用于驱动电晕点火系统的接力‑模式方法 |
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| 申请号 | CN201480074681.4 | 申请日 | 2014-12-12 | 公开(公告)号 | CN105940216B | 公开(公告)日 | 2017-08-25 |
| 申请人 | 费德罗-莫格尔点火公司; | 发明人 | 约翰·安东尼·布伦斯; | ||||
| 摘要 | 提供了一种用于将驱动 频率 保持为近似等于电晕点火器的共振频率的 电压 点火系统 。该系统包括 电流 传感器 ，电气独立于 控制器 的至少两个级联的计时器，以及至少两个 开关 。在运行中，电流传感器测量电晕点火器输入处的电流。包括关于电流的零点经过信息的调节的电流 信号 最终启动一对计时器，该对计时器转而控制和驱动开关中的一个。在驱动开关前，调节的电流信号不被控制器处理。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电晕点火系统，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 用于驱动电晕点火系统的接力-模式方法[0001] 相关申请的相互引用 [0002] 本申请要求2013年12月12日提交的申请号为61/915,088(律师案号710240-6793；IA-50129)的美国临时申请，2014年1月24日提交的申请号为61/931,131(律师案号710240- 6830；IA-50134)的美国临时申请，2014年3月11日提交的申请号为61/950,991(律师案号 712040-6901；IA-50147)的美国临时申请，2014年10月30日提交的申请号为62/072,530(律师案号710240-7346；IA-51029-1)的美国临时申请，2014年12月10日提交的申请号为62/ 090,096(律师案号710240-7356；IA-50359)的美国临时申请，2014年12月12日提交的申请号为14/568,219(律师案号710240-7404；IA-50129和IA-50129-1)的美国发明专利申请， 2014年12月12日提交的申请号为14/568,266(律师案号710240-7409；IA-50147)的美国发明专利申请，2014年12月12日提交的申请号为14/568,330(律师案号710240-7410；IA- 50359)的美国发明专利申请，以及2014年12月12日提交的申请号为14/568,438(律师案号 710240-7411；IA-50134)的美国发明专利申请的权益。其全部内容通过参考并入本文。 技术领域[0003] 本发明大体涉及电晕放电点火系统，更具体地涉及用于控制提供给电晕点火器系统的能量的方法。 背景技术[0004] 电晕放电点火系统提供交流电压和电流，快速连续地反转高低电位电极，其促进电晕放电的形成且最小化电弧形成的几率。该系统包括电晕点火器，所述电晕点火器具有加载了高射频电压电位的中心电极，该电极在燃烧室内产生强射频电场。该电场使得燃烧室内燃料和空气混合物的一部分电离且开始介质击穿，促进了燃料和空气(fuel-air)混合物的燃烧，这称为点火事件。优选地，控制该电场、从而燃料和空气混合物保持介质属性且电晕放电发生，也称为低温等离子体。燃料和空气混合物电离的部分形成火焰峰面，然后该火焰峰面变成自激的且燃烧燃料和空气混合物的剩余部分。优选地，控制电场、从而燃料和空气混合物不会失去全部介质属性，失去全部介质属性将产生热等离子体且在电极和接地缸壁、活塞、金属壳或者点火器的其他部分之间产生电弧。 [0005] 此外，优选的电晕放电点火系统运行使得：在电晕点火器的共振频率驱动电晕点火器，因为共振频率运行使得电晕点火器能够提供高输出和效率。然而，要精确地控制电晕点火器的驱动频率、使其等于或者接近于共振频率存在挑战；特别是当电晕点火器的设计不断发展和改进，引起共振频率的变化时。例如，一个近期开发的、旨在获得共振频率运行的方法要求多个周期，以获得锁定到正确的频率，该方法不能精确地跟踪快速的频率变化。另一个方法仅允许在有限频率范围内运行。第三个方法使用可编程数字或者混合信号控制器，以适当的时序和精度来控制系统的开关，然而这种类型的控制器要求复杂的规格，这导致较高的经费以及较高的成本。 发明内容[0006] 本发明的一个方面提供一种电晕点火系统，所述电晕点火系统能够在电晕点火器的共振频率或者其附近运行，且能够快速适应共振频率中的变化，而无需昂贵的控制器。该系统包括电晕点火器，其接收射频电流且提供射频电场。电流传感器获得包含与所述电晕点火器接收的所述电流相关的信息的未滤波的电流信号。信号滤波器和信号调节器的至少一个从所述电流传感器接收所述未滤波的电流信号，且提供调节的电流信号，其中所述调节的电流信号包括下降沿，所述下降沿发生在第一时间延迟的终点，第一时间延迟的终点跟随所述未滤波的电流信号的第一零点经过。第一计时器接收所述调节的电流信号，且响应于所述调节的电流信号的所述下降沿、发起第二时间延迟。第一计时器也提供第一计时信号，其中，所述第一计时信号包括在所述第二时间延迟的终点的下降沿，所述第二时间延迟在跟随所述第一零点经过的、所述未滤波的电流信号的第二零点经过之前终止。第二计时器接收来自所述第一计时器的所述第一计时信号，且提供第一输出信号。第三时间延迟始自位于所述第一计时信号的下降沿的所述第二时间延迟的终点，所述第一输出信号包括位于所述第三时间延迟的起点的上升沿。第一开关接收所述第一输出信号，且在所述第三时间延迟的终点被启动，其中，所述第三时间延迟在所述未滤波的电流信号的所述第二零点经过或者其之后终止。所述启动的第一开关使得所述电流从能量源流至所述电晕点火器。 [0007] 本发明的另一个方面提供一种用于控制电晕放电系统的方法。该方法包括提供射频能量给电晕点火器；获得未滤波的电流信号，所述未滤波的电流信号包含与所述电晕点火器接收的电流相关的信息。该方法还包括提供调节的电流信号，所述调节的电流信号包括下降沿，所述下降沿发生在跟随所述未滤波的电流信号的第一零点经过的第一时间延迟的终点；响应于所述调节的电流信号的所述下降沿、发起第二时间延迟，且提供第一计时信号，其中，所述第一计时信号包括在所述第二时间延迟的终点的下降沿，所述第二时间延迟在跟随所述第一零点经过的、所述未滤波的电流信号的第二零点经过之前终止；提供第一输出信号，所述第一输出信号包括位于第三时间延迟的起点的上升沿，其中，所述第三时间延迟始自位于所述第一计时信号的下降沿的、所述第二时间延迟的终点。然后该方法包括通过所述第一输出信号，在所述第三时间延迟的终点启动第一开关，其中，所述第三时间延迟在所述未滤波的电流信号的所述第二零点经过或者其之后终止，所述启动的第一开关使得所述电流从能量源流至所述电晕点火器。 [0008] 该系统和方法提供基于探测电流的单个零点经过的、对开关的时序控制，因此能够快速的锁定至正确的频率，且能够快速地对共振频率的变化作出响应。用于启动开关的计时器能够在较宽的间隔范围上被编程，这使得能够兼容较宽范围的驱动频率。此外，由计时器生成的用于启动开关的计时信号的生成独立于控制器的其他功能，例如，与车辆的通讯、电源的管理等。这种分离使得控制器的计算荷载大幅降低，因此允许使用更少的和/或更便宜的控制器。因此，本发明提供用于将驱动频率保持在或者接近于电晕点火器的共振频率的、更成本有效的系统和方法，同时仍允许高分辨率控制。附图说明 [0009] 参考下文的详细描述结合附图，本发明的其他优点将易于理解： [0011] 图2根据一个示例性实施例，包括示出在图1的系统的电晕点火器的输入处的电流的未滤波的电流信号S1的曲线，，类似于电晕点火器中的电流的、滤波的电流信号S2，以及表明电晕点火器中的电流的相位的、调节的电流信号S3的曲线图； [0012] 图3根据一个示例性实施例，包括曲线图，其示出图2的调节的电流信号S3如何用于控制提供给电晕点火器的能量；以及 [0013] 图4根据本发明的第二示例性实施例的电晕放电点火系统的框图。 具体实施方式[0014] 本发明的一个方面提供一种成本有效的电晕点火系统20，用于将驱动频率精确地保持为近似等于系统20的电晕点火器22的共振频率。除了电晕点火器22，系统20还包括电流传感器24，至少两个级联的计时器26、28、30、32，该计时器电气独立于控制器34，以及至少两个开关36、38。在运行中，电流传感器24测量电晕点火器22的输入40的电流。包括有关于电流的信息的调节的电流信号S3最后启动一对计时器26、28、30、32，该对计时器转而控制且驱动开关36、38中的一个。与比较的系统20不同，在驱动开关36或38之前，调节的电流信号S3不被控制器34处理。 [0015] 系统20和方法提供基于探测电流的单个零点经过的，对开关36、38的时序控制，因此能够快速的锁定至正确的频率，且能够快速地对共振频率的变化作出响应。用于启动开关36、38的计时器26、28、30、32能够在较宽的间隔范围上被编程，这使得能够兼容较宽范围的驱动频率。此外，来自计时器26、28、30、32的用于启动开关36、38的输出信号S5的生成独立于控制器34的其他功能，例如，与车辆的通讯、电源的管理等。这种分离使得控制器34的计算荷载大幅降低，因此允许使用更少的和/或更便宜的控制器34。因此，本发明提供用于将驱动频率保持在或者接近于电晕点火器22的共振频率的、更成本有效的系统20和方法，同时仍允许高分辨率控制。 [0016] 图1示出根据本发明的一个示例性实施例的电晕点火系统20，其兼容较宽范围的驱动频率，例如从700kHz至2MHz，但是仅需要较低价格的控制器34，而不会损害系统20的性能。图1的系统20包括用于提供能量给变压器42然后至电晕点火器22的能量源+V3。为了开始电晕放电44过程，控制器34发起使能信号46给计时器26、28、30、32的一个、以开启第一开关36，且使得电流从能量源+V3流经变压器42并且流至电晕点火器22。 [0017] 电晕点火器22接收射频电流且提供射频电场，指代为电晕放电44。电流传感器24获得位于变压器42的输出的(也指代为电晕点火器22的输入40)、提供给电晕点火器22的电流的信息。电流传感器24以未滤波的电流信号S1的形式获得该信息，信号S1包含高频噪声。 [0018] 在传输电流信息至一对级联的计时器26、28、30、32之前，电流传感器24传输未滤波的电流信号S1至例如低通滤波器的信号滤波器48和信号调节器50的至少一个。如需要，信号滤波器48可以将高频噪声从信号去除。信号调节器50能够提取有关电流相位的信息。此时，调节的电流信号S3被提供，其典型地仅包括关于输入40偏移的相位(电流的方向)的信息，输入40偏移是电流传感器24、信号滤波器48和信号调节器50造成的时间延迟。图2包括曲线图，曲线图示出电流信号S1、S2、S3，其包括关于电晕点火器22的输入40处的电流的信息。在一个实施例中，调节的电流信号S3包括下降沿F，其发生在未滤波的电流信号S1的第一时间延迟T1的终点处，第一时间延迟T1跟随第一零点经过X1。第一时间延迟T1由电流传感器24的时间延迟T1A和信号滤波器48的时间延迟T1B造成。T1A和T1B是已知的，并且可以由控制器34进行补偿。时间延迟T1A和T1B相加等于第一时间延迟T1。第一时间延迟T1是确定的并且可以得知的，因此可以由控制器34进行补偿。 [0019] 与比较的系统20不同，调节的电流信号S3不被发送给控制器34进行处理并且以生成驱动开关36、38的信号。取而代之，电流信息用于直接触发一对级联的计时器26、28、30、32，计时器转而通过驱动器52或54控制一个开关36、38的时序。级联的计时器26、28、30、32电气独立于控制器34，因此计时器26、28、30、32的分辨率独立于控制器34的处理单元的时钟速度。 [0020] 在图1-3的示例性实施例中，第一计时器26接收调节的电流信号S3，且响应于该调节的电流信号S3的下降沿F、发起第二时间延迟T2。第一计时器26也提供第一计时信号S4，其中，第一计时信号S4包括在第二时间延迟T2的终点的下降沿F。第二时间延迟T2在跟随第一零点经过X的、未滤波的电流信号S1的第二零点经过X2之前终止。第二计时器28接收来自第一计时器26的第一计时信号S4，且提供第一输出信号S5。第三时间延迟T3始自位于第一计时信号S4的下降沿F的、第二时间延迟T2的终点，第一输出信号S5包括位于第三时间延迟T3的起点的上升沿R。第一开关36接收所述第一输出信号S5，且在第三时间延迟T3的终点被启动。在该示例性实施例中，第三时间延迟T3在未滤波的电流信号S1的第二零点经过X2或者其之后终止。启动的第一开关36使得电流从能量源+V3流至电晕点火器22。 [0021] 在图1-3的示例性实施例中，第二计时器28发起第四时间延迟T4，第四时间延迟T4始自第一输出信号S5的上升沿R、且终于第一输出信号S5的下降沿F。第四时间延迟T4的终点发生在未滤波的电流信号S1的第三零点经过X3之前。第一开关36在第五时间延迟T5的终点被断开，第五时间延迟T5始自第一输出信号S5的下降沿F、在第三零点经过X3或者其之前终止。 [0022] 在权利要求1的系统20中，控制器34设置第二时间延迟T2和第四时间延迟T4，从而第一开关36在电晕点火器22接收的电流的一个所述零点经过X1、X2、X3处或者其附近被启动或者断开。控制器34经由数字输入(DIG IN)对调节的电流信号S3进行采样，且与电压进行比较，从而确定是否对第二时间延迟T2或者第四时间延迟T4进行调节。电压传感器56用于测量电晕点火器22的输入40处的电压，之后提供未滤波的电压信号V1，该电压信号V1被滤波、以提供滤波的电压信号V2，被调节、以提供调节的电压信号V3，且在调节的电压信号V3中被传输至控制器34。之后控制器34比较调节的电压信号V3和调节的电流信号S3，如果未滤波的电流信号S1的零点经过X1、X2、X3与未滤波的电压信号V1的零点经过在输入40处不同步，那么调节第二时间延迟T2和第四时间延迟T4的至少一个。然而，控制器34仅需要时不时地检查误差和做出调节，而无需每个周期这样做。典型地，调节的电流信号S3被从电流传感器24传输给第一开关36，在被传输给第一开关36之前无需被传输给控制器34。 [0023] 一旦控制器34发起使能信号46，以上描述的过程，包括信号S1、S2、S3、S4、S5和时间延迟T1、T2、T3、T4、T5，连续重复。该过程继续进行，以使用第三计时器30、第四计时器32、第二驱动器54和第二开关38。例如，在示例性实施例中，第六时间延迟跟随第五时间延迟T5，调节的电流信号S3包括上升沿，该上升沿发生在第六时间延迟的终点，第六时间延迟的终点跟随未滤波的电流信号S1的第四零点经过。第六时间延迟的长度等于第一时间延迟T1的长度。第三计时器30接收调节的电流信号S3，且响应于调节的电流信号S3的上升沿、发起第七时间延迟，且提供第二计时信号S4。第七时间延迟等于第二时间延迟T2，第二计时信号S4包括在第七时间延迟的终点的上升沿，第七时间延迟在跟随第四零点经过的、未滤波的电流信号S1的第五零点经过之前终止。第四计时器32接收来自第三计时器30的计时信号S4，且提供第二输出信号S5。第八时间延迟始自位于计时信号S4的上升沿的、第七时间延迟的终点。第八时间延迟等于第三时间延迟T3，并且第二输出信号S5包括位于第八时间延迟的起点的下降沿F。第二开关38接收第二输出信号S5，且在第八时间延迟的终点被启动，其中，第八时间延迟在未滤波的电流信号S1的第五零点经过或者其之后终止，启动的第二开关38使得电流从能量源+V3流至电晕点火器22。 [0024] 在该示例性实施例中，第四计时器32发起第九时间延迟，第九时间延迟始自第二输出信号S5的下降沿F且终于第二输出信号S5的上升沿。第九时间延迟等于第四时间延迟T4，第九时间延迟的终点发生在未滤波的电流信号S1的第六零点经过之前。第二开关38在第十时间延迟的终点被断开，第十时间延迟始自第二输出信号S5的上升沿R且在第六零点经过或者其之前终止。第十时间延迟等于所述第五时间延迟T5。 [0025] 控制器34设置第七时间延迟和第九时间延迟，从而开关在未滤波的电流信号S1的一个所述零点经过处或者附近被启动或者断开，就类似第三时间延迟T3和第五时间延迟T5。第一、第三、第五、第六、第八和第十时间延迟是固定的，且至少部分基于电流传感器24、信号滤波器48和/或信号调节器50、计时器26、28、30、32、以及开关36、38的设计。然而，如果电晕点火器22接收的电压的零点经过与未滤波的电流信号S1(其代表电晕点火器22接收的电流)的零点经过不同步，那么控制器34调节第二时间延迟T2和第四时间延迟T4的至少一个。 [0026] 应当注意的是，如果控制器34足够补偿电流控制环的所有元件中的延迟T1、T2、T3、T4、T5，那么可以省略电压采样，该电流控制环包括电流传感器24，信号滤波器48，信号调节器50，计时器26、28、30、32，驱动器52、54，和变压器42。此外，取决于具体安装要求，可以省略或者更改电流控制环中的一个或者多个元件。例如，计时器26、28、30、32可以操作开关36、38，而无需使用驱动器52、54。在另一个例子中，计时器26、28、30、32物理地位于控制器34中，然而仍与处理单元电气独立。在另一个例子中，电流传感器24具有适当的频率响应特征，因此无需信号滤波器48。 [0027] 监控调节的电流信号S3和调节的电压信号V3或者输入40处的电压的相对时序，使得系统20的驱动频率被精确保持在或者接近于电晕点火器22的输入40处的电流的共振频率，而无需控制器34精确地产生所有控制信号。为了获得需要的精度，可以使用不同于控制器34的时钟，典型地比控制器34更高速的时钟，来驱动计时器26、28、30、32，而无需更快速的、因此更昂贵的控制器34。此外，当在该配置中使用开关52、54时，可以包括空载时间。空载时间是当从一个开关52、54改变到另一个开关时发生的一小段时间，以使得一个开关52、54中的传导在使能另一个开关的传导之前完全切断，从而避免同时从开关52、54流过电流的重叠。通过调节计时器间隔T4和T6，可以容易地在该设计中实现该空载时间。 [0028] 图4根据本发明的另一个示例性实施例的电晕放电44点火系统20的框图。在该实施例中，分离的相位探测器58比较调节的电流信号S3和调节的电压信号之间的相位差别，以识别误差，例如，如果电流在电压经过零点之前或者其之后经过零点，在该情形中，系统20不在共振。相位探测器58提供识别的误差和方向信号，其经由数字输入传输给控制器34。 控制器34之后相应地调节第四时间延迟T4和第六时间延迟T6，以纠正误差，例如加速或者减缓过程，从而电流和电压同时经过零点。由于相位探测器58普遍使用于电路中，例如用于控制锁相环(PLL)，相位探测器58的设计可以选自本领域所熟知的。相位探测器58可以比较调节的电流信号S3的相位和调节的电压信号的相位。或者，相位探测器58可以比较调节的电流信号S3的相位和从前述环的任何其他点获得电压相位，例如在计时信号或者输出信号S5。 [0029] 应当说明的是，相关美国专利申请14/568219、14/568330和14/568438中公开了可以应用于本文所述系统20中的共振频率控制的其他方法，这些专利申请通过引用并入本文。此外，这些申请的每个公开了系统，这些系统具有可以包括进本系统20的元件。每个申请列出与本申请相同的发明人且与本申请同日提交。 [0030] 如以上指出的，本发明的系统20包括级联的计时器26、28、30、32，其电气独立于系统20的控制器34，并且可以被获得自电晕点火器22的电流和电压的表现测量的硬件信号直接触发。然后计时器26、28、30、32直接启动开关36、38，开关36、38控制驱动供给电晕点火器22的能量的频率的电路。控制器34仅需管理计时器26、28、30、32，以确保他们被合适地配置，而无需监控反馈信号以及正确地直接启动开关36、38。计时器26、28、30、32的分辨率因此独立于控制器34的处理单元的时钟速率。 [0031] 级联的计时器26、28、30、32也允许在控制器34中使用较慢的、较便宜的处理单元，而不会损害系统性能。因此，处理费用大幅降低。虽然保证高精度频率控制的可编程数字或者混合信号控制器34提供几个优点，频率控制所需的高精度导致控制器34中的高分辨率要求，通常导致处理单元的高计算荷载，这需要高速时钟以及因此的更高成本。此外，计时器26、28、30、32能够在较宽频率范围上被编程，其使得能够使用较宽范围的驱动频率。 [0032] 显然，根据以上教导，对本发明的多个更改例和变化例是可能的，并且可以以不同于具体描述的方式实施本发明，其位于权利要求的范围内。 |
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