CN103443446A - 用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的系统和方法。该系统包括一输送能量并以一谐振频率振荡的驱动电路、一用于接收该能量并提供电晕放电的电晕点火器，以及一用于识别该谐振频率在振荡周期中的变化的频率监控器，其中，在振荡周期中的变化标示了电弧形成的开始。该方法包括向驱动电路和电晕点火器提供能量；获取振荡的驱动电路中的能量的谐振频率；以及识别该谐振频率的振荡周期的变化。

Description

用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月4日提交的第61/471,448号和第61/471,452号美国临时申请的权益。

技术领域

本发明主要涉及电晕放电点火系统，尤其涉及在该系统中检测电弧形成。

背景技术

电晕放电点火系统提供交流电压和交流电流，以接连不断地使高电位电极和低电位电极的极性反向，从而难以形成电弧放电并增强了电晕放电的形成。该系统包括带有中心电极的电晕点火器，该中心电极被充电至高射频电势，从而在燃烧室中产生强射频电场。该电场导致燃烧室中的部分燃料和空气的混合物电离并开始介电击穿，从而促进燃料-空气混合物的燃烧。优选地，通过控制电场可以使燃料-空气混合物保持介电性能，并且可以产生电晕放电（也被称为非热等离子体）。燃料-空气混合物的电离部分形成一火焰锋，然后该火焰锋将自我保持，并燃烧该燃料-空气混合物的剩余部分。优选地，通过控制电场可以使燃料-空气混合物不会失去所有介电性能，如果失去所有的介电性能将会导致在电极和接地的气缸壁、活塞、金属壳体或点火器的其他部分之间产生热等离子体和电弧。该电弧（或电弧作用）会降低能量效率，并降低了系统点火动作的稳健性。在弗里恩（Freen）发明的专利号为6,883,507的美国专利中公开了电晕放电点火系统的一个示例。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法。该方法包括：向一驱动电路以及一电晕点火器提供能量，该驱动电路以一谐振频率振荡，该电晕点火器用于提供一电晕放电；获取该振荡的驱动电路中的能量的一谐振频率；以及识别该谐振频率的振荡周期的变化。

本发明的另一个方面提供了一种使用该方法的系统。该系统包括：一驱动电路，其输出能量并以一谐振频率振荡；一电晕点火器，其用于接收该能量并提供一电晕放电；以及一频率监控器，其用于识别该谐振频率的振荡周期的变化，其中，该振荡周期的变化标示了电弧形成的开始。

该系统和方法提供了一种快速且性价比高的方式，以在电晕放电点火系统中检测电弧形成的开始。该系统并不试图避免电弧形成，但由于电晕放电通常能提供更佳的能量效率和性能，因此电弧通常是无意中形成的。

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用于检测电弧形成的系统的一种框图；

图2是根据本发明的另一个实施例的用于检测电弧形成的系统的另一种框图，其示出了驱动电路的组件；

图3示出了提供至系统的电晕点火器的能量的典型谐振频率及振荡周期。

具体实施方式

本发明提供了一种用于在点火系统中检测电弧形成的系统和方法，该点火系统用于提供电晕放电20。该系统包括：一驱动电路22，其输出能量并以一谐振频率振荡；一电晕点火器24，其用于接收能量并提供电晕放电20；以及一频率监控器26，其用于识别该谐振频率的振荡周期的变化，其中，振荡周期的变化标示了电弧形成的开始。

应用于该系统的方法包括向驱动电路22以及向电晕点火器24提供能量。该方法接着包括：获取振荡的驱动电路22中的能量的谐振频率；以及识别该谐振频率的振荡周期的变化。图1为示出了该系统的主要组件的框图，其包括一能源28、一使能信号30、驱动电路22、一频率信号32、电晕点火器24、频率监控器26以及一反馈信号34。

与现有技术的用于检测电弧的系统相比，该系统和方法具有多个优点。首先，由于该系统和方法可以利用已有的电晕放电点火系统的组件，而不需要复杂的数字组件、校准或监视，因此，该系统和方法的成本较低。进一步地，该系统和方法非常快速，并且可以在几纳秒或几微秒内检测到电弧形成的开始。本发明的系统和方法不需要直接测量电流或确定阻抗。

该系统通常应用在内燃机（未示出）中。该内燃机通常包括界定出一燃烧室的气缸盖、气缸体和活塞，该燃烧室用于容纳燃料和空气的可燃混合物。电晕点火器24容置在气缸盖中，并且包括一具有电晕尖端36的中心电极，如图1所示，电晕尖端36延伸进入燃烧室。电源28存储能量，并向驱动电路22提供该能量，并最终将该能量提供至电晕点火器24。该中心电极在一高射频电压下接收来自电源28的能量。在一个实施例中，中心电极在高达100,000伏特的电平、小于5安培的电流以及0.5-2.0兆赫的频率下接收能量。然后该中心电极将一射频电场发射进入燃烧室，以电离燃烧室中的部分燃料-空气混合物，并在燃烧室中提供电晕放电20。如图1所示，电晕点火器24通常包括一围绕中心电极的绝缘体38，且该绝缘体38和中心电极容置在一金属壳体40中。

图2为根据本发明的一个实施例的框图，其示出了电晕点火系统和驱动电路22的组件。电晕点火系统这样设计，即能量以一谐振频率流过该系统。驱动电路22包括触发电路42、差分放大器44、第一开关46、第二开关48、变压器50、电流传感器52、低通滤波器54以及钳位器56。在电晕点火系统的运行过程中，提供至驱动电路22的能量以谐振频率振荡。图2示出了能量以信号57在多个组件之间传输。图2还包括各组件之间的有效电流的曲线图。

发动机控制单元（未示出）的控制器58通常提供使能信号30，该使能信号启动了差分放大器44。然后触发电路42触发能量的频率和电压的振荡以响应使能信号30，该能量流过系统流至电晕点火器24，以及从电晕点火24流过系统。触发电路42通过产生触发信号59并将该触发信号59传输至差分放大器44以触发振荡。该系统具有一谐振周期，且触发信号59通常小于半个谐振周期。

差分放大器44在接收到触发信号59后被激活。然后该差分放大器44在正输入端60接收能量，放大该能量，并从第一输出端62和第二输出端63传输能量。

驱动电路22的第一开关46由差分放大器44的第一输出端62激活，并检测从电源28至电晕点火器24的能量。开关46、48可以是BJT、FET、IGBT或其他合适的类型。

驱动电路22的变压器50包括变压器输入端64和变压器输出端66，该变压器输入端64用于接收能量，该变压器输出端66用于将能量从电源28传输至电晕点火器24以及电流传感器52。变压器50包括一次绕组68和二次绕组70，借由一次绕组68和二次绕组70传输了能量。来自电源28的能量首先流过一次绕组68，从而使得该能量流过二次绕组70。电晕点火器24的组件共同组成了系统的LC电路（也称为谐振电路或调谐电路）。通过在电流传感器52处检测谐振电流，可以使得该系统的谐振频率与LC电路的谐振频率相同。

电流传感器52通常为一电阻，并测量变压器50的输出端以及电晕点火器24处的能量的电流。变压器50的输出端处的能量的电流通常等于电晕点火器24处的能量的电流。然后该电流传感器52将能量传输至低通滤波器54。该低通滤波器54去除不需要的频率，并提供该能量的电流中的相移。该相移通常不大于180°。

钳位器56接收来自低通滤波器54的能量，并对能量的电流进行信号调节。该信号调节可以包括将该能量的电流转换成方波并转换成安全电压。然后钳位器56将能量传输回差分放大器44的负输入端72。

电晕点火系统的频率监控器26获取经过系统的信号32的能量的谐振频率。图1和2示出了频率信号74，该频率信号74将谐振频率从驱动电路22输送至频率监控器26。该方法通常包括通过获取提供至电晕点火器24或来自于电晕点火器24的电压或电流的振荡频率，获得能量的谐振频率，该方法进一步包括将该能量的频率转换成方波。

图2示出了位于钳位器56和差分放大器44之间的频率监控器26，然而，该频率监控器26也可以设置在系统中的其他位置。进一步地，频率监控器26在图1和2中示为单独的组件，但也可以连接至电流传感器52或集成在电流传感器52中，或者可以与系统的其他组件集成在一起。频率监控器26通常测量差分放大器44的输入端60、72或输出端62、63处的能量的谐振频率。然而，可选择地，该频率监控器26可以测量或获得来自电源28和变压器50之间、变压器50和电晕点火器24之间、变压器50和电流传感器52之间、电流传感器52和低通滤波器54之间以及低通滤波器54和钳位器56之间的能量信号32的谐振频率。频率监控器26还可以通过其他方式获得该谐振频率，例如通过测量来自发动机的一接地回路（未示出）中的电流或电压，或通过靠近驱动电路22设置的磁或电传感器（未示出）或在驱动电路22中的适当选择的导体。

在电晕点火系统的典型运行过程中，在差分放大器44的输入端60、72和输出端62、63输入和输出的能量处于谐振频率（也称为运行频率）下。图3示出了在点火动作的过程中图2的系统的谐振频率的一个示例，其中，驱动电路22在时间t=0时已经处于震荡状态。该谐振频率为在一段时间内流过驱动电路22的能量的电压或其他参数的变化。该谐振频率示出为方波，该方波包括多个上升沿和下降沿。谐振频率的振荡周期等于两个相邻上升沿之间或两个相邻下降沿之间的时间。通过求得两个相邻上升沿之间或两个相邻下降沿之间或按任何顺序相邻的上升沿和下降沿之间的间隔的值即可测量谐振频率。

当电晕点火系统提供电晕放电20时，振荡周期在一段时间内保持相当一致。振荡周期在图3中标示为100。在电弧形成开始后，振荡周期同样在一段时间内保持相当一致。电弧形成开始前后的振荡周期近似相等。然而，在电弧形成开始时，当电晕放电20切换至电弧放电时（例如当电晕放电20的离子流接触到气缸体、金属壳体40或其他接地组件时），振荡周期发生变化。

振荡周期的变化发生在电弧形成的开始时，并且仅发生一次。该变化在图3中标示为200。处于变化中的方波的上升沿处可以标示为电弧形成的开始，其在图3中标示为300。处于变化中的方波的下降沿处也可以标示为电弧形成的开始。该变化是指振荡周期的持续时间中的至少为10%的变化，通常至少为15%的变化。进一步地，振荡周期通常增大了至少10%。在一个测量示例中，100处的振荡周期约为1.04US（965kHz），而200处的持续时间约为1.7US（588kHz）。在另一个示例中，当电晕放电20发生且直至电弧形成时，各方波的振荡周期为0.5-1.5微秒（例如高达并包含100处的振荡周期）。然而，在该示例中，这些方波中的其中一个方波的振荡周期在电弧形成开始时（例如在200处）增大了0.5-1.0微秒。

一旦电弧形成开始之后，方波的振荡周期立即恢复正常并再次近似等于100处的持续时间，该持续时间是指在一个变化的振荡周期之前以及在电弧形成开始之前的振荡周期。电弧形成的检测可通过谐振频率的信号变化进行识别，且该检测方法非常快速。该变化通常发生在电弧的第一个周期里，并且具有可以使用电子检测方法的足够的量级。例如，该系统可以采用可复位的定时器、锁相环或可编程的数字元件。

一旦通过频率监控器26识别到振荡周期的变化时，可以将一反馈信号34输送至发动机控制单元的控制器58，从而使该发动机控制单元可以选择方案以响应电弧形成。

显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的，并且在所附权利要求范围内，本发明还可以通过除了具体描述以外的方式实现。

Claims (15)

1.一种用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

向一驱动电路以及一电晕点火器提供能量，该驱动电路以一谐振频率振荡，该电晕点火器用于提供一电晕放电；

获取该振荡的驱动电路中的能量的一谐振频率；以及

识别该谐振频率的振荡周期的变化。

2.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，该方法包括：当识别到该振荡周期的变化后，向所述系统中的控制器传输一反馈信号以表明检测到电弧形成。

3.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，该识别振荡周期的变化的步骤包括识别到该振荡周期的增长率至少为10%。

4.根据权利要求3所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，该识别振荡周期的变化的步骤包括识别到该谐振频率的唯一一个振荡周期增大。

5.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，该获取能量的频率的步骤在一差分放大器的输入端或输出端实现。

6.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，该获取能量的频率的步骤包括获得提供至电晕点火器或由该电晕点火器提供的电压或电流的振荡频率，并且进一步包括将能量的频率转换为方波。

7.一种用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的系统，其特征在于，该系统包括：

一驱动电路，其输出能量并以一谐振频率振荡；

一电晕点火器，其用于接收该能量并提供一电晕放电；以及

一频率监控器，其用于识别该谐振频率的振荡周期的变化，

其中，该振荡周期的变化标示电弧形成的开始。

8.根据权利要求7所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的系统，其特征在于，当所述电晕点火器提供电晕放电时，所述振荡周期的变化小于10%，在电弧形成开始时，所述振荡周期的变化至少为10%。

9.根据权利要求8所述的用于检测电晕放电点火系统中电弧形成的系统，其特征在于，在电弧形成开始时，所述振荡周期的变化至少为15%。

10.根据权利要求7所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的系统，其特征在于，所述频率监控器在识别到所述振荡周期的变化后，向一控制器传输一反馈信号以表明检测到电弧形成。

11.根据权利要求7所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的系统，其特征在于，所述能量的谐振频率包括多个方波，各方波包括一个振荡周期，当在电弧形成开始之前发生电晕放电时，所述方波的振荡周期为0.5-1.5微秒，在电弧形成开始时，其中一个方波的振荡周期增大了0.5-1.0微秒，并且在该一个方波之后，所述方波的振荡周期立即变为与在电弧形成开始之前的振荡周期一致。

12.根据权利要求7所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的系统，其特征在于，所述驱动电路包括一用于向所述驱动电路和所述电晕点火器提供能量的电源、一用于在输入端接收该能量并在输出端输出该能量的差分放大器、一由所述差分放大器的输出端激活以将来自所述电源的能量的电流引入电晕点火器的开关，其中，所述频率监控器识别所述输入端或所述输出端的所述能量的振荡周期的变化。

13.一种用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，通过识别谐振频率的振荡周期的变化，使得所述系统包括以该谐振频率流过该系统的能量。

14.根据权利要求13所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，所述谐振频率包括多个上升沿和下降沿，且所述方法包括在振荡周期的变化的上升沿识别电弧形成的开始。

15.根据权利要求13所述的用于在电晕放电点火系统中检测电弧形成的方法，其特征在于，所述谐振频率包括多个上升沿和下降沿，且所述方法包括在振荡周期的变化的下降沿识别电弧形成的开始。

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