物成为可能。

代表燃烧的电离电流I_ION实际上是点火结束之后也就是说是形成火花之后测量的信号。除了别的之外，因此它的振幅依赖于火花塞线圈电极和发动机接地之间施加的极化电压。

极化电压是单极的，并且通常在1V至100V之间。当火花塞的高压电极在大于发动机接地电位的电位上极化时，应用术语“正向极化”。

然而，也可以负向极化可燃混合物。火花塞的中心电极的电位则小于发动机接地电位。在这种情况下，极化电压通常在-100V至-1V之间。

图5示出电路40，该电路用于测量电容器C_MES的接线端处的电离电流I_ION，对燃烧趋势的电像供电。参照该附图，测量电路40以电流-电压转换器的形式产生，其被指定用于提供与输入电流成比例的输出电压V_s。

该转换器包括运算放大器MN1和反馈电阻器R_R。

运算放大器MN1具有连接到极化电压V_polar的同相输入(+)和经保护电路30连接到电容器C_MES的接线端的反相输入(-)，设计为使得形成火花的效应的测量获取时间不受限制，并且下面我们还将更加详细的说明。

电阻器R_R安装在反相输出(-)和运算放大器MN1的输出之间。

作为变型例，如图5a所示，在可燃混合物负向极化的情况下，同相输入(+)连接到负极化电压V_polar，以及反相输入(-)经保护电路30连接到测量电容器的接线端，同时电阻器R_R连接到反相输入(-)和运算放大器MN1的输出之间。

根据图5b示出的另一个变型例，还可以利用满足以下条件的极化电压V_polar来选择任意极化可燃混合物：

V_EE＜V_polar＜V_cc，其中V_EE＜0且V_cc＞0

这种电流/电压设置能够准确地测量非常微弱的电流。

运算放大器的输入等于数值L_e的电感。因电流-电压转换器和测量电容器C_MES的输入阻抗|ZE|所形成的电路，这会导致超过100kHz的频率F_osc在点火结束之后出现伪周期性振荡，从而减小测量电路的去饱和时间。因此需要增加与反馈电阻器R_R并联的反馈电容C_R，从而阻尼这些振荡。因此该电容选择为满足以下条件：

$\mathrm{Fosc}>f=\frac{2\mathrm{\π}}{R_R{C}_R}>100\mathrm{kHz}$

因此该反馈电容对于代表燃烧趋势的测量信号的可用频率带(通常小于100kHz)而言是可以忽略不计的，同时使得测量电路的去饱和时间最优化。

此外，对于慎重选择的反馈阻抗而言，确保测量电路的输出电压V_s与燃烧产生的电流I_ION正确地成比例是至关重要的。

典型地，在火花产生相位期间，测量电容器C_MES会放电。电流-电压转换器的输入阻抗Z_E比测量电容器Z_MES的阻抗低(至少低100倍)是至关重要的。这个条件确保了电流-电压转换器而非测量电容器提供发生燃烧的图像的电流。换言之，对于放大器MN1中恢复的所有电离电流I_ION，电容器C_MES的阻抗比放大器的输入阻抗要高是必需的。

该转换器具有的输入阻抗满足以下关系式是公知常识：

$\left|Z_E\right|=\frac{\left|Z_R\right|}{G}$

其中G是运算放大器的自然增益(natural gain)。

而：

$\left|Z_R\right|=\frac{R_R}{1+\mathrm{j\ω}{R}_R{C}_R}\≈R_R$

因此，所有低于100kHz的频率都应当满足以下关系式：

$\frac{\left|Z_{\mathrm{MES}}\right|}{\left|Z_R\right|}.G>\mathrm{\α},$ 其中α≥100

因此，如果上述条件满足，则下面的关系式亦成立：

V_s＝R_R＊I_ION+V_POLAR

下面将更加详细的说明保护电路30，通过满足前述测量电路40的反眩光作用，该保护电路可以不受点火效应的影响。通过这种方式，能够顺利获取代表燃烧趋势的电流I_ION的测量值，而不受形成火花的效应影响。

实际上，与燃烧有关的有用信息能够在点火结束之后马上通过离子信号来提取。

实际上，可以看到的是，由点火命令信号引发的强电流与代表燃烧的电流相比具有接近120dB的振幅差，该强电流会导致眩光时间或者掩蔽周期，在这期间不能获取微弱电流。

以及，为了最小化与点火命令相关的效应，将保护电路30连接到测量电容器和形成测量电路40的电流-电压转换器之间。实际上，电流-电压转换器必须保持最佳可能动态范围以及具有优选地小于300μs的去饱和时间，以便以最大速度可靠地测量燃烧状况。

保护电路30包括二极管桥31，其由电阻器R_H和R_B在电源电压V_ALIM下极化，该电源电压V_ALIM优选地接近极化电压V_POLAR。

这种结构是稳定的，以及即使保护电路的二极管中流动的极化电流I_D比转换器提供的电流高，也不会影响到测量。

可以检查：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ALIM}}}{2(r_{\mathrm{dyn}}+R_B+R_H)}$ 以 $r_{\mathrm{dyn}}\≈\frac{1}{40\×I_D}$ 及

其中R_dyn是二极管的动态电阻。

因此：

$I_D\≈\frac{V_{\mathrm{ALIM}}-1/20}{R_B+R_H}$

或者，如果V_ALIM＝12V，并且R_B＝R_H＝1kΩ，则获得以下关系式：

ID＝3mA＞I_IONmax＝500μA

该等式使得可以在保护电路的结构稳定性和平均消耗之间找到良好的平衡折中。电阻器R_B和R_H通常能够具有100Ω至50kΩ之间的数值，并且它们可以是不同数值。

因此最优极化电压V_POLAR通过以下等式限定：

$V_{\mathrm{POLAR}}=\frac{R_H}{R_H+R_B}.V_{\mathrm{ALIM}}$

电压V_POLAR例如可以经电阻性分压电路通过电压V_ALIM获取，实质上是公知常识。

因此，保护电路30具有双重功能。不论火花产生条件如何，它都可以保持测量电路的低去饱和时间。以及，它有助于增强测量电路对于共振点火系统能够产生的每种火花均适用的鲁棒性。

Claims (10)

1.一种用于内燃机射频点火的设备，包括电源电路(2)，该电源电路包括变压器(T)和两个电极(11，12)，其中变压器的二次绕组(L_N)连接到至少一个共振器(1)，该共振器具有超过1MHz的共振频率，上述电极能够响应于点火命令而产生火花，启动发动机汽缸中的可燃混合物的燃烧，其特征在于，该设备包括：

串联连接在变压器的二次绕组和共振器之间的测量电容器(C_MES)，

用于测量上述测量电容器的接线端上电流(I_ION)的电路(40)，上述电流提供燃烧趋势的电像，

连接在测量电容器和测量电路之间的保护电路(30)，其用于使所述电流(I_ION)测量的获取时间不受通过点火命令引发的电气效应的影响。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在变压器和共振器的接地回路线(6)的电平处，测量电容器(C_MES)串联连接在变压器的二次绕组和共振器之间。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，其包括使可燃混合物极化的装置，该装置用于在共振器的电极和发动机接地之间施加极化电压(V_polar)。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，保护电路(30)包括二极管桥，该二极管桥由电源电压(V_ALIM)下的电阻(R_H，R_B)极化，该电源电压和极化电压(V_polar)成比例。

5.根据上述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，测量电路(40)包括利用运算放大器(MN1)构成的电流-电压转换器。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，运算放大器具有连接到极化电压的同相输入，以及经保护电路连接到测量电容器的接线端的反相输入。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，电流-电压转换器包括反馈电阻器和并联连接到反馈电阻器的反馈电容器。

8.根据权利要求5至7任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，电流-电压转换器的输入阻抗比测量电容器的阻抗至少低100倍。

9.根据上述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，变压器的初级绕组的一侧连接到中间电源电压(V_inter)，以及另一侧连接到由控制信号(V1)所控制的至少一个开关晶体管(M)的漏极，开关晶体管在控制信号限定的频率下施加电源电压至初级绕组的接线端。

10.根据上述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，变压器具有可调匝数比。

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