內燃機的點火系統及其控制方法與流程
本發明涉及內燃機的點火系統以及驅動點火系統的點火塞的方法。
背景技術：
為了改善汽油內燃機中的排放以滿足排放標準，發動機需要使用高的廢氣再循環(egr)或者貧空氣燃料混合物來工作。在這些狀況下提高燃燒穩定性的電暈點火塞是已知的。然而，當電暈被生成并且然后生長時，這些塞不能夠由常規點火線圈驅動，而是必須在變化的負載狀況下以高頻率和高電壓驅動。已知的點火系統復雜并且昂貴。導致現有的電暈系統昂貴的因素之一是必須仔細地控制遞送到電暈的功率以防止發出火花的需求。
而且，已知的火花塞點火系統不具有控制遞送到火花的功率的量的能力。已知的系統遞送與火花電阻成比例的功率。因為遞送到火花的功率的量不可控并且火花電阻可能在點火周期之間不同，遞送到火花的功率的量可能在周期之間不同。所遞送的功率的差異可能導致周期之間點火和燃燒方面的不期望的差異。
發明目的
因此，本發明的目的在于提供一種點火系統以及驅動點火塞的方法，申請人相信使用它們至少可以緩解前述缺點，或者它們可以為已知的系統和方法提供有用的替代方案。
技術實現要素：
根據本發明，提供一種點火系統，包括：
-高壓變壓器，包括具有第一電感l1的初級繞組以及具有第二電感l2的次級繞組；
-初級諧振電路，包括初級繞組和初級電路電容c1并且具有第一諧振頻率f1；
-點火塞，在使用中，作為負載連接到次級繞組，以形成次級諧振電路，次級諧振電路包括次級繞組、次級電路電容c2和次級電路負載電阻rp，該負載電阻在使用中以及在點火周期期間在高的第一值和低的第二值之間改變，次級諧振電路具有第二諧振頻率f2；
-驅動電路，連接到初級電路以驅動頻率驅動初級繞組；
-初級繞組與次級繞組之間的磁性耦合k小于0.5，使得當負載電阻高時，包括初級諧振電路和次級諧振電路的諧振變壓器共同地具有共模諧振頻率fc和差模諧振頻率fd；以及
-控制器，從初級諧振電路和次級諧振電路中的至少一個連接到反饋電路并且被配置為使得驅動電路以依賴于負載電阻的可變頻率驅動初級繞組，并且該負載電阻由控制器從反饋電路中得出。
在本發明的一個實施例中，點火塞是僅為了點火目的生成電暈的電暈塞，并且控制器可以被配置為當負載電阻高時，使得驅動電路以共模諧振頻率驅動初級繞組以生成電暈，并且當火花形成導致低的負載電阻時，或者a)停止驅動初級繞組，或者b)以與諧振頻率實質上不同的頻率驅動初級繞組，由此停止到火花等離子體中的功率傳送。
在本發明的另一個實施例中，點火塞是為了點火目的生成火花的火花塞，并且控制器可以被配置為使得驅動電路在負載電阻高時，以共模諧振頻率和差模諧振頻率中的一個驅動初級繞組，由此生成高電壓以形成火花，并且當負載電阻低時，則以不同的頻率驅動初級繞組以將預定量的功率遞送至負載。
在驅動頻率等于共模頻率的實施例中，c1的值可以使得c1<l2c2/(1+0.5k)l1，由此提高諧振變壓器的有效質量因子。
在驅動頻率等于差模頻率的實施例中，c1的值可以使得c1>l2c2/(1-0.5k)l1，由此提高諧振變壓器的有效質量因子。
根據本發明的另一方面，提供一種驅動點火系統的方法，點火系統包括高壓變壓器，高壓變壓器包括具有第一電感l1的初級繞組和具有第二電感l2的次級繞組；初級諧振電路，包括初級繞組和初級電路電容c1并且具有第一諧振頻率f1；點火塞，在使用中，作為負載連接到次級繞組，以形成次級諧振電路，次級諧振電路包括次級繞組、次級電路電容c2和次級電路負載電阻rp，該負載電阻在使用中以及在點火周期期間在高的第一值和低的第二值之間改變，次級諧振電路具有第二諧振頻率f2；驅動電路，連接到初級電路以驅動頻率驅動初級繞組；初級繞組與次級繞組之間的磁性耦合k小于0.5，使得當負載電阻高時，包括初級諧振電路和次級諧振電路的諧振變壓器共同地具有共模諧振頻率fc和差模諧振頻率fd，該方法包括：
-以依賴于負載電阻的可變頻率驅動初級繞組。
在一些形式的方法中，點火塞是僅為了點火目的生成電暈的電暈塞，并且方法可以包括當負載電阻高時，以共模諧振頻率驅動初級繞組以生成電暈，并且當火花形成導致低的負載電阻時，則或者a)停止驅動初級繞組，或者b)以與諧振頻率實質上不同的頻率驅動初級繞組，由此停止到火花等離子體中的功率傳送。
在其他形式的方法中，點火塞是為了點火目的生成火花的火花塞，并且方法可以包括當負載電阻高時，以共模諧振頻率和差模諧振頻率中的一個驅動初級繞組，由此生成高電壓以形成火花，并且當負載電阻低時，則以不同的頻率驅動初級繞組以將預定量的功率遞送至負載。
附圖說明
現在將參考附隨附圖，僅作為示例，進一步描述本發明，其中：
圖1是包括點火塞的點火系統的示例實施例的高級電路圖；
圖2是包括電暈塞形式的點火塞的點火系統的示例實施例的圖解截面圖；
圖3是包括火花塞形式的點火塞的點火系統的另一個示例實施例的類似視圖；
圖4是針對并聯負載電阻rp的不同值，輸出功率相對于驅動頻率的圖表；
圖5是點火系統的示例實施例的另一個高級電路圖；
圖6(a)示出針對不同的驅動頻率，輸出功率相對于并聯負載電阻的圖表；
圖6(b)示出針對不同的磁性耦合系數，共模和差模頻率相對于并聯負載電阻的圖表；
圖7(a)與圖6(a)相類似，但是負載電容增加20％；
圖7(b)與圖6(b)相類似，但是負載電容增加20％；
圖8是例示隨著第一諧振頻率和第二諧振頻率相對于彼此而改變，共模諧振頻率ωc和差模諧振頻率ωd的改變的歸一化圖表；以及
圖9是例示因子的值g(ω)相對于第一諧振頻率與第二諧振頻率的比值的圖表。
具體實施方式
點火系統的示例實施例指定為圖1中10，圖2中5、10.1以及圖3中10.2。
參考圖1，點火系統包括高壓變壓器12，高壓變壓器12包括初級繞組12.1和次級繞組12.2。在使用中，點火塞14作為負載連接到次級繞組，以形成次級諧振電路16，次級諧振電路16包括次級繞組12.2、次級電路電容18以及與次級繞組12.2并聯的負載電阻20。負載電阻20和負載電容18主要由點火塞的電極114.1和114.2(圖2和3中示出)之間的介質(氣體和/或等離子體)的電阻和電容提供。已知，在使用中以及在點火期間，負載電阻從第一并且高的值改變成第二并且較低的值，并且負載電容從第一并且低的值改變成第二并且較高的值。隨著電暈首先生成，電容增加并且負載電阻減小。當火花形成時，負載電阻突然并且急劇地減小。電容器24針對串聯配置(參看圖1)與初級繞組12.1串聯連接或者針對并聯配置(參看圖5)而并聯連接，以形成初級諧振電路26。驅動電路22連接到初級電路以驅動初級繞組。驅動電路可以是電壓源(針對串聯配置)或者電流源(針對并聯配置)。初級諧振電路26具有與第一角諧振頻率ω1相關聯的第一諧振頻率f1，并且次級諧振電路16當負載電阻20大(具有它的第一值)時具有第二諧振頻率f2并且當負載電阻小(具有它的第二值)時不具有第二諧振頻率。第二諧振頻率與第二角諧振頻率ω2相關聯并且第二諧振頻率f2可以等于或者不同于第一諧振頻率f1。初級繞組12.1與次級繞組12.2之間的磁性耦合系數(k)小于0.5，使得包括初級諧振電路和次級諧振電路的諧振變壓器當負載電阻具有它的第一值時具有共模諧振頻率fc(圖4中示出并且在下面說明)或者角頻率ωc以及差模諧振頻率fd(同樣在圖4中示出并且在下面說明)或者角頻率ωd，但是當負載電阻接近它的第二并且低的值時僅具有差模諧振頻率fd。
如下面更詳細說明的，從初級諧振電路或者次級諧振電路連接到反饋電路50的控制器28被配置為使得驅動電路22在電暈塞14.1(圖2中示出)的情況下，以共模諧振頻率fc驅動初級繞組12.1以生成電暈，并且隨著負載電阻的伴隨下降應形成火花，則或者i)停止驅動初級繞組，或者ii)以與共模諧振頻率fc實質上不同的頻率驅動初級繞組由此允許火花終止。一旦火花終止，控制器可以被配置為以共模諧振重新開始振蕩。
在火花塞14.2(圖3中示出)的情況下，控制器被配置為使得驅動電路以共模諧振頻率fc和差模諧振頻率fd中的一個驅動初級繞組12.1，直到負載電阻變得小并且火花形成，并且然后以不同的頻率驅動初級繞組，以確保預定量的功率遞送至火花。
再次參考圖1，變壓器12具有初級電感l1和次級電感l2。串聯電容器24具有電容c1并且次級負載具有電容c2和并聯電阻rp。可以看出，當第一諧振頻率f1(或者相關聯的角諧振頻率ω1)和第二諧振頻率f2(或者相關聯的角諧振頻率ω2)相同(ω1,2＝1/l1c1＝1/l2c2)時，點火電路具有兩個諧振頻率，
而且，在使用中，隨著由點火塞生成的電暈生長，負載電阻rp減小并且ωc和ωd都減小(如圖6(b)中所示)。隨著rp接近值ω2l2，共模諧振頻率ωc接近零并且ωd接近ω1。當rp小于ω2l2時，不存在共模諧振頻率ωc并且ωd＝ω1。這同樣在圖4中由標記為a的虛線例示。
進一步可以看出，次級側上的最大電壓v2取決于初級側和次級側的損耗并且幾乎獨立于磁性耦合系數k。變壓器電壓比|v2|/|v1|獨立于耦合系數k并且由眾所周知的公式
用于生成電暈的點火系統10.1的示例在連同圖1參閱的圖2中示出。系統10.1包括連接到變壓器112的電暈塞14.1(諸如在標題為“ignitionplug”的申請人的共同未決國際申請中描述的，通過引用將其內容合并至此)。用于生成火花的點火系統10.2的示例在連同圖1參閱的圖3中示出。系統10.2包括連接到變壓器112的火花塞14.2。
變壓器包括直徑大約為10mm長度為20mm以上的200次級繞組匝，位于直徑d大約為20mm、填充以非磁性材料主體32的金屬管30內。次級繞組112.2具有大約l2＝130μh的電感。當連接到電暈塞14.1時，次級負載電容大約為c2＝7pf，導致次級諧振頻率f2＝ω2/2π＝5.3mhz。初級繞組112.1包括直徑大約為10mm、具有大約530nh的電感的10繞組匝，連接到具有電容c1為1.7nf的串聯電容器24，導致第一諧振頻率f1＝ω1/2π＝5.3mhz。耦合系數k由繞組112.1和112.2之間的重疊確定，并且典型地在k＝0.05與k＝0.4之間。兩個諧振器(初級電路和次級電路)的質量因子為大約q1＝q2＝100，使得對于k>0.05，乘積q2q1k2>25。點火電路由輸出200v峰到峰方波的驅動電路驅動。于是當對于大的負載以諧振頻率中的一個驅動時，初級側繞組上的電壓為大約v1＝3kv并且輸出電壓為大約
普通火花塞也可以在火花塞14.2的位置中使用。然而，為了防止火花塞陶瓷上的不希望的電暈，必須利用較低的驅動頻率。在這種情況下，次級繞組112.2可以包括圍繞鐵氧體磁性材料的直徑為10mm的740匝，導致次級電感l2＝7.5mh。包括火花塞電容的次級側電容為大約30pf，給出第二諧振頻率f2為340khz。當連接到56nf的串聯電容器24時，初級繞組112.1包括圍繞相同磁性材料的12匝，導致電感l1＝4μh以及相同的諧振頻率f1為340khz。點火電路由輸出200v峰到峰方波的驅動電路22驅動。當對于大的負載在諧振下驅動時，初級繞組上的電壓大約為v1＝1kv并且輸出電壓大約為v2＝43kv。
如圖6(a)中所示，作為負載電阻rp的函數、遞送至負載14的功率p2＝v22/rp由驅動電路22的頻率確定。使用如圖1和5中在50處示出的反饋，初級繞組12.1可以以共模諧振頻率fc交替地差模諧振頻率fd驅動，隨著它們在使用中分別改變。替代地，如圖6(b)中所示，系統10可以以諸如4.5mhz這樣的恒定頻率fconst驅動。關于這三種情況，作為電阻的函數的功率在圖6(a)中示出。
從圖6(a)中可以看出，如在62處所示，當負載電阻變得小時，以共模諧振頻率fc驅動系統將固有地暫停功率傳送。因此，在火花形成的時刻，系統和方法固有地減小功率。如在64處所示，以恒定頻率fconst驅動電路將遞送恒定的電流到小的負載中，并且如在66處所示，以差模諧振頻率fd驅動系統將導致遞送至小的負載中的非常高的功率。
隨著電暈生長負載電容c2的改變效果可以通過例如增加次級電容20％由此減小共模諧振頻率大約10％而看出，如圖7(b)中所示。當驅動頻率固定為共模諧振頻率而沒有額外的電容時，系統將不再由于額外的電容在諧振下驅動。這將導致比以共模諧振頻率fc驅動系統低得多的高電壓v2。
如圖5中所示，通過感測次級電流并且以與次級電流同相(或者180度異相)地驅動初級電路26，驅動電路22可以被配置為以共模(或者差模)頻率振蕩。
因此，可以使用兩個弱耦合的諧振器在點火系統中生成高電壓。利用控制器28使得隨著負載改變，驅動電路22跟隨變化的共模或者差模諧振頻率，可以控制傳送到負載的功率的量。在電暈點火系統中存在不期望的結果，即當以共模諧振頻率驅動系統時，在火花形成的時刻，功率傳送固有地減小，如圖6(a)中62處所示。
如上所述，初級繞組12.1以串聯(圖1)或者并聯(圖5)連接到電容器c1并且連接到驅動電路22。電容c1和電感l1形成具有第一角諧振頻率ω12＝1/l1c1的第一諧振電路。由于第一諧振電路中的損耗，電路具有第一質量因子q1，使得角頻率ω處的損耗可以由q1＝ωl1/r1給出的等同串聯電阻r1或者等同并聯電阻代表。
次級繞組連接到負載14，諸如點火塞。次級繞組和負載的電容可以由并聯電容器c2代表。次級繞組和負載電阻的損耗可以由并聯電容器rp代表。電容c2和電感l2形成具有次級角諧振頻率ω22＝1/l2c2的諧振電路。角頻率ω處次級側的質量因子q2由q2＝rp/ωl2給出。下面的描述關于當電阻rp大時，亦即，當在點火塞的電極之間不存在火花時的情況。
由于初級繞組和次級繞組之間的磁性耦合，第一電路和第二電路形成組合諧振電路，稱作諧振變壓器。該諧振變壓器不作為第一角頻率ω1或者次級角頻率ω2諧振，而是具有兩個其他諧振頻率，稱作共模諧振頻率fc和差模諧振頻率fd(如圖4中關于rp>100kω所示)。
關于第一角頻率和次級角頻率相同ω1＝ω2(亦即，l1c1＝l2c2)時的特殊情況，共模角諧振頻率由ωc2＝w12/(1+k)給出并且差模角諧振頻率由ωd2＝w12/(1-k)給出。然而，隨著ω1變得大于ω2(ω1>ω2)，共模頻率變得接近于第二諧振頻率ωc→ω2并且差模頻率變得接近于第一諧振頻率ωd→ω1。類似地，隨著ω1變得小于ω2(ω1<ω2)，ωc→ω1并且ωd→ω2。這在圖8中示出，其中頻率關于ω2而歸一化。
當諧振變壓器以它的兩個諧振頻率的任何一個驅動時，初級電流i1(圖1)與電源v0同相，并且當如圖1中串聯連接時，推挽式驅動電路22可以在零電流處轉換，或者當如圖5中并聯連接時，它在零電壓處轉換。這具有轉換損耗小的第一優點。
諧振變壓器在諧振下驅動的第二優點在于每個振蕩周期將能量傳送到次級電路，使得次級電路中的能量(并且因此高電壓)隨著每個另外的周期而增進，直到當能量損耗等于在每個周期期間傳送的能量時實現穩態。結果是次級電路中的能量比在每個周期期間由驅動電路供給的能量多得多。這可以由等式|v2||i2|＝qeffv0i1代表，其中次級電路中的功率由次級電壓的量值|v2|和次級電流的量值|i2|的乘積代表，供給的功率由v0和i1(它們同相)給出，并且qeff>1是諧振變壓器的有效質量因子。為了生成火花或者使電暈生長，大約30kv的次級電壓是必需的。這意味著qeff越大，可以使用以生成相同的輸出電壓的驅動電路越小(越不是強功率)，這將比更強功率的驅動電路便宜、簡單并且更可靠。
具有ω1＝ω2的諧振變壓器常常在所謂tesla線圈中使用。然而，當ω1＝ω2(亦即，l1c1＝l2c2)時，共模和差模諧振頻率兩者處的有效質量因子由變壓器的初級電路和次級電路兩者的質量因子確定，亦即，qeff≈q1q2/(q1+q2)或者qeff-1＝q1-1+q2-1。初級繞組通常包括僅幾匝，并且初級繞組中的電流比次級繞組中多得多。結果是初級電路比次級電路具有更多的損耗，q1<q2，使得有效質量因子qeff<q1<q2，這是不希望的。
然而，當ω1≠ω2時，我們具有不期望的效果，即有效質量因子qeff在共模和差模諧振頻率中的一個處增加而在另一個處減小。共模和差模頻率處的有效質量因子可以寫作qeff-1(ωc)≈g(ωc)q1-1+q2-1和qeff-1(ωd)≈g(ωd)q1-1+q2-1，并且函數g(ω)＝(-ω22/ω2+1)2/k2。函數g(ω)可以解釋為存儲在次級諧振電路和初級諧振電路中的能量的比值。因此顯然，隨著共模或者差模諧振頻率接近ω2，亦即ωc,d→ω2，那個諧振處的有效質量因子接近q2，亦即qeff(ωc,d)→q2。
讓ω1以因子r大于或者小于ω2，亦即，ω1＝rω2。則從圖9中可以看出，隨著ω1變得大于ω2(ω1>ω2)，g(ωc)→0，qeff(ωc)→q2，并且共模諧振變得更有效，并且隨著ω1變得小于ω2(ω1<ω2)，g(ωd)→0，qeff(ωd)→q2，并且差模諧振變得更有效。
該圖也示出g≤k/(4|1-ω1/ω2|)。根據ω12＝1/l1c1和ω22＝1/l2c2，這使得有可能估計有效質量因子的改進。
當k/4(1-r)<1/2時，亦即當l2c2<(1-1/2k)l1c1時，q1的作用將比差模諧振處小至少兩(2)倍(g<1/2)，并且當l2c2>(1+1/2k)l1c1時，q1的作用將小于共模諧振處的一半。
當k/4(1-r)<1/4時，亦即當l2c2<(1-k)l1c1時，q1的作用將比差模諧振處小至少4倍(g<1/4)，并且當l2c2>(1+k)l1c1時，q1的作用將小于共模諧振處的一半。
電暈塞和火花塞的示例實施例分別在圖3和2中示出。這些示例實施例可以包括具有第一端以及與第一端相對的第二端的電絕緣材料的細長圓柱體。第一面在第一端處提供。第一細長電極114.1在主體中縱向延伸。第一電極具有第一端和第二端。第一電極在其第一端沿朝向主體的第二端的方向上與主體的第一端相距第一距離d1處終止。因此，主體限定了在第一電極的第一端與位于主體的第一端處的張口119之間延伸的盲孔118。第二電極114.2提供在主體的外表面上并且第二電極在a)與主體的第一面齊平(針對如圖3中所示的火花塞)以及b)沿朝向主體的第二端的方向上與主體的第一端相距第二距離d2(針對如圖2中所示的電暈塞)中的一個處終止。
所生成的火花在第一電極與第二電極之間延伸通過張口119進入具有易點火氣體的腔室，在那里在它的延伸的至少一部分處，它由氣體圍繞。電暈從第一電極延伸通過張口119以指狀方式進入腔室，在那里在它長度的至少一部分處，它由氣體圍繞。
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