内燃机的点火系统及其控制方法与流程

本发明涉及内燃机的点火系统以及驱动点火系统的点火塞的方法。

背景技术：

为了改善汽油内燃机中的排放以满足排放标准，发动机需要使用高的废气再循环(egr)或者贫空气燃料混合物来工作。在这些状况下提高燃烧稳定性的电晕点火塞是已知的。然而，当电晕被生成并且然后生长时，这些塞不能够由常规点火线圈驱动，而是必须在变化的负载状况下以高频率和高电压驱动。已知的点火系统复杂并且昂贵。导致现有的电晕系统昂贵的因素之一是必须仔细地控制递送到电晕的功率以防止发出火花的需求。

而且，已知的火花塞点火系统不具有控制递送到火花的功率的量的能力。已知的系统递送与火花电阻成比例的功率。因为递送到火花的功率的量不可控并且火花电阻可能在点火周期之间不同，递送到火花的功率的量可能在周期之间不同。所递送的功率的差异可能导致周期之间点火和燃烧方面的不期望的差异。

发明目的

因此，本发明的目的在于提供一种点火系统以及驱动点火塞的方法，申请人相信使用它们至少可以缓解前述缺点，或者它们可以为已知的系统和方法提供有用的替代方案。

技术实现要素：

根据本发明，提供一种点火系统，包括：

-高压变压器，包括具有第一电感l1的初级绕组以及具有第二电感l2的次级绕组；

-初级谐振电路，包括初级绕组和初级电路电容c1并且具有第一谐振频率f1；

-点火塞，在使用中，作为负载连接到次级绕组，以形成次级谐振电路，次级谐振电路包括次级绕组、次级电路电容c2和次级电路负载电阻rp，该负载电阻在使用中以及在点火周期期间在高的第一值和低的第二值之间改变，次级谐振电路具有第二谐振频率f2；

-驱动电路，连接到初级电路以驱动频率驱动初级绕组；

-初级绕组与次级绕组之间的磁性耦合k小于0.5，使得当负载电阻高时，包括初级谐振电路和次级谐振电路的谐振变压器共同地具有共模谐振频率fc和差模谐振频率fd；以及

-控制器，从初级谐振电路和次级谐振电路中的至少一个连接到反馈电路并且被配置为使得驱动电路以依赖于负载电阻的可变频率驱动初级绕组，并且该负载电阻由控制器从反馈电路中得出。

在本发明的一个实施例中，点火塞是仅为了点火目的生成电晕的电晕塞，并且控制器可以被配置为当负载电阻高时，使得驱动电路以共模谐振频率驱动初级绕组以生成电晕，并且当火花形成导致低的负载电阻时，或者a)停止驱动初级绕组，或者b)以与谐振频率实质上不同的频率驱动初级绕组，由此停止到火花等离子体中的功率传送。

在本发明的另一个实施例中，点火塞是为了点火目的生成火花的火花塞，并且控制器可以被配置为使得驱动电路在负载电阻高时，以共模谐振频率和差模谐振频率中的一个驱动初级绕组，由此生成高电压以形成火花，并且当负载电阻低时，则以不同的频率驱动初级绕组以将预定量的功率递送至负载。

在驱动频率等于共模频率的实施例中，c1的值可以使得c1<l2c2/(1+0.5k)l1，由此提高谐振变压器的有效质量因子。

在驱动频率等于差模频率的实施例中，c1的值可以使得c1>l2c2/(1-0.5k)l1，由此提高谐振变压器的有效质量因子。

根据本发明的另一方面，提供一种驱动点火系统的方法，点火系统包括高压变压器，高压变压器包括具有第一电感l1的初级绕组和具有第二电感l2的次级绕组；初级谐振电路，包括初级绕组和初级电路电容c1并且具有第一谐振频率f1；点火塞，在使用中，作为负载连接到次级绕组，以形成次级谐振电路，次级谐振电路包括次级绕组、次级电路电容c2和次级电路负载电阻rp，该负载电阻在使用中以及在点火周期期间在高的第一值和低的第二值之间改变，次级谐振电路具有第二谐振频率f2；驱动电路，连接到初级电路以驱动频率驱动初级绕组；初级绕组与次级绕组之间的磁性耦合k小于0.5，使得当负载电阻高时，包括初级谐振电路和次级谐振电路的谐振变压器共同地具有共模谐振频率fc和差模谐振频率fd，该方法包括：

-以依赖于负载电阻的可变频率驱动初级绕组。

在一些形式的方法中，点火塞是仅为了点火目的生成电晕的电晕塞，并且方法可以包括当负载电阻高时，以共模谐振频率驱动初级绕组以生成电晕，并且当火花形成导致低的负载电阻时，则或者a)停止驱动初级绕组，或者b)以与谐振频率实质上不同的频率驱动初级绕组，由此停止到火花等离子体中的功率传送。

在其他形式的方法中，点火塞是为了点火目的生成火花的火花塞，并且方法可以包括当负载电阻高时，以共模谐振频率和差模谐振频率中的一个驱动初级绕组，由此生成高电压以形成火花，并且当负载电阻低时，则以不同的频率驱动初级绕组以将预定量的功率递送至负载。

附图说明

现在将参考附随附图，仅作为示例，进一步描述本发明，其中：

图1是包括点火塞的点火系统的示例实施例的高级电路图；

图2是包括电晕塞形式的点火塞的点火系统的示例实施例的图解截面图；

图3是包括火花塞形式的点火塞的点火系统的另一个示例实施例的类似视图；

图4是针对并联负载电阻rp的不同值，输出功率相对于驱动频率的图表；

图5是点火系统的示例实施例的另一个高级电路图；

图6(a)示出针对不同的驱动频率，输出功率相对于并联负载电阻的图表；

图6(b)示出针对不同的磁性耦合系数，共模和差模频率相对于并联负载电阻的图表；

图7(a)与图6(a)相类似，但是负载电容增加20％；

图7(b)与图6(b)相类似，但是负载电容增加20％；

图8是例示随着第一谐振频率和第二谐振频率相对于彼此而改变，共模谐振频率ωc和差模谐振频率ωd的改变的归一化图表；以及

图9是例示因子的值g(ω)相对于第一谐振频率与第二谐振频率的比值的图表。

具体实施方式

点火系统的示例实施例指定为图1中10，图2中5、10.1以及图3中10.2。

参考图1，点火系统包括高压变压器12，高压变压器12包括初级绕组12.1和次级绕组12.2。在使用中，点火塞14作为负载连接到次级绕组，以形成次级谐振电路16，次级谐振电路16包括次级绕组12.2、次级电路电容18以及与次级绕组12.2并联的负载电阻20。负载电阻20和负载电容18主要由点火塞的电极114.1和114.2(图2和3中示出)之间的介质(气体和/或等离子体)的电阻和电容提供。已知，在使用中以及在点火期间，负载电阻从第一并且高的值改变成第二并且较低的值，并且负载电容从第一并且低的值改变成第二并且较高的值。随着电晕首先生成，电容增加并且负载电阻减小。当火花形成时，负载电阻突然并且急剧地减小。电容器24针对串联配置(参看图1)与初级绕组12.1串联连接或者针对并联配置(参看图5)而并联连接，以形成初级谐振电路26。驱动电路22连接到初级电路以驱动初级绕组。驱动电路可以是电压源(针对串联配置)或者电流源(针对并联配置)。初级谐振电路26具有与第一角谐振频率ω1相关联的第一谐振频率f1，并且次级谐振电路16当负载电阻20大(具有它的第一值)时具有第二谐振频率f2并且当负载电阻小(具有它的第二值)时不具有第二谐振频率。第二谐振频率与第二角谐振频率ω2相关联并且第二谐振频率f2可以等于或者不同于第一谐振频率f1。初级绕组12.1与次级绕组12.2之间的磁性耦合系数(k)小于0.5，使得包括初级谐振电路和次级谐振电路的谐振变压器当负载电阻具有它的第一值时具有共模谐振频率fc(图4中示出并且在下面说明)或者角频率ωc以及差模谐振频率fd(同样在图4中示出并且在下面说明)或者角频率ωd，但是当负载电阻接近它的第二并且低的值时仅具有差模谐振频率fd。

如下面更详细说明的，从初级谐振电路或者次级谐振电路连接到反馈电路50的控制器28被配置为使得驱动电路22在电晕塞14.1(图2中示出)的情况下，以共模谐振频率fc驱动初级绕组12.1以生成电晕，并且随着负载电阻的伴随下降应形成火花，则或者i)停止驱动初级绕组，或者ii)以与共模谐振频率fc实质上不同的频率驱动初级绕组由此允许火花终止。一旦火花终止，控制器可以被配置为以共模谐振重新开始振荡。

在火花塞14.2(图3中示出)的情况下，控制器被配置为使得驱动电路以共模谐振频率fc和差模谐振频率fd中的一个驱动初级绕组12.1，直到负载电阻变得小并且火花形成，并且然后以不同的频率驱动初级绕组，以确保预定量的功率递送至火花。

再次参考图1，变压器12具有初级电感l1和次级电感l2。串联电容器24具有电容c1并且次级负载具有电容c2和并联电阻rp。可以看出，当第一谐振频率f1(或者相关联的角谐振频率ω1)和第二谐振频率f2(或者相关联的角谐振频率ω2)相同(ω1,2＝1/l1c1＝1/l2c2)时，点火电路具有两个谐振频率，其中ωc称作共模谐振频率(其中初级绕组12.1中的电流与次级绕组12.2中的电流是同相的)并且ωd称作差模谐振频率(其中电流为180度异相)。如图4中所示，共模谐振频率ωc低于初级谐振频率和次级谐振频率ω1＝ω2，而差模谐振频率ωd高于ω1＝ω2。参考图4和上面的公式，f1＝f2＝5mhz并且k＝0.2，给定fc＝4.6mhz以及fd＝5.6mhz。

而且，在使用中，随着由点火塞生成的电晕生长，负载电阻rp减小并且ωc和ωd都减小(如图6(b)中所示)。随着rp接近值ω2l2，共模谐振频率ωc接近零并且ωd接近ω1。当rp小于ω2l2时，不存在共模谐振频率ωc并且ωd＝ω1。这同样在图4中由标记为a的虚线例示。

进一步可以看出，次级侧上的最大电压v2取决于初级侧和次级侧的损耗并且几乎独立于磁性耦合系数k。变压器电压比|v2|/|v1|独立于耦合系数k并且由众所周知的公式给出。所必需的最小耦合由初级侧和次级侧的损耗确定，并且应当使得k²>1/q1.1/q2，其中和是初级电路和次级电路的质量因子。r1和r2将在下面更详细地引用。

用于生成电晕的点火系统10.1的示例在连同图1参阅的图2中示出。系统10.1包括连接到变压器112的电晕塞14.1(诸如在标题为“ignitionplug”的申请人的共同未决国际申请中描述的，通过引用将其内容合并至此)。用于生成火花的点火系统10.2的示例在连同图1参阅的图3中示出。系统10.2包括连接到变压器112的火花塞14.2。

变压器包括直径大约为10mm长度为20mm以上的200次级绕组匝，位于直径d大约为20mm、填充以非磁性材料主体32的金属管30内。次级绕组112.2具有大约l2＝130μh的电感。当连接到电晕塞14.1时，次级负载电容大约为c2＝7pf，导致次级谐振频率f2＝ω2/2π＝5.3mhz。初级绕组112.1包括直径大约为10mm、具有大约530nh的电感的10绕组匝，连接到具有电容c1为1.7nf的串联电容器24，导致第一谐振频率f1＝ω1/2π＝5.3mhz。耦合系数k由绕组112.1和112.2之间的重叠确定，并且典型地在k＝0.05与k＝0.4之间。两个谐振器(初级电路和次级电路)的质量因子为大约q1＝q2＝100，使得对于k>0.05，乘积q2q1k²>25。点火电路由输出200v峰到峰方波的驱动电路驱动。于是当对于大的负载以谐振频率中的一个驱动时，初级侧绕组上的电压为大约v1＝3kv并且输出电压为大约当负载为1mω时，递送至负载的功率在谐振下为p2＝v²/r＝2kw，如图4中所示。

普通火花塞也可以在火花塞14.2的位置中使用。然而，为了防止火花塞陶瓷上的不希望的电晕，必须利用较低的驱动频率。在这种情况下，次级绕组112.2可以包括围绕铁氧体磁性材料的直径为10mm的740匝，导致次级电感l2＝7.5mh。包括火花塞电容的次级侧电容为大约30pf，给出第二谐振频率f2为340khz。当连接到56nf的串联电容器24时，初级绕组112.1包括围绕相同磁性材料的12匝，导致电感l1＝4μh以及相同的谐振频率f1为340khz。点火电路由输出200v峰到峰方波的驱动电路22驱动。当对于大的负载在谐振下驱动时，初级绕组上的电压大约为v1＝1kv并且输出电压大约为v2＝43kv。

如图6(a)中所示，作为负载电阻rp的函数、递送至负载14的功率p2＝v2²/rp由驱动电路22的频率确定。使用如图1和5中在50处示出的反馈，初级绕组12.1可以以共模谐振频率fc交替地差模谐振频率fd驱动，随着它们在使用中分别改变。替代地，如图6(b)中所示，系统10可以以诸如4.5mhz这样的恒定频率fconst驱动。关于这三种情况，作为电阻的函数的功率在图6(a)中示出。

从图6(a)中可以看出，如在62处所示，当负载电阻变得小时，以共模谐振频率fc驱动系统将固有地暂停功率传送。因此，在火花形成的时刻，系统和方法固有地减小功率。如在64处所示，以恒定频率fconst驱动电路将递送恒定的电流到小的负载中，并且如在66处所示，以差模谐振频率fd驱动系统将导致递送至小的负载中的非常高的功率。

随着电晕生长负载电容c2的改变效果可以通过例如增加次级电容20％由此减小共模谐振频率大约10％而看出，如图7(b)中所示。当驱动频率固定为共模谐振频率而没有额外的电容时，系统将不再由于额外的电容在谐振下驱动。这将导致比以共模谐振频率fc驱动系统低得多的高电压v2。

如图5中所示，通过感测次级电流并且以与次级电流同相(或者180度异相)地驱动初级电路26，驱动电路22可以被配置为以共模(或者差模)频率振荡。

因此，可以使用两个弱耦合的谐振器在点火系统中生成高电压。利用控制器28使得随着负载改变，驱动电路22跟随变化的共模或者差模谐振频率，可以控制传送到负载的功率的量。在电晕点火系统中存在不期望的结果，即当以共模谐振频率驱动系统时，在火花形成的时刻，功率传送固有地减小，如图6(a)中62处所示。

如上所述，初级绕组12.1以串联(图1)或者并联(图5)连接到电容器c1并且连接到驱动电路22。电容c1和电感l1形成具有第一角谐振频率ω1²＝1/l1c1的第一谐振电路。由于第一谐振电路中的损耗，电路具有第一质量因子q1，使得角频率ω处的损耗可以由q1＝ωl1/r1给出的等同串联电阻r1或者等同并联电阻代表。

次级绕组连接到负载14，诸如点火塞。次级绕组和负载的电容可以由并联电容器c2代表。次级绕组和负载电阻的损耗可以由并联电容器rp代表。电容c2和电感l2形成具有次级角谐振频率ω2²＝1/l2c2的谐振电路。角频率ω处次级侧的质量因子q2由q2＝rp/ωl2给出。下面的描述关于当电阻rp大时，亦即，当在点火塞的电极之间不存在火花时的情况。

由于初级绕组和次级绕组之间的磁性耦合，第一电路和第二电路形成组合谐振电路，称作谐振变压器。该谐振变压器不作为第一角频率ω1或者次级角频率ω2谐振，而是具有两个其他谐振频率，称作共模谐振频率fc和差模谐振频率fd(如图4中关于rp>100kω所示)。

关于第一角频率和次级角频率相同ω1＝ω2(亦即，l1c1＝l2c2)时的特殊情况，共模角谐振频率由ωc²＝w1²/(1+k)给出并且差模角谐振频率由ωd²＝w1²/(1-k)给出。然而，随着ω1变得大于ω2(ω1>ω2)，共模频率变得接近于第二谐振频率ωc→ω2并且差模频率变得接近于第一谐振频率ωd→ω1。类似地，随着ω1变得小于ω2(ω1<ω2)，ωc→ω1并且ωd→ω2。这在图8中示出，其中频率关于ω2而归一化。

当谐振变压器以它的两个谐振频率的任何一个驱动时，初级电流i1(图1)与电源v0同相，并且当如图1中串联连接时，推挽式驱动电路22可以在零电流处转换，或者当如图5中并联连接时，它在零电压处转换。这具有转换损耗小的第一优点。

谐振变压器在谐振下驱动的第二优点在于每个振荡周期将能量传送到次级电路，使得次级电路中的能量(并且因此高电压)随着每个另外的周期而增进，直到当能量损耗等于在每个周期期间传送的能量时实现稳态。结果是次级电路中的能量比在每个周期期间由驱动电路供给的能量多得多。这可以由等式|v2||i2|＝qeffv0i1代表，其中次级电路中的功率由次级电压的量值|v2|和次级电流的量值|i2|的乘积代表，供给的功率由v0和i1(它们同相)给出，并且qeff>1是谐振变压器的有效质量因子。为了生成火花或者使电晕生长，大约30kv的次级电压是必需的。这意味着qeff越大，可以使用以生成相同的输出电压的驱动电路越小(越不是强功率)，这将比更强功率的驱动电路便宜、简单并且更可靠。

具有ω1＝ω2的谐振变压器常常在所谓tesla线圈中使用。然而，当ω1＝ω2(亦即，l1c1＝l2c2)时，共模和差模谐振频率两者处的有效质量因子由变压器的初级电路和次级电路两者的质量因子确定，亦即，qeff≈q1q2/(q1+q2)或者qeff^-1＝q1^-1+q2^-1。初级绕组通常包括仅几匝，并且初级绕组中的电流比次级绕组中多得多。结果是初级电路比次级电路具有更多的损耗，q1<q2，使得有效质量因子qeff<q1<q2，这是不希望的。

然而，当ω1≠ω2时，我们具有不期望的效果，即有效质量因子qeff在共模和差模谐振频率中的一个处增加而在另一个处减小。共模和差模频率处的有效质量因子可以写作qeff^-1(ωc)≈g(ωc)q1^-1+q2^-1和qeff^-1(ωd)≈g(ωd)q1^-1+q2^-1，并且函数g(ω)＝(-ω2²/ω²+1)²/k²。函数g(ω)可以解释为存储在次级谐振电路和初级谐振电路中的能量的比值。因此显然，随着共模或者差模谐振频率接近ω2，亦即ωc,d→ω2，那个谐振处的有效质量因子接近q2，亦即qeff(ωc,d)→q2。

让ω1以因子r大于或者小于ω2，亦即，ω1＝rω2。则从图9中可以看出，随着ω1变得大于ω2(ω1>ω2)，g(ωc)→0，qeff(ωc)→q2，并且共模谐振变得更有效，并且随着ω1变得小于ω2(ω1<ω2)，g(ωd)→0，qeff(ωd)→q2，并且差模谐振变得更有效。

该图也示出g≤k/(4|1-ω1/ω2|)。根据ω1²＝1/l1c1和ω2²＝1/l2c2，这使得有可能估计有效质量因子的改进。

当k/4(1-r)<1/2时，亦即当l2c2<(1-1/2k)l1c1时，q1的作用将比差模谐振处小至少两(2)倍(g<1/2)，并且当l2c2>(1+1/2k)l1c1时，q1的作用将小于共模谐振处的一半。

当k/4(1-r)<1/4时，亦即当l2c2<(1-k)l1c1时，q1的作用将比差模谐振处小至少4倍(g<1/4)，并且当l2c2>(1+k)l1c1时，q1的作用将小于共模谐振处的一半。

电晕塞和火花塞的示例实施例分别在图3和2中示出。这些示例实施例可以包括具有第一端以及与第一端相对的第二端的电绝缘材料的细长圆柱体。第一面在第一端处提供。第一细长电极114.1在主体中纵向延伸。第一电极具有第一端和第二端。第一电极在其第一端沿朝向主体的第二端的方向上与主体的第一端相距第一距离d1处终止。因此，主体限定了在第一电极的第一端与位于主体的第一端处的张口119之间延伸的盲孔118。第二电极114.2提供在主体的外表面上并且第二电极在a)与主体的第一面齐平(针对如图3中所示的火花塞)以及b)沿朝向主体的第二端的方向上与主体的第一端相距第二距离d2(针对如图2中所示的电晕塞)中的一个处终止。

所生成的火花在第一电极与第二电极之间延伸通过张口119进入具有易点火气体的腔室，在那里在它的延伸的至少一部分处，它由气体围绕。电晕从第一电极延伸通过张口119以指状方式进入腔室，在那里在它长度的至少一部分处，它由气体围绕。