專利名稱：生成脈沖的電子電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生成電流/電壓脈沖的電子電路，其具有一個直流電壓源、至少一個和該直流電壓源的兩個極連接的尤其是第一電容器的充電蓄能器、至少一個的可操縱/可觸發的開關元件以及至少一個可由生成的脈沖操作的部件。
這種類型的電路尤其用于創造用來生成點火火花的脈沖，以便例如對內燃機內的混合氣體點火。
其它應用例如包括允許激光二極管的脈沖操作或者操縱或驅動/觸發磁阻馬達。概言之，一旦任何類型的部件要用電流或電壓脈沖操作時都可采用這種電路。取決于具體應用，這些脈沖可以是低壓或高壓脈沖。
具體地就生成點火火花而言，通常知道例如以脈動方式對蓄能電容器充電，并且隨后通過變壓器的主線圈利用可操縱/可觸發的開關元件例如可控硅短路對在充電過程中集累的電荷短路。由這種短路生成的電流/電壓脈沖在該變壓器內提高到千伏范圍從而在該變壓器的次級線圈引出電壓，這使得有可能在電弧間隙上，例如火花塞中，造成對弧的火花。這種火花用于對引擎的燃燒室中的混合氣體點火。
根據該說明的電容器脈沖式放電原理工作的電路例如已知有來自US 5245965和EP 0378714的電路。
這些電路都具有一個共同的缺點，即相比較蓄能電容器的充電時間相對地長于放電時間。這意味著，為了使每個點火脈沖提供最大的點火能量，能達到的脈沖序列受上限限制。
例如，在6缸汽車引擎中，為達到6000轉/分需要每秒300個點火脈沖。換言之，必須每3.3毫秒生成一個點火脈沖。為滿足蓄能電容器的短充電時間(范圍在1和1.5毫秒之間)，和該電路配合的所需能源必須具有極低的內電阻并且提供高功率。
已知點火系統的另一個缺點是，由于在貯能電容器的放電過程中產生點火火花，在火花一成后不能再向形成的電弧饋送能量，從而火花的持續時間通常僅為100-300微秒。尤其在內燃機的部分負載運行下，除其它外這可導致不完全燃燒和放出更多的污染物。
本發明的目的是提供一種高效能地生成電流/電壓脈沖的電子電路，在其中在脈沖生成后還可繼續向由該電路操作的部件饋送能量，從而例如依據本發明的電路用于點火系統中時，在生成點火火花后可繼續對駐電弧饋送能量，這樣即使大多數變化的燃燒條件下，例如在啟動或滿負載下，可發生干凈和低污染的燃燒。本發明的再一個目的是即使在最大能量回收時也能產生比常規電路更高的脈沖頻率。
本發明以這樣的方式解決該問題，即至少一個和直流電壓源(例如電池)連接的充電蓄能器(具體地按第一電容器部署)之外，該電子電路還設置至少一個其它蓄能器，具體地為第二電容器，其串聯地和至少一個的開關元件(具體地為可操縱/可觸發開關元件)以及由脈沖操作的部件連接，并且從而可通過至少一個開關元件和充電蓄能器雙極連接，由此可在至少一個其它蓄能器的充電和/或放電過程中向該部件發送電能。
這種類型的電路以充電蓄能器(即具體地是第一電容器)的電荷通過任何所需的連接的部件發送到其它蓄能器(如第二電容器)的方式使得有可能在操縱/觸發開關元件后生成脈沖。
依據第一優選實施例，傳送到蓄能器或該其它蓄能器的電荷出于持續脈沖生成的目的例如可用于增加充電蓄能器和一個或多個其它蓄能器之間的電位差。
出于這個目的該電路設計成一個或多個蓄能器的極性是可切換的。在蓄能器的情況下，這可以是一個充電蓄能器和所提及的其它蓄能器中的一個或多個。
切換可這樣簡單地實現，即在該電子電路內可在電流流動方向上顛倒蓄能器中的一個或多個的連接極的次序。這種可切換性/可顛倒性使得可切換蓄能器中存在的電荷極性相對于其它蓄能器是可改變的。
在從充電蓄能器向一個其它蓄能器的脈沖式電荷傳送期間，后者接近充電到該充電蓄能器的電壓。一旦電荷被輸送，通常在該充電蓄能器和該其它蓄能器之間不再存在電位差，除非消耗掉該其它蓄能器上的電荷。
由于所描述的切換，在切換之后該充電蓄能器和該其它蓄能器之間的電位差會相應地幾乎是該充電蓄能器中存在的電壓的兩倍。
如果通過啟動切換現產生脈沖式的電荷傳送，可以用人為提高的電壓操作部件并從而得到更高的功耗。在出現電位相等化后，可以出于生成下個脈沖的目的再次切換蓄能器的極性。
是否實際出現充電蓄能器和其它蓄能器之間的電位的真正相等主要取決于充電時間常數和切換定時，這進而取決于操作部件所需的脈沖頻率。從而電壓提高的幅度是這些參數的函數并且還取決于把多少電荷從蓄能器提供到脈沖操作式部件上。提高百分之幾十的電壓是現實的。
從而以一種簡單的方式可以用比充電蓄能器上的電壓大的電壓操作脈沖操作式部件，從而較低的運行電壓可以是足夠的。
由于僅在初始充電至少一個其它蓄能器之后電壓提高才是可能的，若在第一次充電過程期間電荷不通過該脈沖操作式部件會是有好處的。這例如可以通過一旁路電路達到，并且在不能用其它方式保證用第一脈沖電壓安全操作該部件時是必需的。然而，當從電壓源以大的充電時間常數對通常具有很大電容的充電蓄能器充電并且同時利用該蓄能器的第一次充電還能以大的時間常數對其它蓄能器充電時，可以省掉旁路電路。在這種情況下，不會生成脈沖并且會通過該部件緩慢充電其它蓄能器。
該電路中任何所需數量的蓄能器的可切換性還代表另一個優點，即當使用具有電感的部件時，在例如由于所生成的脈沖的負半波中的衰減磁場造成出現互感電壓的情況下，有可能在最大疊加串接下連接該部件以及各蓄能器上出現的所有部分電壓，以便利用互感電壓并且調諧地有效實現該部件的交變電壓脈沖式操作。
還應該提到，所提及的各個蓄能器可以不只是各個單個的蓄能器元件，而是可能是一種排列，尤其中諸如電容器的各蓄能器元件的串聯和/或并聯連接。
在替代的或并存的一實施例中，在生成第一脈沖后，發送到其它蓄能器的電荷還被用來生成相隨的脈沖或者用來以直流或交流能量的形式向用脈沖操作的部件提供附加能量。從而所設置的至少一個蓄能器在其充電以及放電過程期間向脈沖操作式部件提供部分或全部能量。
例如在內燃機的點火系統中具體使用依據本發明的電子電路下，有可能提供更多的能量來觸發電弧或激發下個火花。從而火花的持續時間是可調節的或者從而可提高引擎的最大速度，因為可以在其它蓄能器的充電以及放電期間生成點火火花而且在下個點火火花之前不必等待整個充電/放電周期。
在依據本發明進行布局時，若整個電路對每個其它蓄能器具有彼此不同的充電電路和放電電路二者是更有好處的。在這種情況下，應把每個其它蓄能器設置在構成這兩個電子電路的一部分的一段電路中。如果另外還把該脈沖操作式部件設置在一個位于這兩個充電電路和放電電路之中的電路段中，在各個其它蓄能器的充、放電過程中可非常容易地使發送的電荷通過該脈沖操作式部件，從而操縱它。
在所描述的布局中，若在一個其它蓄能器或數個蓄能器的充、放電期間電荷在相同方向下脈沖通過該部件是特別有益的。
這確保在充電過程以及放電過程中脈沖操作式部件處的極性保持相同。
備擇地，第一脈沖操作式部件可位于充電電路中而第二脈沖操作式部件位于放電電路中。這種類型的布局使得有可能在一個或多個其它蓄能器的充電和放電期間操縱/驅動不同的脈沖操作式部件。這可例如想象成操縱磁阻馬達的不同載流線圈或者一個接一個地操縱另一個馬達的情況。當然在每種情況中可以在充放電電路中設置更多部件。
還可想象成例如在一種應用中在該其它蓄能器充電周期內激發第一火花塞并且在同一個蓄能器的放電周期內激發第二火花塞。在另一個應用中，可以利用脈沖交替地操縱/觸發不同的激光二極管，從而在一個激光二極管陣列中可降低每個激光二極管的重復頻率，這通常對于二極管或脈沖操作式部件的壽命具有積極影響。
如果在各種情況下充放電電路具有至少一個最好兩個開關元件并且它們尤其是可操縱/可觸發的，則是特別有好處的。通過可操縱/可觸發的開關元件則有可能在該其它蓄能器的脈沖式充電和放電之間更迭。該操縱/觸發例如是可編程的，并且尤其可由馬達/引擎電子控制系統實現。
如果在這種情況下在蓄能器的充放電期間電流總是在相同方向下流過脈沖操作式部件，可以在不變的極性下向脈沖操作式部件提供更多的能量。
借助依據本發明的電路可以在交變周期內改變提供給該脈沖操作式部件的附加能量數量。由于在蓄能器的充電和放電之間在達到充電或放電極限之前出現切換，這一點成為可能，可以按蓄能器中的電荷接近充電或放電極限程度的函數調整所提供的能量。從而能量數量主要取決于切換時刻蓄能器上存在的電壓差。
從而當切換時刻達到充電或放電極限時提供最大能量。
對于把依據本發明的電路應用到內燃機的點火中，這意味著首先用高電壓點火脈沖觸發電弧并且接著用駐電弧，從而通過蓄能器的充電和放電的更迭提供的能量可適應于主電弧狀態。尤其在貧混合引擎中或者在燃燒室中出現強紊流時，若能向電弧提供更高的能量是有好處的。
為了確保例如最優供能在充電和放電期間電荷總是以相同的方向流過該脈沖操作式部件，而每個電路中電荷流通的路徑例如可以通過二極管確定。出于這個目的，在一優選實施例中，一個整流器裝置可布置成和一個蓄能器串聯，其中脈沖操作式部件布置在所述整流器裝置的直流電壓抽頭點之間。
用來規定方向的二極可以具體地是激光二極管，從而通過依據本發明的電路，有可能得到操作激光二極管和一個其它脈沖操作式部件的簡單組合。
由于可以使用數個二極管，可以選用帶有不同幅射頻譜的激光二極管，從而例如在充電和放電過程期間可發出不同的光譜。
作為對使用二極管的一種替代，有可能通過可操縱/可觸發開關元件定義每個電路中的電荷流動路徑。例如在蓄能器的充電過程期間，所有位于蓄能器的充電電路中的可操縱/可觸發開關首先是接通的，同時位于放電電路內所有開關是打開的。接著可交替地切換這些可操縱/可觸發的開關以實現充電和放電之間的更迭。
如已數次作為例子提出，依據本發明的電路的一種優選使用是為內燃機提供點火火花。對于這個目的，用脈沖操作的部件可以是變壓器，至少一個的蓄能器的充電脈沖通過變壓器的初級線圈。充電過程期間生成的電流/電壓脈沖在變壓器的幫助下升高成可在次級線圈上引出的高電壓脈沖。接著向對混合氣體點火的火花塞饋送該高電壓脈沖。
通常可能利用變壓過的高電壓脈沖點火離子化氣體。替代火花塞，有可能利用本發明的電路替代地操作例如熒光管或氖管。它們可用提高的頻率操縱從而人眼不能察覺出普通管中周知的閃爍。由于這種更高的頻率，變壓器的典型50Hz顫動會消失。還可設想在液體中生成火花，例如常見的火花電蝕。
如前面所述，通過依據本發明的電子電路有可能在點火火花產生電弧下對駐電弧提供更多的能量。這可以是直流和/或交流電流能。
為了確保對駐電弧提供直流電流能，最好把變壓器改進成其中在初級和次級線圈之間存在連接的自耦變壓器。在該情況下次級線圈的自由端和弧隙的一極連接，并且另一極和機架電勢連接。該弧隙最好是內燃機的火花塞。
現在，如果以在第一充電蓄能器和其它蓄能器中之一之間通過自耦變壓器的初級線圈發生電荷傳送的方式切換一個或數個可操縱/可觸發開關元件，這除了在次級端產生高電壓脈沖外還會同時通過初級和次級線圈之間的連接向火花塞施加一個電壓，具體是一個直流電壓，通過適當的改進直流電壓源和充電蓄能器所述電壓會如此高以便在點火后電弧將保持持續。
的確，盡管電弧的點火電壓為數千伏，但電弧只需要幾百伏，具體地對于短于1mm的間隙為200-400伏。
由于在這種方式下觸發和保持的電弧會保持持續，若通過一個也可操縱/可觸發的開關元件可從車輛地線斷開能源(直流電壓源)的接地導體是有好處的。一旦斷開該連接，自動取消對火花塞上的電壓勢的限定，從而電弧熄滅。
有可能是這樣的情況，即通過可操縱/可觸發的開關元件在蓄能器的充電過程期間觸發電弧并且保持所述電弧。根據例如可從引擎瞬態操作數據確定的所需的火花持續時間，可熄滅該電弧并且在該蓄能器的放電過程期間對下個點火火花點火，例如在引擎的一個循環之后。
在這種類型的構建中，如前面所述還有可能通過對各蓄能器的所描述的切換以及對相對于充電蓄能器的充電極性的所描述的切換達到提高脈沖電壓。
在另一優選實施例中，變壓器可具有數個最好是兩個次級線圈，從而有可能同時對兩個火花塞點火，例如在內燃機的燃燒室中。在這種方式下，可優化燃燒。
在依據本發明的電路的另一有益實施例中，可把阻擋一個蓄能器的充電電流的開關元件(具體是二極管)并聯地和變壓器的初級繞組和/或充電蓄能器連接。
當該二極管和初級繞組并聯連接時，短路掉初級繞組中存在的互感電壓并把該能量饋入次級側。當所述二極管和充電蓄能器并聯連接時，有可能在對其它蓄能器充電并點火火花后自身建立電振蕩，還可把所述振蕩的正半波發送到次級側。這使得有可能在不把被充電的其它蓄能器的電荷用來對另外新火花點火的電路布局中，可把該電荷在無須任何開關元件下提供給變壓器的次級側。
然而應該記著，由于初級和次級線圈之間的連接，該其它蓄能器的電荷在該其它蓄能器的電壓低于弧隙中的弧電壓之前持續提供給駐電弧，除非能源提供的電壓高于電弧的弧電壓。
會有在該其它蓄能器存在殘留電壓的情況，該殘留電壓減小充電蓄能器和該其它蓄能器之間的電壓差，但在所描述的切換該其它蓄能器的方式下可利用該殘留電壓增加電壓差。
作為對使用二極管的一種替代，也可使用可操縱/可觸發開關元件作為阻塞開關元件。
通言之，任何可由電流、電壓或電感式、電容式、磁式或光學式控制的元件都可以充當可操縱/可觸發開關元件，從而有可能采用半導體例如晶體管、其它可變換傳導部件或者甚至可編程微型機電開關。可使用用導電塑料制成的開關，例如周知的熔絲。通過采用這種類型的可操縱/可觸發開關有可能對依據本發明的整個電路布局進行編程，例如通過微處理器，從而例如通過一個獨立的引擎電子控制系統按引擎狀態的函數調節電弧持續時間以及所提供的能量。
在其它應用中，例如可把光發射元件作為由脈沖操作的部件。具體地，可設想使用由依據本發明的電路在脈沖方式下操作的激光二極管。還應提到，在內燃機的點火系統中，不僅使用一個電路，還可以例如為每個汽缸使用一個分離的電路。另外，可按需要選擇電源的極性。在該情況下必須注意確保所使用的二極管在與所使用的極性相對應的正確阻塞方向下運行。
在一具特實施例中從而有可能提供點火火花的電路和在脈沖方式下操縱激光二極管的電路相組合。若把受操縱的激光二極管的光譜范圍選擇為可使發出的光能離子化燃燒混合氣體中的分子(例如在激光束的焦點上)或者可呈現高激勵狀態，則有可能在一種裝置中使激光二極管的脈動光通過弧隙，從而由于預離子化/預激勵可明顯減小要提供的點火能量。
這種類型的電路裝置由于功耗可減小會使更完全和更清潔的燃燒成為可能，并可能實現速度更高的引擎。
如前面所述，在其它應用中可把磁阻馬達或其它馬達用作為脈沖操作式部件，在這樣的馬達中，例如在該其它蓄能器的充電期間電流通過第一馬達線圈并且在該蓄能器的放電期間電流通過另一個馬達線圈。
在下述各圖中展示本發明的優選實施例的示例，附圖是
圖1A示出依據本發明的一個電子電路，其中在兩個貯能電容器之間交換電荷期間，所生成的電壓脈沖通過一個變壓器并變換成用于觸發電弧的高電壓。
圖1B示出依據本發明的一個電路，其于貯能電容器的極性相對于充電電容器是可換向的。
圖1C示出依據本發明的一個電路，其中兩個貯能電容器的極性在該電路中彼此是可換向的。
圖2示出依據本發明的一個電路，其中它們的方向是由二極管組規定的脈沖式充電電流和放電電流流過變壓器的初線繞組。
圖3示出對觸發的電弧用交變電流提供其它能量的可能性。
圖4示出依據本發明的一個電路，其中用可操縱/可觸發的開關元件代替圖2所示的確定流動方向的二極管。
圖5示出類似圖4中示出的電路，其中變壓器的次級側裝備著兩個線圈。
圖6示出依據本發明的一個電路，其中通過整流器裝置確定通過變壓器的初級線圈的電流的方向。
圖7示出和圖6對應的一個電路，其中用脈沖操作式激光二極管代替脈沖操作式變壓器，其中的整流器二極管也可以是激光二極管。
圖8示出依據本發明的一個電路，其中一個電容器的電荷傳送到一個或兩個其它電容器，并且其中磁阻馬達的第一繞組位于這些電容器的充電電路中而磁阻馬達的第二繞組位于放電電路中。
圖9示出依據本發明的帶有兩個電子電路的布置，其中一個電路用于生成點火火花，另一個電路用于生成激光脈沖，激光脈沖用于預離子化或者激勵要在弧隙中點火的混合氣體。
圖1A示出一個依據本發明的電子電路，用于生成對內燃機中的點火火花進行點火的電流/電壓脈沖，其具有一個直流電壓源1，一個以第一電容器形式在遠處和所述直流電壓源的電極2和3連接的充電蓄能器4，一個可操縱/可觸發開關元件5以及一個自耦變壓器6，該變壓器由生成的脈沖操作并具有彼此連接的初級線圈13和次級線圈14。
該電路還具有一個其它蓄能器7，在本情況中它還部署成第二電容器，從而該第二電容器7串聯地和可操縱/可觸發開關元件5以及自耦變壓器6的初級繞組13連接，從而通過開關元件5連接到或可連接到充電蓄能器4的極2′和3′，這樣在電容器7的充電過程以及放電過程中都能把電能傳送到自耦變壓器。
依靠直流電壓源1通過極2與2′以及極3與3′之間的連接通路，圖1中示出的充電電容器4的充電和放電過程相比是準連續的。由于在充電電容器4的充電過程期間，短時間常數只起次要作用，極2和2′以及極3和3′之間的距離可以很長，并且由導線長度造成的電感和電阻不會對以后的脈沖生成造成負面影響。從而有可能把依據本發明的電子電路部分設置在圖1中所示的分界線T的右方內燃機或自耦變壓器的附近，并把直流電壓源1，例如電池并且對該電路提供能源，設置在例如機動車內的任何希望的位置。
在所需的點火時間點接通可操縱/可觸發開關元件5，其中點火時間點例如是由其它電子引擎控制系統(未示出)確定的，本文中不對此做更多的討論。在最簡單情況下該可操縱/可觸發開關元件5可以是常用的半導體器件或其它可操縱/可觸發開關元件，例如微型機電開關等。通過驅動開關元件5閉合充電電容器4和電容器7之間的電路，從而充電電容器4中積累的電荷作為脈沖通過自耦變壓器的初級線圈13傳送到電容器7。
由于自耦變壓器的初級線圈13和次級線圈14之間的傳輸比，通過初級線圈的電壓脈沖從幾百伏變換到幾千伏例如30-50kV的高電壓，從而在內燃機的燃燒室中的火花塞的兩個極15和16之間的弧隙上擊出火花。
由于自耦變壓器6的初級線圈13和次級線圈14之間的連接同時把電容器7上存在的電壓傳送到弧隙的極15，從而和接地極16相比極15升高到幾百伏。這意味著通過線圈連接繼續對駐電弧提供能量，在開關5處于閉合狀態下所述能量是從電源1或電容器4引出的。
打開開關5造成電容器4或直流電壓源1斷開和弧隙15-16的連接，從而現在從電容器7提供進一步的能量，直到電容器7中的電荷下降到使電壓減小到低于該弧隙所需的弧電壓。此刻電弧熄滅。
同時這意味著在電容器7的脈沖式充電過程以及從該電容器到電弧的電荷傳送之后，在電容器7上剩余大致和電弧中弧電壓的下限相對應的不確定的殘留電壓。通常，電弧熄滅后在電容器7中仍存在約為200到300伏的電壓。這導致，為了產生好的點火火花充電電容器4必須具有高得多的充電電壓，和電容器7中的殘留電壓相比該充電電壓應為約600到1000伏，以便在約為400到800伏的適當電壓差下生成足夠的點火脈沖。
另一方面，和變壓器6的初級線圈13并聯連接的二極管24防止出現不希望的振蕩、短路互感電壓并在一旦斷開開關元件5下把電容器7上的電荷饋送到次級側。
當然有可能把可操縱/可觸發開關元件5設置在充電電容器4和電容器7之間的充電電路中的任何希望的位置處。還可能以常規的方式在所希望的極性下運行依據本發明的電路裝置，從而可使極15相對于弧隙的接地極具有正電勢或負電勢。若改變極性，所需要做的只是確保改變二極管24的方向。還有可能把變壓器的初級線圈13和次級線圈14之間的連接設置在線圈的低端處以代替圖中示出的高端處。
在圖1B中示出的實施例中，該說明的電路擴充成電容器7和它的連接極7a和7b的取向在所示電路的電流流動方向下可切換。
由于這種電路，有可能避免為了生成下一個點火火花必須首先對充了電的電容器7放電，根據圖1A中示出的實施例在任何可能情況下這樣的放電可能下降到殘留電壓。
依據該實施例，通過在該電路中切換電容器7的極性從而提高電容器4和7之間的電位差可以利用電容器7上積累的電荷。
在生成脈沖時，通過閉合開關5a和5b首先通過初線線圈13把電容器4的電荷傳送到電容器7。一旦因此均衡電勢，電容器7上的電壓大致和電容器4的電壓對應。
這里由于下述事實消除掉按照上述實施例的為生成下個脈沖必須對電容器7放電(這會剩余不能避免的殘留電壓)，即打開開關5a和5b并接著接通開關5c和5d，這樣電容器7可在電路內電氣上翻轉即顛倒它的極性。
通過該切換從而顛倒該電路內電流方向中存在的電容器極7a和7b的順序，從而增加電容器4和7之間的電壓差。
在顛倒電容器7之前，兩個大致相等的電容器4的正充電極2″和電容器7的7b相連接。同樣負充電極3′和7a連接。
然而在顛倒后，正極2′和負極7a連接并且負極3′和正極7b連接，這造成兩個電容器上基本相等的電壓的相加。
由于現在電容器4和7之間的明顯的更高的電壓差(在理想情況下它是電容器4的運行電壓的兩倍)，通過兩個電容器之間的電荷的脈沖式傳送存在更新的電勢均衡，這進而產生點火火花。為了生成脈沖從而可反復切換該電容器。
也可以在圖1A中示出的實施例中使用電氣上翻轉電容器7的極性的這種電路布局。如果例如電容器4上的電壓約為300V并且電容器7上存在200V的殘留電壓，對于生成點火火花100伏的差是不足的。然而在翻轉電容器極性后，電壓差上升到400V，這構成足夠的電壓。
利用這種電路變型，當用于圖1A中所示的實施例中時有可能一方面利用電容器7中的殘留電荷并且另一方面減少依據圖1B的電路的運行電壓，因為在理想情況下可把電容器4和7之間的電壓差提高到是電容器4上存在的電壓值的兩倍。
作為對圖1A的進一步擴充，在圖1B中示出的實施例中可通過開關元件17切換接地定義。這使得有可能在一種命中方式下把氣隙15-16升高到直流電壓源的電壓，其產生的優點將利用圖2中示出的類似實施例予以說明。
圖1C示出一種電路變型，其中該電路中的充電電容器4和電容器7在每種情況下可相對于另一個電容器顛倒極性。
這使得有可能在出現互感電壓(由于初級線圈13中通過所生成的脈沖的電流/電壓最大值后的磁場衰減)情況下按最大的相加串接切換線圈13和電容器4、7上的所有部分電壓。
從而該在前面的實施例中由二極管限制的互感電壓在這里用于諧振下的該部件的交變電壓脈沖式操作。
下面詳細說明這種電路布局的功能原理假定情況是兩個電容器4和7都充電到相同的電平，通過和圖1B中所示的前一實施例相對應的開關5顛倒電容器7。由于電壓差因此提高，電荷從電容器4流到電容器7，因此在初級線圈13中產生電流/電壓脈沖，并且再在相反方向下對極性翻轉的電容器7充電從而其極性再次和起始情況相對應。
由于脈沖最大值后初級線圈13中的衰減磁場，生成一個改變線圈13處的極性的互感電壓。在出現互感電壓情況下，已在反方向上充電的電容器被切換從而現在在脈沖的負半波中各電容器和初級線圈上出現的電壓相加地串接，這使電容器7再次在相反方向充電并且其極性再次和起始情況相對應。
一旦達到脈沖的負半波的最大值，磁場的衰減再次產生改變初級線圈處的電壓狀態的互感電壓。現在該互感電壓和電容器7上的電壓但不是和電容器4上的電壓最大地相加串接。
現在為了使電容器4、7和線圈13上出現的所有電壓最大地相加串接，必須翻轉電容器4。當這樣做時，電荷再次傳送到電容器7，盡管此次是在和初始情況相反的相反極性下。
從而一旦初級線圈中的電流/電壓脈沖越過其正、負最大值時，反復地顛倒兩個電容器4、7中的一個的極性，之后由于磁場的隨后衰減在線圈中出現和激勵電壓相反的感應電壓。
翻轉必須設計成這樣，在翻轉兩個電容器中的一個后，各電容器和線圈上存在的部分電壓最大地相加，以便從該電路得到最大的能量好處并且允許諧振操作。
和圖1相比，圖2中示出的依據本發明的電路布局的不同之處在于該電路具有分別用來充電和放電電容器的電路。在示出的電路中，電容器7和自耦變壓器6各設置在形成這兩個電路的一部分的一個電路段中。
這允許通過自耦變壓器6在電容器7的充電期間和放電期間使電荷形成脈沖。這確保在電容器7的每個完整的充電和放電循環中產生兩個點火脈沖，從而依據本發明的電路不同于已知的其中僅在電容器的放電狀態中產生點火脈沖的電路。另外，還有可能利用圖2中所示的電路以兩種不同的方式對已觸發的電弧繼續提供能量，它們可以是繼續提供直流電流或者提供交變電流能量，而在繼續提供交變電流能量下所需要的能量量可有利地適宜于燃燒室中的主要狀態，這對于要點火貧混合時或者在引擎的不同負載模式下在燃燒室中出現紊流時尤其具有積極影響，在這樣的情況中若繼續提供的能量不足會中斷電弧。
可以以幾種不同的運行方式使用如圖2中示出的依據本發明的該電路布局，即在每個電路中設置兩個開關元件，并且在本例中在每種情況其中的一個開關元件是可操縱/可觸發的。
充電電路現在是這樣給出的，在接通可操縱/可觸發的開關元件5后，電容器4的電荷脈沖式地通過變壓器6的初級線圈13和作為不可操縱的開關元件的二極管9傳送到電容器7。另一方面放電電路是這樣給出的，在打開開關5后閉合可操縱/可觸發的開關8，從而通過二極管10、初級線圈13和閉合的開關8脈沖式地短路電容器的電荷。
情況是這樣的，借助可操縱/可觸發的開關元件5和8，有可能利用這種電路在電容器7的脈沖式充電和放電之間更迭依據本發明的電路。而在充電電路以及放電電路中設置的二極管9和10確保電流總是在同一方向下流過變壓器6的初級線圈。
下面說明各種可能的運行方式
1．通過激勵例如可通過電子引擎控制系統操縱的可操縱/可觸發開關17，定義整個電路裝置的地電位。從而，通過變壓器6的初級和次級線圈之間的連接，弧隙的極15相對于極16升高數百伏電壓。在接通可操縱/可觸發開關5后，電容器4的電荷沿著由二極管9決定的箭頭11的方向經初級線圈13脈沖式地傳送到電容器7。由于該通過初級線圈13的脈沖式電荷傳送，在次級線圈14中生成數千伏的變壓后的高電壓，這在弧隙的極15和16之間造成火花并形成弧。該火花的持續時間約為100到300微秒。
如已在圖1中所說明，弧隙的極15和16之間幾百伏的持續高電壓確保不停地向該電弧提供能量，只要該高電壓高于電弧的弧電壓。一旦打開可操縱/可觸發的開關17并因此失掉對地位的定義后，可使該電弧熄滅。這樣這種電路裝置提供可以可變地調節電弧的火花持續時間并且從而可適宜引擎狀態的優點。所生成的火花的頭電流可以非常大，而火花尾電流取決于所施加的直流電壓、干擾抑制電阻以及任何安裝的點火火花分配器中的任何級聯的火花路徑。
2．一旦電弧熄滅，可以通過重新接通開關17并且同時接通開關8再次觸發它。接著通過二極管10短路電容器7上的電荷從而它沿方向11脈沖通過變壓器6的初級繞組，因此在線圈14的次級側上生成數千伏(30-60KV)的高壓脈沖，這造成火花塞的弧隙的極15和16之間的混合氣體中的擊穿。只要開關17保持接通繼續向該電弧提供能量。
從而利用依據本發明的電路有可能在電容器7的充電過程以及放電過程中生成點火火花，以達到引擎速度的提高。
和已知的電路裝置不同，依據本發明的電路裝置允許通過激勵可操作/可觸發開關元件17改變電弧的持續時間。
3。在貧混合下電弧的弧電壓強烈起伏的情況或者在燃燒室中存在強紊動的情況下，通過激勵開關17提供的直流能量可能不能看成是足夠的，其結果是弧隙的極15和16之間存在的直流電壓可能不足以保持電弧。相應地在火花尾部還需要高電流強度。
在這樣的情況下，有可能一旦閉合開關17和開關5首先在電容器7的充電過程中生成點火火花，接著在點了火的和駐留的電弧下通過多次交替切換開關5和8在該電容器的放電和充電之間更迭，從而一次一次地轉換電壓脈沖，借此持續地向駐電弧提供能量。
在圖3中示出該原理。在點火時間點T1，從電容器4經過初級線圈13和二極管9到電容器7的電荷傳送造成電容器7處的電壓從U0升高到U2。該電壓脈沖能通過點火火花12對極15和16之間的火花隙中的混合體點火。接著通過因打開開關5和閉合開關8切換到放電過程電容器7短路到駐電弧中，從而電荷再次在方向11下流過二極管10和初級線圈13，直到電容器7上電壓達到U1。和U1和U2之間的差對應的該電壓脈沖由于初級線圈13和次級線圈14間的傳輸比也升高，從而可向駐電弧提供能量。隨后再次打開開關8并閉合開關5，從而再次把電容器7充電到電壓U2。只要要向該駐電弧提供能量，重復該交替式循環。在所提供的能量是可變的從而能適宜引擎狀態這個方面上，這是特別有好處的。這種可變性是由能調節電壓U1和U2間的電壓差的現實得到的。由于在該電路中充電時間常數和放電時間常數是預先確定的，該差值主要取決于開關5和開關8的激勵之間的切換持續時間。
在要切斷電弧時能量供應階段即將結束，可對電容器7完全充電或者完全放電。然而為了使電弧能以確定的方式熄滅，打開開關17。
在圖3中示出的時間圖中，由從T1到T2的時間段給出電弧的總火花持續時間，其中，在對電弧點火后，存在多次對電容器7充、放電下在電壓U1和U2之間的改變。在本例中即將結束火花的持續時間時在時刻T2對電容器7完全充電，從而在下個點火循環中該電容器上集累的電荷可用于再次觸發電弧。在此之后，仍有可能通過交替地切換可操縱/可觸發開關元件5和8對駐電弧提供更多能量。這種交替切換例如可由電子引擎控制系統的軟件在帶有或不帶有傳感器監視下控制，甚至在運行期間。
和圖2相比較，圖4的不同之處是用可操縱/可觸發開關元件20和19替代定義電流流動方向的二極管9和10。從而，對于電容器7的充電過程，在閉合開關17后，為了定義地電位首先接通開關5并接著接通開關20，而且在電容器7的放電過程后，打開剛提到的開關并且再次閉合開關8和19。
利用圖4中示出的電路，如同利用依據圖2的電路一樣，有可能通過開關5和20以及8和19之間的交替切換向已觸發的電弧繼續提供能量，或者在電容器7的充電和放電期間在剛打開開關17后生成點火火花。
和圖4相比圖5的進一步改進是在變壓器6的次級側設置兩個次級線圈14和18。在這兩個次級線圈的每個上在極15和16以及極15″和16″之間連接著一個弧隙，從而它們例如可以是氣缸的燃燒室中的兩個火花塞。從而有可能通過增加點火火花數量達到對混合氣體的更佳點火。當然有可能在次級側中設置更多的線圈和火花塞。然而，在對整個電路裝置的設計中必須注意要具有高的電源以在每個點火火花中提供足夠的能量。
圖6示出一種對依據圖2的電路裝置的替代實施例，其中由二極管9、10、22和23組成的整流器裝置設置成和電容器7串聯，在該整流器的直流電壓抽頭點之間設置由初級線圈13和次級線圈14組成的自耦變壓器6。
僅當接通可操縱/可觸發開關5和打開可操縱/可觸發開關8時電路才對電容器7脈沖式充電，此時經二極管9、初級線圈13和二極管22向電容器7傳送電荷。為了啟動充電過程，打開開關5并接通開關8，從而該電容器的電荷經二極管10、初級線圈13和二板管23流出。取決于對開關5和8的操縱，可在充電和放電每種情況下生成新的點火火花或者把能量送到駐電弧中。
圖7示出一種和圖6電路等效的裝置，不同之處僅僅是用設置在整流器電路的直流抽頭點之間的脈沖操作式部件激光二極管6′代替自耦變壓器。從而，有可能通過交替切換開關5和8脈沖式地操作激光二極管6′。該脈沖操作式部件還可以是任何其它發光元件以替代激光二極管6′。在另一個和圖7對應的實施例中，有可能把整流二極管改進成激光二極管22′、23′、10′和9′。在該情況下，有可能把該電路裝置和一個激光二極管陣列連接，該陣列例如由五個適當互相連接的二極管組成。根據具體應用還可能在充、放電電路中使用在不同光譜范圍下運行的激光二極管。
圖8示出依據本發明的電路的一實施例，其中一個脈沖操作式部件6位于充電電路中而另一個脈沖操作式部件6″位于放電電路中。另外，在該電路裝置中，使用兩個而不是一個蓄能器，它們由電容器7和21給出。該情況中的電容器21可通過可操縱/可觸發開關元件5′交變地合入。由于電容器7和21的并聯連接可以增加電容器的總容量。
取決于脈沖操作式部件的運行電壓，用作蓄能器的電容器可具有高達幾千法拉的電容，例如Gold-Cup電容器。
當要操縱磁阻馬達時尤其可采用圖8中示出的部件，其中電流脈沖式地輪流流過激勵線圈6和6″。
在根據圖8的例子中，當接通可操縱/可觸發開關元件5時用電容器4的電荷對電容器7充電。在該情況下，電荷脈沖式地流過線圈6。在閉合開關5′后有可能發送另一個通過線圈6的電荷脈沖。替代地，有可能早在第一次充電過程中就保持開關5′閉合，從而相應地提高總電容。
在充電過程后，打開開關5并閉合開關8，在電容器7或者電容器7以及21放電下，電流通過磁阻馬達的線圈6″。
通過使用兩個電容器7和21，其中通過開關元件5′電容器21可選擇地切換成和電容器7并聯，有可能實現各種脈沖狀態，因為電容改變還會影響脈沖幅值。
圖9示出其中使用兩個依據本發明的電路的一個電路裝置，由此下面的電路B用于生成極15和16之間的弧隙中的點火火花，而上面的電路A用于脈沖式地操縱激光二極管6′，后者發出的脈動光輻射到該弧隙中。通過適當地選擇激光二極管，從而有可能發出可預離子化位于弧隙的極15和16之間的混合氣體的光波長。當通過該弧隙中的透鏡對激光二極管的光聚焦時可加大這種預離子化。即使未生成或者不需要混合氣體中的預離子化，仍有可能在激光脈沖的幫助下激勵氣體分子，從而對點火混合氣體需要較低的總點火電壓，這造成燃燒改進。為了激勵或預離子化氣體混合，若使用的激光二極管具有盡可能短的光波長是有好處的。
圖9中示出的電路中，上方的電路A和圖2的已討論過的電路相對應，其中僅把受操縱的變壓器6用和限流電阻R串聯連接的激光二極管6′替代。電路裝置B和已在圖4中示出的電路對應。
通過電子馬達控制系統(未示出)同步圖9的例子中示出的電路A和B。
應該再次提出，一般而言，所有可操縱/可觸發元件，尤其是各圖中討論的元件5、8、17、19和20，可以通過通過電流、電壓、電感式地、電容式地、磁式地或光式地操縱。從而，可以采用所有已知的開關元件，例如半導體元件、集成電路以及其它傳導并可切換的元件。還可能使用微型機電開關(MEMS技術)。
權利要求
1．用于產生電流/電壓脈沖的電子電路，尤其用于產生內燃機中的點火火花，包括一個直流電壓源(1)，具體是一個電池；至少一個充電蓄能器(4)，具體是一個電容器(4)，尤其一定距離地，其和該直流電壓源(1)的兩個極(2,3)連接；至少一個可操縱/可觸發開關元件(5)；至少一個用生成的脈沖操作的部件(6)；其特征在于，至少一個其它蓄能器(7)，其具體是用和至少一個開關元件(5)尤其可操縱/可觸發的開關元件(5)以及該脈沖操作式部件(6)串聯連接的第二電容器(7)實現的，從而其可經過至少一個開關元件和該充電蓄能器(4)的兩個極(2,3)連接，由此可在至少一個其它蓄能器(7)的充電/放電過程中向該部件(6)提供電能。
2．依據權利要求1的電路，其特征在于，在該電路中一個或多個蓄能器(4,7)的極性是可顛倒的。
3．依據權利要求2的電路，其特征在于，在該電路內一個或多個蓄能器(4,7)的連接極的給定順序在電流方向上是可顛倒的。
4．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，一個蓄能器(4,7)具體地由數個串聯和/或并聯連接的蓄能元件組成，這些蓄能元件尤其用電容器構成。
5．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，該電路對每個蓄能器(7,21)充電和放電各具有一個電路。
6．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，把每個蓄能器(7,21)設置在構成這兩個電路的一部分的一個電路段中。
7．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，把脈沖操作式部件(6)設置在構成這兩個電路的一部分的一個電路段中。
8．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，一個脈沖操作式部件(6)位于充電電路中而另一個(6″)位于放電電路中。
9．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，每個電路具有至少一個(5或8)最好兩個開關元件(5、9或8、10)，尤其是可操縱/可觸發開關元件(5,9,19,20)。
10．依據權利要求9的電路，其特征在于，通過可操縱/可觸發開關元件(5,8,19,20)該電路可在每個蓄能器(7,21)的脈沖式充電和放電之間更迭。
11．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，在蓄能器(7)的充電和放電期間電流以相同方向(11)流過脈沖操作式部件(6)。
12．依據權利要求11的電路，其特征在于，通過二極管(9,10,22,23)定義每個電路中的電荷流動路徑。
13．依據權利要求12的電路，其特征在于，一個整流器裝置(9,10,22,23)串聯地和蓄能器(7)連接，其中在該整流器的直流電壓抽頭點之間設置一個脈沖操作式部件(6)。
14．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，二極管是激光二極管(9′,10′,22′,23′)。
15．依據權利要求11的電路，其特征在于，通過可操縱/可觸發開關元件(5,8,19,20)定義每個電路中的充電流動路徑。
16．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，用脈沖操作的部件是變壓器(6)。
17．依據權利要求16的電路，其特征在于，可優選地利用變壓器(6)為觸發電弧(12)尤其為火花塞或者為激發熒光管/氖管產生高電壓脈沖。
18．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，可持續地把直流和/或交變電流能量饋入駐電弧(12)。
19．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，變壓器(6)是一個在初級線圈(13)和次級線圈(14)之間帶有連接的自耦變壓器，尤其次級線圈(14)的自由端引到弧隙(15-16)最好是火花塞的一個極(15)，而其另一個極(16)和機架電勢連接。
20．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，通過可操縱/可觸發開關元件(17)可從車體地線斷開電源(1)的接地導體。
21．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，變壓器(6)具有多個最好是兩個次級線圈(14,18)。
22．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，阻塞蓄能器(7,21)的充電電流的開關元件(24)，尤其是二極管，并聯地與變壓器(6)的初級線圈(13)和/或充電蓄能器(4)連接。
23．依據權利要求16的電路，其特征在于，阻塞開關元件(24)是可操縱/可觸發開關元件。
24．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，可操縱/可觸發開關元件(5,8,17,19,20)可通過電流、電壓、電感式地、電容式地、磁式地或光學地操縱。
25．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，脈沖操作式部件(6)是發光元件(6′)，尤其是激光二極管。
26．依據上述任一權利要求的電路，其特征在于，脈沖操作式部件(6)是磁阻馬達(6,6″)。
27．為操縱脈沖操作式部件(6,6′,6″)在電子電路中產生電流/電壓脈沖的方法，其特征在于，在操縱至少一個開關元件(5)后通過從至少一個充電蓄能器(4)，尤其是第一電容器，經過該部件(6,6′,6″)向至少一個其它蓄能器(7)，尤其是其它電容器(7,21)，脈沖式傳送電荷產生脈沖。
28．依據權利要求27的方法，其特征在于，為了提高至少兩個蓄能器(4,7)之間的電勢差，蓄能器(4,7)中的一個的極性相對于其他的蓄能器(7,4)被顛倒。
29．依據上述任一權利要求的用于操縱包含電感的部件的方法，其特征在于，一旦在該部件中出現互感電壓，變換蓄能器(4,7)中的至少一個以使得該部件(6)和各蓄能器(4,7)中存在的所有電壓最大地相加串聯。
30．依據上述任一權利要求的方法，其特征在于，在蓄能器(7,21)的充電期間以及放電期間電荷脈沖式地按相同方向(11)流過脈沖操作式部件(6)。
31．根據上述任一權利要求用于為內燃機的點火系統生成高電壓點火火花的方法，其特征在于，持續地對駐電弧(12)饋送能量。
32．依據上述任一權利要求的方法，其特征在于，在達到充電限制(UL)或放電限制(U0)之前通過在蓄能器(7)的充電(U2)和放電(U1)之間更迭切換把能量饋入電弧(12)。
33．依據上述任一權利要求的方法，其特征在于，所提供的能量適應電弧狀態尤其適應引擎燃燒室中的紊流。
34．依據上述任一權利要求的方法，其特征在于，采用一個產生點火火花(12)的電路(B)和一個操縱激光二極管(6′)的電路(A)，該二極管的光(L)射過點火火花隙(15-16)。
全文摘要
本發明涉及一種方法和電路,用于生成電流/電壓脈沖,特別是用于產生內燃機引擎中的點火火花。所述電路包括:一個直流電壓源(1);至少一個和該直流電壓源(1)的兩個極(2,3)連接的,尤其距其一定距離連接的,充電蓄能器(4),尤其是第一電容器(4);至少一個可控制的開關元件(5)以及至少一個由產生的脈沖控制的部件(6)。該電路還包括至少一個其它蓄能器(7)尤其是第二電容器(7),其和至少一個開關元件(5)尤其是可控制的開關元件(5)以及用脈沖控制的部件(6)串聯連接。在該方式下該電路可通過至少一個的開關元件和充電蓄能器(4)的極(2,3)連接。在其它蓄能器(7)中的至少一個蓄能器的充電/放電過程期間可對該部件發送電輸出。
文檔編號F02P3/00GK1319163SQ99811129
公開日2001年10月24日 申請日期1999年8月18日 優先權日1998年8月21日
發明者維爾納·阿諾爾德 申請人:維爾納·阿諾爾德