CN101622441A - 射频点火火花的最优产生 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制射频等离子体产生器的方法，该产生器包含：供电电路(2)，其具有开关(9)，该开关受到至少一个控制脉冲串的控制的，以便在控制频率将中间电压(Vinter)施加到输出，谐振器(6)被连接到该输出，用于在高电压等级被施加到该输出时在两个电极(103，106)之间产生火花，所述方法的特征在于包含：接收分别表示内燃机运行和所产生火花类型的第一与第二测量信号；基于所接收的测量信号，适时调节至少选自中间电压等级、控制频率、控制脉冲串的持续时间的至少一个参数，以便有助于所产生火花的分支。

Description

射频点火火花的最优产生

技术领域

本发明涉及到等离子体产生谐振器的电力供给的控制，特别是在基于多火花(multi-spark)插头的谐振器的射频压力(radiofrequency stressing)的机动车等离子体点火应用中。

背景技术

在现代机动车点火系统的领域中，多火花插头BME提供了显著改进和不同于传统火花插头的几何结构。这样的BME在申请人名下的下列专利申请中详细介绍：FR 03-10766、FR 03-10767、FR 03-10768、FR04-12153、FR 05-00777。

BME包含谐振器，其谐振频率Fc处于高频率，典型地在4与6MHz之间，以便确保插头被供给谐振放大电压。谐振器到射频范围内的交流电压插头的电极的应用使得可以：在厘米数量级的距离上，在高的压力下，并用于小于20kV的峰值电压，建立插头电极之间的多丝(multi-filament)放电。

术语“分支火花”于是基于这样的事实而适用：它们涉及在给定体积内同时产生至少几个电离线或路径，其分支也是全方向的。

这样的BME的电力供给的控制涉及使用高电压产生器，其运行频率非常接近于射频谐振器的谐振频率。谐振器的谐振频率和产生器的运行频率之间的差越小，谐振器的过电压系数(其输出电压和其输入电压的幅值之间的比率)越高。

这样的电压产生器——其在专利申请FR 03-10767中详细介绍——主要在于：使用尽可能与谐振器谐振频率接近的谐振器控制频率，以便从尽可能高的过电压系数中得益。

然而，观察到，如果施加在谐振器到插头电极的输出上的电压的总幅值过高，存在火花集中在一个丝上的风险。此现象——其将在本说明书的下文中称为术语“跨连(bridging)”——将能量局限在小的丝区域，使得在开始电极之间的空气-燃料混合物的点火中与分支火花相比放电变得远远无效。

本发明的目标在于，通过在降低跨连效应发生的同时实时地使得所产生的火花体积最大化，即丝放电的出现，弥补这种缺点。

发明内容

以此为目的，本发明的主题为一种控制射频等离子体产生器的方法，其包含：

-供电电路，其具有开关，该开关受到采用至少一个控制脉冲串的形式的控制信号的控制，以由控制信号限定的频率将中间电压施加到供电电路的输出，

-谐振器，其被连接到供电电路的输出，并能在高电压等级被施加到供电电路的输出时在两个电极之间产生火花，所述方法的特征在于包含：

-表示燃烧发动机运行的第一测量信号的接收，

-表示所产生火花类型的第二电测量信号的接收，

-根据所接收的第一与第二测量信号，实时调节至少取自中间电压等级、控制频率、控制脉冲串的持续时间的至少一个参数，以便有助于所产生火花的分支。

根据一实施例，该方法包含中间电压等级和控制脉冲串持续时间的综合调节。

有利的是，控制信号以多个控制脉冲串的形式产生，调节与所述串的数量以及串间时间有关。

有利的是，该方法包含存储测量信号与将被调节的参数的值之间的关系，调节在于：根据所接收的测量信号以及所存储的关系，确定和应用至少将被调节的参数的值。

优选的是，第一测量信号选自发动机油温、发动机冷却剂温度、发动机转矩、发动机速度、点火角度、入口空气温度、歧管压力、大气压力、燃烧室中的压力或最大压力角。

优选的是，第二测量信号包含存储电容器——其供给谐振器输入上的中间电压——的端子上的电压的至少一个测量和/或谐振器中的电流的至少一个测量。

根据一实施例，使得存储电容器的端子上的电压的第一测量在控制脉冲串之前或在控制脉冲串开始时进行，所述电压的第二测量在控制脉冲串之后或在控制脉冲串结束时进行。

根据一变型，多个测量在控制脉冲串期间进行。

优选的是，该方法包含将控制频率调节到大致等于谐振器谐振频率的设置点值。

本发明还涉及一种用于产生射频等离子体的装置，其包含：

-供电电路，其具有开关，该开关由采用至少一个控制脉冲串的形式的控制信号控制，该开关以由控制信号限定的频率将中间电压施加到供电电路的输出，

-谐振器，其被连接到供电电路的输出，并能在高电压等级被施加到供电电路的输出时在两个电极之间产生火花，

所述装置的特征在于，其包含适合实现前面的权利要求中的任意一项所述的方法的控制模块。

附图说明

参照附图，通过阅读以说明性和非限制性实例给出的下面的说明，可以更加明了本发明的其他特征和优点，在附图中：

图1示出了等离子体产生装置的实施例；

图2示出了用于谐振器的电气模型；

图3示出了射频点火的电路图；

图4示出了用于产生用在射频点火中的中间电压的装置，其并有根据本发明的监视模块。

具体实施方式

参照图1，等离子体产生装置主要包含三个功能子组件：

-电源2，其被设计为，以大于1MHz的频率，用大于5kV——优选为大于6kV——的电容器端子上的电压，谐振L-C结构；

-谐振器6，其连接到供电电路的输出，表现出大于40的过电压因子，以及大于1MHz的谐振频率；

-插头头部110，其包含被绝缘体100分隔开的两个电极103以及106，用于在射频激励施加到其电极端子时产生分支等离子体。

电力供给电路2有利地包含：

-低电压电源3(产生小于1000V的DC电压)；

-射频放大器5，对DC电压进行放大并以受到开关控制4控制的频率产生AC电压。

放大器5产生的AC电压被施加到LC谐振器6。LC谐振器6在插头头部的电极103和106之间施加AC电压。

电源3所供给的电压小于1000V，电源优选为提供受限的功率。因此出于安全的原因，可以规定，对于每个点火，施加在电极之间的能量被限制为300mJ，电压产生器2的电流强度及其电消耗因此也受到限制。为了在机动车应用中产生大于12V的DC电压，电源3可包含到12伏到Y伏转换器，Y为电源供给放大器的电压。因此，可以由电池电压产生所希望的DC电压等级。所产生的DC电压的稳定性不是先验的决定性条件，故可以允许使用开关型电源来对放大器供电，因为其鲁棒性及简单性的特性。

供电电路2用于将最高电压集中在谐振器6上。放大器5因此处理比在插头电极之间施加的电压低得多的电压。

放大器5用于在谐振器6中在其电压每次交变时集聚能量。优选为，使用E类放大器5，如专利US-5187580所详述。这样的放大器使得可以使过电压因子最大化。本领域技术人员显然将会把合适的开关装置与所选择的放大器相关联，以便支持电压升压要求，并提供足够的开关速度。

图2示出了谐振器6的电气模型。因此，考虑射频域的集肤效应，串联电感65具有串联的电感Ls和电阻Rs。电容器119提供并联的电容Cs和电阻Rp。点火电极106和103被连接到电容Cs的端子。

电阻Rp被添加以便对放电进行建模，并对应于与插头陶瓷的耗散适合的情况。当谐振器以其谐振频率被供给电压时，电容Cs的端子上的幅值以由下面的公式定义的过电压系数Q放大：

$Q=\frac{1}{\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Cs}}}}{\mathrm{Rp}}+\frac{\mathrm{Rs}}{\sqrt{\frac{\mathrm{Ls}}{\mathrm{Cs}}}}}$

已经介绍的等离子体产生装置可包含等离子体产生谐振器，其适合产生燃烧发动机的受控点火、微粒过滤器中的点火或空气调节系统中的净化点火。

图3示出了根据放大器5的一实施例的射频点火的电路图，其具有功率MOSFET晶体管，作为对谐振器6的端子开关进行控制的开关。

因此，经由图中示出的放大装置10，控制信号产生器8将具有控制频率的控制信号V1施加到功率MOSFET 9的栅极。当其谐振器经由控制信号V1被激励时，为了监视插头电极之间的火花的产生，控制信号V1不是持久性的，而是以具有控制频率的控制脉冲串的形式存在。

如专利申请EP-A-1515594所述，并联谐振电路62连接在中间电压源Vinter和晶体管9的漏极之间。此电路62包含与电容Cp并联的电感Lp。

并联谐振器将中间电压Vinter变换为放大电压Va，其被供给连接到谐振器6的输入的晶体管9的漏极。

晶体管9因此作为开关运行，并在控制信号V1处于高(相应地，低)逻辑状态时传送(相应地，阻塞)谐振器6的输入上的电压Va。

在并联谐振器电路62的输入上供给的中间电压Vinter典型地经由电压升压装置产生，其在图4中示出。

电压升压电路例如由电池电压Vbat供给，并包含：电感Lboost；MOSFET K，其作为由监视模块20驱动的开关；二极管Dboost；电容器Cboost。监视模块以高频脉冲串的形式发送控制信号V2，使得开关K周期性导通。当K闭合时，电感Lboost用在其端子上的电压Vbat充电。当K断开时，二极管Dboost导通，在电感中存储的能量带来将被引向输出和电容器Cboost以便对之充电的电流。

存储电容Cboost以这样的方式被充电，直到达到所希望的Vinter的值。为此，没有示出的调节环在任何瞬间测量电容Cboost的端子上的电压的值，并在达到所希望的值时命令监视模块停止输出上的升压。

在点火控制串开始时以及期间，在所有情况下，电压升压过程被停用。

为了由插头产生放电，从电容Cboost取出某个量的能量，以便在谐振电路62的放大之后供到谐振器6的输入，从而使得以由施加到开关9的控制信号限定的频率在电极端子之间施加高电压等级成为可能。在点火时，电容Cboost的端子上的电压Vinter下降。因此，有必要为下次放电对之重新进行充电。因此，在两次放电之间，重复上面所阐释的电压升压过程。

本发明规定，为了使得插头放电时的跨连现象最小化，作用于系统的某些运行参数或至少其中之一，特别有：被设计为将高电压施加到电极端子的谐振器的供电电压，谐振器的激励频率，控制串的持续时间，产生多个串的可能性以及其数量，串之间的时间。有利的是，如果通过限制跨连现象的发生使得获得放电的最优分支成为可能，这些参数在系统正在运行时是可调节的，且其调节是实时的，如将在下面详细阐释的那样。

由于施加在电极端子之间的电压等级首先影响放电的进行(因此影响跨连出现的可能性)，因此，在一开始可以设想在放电过程中对放电进行限制，以便避免跨连现象。

为了做到这一点，可以设想，通过限定在可实时调节的存储电容Cboost端子上实现的电压设置点，相较于具有跨连的等离子体产生时使用的电压等级Vinter，在缩小的点火之前，使用电容Cboost的端子上的中间电压等级。表述“实时”应当理解为意味着同一汽缸上一个点火与下一个之间的此设置点的更新。实际上，点火之前Cboost的端子上的电压最终决定放电时谐振器电极端子上的电压的幅值。

所应用的电压设置点必须使得：对于刚好低于发生跨连的高电压限制值的施加到电极端子的电压幅值，从燃烧观点来看，可以将系统引入最优条件，即最大值的火花分支。

将要在Cboost端子上产生的中间电压值的实时调节考虑到燃烧发动机的运行参数测量信号。

有利的是，将要在电容Cboost的端子上产生的最优中间电压值的实时调节可通过也将表示所产生火花类型的、谐振器6电源的电气测量信号考虑在内来得到精练。

实际上，某些信号的分析使得可以以或大或小的准确性获知所产生的火花的类型以及由此结果得到的燃烧的类型。这些信号的处理于是使得可以产生点火之前的在电容Cboost的端子上所产生电压的值的伺服控制，以便使得在燃烧室中建立的火花的类型最优化，特别是其体积。

于是，根据所存储的这些测量信号与将被施加到Cboost的端子的电压值之间的关系，调节过程确定在Cboost端子上在点火之前的将要产生的电压的设置点的值。

由此，一方面根据发动机运行参数，另一方面根据表示所产生火花类型的谐振器电源的电气测量，通过实时改变在点火之前将被施加到电容Cboost的端子的电压值，将会可以将此电压非常准确地保持在这样的值：当其经由谐振器被施加到电极的端子时，足够产生电极之间的火花并因此开始点火，同时，小于跨连发生的高电压限制值。

点火之前Cboost端子上的中间电压的这种实时伺服控制经由监视模块20产生。

监视模块20因此包含接口21，其用于接收燃烧发动机运行参数测量信号。在被测量的发动机运行参数中，可以想到发动机油温、发动机冷却剂温度、发动机转矩、发动机速度、点火角度、入口空气温度、歧管压力、大气压力、燃烧室中的压力、最大压力角度或发动机运行的任何数量特性。这些类型的测量可以以本领域技术人员已知的方式进行。

有利的是，监视模块20还包含接口22，其用于接收表示所产生火花类型的电气测量信号。

监视模块20包含存储器模块26，其存储测量信号与在点火之前在电容Cboost的端子上产生的电压值之间的关系。这些关系可根据预备测试建立。存储器模块26可以以将预定测量信号与一个将被产生的电压设置点相关联的函数的形式存储该关系。例如，可以根据通过改变所考虑的多种参数在谐振器上进行的预备测试的结果，外推线性函数或多项式函数。存储器模块也可以以将测量信号用作其输入的多维阵列的形式存储该关系。

监视模块20包含模块25，其根据所接收的测量信号以及存储在存储器26中的关系来确定将被产生的电压设置点。设置点被模块25供到模块27，将控制信号V2施加到适合控制如上所述的电压升压过程的输出接口24，直到电容Cboost的端子上的电压值达到设置点值。例如，模块27为以适当的方式由本领域技术人员选择的时钟产生器。

编程接口23可被提供，使得可以接收和执行命令，以便修改存储在存储器模块26中的关系或参数。编程接口23特别可为无线通信接口。因此，可以想到，更新存储在模块26中的关系，以便在其传送后对点火系统的运行进行最优化。

优选为，接收接口22接收存储电容Cboost的端子上的中间电压值的一个或一个以上的测量，和/或进入谐振器6的电流的一个或一个以上的测量，并在控制火花产生的控制脉冲串V1的持续时间期间这样做。

如将在下面具体看到的效果，点火命令期间在Cboost的端子上的电压趋势的测量传递了关于火花分支的许多信息项。

对于进入谐振器的电流，其为谐振器电极端子上的高电压的镜像。以谐振频率(典型地为5MHz)调制的此信号具有包络，其为分支放电和跨连现象的特征。在点火命令持续时间期间对电流信号包络的分析限定了峰值检测器类型的装置的使用，该装置也是已知的，作为输出，其仅仅供给电流信号调制正弦波的峰值。

通过研究这些测量信号，可以诊断放电类型或所产生火花的类型，并依赖于存储在监视模块中的预定定律来相应地修改所选择的参数，根据上面的典型实施例，在这种情况下，修改点火之前在Cboost的端子上产生的中间电压的值。

上面介绍的基于电气测量的调节的处理可以以多种方式实现。

根据第一实施例，可以想到，考虑在火花发展的最有代表性的瞬间或在火花产生控制串之后或结束时所取的、所产生火花类型的一个测量特性。

如果所选择的测量是谐振器中的电流的测量，于是，可以确定阈值M1，使得：

-如果控制串结束时所取的测量小于此阈值，可由之推断出跨连已经发生；

-如果所取的测量大于此阈值，可以由之推导出没有发生跨连。

在使用存储电容Cboost的端子上的电压测量的情况下，于是，必须考虑在火花产生控制串之前(或在开始时)和之后(或在结束时)此电容的端子上的电压之间的差。实际上，特别是在点火之前(于是，在该电容的端子上调节的电压设置点)和点火之后(在控制串结束时取的测量)存储电容Cboost的端子上的电压的观察使得可以推断出点火期间由谐振器消耗的能量。于是，取决于在放电过程中由谐振器消耗的能量的量，可以由此在分支、跨连以及完全没有火花之间推断出所产生的放电的类型。

实际上，可以显示，当跨连发生时，所吸收的能量的量是最小的。于是，可以以与前面相同的方式确定阈值M2，对于其：

-如果在控制串结束时所取的测量暗示所消耗能量小于此阈值，可以由此推断，跨连已经发生(其实际上减小了传送到谐振器的能量值)；

-如果所取的测量暗示所消耗的能量大于此阈值，可以由此推断，没有发生跨连。

然而，将会注意到，如刚刚已经阐释的那样，基于对于各个控制串的一个(存储电容上的电压或谐振器的电流的)测量——优选为取在控制串的结束时——的调节不具有足够的鲁棒性。实际上，所取的测量不仅表示所产生的火花的类型，而且还表示供电电路与谐振器之间的频率调谐、插头的污染以及独立于火花发展的其他现象。

另外，根据另一实施例，为了提供鲁棒性调节，优选为在控制串过程中和/或之前和/或之后取多个电气测量。这些多个测量的趋势的分析使得可以更为容易地提取用于火花建立的评定的相关参数，并因此提供调节，特别是更为有效的在点火之前将在Cboost的端子上产生的中间电压值的调节。

注意，在控制串持续时间期间和/或之前和/或之后在Cboost的端子上的电压趋势测量传递了关于火花分支的许多信息项。在放电发展过程中，谐振器的能量消耗实际上反映在电容Cboost的端子上的电压降中，该电压降可被跟踪。观察到，所产生的火花的最优分支消耗大量能量，而跨连阶段强烈限制了消耗。Cboost的端子上的电压降的斜率分析因此使得可以检测跨连及其出现的瞬间。

还看到，跨连效应发生分析可基于谐振器输入上的电流包络的分析。通过取得控制串持续时间期间和/或之前和/或之后的多个电气测量，于是，可以跟踪此电流包络的趋势。跨连总是反映在电流包络的突然下降中，而在分支放电的情况下，电流包络显示出包络的轻微下降或较缓慢的趋势。因此，通过使用应用到控制串持续时间期间和/或之前和/或之后谐振器输入上的多个电流测量的“微分”型的数学工具，可以检测跨连现象。

迄今为止讨论的为了通过使得跨连现象最小化而有助于火花的最优分支的调节作用在对于各个点火将在存储电容Cboost的端子上产生的中间电压的值上。因此，一方面根据表示发动机运行的测量信号，另一方面根据表示所产生火花的类型的电气测量信号，调节过程使得可以定义在每次点火开始时达到的电压设置点。

然而，通过与前面参照对于各次点火在Cboost端子上的中间电压值的调节所介绍的相同的方式，在实时调节过程中，其他的系统控制参数也可被考虑，并因此可在系统运行的同时受到调节。

在火花发展中涉及的以及类似地可在运行中修改以便实时调节系统的系统其他运行参数为谐振器的控制频率、火花产生控制脉冲串的持续时间，或者，根据一变型，甚至在于产生多个点火、这样的控制串的数量以及串之间的间隔。

根据一优选实施例，根据本发明的调节共同地考虑对于每次点火在Cboost的端子上的中间电压的值以及控制脉冲串V1的持续时间，控制火花的产生。

为了做到这一点，监视模块20或类似的模块也被用于产生点火控制脉冲串V1，于是，其持续时间根据所接收的测量信号以及所存储的关系受到调节。

实际上，由于跨连现象在控制串期间发生，并通常通过在控制串结束时发生来开始，可以通过缩短控制脉冲串的持续时间来避免，以便刚好在跨连之前停止(或刚好在其后，取决于所希望的对燃烧的影响)。

然而，为此，跨连必须不在控制串的任何开始时发生，另外，有必要能够预测跨连出现的瞬间，以便相应地调节控制串的最优持续时间。

出于这些原因，通过减小点火控制串持续时间来限制跨连的可能性的这种技术可以结合调节谐振器供电电压的技术来考虑。实际上，谐振器供电电压的调节——其在于限制点火之前电容Cboost的端子上的减小的中间电压等级——有利地使得可以尽可能地将跨连现象从控制串开始时向后推迟。

根据一变型，设想经由采用多个控制脉冲串的形式的控制信号在点火期间控制谐振器，各个串具有非常短的持续时间，例如5到10μs的数量级，使得跨连没有时间发生。在此变型中——其在于产生多个点火，有必要以某个数量的次数重新产生控制串，该次数例如在2到50次的数量级上，以便保证向启动燃烧的混合物的足够的能量传送。另外，为了提供串之间的好的分离并因此避免跨连，控制信号的不同脉冲串之间的间隔可以在增大的方向受到调节。然而，点火时间于是增长，这可能对混合物初始条件不利。

另外，在点火时，谐振器控制信号的频率优选为选择为具有谐振器6的谐振频率的量值的数量级。实际上，谐振器谐振频率与谐振器受到控制的频率(即控制信号的频率)之间的匹配决定了谐振器输入与输出上的电压幅值的比。因此，通过优选地使用基本等于谐振器谐振频率的控制频率，对谐振器的效率是有利的，因为其过电压因数Q于是尽可能高。

然而，为了限制施加在谐振器电极之间的电压并因此限制出现跨连现象的可能，可以想到通过将控制频率移动到谐振器谐振频率附近来降低过电压系数。因此，根据所接收的(发动机运行和电的)测量，通过确定相对于谐振频率的最优控制频率值偏移，控制频率的值也可受到如前面所阐释的那样的反跨连调节。此参数可自行调节，或与中间电压值、控制串的持续时间结合调节，或甚至与后面两个参数结合调节。

Claims (9)

1.一种控制射频等离子体产生器的方法，该产生器包含：

-供电电路(2)，其具有开关(9)，该开关受到采用至少一个控制脉冲串的形式的控制信号(V1)的控制，以由控制信号限定的频率将中间电压(Vinter)施加到供电电路的输出，

-谐振器(6)，其被连接到供电电路的输出，并能在高电压等级被施加到供电电路的输出时在两个电极(103，106)之间产生火花，所述方法的特征在于包含：

-接收表示燃烧发动机运行的第一测量信号，

-接收表示所产生火花类型的第二电测量信号，

-根据所接收的第一与第二测量信号，综合且实时地调节中间电压的等级、控制脉冲串的持续时间。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，控制信号以多个控制脉冲串的形式产生，调节涉及所述串的数量以及串间时间。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于包含测量信号与将被调节参数的值之间的关系的存储，调节在于根据所接收的测量信号以及所存储的关系来确定和施加将被调节的参数的值。

4.根据权利要求1-3中的任意一项的方法，其特征在于，第一测量信号选自发动机油温、发动机冷却剂温度、发动机转矩、发动机速度、点火角度、入口空气温度、歧管压力、大气压力、燃烧室中的压力或最大压力角。

5.根据权利要求1-4中的任意一项的方法，其特征在于第二测量信号包括：供给谐振器输入上的中间电压的存储电容器(Cboost)的端子上的电压的至少一个测量，和/或谐振器(6)中的电流的至少一个测量。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，存储电容器(Cboost)的端子上的电压的第一测量在控制脉冲串之前或开始时进行，所述电压的第二测量在控制脉冲串之后或结束时进行。

7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于，多个测量在控制脉冲串期间进行。

8.根据权利要求1-7中的任意一项的方法，其特征在于包含将控制频率调节到大致等于谐振器谐振频率的设置点值。

9.一种用于产生射频等离子体的装置，其包含：

-供电电路(2)，其具有开关(9)，该开关由采用至少一个控制脉冲串的形式的控制信号(V1)控制，该开关以由控制信号限定的频率将中间电压(Vinter)施加到供电电路的输出，

-谐振器(6)，其被连接到供电电路的输出，并能在高电压等级被施加到供电电路的输出时在两个电极(103，106)之间产生火花，

所述装置的特征在于，其包含适合实现权利要求1-8中任意一项的方法的控制模块(20)。

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