点燃可燃的混合物的制作方法

专利名称：点燃可燃的混合物的制作方法
技术领域：
本披露涉及使用电晕放电来点燃燃料空气混合物，如内燃发动机中的燃料空气混 合物。
背景技术：
许多内燃发动机(“ICE”)包括一个燃烧室以及一个火花式点火系统，该火花式点 火系统具有置于该燃烧室中并且彼此离开一个相对短的空隙的两个电极。横跨这些电极施 加一个高压DC电势以便在这些电极之间的气体中引起介电击穿。该介电击穿导致一种电 弧放电，该电弧放电可以使燃烧室中在这些电极附近的燃料空气混合物开始燃烧。在某些 情况下，点燃的燃料空气混合物可以形成火焰中心，该火焰中心可以发展成火焰前锋。这个 火焰前锋于是可以从这些电极的附近地区传播并且移动横贯该燃烧室。用来在这些电极之间产生电弧放电的电势的量值可以取决于几个因素。例如，被 要求用来产生电弧放电的最小电压势可以基于这些电极的间隔和/或ICE的运行情况来改 变。作为另一个实例，这些电极的最大电压势可以由火花式点火系统中的绝缘材料的介电 强度来限制。MM总而言之，一方面，一种对燃烧室中的电晕放电进行控制而不引起电弧闪击的方 法包括测量与一个电极处于电连通的电路的基线阻抗、测量该电路的一个实际阻抗、至少 部分地基于该基线阻抗确定一个阻抗设定点、将该实际阻抗与该阻抗设定点进行比较、并 且至少部分地基于该实际阻抗与该阻抗设定点之间的比较对该实际阻抗进行调节。将该电 极安排为对燃烧室传送电晕放电。实现方式可以包括下列中的一个或多个在一些实现方式中，该方法进一步包括确定一个额外阻抗，并且确定一个阻抗设 定点包括将该额外阻抗加到该基线阻抗上。在某些实现方式中，额外阻抗值是至少部分地基于燃烧室中的最佳电晕尺寸的。在一些实现方式中，额外阻抗值包括访问一个数据结构并将与该运行状态相关联 的存储的额外阻抗值返回。该数据结构将一种运行状态与一个存储的额外阻抗值相关联， 该存储的额外阻抗值与在燃烧室中在该运行状态下没有产生等离子体和电弧闪击的一个 最大电晕尺寸相关。该运行状态可以是以下中的一个或多个燃烧室的尺寸以及燃烧室中 的一个活塞位置。在某些实现方式中，该方法进一步包括检测燃烧室中的电弧闪击、测量一个当前 的运行状态、确定一个当前的额外阻抗值、从该当前的额外阻抗值中减去一个第一误差容 限以提供一个初始的额外阻抗值、并且将该当前的运行状态与在该数据结构中的初始的额 外阻抗值相关联。在一些实现方式中，该方法进一步包括在一个初始阶段中以不同运行状态来运行
燃烧室。
在某些实现方式中，确定一个当前的额外阻抗值进一步包括测量将动力提供给 电极的电路的一个当前的实际阻抗、测量将动力提供给电极的电路在一个输入端处的一个 当前的基线阻抗、并且从该当前的实际阻抗中减去该当前的基线阻抗以计算出该当前的额 外阻抗值。在一些实现方式中，该方法进一步包括执行一个周期性抖动过程。该周期性抖动 过程包括增加与该运行状态相关联的返回的阻抗值以便产生一个修改的额外阻抗、将修 改的额外阻抗值加到该基线阻抗上以便计算出该设定点阻抗、确定燃烧室中是否发生电弧 闪击。如果没有发生电弧闪击，则测量一种当前的运行状态、确定一个当前的额外阻抗值、 并且将该当前的运行状态与一个数据结构中的该当前的额外阻抗值相关联。如果发生电弧 闪击，则从修改的额外阻抗值中减去第二误差容限以便产生一个新修改的额外阻抗值、并 且将该运行状态与在该数据结构中的新修改的额外阻抗值相关联。在某些实现方式中，调节该电路的实际阻抗包括如果该基线阻抗是在该电极上 和/或置于该电极与该燃烧室之间的一个馈通绝缘体的一部分上表明沉积物积聚的一个 数值以上，则将该实际阻抗加到该阻抗设定点之上以便在燃烧室中产生电弧放电。在一些实现方式中，该方法进一步包括如果在该电路已经以增加的实际阻抗运 行了一个阈值时间段之后该基线阻抗没有返回到表明沉积物积聚的数值以下，则发送一个警告。在某些实现方式中，该基线阻抗和该实际阻抗是在电路的一个输入端处测量的。总而言之，在另一方面，一个控制系统控制着燃烧室中的电晕放电而不引起电弧 闪击。该控制系统包括被安排用来对燃烧室传送电晕放电的一个电极、与该电极处于电连 通的一个电路、以及一个系统控制器。该系统控制器被配置为测量该电路的一个基线阻 抗、至少部分地基于该基线阻抗确定一个阻抗设定点、测量该电路的一个实际阻抗、将该实 际阻抗与该阻抗设定点进行比较，并且该系统控制器被配置为至少部分地基于该实际阻抗 与该阻抗设定点之间的比较来调节该实际阻抗以便控制电晕放电。在一些实现方式中，该系统控制器被进一步配置为确定一个额外阻抗并且将该额 外阻抗加到该基线阻抗上以便确定该阻抗设定点。该系统控制器可以被配置为至少部分地 基于燃烧室中的最佳电晕尺寸来确定该额外阻抗值。在某些实现方式中，该系统控制器被配置为访问一个数据结构，该数据结构将一 种运行状态与一个存储的额外阻抗值相关联并且返回与该运行状态相关联的存储的额外 阻抗值。该存储的额外阻抗值与在燃烧室中在该运行状态下没有产生等离子体和电弧闪击 的一个最大电晕尺寸相关。该运行状态可以是燃烧室的尺寸和/或燃烧室中的活塞位置。在一些实现方式中，该系统控制器被进一步配置为检测该燃烧室中的电弧闪击、 测量一个当前的运行状态、确定一个当前的额外阻抗值、从该当前的额外阻抗值中减去一 个第一误差容限以便提供一个初始的额外阻抗值、并且将该当前的运行状态与在该数据结 构中的初始的额外阻抗值相关联。该系统控制器可以被进一步配置为在一个初始阶段中以 不同运行状态来运行该燃烧室。在某些实现方式中，该系统控制器的用来确定额外阻抗值的这种配置进一步包括 配置该系统控制器以便测量将动力提供给电极的电路的一个当前的实际阻抗、测量将动 力提供给电极的电路在一个输入端处的当前的基线阻抗、并且从该当前的实际阻抗中减去该当前的基线阻抗以便计算出该当前的额外阻抗值。在一些实现方式中，该系统控制器进一步被配置为执行一个周期性抖动过程。该 系统控制器的用来执行该抖动过程的配置包括配置该系统控制器以便增加与该运行状态 相关联的返回的阻抗值以便产生一个修改的额外阻抗、将该修改的额外阻抗值加到该基线 阻抗上以便计算出该设定点阻抗、并且确定燃烧室中是否发生电弧闪击。如果没有发生电 弧闪击，则该系统控制器被配置为测量一个当前的运行状态、确定一个当前的额外阻抗 值、并且将该当前的运行状态与一个数据结构中的当前的额外阻抗值相关联。如果发生电 弧闪击，则该系统控制器被配置为从该修改的额外阻抗值中减去一个第二误差容限以便 产生一个新修改的额外阻抗值、并且将该运行状态与在该数据结构中的新修改的额外阻抗 值相关联。在某些实现方式中，该系统控制器被配置为该系统控制器被配置为如果该基线 阻抗是在该电极和/或置于该电极与该燃烧室之间的一个馈通绝缘体上的表明沉积物积 聚的一个数值以上，则将该实际阻抗增加为在该阻抗设定点之上以便在燃烧室中产生电弧 放电。在一些实现方式中，该系统控制器被进一步配置为如果在该电路已经以增加的实 际阻抗运行一个阈值时间段之后该基线阻抗没有返回到表明沉积物积聚的数值以下，则发
送一个警告。在某些实现方式中，该基线阻抗和该实际阻抗是在该电路的一个输入端处测量 的。总而言之，在另一方面，一种控制放电能量以便减少电晕放电点火系统上的沉积 物的方法包括测量与一个电极处于电连通的一个电路的基线阻抗、测量该电路的一个实 际阻抗、至少部分地基于该基线阻抗确定一个阻抗设定点、将该实际阻抗与该阻抗设定点 进行比较，并且如果该基线阻抗是在该电级和/或在置于该电极与该燃烧室之间的一个馈 通绝缘体的一部分上表明沉积物积聚的一个数值以上，则将该实际阻抗增加为在该阻抗设 定点之上以便在燃烧室中产生电弧放电。该电极被安排为对燃烧室传送电晕放电。在一些实现方式中，该方法进一步包括如果在该电路已经以增加的实际阻抗运 行了一个阈值时间段之后该基线阻抗没有返回到表明沉积物积聚的该数值以下，则对一个 主发动机控制器发送一个警告。在某些实现方式中，增加该实际阻抗包括将该实际阻抗增加为在该阻抗设定点 之上持续一个固定的时间段。总而言之，在另一方面，驻留于一种计算机可读媒介上用于控制燃烧室中的电晕 放电而不引起电弧闪击的一个计算机程序产品包括多个指令，这些指令用于引起计算机 测量该电路的一个基线阻抗、测量该电路的一个实际阻抗、至少部分地基于该基线阻抗确 定一个阻抗设定点、将该实际阻抗与该阻抗设定点进行比较、并且至少部分地基于该实际 阻抗与该阻抗设定点之间的比较来调节该实际阻抗。其他方面、特征、以及优点将从说明书和附图、以及从权利要求中变得清楚。附图简要说明

图1是一种电晕放电点火系统的示意图，其中电极被直接连接到燃烧室上。图2是一种电晕放电点火系统的示意图，其中电极是用电容连接到燃烧室上。
图3是图1的位于一台往复式内燃烧发动机中的电晕放电燃烧系统的这些部件的 示意图。图4是分布在图3中的往复式内燃发动机的一个活塞的头部上的多个场增强器的 一个简图。图5是图1的电晕放电点火系统的高压电路的A点处的假定的、理想化输入特征 的一个图示。图6是图1的电晕放电点火系统的高压电路的B点处的假定的、理想化的输出特 征的一个图示。图7A是图3的这些控制电子器件以及初级线圈单元的一个框图，其中一个阻抗测 量电路被连接到图1或图2的A点上。图7B是图3的这些控制电子器件以及初级线圈单元的一个框图，其中一个阻抗测 量电路被连接到图1或图2的B点上。图8是在基线处以及在使用了一种电晕放电点火系统的电晕产生过程中阻抗的 测量值的一个图示。图9是展示了涉及一种电晕放电点火系统的系统控制器的数据流的一个简图。图10是计算电晕放电点火系统的设定点阻抗的一种方法的流程图。图11是对一种将电晕放电点火系统的数据结构进行初始批量载入的方法的流程 图。图12是一种使得电晕放电点火系统通过周期性地执行一个抖动过程而逐渐更新 额外阻抗值的方法的流程图。图13是一种对包括电晕放电点火系统的发动机的燃烧室中的燃烧进行控制的方 法的流程图。图14A至图14D各自描绘了包括一种电晕放电点火系统并且在一个给定的燃 料-空气比下运行的一台发动机的一个RF变压器的输入电压、频率、以及汽缸压力。图15是连接到一种电晕放电点火系统的多个点火器上的一个主发动机控制器的 示意图。详细说明参见图1，一种电晕放电点火系统启动一台内燃发动机(ICE)中的燃料/空气混 合物的燃烧，如例如由Freen在2008年7月23日提交的美国临时专利申请61/135，843 中、由Freen在2009年3月16日提交的美国临时专利申请61/210，278中、以及美国专利 6，883，507中所描述的，所有这些通过引用将其全文结合在此。为了使说明清楚起见，以下 相对于一个往复式ICE来说明电晕放电点火系统的操作。然而，应该指出，该电晕放电点火 系统还可以用来点燃其他类型的发动机(例如像，燃气涡轮发动机)中的燃料/空气混合 物。该电晕放电系统包括一个低压电路10，该低压电路跨过一个射频升压变压器20 连接到一个高压电路30上，该高压电路进而被连接到一个电极40上。在使用过程中，电 极40被充电至一个高的、射频(“RF”)电压势以便在燃烧室50中产生一个强的RF电场。 该强的电场引起该燃烧室中的燃料空气混合物的一部分发生电离。然而，如以下所描述的， 该电场可以得到控制(例如，通过对该放电电极电压进行控制以实现高电压电路30的一个阻抗设定点)这样使得燃烧室50中的气体的介电击穿不进行到电子雪崩的水平，该电子雪 崩将导致等离子体的形成并且电弧正从电极40到燃烧室50 (例如，汽缸壁和/或活塞头) 的这些接地的壁上放电。说得更确切些，通过控制高压电路30的阻抗将电场保持在一个水 平，在该水平上仅该燃料空气气体的一部分(不够用来产生导致等离子体和电弧闪击的电 子雪崩链的一部分)被电离。然而，在此将电场保持为足够强以便允许电晕放电发生。在 电晕放电中，电极40上的一些电荷是通过作为一个小的电流通过气体被携带到地上、或者 通过将电子从这些电极中释放或者被吸收到其中而从这些电离的燃料空气混合物中消散 的，但与电弧放电相比，该电流是非常小的并且电极40处的电压势保持非常高。足够强的 电场引起燃料空气混合物中的一部分发生电离以便使燃烧室50中的燃料空气混合物开始 燃烧。低电压电路10可以是一个例如100至400伏的DC电路。常规地使用连接到一个 动力系统(例如，像一台发动机的12伏、M伏、或48伏的DC动力系统)上的一个或多个升 压变压器可以产生100至400伏的电势。低压电路10的电压和/或电流可以由一个控制 系统控制，如在以下进一步详细说明的。低压电路10对一个RF升压变压器20供电，该升 压变压器例如可以在50至500kHz具有1至5KV的AC输出。RF升压变压器20驱动一个高压电路30。高压电路30可以例如包括一个或多个 感应元件32。感应元件32可以具有一个相关联的电容，该电容在图1中被表示为元件31。 此外，接线、电极40、馈通绝缘体71a以及地面可以具有一个相关联的电容，该相关联的电 容在图1中被展示为元件33。感应元件32、电容31、以及电容33 —起形成了具有一个相关 联的谐振频率的一个串联的LC电路。高压电路30包括一个7. 5的毫亨利的电感器32以及一个等效的沈微微法的串 联电容(31和3 。用于本实施方案的谐振频率是360千赫。RF升压变压器20的输出频 率与高压电路30的谐振频率相匹配。因此，当RF升压变压器20 (例如，具有1至5KV的AC 的一个输出)以其谐振频率驱动高压电路30时，该高压电路受到激励，从而在高压电路30 的输出端(B点)导致电压势的实质性增加，例如，增加50至500KV的AC。图1所展示的这些电容性元件31、33以及感应元件32是可能的体系结构的代表。 其他体系结构可以用于在射频范围内产生高电压。类似地，以上陈述的低压电路10以及高 压电路30的这些电压和频率仅仅是示例性的。总而言之，低压电路10和高压电路30的电 压、频率、部件安排可以根据特定点火系统应用的要求来选择。典型地，提供对电极40的RF 功率的频率将在30，000与3，000, 000赫兹之间。高压电路30的输出端被连接到电极40上。电极40被定位为使得对高压电路30 进行充电，这导致在由燃烧室50定义的容积中(例如，在电极40与燃烧室50的这些壁之 间)形成一个电场。例如，电极40可以被安排为使得电极40的至少一部分伸入由燃烧室 50定义的容积中。燃烧室50的这些壁相对于电极40是接地的。燃烧室50与电极40形成了常规电 容器的两个板的等效物，这两个板在运行过程中被燃烧室50中存在的馈通绝缘体71a和气 态燃料空气混合物的电介质分离。这个电容储存了电场能量并且在图1中由在高压电路30 中的电极40以及燃烧室50周围的圆周来展示。电极40延伸经过馈通绝缘体71a这样使得电极40的至少一部分被直接安置在由燃烧室50所定义的容积中。电极40的这种安排可以便于将电极40直接暴露给燃烧室50 中的一种燃料空气混合物。这种将电极40直接暴露给由燃烧室50所定义的容积可以协助 一个强电场的有效产生。如图2所示，在一些实施方案中，电极40被馈通绝缘体71b的介电材料屏蔽这样 使得电极没有直接暴露给燃料空气混合物。在使用过程中，电极40的电场穿过馈通绝缘体 71b的一部分并且进入由燃烧室50所定义的容积中。在其他方面，图2中的电容性连接的 系统可以与图1和图3中的系统相同。因为电极40没有直接暴露给燃烧室，电极40免受 燃烧室50的恶劣环境。电极40的这种保护可以例如减少电极40的退化速度。图3是一种电晕放电点火系统的一个示意截面图，其中多个部件被一起封装在一 个相对小的容积中并且被附接到一台ICE上。通过对发动机的基础结构进行小的修改，电 晕放电点火系统可以与现有的往复式ICE —起工作得很好。例如，电极40和馈通绝缘体 71a(或馈通绝缘体71b)可以被确定大小使得经过一个火花塞套筒并且被安装在一个典型 的火花式点火往复式ICE的燃烧室中。在图3的实施方案中，一个控制电子器件和初级线圈单元60接收作为多个输入的 一个定时信号61、一个低电压DC电源62 (例如，150伏DC)、以及控制信息63。控制电子器 件和初级线圈单元60的一个输出可以是关于该电晕放电点火系统性能的诊断信息63。图 1的RF升压变压器20被包括在控制电子器件和初级线圈单元60中。一个次级线圈单元 70邻近控制电子器件和初级线圈单元60以及发动机的汽缸头51。图1的高压电路30的 电容性和感应性元件31和32是图3的次级线圈单元70的一部分。控制电子器件和初级 线圈单元60靠近次级线圈单元70定位。然而，在一些实施方案中，控制电子器件和初级线 圈单元60可以被远程地安装并且RF升压变压器的输出可以经由(例如)一个同轴电缆连 接到该次级线圈的输入端上。馈通绝缘体71a环绕着经过汽缸头51延伸进入燃烧室50中的电极40。汽缸头 51、汽缸壁53、以及活塞M是相对于电极40接地的。馈通绝缘体71a被安装在一个电极 壳体72中，该电极壳体例如可以是一个金属圆柱体。馈通绝缘体71a可以例如由氮化硼形 成。电极壳体72与电极40之间的空间73可以充满一种介电气体，例如像，硫磺六氟化物 (SF. sub. 6)、压缩空气、和/或压缩氮。另外或可替代地，电极壳体72与电极40之间的空 间73可以充满一种介电流体和/或一种介电固体(例如，氧化铝和氮化硼)。控制电子器件和初级线圈单元60、次级线圈单元70、电极壳体72、电极40以及馈 通绝缘体71a —起形成了一个点火器88，可以将该点火器插入由汽缸头51限定的空间52 中。例如，电极壳体72的较小的直径部分可以具有与汽缸头51中的对应的螺纹合作的螺 纹，这样使得点火器88可以通过被拧入汽缸头51中而被紧固在位。参见图4，在一些实施方案中，燃烧室50被配置为使最大的电场强度的区域集中。 多个场增强器阳包括从活塞M的头部朝向汽缸头51延伸的多个相对尖锐的突出部分。 在运行中，这些场增强器55将电场集中在这些场增强器55与电极40之间的一个区域(例 如，图3中的阴影区域)中。在一些实施方案中，多个场增强器55可以由被限定于活塞中 的一个凹钵的这些相对尖锐的边缘形成。在某些实施方案中，多个突出部分从电极40延伸 以使最大电场强度的区域(例如，在电极40与接地的燃烧室50之间)集中。例如，电极40 可以包括从电极40径向向外朝向燃烧室50的这些壁延伸的四个突出部分。
因为电场是横过燃烧室50中的一个相对较大的容积展开的(甚至在该场在一定 程度上被集中时，例如，如在图3中所描绘的)，结果由该电晕放电点火系统产生的火焰前 锋比由一个火花式点火系统启动的典型的燃烧火焰核心更大。这个较大的火焰前锋可以协 助燃烧全部的贫油燃料空气混合物。例如，由于涡轮和/或其他因素，全部的贫油燃料空气 混合物在燃烧室50中可以具有不均勻分配的燃料，这样使得一些局部的燃料空气比率比 总体比率更贫乏而一些局部的燃料空气比率比总体比率更富有。当与典型地由火花式点火 系统产生的较小的火焰核心相比较时，由电晕放电点火系统所产生的较大的火焰前锋可以 通过使局部燃料空气比率比总体比率更贫乏来改善(例如)燃料室50中的多个部分的点 火。在此可以提供一个控制系统来控制低压电路10，例如，从而使得该电晕放电点火 系统在发动机循环过程中在正确的时间点火，并且从而使得该放电不引起可以在燃烧室50 中导致等离子体和电弧形成的完全的电子雪崩。该控制系统可以在一个预定的时间将该点 火系统点燃(例如，在上止点之前的10个曲柄角度(CAD))并且在每个点火周期中使电晕 维持一个预定的持续时间(例如，1至2毫秒)。另外或可替代地，用于维持该电晕放电的 持续时间可以是发动机运行情况(例如，发动机速度、负载、排气再循环(EGR)浓度)的函 数。在每个点火周期中由电晕放电所提供的能量足够将燃烧室中的燃料空气混合物 点燃。将电晕持续时间延长1至2毫秒或者更长可以使发动机的贫油极限和EGR极限延长。 例如，将电晕持续时间从1毫秒延长至1. 5毫秒可以使贫油缺火极限从λ = 1.45延长至 λ = 1.7(大于15%)。通过延长发动机的贫油极限，该电晕放电点火系统可以降低发动机 输出的氮氧排放物和/或降低燃料消耗。另外或可替代地，该控制系统可以包括动态地选择该电晕放电点火系统将在点火 周期中点火的时间、点火的持续时间、以及还有每个点火周期的点火数目的能力。这种动态 控制可以用来优化一台ICE的功率输出、排放物、和/或热效率。相对于具有火花式点火系 统的ICE而言，该电晕放电点火系统可以提供用来控制燃料空气混合物燃烧的更好的时机 并且因此可以提供ICE的改善的功率输出、排放物、和/或热效率。通过该电晕放电点火系 统，可能的控制范围可以显明地更大，这是由于以一个可以明显高于常规火花式点火系统 的比率将电离能量引入到燃烧室50中的能力、并且由于将一个大得多的电离能量的总量 引入到燃烧室50中的能力(例如，一个往复式ICE的每个动力冲程)的缘故。另外或可替代地，该控制系统可以监测燃烧室50中的运行情况(例如，检测缺火) 以便协助进一步的控制。在一些实施方案中，该控制系统可以被配置为采用持续的电晕放 电系统的多个独特方面的优点来监测运行情况，如以下更详细地讨论的。参见图5和图6，对该电晕放电点火系统控制以便避免导致等离子体和电弧放电 的电子雪崩。图5展示了图1中A点处的高压电路30的假想的理想化输入特征。图6展示 了在图1中的B点处高压电路30到电极40的假想的、理想化输出特征。图6还是电晕放 电与电弧放电的特征之间的区别的有效的说明。在图6的电压和电流曲线图的原点开始， 当电极40处的电压势增加时，电流以一个相对低的速率增加。这是由于燃料空气气体的这 些介电性质。当电压被进一步增加到一个相对高的电压势时，电流上升的速率增加。这从 电压电流曲线的斜率的减少看是明显的。这表明气态的燃料空气混合物的电子雪崩已经开始并且在这个过渡阶段中正在发生电晕放电。如果电压甚至被进一步增加，经过这个过渡 阶段，气态的燃料空气混合物经历完整的电子雪崩(近似在图6的图示中的E处)并且等 离子体是在燃料-空气的气体中形成。等离子体可以易于携带电荷，从而当等离子体在燃 烧室50中持续时电压势被大大降低而电流相对自由地通过一个电弧。该电晕放电点火系 统被控制为使得高压电路30的输出总体上不延伸进入图6所示的虚线区域中，并且因此总 体上不产生导致等离子体和电弧形成的电子雪崩。然而，如以下所讨论的，控制电晕放电点 火系统的某些方法要求和/或允许该系统短期内以电弧闪击模式运行(例如，以便建立一 个阻抗设定点)。图5中所示的高压电路30的这些输入特征几乎与图6所示的这些输出特征相反。 当电极40的电势增加(在弧光发生放电之前)并且该输出电压如图5所示上升时，输入电 流如图6所示增加以便产生高的输出电压。输入端的电压随着输入电流上升而上升。电压 除以电流表示阻抗，并且阻抗对于低电压几乎是恒定的。在发生电晕放电的过渡阶段中，电 压上升得比电流和阻抗增加更快，如由图5中的点“C”之下的增加的斜率所表示的。如果 弧光在电极40处放电，则输入电流将引人注目地下降，如由图5中的虚线的水平部分所指 示的。该电晕放电点火系统被控制为使得高压电路30的输入总体上不延伸进入图5所示 的虚线区域中，并且因此总体上不产生导致等离子体和电弧形成的电子雪崩。然而，如以下 所讨论的，对电晕放电点火系统进行控制的某些方法要求和/或允许该系统短期内以电弧 闪击模式运行(例如，以便建立一个阻抗设定点)。高压电路30的阻抗被用来调节放电这样使得电晕式放电被总体上产生并持续。 高压电路30的阻抗与放电的结果特征之间的关系基本上不依赖于燃烧室50中的压力。因 此，将阻抗用作电晕放电点火系统的控制变量可以例如简化用来产生和持续该电晕式放电 的控制方法。在此可以选择和/或由经验确定高压电路30的输入端的一个阻抗设定点Is(见图 5)。该阻抗设定点的变化可以用来改变燃烧室50中的放电特征。例如，在该水平之下发生 电弧放电，一个较高的阻抗设定点将导致更大的电离功率以及更大的电晕尺寸。在一些实施方案中，改变该阻抗设定点Is以便控制由电晕放电点火系统产生的电 晕放电的这些特征。在一些实施方案中，可以测量实际阻抗Ia并且与阻抗设定点Is进行比 较。用于低压电路10的功率输入于是可以使用脉冲宽度调制来调节，例如，以便引起实际 阻抗Ia在阻抗设定点Is处或在其附近。如以下参考图7A所讨论的，在一些实施方案中，阻抗设定点Is是通过将该设定点 阻抗分离为一个基线阻抗以及一个额外阻抗值来确定的。该基线阻抗可以被直接测量并且可以用作该系统的一个可计量的参考阻抗。例 如，基线阻抗随时间的增加可以是电极40上和/或置于电极40与燃烧室50之间的馈通绝 缘体71a、71b的一部分上的沉积物积聚(例如，碳沉积物)的表示。在一些实施方案中，系 统控制器84可以将该阻抗设定点设置到一个足以在电极40与燃烧室50之间产生弧光的 水平。该弧光可以起到去除沉积物积聚的至少一部分的作用。可以将弧光产生模式持续一 个固定的时间段和/或直到测量的基线阻抗返回到一个可接受的水平(例如，表明一个基 本上清洁的电极40的水平)。该额外阻抗值涉及形成的电晕的尺寸。这个额外的值以及因此形成的电晕尺寸可以取决于该电晕放电点火系统和/或该ICE的运行状态。例如，该额外的阻抗可以取决于 燃烧室50的尺寸(例如，容积)。因为燃烧室50的尺寸可以在ICE的运行周期中改变(例 如，像活塞头在一个压缩冲程过程中接近上止点时)，用于计算该阻抗设定点的额外阻抗可 以在燃烧室50的容积随着每个曲柄角度改变而改变。在一些实施方案中，用于计算该阻抗 设定点的额外阻抗被限定为一个往复式ICE的曲柄角的一个数学函数。在某些实施方案 中，用于希望的电晕尺寸或其他电晕特征(例如，强度、功率)的额外阻抗值在一个数据结 构中被映射到发动机的每个运行状态以便随后在计算该设定点阻抗中的检索以及使用。用 来在数据结构中映射额外阻抗的多个参数可以包括发动机速度、发动机载荷、EGR比、以及 冷却剂温度。图7A是控制电子器件和初级线圈单元60的功能框图。如图7A中所示，控制电子 器件和初级线圈单元60包括一个中心抽头的初级RF变压器20，该变压器经由线路62接受 一个150伏的电压，例如，从DC源。一个高功率开关72被提供为以一个希望的频率，例如， 高压电路30(见图幻的谐振频率将应用于变压器20的功率在两相(A相与B相)之间进 行切换。150伏的DC源还被连接到用于控制电子器件和初级线圈单元60中的一个控制电 路的电源74上。控制电路电源74可以包括一个降压变压器以便将150伏的DC源降至用 于控制电子器件的可接受的水平，例如，5至12伏。如在图2和图7A中“A”处所描绘的来 自变压器20的输出被用来对容纳于次级线圈单元70 (见图3)中的高压电路30供电。电晕放电点火系统包括一个连接到点A上的阻抗测量电路(例如，图7A中的73、 75、77、79、以及80)以便测量将动力提供给电极40的电路的实际阻抗。在点A处检测来自 变压器20的电流和电压并且分别在73和75处执行常规的信号调节，例如以便去除来自这 些信号的噪声。这个信号调节可以包括例如有源、无源或数字、低通和带通滤波器。这些 电流和电压信号于是在77、79处被分别全波矫正和平均。去除信号噪声的电压和电流的平 均可以通过常规的模拟或数字电路来完成。将这些平均的和矫正的电流和电压信号发送到 一个除法器80上，该除法器通过电压除以电流来计算出实际阻抗。相同的或类似的电路可以用来直接测量谐振线圈70的输入端处或者RF变压器 20(它直接反映该谐振线圈阻抗)的输入端处的基线阻抗。正好在点火之前以一个低压 (例如，近似10伏)来测量该基线阻抗从而使得没有电晕形成。这些电流和电压信号还被 发送到一个相位检测器和相位锁定回路(PLL) 78上，该相位锁定回路输出一个用于高压电 路30的谐振频率的频率。该PLL通过调节其输出频率来确定谐振频率从而使得电压和电 流同相。对于串联的谐振电路，当在共振激励时，电压和电流同相。图8示出了刚好在点火之前展示一个基线阻抗802的测量值的一个图示。上部曲 线是在RF升压变压器20的输入端(图2中的点C)处的测量值。下部曲线是谐振频率的 一个模拟表示。基线阻抗802是在11伏测量的。系统控制器84 (图7A所示)可以将测量 的基线阻抗802加到一个额外阻抗值上(例如，如从一个数学函数确定的和/或如在一个 数据结构中查询的)以便确定该设定点阻抗。返回到图7A，系统控制器84可以在放电过程中将该实际阻抗控制到设定点阻抗， 如图8中的电晕产生804所示，其中产生一个电晕804。由除法器80计算的实际阻抗以及 来自PLL 78的谐振频率被各自发送到一个脉冲宽度调制器82上，该脉冲宽度调制器输出 两个用来驱动变压器20的脉冲信号(相A和相B，各自具有一个计算的占空比)。这些脉冲信号的频率是基于由PLL 78接收的谐振频率。这些占空比是基于由除法器80接收的阻 抗并且还基于由一个系统控制器84接收的一个阻抗设定点。脉冲宽度调制器82调节这两 个脉冲信号的占空比以便使来自除法器80的测量阻抗与由系统控制器84接收的阻抗设定 点相匹配。图7B是控制电子器件和初级线圈单元60的另一个实施方案的功能框图。控制电 子器件和初级线圈单元60包括一个中心抽头的初级RF变压器20，该变压器接收一个在0 与125伏D. C.之间的受控的DC电压，例如，来自一个高速脉冲宽度调制(PWM)的快速功率 调节器87。PWM快速功率调节器87是由来自D. C.源62的电压(例如，150伏)供电的。 高功率开关72以一个所希望的频率，例如，高压电路30的谐振频率(见图2)将施加于变 压器20的功率在两相(相A和相B)之间进行切换。D. C.源62还被连接到用于控制电子 器件和初级线圈单元60中的控制电路的电源74上。控制电路电源74典型地包括一个降 压变压器以便将来自D.C.源的电压减少到用于控制电子器件可接受的水平，例如，5至12 伏。来自变压器20的输出(在图2和图7B中的“A”处所描绘的)可以用来对容纳于次级 线圈单元70中的高压电路30供电(见图3)。在图7B中所示的实施方案中，该电晕放电点火系统包括一个被连接到点C上的阻 抗测量回路(图7B中的73、75、80、以及82)以便测量该回路的实际阻抗和/或基线阻抗， 该回路对RF变压器20的输入端提供动力。点C处的阻抗测量值等于在A点处的阻抗除以 RF变压器20的匝数比的平方。变压器20的电源处的电流和电压是在C点检测的并且常规 信号调节是对应地在73和75处执行的，例如，用来去除来自这些信号的噪声。这个信号调 节可以包括例如，有源、无源或数字、低通和带通滤波器。电压与电流的平均(它去除信号 噪声)可以通过常规模拟或数字电路来完成。平均的电流和电压信号被发送给一个除法器 80，该除法器通过将电压除以电流来计算出实际阻抗。将A处的这些电流和电压信号发送 给过零点检测器74和76。这些信号然后到相位锁定回路(PLL) 78，该回路输出用于高压回 路30的谐振频率。该PLL通过调节其输出频率来确定谐振频率从而使得电压与电流同相。 对于串联的谐振电路，当以谐振激励时，电压和电流是同相的。计算出的阻抗连同这些电流和电压信号被发送给一个信号选择器82。该信号选择 器根据使用的控制模式而将适当的信号发送给一个闭环控制器81。例如，控制器81可以 被配置为控制阻抗、电压、或电流。闭环控制器81对PWM快速功率调节器87输出一个占空 比(0至100% )从而使得设定点参数与测量的参数相等。例如，当控制模式是基于阻抗控 制时，闭环控制器81可以调节准备PWM快速功率调节器87的占空比，以便使得来自除法器 80的测量阻抗与来自系统控制器84的阻抗设定点相匹配。参考图9，系统控制器84包括一个存储器102以及一个程序化逻辑电路108。如 以下所描述的，程序化逻辑电路108是与存储器102、一个用来接收一个或多个发动机参数 的测量值的传感器150、以及除法器80相连通以便接收测量的阻抗(例如，测量的基线阻 抗)，并且该程序化逻辑电路可以计算出一个阻抗设定点。在使用过程中，程序化逻辑电路 108可以确定该阻抗设定点。程序化逻辑电路108可以通过将该基线阻抗加到一个额外阻抗值上来确定该设 定点阻抗。程序化逻辑电路108可以确定一个有待用来计算出该设定点阻抗的额外阻抗 值。例如，程序化逻辑电路108可以根据优化的燃烧特征(如，电晕尺寸)来确定额外阻抗值。另外或可替代地，该额外阻抗可以在系统操作之前或在系统操作过程中由一个操作者 来选择。在某些实施方案中，一个指示所希望的电晕特征(例如，电晕尺寸和密度)的信号 被传输到来自该ICE的一个主控制器的程序化逻辑电路108上。在一些实施方案中，程序化逻辑电路108根据燃烧室50的特征(例如，燃烧室在 给定的曲柄角度的尺寸)来确定额外阻抗值。在某些实施方案中，额外阻抗值是根据发动 机的一个或多个运行状态来确定的，包括燃烧室50的尺寸、活塞M在燃烧室中的位置 (例如，如通过连接到活塞上的一个曲柄轴的角位移所确定的)、发动机功率、汽缸压力、发 动机爆震、载荷、油门位置、发动机速度、废气排放物、燃料效率、等等。在一些实施方案中， 该阻抗设定点是可能的最大阻抗(例如，最大电晕尺寸)而不会引起电弧闪击。系统控制器84可以监测燃烧室50中的操作情况以协助进一步控制。例如，在燃 烧室50中产生的火焰前锋在燃烧周期中是一个电导体。这样，火焰前锋在放电电极40上 担当一个电分流器的作用，该电分流器根据火焰前锋的温度和尺寸来变化。这种分流导致 谐振次级线圈70的输入电压减少。减少的阻抗导致射频升压变压器20的以及谐振次级线 圈70的输入电压减少。谐振次级线圈70(以及形成电晕的电极40)的输出的分流通过所有的其他变量保 持恒定而引起谐振次级线圈70的输入阻抗上升到一个非常高的水平。然而，在一些实施方 案中，系统控制器84通过控制而使恒定的阻抗实质上保持为一个恒定的阻抗设定点。在这 类恒定的阻抗实施方案中，系统控制器可以通过降低输入电压(如在A点处测量的)来响 应，例如，以便在谐振次级线圈70的输入侧维持恒定的阻抗(电压除以电流的比率)。系统控制器84可以接受来自电压信号调节单元75或整流器79 (如所示出的，例 如，在图7A中)的电压测量值。另外或可替代地，在图7A中可以将来自A点的电压输入端 的电压测量值直接传输到系统控制器84。系统控制器84可以分析这些电压测量值和/或 其他变量的分析测量值，以便确定该组测量值是否是在燃烧室50中分流的火焰前锋的特 征。如在此所述的，由系统控制器84分析的该组测量值中的每个“测量值”包括一个 电测量值(例如，输入电压)以及该电测量值被采用时的时间。与可以在电弧闪击过程中 发生的多个电测量值中的接近的瞬时改变相比较，在火焰前锋分流过程中可以发生的电测 量值的改变可以是进一步渐增的。如果这些测量值是在规则的时间间隔处周期采用的，则 该时间可以是一个时间戳、或者一个计数中的整数。如果该组测量值是燃烧室中的分流的 火焰前锋的特征，则系统控制器84的程序化逻辑电路108可以根据该组测量值中的至少一 个子组(例如，来自传感器150)来确定燃烧室50中的运行情况。另外或可替代地，程序化 逻辑电路108可以确定该组测量值是否是燃烧室中的缺火情况的特征、该组测量值是否不 是火焰前锋分流和/或电弧闪击的特征。传感器150将表明发动机运行状态的信息传送到程序化逻辑电路108，如以上所 述的。例如，传感器150可以传输表示曲柄轴的转动位置的信号、汽缸中的活塞的纵向位 置、在排气以及爆震检测中的氧浓度、和/或汽缸压力。传感器150可以使用并联或串联传 输来传输作为模拟或数字信号的信息，并且可以作为数据包来传输。这些信号可以用任何 多样的不同的形式例如像控制器局部网(‘CAN’ )总线信号来实施。系统控制器84进一步包括存储一个数据结构106的一个内存102，该数据结构可以使一种运行状态与一个额外阻抗值相关联，该额外阻抗值与该运行状态的一个最大电晕 尺寸相关联，这样使得该设定点阻抗(例如，基线阻抗与额外阻抗之和)比在燃烧室中用于 等离子体产生和电弧闪击所要求的低。内存102还包括基线阻抗存储104，这样使得例如一 个典型的基线阻抗值可以被存储并且与一个用于诊断的实际的基线阻抗相比较。在某些实 施方案中，系统控制器84将额外阻抗存储在一个第一内存中并且将基线阻抗存储在一个 第二分离的内存中。程序化逻辑电路108包括一个可操作地连接到内存102上的内存访问电路110。 内存访问电路110可以访问数据结构106并且返回与该运行状态相关的额外阻抗值。另外 或可替代地，内存访问电路110可以访问数据结构106并且返回一个基线阻抗值。内存访问电路110可以完全用硬件、或者作为执行一个或多个嵌入的处理器的多 个软件模块、或者结合硬件和软件方面的一个实施方案来实施。内存102可以被全部或部 分嵌入在程序化逻辑电路108中、或者可以是一个可操作地连接到程序化逻辑电路108上 的分离的元件。内存102可以包括任何形式的可变的随机访问内存(‘RAM’)以及一些形 式或多种形式的不可变的计算机内存，如一个硬盘驱动器、一个光盘驱动器、或者一个电 可擦的可编程的只读内存空间(还已知为‘EEPR0M’或‘闪’存)、或其他形式的不可变的随 机访问内存(‘NVRAM，)。图10是展示了一种方法1000的一个流程图，该方法例如由程序化逻辑电路108 执行以便计算出电晕放电点火系统的一个设定点阻抗。该方法包括测量将动力提供给电 极40的高压电路30的一个输入端的基线阻抗的1002 ；确定至少部分地基于发动机的一种 运行状态的一个额外阻抗值的1004 ；将该额外阻抗值加到该基线阻抗上以便计算出一个 设定点阻抗的1006 ；将该实际阻抗与该设定点阻抗进行比较的1008 ；以及控制经过电极40 的电能量的放电速率以便引起该实际阻抗与该设定点阻抗实质上相匹配这样使得不产生 等离子体并且在燃烧室50中没有电弧闪击的1010。根据发动机的一种运行状态来确定一 个额外阻抗值的1004可以包括根据燃烧室的尺寸来确定一个额外阻抗值的1120。如以上所描述的，确定该额外阻抗值的1004可以包括根据一个最佳电晕尺寸来 确定额外阻抗值的1012。在一个实施方案中，确定一个额外阻抗值的1004包括访问一个 数据结构，该数据结构将一种运行状态与一个额外阻抗值相关联，该额外阻抗值例如与该 运行状态的一个最大电晕尺寸相关，这样使得该设定点阻抗比燃烧室中用于等离子体产生 和电弧闪击所要求的低；并且从数据结构106中对与该运行状态相关的额外阻抗值进行检 索。再次参见图9，程序化逻辑电路108可以包括被配置为检测电弧闪击的一次电弧 闪击检测电路114。电弧闪击检测电路114接收来自除法器80的阻抗。放电检测电路可以 通过检测电压-电流迹线的斜率(阻抗)的减少来检测一次电弧闪击。在其他实施方案中， 电弧闪击检测电路114可以被连接到A点处的输入电流上并且可以通过检测一个明显的并 且快速的电流降(未示出)来检测一次电弧闪击。程序化逻辑电路108可以包括一个可 操作地连接到内存102上的映射电路112、电弧闪击检测电路114、以及检测电路118。当 从电弧闪击检测电路114接收一个表明电弧闪击的信息时，映射电路112可以从当前的额 外阻抗值中减去一个第一误差容限(例如，大约大于0. 5%和/或约小于5%，例如约1 % ) 以便提供一个初始阻抗值并且将该运行状态与在数据结构106中的初始阻抗值相关联。在某些实施方案中，映射电路112是一个闭环回馈控制系统的一部分，这样使得当由电弧闪 击检测电路114检测一次电弧闪击时，映射电路112将数据结构106中的值修改为在发动 机的正常运行过程中实现的运行情况。例如，映射电路112可以通过发动机随时间运行的 额外阻抗值来动态地更新数据结构106。在一些实施方案中，映射电路112被配置为在一个 初始阶段(例如，在发动机的初始起动之后的一个阶段)中用不同的运行状态来运行发动 机并且在这个初始阶段中当实现这些不同的运行情况时批量载入数据结构106。现在参见图11，初始批量载入数据结构106的一种方法1100可以包括在一个初 始阶段中用不同的运行状态来运行发动机的1102 ；检测一个电弧闪击的1104 ；测量一个当 前的运行状态的1106 ；确定一个当前的额外阻抗值的1108 ；以及将当前的运行状态与在数 据结构中的当前的额外阻抗值相关联的1110。确定该当前的额外阻抗值的1112可以通过 测量将动力提供给电极40的高功率电路30的一个当前阻抗值来执行的；测量将动力提供 给电极40的高功率电路30在一个输入端的当前的基线阻抗值的1114 ；以及通过从对电极 40提供动力的高功率电路30的当前的实际阻抗中减去该电路的输入端的当前的基线阻抗 来计算当前的额外阻抗值的1116。程序化逻辑电路108可以包括一个周期性抖动电路116。周期性抖动电路116包 括一个电路，该电路被配置为在一个初始周期之后(例如，在一些实施方案中与映射电路 112关联的初始周期)反复地增加与该运行状态相关的额外阻抗值(例如，在数据结构106 中)，将这个增加的值加到该基线阻抗上以便产生一个用于特定运行状态的一个修改的阻 抗设定点值。额外阻抗值的反复增加继续直到抖动电路116接收来自对电弧闪击进行指示 的电弧闪击检测电路114的信号。周期性抖动电路116被配置为将数据结构中的修改的额 外阻抗值与运行状态相关联。在每个迭代过程中，如果没有接收电弧闪击信号，抖动电路 116将该运行状态与修改的额外阻抗值(例如，通过数据结构106中的联系)相关联。周期性抖动电路116进一步包括一个电路，该电路被配置为如果检测到电弧闪 击，则从修改的额外阻抗值中减去一个第二误差容限(例如，约大于0. 5%和/或约小于 5%，例如约)以便产生一个新修改的额外阻抗值并且将该运行状态与该新修改的额外 阻抗值相关联(例如，通过数据结构106中的联系)。当从指示一个电弧闪击的电弧闪击检 测电路114中接收一个信号时，该电路从修改的额外阻抗值中减去第二误差容限以便产生 一个新修改的额外阻抗值并且将该运行状态与新修改的额外阻抗值相关联(例如，通过数 据结构106中的联系)。参见图12，一个抖动过程1200可以包括在该初始阶段之后，反复地增加与该运 行状态(例如，在数据结构106中相关的)相关的额外阻抗值以便产生一个修改的额外阻 抗值的1202 ；将修改的额外阻抗值加到该基线阻抗上以便计算出一个设定点阻抗的1204 ； 以及确定是否发生电弧闪击的1206。如果没有发生电弧闪击，测量一个当前的运行状态 的1208、确定一个当前的额外阻抗值的1210、以及将当前的运行状态与当前的额外阻抗值 (例如，通过数据结构106中的联系)相关联的1212。如果没有检测到电弧闪击，该额外阻 抗值被再次反复增加的1202。如果发生电弧闪击，该抖动过程包括从修改的额外阻抗值中 减去一个第二误差容限以便产生一个新修改的额外阻抗值的1214、以及将该运行状态与新 修改的额外阻抗值(例如，通过数据结构106中的联系)相关联的1216。再次参见图7A，系统控制器84除了输出阻抗设定点之外还将一个触发器信号脉冲发送给脉冲宽度调制器82。这个触发器信号脉冲控制了变压器20的定时启动，该变压器 控制着高压电路30和电极40(图2中所示)的启动。触发器信号脉冲是基于从主发动机 控制器86(它在图15中示出)中接收的定时信号61。定时信号61确定何时启动点火序 列。系统控制器84接收这个定时信号61并且然后将适当序列的触发器脉冲和阻抗设定发 送给脉冲宽度调制器82。这个信息告诉该脉冲宽度调制器何时点火、点火几次、点火多久、 以及该阻抗设定点。所希望的电晕特征(例如，脉冲宽度调制器82的点火序列和阻抗设定 点)可以在系统控制器84中是硬件编码的或者这个信息可以通过来自主发动机控制器86 的信号63发送给系统控制器84。在一些实施方案中，系统控制器84发送诊断信息给主发 动机控制器86。从系统控制器84发送的诊断信息的实例可以包括在电压供电之下/之上， 如从电流和电压信号确定的不能点火、等等。参见图13，控制燃烧室50的一种方法1300包括传送电功率给连接到燃烧室50 上的电极40的1302 ；接收来自燃烧室50的一组测量值的1304 ；分析该组测量值的1306以 便确定该组测量值是否是燃烧室50中的火焰前锋分流的特征的1309。如果该组测量值不是火焰前锋分流的特征，则控制燃烧室50的方法1300包括确 定该组测量值是否是缺火情况的特征的1308。如果该组测量值是火焰前锋分流的特征，则 该方法包括根据这些测量值的一个子组来确定燃烧室50中的运行情况的1310。分析该组测量值的1306可以通过随时间计算这些电测量值的改变来执行；根据 这些计算的变化来确定一个模式；将该模式与一个或多个存储的测量轮廓相比较；并且如 果该模式实质上与这些存储的测量轮廓中的至少一个相匹配(例如，具有用于次要偏差的 容差)，则在燃烧室中返回火焰前锋分流的一个正的指示。计算这些电测量值随时间的变 化可以包括处理该测量值以及作为一个协作对的该测量值的对应时间并且找到由该组测 量值所产生的曲线的一个或多个区段的斜率。确定一个模式可以通过使用数据拟合、反复 过程或其他统计或数学技术来执行。这些测量值可以通过平滑来预先调节或者通过阻止测 量值落在一个阈值以下或一个特定的协作空间之外来预处理。可以将多个测量轮廓存储在 一个轮廓数据结构(例如，数据结构106)中并且被一个轮廓访问电路访问。在一些实施方 案中，使测量模式与具有次要偏差的容差的存储轮廓相匹配是可以通过不同的数学或统计 方法来完成的，这类单独的值是在一个期望值的一个标准偏差之内，使用置信区间、曲线拟 合、等等，如本领域众所周知的。另外或可替代地，分析该组测量值的1306可以通过计算这些电测量值随时间的 改变来执行；将计算出的变化与一个或多个阈值进行比较；并且当这些计算出的变化超过 阈值时，在燃烧室中返回火焰前锋分流的一个正的指示。例如，这些阈值可以包括合作对 的特定子组的斜率、特殊的测量值、根据数量或百分比或这些的组合的值的变化(例如，斜 率、电压、谐振频率)。图14A至图14D是表示燃烧室50中的不同的运行情况的电压轮廓的图形表示。在 图14A至图14D中的每个中，这些测量值包括初级射频变压器20的输入电压电平801以及 次级线圈70的谐振频率、频率803、以及ICE中的汽缸压力805。对于图14A中所描绘的这 些情况，时间段包括燃烧周期，并且系统控制器84维持一个恒定的阻抗，如以上所描述的。 图14A是在一个时间段上在具有一个化学当量的空气和燃料混合物(λ = 1)的燃烧室50 中的电测量值的曲线图。在汽缸压缩过程中当气体压力增加时，被要求用来维持一个恒定阻抗的电压增加。在点火时，火焰前锋将放电电极分流并且使得被要求用来维持一个恒定 阻抗的电压减少。谐振线圈20的输出的分流使得谐振线圈20的输入阻抗增加到一个非常 高的水平。输入电压下降，如图14A所示的，因为系统控制器正在维持一个恒定的输入阻抗 并且该控制器通过降低电压来维持恒定输入阻抗而响应于阻抗增加。使用化学当量混合物 的燃烧是相对快速的。该快速燃烧由于来自温度效应的绝缘陶瓷的电容的增加，该快速燃 烧导致额外的电容性负载。这导致谐振频率减少，如安装感应体时。这些情况在曲线图上导致两个区域。区域A示出了燃烧之前压力的上升。电压在 这个区域中上升，给予该曲线一个总体上正的斜率。区域B与燃烧室中的分流火焰前锋相 关。电压在这个区域中急剧下降，给予该曲线一个相对大的负斜率。图14B是燃烧室50中在一个时间段上电测量值的图形，该燃烧室具有在λ 1. 3时 空气和燃料的贫油混合物(比对应于图14Α的混合物更加贫油)。再次，当点火时，火焰前 锋将放电电极40分流并且使得被要求用来维持一个恒定阻抗的电压降低。使用贫油混合 物的燃烧比具有化学当量的混合物的燃烧更慢，这样使得没有发生来自温度效应的额外电 容性负载。因此，谐振频率没有明显改变。电压在区域B中下降，但不像化学当量混合物 (图14Α)的情况那样急剧，从而给出该曲线一个相对较小的负向斜率。图14C是在一个时间段上燃烧室中的电测量值的一个曲线图，该燃烧室具有λ = 1. 7的空气和燃料的非常贫油混合物。当点火时，火焰前锋使放电电极分流并且使得被要求 用来维持一个恒定阻抗的电压降低，如在以上所描述的这些实例中。使用λ =1.7的贫油 混合物的燃烧是相对较慢的。这些情况在该曲线图上导致四个区域。区域A示出了燃烧前 压力上升。电压在这个区域中上升，给出该曲线一个总体上正的斜率。区域B关联燃烧室 中的火焰前锋分流。电压在这个区域中下降，给出该曲线一个负的斜率。区域C关联离开 该电极的火焰前锋，减少分流。区域C中的电压因此上升，在这个区域中给该曲线一个正的 斜率直到燃烧在区域D中停止，并且电压被带到一个最小值。图14D是在一个时间段上在燃烧室中的电测量值的曲线图，在此存在缺火并且没 有燃烧发生。没有发生火焰前锋分流，从而使得电压继续上升直到该循环终止并且电压被 带到一个最小值。再次参见图13，如果该组测量值不是火焰前锋分流的特征，该方法可以确定如果 该组测量值是燃烧室50中的缺火情况的1308。如果该组测量值是燃烧室中的火焰前锋分流的特征，则该方法根据至少该组测量 值的一个子组来确定燃烧室50中的运行情况的1310。在一些实施方案中，确定燃烧室50 中的运行情况可以不用先前确定该组测量值是否是火焰前锋分流的特征来执行。这些运 行情况可以包括火焰前锋燃烧速率、汽缸中的空气与燃料之比、汽缸中排气再循环(EGR) 比、以及最佳点火持续时间。确定燃烧室50中的运行情况的1310可以包括根据子组测量值来识别被要求用来 发展最佳火焰前锋的等离子体产生的持续时间。例如，如果电测量值是高功率电路30的一 个输入电压，识别被要求用来发展最佳火焰前锋的等离子体产生的持续时间可以通过开始 一个计时器并且在检测到输入电压的降低大于一个阈值时将该计时器停止来执行；并且将 实耗时间呈现为被要求用来发展一个最佳火焰前锋的等离子体产生的持续时间。标识一个被要求用来发展最佳火焰前锋的等离子体产生的持续时间还可以通过检测输入电压的降低大于一个阈值来执行；并且当检测到输入电压的降低大于一个阈值 时，停止等离子体产生。该阈值可以是一个特殊的量值或者一个百分比下降(例如，10% )。另外或可替代地，确定燃烧室50中的运行情况的1310可以包括通过计算一个子 组测量值的斜率来确定火焰前锋燃烧速率(或燃烧速率)。例如，电压线的负斜率(例如， 见图14A中的区域B)在起因于燃烧的峰值之后关联初始的火焰前锋燃烧速率。在一些实施方案中，汽缸中的空气与燃油之比是根据与燃烧质量相关的火焰前锋 燃烧速率来确定的。燃烧质量可以在实验室中或者在生产过程中通过传感器来预先确定， 这些传感器测量汽缸内部的压力(例如，汽缸压力传感器)或者通过实验室条件下的其他 类型的传感器。这些传感器是昂贵的并且不是当前用来生产发动机的。因此，基于与火焰 前锋燃烧速率的一种关联来估计燃烧质量的间接方法可以是有用的，例如，当发动机使用 时用于诊断发动机运行问题。在某些实施方案中，输入电压(或阻抗)信号可以与燃烧速 率相关。当与不具有EGR的化学当量操作相比较时，增加EGR和/或通过一个贫油空气燃 油比运行可以使燃烧减速。通过渐增地改变EGR和/或空气燃油比，测量值可以被映射用 于特殊的发动机以便或者使空气燃油比或者使EGR比与初始的燃烧比(如以上描述所确定 的)减速的量值相关。这个信息可以合并到这些储存的测量轮廓中(例如，一个电压轮廓)。 这个控制系统可以协助确定如何很好地形成初始火焰前锋的一种便宜间接的方法。如果没 有火焰前锋形成，使用如以上描述的这些测量值可以检测缺火。如果存在一个非常快的燃 烧，则这些测量值将实质上匹配一个非常快的燃烧轮廓。如果存在一种非常慢的火焰前锋， 于是这些测量值将实质上匹配一种非常慢的燃烧轮廓。可以类似地映射EGR和/或空气燃 料之比。联系燃烧速率的输入电压信号(或阻抗)可以通过计算热量释放速率(表示燃烧 速率)来执行并且将周期到周期的热量释放与一组输入电压(或阻抗)测量值相关联。这 种关联然后可以用来在数字上使轮廓数据与实际测量的热量释放速率相配合。热量释放速率可以由瞬间的汽缸压力和汽缸容积来计算。这可以通过测量0. 1度 的曲柄角度增量的汽缸压力来完成。因为曲柄角度直接确定活塞位置，曲柄角度可以转换 为汽缸容积。空气燃料之比可以通过根据火焰前锋燃烧速率以及燃烧质量获得的一个相关的 函数或者通过访问一个数据结构(例如，数据结构106)来确定，该数据结构将空气燃料比 的值与一个特别存储的测量轮廓相关联。一个汽缸内排气再循环之比可以用相同的方式来获得。在一些实施方案中，确定该组测量值是否在燃烧室50中具有缺火情况的1308可 以被执行，这是通过计算这些电测量值随时间的改变；确定这些计算的变化的模式；将该 模式与一个或多个存储的缺火测量轮廓相比较；并且如果该模式实质上匹配这些存储的缺 火测量轮廓中的至少之一，则在燃烧室中返回缺火情况的一个正向指示来进行的。另外或 可替代地，如果等离子体的持续时间超过一个最大值(例如，2毫秒)而没有确定火焰前锋 分流，那么点火被中断并且特定的汽缸被确定为已经缺火。在某些实施方案中，确定该组测量值是否在燃烧室50中具有缺火情况的特征的 1308可以通过类似于确定该组测量值是否在如以上所述的燃烧室中具有火焰前锋分流的特征的方式来执行。例如，确定该组测量值是否在燃烧室中具有缺火情况的1308可以被执 行，这是通过计算这些电测量值随时间的改变；根据这些计算的变化来确定一种模式；将 该模式与一个或多个存储的缺火测量轮廓相比较；并且如果该模式实质上匹配这些存储的 缺火测量轮廓中的至少之一，则在燃烧室中返回缺火情况的一个正向指示来进行。另外或 可替代地，确定该组测量值是否在燃烧室50中具有缺火情况的1308可以被执行，这是通过 计算这些电测量值随时间的改变；将这些计算的改变与一个或多个缺火的阈值相比较；并 且当这些计算的改变超过这些缺火的阈值时，在燃烧室中返回缺火情况的一个正向指示来 进行。如果该组测量值在燃烧室中具有缺火情况的特征，则触发一个关于缺火情况的警 告。该警告可以是一台发动机点火警告，需要一个用来指示服务的标志设置、或者其他发动 机部件的一个电信号(例如，图15中所示的主发动机控制器86)。在一些实施方案中，该 方法包括如果该组测量值是燃烧室中缺火情况的特征则开始一个用于缺火情况的矫正动 作。例如，可以调节空气燃料比，可以增加该设定点阻抗，等等。尽管以上这些实施方案的元件被描述为系统控制器84的一部分，但在其他实施 方案中，这些元件中的一些或全部可以在主发动机控制器86之内来实施，或者作为可操作 地地连接到系统控制器84、主发动机控制86、或多个点火器88 (如图15中所示)上的多个 分离的控制器或模块。测量值可以作为诊断信息63从控制电子器件以及主线圈单元60发 送到主发动机控制器86上。该电晕放电点火系统可以作为完全的硬件实施方案、作为软件(包括固件或微 代码)、或作为硬件和软件的组合来实现，所有这些在此被表示为“电路”或“模块”。系 统控制器84，例如，可以作为几个硬件连线的电路、作为在一个或多个应用特殊集成电路 (‘ASICs’)上实现的设计结构、作为一个设计结构芯、作为在任何数目的嵌入的处理器上 执行的一个或多个软件模块、或者这些中的任何的组合来实现。参见图15，主发动机控制器86被示出具有不同的定时、诊断、以及电晕特征信号。 主发动机控制器86还可以与一个或多个发动机控制传感器(如，温度和压力传感器或一个 转速表)、以及一个或多个致动器(如燃料喷射器或节流阀)通讯。还示出了 DC电源89， 该电源可以接收一个12Λ4伏的输入并且将电压升压到150伏DC，例如，通过常规的切换电 源技术。虽然阻抗设定点Is已经被描述为由系统控制器84来确定，但其他实施方案方案 也是可能的。例如，Is可以由主发动机控制器86来确定。主发动机控制器86可以确定电 晕放电特征，包括例如阻抗设定点、每个点火序列的放电数目、以及点火持续时间，基于发 动机的运行情况，包括来自点火系统的诊断信息63。一个映射系统(关系到所希望的电晕 放电特征，具有不同的参数，如节流位置、发动机速度、载荷、以及爆震检测)可以由经验确 定用于一个给定的发动机并且在主发动机控制器86中建立，这样使得电晕放电特征以及 因此的阻抗设定点是根据发动机运行时的图谱来动态设定的。另外或可替代地，所希望的 电晕放电特征可以通过主发动机控制器86、基于闭环反馈信息(如废气排放物、发动机功 率、汽缸压力等)来确定。这些不同的信号和DC功率是通过一个功率和逻辑线束64连接到多个点火器88 上的。在图15中，示出了六个点火器，每个汽缸一个。每个点火器88包括一个控制电子器件以及主线圈单元60、一个次级线圈单元70、一个电极壳体72、以及一个馈通绝缘体71。 例如，每个点火器可以具有图3所示的结构。该控制系统可以用其他方式来配置以便控制电晕放电的这些特征和定时。例如， 用于低压电路10的功率输入可以使用电压控制或电流控制技术来调节。放电可以通过动 态调节RF升变变压器20的驱动频率或高压电路30的谐振频率来调节。另外或可替代地， 还有可能通过动态地改变高压电路30的这些特征来调节放电。在一些实施方案中，电晕放电是基于高压电路30的输出端(与输入端相反)的阻 抗来控制的。在这类实施方案中，适当的部件被提供用于测量高压电路30的输出端的实际 阻抗并且用来选择一个阻抗设定点Is,2(见图6)以便与实际的输出阻抗Is,2相比较。主发 动机控制器86可以如以上所述被配置以便基于例如映射或闭环反馈控制来确定所希望的 电晕特征。电晕放电点火系统可以用来点燃燃烧燃料的ICE中的燃料空气混合物，这些燃料 包括以下中的一个或多个汽油、丙烷、天然气、氢气、以及乙醇。另外或可替代地，该电晕放 电点火系统可以作为静止的和/或非静止的ICE的一部分来使用。在一些实施方案中，电 晕放电点火系统可以在自动点火式ICE(如柴油发动机)中作为一个点火辅助装置来使用。应该认识到，在此披露的电晕放电点火系统是能够有许多修改的。这类修改可以 包括发动机设计的修改、采取的测量值的类型、阻抗控制的方式、确定或监测的运行情况、 等等。在不同的实施方案中，燃烧室中的电场的控制可以通过映射、通过使用一个设定点阻 抗、和/或通过其他方法来控制。在一定程度上，这类修改落入附加权利要求和其他等效物 的范围之内，它们旨在被本披露所覆盖。
权利要求
1.一种控制燃烧室(50)中的电晕放电而不引起电弧闪击的方法，该方法包括测量与一个电极GO)处于电连通的一个电路(30)的一个基线阻抗，该电极被安排为 对该燃烧室(50)传送一种电晕放电； 测量该电路(30)的一个实际阻抗； 至少部分地基于该基线阻抗确定一个阻抗设定点； 将该实际阻抗与该阻抗设定点进行比较；并且至少部分地基于该实际阻抗与该阻抗设定点之间的比较对该实际阻抗进行调节。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括确定一个额外阻抗，其中，确定一个阻抗设定 点包括将该额外阻抗加到该基线阻抗上。
3.如权利要求2所述的方法，其中，该额外阻抗值是至少部分地基于该燃烧室(50)中 的一个最佳电晕尺寸。
4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，确定该额外阻抗值包括访问一个数据结构(106)，该数据结构(106)将一种运行状态与一个存储的额外阻抗 值相关联，该存储的额外阻抗值与在该燃烧室(50)中在该运行状态下没有产生等离子体 和电弧闪击的一个最大电晕尺寸相关，并且返回与该运行状态相关联的存储的额外阻抗值。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该运行状态是下列中的一个或多个该燃烧室(50) 的尺寸以及该燃烧室(50)中的一个活塞(54)位置。
6.如权利要求4或权利要求5所述的方法，进一步包括 检测该燃烧室(50)中的一次电弧闪击，测量一个当前的运行状态， 确定一个当前的额外阻抗值，从该当前的额外阻抗值中减去一个第一误差容限以便提供一个初始的额外阻抗值，并且将该当前的运行状态与该数据结构(106)中的该初始的额外阻抗值相关联。
7.如以上权利要求中任何一项所述的方法，进一步包括在一个初始阶段中以不同运行 状态来运行该燃烧室(50)。
8.如权利要求6所述的方法，其中，确定一个当前的额外阻抗值进一步包括 测量将动力提供给该电极GO)的该电路(30)的一个当前的实际阻抗；测量将动力提供给该电极GO)的该电路(30)在一个输入端处的一个当前的基线阻 抗；并且从该当前的实际阻抗中减去该当前的基线阻抗以计算出该当前的额外阻抗值。
9.如权利要求4至8中任何一项所述的方法，进一步包括执行一个周期性抖动过程，该 抖动过程包括增加与该运行状态相关联的该返回的阻抗值以产生一个修改的额外阻抗； 将该修改的额外阻抗值加到该基线阻抗上以计算出该设定点阻抗； 确定该燃烧室(50)中是否发生电弧闪击；如果没有发生电弧闪击，则测量一个当前的运行状态，确定一个当前的额外阻抗值，并 且将该当前的运行状态与在一个数据结构(106)中的该当前的额外阻抗值相关联；并且如果发生电弧闪击，则从该修改的额外阻抗值中减去一个第二误差容限以产生一个新 修改的额外阻抗值，并且将该运行状态与该数据结构(106)中的新修改的额外阻抗值相关联。
10.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其中，调节该电路(30)的实际阻抗包括: 如果该基线阻抗是在该电极GO)上和/或在置于该电极GO)与该燃烧室(50)之间的一 个馈通绝缘体(71a，71b)的一部分上表明沉积物积聚的一个数值以上，则将该实际阻抗增 加到该阻抗设定点以上以便在该燃烧室(50)中产生一个电弧放电。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括如果在该电路(30)已经在该增加的实际 阻抗下运行了一个阈值时间段之后该基线阻抗没有返回到表明沉积物积聚的该数值之下， 则对一个主发动机控制器(86)发送一个警告。
12.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其中，该基线阻抗以及该实际阻抗是在该 电路(30)的一个输入端(A)处测量的。
13.一种用于控制燃烧室(50)中的电晕放电而不引起电弧闪击的控制系统，该控制系 统包括一个电极(40)，该电极被安排为将一种电晕放电传送到该燃烧室(50)；一个电路(30)，该电路与该电极00)处于电联通；一个系统控制器(84)，该系统控制器被配置为测量该电路(30)的一个基线阻抗，至少部分地基于该基线阻抗确定一个阻抗设定点，测量该电路(30)的一个实际阻抗，将该实际阻抗与该阻抗设定点相比较，并且至少部分地基于在该实际阻抗与该阻抗设定点之间的比较对该实际阻抗进行调节，以 便控制该电晕放电。
14.如权利要求13所述的控制系统，其中，该系统控制器(84)被进一步配置为确定一 个额外阻抗并且将该额外阻抗加到该基线阻抗上以确定该阻抗设定点。
15.如权利要求14所述的控制系统，其中，该系统控制器(84)被配置为至少部分地基 于该燃烧室(50)中的一个最佳电晕尺寸来确定该额外阻抗值。
16.如权利要求14或权利要求15所述的控制系统，其中，该系统控制器(84)被配置为访问一个数据结构(106)，该数据结构将一种运行状态与一个存储的额外阻抗值相关 联，该存储的额外阻抗值与在该燃烧室(50)中在该运行状态下没有产生等离子体和电弧 闪击的一个最大电晕尺寸相关，并且返回与该运行状态相关联的存储的额外阻抗值。
17.如权利要求16所述的控制系统，其中，该运行状态是指该燃烧室(50)的尺寸和/ 或该燃烧室(50)中的活塞(54)位置。
18.如权利要求16或权利要求17所述的控制系统，其中，该系统控制器(84)被进一步 配置为检测该燃烧室(50)中的一次电弧闪击， 测量一个当前的运行状态，确定一个当前的额外阻抗值，从该当前的额外阻抗值中减去一个第一误差容限以便提供一个初始的额外阻抗值，并且将该当前的运行状态与在该数据结构(106)中的初始的额外阻抗值相关联。
19.如权利要求18所述的控制系统，其中，该系统控制器(84)被进一步配置为在一个 初始阶段的过程中以不同运行状态来运行该燃烧室(50)。
20.如权利要求18所述的控制系统，其中，该系统控制器(84)的用来确定该当前的额 外阻抗值的这种配置进一步包括配置该系统控制器(84)以便测量将动力提供给该电极GO)的该电路(30)的一个当前的实际阻抗；测量将动力提供给该电极GO)的该电路(30)在一个输入端的一个当前的基线阻抗;并且从该当前的实际阻抗中减去该当前的基线阻抗以便计算出该当前的额外阻抗值。
21.如权利要求16至20所述的控制系统，该系统控制器(84)进一步被配置为执行一 个周期性抖动过程，该系统控制器(84)的用来执行该抖动过程的这种配置包括配置该系 统控制器(84)以便增加与该运行状态相关联的该返回阻抗值以产生一个修改的额外阻抗， 将该修改的额外阻抗值加到该基线阻抗上以便计算出该设定点阻抗， 确定该燃烧室(50)中是否发生电弧闪击，如果没有发生电弧闪击，则测量一种当前的运行状态、确定一个当前的额外阻抗值、并 且将该当前的运行状态与一个数据结构(106)中的该当前的额外阻抗值相关联，并且如果发生电弧闪击，则从该修改的额外阻抗值中减去一个第二误差容限以产生一个新 修改的额外阻抗值、并且将该运行状态与在该数据结构(106)中的新修改的额外阻抗值相关联。
22.如以上权利要求中任何一项所述的控制系统，其中，该系统控制器被配置为如果该 基线阻抗是在该电极GO)和/或置于该电极GO)与该燃烧室(50)之间的一个馈通绝缘 体(71a，71b)的一部分上表明沉积物积聚的一个数值以上，则将该实际阻抗值增加为在该 阻抗设定点之上以便在该燃烧室(50)中产生一个电弧放电。
23.如权利要求22所述的控制系统，其中，如果在该电路(30)已经在该增加的实际阻 抗下运行一个阈值时间段之后该基线阻抗没有返回到表明沉积物积聚的该数值以下，则该 系统控制器(84)被进一步配置为发送一个警告。
24.如以上权利要求中任何一项所述的控制系统，其中，该基线阻抗以及该实际阻抗是 在该电路(30)的一个输入端(A)处测量的。
全文摘要
本披露涉及用于控制燃烧室中的电晕放电而不引起电弧闪击的方法以及相关系统。这些方法可以包括测量与一个电极处于电连通的电路的基线阻抗、测量该电路的一个实际阻抗、至少部分地基于该基线阻抗确定一个阻抗设定点、将该实际阻抗与该阻抗设定点进行比较、并且至少部分地基于该实际阻抗与该阻抗设定点之间的比较对该实际阻抗进行调节。该电极被安排为对燃烧室传送一种电晕放电。
文档编号F02P23/04GK102149917SQ200980135371
公开日2011年8月10日 申请日期2009年7月23日 优先权日2008年7月23日
发明者P·D·弗瑞恩 申请人:博格华纳公司