用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的系统及方法

用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的系统及方法。该系统包括一电晕点火器，其用于接收具有一电压的能量并提供电晕放电。一电源将具有一电压的能量提供至电晕点火器。该系统还包括一电晕控制器，其用于触发提供至电晕点火器的能量的电压降低，以响应电弧形成的开始。该电压持续降低直至电弧耗尽，然后，该电压再次升高以恢复电晕放电。通过控制电弧的形成可以在电晕放电点火系统的工作过程中提高能量效率。
【专利说明】用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的系统及方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]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】
[0003]本发明主要涉及电晕放电点火系统，尤其涉及在该系统中控制电弧形成。
【背景技术】
[0004]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缸壁、活塞、金属壳体或电晕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】

[0005]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控制电弧形成的方法。本方法包括将具有一电压的能量提供至一电晕点火器，以及降低该提供至电晕点火器的能量的电压，以响应电弧形成。
[0006]本发明的另一个方面提供了使用该方法的系统。该系统包括电晕点火器，其用于接收具有一电压的能量并提供电晕放电，以及一电源，其用于将具有一电压的能量提供至电晕点火器。该系统还包括一电晕控制器，其用于触发提供至电晕点火器的能量的电压降低，以响应电弧形成的开始。通过控制电弧的形成可以在电晕放电点火系统的工作过程中提高能量效率，提高这类系统的耐久性，并且可以增强点火性能。
【专利附图】

【附图说明】
[0007]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:
[0008]图1是根据本发明的一个实施例的用于控制电弧形成的系统的框图；
[0009]图2是根据本发明的另一个实施例的用于控制电弧形成的系统的另一个框图，其示出了驱动电路的组件；[0010]图3包括一曲线图，其示出了不带有本发明的电晕点火系统的工作情况；
[0011]图4包括一曲线图，其示出了运行带有本发明的图3的电晕点火系统的优点。
【具体实施方式】
[0012]本发明提供了一种用于在点火系统中控制无意形成的电弧的系统及方法，该点火系统用于提供电晕放电20。该系统包括一电晕点火器22以及一电源24，电晕点火器22用于接收具有一电压的能量并提供电晕放电20，电源24用于在该电压下将能量提供至电晕点火器22。该系统还包括一电晕控制器26，其用于触发提供至电晕点火器22的能量的电压降低，以响应在提供电晕放电20之后发生的电弧形成。应用在该系统中的方法包括将具有一电压的能量提供至电晕点火器22，以及降低该提供至电晕点火器22的能量的电压，以响应电弧形成。
[0013]相较于现有技术中用于控制电弧的系统，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现有电晕放电点火系统的组件而无需复杂的数字元件、校准器或监控器，因此其成本较低。进一步地，该系统和方法非常快速，并且可以在电弧形成开始后的几纳秒或毫秒内控制电弧作用。尽管该系统和方法用于提供电晕放电，但该系统和方法并不试图避免发生电弧形成。然而，如果电弧形成发生，则该电弧的形成是可控的并且优选地被消除。通过控制电弧的形成可以在电晕放电点火系统的工作过程中提高能量效率。
[0014]该系统通常应用在内燃机(未不出)中。该内燃机包括气缸盖、气缸体和活塞，该气缸盖、气缸体和活塞共同形成了一用于容纳燃料和空气的可燃混合物的燃烧室。该电晕点火器22容置在气缸盖中，如图1所示，该电晕点火器22包括点火线圈27以及带有电晕尖端28的中心电极，该中心电极延伸进入燃烧室。电源24储存能量，并将该能量提供至驱动电路30，并最终提供至电晕点火器22。该点火线圈在一高射频电压下接收来自电源24的能量，并储存一部分能量，然后将该能量传输至中心电极。在一个实施例中，点火线圈27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22通常包括一围绕中心电极的绝缘体32，且该绝缘体32和中心电极容置在一金属壳体34中。
[0015]图2为根据本发明的另一个实施例的框图，其示出了电晕点火系统和驱动电路30的组件。该驱动电路30包括触发电路36、差分放大器38、第一开关40、第二开关42、变压器44、电流传感器46、低通滤波器48以及钳位器50。在电晕点火系统的运行过程中，提供至驱动电路30的能量以谐振频率振荡。图2示出了能量以信号52的形式在组件之间传输。图2还包括各组件之间的能量电流的曲线图。
[0016]发动机控制单元(未示出)的主控制器51通常提供使能信号54，该使能信号启动了差分放大器38。然后触发电路36触发能量的频率和电压振荡以响应使能信号54，该能量流过系统流至电晕点火器22，以及从电晕点火22流过系统。触发电路36通过产生触发信号52并将该触发信号52传输至差分放大器38以触发振荡。该系统具有一谐振周期，且触发信号52通常小于半个谐振周期。
[0017]差分放大器38在接收到触发信号52后被激活。然后该差分放大器38在正输入端56接收能量，放大该能量，并从第一输出端58和第二输出端59输出该能量。[0018]驱动电路30的第一开关40由差分放大器38的第一输出端58激活，并引导能量从电源24传输至电晕点火器22。开关40、42可以是BJT、FET、IGBT或其他合适的类型。
[0019]驱动电路30的变压器44包括变压器输入端60和变压器输出端62，该变压器输入端60用于接收能量，该变压器输出端62用于将能量从电源24传输至电晕点火器22以及电流传感器46。变压器44包括一次绕组64和二次绕组66，借由一次绕组64和二次绕组68传输能量。来自电源24的能量首先流过一次绕组64，从而使得该能量流过二次绕组66。电晕点火器22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46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。
[0020]电流传感器46通常为一电阻，并测量变压器44的输出端以及电晕点火器22处的能量的电流。变压器44的输出端处的能量的电流通常等于电晕点火器22处的能量的电流。然后该电流传感器46将能量传输至低通滤波器48。该低通滤波器48去除不需要的频率，并使该能量的电流相移。该相移通常不大于180°。
[0021]钳位器50接收来自低通滤波器48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50将能量传输回差分放大器38的负输入端68。
[0022]图2示出了位于钳位器50和差分放大器38之间的电晕控制器26，然而，该电晕控制器26也可以设置在系统中的其他位置。进一步地，电晕控制器26在图1和2中示为单独的组件，但也可以连接至系统的其他组件或者可以与系统的其他组件集成在一起。电弧形成的开始并未被有意避免，但是由于该系统通常用于提供电晕放电20，因此会无意地开始形成电弧。电弧形成的开始可以通过各种不同的方法进行检测。电弧形成可以通过电晕控制器26或通过一个独立的部件进行检测。如果通过另一个部件检测到电弧形成，则向电晕控制器26传输一个通知信号69。
[0023]一旦检测到电弧形成，则电晕控制器26触发提供至电晕点火器22的能量的电压降低。在一个实施例中，电晕点火器26通过使差分放大器38无效或者防止差分放大器38将能量提供至电晕点火器22来触发电压降低。如图1和2所示，电晕控制器26可以通过向驱动电路30输出一控制信号70来使差分放大器38无效。在另一个实施例中，电晕控制器26通过使主控制器51停止提供使能信号54来触发电压降低。同样如图1和2所示，在这种情况下，电晕控制器26向主控制器51输送一反馈信号72。一旦主控制器51接收到该反馈信号72并停止输出使能信号54后，电源24要么降低供给电晕点火器22的能量的电压，要么停止向电晕点火器22提供能量。
[0024]降低提供至电晕点火器22的能量的电压以响应电弧形成的步骤包括降低该能量的电压的至少10%。例如，如果提供至电晕点火器22的电压为40，000伏特，则该电压将被降低至36，000伏特或更低。在一个实施例中，降低提供至电晕点火器22的能量的电压的步骤包括停止向电晕点火器22提供能量的步骤，从而不向电晕点火器22提供能量。一旦恢复能量供应，该能量可能处于如前所述的较低的电压。
[0025]降低提供至电晕点火器22的能量的电压以响应电弧形成的步骤包括在一段时间内降低电压，优选地在短时间内降低电压。在一个实施例中，在控制信号70的持续时间内电压降低。控制信号70的适当的持续时间或时间长度是可编程的，并且可以基于各种因素来确定。例如，该时间长度可以适于降低电压或停止供应能量直至观察到电压或电流为特定值或特定波形，或直至流过该系统的能量的频率达到令人满意的形式。可选的是，发动机控制单元(未示出)可以根据工作参数确定适当的时间长度。
[0026]这段时间可以是流过系统的能量的频率的一个振荡周期，或者可以是固定内部组件的各振荡周期，或者可以是各振荡周期的一部分。在一个实施例中，该段时间不大于微妙级。在这段适当的时间之后，在特定的降低电压下，电弧形成不能再保持，从而熄灭。
[0027]当向电晕点火器22提供能量时，部分能量储存在点火线圈27中。因此，降低电压的步骤包括消耗来自线圈27的能量。这使得电晕点火器22的电晕尖端28处的能量的电压随着储存在线圈27中的能量消耗而下降。在一个实施例中，降低电压的步骤包括在短时间内同时消除电弧作用和电晕放电20。
[0028]紧接在熄灭电弧形成之后，该方法包括提高提供至电晕点火器22的能量的电压。在一段时间内降低提供至电晕点火器22的电压的步骤之后，立即使能量的电压增大。由于电晕放电20需要花费一些时间才能增大至足以到达地面并再次形成电弧，因此如果电晕放电20恢复至少还需要一段时间。如果再次发生电弧作用，则该系统会再次降低提供至电晕点火器22的能量的电压，以恢复电晕放电20。对电弧作用的控制可以非常快速，并且在一次点火动作中改循环可以重复多次。
[0029]在一个实施例中，在电压降低一段时间且电弧形成熄灭后，该方法包括将电压提高至与在该段时间之前以及在电弧形成之前最初提供至电晕点火器22的电压相同。例如，如果最初提供至电晕点火器22的电压为40，000伏特，则将再次向电晕点火器22提供相同的40，000伏特的电压。在另一个实施例中，在电弧形成熄灭后，向电晕点火器22提供较低的电压。例如，如果最初提供至电晕点火器22的电压为40，000伏特，则在电弧形成熄灭后，向电晕点火器22提供30，000伏特的电压。可选的是，在电弧形成熄灭后，可以向电晕点火器22提供较高的电压。
[0030]在一个典型的实施例中，电源24打开，并且向电晕点火器22提供具有第一电压的能量。当检测到电弧作用时，电源24完全关闭，从而使提供至电晕点火器22的电压降低至零，且在短时间内电弧作用和电晕放电20均被消除。在这段短时间后，电源24重新打开，并向电晕点火器22提供具有第二电压的能量，该第二电压大于第一电压。
[0031]图3包括一曲线图，其示出了不带有本发明的电晕点火系统的工作情况。在一段时间内向电晕尖端28提供电压。使能信号54示出为100，且并未应用控制信号70。当能量被提供至电晕点火器22并形成电晕放电20时，电压上升。最后，电晕放电20接触接地元件并切换至电弧作用。该曲线图示出了在电弧作用的开始以及电弧作用期间的电压骤降。
[0032]图4包括一曲线图，其示出了带有本发明的工作情况。使能信号54示出为100，且应用了控制信号70。当能量被提供至电晕点火器22并形成电晕放电20时，电压上升。最后，电弧放电20接触接地元件并切换至电弧作用，且电压骤降。然而，当电弧形成发生时，控制信号70从电晕控制器26传输至主控制器51,且电源24的电压降低。控制信号70传输一段预定的时间，直至电弧作用消除。此时，控制信号70结束，电压升高，且电晕放电20恢复。
[0033]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。
【权利要求】
1.一种用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 向一电晕点火器提供具有一电压的能量；以及 降低提供至电晕点火器的能量的电压以响应电弧形成。
2.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述降低提供至电晕点火器的能量的电压的步骤包括降低该电压的至少10%。
3.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述降低提供至电晕点火器的能量的电压的步骤包括在一段时间内降低能量的电压。
4.根据权利要求3所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述一段时间不大于微秒级。
5.根据权利要求3所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述方法包括在所述一段时间后提高提供至所述电晕点火器的能量的电压。
6.根据权利要求5所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，在所述一段时间之前提供至所述电晕点火器的能量的电压为第一电压，且在所述一段时间后提高能量的电压的步骤包括提供具有小于所述第一电压的第二电压的能量。
7.根据权利要求6所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述降低提供至电晕点火器的能量的电压的步骤包括在所述一段时间内停止执行向电晕点火器提供能量的步骤。
8.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述降低提供 至电晕点火器的能量的电压的步骤包括在所述一段时间内停止执行向电晕点火器提供能量的步骤。
9.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述向电晕点火器提供能量的步骤包括向所述电晕点火器的一个线圈提供能量，并将该能量储存在所述线圈中，所述降低电压的步骤包括消耗来自所述线圈的能量。
10.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述电弧形成是无意的。
11.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述方法包括在电弧形成之前提供电晕放电。
12.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述降低电压的步骤持续执行直至所述能量达到预定的电压和电流。
13.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的方法，其特征在于，所述降低电压的步骤持续执行直至所述能量具有预定的频率形式。
14.一种用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的系统，其特征在于，所述系统包括: 一电晕点火器，其用于接收具有一电压的能量并提供电晕放电； 一电源，其用于将具有一电压的能量提供至所述电晕点火器；以及 一电晕控制器，其用于触发提供至所述电晕点火器的能量的电压降低，以响应电弧形成。
15.根据权利要求14所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的系统，其特征在于，所述系统包括一差分放大器，其用于接收来自所述电源的能量并放大该能量，以及将该放大的能量提供至所述电晕点火器，其中，所述电晕控制器通过防止所述差分放大器向所述电晕点火器提供能量来触发电压降低。
16.根据权利要求14所述的用于在电晕放电点火系统中控制电弧形成的系统，其特征在于，所述系统包括一主控制器，其用于提供一使能信号，以使所述电源向所述电晕点火器提供能量，其中，所述电晕控制`器通过停止所述使能信号来触发电压降低。
【文档编号】F02P23/04GK103597202SQ201280025680
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年4月4日 优先权日:2011年4月4日
【发明者】约翰·安东尼·鲍里斯 申请人:费德罗-莫格尔点火公司