專利名稱：用于測量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：
本發明涉及內燃機的共振射頻點火技術領域。更具體而言，本發明涉及一種用于測量發動機汽缸氣體的電離電流的設備。
背景技術：
通常在點火結束之后測量發動機汽缸中氣體的電離電流，并且據此用于執行燃燒進程的診斷，例如為了檢測出對應于燃燒室最大壓力的相角，以便檢測出是否發生爆震或者甚至識別燃燒點火失敗。用于測量傳統點火系統的電離電流的電路是人們熟知的，它的操作包括在火花塞的電極之間產生火花之后，極化存在于燃燒室中的氣體/燃料混合物，從而測量火焰蔓延產生的電流。然而，這種電路只能適用于傳統點火的特征，而不適用于例如等離子體生成點火系統，等離子體生成點火系統采用射頻火花塞線圈型(BME)火花塞，其在申請人的名字提交的下列專利中得以詳細地說明FR03-10766，FR 03-10767和FR 03-10768。實際上，射頻點火的細節會對測量燃燒引發的電流帶來諸多約束。首先，點火命令信號會產生大量電流，由于可燃混合物的燃燒，這會造成電離電流產生超過120dB的振幅差。因為該電流是在點火結束之后測量的，所以會有眩光時間，在此期間測量電路不能獲取微弱電流。此外，由于將測量電路插入到點火系統中，所以不會大幅降低點火系統的效率是
至關重要的。最后，這種類型的射頻點火會產生兩種類型的放電，即多絲火花和單絲電弧，它們對點火系統會帶來不同的影響。因此，要確保電離電流的測量與產生的放電類型無關是困難的。因此，本發明旨在提出一種用于測量射頻點火系統的電離電流的設備，特別是有可能通過最小化測量掩蔽周期以及確保測量不受產生的放電類型的影響，從而克服上述約
束ο
發明內容
為了實現上述目的，本發明因此涉及一種用于內燃機射頻點火的設備，包括電源電路，該電源電路包括變壓器和兩個電極，其中變壓器的二次繞組連接到至少一個共振器， 該共振器具有超過IMHz的共振頻率，上述電極能夠響應于點火命令而產生火花，從而啟動發動機汽缸中的可燃混合物的燃燒，其特征在于，該設備包括串聯在變壓器的二次繞組和共振器之間的測量電容器，用于測量上述測量電容器的接線端處電流的測量電路，上述電流提供燃燒趨勢的電像，連接在測量電容器和測量電路之間的保護電路，其目的是使上述電流測量的獲取
3時間不受通過點火命令引發的電氣效應的影響。根據一個實施例，在變壓器和共振器的接地回路線的電平，測量電容器串聯連接在變壓器的二次繞組和共振器之間。根據本發明的設備優選地包括使可燃混合物極化的裝置，該裝置目的是在共振器的電極和發動機接地之間施加極化電壓。根據一個實施例，保護電路包括二極管橋，該二極管橋被電源電壓下的電阻極化， 該電源電壓和極化電壓成比例。優選的，測量電路包括利用運算放大器構成的電流-電壓轉換器。根據一個實施例，運算放大器包括連接到極化電壓的同相輸入，以及經保護電路連接到測量電容器的接線端的反相輸入。優選的，電流-電壓轉換器包括反饋電阻器和并聯連接到反饋電阻器的反饋電容
ο優選的，電流-電壓轉換器的輸入阻抗比測量電容器的阻抗低至少100倍。根據一個實施例，變壓器的初級繞組一側連接到中間電源電壓，以及另一側連接到由控制信號控制的至少一個開關晶體管的漏極，開關晶體管在控制信號限定的頻率下施加電源電壓至初級繞組的接線端。優選的，變壓器具有可變匝數比。
通過閱讀下面的說明書，其中給出示例性而非限制性的示例并參考附圖，將可以更加清楚的理解本發明的其它特征和優點，其中圖1是對等離子體發生射頻火花塞線圈建模的共振器的示意圖；圖2是示出根據現有技術的電源電路的示意圖，其中該電源電路施加射頻范圍內的交流電壓至圖1中建模的火花塞線圈的接線端是可能的；圖3是示出圖2的電路變型的示意圖；圖4是示出根據本發明所設計的電源電路的示意圖，該電源電路用于測量點火命令期間火花塞電極接線端處的電離電流和電壓；以及圖5示出電離電流測量電路的一個實施例；圖fe示出圖5的實施例的第一變型例；以及圖恥示出圖5的實施例的第二變型例。實施方式受控射頻點火部分中采用的火花塞線圈電氣等效于共振器1(見圖1)，其共振頻率!^c超過1MHz，并且通常接近5MHz。該共振器包括串聯的電阻器Rs、電感線圈Ls和電容器Cs。當共振器通電時，火花塞線圈的點火電極11和12連接到共振器的電容器Cs的接線端，從而可以產生多絲放電(multi-filament discharges)，以啟動發動機燃燒室中混合物的燃燒。實際上，當共振器在其共振頻率Fc (1/2π VZ^))上由高壓供電時，電容器Cs 的接線端上的振幅被放大，使得在高壓且峰值電壓小于20kV下，在電極之間產生多絲放電，其中電極距離為厘米級。
然后應用術語“分化火花(branched sparks) ”，既然這些火花涉及在給定體積下同步產生至少幾條線或幾條路徑的電離，那么它們的分化也是全向的。然后將其應用到射頻點火需要采用電源電路，該電源電路能夠產生電壓脈沖，通常是IOOns級，能夠達到IkV級的振幅，頻率非常接近射頻火花塞線圈的等離子體發生共振器的共振頻率。圖2示意性示出這種電源電路2。射頻火花塞線圈的電源電路通常采用所謂的“偽 E級功率放大器”結構。這種結構可以產生具有上述特征的電壓脈沖。這種結構包括中間直流電源Vinte，它的電壓能夠從0變化到250V ；功率MOSFET 晶體管M以及并聯共振電路4，它包括并聯到電容器Cp的線圈Lp。晶體管M用作開關，以便控制并聯共振電路和等離子體發生共振器1的接線端的切換，其中該等離子體發生共振器旨在連接到電源電路的輸出界面OUT。晶體管M在其門極上受一頻率上的命令邏輯信號Vl的驅動，它由命令級3來供電，所述頻率應當基本等于共振器1的共振頻率。中間直流電源電壓Vinte能夠優選地由高壓電源(典型地是直流/直流轉換器) 來供電。因此，接近其共振頻率時，并聯共振器4將中間直流電源電壓VintCT轉換成放大周期電壓，它對應于電源電壓乘以并聯共振器的Q因數，以及將其施加到處于開關晶體管M的漏極電平的電源電路的輸出接口。然后在命令信號Vl限定的頻率上，其中該頻率應當盡可能接近火花塞線圈的共振頻率，開關晶體管M將放大的電源電壓施加到電源的輸出，從而在火花塞線圈的電極接線端產生高壓，這對于產生和維持多絲放電而言是必需的。因此在大約5MHz的頻率上且利用能夠達到IkV的漏源電壓，晶體管切換高電流。根據圖3所示的變型例，并聯線圈Lp于是由變壓器T所替代，該變壓器具有1至 5的匝數比。變壓器的初級繞組Lm的一側連接到中間電源電壓VintCT，以及另一側連接到開關晶體管M的漏極，在命令信號Vl限定的頻率下，控制中間直流電源電壓Vinte到初級繞組的接線端的施加。變壓器的二次繞組Ln的一側通過接地回路線6連接到地，該二次繞組的一部分設計為連接到火花塞線圈。通過這種方式，火花塞線圈的共振器1因此由變壓器的二次側來供電，其中火花塞線圈的共振器通過連接線5和6連接到二次繞組的接線端，其中包括接地回路線6。改變匝數比則可以減小晶體管的漏源電壓。然而，減小初級側電壓會導致流過晶體管傳遞的電流增大。然后可以通過設置例如由相同的控制級3并行地控制的兩個晶體管，從而可以消除該約束條件。在點火期間，產生大量的分化火花對于確保燃燒和最佳發動機運行是必要的。對于本申請而言，燃燒的存在是通過電容器Cs的接線端之間的可變電阻Rot來表示的。代表燃燒趨勢的電離信號具有0. 1 μ A至ImA的振幅，振幅大小根據燃燒室的條件而定(溫度、壓力、混合物組成等等)。因此，需要努力測量出相對于點火信號的振幅比高達 120dB的信號。電離信號是低頻信號，并且在IOOkHz頻率進行采樣可以用于提取所有有用信息。在射頻點火的情況下，等離子體發生共振器RsLsCs在超過IMHz并且通常為4MHz至6MHz之間的頻率下驅動。因此接近二十的頻率差是有利的，這于是可以用于抵消振幅電平差。產生電離電流的測量需要采用沒有降低點火能量效率的部件。參照圖4，為此目的所采用的技術方案包括在接地回路線6將測量電容器Cmes串聯連接到變壓器T的二次繞組和共振器1之間。因此，測量電容器優選設置在電路中相對于接地的電位差盡可能低的位置。采用大約10毫微法電容的電容器可以不干擾點火系統同時保持執行電離電流的低頻測量的可能性。因此，選擇這種測量部件而不采用其它無源部件的主要優點在于射頻性能。實際上，在高頻時，本領域技術人員熟知，電容器的高頻等效電路包括串聯共振器。實際上，共振器的阻抗根據施加到輸入的信號頻率而改變，并且在共振器的共振頻率下阻抗最低。共振器的阻抗根據頻率改變的這種特性于是使得電容器在點火的共振頻率附近呈現非常低的阻抗，在用于電離信號的頻率帶(Fiqn < 15kHz)處呈現高阻抗。因此，需要慎重的選擇測量電容器，使其在用于點火命令信號的頻率范圍內呈現其最低阻抗。這使得最小化測量電容器的接線端電壓成為可能，從而保護測量電路，下面參照圖5來說明測量電路。設置提供電壓Vp。lm的直流電源(圖中未示出)，從而極化火花塞線圈的高壓電極， 該高壓電極相對于發動機的汽缸頭連接到電源電路的輸出，從而使得在點火結束之后極化可燃混合物成為可能。代表燃燒的電離電流Iiw實際上是點火結束之后也就是說是形成火花之后測量的信號。除了別的之外，因此它的振幅依賴于火花塞線圈電極和發動機接地之間施加的極化電壓。極化電壓是單極的，并且通常在IV至100V之間。當火花塞的高壓電極在大于發動機接地電位的電位上極化時，應用術語“正向極化”。然而，也可以負向極化可燃混合物。火花塞的中心電極的電位則小于發動機接地電位。在這種情況下，極化電壓通常在-100V至-IV之間。圖5示出電路40，該電路用于測量電容器Cmes的接線端處的電離電流IMN，對燃燒趨勢的電像供電。參照該附圖，測量電路40以電流-電壓轉換器的形式產生，其被指定用于提供與輸入電流成比例的輸出電壓\。該轉換器包括運算放大器MNl和反饋電阻器&。運算放大器麗1具有連接到極化電壓Vp。la,的同相輸入⑴和經保護電路30連接到電容器Cmes的接線端的反相輸入(_)，設計為使得形成火花的效應的測量獲取時間不受限制，并且下面我們還將更加詳細的說明。電阻器&安裝在反相輸出㈠和運算放大器MNl的輸出之間。作為變型例，如圖fe所示，在可燃混合物負向極化的情況下，同相輸入⑴連接到負極化電壓Vp。lm，以及反相輸入㈠經保護電路30連接到測量電容器的接線端，同時電阻器&連接到反相輸入(_)和運算放大器麗1的輸出之間。根據圖恥示出的另一個變型例，還可以利用滿足以下條件的極化電壓Vp。la,來選擇任意極化可燃混合物VEE < Vpolar < Vcc,其中 Vee < 0 且 Vcc > 0
這種電流/電壓設置能夠準確地測量非常微弱的電流。運算放大器的輸入等于數值L6的電感。因電流-電壓轉換器和測量電容器Cmes的輸入阻抗|ze|所形成的電路，這會導致超過IookHz的頻率f。s。在點火結束之后出現偽周期性振蕩，從而減小測量電路的去飽和時間。因此需要增加與反饋電阻器&并聯的反饋電容cK，從而阻尼這些振蕩。因此該電容選擇為滿足以下條件
權利要求
1.一種用于內燃機射頻點火的設備，包括電源電路O)，該電源電路包括變壓器(T)和兩個電極(11，12)，其中變壓器的二次繞組(Ln)連接到至少一個共振器(1)，該共振器具有超過IMHz的共振頻率，上述電極能夠響應于點火命令而產生火花，啟動發動機汽缸中的可燃混合物的燃燒，其特征在于，該設備包括串聯連接在變壓器的二次繞組和共振器之間的測量電容器(Cmes)，用于測量上述測量電容器的接線端上電流(Iiw)的電路(40)，上述電流提供燃燒趨勢的電像，連接在測量電容器和測量電路之間的保護電路(30)，其用于使所述電流(Iot)測量的獲取時間不受通過點火命令引發的電氣效應的影響。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，在變壓器和共振器的接地回路線(6)的電平處，測量電容器(Cmes)串聯連接在變壓器的二次繞組和共振器之間。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其特征在于，其包括使可燃混合物極化的裝置，該裝置用于在共振器的電極和發動機接地之間施加極化電壓(Vp。lm)。
4.根據權利要求3所述的設備，其特征在于，保護電路(30)包括二極管橋，該二極管橋由電源電壓(Vaum)下的電阻(Rh，Rb)極化，該電源電壓和極化電壓(Vp。lm)成比例。
5.根據上述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，測量電路GO)包括利用運算放大器(MNl)構成的電流-電壓轉換器。
6.根據權利要求5所述的設備，其特征在于，運算放大器具有連接到極化電壓的同相輸入，以及經保護電路連接到測量電容器的接線端的反相輸入。
7.根據權利要求5或6所述的設備，其特征在于，電流-電壓轉換器包括反饋電阻器和并聯連接到反饋電阻器的反饋電容器。
8.根據權利要求5至7任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，電流-電壓轉換器的輸入阻抗比測量電容器的阻抗至少低100倍。
9.根據上述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，變壓器的初級繞組的一側連接到中間電源電壓(Vinte),以及另一側連接到由控制信號(Vl)所控制的至少一個開關晶體管(M)的漏極，開關晶體管在控制信號限定的頻率下施加電源電壓至初級繞組的接線端。
10.根據上述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，變壓器具有可調匝數比。
全文摘要
本發明涉及一種用于內燃機射頻點火的設備，包括電源電路(2)，該電源電路包括變壓器(T)和兩個電極，其中變壓器的二次繞組連接到至少一個共振器(1)，該共振器具有超過1MHz的共振頻率，上述電極能夠響應于點火命令而產生火花，啟動發動機汽缸中的可燃混合物的燃燒，其特征在于，該設備包括串聯連接在二次繞組和共振器之間的測量電容器(CMES)，用于測量上述測量電容器的接線端上電流(IION)的測量電路(40)，上述電流提供燃燒如何進行的電像，連接在電容器和測量電路之間的保護電路(30)，以及其設計為使所述電流測量的獲取時間不受通過點火命令引發的電氣效應的影響。
文檔編號F02P9/00GK102177334SQ200980140000
公開日2011年9月7日 申請日期2009年7月30日 優先權日2008年9月9日
發明者A·阿涅雷, F·德洛雷因 申請人:雷諾股份公司