專利名稱：通過單個功率級控制多個火花塞線圈的制作方法
通過單個功率級控制多個火花塞線圈
本發(fā)明總體上涉及一種在火花塞兩電極之間產(chǎn)生等離子體的系統(tǒng)，這 些系統(tǒng)尤其用于對內(nèi)燃機燃燒室中的氣體混合物進行受控射頻點火。
對于利用等離子體的產(chǎn)生進行汽車點火的應(yīng)用而言，結(jié)合了線圈火花 塞組件的等離子體發(fā)生電路被用于在它們的電極之間產(chǎn)生多燈絲放電，從 而能夠引發(fā)引擎燃燒室中混合物的燃燒。在以申請人名義提交的以下專利
申請中詳細描述了多火花塞FR 03-10766、 FR 03-10767和FR 03-10768。
常規(guī)上利用諧振頻率F。大于1 MHz，典型地接近5 MHz的諧振器1對這 種線圈-火花塞組件進行建模。諧振器包括串聯(lián)的電阻器R、電感器L和電 容器C。線圈-火花塞組件的點火電極10和12連接到電容器C的端子。
當(dāng)為諧振器提供處于其諧振頻率f。(l/2;rVI^的高電壓時，電容器C 端子處的幅值被放大，從而能夠在厘米量級的距離上在火花塞電極之間生 成多燈絲放電，該放電具有高壓且峰值電壓小于20kV。
那么將火花稱為分支火花，因為它們需要同時在給定體積之內(nèi)產(chǎn)生至 少若干電離線或路徑，它們的分支還是全方向的。
控制這種線圈-火花塞組件的電源需要使用能夠產(chǎn)生通常為100ns量級 的電壓脈沖的供電電路，電壓脈沖可以達到大約lkV的幅值，頻率非常接 近線圈-火花塞組件的射頻諧振器的諧振頻率。諧振器諧振頻率和發(fā)電機操 作頻率之間的差異越小，諧振器的過電壓系數(shù)(其輸出電壓和其輸入電壓 幅值之比)就越高。
在圖2中示意性示出了這種供電電路，在專利申請FR 03-10767中更 詳細地描述了這種供電電路。其常規(guī)上采用"E類功率放大器"設(shè)置。這種 類型的DC/AC轉(zhuǎn)換器使其能夠產(chǎn)生具有前述特征的電壓脈沖。
根據(jù)圖2的實施例，放大器2包括被用作用于控制諧振器1端子處的 開關(guān)的MOSFET功率晶體管M。
于是，控制裝置5以控制頻率產(chǎn)生控制信號VI并經(jīng)由示意性示出的控制級3向功率M0SFET M的柵極施加該控制信號VI 。在其諧振器1被控制信
號VI激勵時，為了控制放大器輸出端處連接的線圈-火花塞組件電極之間
火花的產(chǎn)生，所述信號不是持久的，而是以控制頻率的控制脈沖系列形式 出現(xiàn)的。
如專利申請EP-A-1 515594中所述，在晶體管M的中間電壓Vinter的 源極和漏極之間連接并聯(lián)諧振電路4。這種電路4包括與電容器Cp并聯(lián)的 電感器Lp。
在接近其諧振頻率處，并聯(lián)的諧振器將中間電壓Vinter轉(zhuǎn)換成放大電 壓Va(圖5所示)，放大電壓對應(yīng)于中間電壓乘以并聯(lián)諧振器的過電壓系數(shù)。 在還連接到諧振器1的輸入的晶體管M的漏極上提供該放大電壓。
因此晶體管M充當(dāng)開關(guān)并在控制信號V1處于高(或低)邏輯狀態(tài)時在 諧振器l的輸入處施加(或阻斷)電壓Va。于是晶體管M強加由控制信號
VI決定的開關(guān)頻率，努力使其盡可能接近連接在輸出端的線圈-火花塞組件
的諧振頻率(典型地為5MHz)，以便維持形成線圈-火花塞組件的并聯(lián)諧振 器4和串聯(lián)諧振器1之間的能量傳輸并使之最大化。
然后，在線圈-火花塞組件的諧振頻率處，上述輸出電壓Va乘以串聯(lián) 諧振器1的過電壓系數(shù)，出現(xiàn)在串聯(lián)諧振器1的電容器C的端子處，艮P， 出現(xiàn)在火花塞處電極的端子處。
必需要在諧振器的諧振器頻率上執(zhí)行這一階段從放大器形成的功率級 到線圈-火花塞組件的諧振器的能量轉(zhuǎn)移，以便確保有良好的效率。具體而 言，如果晶體管M強加不同于線圈-火花塞組件的諧振頻率的開關(guān)頻率，由
于用于線圈-火花塞組件的串聯(lián)諧振器的通帶窄，能量轉(zhuǎn)移會劣化。
在利用等離子體產(chǎn)生進行汽車點火的應(yīng)用中，每個燃燒室都裝備了如 上所述的線圈-火花塞組件，以便按需啟動燃燒。
因此，對于4汽缸引擎而言，例如，必需要有四個如上參考圖2所述 的E放大器類型的供電電路，以便分別供應(yīng)和控制四個線圈-火花塞組件。 于是，這種基于具有與要控制的線圈-火花塞組件一樣多的放大路徑的 配置限制了這種通過等離子體產(chǎn)生進行的汽車點火的發(fā)展?jié)摿?，不僅因為 在發(fā)動機罩下方進行這種安裝需要的空間需求，而且因為安裝成本，這可 能會被證實對設(shè)想在批量生產(chǎn)車輛中安裝這種點火裝置產(chǎn)生阻礙。本發(fā)明目的是通過能夠借助同一放大路徑來控制多個線圈-火花塞組 件來克服這一缺點。
鑒于這一目的，本發(fā)明涉及一種等離子發(fā)生裝置，其特征在于其包括: _供電電路，其包括受控制信號控制的開關(guān)，以便以所述控制信號 限定的頻率向所述供電電路的輸出端施加中間電壓，
_經(jīng)由連接器并聯(lián)設(shè)置于所述供電電路輸出端上的多個等離子體 發(fā)生線圈-火花塞組件，每個連接器被設(shè)計成以可拆除形式連接到對應(yīng)的線 圈-火花塞組件并包括被設(shè)計成使所述線圈-火花塞組件的諧振頻率偏移以 使每個線圈-火花塞組件具有獨立諧振頻率的模塊，
_用于所述供電電路的控制裝置，其從所述線圈-火花塞組件的諧 振頻率之一確定所述控制信號的頻率，以便根據(jù)所使用的控制頻率有選擇 地控制所述線圈-火花塞組件。
有利地，每個等離子體發(fā)生線圈-火花塞組件包括諧振器，所述諧振器
具有l(wèi)MHz以上的頻率且包括兩個電極，當(dāng)向所述供電電路的輸出端施加高 壓電平時，所述諧振器能夠在所述兩個電極之間產(chǎn)生等離子體。
根據(jù)一個實施例，利用普通連接元件在所述連接器自身之間組裝所述 連接器。
優(yōu)選地，所述連接元件包括極簡單模塊，由此可以將其以單一方式緊 固到所述多個線圈-火花塞組件。
有利地，被設(shè)計成偏移線圈-火花塞組件諧振頻率的所述模塊包括用于 修改要與所述組件緊緊相鄰定位的線圈-火花塞組件的電感值的模塊。
根據(jù)一個實施例，用于修改所述線圈-火花塞組件的電感值的所述模塊 包括直接與所述線圈-火花塞組件的繞組接觸的繞組。
優(yōu)選地，所述修改模塊的所述繞組設(shè)置在由磁性材料制成的元件周圍。
優(yōu)選地，所述修改模塊的所述繞組至少部分被由磁性材料制成的元件 圍繞。
根據(jù)另一個實施例，用于修改所述線圈-火花塞組件的電感值的所述模 塊包括直接與所述線圈-火花塞組件的繞組相靠設(shè)置的由磁性材料制成的 元件。
優(yōu)選地，所述由磁性材料制成的元件圍繞所述線圈-火花塞組件的所述繞組末端的至少一部分。
優(yōu)選地，所述由磁性材料制成的元件包括插入所述線圈-火花塞組件的 繞組中的中心芯。
根據(jù)一個實施例，所述磁性材料包括鐵氧體。
通過參考附圖閱讀以非限制性范例的方式給出的以下描述，本發(fā)明的 其他特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見，附圖中
_

圖1是示出了用于對等離子體發(fā)生線圈-火花塞組件建模的諧振 器的電氣模型的圖示；
-圖2是示出了用于產(chǎn)生高電壓的裝置的圖示，該裝置結(jié)合了用于 為線圈-火花塞組件供電和控制的放大器；
-圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的射頻點火系統(tǒng)的完整圖示，該系統(tǒng)包括 4個并聯(lián)于單個電源級輸出端的火花塞線圈組件；
-圖4a到4c示出了用于使每個線圈-火花塞組件的諧振頻率偏移 的裝置的各實施例，該裝置要并入用于線圈-火花塞組件的連接裝置中；
_圖5示出了連接裝置的實施例；
-圖6示出了對根據(jù)本發(fā)明的點火系統(tǒng)實施控制的范例的流程圖。
本發(fā)明提出利用單個放大路徑，換言之，利用單個圖2中上述E類功 率放大器類型的供電電路，控制多個線圈-火花塞組件，以便為并聯(lián)于該單 個供電電路輸出端的多個線圈-火花塞組件有選擇地供電。
圖3示出了這種架構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明，其中使用單個供電電路2分別單 獨控制經(jīng)由連接裝置并聯(lián)到供電電路輸出端的4 (以及擴展到N)個線圈-火花塞組件，即BB1、 BB2、 BB3和BB4。
常規(guī)上，連接裝置由多個連接器20構(gòu)成，每個連接器都被設(shè)計成以可 拆除的方式連接到多個線圈-火花塞組件的對應(yīng)線圈-火花塞組件。
能夠借助單個供電電路獨立控制多個線圈-火花塞組件的條件是每個 等離子體發(fā)生線圈-火花塞組件自己的諧振頻率與其他組件的諧振頻率有 很大不同。這里的具體目的是避免形成線圈-火花塞組件的每個諧振器的諧 振頻率范圍重疊，從而克服同時多處點火的問題。
然而，尤其出于與這些火花塞的工業(yè)生產(chǎn)過程效率相關(guān)的原因，由于 每個線圈-火花塞組件優(yōu)選具有相同的諧振頻率，本發(fā)明規(guī)定，在每個連接
7器20中包括用于以預(yù)定方式偏移相應(yīng)線圈-火花塞組件的諧振頻率的裝置， 使得每個線圈-火花塞組件具有獨立的諧振頻率。
這樣實現(xiàn)的線圈-火花塞組件的頻率分布必需要使得線圈-火花塞組件 之間的諧振頻率差異優(yōu)選大于每個諧振器的通帶。例如，將選擇大于諧振 器通帶兩倍的差異。
于是，線圈-火花塞組件的這種諧振頻率分布使得單個功率級能夠交互 作用，并能夠從單個供電電路2獨立控制4個線圈-火花塞組件，從而為點 火系統(tǒng)實現(xiàn)大的成本節(jié)約和體積節(jié)省。
圖4a示出了線圈-火花塞組件BB1的連接器20。它與所述組件直接相 鄰，且由控制所需的兩個導(dǎo)體21和22形成。
于是，每個連接器20就結(jié)合了裝置23，裝置23被設(shè)計成以預(yù)定方式 偏移對應(yīng)線圈-火花塞組件的諧振頻率，使得所有線圈-火花塞組件的偏移 諧振頻率滿足上述原理，即，使每個線圈-火花塞組件的諧振頻率相對于彼 此偏移優(yōu)選大于每個線圈-火花塞組件通帶兩倍的值。
更確切地講，被設(shè)計成偏移對應(yīng)線圈-火花塞組件諧振頻率的裝置23 包括用于修改要與所述組件直接相鄰定位的線圈-火花塞組件的電感值的 裝置。
根椐圖4a中所述的第一實施例，這些用于修改線圈-火花塞組件電感 值的裝置包括要直接靠著線圈-火花塞組件的繞組L設(shè)置的磁性材料制成的 元件30。
根據(jù)直接與其繞組耦合的磁性材料，更具體而言，根據(jù)與繞組相鄰放 置的元件的材料和幾何性質(zhì)，修改線圈-火花塞組件的電感值。 舉例來說，可以使用鐵氧體型磁性材料。
根據(jù)圖4b中所示的第二實施例，由磁性材料制成的元件30包括要插 入線圈-火花塞組件的繞組L中的中心芯32。
根據(jù)一種變體，配置由磁性材料制成的元件30，以便至少圍繞線圈-火花塞組件的繞組L的端部的一部分。這種配置還具有改善線圈-火花塞組 件的過電壓系數(shù)的優(yōu)點。
不過，據(jù)發(fā)現(xiàn)，按照期望分布線圈-火花塞組 的諧振頻率在特定情況 下需要使用長度一直擴展到繞組三分之一的鐵氧體，這種情況可能在鐵氧體和繞組之間絕緣或電容耦合方面引起問題。
因此，根據(jù)一種備選方案，連接器20結(jié)合繞組而不是鐵氧體型磁元件。 這樣并入連接器的繞組要與線圈-火花塞組件的繞組直接接觸。那么，兩個 繞組之間的耦合會顯著改善頻率偏移。
根據(jù)圖4c所示的另一備選方案，連接器20包括要與線圈-火花塞組件 直接接觸的繞組34和磁性材料，例如鐵氧體型磁性材料制成的元件36兩 者。然后在磁性元件36周圍設(shè)置繞組34，此外可以將其配置成至少部分圍 繞所述繞組。
因此上文提出的方案包括向每個線圈-火花塞組件的連接器20增加 直接對著線圈-火花塞組件的元件(鐵氧體和/或繞組)，以便修改其諧振頻 率，從而達到如下結(jié)果，S卩，并聯(lián)于單個供電電路出口處的每個線圈-火花 塞組件具有對其而言特定的諧振頻率，如上所述，這些頻率相對于彼此偏移。
根據(jù)圖5所示的一個特定實施例，利用普通、優(yōu)選剛性的連接元件26 在連接器20之間進行組裝，這樣連接元件26充當(dāng)單個連接器，利用其將 前述頻率偏移元件集成起來，從而以預(yù)定方式偏移每個汽缸的線圈-火花塞 組件的頻率。
除了能夠使部件數(shù)量最小且因此優(yōu)化制造工藝之外，這樣的單個連接 器還可以通過可靠方式被緊固到引擎上，從而相對于常規(guī)使用的獨立連接 器確保對振動有良好的機械阻力。
有利地，形成單個連接器26的連接元件包括極簡單的裝置27，使其能
夠以單一方式被緊固到多個線圈-火花塞組件。
于是，能夠在單個連接器26中放置對例如汽缸No. 1產(chǎn)生最小(或甚 至零)頻率偏移的元件23，并對直到例如汽缸No. 4組件增大頻率偏移。
于是在這種配置中，控制裝置提前知道了各線圈-火花塞組件的控制頻 率次序和汽缸次序之間的對應(yīng)關(guān)系。這種對應(yīng)關(guān)系存儲在控制裝置中。
那么，這種控制單個供電電路的方法必需要考慮到針對要為每次點火 控制的路徑調(diào)節(jié)的頻率。
根據(jù)圖6中的范例，在接收到點火請求時，控制裝置首先能夠確定要 控制的汽缸，汽缸是按照它們設(shè)置于引擎中的次序從1到4編號的。因此，為每個汽缸編號分別分配對于要控制的線圈-火花塞組件特定的諧振頻率
Fl、 F2、 F3和F4。
于是，控制裝置包括根據(jù)要點火的汽缸編號和預(yù)先存儲的對應(yīng)關(guān)系從 這些頻率F1、 F2、 F3和F4確定要產(chǎn)生的控制信號的頻率的模塊。
一旦確定了控制頻率，控制裝置就向輸出端接口施加所述頻率的控制 信號，以便控制開關(guān)M。
然后，當(dāng)然由用于這次點火的控制頻率控制向要為點火而控制的線圈-火花塞組件進行的選擇性功率轉(zhuǎn)移。
根據(jù)一個特定實施例，可以利用以本申請人名義申請的法國專利申請 FR 05-127669和FR 05-12770中所述的表格或自動控制方法來確定要在單 個供電電路的輸出端獲得的諧振頻率。
例如，可以為控制裝置裝備用于接收引擎操作參數(shù)(引擎油溫、引擎 轉(zhuǎn)矩、引擎速度、點火角度、進口空氣溫度、燃燒室中的壓強等)的測量 信號和/或電源操作參數(shù)的測量信號的接口 ，還裝備存儲著測量信號和要產(chǎn) 生的控制信號頻率之間關(guān)系的特定存儲器模塊。于是，控制裝置根據(jù)在接 收接口接收的測量信號和存儲器模塊中存儲的關(guān)系確定要產(chǎn)生的控制信號 的頻率。
可以想到除了為內(nèi)燃機實施受控點火之外的應(yīng)用而不會因此脫離本發(fā) 明的范圍，例如在顆粒過濾器中實施點火或空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的去污染點火。
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權(quán)利要求
1、一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于包括-供電電路(2)，其包括通過控制信號(V1)控制的開關(guān)(M)，以便以所述控制信號定義的頻率向所述供電電路的輸出端施加中間電壓(Vinter)，-經(jīng)由連接器(20)并聯(lián)設(shè)置于所述供電電路的輸出端上的多個等離子體發(fā)生線圈-火花塞組件(BB1，BB2，B33，BB4)，每個連接器(20)被設(shè)計成以可拆除形式連接到對應(yīng)的線圈-火花塞組件，并包括被設(shè)計成使所述線圈-火花塞組件的諧振頻率偏移以使得每個線圈-火花塞組件具有獨立諧振頻率的模塊(23)；-用于所述供電電路的控制裝置(5)，其從所述線圈-火花塞組件的諧振頻率之一確定所述控制信號的頻率，以便根據(jù)所使用的控制頻率有選擇地控制所述線圈-火花塞組件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，每個等離子體發(fā)生線圈 -火花塞組件包括諧振器(1)，所述諧振器具有l(wèi)MHz以上的頻率且包括兩 個電極，當(dāng)向所述供電電路的輸出端施加高壓電平時，所述諧振器能夠在 所述兩個電極之間產(chǎn)生等離子體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，利用普通連接元件 (26)在所述連接器(20)自身之間組裝所述連接器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述連接元件包括極簡 單模塊(27)，由此可以將其以單一方式緊固到所述多個線圈-火花塞組件。
5、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，被設(shè)計成偏 移線圈-火花塞組件的諧振頻率的所述模塊(23)包括用于修改與所述組件 直接相鄰定位的線圈-火花塞組件的電感值的模塊。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，用于修改所述線圈-火 花塞組件的電感值的所述模塊包括被設(shè)置成直接與所述線圈-火花塞組件 的繞組(L)接觸的繞組(34)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述修改模塊的所述繞 組(34)設(shè)置在由磁性材料制成的元件(36)周圍。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述修改模塊的所 述繞組(34)至少部分被由磁性材料制成的元件(36)包圍。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，用于修改所述線圈-火 花塞組件的電感值的所述模塊包括直接與所述線圈-火花塞組件的繞組(L) 相靠設(shè)置的由磁性材料制成的元件(30)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述由磁性材料制成 的元件(30)圍繞所述線圈-火花塞組件的所述繞組末端的至少一部分。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的裝置，其特征在于，所述由磁性材料 制成的元件(30)包括插入所述線圈-火花塞組件的所述繞組中的中心芯(32)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求7到11中任一項所述的裝置，其特征在于，所述磁 性材料包括鐵氧體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于其包括供電電路(2)，其包括受控制信號(V1)控制的開關(guān)(M)，以便以所述控制信號定義的頻率向所述供電電路的輸出端施加中間電壓(Vinter)；經(jīng)由連接器(20)并聯(lián)設(shè)置于所述供電電路輸出端上的多個等離子體發(fā)生火花塞線圈(BB1，BB2，BB3，BB4)，每個連接器(20)被設(shè)計成以可拆除形式連接到對應(yīng)的火花塞線圈并包括適于使所述火花塞線圈的諧振頻率偏移以使每個火花塞線圈具有不同諧振頻率的模塊(23)；所述供電電路的控制裝置(5)，其從所述火花塞線圈的諧振頻率確定所述控制頻率，以便根據(jù)所使用的控制頻率有選擇地控制所述火花塞線圈。
文檔編號F02P9/00GK101627206SQ200880006758
公開日2010年1月13日 申請日期2008年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月1日
發(fā)明者A·阿涅雷, C·努韋爾, X·雅弗勒齊克 申請人:雷諾兩合公司