CN103109078B - 混合动力点火装置的电气布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电晕点火系统（20），其包括一电晕驱动电路（26）和一辅助能量电路（28）。该能量电路（28）在一标准的电晕点火周期内储存能量。当发生电弧放电或电晕放电切换至电弧放电时，该能量电路（28）将储存的能量释放至电极（30），以有意维持稳健的电弧放电（29），并因此提供可靠的点火。该储存的能量在一预定的时间段内被传输至电极（30）。检测到该电弧放电后，将一电弧控制信号（60）传输至能量电路（28），从而触发该储存的能量向电极（30）释放。该储存的能量可以沿着各种不同的路径被传输至电极（30）。在该储存的能量被传输至电极（30）前，其电压通常通过一能量变压器（70）来提高。

Description

混合动力点火装置的电气布置
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年8月31日提交的第61/378,673号申请的权益。
技术领域
本发明主要涉及一种电晕点火系统以及用于点燃燃烧室内燃料和空气的混合物的方法。
背景技术
电晕点火系统通常优选用于提供稳健(robust)的点火，而不会带来传统火花点火系统所造成的高温以及相关的影响。该电晕点火系统包括一点火器，该点火器具有一延伸进入一燃烧室的电极。燃烧室的壁或在燃烧室中往复运动的活塞起到接地作用。该点火器并不包括接地电极。该点火器的电极接收来自一电源的能量，并且激发放电，优选地以电晕放电的形式放电。电晕放电为一包括多个离子流(ionized streamers)的电场，该离子流具有从电极至地的高阻抗。当将燃料提供至燃烧室时，该电场点燃燃烧室内燃料和空气的混合物。弗里恩(Freen)发明的专利号为6,883,507的美国专利公开了一电晕点火系统的示例。
当向电极供能时，该电场中的离子浓度提高。优选地，高电压可用于提供稳健的电晕放电。然而，如果电压升高超过一定的阈值，则增加的离子浓度会导致级联过程，该级联过程通常会使电晕放电转变成电弧放电。电弧放电为一包括单个离子流的电场，该单个离子流提供了从电极至地的导电通路。在典型的电晕点火系统中，当发生电弧放电时，系统的所有储存的能量被即刻释放并耗尽。该电弧放电可能是短时间的，因此无法提供可靠的点火。所以，提供至电极的能级通常为可以提供电晕放电，而不会切换至电弧放电的最高电压。
该电压时常超过电晕放电阈值，并且时常发生电弧放电。另外，其他情形或发动机的状况也会引起电弧放电。当燃料的积碳污染点火器时，或者当活塞离点火器太近时，或者在电极与地之间存在低电阻的其他情况下，也可能发生电弧放电。该电弧放电通常是无意中形成的并且也是不需要的，但是在某些情形下，该电弧放电是有意形成的。为了停止电弧放电并且恢复电晕放电，当不需要电弧放电时，供给电极的电压将被立即降低。然而，对于恢复电晕放电以及提供可靠的点火而言，减小电压通常是不实际的或者是无效的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电晕点火系统，该系统用于点燃燃烧室内燃料和空气的混合物。该系统包括一电极、一电晕驱动电路、以及一能量储存电路。该电晕驱动电路将能够激发电极放电的能量传输至电极。该能量电路辅助该电晕驱动电路，并且在该电晕驱动电路将能量传输至该电极时储存能量。在检测到电弧放电后，该能量电路将储存的能量传输至该电极，以有意维持该电弧放电。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于点燃燃烧室内燃料和空气的混合物的方法。该方法包括如下步骤：将能够激发电极放电的能量从一电晕驱动电路传输至该电极；以及在将能量供给该电极时，将能量储存在一辅助该电晕驱动电路的能量电路中。该方法进一步包括：检测一电弧放电，并且在检测到该电弧放电后，有意维持该电弧放电。有意维持电弧放电的步骤包括：将储存的能量从该能量电路传输至该电极。
本发明的系统和方法包括将储存在一辅助能量电路中的能量供给电极，以有意维持电弧放电并且确保稳健和可靠的点火，而不是如现有技术的系统所述的在电弧放电开始时减少供给电极的能量。
附图说明
请参阅下述详细说明并结合附图进行考虑，本发明的其它优点将更加容易领会和理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的电晕点火系统的示意图，其示出了可选的能量输送路径A、B、C；
图2是图1系统的示意图，其示出了能量输送路径A；
图3是图1系统的示意图，其示出了能量输送路径B；以及
图4是图1系统的示意图，其示出了能量输送路径C。
具体实施方式
根据本发明的一个方面，提供了一种用于点燃燃烧室内燃料和空气的混合物的电晕点火系统20，该系统20包括一点火端组件22、一电晕驱动电路26以及一能量储存和输送电路(也称为能量电路28)。点火端组件22包括一点火器24，该点火器24包括一伸进燃烧室32的电极30。电晕驱动电路26将能够激发电极30放电(通常是电晕放电，但也有可能是电弧放电)的能量传输至电极30。能量电路28辅助电晕驱动电路26，并且当电晕驱动电路26将能量传输至电极30时，该能量电路28储存补充的能量。当检测到电弧放电时，能量电路28随后将储存的能量传输至电极30，以有意维持电弧放电29。传输至电极30的储能提供了稳健的电弧放电29，从而提供了可靠的点火。点火端组件22的点火器24安装在发动机的气缸盖内(未示出)，该发动机通常为汽车(例如混合动力汽车)的内燃机，或气轮机。点火器24的电极30通常包括一用于发射电场的点火尖端。如图1所示，系统20包括一驱动电源34，该驱动电源34将能量供给电晕驱动电路26并最终供给电极30。在汽车中，驱动电源34通常为12伏特的电池，但也可以是另外一种电源。
电晕点火系统20设计为在预定的时间点、以预定的持续时间和电压等级将能量供给电极30，从而使电极30发射电场(通常以电晕放电的形式发射电场)，并且沿着该电场的全长实现点火。预定的时间点、持续时间和电压等级可以通过汽车的发动机控制单元(ECU)计算或决定。电压等级通常为能够提供电晕放电而不形成电弧放电的最高电压。系统20包括一驱动电路控制器36，其向电晕驱动电路26提供驱动控制信号38，该驱动控制信号38指明了实现电晕放电所需的预定的时间点、持续时间和电压等级。该驱动电路控制器36可以与ECU集成为一体，或者也可以是独立的单元。
在接收到来自驱动电源34的能量，以及接收到来自驱动电路控制器36的驱动控制信号38后，电晕驱动电路26控制能量以输出AC电流并且满足实现电晕放电所需的预定的时间点、持续时间和电压等级。电晕驱动电路26也可以控制能量以配合一特定的谐振频率，以下将会进一步讨论。电晕驱动电路26为一高频振荡电路，该高频振荡电路也可以包括一变压器(也称为驱动变压器44)。电路26用于控制由驱动电源34提供的能量。
如图1所示，电晕驱动电路26随后将受控能量的AC电流传输至一调谐电路或LC电路48。LC电路也称为LC谐振电路或LC谐振器。如图1所示，LC电路由谐振电感46和点火端组件22的电容(C1)组成。该谐振电感46工作在一特定电压(L1)，并由金属线圈(例如铜线圈)制成。该线圈也称为第一线圈50，并耦接至点火器24的电极30。谐振电感46同样工作在一谐振频率。如上所述，从LC电路48至电晕驱动电路26的反馈环信号52将该谐振频率传送至电晕驱动电路26，并且该电晕驱动电路26控制被提供的能量以配合该谐振频率。系统20也可以包括电气连接以及位于谐振电感46与电极30之间的绝缘元件。
在接收到来自电晕驱动电路26的能量后，LC电路48在将能量传输至电极30之前转换该能量。LC电路48通常放大电压并减小电流。在一个实施例中，LC电路48将能量增加至高达15000伏特的电压(通常为5000至10000伏特)。随后该能量从LC电路48被传输至电极30，以提供电晕放电。
如上所述，当点火器24的电极30接受到来自于LC电路48的能量时，该谐振会在电极30处产生高电压，并且该电极30会在燃烧室32的周围空气中发射电场，优选地以电晕放电的形式发射电场，但是以电弧放电的形式也是可能的。提供至电极30的预定的电压等级通常为能够提供电晕放电而不会切换至电弧放电的最高电压。当向燃烧室32提供燃料时，该电场沿其全长点燃燃烧室32内燃料和空气的混合物。如果电极激发了电晕放电并且提供了可靠的点火，则电晕点火系统20可能无需采用来自能量电路28的储能即可工作。
然而，为了在发生电弧放电或者电晕放电切换至电弧放电时确保可靠点火，在系统20启动和运行的同时，将补充的能量储存在辅助该电晕驱动电路26的能量电路28中。如果发生电弧放电，或者如果电晕放电切换至电弧放电，则电晕驱动电路26的能量将会即刻耗尽。电弧放电会即刻导致储存在LC谐振器48中的少量能量释放。通常，电弧放电会维持一段短暂的时间，但是该时间不足以长到可以确保可靠的点火。
因此，为了在电弧放电发生后确保可靠的点火，储存在能量电路28中的能量将被即刻释放至系统20，并且最终传输至电极30，以有意维持电弧放电29。传输至电极30的储存能量足以使电弧放电29维持在稳健的水平并且能持续一段时间，并且使该有意维持的电弧放电29点燃燃烧室32内的燃料和空气的混合物。
如上所述，触发电弧放电发生的情况可以有多种，但是该电弧放电通常发生在当提供给电极30的电压超过一定阈值的时候。本领域任何已知的方法都可用于检测电弧放电的发生或存在。在检测到电弧放电后，一电弧反馈信号56被传输至能量电路28的控制器(也称为能量控制器58)。该能量控制器58接收电弧反馈信号56，随后将一电弧控制信号60传输至能量电路28，从而启动并指示该能量电路28释放储存的能量，该储存能量用于传输至电极30。能量控制器58可以与ECU或驱动电路控制器36集成为一体，或者也可以是独立的单元。
能量电路28通常包括一用于储存额外能量的电容器(也称为能量电容器62)。该能量电容器62储存的能量远多于LC谐振电路48或其他通常用于电晕点火系统20的电容器所储存的能量，通常多达100至200倍。如上所述，一旦发生电弧放电，储存在典型电晕点火系统20中的能量的量不足以激发并维持电弧放电。
如图1-4所示，在一个实施例中，电晕点火系统20包括一向能量电容器62提供额外能量的补充电源(也称为能量电源68)。可选的是，供给能量电路28的能量可以来自与电晕驱动电路26的电源相同的电源。在另一个实施例中，该额外的能量从电晕驱动电路26被传输至能量电路28。
在接收到来自能量控制器58的电弧控制信号60后，能量电路28传输或释放一些或全部储存的能量，这些储存的能量最终被传输至电极30。因此，在检测到电弧放电后，储存的能量源被即刻耗尽。一旦储存的能量被释放，则能量电路28即刻被重置，并且补充的能量再次被供给该能量电路28。综上所述，在发生下一次电弧放电并接收到电弧控制信号60后，系统20再次准备将储存的能量释放至电极30。
如图1-4所示，电晕点火系统20可以通过若干不同的路径将储存的能量传输至电极30，例如路径A、B和C。能量电路28最初释放的能量通常在几百伏特，这可能不足以激发或维持电弧放电。因此，系统20可以包括另一个变压器(也称为能量变压器70)，以在将能量传输至电极30前提高该能量的电压。该能量变压器70包括至少一个金属线圈(也称为第二线圈72)，该至少一个金属线圈电气连接至能量电路28，并且电气连接至系统20的至少一个其他组件，该组件可以是LC电路48或者电极30。
在图2-4的实施例中，能量变压器70接收来自能量电路28的储存的能量，并在将该能量最终传输至电极30之前提高该能量的电压。能量变压器70也可以用来阻止能量在电极30和能量电路28之间传输，并且用于防止损坏电路26、28、48。在另一个实施例中，能量变压器70与电晕驱动电路26的驱动变压器44集成为一体。在又一个实施例中，能量变压器70与LC电路48的谐振电感46集成为一体。在又另一个实施例中，能量电路28的能量电容器62中储存有一个非常高的电压，因此并不需要能量变压器70。
根据一个实施例，为了维持能够确保点火稳健的电弧放电29，该储存的能量从能量电路28释放并且被传输至电极30需要持续一段预定的时间，而不是被即刻释放。在一个实施例中，该预定的时间段(也称为时间常量)大约为1毫秒。该时间常量可以通过与谐振电感46的电压(L1)和点火端组件22的电容(C1)相比来量化。该时间常量必须大于L1/C1的值，通常大至100至2000倍。能量电路28、能量变压器70以及LC电路48均通过编程来满足该预定的时间常量。
为了达到预定的时间常量并获得稳健的电弧放电29，可以采用至少一个阻塞元件74，以阻止能量在预定的时间段内输入至电极30、电晕驱动电路26、能量电路28以及系统20的其他组件以及阻止能量自这些组件输出，或者在它们之间传输。阻塞元件74也可以设计为促进系统20的组件之间的能量传输。在一个实施例中，阻塞元件74是无源的，例如是由电阻部件和电抗部件组成的滤波器。在另一个实施例中，阻塞元件74包括线性无源元件，例如二极管、瞬变电压抑制二极管(TVS)或火花隙单元。在又一个实施例中，阻塞元件74是完全有源的，例如是晶体管。在又另一个实施例中，其中能量通过电晕驱动电路26被供给能量电路28，阻塞元件74用于将能量从电晕驱动电路26传输至能量电容器62。阻塞元件74的设计以及其实施取决于电晕点火系统20以及该系统20的应用的具体要求。
图2示出了一个典型的实施例，其中，能量电路28沿着路径A将储存的能量传输至电极30。根据该实施例，能量变压器70设置在能量电路28和LC电路48的谐振电感46之间。储存的能量从能量电路28传输通过能量变压器70，随后通过LC电路48的谐振电感46并且最终传输至电极30。能量变压器70在将储存的能量传输至LC电路48之前提高了该储存能量的电压。图2的实施例也包括了一个位于能量变压器70和LC电路48之间的阻塞元件74以及另一个位于LC电路48和电晕驱动电路26之间的阻塞元件74，以防止能量在电极30与电晕驱动电路26或能量电路28之间传输。能量电路28、能量变压器70和阻塞元件74均通过编程来实现按照时间常量输送储存的能量，从而实现稳健的电弧放电29。
图3示出了另一个典型的实施例，其中，能量电路28沿着路径B将储存的能量传输至电极30，并且能量变压器70与LC电路48集成为一体。与图2和4的实施例相比，通常优选该典型的实施例，因为其结构简单，因而成本较低。该集成的能量变压器70通过将谐振电感46的第一线圈50与第二线圈72磁耦合而形成。第二线圈72的一些匝数绕制在与谐振电感46的第一线圈50相同的磁芯上，但是该第二线圈72与第一线圈50电气隔离。储存的能量从能量电路28传输通过集成的能量变压器70和LC电路48并且最终传输至电极30。该集成的能量变压器70在将储存的能量传输至电极30之前提高了该储存能量的电压。图3的实施例也包括了一个位于集成的能量变压器70和LC电路48之间的阻塞元件74。该阻塞元件74可以防止该能量电路28“渗出”来自电极30的能量(例如当电弧放电还未发生时来自电晕放电的能量)。可选的是，阻塞元件74可以将任何渗出的能量传输回能量电路28的能量电容器62。能量电路28、变压器以及阻塞元件74均通过编程来实现按照时间常量并在预定的时间段内输送储存的能量，从而实现稳健的电弧放电。
图4示出了又另一个典型的实施例，其中，能量电路28沿着路径C将储存的能量传输至电极30。根据该实施例，能量变压器70辅助LC电路48的谐振电感46，并且设置在能量电路28和电极30之间。在该实施例中，能量从能量电路28被直接传输至电极30，而不通过LC电路48。
图4的实施例也包括了一个位于能量变压器70和LC电路48之间的阻塞元件74，以防止能量在电弧放电发生之前从电极30(例如从电晕放电)传输回电路26、28、48。另一个阻塞元件74设置在电晕驱动电路26和LC电路48之间，以防止能量从电极30传输回电晕驱动电路26，并且允许能量传输通过LC电路48。能量电路28、能量变压器70和阻塞元件74均通过编程来实现在预定的时间段内输送储存的能量，从而实现稳健的电弧放电。
本发明的另一个方面提供了一种用于点燃燃烧室内燃料和空气的混合物的方法。如上所述，该方法包括向电晕驱动电路26提供能量和驱动控制信号38，同时也向能量电路28提供能量。随后该方法包括将能够激发电极30放电的能量从电晕驱动电路26传输至电极30。在一个实施例中，将能量从电晕驱动电路26传输至电极30的步骤包括确定并传输预定量的能量，其中，能量的预定量为能够激发电晕放电并避免电弧放电。
当能量从电晕驱动电路26传输至电极30时，该方法包括在辅助电晕驱动电路26的能量电路28中提供并且储存能量。在能量电路28中储存能量的步骤通常包括对能量电路28的能量电容器62充电。在一个实施例中，该储存能量的步骤包括将能量从电晕驱动电路26传输至能量电路28。
该方法还包括检测从电极30激发的电弧放电。一旦检测到电弧放电出现，则该方法包括将电弧反馈信号56传输至能量控制器58，随后将电弧控制信号60从能量控制器58传输至能量电路28。该电弧控制信号60启动将储存的能量从能量电路28传输或释放至电极30的步骤，并且因此有意维持电弧放电29。
一旦足够的储存能量被释放和传输至电极30，则该方法包括再次对能量电路28的能量电容器62充电。该方法包括使能量电路28中保持有足以有意维持电弧放电29的能量。因此，系统20即刻为下一次电弧放电的发生作好准备。
如上说述，为了维持稳健的电弧放电29，该方法包括根据时间常量在预定的时间段内将储存的能量传输至电极30。在一个实施例中，该方法包括计算该预定的时间段或时间常量，并且将该时间常量以电弧控制信号60的形式传送至能量电路28。该方法通常包括在将储存的能量传输至电极30之前，通过能量变压器70提高储存能量的电压。在一个实施例中，该方法包括使用阻塞元件74，以用于在预定的时间段(例如在储存的能量从能量电路28传输至电极30的时间段)内防止或允许能量输入至电极30、电晕驱动电路26、能量电路28或系统20的其他组件以及自这些组件输出，或者在它们之间传输。
显然，鉴于上述教导，本发明可以有多种修改和变形，并且在所附权利要求的范围内，本发明还可以通过除具体描述的方式以外的其它方式实施。先前详述的内容应当被解读为覆盖了任意的组合，在该组合中本发明的新颖性显示了其实用性。在装置权利要求中使用的词语“所述”指的是前述内容，该前述内容为必然包含在权利要求的覆盖范围中的明确的详述内容，而跟在“该”后面的词语并不必然包含在权利要求的覆盖范围中。另外，权利要求中的附图标记仅为方便起见，而不能理解为任何形式的限定。

Claims (20)

1.一种电晕点火系统(20)，其用于点燃一燃烧室(32)内燃料和空气的混合物，其特征在于，该系统包括:
一电极(30)，
一电晕驱动电路(26)，其将能够激发所述电极(30)放电的能量传输至所述电极(30)，以及
一辅助所述电晕驱动电路(26)的能量电路(28)，其用于当所述电晕驱动电路(26)将所述能量传输至所述电极(30)时储存能量，并用于在检测到电弧放电后，将所述储存的能量传输至所述电极(30)，以有意维持所述电弧放电(29)。
2.如权利要求1所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，该系统包括一能量控制器(58)，其接收一电弧反馈信号(56)，并在检测到所述电弧放电后将一电弧控制信号(60)传输至所述能量电路(28)，其中，所述电弧控制信号(60)控制所述储存的能量开始传输至所述电极(30)。
3.如权利要求1所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，所述能量电路(28)包括一用于储存所述能量的能量电容器(62)。
4.如权利要求1所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，该系统进一步包括一点火端组件(22)，其具有一电容并且包括所述电极。
5.如权利要求4所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，该系统进一步包括一LC电路，其包括一谐振电感和所述点火端组件(22)的所述电容，该LC电路用于在将所述能量传输至所述电极(30)前转换所述能量。
6.如权利要求5所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，该系统包括一电气连接至所述能量电路(28)以及所述LC电路(48)的所述谐振电感(46)的能量变压器(70)，其用于提高所述储存的能量的电压。
7.如权利要求6所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，所述能量变压器(70)设置在所述能量电路(28)和所述LC电路(48)的所述谐振电感(46)之间，以用于通过所述谐振电感(46)传输所述储存的能量。
8.如权利要求6所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，所述能量变压器(70)与所述LC电路(48)的所述谐振电感(46)集成为一体。
9.如权利要求6所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，所述能量变压器(70)辅助所述LC电路(48)的所述谐振电感(46)，以用于将所述储存的能量直接传输至所述电极(30)。
10.如权利要求1所述的电晕点火系统(20)，其特征在于，该系统包括一阻塞元件(74)，其防止能量在预定的时间段内在所述电极(30)和至少一个所述电晕驱动电路(26)以及所述能量电路(28)之间传输。
11.一种用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将能够激发电极(30)放电的能量从一电晕驱动电路(26)传输至该电极(30)，
当将该能量提供至该电极(30)时，将能量储存在一辅助该电晕驱动电路(26)的能量电路(28)中，
检测该电极(30)激发的一电弧放电，
在检测到该电弧放电后，有意维持该电弧放电(29)，以及
所述有意维持电弧放电(29)的步骤包括将该储存的能量从该能量电路(28)传输至该电极(30)。
12.如权利要求11所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该方法包括在检测到该电弧放电后，将一电弧控制信号(60)传输至该能量电路(28)，以启动该传输储存的能量的步骤。
13.如权利要求12所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该方法包括在检测到该电弧放电后，传输一电弧反馈信号，以启动该传输该电弧控制信号(60)的步骤。
14.如权利要求11所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该将储存的能量从该能量电路(28)传输至该电极(30)的步骤包括将能够维持电弧放电(29)的能量保持在该能量电路(28)内。
15.如权利要求11所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该储存能量的步骤包括对该能量电路(28)的一能量电容器(62)充电。
16.如权利要求15所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该方法包括在将该储存的能量从该能量电路(28)传输至该电极(30)后，再次对该能量电路(28)的该能量电容器(62)充电。
17.如权利要求11所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该方法包括在一预定的时间段内将该储存的能量传输至该电极(30)。
18.如权利要求11所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该方法包括在将该储存的能量传输至该电极(30)前，提高该储存的能量的电压。
19.如权利要求11所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该储存能量的步骤包括将能量从该电晕驱动电路(26)传输至该能量电路(28)。
20.如权利要求11所述的用于点燃燃烧室(32)内燃料和空气的混合物的方法，其特征在于，该方法包括在预定的时间段内，防止能量在该电极(30)和至少一个该电晕驱动电路(26)以及该能量电路(28)之间传输。
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