CN102459863A - 具有自调节功率放大器的电晕点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率放大器电路，其具有电感器和电容器，所述电感器和电容器与RF变压器的输出绕组的一端连接。输出绕组的另一端与一个电阻器连接，所述电阻器转而接地。该变压器具有两个一次绕组。两个一次绕组都具有与可变DC电压源连接的一端。每个一次绕组的另一端接至诸如MOSFET的开关。所有这三个绕组围绕磁芯缠绕。从DC电压源流到开关的电流在磁芯中产生磁通。在二次绕组电阻器上产生一个电压。该电压被馈回到开关，控制导通和关断时间。通过这种方式，免除了测量和记录固有频率的需要。

Description

具有自调节功率放大器的电晕点火系统

要求优先权

本申请要求于2009年5月8日提交的美国临时申请号61/176,614的优先权的利益，该申请的内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及在汽车等应用中用于对空气/燃料混合物进行点火的点火器，并且特别地涉及用于电晕点火系统中的自调节功率放大器。

背景技术

美国专利6,883,507公开了用于电晕放电型空气/燃料点火系统的点火器。根据用于引起燃烧的示例性方法，电极被充电达到高的射频(“RF”)电压电势以在燃烧室中形成强的RF电场。强电场反过来使得燃烧室中的燃料-空气混合物的一部分离子化。使燃料-空气气体电离的过程可能是介电击穿的开始。但是该电场能够被动态地控制以使介电击穿不进行到电子雪崩的水平，电子雪崩将导致形成等离子体并且导致电弧从电极击穿到接地的气缸壁或活塞。电场保持在仅将燃料-空气气体的一部分(不足以形成前述的产生等离子体的电子雪崩连锁反应的部分)电离的水平。然而，电场却保持足够强从而发生电晕放电。在电晕放电时，电极上的一些电荷由于通过气体运载到地、或者通过电子从经电离的燃料-空气混合物释放或者吸收到电极中而消散为小电流，但是与弧放电相比，该电流非常小并且电极处的电压电势保持得非常高。足够强的电场使得燃料-空气混合物的一部分电离以有利于燃烧反应。经电离的燃料-空气混合物形成火焰前锋，然后火焰前锋变为自维持稳定(self-sustaining)并且燃烧剩余的燃料-空气混合物。

图1示出了电容耦合的RF电晕放电点火系统。由于电极40不延伸到馈穿绝缘器71b的周围介电材料之外而直接暴露到燃料-空气混合物中，所以该系统被称为“电容耦合”。相反地，电极40保持由馈穿绝缘器71b遮盖并且取决于经过部分馈穿绝缘器的电极的电场在燃烧室50中产生电场。

图2为示例性实施方案的控制电子器件和一次线圈单元60的功能框图。如图2所示，控制电子器件和一次线圈单元60包括中间抽头型(center tapered)一次RF变压器20，中间抽头型一次RF变压器20经由线路62从DC源接收例如150伏特的电压。高功率开关72按期望频率(例如，高压回路30的共振频率)将施加到变压器20上的功率在两个相位，即相位A和相位B之间切换(参见图1)。150伏特的DC源还与用于控制电子器件和一次线圈单元60中的控制电路的电源74连接。控制电路电源74通常包括降压变压器，其将150伏特的DC源降低至控制电子器件可接受的水平，例如，5-12伏特。根据示例性实施方案，来自变压器20的输出，在图1和图2中被描述为“A”，用于为容纳在二次线圈单元中的高压电路30供电。

在点A处检测从变压器20输出的电流和电压，并且分别在73和75处执行常规的信号调整，例如从信号中去除噪声。这种信号调整可以包括例如有源滤波器、无源滤波器或数字滤波器、低通滤波器或带通滤波器。然后，电流和电压信号进行全波整流并且分别在77、79处进行平均化(averaged)。去除信号噪声的电压和电流的平均化可通过常规的模拟或数字电路来完成。经平均化和整流的电流和电压信号被送到除法器80，除法器80通过将电压除以电流来计算实际的阻抗。电流和电压信号还被送到鉴相器和锁相环(PLL)78，该锁相环(PLL)78输出作为高压电路30的共振频率的频率。该PLL通过调节其输出频率以使电压和电流同相来确定共振频率。对于串联型共振电路，当在共振激发时，电压和电流同相。

计算出的阻抗和共振频率被送到脉宽调制器82，脉宽调制器82输出两个脉冲信号，相位A和相位B，每个脉冲信号均具有计算出的占空比(dutycycles)，以便驱动变压器20。脉冲信号的频率基于从PLL 78接收到的共振频率。占空比基于从除法器80接收到的阻抗，还基于从系统控制器84接收到的阻抗设定值。脉宽调制器82调节两个脉冲信号的占空比以使来自除法器80的测量阻抗与从系统控制器84接收到的阻抗设定值相匹配。

除了输出阻抗设定值之外，系统控制器84还将触发信号脉冲发送到脉宽调制器82。该触发信号脉冲控制变压器20的激活时间，所述激活时间控制图1所示的高压电路30和电极40的激活。触发信号脉冲基于从未示出的主发动机控制器86接收到的时间信号61。时间信号61确定开始点火顺顺序的时刻。系统控制器84接收该时间信号61，然后将适当的触发脉冲顺序和阻抗设定值发送到脉宽调制器82。该信息将点火的时刻、点火多少次、点火多长时间以及阻抗设定值告知脉宽调制器。期望的电晕特性(例如，点火顺序和阻抗设定值)会很难在系统控制器84中进行编码，或者该信息可通过来自主发动机控制器86的信号63发送到系统控制器84。系统控制器84可将诊断信息发送到主发动机控制器86，这为现代发动机控制和点火系统中的惯用技术手段。诊断信息的实例可以包括通过电流和电压信号确定的欠压供给/过压供给、点火故障等。

发明概述

一种功率放大器电路具有与RF变压器的输出绕组的一端连接的电感器和电容器。输出绕组的另一端与接地的电阻器连接。变压器具有两个一次绕组。两个一次绕组均具有与可变DC电压源连接的一端。每个一次绕组的另一端接至MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。所有这三个绕组均围绕铁氧体磁芯缠绕。两个一次绕组被布置为使得从DC电压源流到MOSFET的电流沿相反的方向在铁氧体磁芯中引起磁通。为了引起电路的振荡，MOSFET中的一个导通，瞬间使电感器和电容器共鸣。结果，在二次绕组电阻器上产生电压，电压被馈给电路，电路将所有噪声滤除并且留下处于电感器电容器的固有频率的电压，该电压被馈回MOSFET，控制导通和关断时间。通过这种方式，免除了测量和记录固有频率的需要。

在本发明的一个实施方案中，存在用于电晕点火系统的功率放大器电路，包括：RF变压器，其具有输出绕组和两个一次绕组，输出绕组和两个一次绕组围绕磁芯缠绕；与输出绕组的一端连接的电感器和电容器；以及电阻器，其与输出绕组的另一端连接，其中在输出绕组中感应出的电流沿相反的方向在磁芯中产生磁通。

在本发明的一个方案中，两个一次绕组各自具有与可变DC电压源连接的一端，并且两个一次绕组中的每个的另一端接至第一和第二开关，以控制第一和第二开关的导通和关断时间。

在本发明的另一方案中，放大器电路进一步包括感应绕组(sensewinding)，该感应绕组提供反馈信号以补偿变化的电容，并且其中，输出绕组将一个输出信号提供给电晕点火器。

在本发明的另一实施方案中，存在具有自调节放大器电路的电晕点火系统，电晕点火系统具有与RF变压器的输出绕组的一端连接的感应变压器。

在本发明的一个方案中，在输出绕组中感应出的电流在感应变压器中产生磁通以激励二次绕组。

在本发明的另一方案中，二次绕组的两端分别与驱动电路的两个开关连接以使电晕点火系统工作，从而使电晕点火器点火。

在本发明的又一实施方案中，具有一个内燃机，包括：气缸盖，其具有从上表面延伸到燃烧室的点火器开口，燃烧室中具有电晕点火器，电晕点火器包括被配置为接收来自发动机计算机的信号的控制电路；以及功率放大器电路，其产生交变的电流和电压信号以按其共振频率来驱动点火器组件，点火器组件包括形成了LCR电路的电感器、电容器和电阻器，电感器的一端通过点火端组件与使电晕点火器点火的内燃机的燃烧室中的电极冠(electrodecrown)连接。

在本发明的一个方案中，功率放大器电路包括：一个RF变压器，其具有输出绕组和两个一次绕组，所述输出绕组和两个一次绕组围绕磁芯缠绕；电感器和电容器，其与输出绕组的一端连接；以及电阻器，其与输出绕组的另一端连接，其中在输出绕组中感应出的电流沿相反的方向在磁芯中产生磁通。

在本发明的另一方案中，控制电路确定施加到功率放大器电路的电压，功率放大器电路通过绕组驱动电流并且提供点火器组件的共振频率的反馈信号，并且，当电容器的电容、电阻器的电阻和电感器的电感相结合时，点火器组件按指定频率共振。

在本发明的又一方案中，两个一次绕组各自具有与可变DC电压源连接的一端，并且两个一次绕组中的每个的另一端接至第一和第二开关，从而控制第一和第二开关的导通和关断时间。

在本发明的又一方案中，放大器电路进一步包括感应绕组，所述感应绕组提供反馈信号以补偿变化的电容，并且其中，输出绕组将输出信号提供给电晕点火器。

通过优选实施方案的详细描述，本发明的这些和其它的特征和优点对于本领域技术人员更加显而易见。下面对随附详细描述的附图进行描述。

附图说明

图1示出了现有技术中的示例性电晕放电点火系统。

图2示出了依照现有技术系统的控制电子器件和一次线圈单元的功能框图。

图3示出了依照本发明的自调节电路。

具体实施方式

一个功率放大器电路具有与RF变压器的输出绕组的一端连接的电感器和电容器。输出绕组的另一端与电阻器连接，电阻器转而接地。该变压器具有两个一次绕组。两个一次绕组均具有与可变DC电压源连接的一端。每个一次绕组的另一端接至MOSFET。所有这三个绕组围绕铁氧体磁芯缠绕。两个一次绕组被布置为使得从DC电压源到MOSFET的电流沿相反的方向在铁氧体磁芯中产生磁通。为了引起电路的振荡，MOSFET中的一个导通，瞬间使电感器和电容器共鸣。结果，在二次绕组电阻器上产生电压，所述电压被馈给电路，所述电路将所有的噪声滤除并且留下处于电感器电容器的固有频率的电压。该电压被馈回到MOSFET，控制导通和关断时间。通过这种方式，免除了测量和记录固有频率的需要。

图3中所示的电路包括一个变压器、驱动变压器的金属氧化物半导体场效应晶体管以及调节变压器工作频率的反馈电路。在一个实施例中，变压器具有铁氧体磁芯，四组绕组围绕所述磁芯。电感器L1和L2为一次绕组，电感器L1和L2在与DC电压源连接的点处接合到一起。电路可被设计为在电压源电压的范围内工作，在该实施方案中，电压被设定为60VDC。电感器L1和L2的另一端分别与开关连接，开关显示为MOSFET。技术人员易于理解的是，可以使用其它类型的开关。

电感器L3为变压器的二次或输出电感器。L3的一端通过低值电阻连接。另一端与电晕点火器的电感器连接。第四电感器L6为感应电感器，其提供反馈信号以补偿不同长度的连接电缆的变化的电容。

点火系统由如下三个子组件构成：控制电路、功率放大器和点火器组件。

控制电路：该电路接收来自发动机计算机(ECU)的信号并且告知系统何时启动以及结束气缸中的电晕。该电路确定将何种电压施加到功率放大器变压器。这种电路的一部分产生施加到功率放大器变压器的DC电压。

功率放大器电路：该电路产生交变的电流和电压信号以便按其共振频率来驱动点火器组件。该电路接收来自控制电路的命令以便开始和结束振荡。该功率放大器电路包括通过变压器驱动电流的电路和反馈点火器组件的共振频率的电路。该反馈信号包括与电感器共振相关的信号、与一次绕组电压相关的信号以及与二次绕组电压相关的反馈信号。

点火器组件：点火器组件以与火花塞相似的方式接至气缸盖。所述组件包括电感器和点火端子组件，点火端子组件包括在燃烧室内部的电极。点火器组件具有被线接到一起作为LCR组件的电感器、电容器和电阻器。当电压施加到电感器的一端时，LCR组件共振。电感器为点火器的部分。电感器的第二端通过点火端组件与燃烧室中的电极冠连接。点火端组件和燃烧室形成了电容和电阻，当与电感结合时电容和电阻按指定频率共振。

在工作时，诸如发动机计算机(ECU)的装置将信号发送到控制电路。该信号告知控制电路每个点火器上的电晕开始和结束的时刻。控制电路将正常的高信号发送到功率放大器，高信号走低以启动电晕发生。只要期望有电晕则信号保持为低，而以返高结束电晕。该信号施加到作为Q13的发射极的节点A。在A处电压的这种变化使得节点N从高变为低。然后，节点N被送到两个位置。

一个目的地是Q12的集电极和Q12和Q7的基极。N处的降低使得Q12和Q7导通，允许电流流到节点Z。第二个目的地为C3，C3将通过R13和二极管1的瞬时压降发送到节点R(Q9的基极)。这样依次使得节点T处的电压瞬间降低。基极的这种下降使得Q5导通，从节点Z处汲取电流，并且将节点B从负升到正。这使得Q11导通以及Q17关断，这样又使得Q1导通以及Q2关断。这使发射极上拉，发射极通过R16和二极管2与节点C(M1的栅极)连接。节点C从负变为正，使得M1导通。M1的漏极与L2连接，并且其源极接地。M1导通使得电流流过L2，接着感应出流过变压器内部的铁氧体的磁通。

由于M1继续保持导通，电流通过L2传导，直到节点T处的电压返回到将Q5关断的值。这使得流过节点Z的电流从R11转移到R18，将节点H从负升到正。这使得Q8导通以及Q20关断，而这样又使得Q4导通以及Q3关断。这将它们的发射极上拉，发射极通过R17和二极管3与节点F(M4的栅极)连接。节点F从负变为正，使得M4导通。M4导通使得电流流过L1，接着通过变压器内部的铁氧体感应出沿着与L2引起的磁通的方向相反的方向流动的磁通。

变压器铁氧体磁通通过变压器二次绕组L3产生电流，该电流形成横跨其两端的电压。L3的一端与接地的R14连接。L3的另一端与点火器组件中的电感器连接。施加到点火器LCR组件上的快速变化的电压使得点火器LCR组件共振。当电流流过R14时，节点L处的电压升高。该电压通过R15馈给节点A2。来自节点A2的电流流经L5，L5与C5和R19连接。这些部件形成了带隙滤波器，并且去除了所关注范围之外的频率。这种信号由D7和D8限幅(clipped)，然后经过C7以驱动Q10。当Q10导通时，电流流经R18并且停止流经R11。该开关M1关断并且M4导通，并且反之亦然。

已经依照相关的法律标准描述了前面的发明，因此描述本质上仅为示例性的，而并非限制。对于公开的实施方案的各种变型和改进对于本领域技术人员而言变得显而易见并且确实落在本发明的范围之内。因此，本发明所承担的法律保护的范围仅能通过研究随附的权利要求来确定。

Claims (11)

1.一种用于电晕点火系统的功率放大器电路，包括：

RF变压器，其具有输出绕组和两个一次绕组，所述输出绕组和所述两个一次绕组围绕磁芯缠绕；

电感器和电容器，其与所述输出绕组的一端连接；以及

电阻器，其与所述输出绕组的另一端连接，其中

在所述输出绕组中感应出的电流沿相反的方向在所述磁芯中产生磁通。

2.如权利要求1所述的功率放大器，其中，所述两个一次绕组各自具有与可变DC电压源连接的一端，并且所述两个一次绕组中的每个的另一端接至第一和第二开关，从而控制所述第一和第二开关的导通和关断时间。

3.如权利要求2所述的功率放大器，进一步包括感应绕组，所述感应绕组提供反馈信号以补偿变化的电容，并且其中，所述输出绕组将输出信号提供给电晕点火器。

4.一种具有自调节放大器电路的电晕点火系统，其中，所述电晕点火系统具有感应变压器，所述感应变压器与RF变压器的输出绕组的一端连接。

5.如权利要求4所述的电晕点火系统，其中，在所述输出绕组中感应出的电流在所述感应变压器中产生磁通以激励二次绕组。

6.如权利要求5所述的电晕点火系统，其中，所述二次绕组的两端分别与两个开关连接，所述两个开关驱动所述电路以使所述电晕点火系统工作，从而使电晕点火器点火。

7.一种内燃机，包括气缸盖，所述气缸盖具有从上表面延伸到燃烧室的点火器开口，所述燃烧室具有电晕点火器，包括：

控制电路，其被配置为接收来自发动机计算机的信号；以及

功率放大器电路，其产生交变的电流和电压信号以按其共振频率驱动点火器组件，

所述点火器组件包括电感器、电容器和电阻器，所述电感器、所述电容器和所述电阻器形成LCR电路，所述电感器的一端通过点火端组件与使所述电晕点火器点火的内燃机的所述燃烧室中的电极冠连接。

8.如权利要求7所述的内燃机，其中，所述功率放大器电路包括：

RF变压器，其具有输出绕组和两个一次绕组，所述输出绕组和所述两个一次绕组围绕磁芯缠绕；

所述电感器和电容器，其与所述输出绕组的一端连接；以及

所述电阻器，其与所述输出绕组的另一端连接，其中

在所述输出绕组中感应出的电流沿相反的方向在所述磁芯中产生磁通。

9.如权利要求8所述的内燃机，其中

所述控制电路确定施加到所述功率放大器电路的电压，

所述功率放大器电路驱动电流通过所述绕组并且提供所述点火器组件的所述共振频率的反馈信号，并且

当所述电容器的电容、所述电阻器的电阻和所述电感器的电感相结合时，所述点火器组件按指定频率共振。

10.如权利要求9所述的内燃机，其中，所述两个一次绕组各自具有与可变DC电压源连接的一端，并且所述两个一次绕组中的每个的另一端接至第一和第二开关，从而控制所述第一和第二开关的导通和关断时刻。

11.如权利要求10所述的功率放大器，进一步包括感应绕组，所述感应绕组提供反馈信号以补偿变化的电容，并且其中，所述输出绕组将输出信号提供给所述电晕点火器。

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