专利名称：对射频火花塞的激励频率的监控的制作方法
技术领域：
本发明涉及谐振器的射频电源的领域，特别是用于等离子生成器的谐振器。
背景技术：
对于等离子生成机动车辆点火的应用而言，其谐振频率大于IMHz的谐振器被安排在火花塞处并且通常以高压供电(例如大于100V)并遭受到强电流(例如大于10A)。对火花塞的射频高压电源的操作是基于谐振器中的串联谐振现象的，该谐振器的谐振频率是由构成谐振器的电路的本征参数值来确定的。图1示出了现有技术谐振射频点火系统。对射频火花塞建模的等离子生成谐振器 10包括串联的电阻Rs、电感Ls和电容Cs，它们的值在制造期间由几何形状和所用材料的特性来确定，以使得谐振器具有大于IMHz的谐振频率。谐振器10连接到呈现为用作断路器的功率为M的晶体管MOSFET的电源电路20 的输出端，从而将中间电压Vinter施加于具有由借助于控制模块30被施加到MOSFET栅极的控制信号Vl所限定的频率的电源电路的输出端。中间电压Vinter例如在具有由控制信号限定的频率的电源电路的输出端上借助于并联谐振电路而被递送，该并联谐振电路包括与构成变压器T的初级绕组的线圈Lm并联的电容Cp，谐振器10连接到变压器的次级绕组Lp的端子。因此，控制模块30提供控制信号Vl从而在基本上等于等离子生成谐振器的谐振频率的一个频率(例如大约5MHz)上控制晶体管M的开关以向并联谐振器21递送通常在 12V至250V之间的电压Vinter，该电压然后被放大。在所施加的控制频率上，产生并联谐振器与射频火花塞的谐振器10之间的能量交换，这使之能够在期望产生火花的媒介的温度和压力下、在谐振器10的输出端获得击穿阈值电压。控制频率因而被选择成等离子生成谐振器10的谐振频率。目前，谐振器输出端的火花的形成干扰系统并且使系统失谐。实际上，气体中的火花像任何导电体那样是用电容来表征的。因此，如果没有火花，则由谐振器10的参数Rs、 Ls和Cs来单独确定系统谐振频率。这不再是火花形成时的情形；火花的特性实际上更改谐振频率。具有所形成的火花的谐振器的实际谐振频率与火花塞的射频电源的控制频率之间的差异因而降低了谐振器的品质因数(或过电压系数，其根据施加于谐振器上的频率限定了输出电压幅度与输入电压之比)，其中所述控制频率被选择成火花塞的无负载谐振频率(4)，也就是说针对无火花的系统。同样，能够在谐振器的激励序列内实时地重新校准射频电源的控制频率是有利的，这能够维持火花塞顶端的电压幅度并且因此维持火花的特性，例如其大小和分叉程度。
发明内容
本发明旨在达到该目的而不会降低系统效率。
为了实现该目的，本发明涉及一种射频等离子生成设备，包括-控制模块，其以控制频率生成控制信号，-电源电路，其包括由所述控制信号控制的断路器，该断路器将激励信号施加于具有由该控制信号限定的频率的所述电源电路的输出端，-谐振器，其呈现出大于IMHz的谐振频率，连接到所述电源电路的输出端并且适于生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压，所述设备的特征在于，包括用于所述控制模块的控制装置，该控制装置适于在所述激励信号的施加期间以与所述控制信号同步的方式更改所述谐振激励信号的频率。优选地，所述控制装置适于控制所述控制信号从第一频率值到小于该第一值的第二频率值的至少一个频率跃变。有利地，所述控制装置适于控制所述控制信号向所述第二频率值切换的持续时间，其是所述信号在所述第一频率值时的半周期的持续时间的80%到120%。优选地，所述第一频率值基本上等于所述谐振器没有火花时的谐振频率。有利地，所述第二频率值在至&的取值区间内，&等于谐振器在没有火花时的谐振频率并且Δι对应于该谐振器的通带。根据一个实施例，所述控制装置适于在由所述谐振器生成的电压信号的瞬态阶段内控制所述控制信号的频率跃变，该瞬态阶段在所述信号的稳态阶段前面。优选地，所述控制装置适于基本上在火花形成的时刻控制所述控制信号的频率跃变。根据本发明的一个实施例，所述控制模块的控制装置包括压控振荡器和用于调制所述振荡器的控制电压的装置。本发明还涉及一种内燃机，其特征在于，包括至少一个根据本发明的等离子生成设备。本发明还涉及一种用于控制内燃机的射频点火的电源的方法，其中，激励信号作为输入而被施加于具有由控制信号限定的第一频率的谐振器，所述谐振器呈现大于IMHz 的谐振频率并且能够生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压，所述方法的特征在于，包括在所述激励信号的施加期间以与所述控制信号同步的方式更改该激励信号的频率。
参考附图，通过阅读下面给出的说明性而非限制性的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中-图1示意性地示出了现有技术射频等离子生成设备；-图加示出了两个时序图，在火花塞的点火控制期间，在不与激励信号同步的控制信号的频率更改的情况下，它们分别涉及射频电源的断路器MOS的电压控制信号和射频火花塞的谐振器输入端的激励电流信号；-图2b是根据本发明原理的在与激励信号同步的控制信号的频率更改的情况下的图加的时序图；-图3示出了根据等离子生成控制持续时间的谐振器的电压信号U(t)，也就是说被施加于等离子生成谐振器的电容Cs的端子上的信号；-图4示出了用于控制射频电源的控制信号的频率同步的装置的实施例。
具体实施例方式射频火花塞的火花发展的优化需要成功地对于系统由于形成火花而产生的一部分失谐重新校准，从而尽可能接近该组件的新的谐振条件。为此，本发明提出实时地更改断路器M的控制信号Vl的频率，以在施加射频火花塞的谐振器10的激励信号V2的时期内控制该激励信号被施加到电源电路20的输出端。一个实施例在于在一个激励序列期间按照基本上在形成火花的时刻(恰好在火花建立之前或之后)所产生的频率突变来更改控制频率。优选地，这个频率偏移会将电源控制信号的频率从第一频率值减小到第二频率值，该第一频率值在点火控制启动时被确定并且通常对应于系统的无负载谐振频率fo，该第二频率值优选地在fcT(Af/^)至&之间，其中Af对应于RLC电路的通带，其在该情况下是构成谐振器10的RLC电路。作为例子，在本发明中，Af/2的取值大约是ΙΟΟΚΗζ。图3示出了针对如上所述的控制条件(即第一频率值&被保持到在对应于火花形成时刻的进行控制的时刻tmax所获得的最大电压值，而第二频率值在时刻tmax之后相对于该第一频率值突然减小至fcr50KHz)的跨谐振器电容Cs端子的信号U(t)的电压包络的例子。实际上，根据上面给出的例子，引起火花的等效电容通常不会致使谐振器火花塞组件的谐振频率相对于&的减小多于ΙΟΟΚΗζ。这种控制条件能够有利地在形成火花的时刻tmax保持跨谐振器电容Cs端子而施加的电压的最大幅度，并且还能够相对于传统的情形减小并减缓在经过tmax处的最大电压点之后的电压降而无需在施加谐振器激励信号期间进行频率控制。这种在施加射频火花塞谐振器激励信号期间对控制频率进行的更改，通过使之能够尽可能接近于组件的新谐振条件并且因而使得点火更高效而实现了对火花特性的实时改进。因此，当电源控制信号的频率根据上述原理而突然改变时，在致使将火花形成考虑在内的激励频率减小以使得对火花塞谐振器的控制适配于新谐振条件的程度上，有利地从起动等离子生成控制时的完全调谐的系统转变到形成火花时的“不完全”失谐的系统。然而，为了对火花塞射频电源进行根据本发明的优化频率控制而要遵守的基本参数是电源控制信号的频率更改与施加于电源电路输出端的火花塞谐振器激励信号同步。图加示出了火花塞射频电源控制信号Vl的时序图，其中在施加射频火花塞谐振器激励信号V2期间实施了频率更改，该激励信号V2的时序图也与Vl的时序图相反地被示出。图加示出了信号Vl的频率更改不与激励信号V2同步的情形。如图加所示，射频火花塞谐振器激励信号V2在点火控制的第一部分中是在系统的无负载谐振频率&上被控制的，该无负载谐振频率是由控制信号Vl来限定的。在点火控制的一个给定时刻(优选地对应于火花形成时刻，或恰好在其之前或之后)，控制信号Vl的频率进行更改，这对应于从初始频率fO到频率的频率跃变，如上文所述，频率fi被选择成在fo到 ·。-(Δ ·Λ)的频率范围内。控制频率fi的新值例如被选择成从 fQ 到 fQ-100KHz。 控制信号Vl因而经过持续时间tb的切换阶段，其中它处于低状态，这是在施加新频率之前。如图2a所示，控制信号Vl至新频率的切换持续时间tb在频率更改之前在信号 Vl的半周期持续时间内是不固定的，也就是说根据该例子对应于在频率&处的信号的半周期。所产生的激励信号V2的频率向新控制频率的更改因而在控制信号Vl的切换持续时间tb内是不同步的。控制信号Vl因而在应用新频率的时刻不再与激励信号V2的振荡同相。由于这种情形，激励信号V2的振幅在频率更改时减小，并且只能在与新控制频率 f重新校准的同时逐渐增加，如图2a中的V2的时序图所示的那样。因此，在过渡期间产生的损耗之后，系统效率降低。此外，存在控制功率电子元件以及特别是MOS断路器在强电流通过时被迫更改状态的风险。实际上，功率晶体管的非同步开关会导致开关不再处于零电压或零电流，这因而会对晶体管造成风险。图2b示出了本发明情形下的图2a的时序图，其中激励信号V2的频率至新控制频率fi的更改有利地以与控制信号Vl的切换持续时间tb同步的方式来执行。在激励信号的频率更改与控制信号同步的这一情形中，控制信号持续地与激励信号的振荡同相，这包括频率更改的时刻。因此，不存在任何谐振损耗并且可以保持最大电压，同时减缓经过最大电压点后的电压降，这对应于在点火控制时刻tmax的火花形成(参见图3)。这种对谐振器的同步频率控制能够维持射频火花塞的最大品质因数，而不管其运转状态如何，并且因而保持了火花特性。也可以在对射频火花塞的谐振器施加同一激励信号期间对控制信号的频率进行几次突然更改。如上文所述，对射频火花塞谐振器激励信号的任何更改必需与控制信号同步。因此，在应用新控制频率之前控制信号Vl经过的切换持续时间tb必需优选地被控制成基本上等于实施频率更改之前的控制信号半周期持续时间。然而，对于控制信号向新控制频率切换的持续时间tb的控制可以存在特定的容许度。因此，已经证实，通常对于涉及从第一频率(可能是到第二频率(通常在&到 f0"(Af/2)之间)的频率跃变的任何频率更改而言，在应用新频率之前控制信号的切换持续时间tb必需符合
权利要求
1.一种射频等离子生成设备，包括-控制模块(30)，其在控制频率上生成控制信号(VI)，-电源电路(20)，其包括由所述控制信号控制的断路器(M)，该断路器将激励信号(V2) 施加于具有由所述控制信号所限定的频率的所述电源电路的输出端，-谐振器(10)，其呈现大于IMHz的频率，连接到所述电源电路的输出端并且适于生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压(U(t))，其特征在于，包括用于所述控制模块(30)的控制装置00、50)，该控制装置适于在施加所述激励信号期间以与所述控制信号同步的方式更改所述谐振器的激励信号的频率，所述控制装置适于控制所述控制信号从第一频率值到小于该第一频率值的第二频率值(f\)的至少一个频率跃变。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制装置适于控制所述控制信号向所述第二频率值的切换持续时间(tb)，该切换持续时间是在所述第一频率值处的所述信号的半周期持续时间的80%到120%之间。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第一频率值基本上等于所述谐振器在没有火花时的谐振频率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二频率值的取值范围是在&到L-(AfA)之间，&等于所述谐振器在没有火花时的谐振频率并且Af对应于所述谐振器的通带。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制装置适于在由所述谐振器生成的电压信号(U(t))的瞬态阶段中控制所述控制信号的频率跃变，该瞬态阶段是在所述信号的稳态阶段之前。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制装置适于基本上上火花形成的时刻控制所述控制信号的频率跃变。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制模块的控制装置包括压控振荡器GO)和用于调制所述振荡器的控制电压的装置(50)。
8.一种内燃机，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1至7中任一项的等离子生成设备。
9.一种用于控制内燃机的射频点火的电源的方法，其中，激励信号(M)作为输入而被施加于具有由控制信号(Vl)限定的第一频率的谐振器(10)，所述谐振器呈现出大于IMHz 的谐振频率并且能够生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压(U(t))，其特征在于，该方法在于以与所述控制信号同步的方式在施加所述激励信号期间更改该激励信号的频率，并且控制所述控制信号从第一频率值(fj向小于该第一频率值的第二频率值(f\) 的至少一个频率跃变。
全文摘要
本发明涉及一种射频等离子生成设备，包括控制模块(30)，其在控制频率上生成控制信号(V1)；电源电路(20)，其包括由所述控制信号控制的断路器(M)，该断路器将激励信号(V2)施加于具有由所述控制信号限定的频率的所述电源电路的输出端；谐振器(10)，其呈现大于1MHz的频率，连接到所述电源电路的输出端并且适于生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压(U(t))，其特征在于，该设备包括用于所述控制模块(30)的控制装置(40、50)，该控制装置适于在施加所述激励信号期间以与所述控制信号同步的方式更改所述谐振器的激励信号的频率。
文档编号F02P23/04GK102171442SQ200980139292
公开日2011年8月31日 申请日期2009年5月15日 优先权日2008年8月5日
发明者A·阿涅雷, F·奥扎斯, F·德洛雷因, M·马卡罗夫 申请人:雷诺股份公司