專利名稱：測量用于內燃機的射頻點火系統中的電離電流的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及在電控的射頻點火系統中用于內燃機的測量設備，其適于測量在燃燒 時引擎汽缸中的氣體的電離電流。
背景技術：
典型地，在點火結束之后測量引擎汽缸中的氣體的電離電流，并且其特別有利地 適用于例如檢測與燃燒室的壓力峰值相應的曲軸轉角，用于檢測爆震，或甚至用于識別失 火。用于測量傳統點火系統的電離電流的電路是已知的，其中所述操作包括在火花塞 的電極之間生成火花之后使得燃燒室中混合物極化，以測量由于火花的傳播引起的電流。這種電路通常位于與火花塞連接的點火線圈的次級線圈的底部。然而，這些電路需要專用于傳統點火的特征，因此不適合于等離子體生成點火系 統，其實現射頻插塞線圈(plug-coil)型的火花塞，如以申請人名稱提交的以下專利申請 中詳細所述:FR 03-10766、FR 03-10767 和 FR03-10768。射頻點火的特定特征在測量電離電流時引起多種限制。在實踐中，在點火結束之 后測量電離電流。其幅值取決于在插塞的高壓電極和引擎接地之間施加的直流(DC)電壓 或“極化電壓”。極化電壓典型地位于電池電壓和幾百伏特之間。經驗示出代表電離電流 的信號具有0. IuA和ImA之間的幅值，其取決于燃燒室的條件(溫度、壓力、混合物的成分 等)。現在，點火控制信號導致大量電流，其具有大約120dB的幅值偏差以及要測量的電離 電流。因此，測量電路經歷不能夠獲得低電流的強光(glare)時間。此外，這種點火能夠引起2種放電(多絲火花或單絲弧)，他們對于測量系統具有 不同的影響。因此，難以保證電離電流測量相對于所生成的放電類型的獨立性。
發明內容
因此，本發明的目的在于通過提出一種設備至少部分地解決這些缺陷，所述設備 用于測量適于射頻點火系統的電離電流。考慮這個目的，因此本發明涉及一種用于內燃機的射頻點火設備，其特征在于，該 設備包括-電源電路，包括變壓器，其次繞線連接至具有大于IMHz的共振頻率的至少一個 共振器，并且包括2個電極，其能夠生成火花以在點火命令時在引擎汽缸中啟動燃燒；-測量電容器，其串聯在所述變壓器的次繞線和所述共振器之間；以及-電路，用于測量在汽缸中燃燒氣體的電離電流，連接至所述測量電容器，所述測 量電路包括電壓發生器，其具有低輸入阻抗，能夠向測量電容器供應極化電壓以生成電離 電流；放大電離電流的第一裝置；和測量代表放大電離電流的電壓的裝置，其連接至第一 放大裝置的輸出。有利地，所述測量電容器串聯在所述變壓器的次繞線和共振器之間，位于變壓器和共振器的接地回線的級處。根據一個實施例，所述測量電路包括晶體管，以共同基極配置安裝；其第一電極 連接至所述測量電容器的端子；以及其第二電極經由所述第一放大裝置連接至所述極化電 壓。根據另一個實施例，以共同基極配置安裝的晶體管的第一電極還連接至測量電路 的輸入電阻器。 有利地，測量代表放大電離電流的電壓的裝置還經由第二放大裝置連接至輸入電 阻器，所述第二放大裝置能夠放大在輸入電阻中循環的電流并具有與第一放大裝置相同的 放大因子。根據一個實施例，所述放大裝置包括電流鏡。根據一個實施例，所述測量代表放大電離電流的電壓的裝置包括測量電阻。根據另一個實施例，所述變壓器的主繞線在一端連接至電源電壓，并且在另一端 連接至由控制信號控制的至少一個開關晶體管的漏極，所述開關晶體管以所述控制信號限 定的頻率向所述主繞線的端子施加電源電壓。優選地，所述變壓器具有可變圈數比。
根據閱讀通過示例性和非限制性實例并參照附圖所給出的以下說明書，本發明的 其他特點和優點將變得更加清楚，其中圖1是等離子體生成射頻插塞線圈的模型化的共振器的視圖；圖2是示出根據現有狀態的電源電路的視圖，使得能夠向圖1中模型化的插塞線 圈的端子施加射頻范圍內的交流電壓；圖3是示出圖2的電路的變型的視圖；圖4是示出根據本發明的適于測量電離電流的電源電路的視圖；以及圖5示出電離電流測量電路的實施例。
具體實施例方式在受控射頻點火的環境中實現的插塞線圈電學等同于共振器1(見圖1)，其共振 頻率F。大于1MHz，并且典型地接近于5MHz。共振器1包括串聯的電阻Rs、電感線圈Ls和 指示為Cs的電容器。插塞線圈的點火電極11和12連接至共振器的電容器Cs的端子，使 其能夠生成多絲放電，以便當按其共振頻率對共振器供電時在引擎的燃燒室中啟動混合物 的燃燒。在實踐中，當按其共振頻率Fe (1/(27^7!^^))通過高電壓對共振器供電時，在電 容器Cs的端子處的幅值被放大，從而在距離為厘米量級的電極之間以高壓力出現多絲放 電，并且峰值電壓小于20kV。然后，將火花稱為“分支”，因為他們包括給定量的至少多個電離線路或路徑的同 時生成，他們的分支還是全向的。然后，對于射頻點火的這種應用需要使用電源電路，其能夠生成電壓脈沖，典型地 是IOOns的量級，可能能夠達到IkV的量級的幅值，其頻率非常接近于射頻插塞線圈的等離子體生成共振器的共振頻率。圖2示意性示出這種電源電路2，細節見專利申請FR 03-10767。射頻插塞線圈的 電源電路通常實現所謂的“偽E級功率放大器”電路。這個電路使其能夠創建具有上述特 征的電壓脈沖。這個電路包括中間DC電源Vinter (其可從0改變至250V)、功率MOSFET晶體管M 和并行共振電路4，后者包括與電容器Cp并聯的線圈Lp，也具有接近于5Mhz的共振頻率。 晶體管M被用作控制并聯共振電路和等離子體生成共振器1的端子處的交換的開關，其被 指定連接至電源電路的輸出接口 OUT。按大致與共振器1的共振頻率一致的頻率通過由控制級3提供的控制邏輯信號Vl 在其柵極上驅動晶體管M。可在0和250V之間改變的中間DC電源電壓Vinter可有利地由高電壓電源(典 型地，DC/DC轉換器)提供。因此，在其共振頻率附近，并聯共振器4將DC電源電壓Vinter轉換成放大的周期 電壓，其相應于電源電壓乘以并聯共振器的品質因子，并在開關晶體管M的漏極的級處施 加給電源電路的輸出接口。 然后，開關晶體管M將放大的電源電壓施加給電源的輸出，其頻率由控制信號Vl 限定，盡可能接近于插塞線圈的共振頻率，以在插塞線圈的引起和維持多絲放電所需要的 電極端子處生成高電壓。因此，晶體管按約5MHz的頻率切換高電流(Ipeak ^ 20A)，并具有可達到IkV的漏 極_源極電壓。因此，晶體管的選擇是重要的，并且需要電壓和電流之間的權衡。此外，根據圖3中所示的實施例，提出將并聯線圈Lp替換為變壓器T，其具有可變 圈數比(例如在1和5之間)并適配該圈數比，以減少開關晶體管M的漏極-源極電壓。 變壓器的主繞線Lm在一端連接至電源電壓Vinter，并且在另一端連接至開關晶體管M的漏 極，從而按控制信號Vl限定的頻率控制向主繞線的端子施加電源電壓Vinter。變壓器的次繞線Ln的一端通過接地回線6接地，并被設計為連接至插塞線圈。這 樣，通過鏈路線5和6(包括接地回線6)連接至次繞線的端子的插塞線圈的共振器1因此 由變壓器的次繞線供電，如圖4所示。然后，適配圈數比使得能夠減少晶體管的漏極-源極電壓。然而，降低主繞線的電 壓導致通過晶體管的電流增加。然后，可通過例如將同一控制級3控制的兩個晶體管并聯 來補償這種限制。在點火時，對于分支火花重要地，使體積增長，以確保燃燒和最佳引擎操作。因此， 電離電流的測量需要使用這樣的組件，其不降低點火的能量效率。為此目的保持的方案包括在變壓器T的次繞線和共振器1之間使測量電容器Cmes 串聯至接地回線6。因此，有利地將測量電容器置于電路上的相對于地的電勢差盡可能低的 點處。典型地大約10個毫微法拉(nanofarad)的縮減電容的電容器使其能夠不干擾點 火系統，同時具有執行電離電流的低頻率測量的可能。因此，相對于其他無源組件選擇這個測量組件的主要優點在于其射頻特性。在實 踐中，在高頻率下，本領域普通技術人員知曉電容器的高頻等效電路包括串聯的共振器。現在，共振器具有根據向其輸入端施加的信號頻率而改變的阻抗，并且在共振器的共振頻率 處是最小值。然后，共振器的阻抗根據頻率的這種改變特征使得電容器在點火共振頻率的 附近出現很低阻抗，以及在用于點火信號的頻帶(Fiqn < 15kHz)中出現高阻抗。因此，明智 地選擇測量電容器，以在用于點火控制信號的頻率范圍內提供其最低阻抗。這樣能夠最小 化在測量電容器的端子處的電壓，以保護測量電路，現在將參照圖5進行描述。可在點火結束之后立即從離子信號提取有用的燃燒信息。通過在平均40°曲軸上 持續的燃燒，可容忍在火花結束之后(或對于6500rpm的引擎速度約8°曲軸)直到200us 的信息被掩飾。然后，有必要提供能夠用于很快地執行測量的測量電路。由于測量電路在 點火階段飽和(由于點火控制信號引起的主電流)，于是有必要使得電路減飽和時間不超 過200us，以能夠在線性模式下獲得測量信號。
此外，如圖5所示連接至測量電容器Cmes的端子的測量電路10有利地包括電壓 發生器，其具有低輸入阻抗(典型地，約10歐姆的量級)，以減少測量電路的強光時間，并 且能夠供應DC極化電壓Vpqlak以對測量電容器Cmes充電。電壓Vpquk可以在例如12和250V 之間。因此，發生器的低輸入阻抗使其能夠保持在電容器端子處的電壓恒定和/或在火 花之后快速將其電壓帶到VTOUK。對于電流IOT，這個阻抗足夠低，所述電流Iot表示通過晶 體管Tb (并且不通過電容器Cmes)在燃燒室中提供的氣體燃燒趨勢，以下將更詳細描述其操 作。這個放電電流Iion就是要經由圖5的測量電路10測量的電流。因此，經由極化級12向電路施加極化電壓VroUK，所述極化級12包括與晶體管的發 射器上的輸出以共同基極配置安裝的雙極晶體管TB，連接至測量電容器Cmes的端子。以共 同基極配置安裝晶體管Tb特征特別地在于其低輸入阻抗，有利地使其能夠在測量電路上獲 得期望的反應。例如，通過將這個電路連接至測量電容器，獲得輸入阻抗ZE，其等于 其中Rin是位于測量電路的輸入端處的電阻，Rbe指示晶體管TB的固有電阻，以及β相應于晶體管TB的增益。典型地，通過選擇Rin = 8k Ω, Rbe = IkQ以及β = 100,我們獲得Ze 10 Ω。經由測量電路的輸出電阻Rs測量代表電離電流Iiw的電路12的輸出電流Is，實際 上電流經過如在以下將更詳細理解的測量電路的輸出電阻Rs，所述電流在該輸出電阻端子 處向其施加電壓Vs，然后其測量提供電離電流的電壓的映像。這個電流Is大致等于進入晶體管Tb中的電流Ie和在電路的輸入電阻Rin中循環 的電流Ip之間的電流差。現在，由于要測量的電離電流的幅值較低并且通常小于1mA，所以測量電路有利地 包括電流放大裝置。為此，測量電路包括第一電流鏡M1，其連接在極化電壓源Vtouk和晶體 管Tb的輸入端之間，并具有由電流鏡M1的每個分支中分別存在的電阻Ra和Rb的值限定的 放大增益Gm = RA/Rb。因此，電流鏡M1使其能夠放大進入晶體管Tb (其連接至電流鏡M1的 輸出端)中的信號Ie的電流，以復制用于晶體管Rs的這個放大信號。
由此可見，電流Ic是電離電流Iiw和在輸入電阻Rin中循環的電流Ik的總和。此 夕卜，為了測量在僅代表電離電流的Rs的端子處的電壓Vs，有必要從在電流鏡M1的輸出處獲 得的放大信號中減去與輸入電阻Rin中循環的電流相應的無用分量。為此，測量電路包括第二電流鏡M2，其連接在電路的輸入電阻Rin和接地之間，并 具有由電流鏡M2的每個分支中分別存在的電阻R’b的值限定的，與第一電流鏡M1相 同的放大增益Gm。因此，通過比例Gm = Ra/Rb = R’ a/R’ b放大的、大致等于電離電流Iiqn的電流差 IC-IR經過與第二放大裝置M2的輸出連接的輸出電阻Rs。換句話說，由電離電流的放大映像 通過輸出電阻Rs，以根據如下關系獲得在其端子處的輸出電壓Vs Vs = Gffl χ Rs χ Iion
其中Gm是電流鏡的增益，Rs是輸出電阻，和Iiqn相應于電離電流。為了獲得高電離電流，必須通過盡可能高的，但是受到由電路的晶體管所支持的 最大電壓和電流限制的DC電壓來極化電路。此外，由測量電路的晶體管接受的最大電壓確 定電路的極化電壓。類似地，輸入電流必須保持足夠低，以確保線性模式的操作。這個限制 制約了向電流鏡施加的增益。因此，在輸入端上(在測量電容器的端子上)短路的情況下， 電流在電流鏡M1的電阻Ra中增加。通過放大，增加電阻Rb中的電流。為了保護電路，可從 集電極向電流鏡M1的第二晶體管的基極增加二極管D2。還可看到，在測量電容器的端子處的電壓還是所生成的火花類型的函數。在插塞 的電極和接地面之間的單絲火花導致在測量電容器中循環的電流突增，因此在其端子處導 致電壓的較大改變，潛在地損壞測量電路。因此，測量電路可提供保護二極管D1，使其能夠 將過多能量傳送至緩沖器電容器Ct，并確保在測量電容器的端子處的電壓不超過極化電壓
VpOLAR。
權利要求
一種用于內燃機的射頻點火設備，其特征在于，該設備包括-電源電路(2)，包括變壓器(T)，其次繞線(LN)連接至具有大于1MHz的共振頻率的至少一個共振器(1)，并且包括2個電極(11，12)，其能夠生成火花以在點火命令時在引擎汽缸中啟動燃燒；-測量電容器(CMES)，其串聯在所述變壓器的次繞線和所述共振器之間；以及-電路(10)，用于測量在汽缸中燃燒氣體的電離電流(IION)，連接至所述測量電容器，所述測量電路包括電壓發生器，其具有低輸入阻抗，能夠向測量電容器供應極化電壓(VPOLAR)以生成電離電流；放大電離電流的第一裝置(M1，RA，RB)；和測量代表放大電離電流的電壓(Vs)的裝置(Rs)，其連接至第一放大裝置的輸出端。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述測量電容器(Cmes)串聯在所述變壓器的 次繞線和共振器之間，位于變壓器和共振器的接地回線(6)的級處。
3.如權利要求1或2所述的設備，其特征在于，所述測量電路包括晶體管(Tb)，以共 同基極配置安裝；其第一電極連接至所述測量電容器的端子；以及其第二電極經由所述第 一放大裝置連接至所述極化電壓(Vtouk)。
4.如權利要求3所述的設備，其特征在于，以共同基極配置安裝的晶體管的第一電極 還連接至測量電路的輸入電阻(Rin)。
5.如權利要求4所述的設備，其特征在于，測量代表放大電離電流的電壓的裝置還經 由第二放大裝置(M2，r’ a，R’ b)連接至輸入電阻，所述第二放大裝置(M2，R’ a，R’ b)能夠放 大在輸入電阻中循環的電流并具有與第一放大裝置相同的放大增益。
6.如先前任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述放大裝置包括電流鏡。
7.如先前任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述測量代表放大電離電流的電 壓的裝置包括測量電阻(Rs)。
8.如先前任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述變壓器的主繞線在一端連接 至電源電壓(Vinter)，并且在另一端連接至由控制信號(Vl)控制的至少一個開關晶體管 (M)的漏極，所述開關晶體管以所述控制信號限定的頻率向所述主繞線的端子施加電源電 壓。
9.如先前任一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述變壓器具有可變圈數比。
全文摘要
一種用于內燃機的射頻點火設備，其特征在于，該設備包括電源電路(2)，包括變壓器(T)，其次繞線(LN)連接至共振器(1)，并且包括2個電極，其能夠生成火花以在點火命令時在引擎汽缸中啟動燃燒；測量電容器(CMEs)，其串聯在所述變壓器的次繞線和所述共振器之間；以及測量電路(10)，用于測量燃燒氣體的電離電流(IION)，連接至所述測量電容器，所述測量電路包括電壓發生器，其具有低輸入阻抗，能夠向測量電容器供應極化電壓(VPOLAR)以生成電離電流；放大電離電流的第一裝置(M1，RA，RB)；和測量代表放大電離電流的電壓(Vs)的裝置(Rs)。
文檔編號F02P17/12GK101849100SQ200880114769
公開日2010年9月29日 申請日期2008年10月1日 優先權日2007年11月5日
發明者A·阿涅雷, F·德洛雷因 申請人:雷諾股份公司