專利名稱：用于ac點(diǎn)火系統(tǒng)的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)，更具體而言，涉及使用火花塞的內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常，內(nèi)燃機(jī)包括火花塞以及火花產(chǎn)生點(diǎn)火電路以便點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的空氣-燃料混合物。一些發(fā)動(dòng)機(jī)采用附接到旋轉(zhuǎn)飛輪上的永磁體以在充電線圈上產(chǎn)生電壓。在典型的電容放電系統(tǒng)中，來自低壓電池的電能被饋送至電源，所述電源將其升高為電容器上的更高電壓，所述電容器提供引起 火花塞的火花隙上的電火花所需的電壓。電容器將其能量轉(zhuǎn)移至點(diǎn)火線圈的初級繞組以及點(diǎn)火線圈的磁芯。能量從點(diǎn)火線圈次級繞組中被提取，直到電容器和磁芯不能提供足夠的能量為止。在電感系統(tǒng)中，能量從初級線圈中的低壓電池獲取。當(dāng)線圈初級繞組中的電流被中斷時(shí)，產(chǎn)生回掃(flyback)現(xiàn)象,這引起次級繞組的擊穿并且經(jīng)由次級繞組提取來自點(diǎn)火線圈磁芯中的能量。無論在電容放電點(diǎn)火系統(tǒng)還是在電感點(diǎn)火系統(tǒng)中，能量都通過點(diǎn)火線圈初級繞組在時(shí)間T1處的電流傳送給點(diǎn)火線圈的磁芯。在其后的時(shí)間T2，存儲在磁芯中的能量產(chǎn)生點(diǎn)火線圈次級電壓和電流。改變次級繞組的開路電壓(OCV)、電流幅值(CA)和火花持續(xù)時(shí)間(SD)這些特性的能力都與線圈磁芯中存儲的能量的變化有關(guān)。但是，一旦能量被置于磁芯中，次級繞組的特性很大程度上已被預(yù)先確定，無論次級負(fù)荷如何，并且在下次點(diǎn)火前不能被改變。對于給定的電感或電容放電線圈設(shè)計(jì)，0CV、CA和SD與存儲的能量直接成比例。隨著磁芯中存儲的能量增加，這三項(xiàng)值都增加。這些系統(tǒng)中最大的約束是開路電壓。該參數(shù)應(yīng)當(dāng)總是足夠大以可靠地引發(fā)火花。因此存在一些需要施加至線圈以使得能夠可靠地產(chǎn)生火花的最小能量。對于典型的電感和電容放電點(diǎn)火系統(tǒng)來說，OCV在25-40kV的數(shù)量級。這限制了通過調(diào)節(jié)能量施加而獲得的CA和SD可調(diào)節(jié)量。另外，CA和SD必須都增大或減小。在傳統(tǒng)的電感或電容放電線圈設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)無法單獨(dú)調(diào)節(jié)。為了改變點(diǎn)火系統(tǒng)的整體響應(yīng)，通常需要改變線圈設(shè)計(jì)。而且通常來說，對于給定的線圈設(shè)計(jì)，對不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件，0CV、CA和SD之間的關(guān)系無法達(dá)到最優(yōu)化。作為電容放電和電感點(diǎn)火系統(tǒng)的替代方式，一些發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用交流電點(diǎn)火(AC)系統(tǒng)。在AC點(diǎn)火系統(tǒng)中，交流電通常由DC-AC變換器產(chǎn)生。有幾種可以用于這種系統(tǒng)的變換器。例如，示例性AC點(diǎn)火系統(tǒng)包括變壓器，該變壓器具有中心抽頭初級線圈和與火花塞連接的次級線圈。通過使電容器向中心抽頭初級線圈的一個(gè)繞組放電,可以在火花塞處產(chǎn)生電弧。初級線圈的兩端都與開關(guān)或晶體管連接。開關(guān)可以在導(dǎo)通和關(guān)斷之間切換以改變初級線圈中電流的方向，從而改變次級線圈中電流的方向?？梢酝ㄟ^有利于CA或SD周期的調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)對這些開關(guān)的控制。然而，AC點(diǎn)火系統(tǒng)通常比電容放電和電感系統(tǒng)使用更多的功率半導(dǎo)體器件，例如開關(guān)和二極管?；蛘咛娲缘兀珹C點(diǎn)火要求點(diǎn)火線圈的繞組數(shù)量多于兩個(gè)，例如中心抽頭線圈初級構(gòu)造。通常，隨著線圈復(fù)雜度的減小，對功率半導(dǎo)體的使用增加，反之亦然。由于額外的部件以及復(fù)雜性增大導(dǎo)致更多可能發(fā)生故障，這使得AC點(diǎn)火系統(tǒng)的構(gòu)造成本變高，可靠性變低。另外，很多AC點(diǎn)火系統(tǒng)無法允許次級線圈電流的精確實(shí)時(shí)控制，而次級線圈電流的實(shí)時(shí)控制確定了火花放電的特性。因此期望具有一種交流點(diǎn)火系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用比傳統(tǒng)交流電點(diǎn)火系統(tǒng)更少的部件，因此構(gòu)造成本更低，并且能對簡單的兩繞組點(diǎn)火線圈點(diǎn)火。還期望具有一種點(diǎn)火系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的電感、電容放電或交流點(diǎn)火系統(tǒng)相比，該點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對SD和CA的更高精確度的實(shí)時(shí)控制。本發(fā)明的實(shí)施例提供這樣一種交流點(diǎn)火系統(tǒng)。本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)，以及其它創(chuàng)造性特征，將通過本發(fā)明提供的如下描述變得顯而易見
發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種用于AC點(diǎn)火系統(tǒng)的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其具有公共支線(leg)，該公共支線包括兩個(gè)串聯(lián)耦合的開關(guān)，以及一條或多條專用支線，其中每條專用支線包括兩個(gè)串聯(lián)耦合的開關(guān)。該AC點(diǎn)火系統(tǒng)還包括用于所述一條或多條專用支線中的每一條的變壓器(具有兩繞組點(diǎn)火線圈)，每個(gè)變壓器具有耦合在所述一條或多條專用支線中的一條和公共支線之間的初級繞組。另外，每個(gè)變壓器具有并聯(lián)耦合至火花塞的次級繞組。所述AC點(diǎn)火系統(tǒng)還包括脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)控制器，其被配置為操作公共支線和專用支線開關(guān)以控制火花塞的火花放電特性。另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種可編程AC點(diǎn)火系統(tǒng)，其包括DC電力總線，多個(gè)火花塞，每個(gè)火花塞耦合至相應(yīng)變壓器的次級繞組。每個(gè)變壓器包括具有第一端子的初級繞組，所述第一端子耦合在相應(yīng)一對串聯(lián)耦合的專用開關(guān)之間。所述可編程AC點(diǎn)火系統(tǒng)還具有一對串聯(lián)耦合的共享開關(guān)，其中每個(gè)初級繞組的第二端子耦合在共享開關(guān)之間，其中所述共享開關(guān)和專用開關(guān)中的每一個(gè)都耦合到DC總線。此外，所述AC點(diǎn)火系統(tǒng)還具有可編程控制器，其被配置為利用脈寬調(diào)制操作共享開關(guān)和專用開關(guān)，其中控制共享和專用開關(guān)包括控制多個(gè)火花塞的火花放電特性。通過下面結(jié)合附圖給出的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它方面、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更顯而易見。


并入并且構(gòu)成說明書一部分的附圖與說明書一起示出了本發(fā)明的幾個(gè)方面，用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例具有多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路的AC點(diǎn)火系統(tǒng)的不意圖；以及圖2A和2B是示出了圖I中點(diǎn)火系統(tǒng)的示例性操作期間的基本電壓和電流波形的時(shí)序圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例具有多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路的16通道AC點(diǎn)火系統(tǒng)的方框圖。盡管結(jié)合某些優(yōu)選實(shí)施例來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。相反地，本發(fā)明旨在覆蓋所附權(quán)利要求所限定的發(fā)明的精神和范圍內(nèi)所包括的所有替代、變型和等同物。
具體實(shí)施例方式圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性交流(AC)點(diǎn)火系統(tǒng)模塊100，其具有多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路101。點(diǎn)火系統(tǒng)模塊100可以被配置為3通道，也就是說，耦合至三個(gè)火花塞，或者被配置為兩通道模塊，也就是說，耦合至兩個(gè)火花塞，該點(diǎn)火系統(tǒng)模塊包括共享或公共支線102，該支線102具有串聯(lián)耦合的兩個(gè)開關(guān)S2，104和S3，106。第一專用支線108具有串聯(lián)耦合的兩個(gè)開關(guān)S4,110和S5，112。第一點(diǎn)火線圈或變壓器116的初級繞組114的一個(gè)端子103耦合在S2，104和S3，106之間，而初級繞組114的另一個(gè)端子105耦合在S4，110和S5,112之間。第一變壓器116的次級繞組118與第一火花塞120并聯(lián)稱合。由于本發(fā)明的點(diǎn)火線圈不必存儲如現(xiàn)有技術(shù)點(diǎn)火系統(tǒng)中點(diǎn)火線圈那么多的能量，因此本發(fā)明的點(diǎn)火系統(tǒng)能夠被配置為利用實(shí)質(zhì)上被 設(shè)計(jì)為作為高壓變壓器運(yùn)行而非能量存儲裝置的點(diǎn)火線圈。第二專用支線122包括串聯(lián)耦合的兩個(gè)開關(guān)S6，124和S7，126。第二專用支線122與第一專用支線108和公共支線102并聯(lián)耦合。第二點(diǎn)火線圈或變壓器130的初級繞組128的第一端子121耦合在S2，104和S3，106之間，而初級繞組128的第二端子123耦合在S6，124和S7，126之間。第二變壓器130的次級繞組132與第二火花塞134并聯(lián)耦合。在本發(fā)明的替代3通道實(shí)施例中，第三專用支線136(以虛線示出)包括兩個(gè)串聯(lián)耦合的開關(guān)S8，138和S9，140。第三變壓器144(以虛線示出)的初級繞組142的一個(gè)端子131耦合在開關(guān)S2，104和S3，106之間，而初級繞組142的另一端子133連接在開關(guān)S8，138和S9，140之間。第三變壓器144的次級繞組146與第三火花塞148并聯(lián)耦合。通過下文的描述將更為清楚，公共支線102也被稱作共享或公共支線，因?yàn)樗梢择詈现咙c(diǎn)火系統(tǒng)中火花塞的變壓器的一個(gè)以上的初級繞組。公共支線102和三條專用支線108，122，136中的每一個(gè)都并聯(lián)耦合。相反地，每條專用支線108、122、136耦合至變壓器的不同初級繞組連接。每個(gè)初級繞組都耦合至不同的火花塞。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)是N-溝道場效應(yīng)晶體管(FET)。在另一實(shí)施例中，開關(guān)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，在另一實(shí)施例中，開關(guān)是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。然而，應(yīng)該意識到根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例中也可以采用其它類型的開關(guān)。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)開關(guān)中的每一個(gè)都具有反并聯(lián)耦合的二極管。脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)控制器150耦合至電流感測電阻器152和中性線154，該中性線154連接至專用支線108、122、136的公共支線102的公共端子。在本發(fā)明的實(shí)施例中，PWM開關(guān)控制器150實(shí)現(xiàn)為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。當(dāng)開關(guān)是MOSFET或IGBT晶體管時(shí)，PWM開關(guān)控制器150耦合至晶體管的柵極以控制開關(guān)操作。另外，PWM開關(guān)控制器150可以被配置用于高頻操作，例如5-55千赫茲。開關(guān)控制器150的高頻操作實(shí)現(xiàn)對初級繞組電流水平的精確控制。初級繞組和次級繞組之間高的耦合因數(shù)意味著初級繞組電流的精確控制導(dǎo)致次級繞組電流的精確和實(shí)時(shí)控制。次級電流的這種控制使得火花放電特性例如CA和SD的控制成為可能。因此，PWM開關(guān)控制器150被配置為在發(fā)生發(fā)電的同時(shí)改變用于特定火花塞放電的這些參數(shù)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，用于產(chǎn)生火花的電能是從DC-DC升壓變換器162的DC電力總線160汲取的。升壓變換器162包括控制器164，其操作開關(guān)SI 166。通過開關(guān)SI 166的控制，控制器164調(diào)節(jié)輸出電壓，也就是說，調(diào)節(jié)升壓變換器162的DC電力總線160的電壓。電池168向電感器170供應(yīng)電流。與電池168相對的電感器端子171耦合至二極管172并且耦合至開關(guān)SI 166。開關(guān)SI 166又耦合至電流感測電阻器173并且耦合至控制器164。與電感器170相對的二極管端子175耦合至電容器174、DC電力總線160以及電壓反饋線177，所述反饋線路177耦合至控制器164。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，電池168供應(yīng)24伏直流電，其在DC電力總線160被升壓至大約185伏。利用脈寬調(diào)制對開關(guān)SI 166進(jìn)行調(diào)制從而產(chǎn)生預(yù)定的平均電流L。電流Il的AC波動(dòng)分量(例如，大約±6安培)小于DC分量(例如,大約±34安培)。當(dāng)升壓變換器運(yùn)行時(shí)電流L是持續(xù)恒定的電流。當(dāng)升壓變換器162運(yùn)行時(shí)，在SI調(diào)制期間開關(guān)SI 166關(guān)斷時(shí)，電流L通過二極管172向電容器174提供成組(packet)的電流。這些成組的電流流入電容器174以提高電容器174上 的電壓?？刂破?64利用電壓反饋線177在預(yù)定電壓水平(例如，185伏)關(guān)斷升壓變換器162。此時(shí)，SI調(diào)制將停止，開關(guān)SI 166將處于打開狀態(tài)。電流k將開始減小為零。當(dāng)電壓Vbwst減小到第二預(yù)定水平時(shí)，升壓變換器162將再次接通，高頻SI調(diào)制將被再次觸發(fā)，從而通過電感器170引發(fā)合適的DC電流Il,以在DC總線上保持穩(wěn)定的185伏電壓。為了控制火花塞120的火花特性，開關(guān)S2 104和S5 112成對地工作。它們要么都接通要么都斷開。開關(guān)S3 106和S4 110也成對地工作，它們運(yùn)行在與開關(guān)S2 104和S5112的狀態(tài)相反的狀態(tài)。開關(guān)S3 106和S4 110的接通引起第一火花塞120的火花塞間隙的初始電離。在示例性的實(shí)施例中，變壓器116、130、144的初級繞組與次級繞組匝數(shù)比大約為I : 180。當(dāng)S3 106和S4 110接通時(shí)，DC電力總線160上185伏的電壓施加在初級繞組114上。這在次級繞組118上產(chǎn)生高壓。當(dāng)火花塞間隙兩端的電壓(Vsp)足夠高(例如，從5到40千伏)時(shí)，火花塞間隙將發(fā)生電離。此時(shí)，火花塞間隙看起來不再像是開路，而更像齊納二極管。只要變壓器116的次級繞組118能夠超過火花塞間隙的齊納電壓，或保持電壓，火花間隙將保持被電離而且火花放電將持續(xù)?；鸹ǚ烹娖陂g火花塞間隙的保持電壓將下降，將Vsp減小到300伏到3000伏之間的電壓。Vsp的極性由電流流動(dòng)方向來確定。與上述方式相同，開關(guān)S2 104和S7 126成對地工作，要么都接通要么都斷開。開關(guān)S3 106和S6 124也成對地工作，運(yùn)行在與開關(guān)S2 104和S7 126的狀態(tài)相反的狀態(tài)。開關(guān)S2 104、S7 126、S3 106和S6 124—起工作以控制第二火花塞134的火花放電特性。類似地，開關(guān)S2 104和S9 140 (虛線示出)成對地工作，要么都接通要么都斷開。開關(guān)S3106和S8 138 (虛線示出)也成對地工作，運(yùn)行在與開關(guān)S2 104和S9 140的狀態(tài)相反的狀態(tài)。開關(guān)S2 104、S9 140,S3 106和S8 138—起工作以控制第三火花塞148的火花放電特性。在AC點(diǎn)火系統(tǒng)工作期間，當(dāng)開關(guān)S2 104和S5 112接通(S卩，閉合)時(shí)電流Ip流過初級繞組114。當(dāng)Ip達(dá)到預(yù)定水平時(shí)(例如，30到150安培)，開關(guān)控制器150斷開開關(guān)S2 104和S5 112，同時(shí)接通開關(guān)S3 106和S4 110。當(dāng)開關(guān)S3 106和S4 110接通時(shí)，流過初級繞組114的電流Ip改變方向，從而限定點(diǎn)火系統(tǒng)中的AC操作。開關(guān)S3 106和S4 110將保持在接通狀態(tài)，直到達(dá)到同等幅值的預(yù)定值，但是與S2 104和S5 112的開關(guān)峰值電流極性相反。因此，電流Ip具有高頻三角波形。流過次級繞組的電流Is與初級繞組電流Ip具有相同的波形和相位，但是具有基于初級繞組與次級繞組的匝數(shù)比的比例。
變壓器116、130、144具有與典型點(diǎn)火線圈繞組有關(guān)的低電感初級和次級繞組。在圖I中，三個(gè)變壓器的初級和次級繞組的低電感實(shí)現(xiàn)了初級繞組電流和次級繞組電流的緊密耦合。低電感還實(shí)現(xiàn)對初級繞組和次級繞組電流的精確控制。通過精確地控制初級繞組電流，次級繞組電流也得以被精確地控制。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，變壓器的初級電感為大約109微亨，次級電感為大約3. 7亨，初級漏電感為大約28微亨，次級漏電感為大約0. 95亨。另外，變壓器的初級耦合因數(shù)為大約0. 8630，次級耦合比為大約0. 8630，匝數(shù)比為大約184比I。流過變壓器初級和次級繞組的電流隨時(shí)間的變化率由漏電感或耦合因數(shù)確定。耦合因數(shù)能夠由如下公式確定1-k2 = Lps/Lp = Lsp/Ls, (I )其中k是耦合因數(shù)，Lp是次級開路時(shí)的初級電感，Ls是初級開路時(shí)的次級電感，Lps是次級短路時(shí)(初級泄漏)的初級電感，Lsp是初級短路時(shí)(次級泄漏)的次級電感。對于給定的電流設(shè)定這設(shè)定了振蕩頻率。隨著電流值的增大，頻率減小。當(dāng)與185伏標(biāo)稱總線耦合時(shí)，隨著輸出電流水平從300mA (rms)減小到65mA (rms)，該變壓器的振蕩頻率為大約12kHz到55kHz。關(guān)于本發(fā)明所說的電感和耦合因數(shù)，“大約”定義為上下25%，因?yàn)楹芏嘁蛩啬軌蛴绊戇@些值，包括繞組間電容、趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)、測量方法和產(chǎn)品波動(dòng)。在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，變壓器的初級電感為大約246微亨，次級電感為大約8. 11亨，初級漏電感為大約61微亨，次級漏電感為大約2. 04亨。另外，變壓器的初級耦合因數(shù)為大約0.8672，次級耦合比為大約0.8651，匝數(shù)比為大約182比I。當(dāng)耦合到185伏標(biāo)稱總線時(shí)，隨著輸出電流水平從300mA (rms)減小到65mA (rms)，該變壓器的振蕩頻率為大約5kHZ到29kHz。圖2A和2B是示出了圖I的點(diǎn)火系統(tǒng)模塊100期望操作期間的基本電壓和電流波形的時(shí)序圖。L波形202示出了流至升壓變換器輸入電流。在這種模擬輸出中小的波動(dòng)不明顯。注意到k等于零時(shí)準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉。當(dāng)電壓Vbtrast減小到低于180伏時(shí)，L開始導(dǎo)通，甚至在火花關(guān)閉的I毫秒時(shí)間點(diǎn)后L仍持續(xù)導(dǎo)通。直到Vbtrast返回185伏，電流L都流動(dòng)。Vbwst波形204示出了升壓變換器的185伏DC輸出電壓。在點(diǎn)火事件的重負(fù)荷期間有一些電壓暫降。但是，這種方案的基本概念是電壓Vbtrast為恒定值。模擬示出的電壓暫降是非理想的或?qū)嵱霉╇娫O(shè)計(jì)選擇的結(jié)果。Cur_Cmd波形206示出了用于初級電流Ip的AC幅值命令。注意到電流Ip的峰值對應(yīng)于Cur_Cmd的軌跡。還注意到Cur_Cmd幾乎可被即時(shí)地改變，如圖2A和2B所示，其對應(yīng)且?guī)缀跫磿r(shí)地響應(yīng)于IP。S2、S5命令波形208示出了開關(guān)S2 104和S5 112的狀態(tài)。當(dāng)信號是+1(高)時(shí)，開關(guān)104、112閉合。當(dāng)信號是-I (低)時(shí)，開關(guān)104、112打開。S3、S4命令波形210示出了開關(guān)S3 106和110 S4的狀態(tài)。當(dāng)信號是+1(高)時(shí)，開關(guān)106、110接通。當(dāng)信號是_1(低)時(shí)，開關(guān)106、110斷開。應(yīng)注意S2、S5命令波形208與S3、S4命令波形210的相位不同。Ip波形212示出了點(diǎn)火線圈初級電流。應(yīng)注意該電流具有三角AC波形。AC電流的幅值由Cur_Cmd信號確定。AC電流的頻率是Vb()()St、LP和Cur_Cmd的結(jié)果。隨著Cur_Cmd幅值的增大，頻率隨之減小。在擊穿期間Cur_Cmd是大約100安培。擊穿之后,Cur_Cmd變?yōu)榇蠹s50安培。在600 u sec和800 u sec處，Cur_Cmd變化而且Ip相應(yīng)變化。
Vsp波形214示出了火花塞電極處的電壓。應(yīng)注意在該模擬中在大約35千伏時(shí)發(fā)生擊芽。此后，Vsp減小到保持電壓,其幅值在該I旲擬中的幅值為大約1000伏。還應(yīng)注意到Vsp的極性由電流Is的方向來確定。電流Is的波形216是IP( S卩，三角波形)的比例反映，其與點(diǎn)火線圈的匝數(shù)比相關(guān)。電流Is及其即時(shí)改變其幅值的能力是圖I所示實(shí)施例的特征。應(yīng)注意到，第一負(fù)峰值相當(dāng)高并且跟隨Cur_Cmd波形206。擊穿后Cur_Cmd減小，Is的幅值也隨之減小。在大約600 V- sec處,Cur_Cmd逐步變高，電流Is的幅值也是如此。在大約800 u sec處,Cur_Cmd再次改變，電流Is的幅值也是如此。在大約1000 u sec處，Cur_Cmd變?yōu)榱?，Is停止流動(dòng)。這導(dǎo)致火花的終止。
本發(fā)明中的火花放電特性的可編程性實(shí)現(xiàn)了 CA和SD的寬范圍選擇。例如，本發(fā)明的實(shí)施例允許火花放電時(shí)間被編程為0. I到4. 0毫秒的范圍，CA被編程為50到1000毫安的范圍。這又允許在多個(gè)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和配置中使用單個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)。本發(fā)明不是為不同發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的整個(gè)家族進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，本發(fā)明考慮一種點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其能夠被編程成為不同的發(fā)動(dòng)機(jī)模型工作。這里所述的點(diǎn)火系統(tǒng)的可編程性還有助于系統(tǒng)中所用的火花塞具有較長的壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期間，火花塞的替換對于發(fā)動(dòng)機(jī)的整體保養(yǎng)來說是費(fèi)錢和費(fèi)時(shí)的。在通常的火花塞中，火花塞間隙隨著電極的損耗而增大。隨著時(shí)間的過去，這可能導(dǎo)致?lián)舸╇妷汉捅３蛛妷旱脑龃?。其它因素，例如能夠隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而增大中斷(break)平均有效壓力，也能夠影響缸內(nèi)狀況，其包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的火花放電特性。用戶能夠主動(dòng)地改變能影響火花放電特性的特定發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)。一些變化，例如這些變化，可以被開關(guān)控制器150檢測至IJ，這可以在火花放電期間對火花增加能量，如果需要的話，把火花特性保持在可接受的操作限度內(nèi)。這通過緊密地耦合初級和次級電流來實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，能夠通過初級電流的控制來實(shí)時(shí)控制次級電流。在具有16個(gè)火花塞的發(fā)動(dòng)機(jī)上，例如，多路復(fù)用16通道系統(tǒng)通道AC點(diǎn)火系統(tǒng)包括具有32個(gè)開關(guān)的16條專用支線，并且通常來說，包括具有12個(gè)開關(guān)的六條公共支線。當(dāng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)為N溝道FET時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)用于把開關(guān)控制器的邏輯控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽阋圆僮鏖_關(guān)的驅(qū)動(dòng)水平。在一個(gè)實(shí)施例中，22個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器被用于驅(qū)動(dòng)16通道點(diǎn)火系統(tǒng)中的44個(gè)FET。每條公共支線耦合至相應(yīng)升壓變換器，所有44個(gè)開關(guān)可以由一個(gè)PWM控制器進(jìn)行控制。在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中，汽缸通常以預(yù)定次序點(diǎn)火。相鄰的點(diǎn)火之間可能有重疊。這種重疊的可能性隨著汽缸數(shù)量的增大而增大，隨著火花持續(xù)時(shí)間的增大而增大，發(fā)動(dòng)機(jī)更可能具有非對稱的點(diǎn)火次序。例如，具有對稱點(diǎn)火次序的16缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)每45度輸出一次點(diǎn)火，即，720度/16 = 45度。在1800RPM，1度=92. 59微秒，導(dǎo)致的輸出是每4. 167毫秒點(diǎn)火一次。如果最大火花持續(xù)時(shí)間是例如2毫秒，點(diǎn)火將沒有重疊。但是，在具有15-75非對稱點(diǎn)火次序的16缸發(fā)動(dòng)機(jī)可以具有這種點(diǎn)火重疊。在1800RPM，這些次序之間間隔為I. 39毫秒，其中點(diǎn)火之間間隔為15度。在這種情況下，如果火花持續(xù)時(shí)間是2毫秒一些重疊是可能的。圖3示出了示例性的16通道點(diǎn)火系統(tǒng)300，其具有如圖I所示的四個(gè)3通道點(diǎn)火系統(tǒng)模塊302，其中所述模塊包括虛線所示的元件。點(diǎn)火系統(tǒng)300還包括圖I所示類型的兩個(gè)2通道點(diǎn)火系統(tǒng)模塊304，其中所述模塊不包括虛線所示的元件。這四個(gè)3通道點(diǎn)火系統(tǒng)模塊302和兩個(gè)2通道點(diǎn)火系統(tǒng)模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)306中的16個(gè)火花塞連接。傳統(tǒng)的非多路復(fù)用AC點(diǎn)火系統(tǒng)可能需要64個(gè)開關(guān)(每個(gè)火花塞4個(gè))來操作16缸發(fā)動(dòng)機(jī)306。但是，點(diǎn)火系統(tǒng)300的多路復(fù)用特征允許利用44個(gè)開關(guān)來操作同一個(gè)16缸發(fā)動(dòng)機(jī)306。點(diǎn)火系統(tǒng)模塊302、304的專用支線采用32個(gè)開關(guān)，這些模塊中的公共支線采用12個(gè)開關(guān)。公共開關(guān)控制器150(圖I所示)可以被用于操作所有的44個(gè)開關(guān)。在這種開關(guān)控制器150精確地調(diào)節(jié)每個(gè)變壓器初級繞組中的電流水平的設(shè)計(jì)中，允許獨(dú)立于SD對CA進(jìn)行控制，同時(shí)保持相同的0CV。另外，本發(fā)明的實(shí)施例管理實(shí)施前述點(diǎn)火系統(tǒng)特征，而不采用高成本的設(shè)計(jì)模式，即，不采用中心抽頭的變壓器、高壓、高電流半導(dǎo)體、振蕩電路、或高能存儲點(diǎn)火線圈。
通過引用的方式將包括公開物、專利申請和本發(fā)明引用的專利的各種參考文件都并入本發(fā)明，如同通過引用的方式將每個(gè)參考文件獨(dú)立且具體地并入本發(fā)明，以及在本發(fā)明中對其所有內(nèi)容進(jìn)行了闡述。描述本發(fā)明(尤其在所附權(quán)利要求的語境中)所使用的術(shù)語“一”、“一個(gè)”和“所述”以及類似的術(shù)語應(yīng)被理解為同時(shí)涵蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)，除非文字中特別指明或清楚地否定。術(shù)語“包括”、“具有”、“包含”和“含有”應(yīng)被理解為開放術(shù)語(即，意味著“包括，但不限于”)，除非特別指出。數(shù)值范圍的引用只是用于作為簡寫方法，每個(gè)單獨(dú)的值都各自落入所述范圍，除非特別指出，每個(gè)單獨(dú)的值都包含在說明書中，就像它們被單獨(dú)引用一樣。本發(fā)明所說的所有方法都可以通過任何合適的順序來實(shí)施，除非特別指出，或者文中清楚地否定。任一個(gè)以及所有的示例或者示例性語言的使用(例如，“例如”)，只是為了更好地說明本發(fā)明，而不用于限制發(fā)明的范圍，除非另有說明。說明書中的任何語言都不應(yīng)被理解為指示任何不要求保護(hù)的部件作為實(shí)施本發(fā)明的必要因素。在這里已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，包括已知的實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了前述說明書后，對這些優(yōu)選實(shí)施例的變型將很明了。發(fā)明人期望技術(shù)人員適當(dāng)采用這些變型，發(fā)明人期望以不同于說明書所說的具體方式來實(shí)施本發(fā)明。因此，本發(fā)明包括記載在所附權(quán)利要求中限定的主題的所有變型和等同物，如同適用法律所允許的那樣。另外，各種可能變型中的上述元素的任意組合都被本發(fā)明所包含，除非另有說明或文中有明確的否定。
權(quán)利要求
1.一種用于AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路,包括 公共支線，所述公共支線包括串聯(lián)耦合的兩個(gè)開關(guān)； 一條或多條專用支線，其中每條專用支線包括串聯(lián)耦合的兩個(gè)開關(guān)； 用于所述一條或多條專用支線中的每一條專用支線的變壓器，每個(gè)變壓器具有耦合在所述一條或多條專用支線中的一條支線與所述公共支線之間的初級繞組，其中每個(gè)變壓器具有與火花塞并聯(lián)耦合的次級繞組； 脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)控制器，所述脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)控制器被配置為操作公共支線開關(guān)和專用支線開關(guān)以控制所述火花塞的火花放電特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中所述一條或多條專用支線包括兩條專用支線。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中所述一條或多條專用支線包括三條專用支線。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，還包括DC-DC升壓變換器，所述DC-DC升壓變換器被配置為提供電能以產(chǎn)生火花放電。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中所述開關(guān)是N-溝道FET和MOSFET中的ー種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)開關(guān)都與ニ極管反并聯(lián)耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中所述開關(guān)控制器使用高頻脈寬調(diào)制，其中控制共享開關(guān)和專用開關(guān)包括控制多個(gè)所述火花塞的火花放電特性；并且 其中所述控制器被配置為在發(fā)生火花放電的同時(shí)改變特定火花放電的特性。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中火花放電時(shí)間能夠被編程為具有O. I暈秒至4暈秒的持續(xù)時(shí)間，次級繞組電流幅值被編程為具有50暈安至1000暈安的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中每個(gè)變壓器具有大約109微亨的初級電感、以及大約3. 7亨的次級電感。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中每個(gè)變壓器具有大約28微亨的初級漏電感、以及大約O. 95亨的次級漏電感。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中每個(gè)變壓器具有大約O.8630的初級耦合因數(shù)、以及大約O. 8630的次級耦合因數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中，隨著輸出電流水平從.300mA(rms)變?yōu)?5mA(rms)，姆個(gè)變壓器以大約12kHz到55kHz的頻率進(jìn)行振蕩。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中每個(gè)變壓器具有大約246微亨的初級電感、以及大約8. I亨的次級電感，并且其中每個(gè)變壓器具有大約61微亨的初級漏電感、以及大約2. 04亨的次級漏電感。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中每個(gè)變壓器具有大約O.8672的初級耦合因數(shù)、以及大約O. 8651的次級耦合因數(shù)，其中隨著輸出電流水平從300mA (rms)變?yōu)?65mA(rms)，每個(gè)變壓器以大約5kHz到29kHz的頻率進(jìn)行振蕩。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中操作所述公共支線開關(guān)和所述專用支線開關(guān)以生成流經(jīng)每個(gè)所述次級繞組的交流電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其中通過打開火花塞的兩個(gè)公共支線開關(guān)和兩個(gè)專用支線開關(guān)來終止該火花塞中的火花放電。
17.—種可編程AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊,包括 DC電カ總線； 多個(gè)火花塞，每個(gè)火花塞耦合至相應(yīng)變壓器的次級繞組，其中每個(gè)變壓器包括具有第一端子的初級繞組，所述第一端子耦合在相應(yīng)ー對串聯(lián)耦合的專用開關(guān)之間； 串聯(lián)耦合的ー對共享開關(guān)，其中每個(gè)初級繞組的第二端子耦合在所述共享開關(guān)之間； 其中所述共享開關(guān)和每個(gè)所述專用開關(guān)耦合至所述DC總線；以及 可編程控制器，所述可編程控制器被配置為利用脈寬調(diào)制來操作所述共享開關(guān)和專用開關(guān)，其中控制所述共享開關(guān)和所述專用開關(guān)包括控制所述多個(gè)火花塞的火花放電特性。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，還包括被配置為向所述DC總線輸出DC電壓的升壓變換器。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中控制所述火花放電特性包括對電流幅值和火花放電周期進(jìn)行獨(dú)立控制。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中所述共享開關(guān)和所述專用開關(guān)是MOSFET,并且其中每個(gè)MOSFET反并聯(lián)耦合至ニ極管。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中所述共享開關(guān)耦合至至少兩個(gè)變壓器的初級繞組。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中所述共享開關(guān)耦合至至少三個(gè)變壓器的初級繞組。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中每個(gè)變壓器具有大約109微亨的初級電感、以及大約3. 7亨的次級電感，并且其中每個(gè)變壓器具有大約28微亨的初級漏電感、以及大約O. 95亨的次級漏電感。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中每個(gè)變壓器具有大約O.8630的初級耦合因數(shù)、以及大約O. 8630的次級耦合因數(shù)，并且其中隨著輸出電流水平從300mA (rms)變?yōu)?5mA(rms)，每個(gè)變壓器以大約12kHz到55kHz的頻率進(jìn)行振蕩。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中每個(gè)變壓器具有大約246微亨的初級電感、以及大約8. 11亨的次級電感。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊,其中姆個(gè)變壓器具有大約61微亨的初級漏電感、以及大約2. 04亨的次級漏電感。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中每個(gè)變壓器具有大約O.8672的初級耦合因數(shù)、以及大約O. 8651的次級耦合因數(shù)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中隨著輸出電流水平從300mA(rms)變?yōu)?5mA(rms)，每個(gè)變壓器以大約5kHz到29kHz的頻率進(jìn)行振蕩。
29.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中所述共享開關(guān)和所述專用開關(guān)是IGBT,并且其中每個(gè)IGBT反并聯(lián)耦合至ニ極管。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中所述控制器利用高頻脈寬調(diào)制來控制所述共享開關(guān)和所述專用開關(guān)，并且其中所述控制器被配置為在發(fā)生火花放電的同時(shí)改變特定火花放電的特性。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的AC點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中火花放電時(shí)間被編程為具有O.I毫秒至4毫秒的持續(xù)時(shí)間。
32.—種16通道點(diǎn)火系統(tǒng),包括 四個(gè)三通道點(diǎn)火系統(tǒng)模塊以及兩個(gè)雙通道點(diǎn)火系統(tǒng)模塊，其中每個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)模塊包括 DC電カ總線； 多個(gè)火花塞，每個(gè)火花塞耦合至相應(yīng)變壓器的次級繞組，其中每個(gè)變壓器包括具有第一端子的初級繞組，所述第一端子耦合在相應(yīng)ー對串聯(lián)耦合的專用開關(guān)之間； 串聯(lián)耦合的ー對共享開關(guān)，其中每個(gè)初級繞組的第二端子耦合在所述共享開關(guān)之間；其中所述共享開關(guān)和每個(gè)所述專用開關(guān)耦合至所述DC總線；以及可編程控制器，所述可編程控制器被配置為利用脈寬調(diào)制來操作所述共享開關(guān)和所述專用開關(guān)，其中控制所述共享開關(guān)和所述專用開關(guān)包括控制所述多個(gè)火花塞的火花放電特性。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的16通道點(diǎn)火系統(tǒng)，其中所述可編程控制器是FPGA。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的16通道點(diǎn)火系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)具有32個(gè)專用開關(guān)和12個(gè)共享開關(guān)。
全文摘要
一種用于AC點(diǎn)火系統(tǒng)的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，具有公共支線，所述公共支線包括串聯(lián)耦合的兩個(gè)開關(guān)，以及一條或多條專用支線，其中每條專用支線包括串聯(lián)耦合的兩個(gè)開關(guān)。所述多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路還包括用于所述一條或多條專用支線中的每一條的變壓器，每個(gè)變壓器具有初級繞組，所述初級繞組耦合在所述一條或多條專用支線中的一條和所述公共支線之間，并且其中每個(gè)變壓器具有與火花塞并聯(lián)耦合的次級繞組，以及脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)控制器，所述脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)控制器被配置為操作所述公共支線和專用支線開關(guān)以控制所述火花塞的火花放電特性。
文檔編號H01F38/12GK102713254SQ201080036784
公開日2012年10月3日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月18日
發(fā)明者D·C·彼特魯斯卡 申請人:伍德沃德公司