專(zhuān)利名稱(chēng)：用于具有電流模式控制和故障容差檢測(cè)的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)明總體上涉及用于使用火花塞的內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及用于使用火花塞的內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)，以及用于控制火花塞操作和檢查系統(tǒng)故障的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常，內(nèi)燃機(jī)包括火花塞以及產(chǎn)生火花的點(diǎn)火電路，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)點(diǎn)燃空氣-燃料混合物。有些發(fā)動(dòng)機(jī)采用附連到旋轉(zhuǎn)飛輪的永磁體在充電線圈上產(chǎn)生電壓。在典型的電容性放電系統(tǒng)中，來(lái)自低電壓電池的電能被供給電力供應(yīng)裝置，該電力供應(yīng)裝置把該電能升壓為電容器上的較高電壓，該電容器為在火花塞的火花間隙上產(chǎn)生電火花提供所需的電壓。所述電容器將其能量傳送到點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組以及點(diǎn)火線圈的磁芯。從點(diǎn)火線圈次級(jí)繞組提取能量，直到電容器和磁芯沒(méi)有足夠的能量為止。在電感性系統(tǒng)中，從線圈初級(jí)側(cè)的低壓電池汲取能量。當(dāng)線圈初級(jí)繞組中的電流中斷時(shí)，產(chǎn)生的反激(flyback)引發(fā)次級(jí)線圈的擊穿，通過(guò)次級(jí)繞組從點(diǎn)火線圈磁芯中提取能量。無(wú)論是在電容性放電還是電感性放電點(diǎn)火系統(tǒng)中，能量都是在時(shí)刻T1通過(guò)點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組的電流傳送給點(diǎn)火線圈的磁芯。在隨后的時(shí)刻T2，從儲(chǔ)存在磁芯中的能量產(chǎn)生點(diǎn)火線圈次級(jí)電壓和電流。改變開(kāi)路電壓(OCV)，電流幅值(CA)和火花持續(xù)時(shí)間(SD)這些次級(jí)線圈特性的能力都與線圈磁芯中儲(chǔ)存的能量的變化有關(guān)。但是，一旦能量已經(jīng)存在于磁芯中，次級(jí)線圈的特性很大程度上就已經(jīng)確定為次級(jí)負(fù)載允許的任何狀態(tài)，在下次點(diǎn)火前不會(huì)變化。對(duì)于給定的電感性或電容性放電線圈的設(shè)計(jì)，0CV、CA和SD都與存儲(chǔ)的能量直接成正比。隨著儲(chǔ)存在磁芯中的能量增大，這三個(gè)值也增大。這些系統(tǒng)中最大的約束是開(kāi)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，需要給線圈施加的能量具有最小能量,從而可靠地產(chǎn)生火花。對(duì)于典型的電感性和電容性放電點(diǎn)火系統(tǒng)，OCV的數(shù)量級(jí)為25-40kV。這限制了 CA和SD的可調(diào)節(jié)量，該可調(diào)節(jié)量的調(diào)節(jié)可通過(guò)施加調(diào)節(jié)能量實(shí)現(xiàn)。另夕卜，CA和SD必須同時(shí)增大或同時(shí)減小。在傳統(tǒng)的電感性或電容性放電線圈設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)不能獨(dú)立地調(diào)節(jié)。為了改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)的整體響應(yīng)，通常需要改進(jìn)線圈設(shè)計(jì)。但是，通常，對(duì)于給定的線圈設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，0CV、CA和SD之間的關(guān)系無(wú)法被優(yōu)化。作為電感性放電和電容性放電點(diǎn)火系統(tǒng)的替代品，一些發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用交流(AC)點(diǎn)火系統(tǒng)。在AC點(diǎn)火系統(tǒng)中，通常通過(guò)DC-AC逆變器產(chǎn)生交流電流。這種系統(tǒng)中可能采用的逆變器有若干種類(lèi)型。例如，示例性的AC點(diǎn)火系統(tǒng)包括變壓器，該變壓器具有中心抽頭的初級(jí)線圈以及連接到火花塞的次級(jí)線圈。通過(guò)電容器向具有中心抽頭的初級(jí)線圈的多個(gè)繞組之一放電，在火花塞上會(huì)引發(fā)電弧。初級(jí)線圈的兩個(gè)端子都與開(kāi)關(guān)或晶體管連接。開(kāi)關(guān)可在接通和切斷之間切換從而改變初級(jí)線圈中電流的方向，以及由此改變次級(jí)線圈中電流的方向?？梢园凑沼欣谡{(diào)節(jié)CA或SD時(shí)間段的方式實(shí)現(xiàn)這些開(kāi)關(guān)的控制。但是，AC點(diǎn)火系統(tǒng)通常采用比電容性和電感性系統(tǒng)更多的功率半導(dǎo)體，例如開(kāi)關(guān)和二極管?；蛘?，可替換地，AC點(diǎn)火需要點(diǎn)火線圈具有多于兩個(gè)的繞組，例如是中心抽頭線圈初級(jí)的設(shè)置。通常，隨著線圈復(fù)雜性的減小，所使用的功率半導(dǎo)體增多，反之亦然。由于額外增多的元件和增大了的復(fù)雜性提供了更多可能發(fā)生故障的點(diǎn)，這使得AC點(diǎn)火系統(tǒng)成本變高，并且替在的可靠性降低。另外，許多AC點(diǎn)火系統(tǒng)不允許對(duì)次級(jí)線圈電流進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)控制，其中次級(jí)線圈電流決定了火花放電的特性。另外，許多AC點(diǎn)火系統(tǒng)不具有電路故障自診斷的功能或預(yù)測(cè)未來(lái)電路故障的功能。因此需要有一種交流點(diǎn)火系統(tǒng)，其可以采用比傳統(tǒng)交流點(diǎn)火系統(tǒng)更少的元件以更低成本制造，并且其可以使簡(jiǎn)單的雙繞組點(diǎn)火線圈實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。還需要有一種點(diǎn)火系統(tǒng)，其允許比傳統(tǒng)電感性、電容性改電或交流點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)SD和CA更高程度的精確實(shí)時(shí)控制。另夕卜，一種能發(fā)現(xiàn)電路故障或估測(cè)未來(lái)故障可能性的點(diǎn)火系統(tǒng)是很有用的。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種交流點(diǎn)火系統(tǒng)。本發(fā)明的這些和其他和優(yōu)點(diǎn)，以及附加的創(chuàng)造性特征，將通過(guò)本發(fā)明下面的詳細(xì)說(shuō)明變得更加明顯。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種用于AC點(diǎn)火系統(tǒng)的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路，其具有一個(gè)共用支路，該共用支路包括兩個(gè)串聯(lián)耦接的開(kāi)關(guān)，以及一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用支路，其中每個(gè)專(zhuān)用支路包括兩個(gè)串聯(lián)耦接的開(kāi)關(guān)。該AC點(diǎn)火系統(tǒng)還包括用于一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用支路中的每一個(gè)的變壓器(具有兩個(gè)繞組的點(diǎn)火線圈)，每個(gè)變壓器具有耦接在一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用支路中的一個(gè)以及共用支路之間的初級(jí)繞組。另外，每個(gè)變壓器具有與火花塞并聯(lián)耦接的次級(jí)繞組。該AC點(diǎn)火系統(tǒng)還包括脈寬調(diào)制(PWM)開(kāi)關(guān)控制器，其被構(gòu)造為操作共用支路和專(zhuān)用支路開(kāi)關(guān)以控制用于火花塞的火花放電的特性。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種可編程AC點(diǎn)火系統(tǒng)，其包括DC電力總線，多個(gè)火花塞，每個(gè)火花塞都與相應(yīng)的變壓器的次級(jí)繞組耦接。每個(gè)變壓器包括具有第一端子的初級(jí)繞組，該第一端子耦接在串聯(lián)耦接的相應(yīng)的一對(duì)專(zhuān)用開(kāi)關(guān)之間。該可編程AC點(diǎn)火系統(tǒng)還具有串聯(lián)耦接的一對(duì)共用開(kāi)關(guān)，其中每個(gè)初級(jí)繞組的第二端子連接在共用開(kāi)關(guān)之間，其中共用開(kāi)關(guān)和每個(gè)專(zhuān)用開(kāi)關(guān)都耦接到DC總線。該AC點(diǎn)火系統(tǒng)具有可編程控制器，其被構(gòu)造為利用脈寬調(diào)制操作共用開(kāi)關(guān)和專(zhuān)用開(kāi)關(guān)，其中控制共用開(kāi)關(guān)和專(zhuān)用開(kāi)關(guān)包括控制用于多個(gè)火花塞的火花放電特性。另外，可編程控制器能夠檢測(cè)系統(tǒng)故障。另夕卜，可編程控制器能夠基于一旦向點(diǎn)火系統(tǒng)提供能量而出現(xiàn)火花事件所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)預(yù)測(cè)火花塞故障或不能發(fā)動(dòng)的情況。在結(jié)合附圖考慮時(shí)，本發(fā)明的其他方面、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明變得更加明顯。


包括在本說(shuō)明書(shū)中作為本說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖示出了本發(fā)明的幾個(gè)方面，并和說(shuō)明書(shū)一起用于說(shuō)明本發(fā)明的原理。圖中
圖I是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)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)模塊的示意圖；和圖2A和2B是定時(shí)圖表，示出了在圖I點(diǎn)火系統(tǒng)的示例性操作期間的基本電壓和電流波形；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)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)的框圖。圖4是用于可編程控制系統(tǒng)的電路圖。圖5包括多個(gè)定時(shí)圖表，示出了在圖4的點(diǎn)火系統(tǒng)的示例性操作期間的基本電壓和電流波形。
圖6示出了圖4中電路的特定方面的示例性操作。圖7包括多個(gè)定時(shí)圖表，示出了圖4中電路以圖6所示的方式運(yùn)行時(shí)的示例性操作期間的基本電壓和電流波形。圖8示出了當(dāng)圖4的電路出現(xiàn)電路故障時(shí)的一個(gè)特定方面的操作。圖9包括多個(gè)定時(shí)圖表，示出了圖4中電路以圖8所示的方式運(yùn)行時(shí)的操作期間的基本電壓和電流波形。圖10示出了對(duì)于不同的擊穿電壓，流過(guò)AC點(diǎn)火系統(tǒng)的初級(jí)線圈的電流圖表。盡管將要參照特定優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，但是并不意味著將本發(fā)明限制為這些實(shí)施例。相反地，在所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，該意圖將包含全部可選方案、變型和等價(jià)方式。
具體實(shí)施例方式圖I示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)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可被構(gòu)造為3通道的(S卩，與三個(gè)火花塞連接)，或者是兩通道模塊(即，與兩個(gè)火花塞連接)，并包括共享的或共用的支路102，支路102具有兩個(gè)串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)S2，104和S3，106。第一專(zhuān)用支路108具有串聯(lián)連接的兩個(gè)開(kāi)關(guān)S4，110和S5，112。第一點(diǎn)火線圈或變壓器116的初級(jí)繞組114的一個(gè)端子103連接在開(kāi)關(guān)S2，104和S3，106之間，而初級(jí)繞組114的另一個(gè)端子105連接在開(kāi)關(guān)S4，110和S5，112之間。第一變壓器116的次級(jí)繞組118與第一火花塞120并聯(lián)連接。由于本發(fā)明的點(diǎn)火線圈不需要儲(chǔ)存像現(xiàn)有技術(shù)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火線圈那么多的能量，因此本發(fā)明的點(diǎn)火系統(tǒng)可被構(gòu)造為采用這樣的點(diǎn)火線圈，該點(diǎn)火線圈本質(zhì)上被設(shè)計(jì)成作為高壓變壓器運(yùn)行而非能量?jī)?chǔ)存裝置。第二專(zhuān)用支路122包括串聯(lián)連接的兩個(gè)開(kāi)關(guān)S6，124和S7，126。第二專(zhuān)用支路122與第一專(zhuān)用支路108及共用支路102并聯(lián)連接。第二點(diǎn)火線圈或變壓器130的初級(jí)繞組128的第一端子121連接在開(kāi)關(guān)S2，104和S3，106之間，而初級(jí)繞組128的第二端子123連接在開(kāi)關(guān)S6，124和S7，126之間。第二變壓器130的次級(jí)繞組132與第二火花塞134并聯(lián)連接。在本發(fā)明的另一個(gè)的三通道實(shí)施例中，第三專(zhuān)用支路136(以虛線示出)包括串聯(lián)連接的兩個(gè)開(kāi)關(guān)S8，138和S9，140。第三變壓器144 (以虛線示出)的初級(jí)繞組142的一個(gè)端子131連接在開(kāi)關(guān)S2，104和S3，106之間，而初級(jí)繞組142的另一個(gè)端子133連接在開(kāi)關(guān)S8，138和S9，140之間。第三變壓器144的次級(jí)繞組146與第三火花塞148并聯(lián)連接。下文將明顯看出，共用支路102被稱(chēng)為共享的，或公用的支路，因?yàn)樗梢耘c點(diǎn)火系統(tǒng)的用于火花塞的多于一個(gè)的變壓器初級(jí)繞組連接。共用支路102和三個(gè)專(zhuān)用支路108，122，136都并聯(lián)連接。但是，每個(gè)專(zhuān)用支路108，122，136都與不同的變壓器初級(jí)繞組連接。每個(gè)初級(jí)繞組都與不同的火花塞連接。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)是N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。在另一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，在又一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為其他類(lèi)型的開(kāi)關(guān)也可用作本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)。在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)中的每一個(gè)都具有反向并聯(lián)連接的二極管。脈寬調(diào)制(PWM)開(kāi)關(guān)控制器150與電流檢測(cè)電阻152和中性線154連接，中性線154與共用支路102和專(zhuān)用支路108，122，136的公共端子連接。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中， PWM開(kāi)關(guān)控制器150作為場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。當(dāng)開(kāi)關(guān)是MOSFET或IGBT晶體管時(shí)，PWM開(kāi)關(guān)控制器150與晶體管的柵極連接以控制開(kāi)關(guān)操作。另外，PWM開(kāi)關(guān)控制器150可被構(gòu)造為用于高頻操作，例如5-55千赫茲。開(kāi)關(guān)控制器150的高頻操作允許對(duì)初級(jí)線圈電流水平的精確控制。初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的高耦合因數(shù)意味著初級(jí)繞組電流的精確控制導(dǎo)致次級(jí)繞組電流的精確、實(shí)時(shí)控制。次級(jí)繞組電流的這種控制使得實(shí)現(xiàn)火花放電特性(例如CA和SD)的控制。因此，PWM開(kāi)關(guān)控制器150被構(gòu)造為在特定火花的放電正在發(fā)生期間改變放電的這些參數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用于產(chǎn)生火花的電能從DC至DC升壓轉(zhuǎn)換器162的DC電力總線160汲取獲得。升壓轉(zhuǎn)換器162包括操作開(kāi)關(guān)SI 166的控制器164。通過(guò)控制器164對(duì)開(kāi)關(guān)SI 166的控制，控制器164調(diào)節(jié)輸出電壓，S卩，升壓轉(zhuǎn)換器162的DC電力總線160的電壓。電池168向電感器170提供電流。與電池168相對(duì)的電感器端子171與二極管172和開(kāi)關(guān)SI 166連接。開(kāi)關(guān)SI 166又與電流感測(cè)電阻173和控制器164連接。與電感器170相對(duì)的二極管端子175與電容器174、DC電力總線160連接，并與連接到控制器164的電壓反饋線177連接。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，電池168提供24伏直流電，其在DC電力總線160處升壓到大約185伏。為了產(chǎn)生預(yù)定的平均電流Ip利用脈寬調(diào)制對(duì)開(kāi)關(guān)SI 166進(jìn)行調(diào)制。電流k的交流(AC)波紋分量(例如，大約±6安培)將小于直流分量(例如，大約34安培)。當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器162 “接通”時(shí)，電流k是連續(xù)的、恒定的電流。當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器162 “接通”時(shí)，在SI調(diào)制期間當(dāng)開(kāi)關(guān)SI 166斷開(kāi)時(shí)，電流L將提供經(jīng)過(guò)二極管172流到電容器174的電流包。這些電流包將流入電容器174，并提高電容器174上的電壓。電壓反饋線177被控制器164用來(lái)在預(yù)定電壓水平(即，185伏)處切斷升壓轉(zhuǎn)換器162。在該點(diǎn)，SI調(diào)制將停止，開(kāi)關(guān)SI 166將停留在打開(kāi)狀態(tài)。然后電流L將開(kāi)始減小到零。當(dāng)電壓Vbwst減小到第二預(yù)定水平時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器162將再次接通，高頻SI調(diào)制將再次被啟動(dòng)，從而產(chǎn)生流過(guò)電感器170的合適的直流(DC)電流Iy從而在DC總線上穩(wěn)固地保持185伏。為了控制火花塞120的火花特性，開(kāi)關(guān)S2 104和S5 112 —起成對(duì)工作。它們同時(shí)接通或同時(shí)切斷。開(kāi)關(guān)S3 106和S4 110也一起成對(duì)工作，并且與開(kāi)關(guān)S2 104和S5 112的操作狀態(tài)相反。第一火花塞120的火花塞間隙的初始離子化通過(guò)開(kāi)關(guān)S3 106和S4 110的接通而實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，變壓器116，130，144的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組匝數(shù)比為大約I : 180。當(dāng)開(kāi)關(guān)S3 106和S4 110接通時(shí)，DC電力總線160上的185伏電壓施加在初級(jí)繞組114上。這在次級(jí)繞組118上產(chǎn)生高電壓。當(dāng)火花塞間隙上的電壓(Vsp)足夠高(例如從5到40千伏)時(shí)，火花塞間隙上將發(fā)生離子化。此時(shí)，火花塞間隙看起來(lái)不再是開(kāi)路，而更像是一個(gè)齊納二極管。只要變壓器116的次級(jí)繞組118能夠超過(guò)火花塞間隙的齊納電壓，或保持電壓，那么火花間隙將保持離子化，火花放電將持續(xù)進(jìn)行。在火花放電期間火花塞間隙上的保持電壓將下降，Vsp降低到300伏到3000伏之間的電壓。Vsp的極性由電流方向決定。 與上述的方式相同，開(kāi)關(guān)S2 104和S7 126—起成對(duì)工作，它們同時(shí)接通或同時(shí)切斷。開(kāi)關(guān)S3 106和S6 124也一起成對(duì)工作，并且與開(kāi)關(guān)S2 104和S7 126的操作狀態(tài)相反。開(kāi)關(guān)S2 104、S7 126,S3 106和S6 124—起操作以控制第二火花塞134的火花放電特性。類(lèi)似地，開(kāi)關(guān)S2 104和S9 140 (以虛線示出)一起成對(duì)工作，它們同時(shí)接通或同時(shí)切斷。開(kāi)關(guān)S3 106和S8 138 (以虛線示出)也一起成對(duì)工作，并且與開(kāi)關(guān)S2 104和S9 140的操作狀態(tài)相反。開(kāi)關(guān)S2 104、S9 140,S3 106和S8 138—起操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(kāi)關(guān)S2 104和S5 112接通(即閉合)時(shí)電流Ip流過(guò)初級(jí)線圈114。當(dāng)Ip達(dá)到預(yù)定水平(例如30到150安培)時(shí)，開(kāi)關(guān)控制器150切斷S2 104和S5 112，同時(shí)接通開(kāi)關(guān)S3 106和S4 110。當(dāng)開(kāi)關(guān)S3 106和S4 110接通時(shí)，流過(guò)初級(jí)繞組114的電流Ip改變方向，從而限定了點(diǎn)火系統(tǒng)的AC操作。開(kāi)關(guān)S3 106和S4 110將被保持為接通狀態(tài)，直到電流Ip達(dá)到預(yù)定值為止，該預(yù)定值的大小等于S2 104和S5 112的開(kāi)關(guān)峰值電流的幅值，但是極性相反。因此，電流Ip具有高頻三角波形。流入次級(jí)繞組的電流Is具有與初級(jí)繞組電流Ip相同的形狀和相位，但是可根據(jù)初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的匝數(shù)比而成比例縮放。變壓器116，130，144相對(duì)于通常的點(diǎn)火線圈的繞組具有低電感的初級(jí)和次級(jí)繞組。如圖I所示，三個(gè)變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組的低電感允許初級(jí)繞組電流和次級(jí)繞組電流的緊密耦合。低電感還允許對(duì)初級(jí)繞組和次級(jí)繞組電流的精確控制。通過(guò)精確地控制初級(jí)繞組電流，次級(jí)繞組電流也得到精確地控制。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，變壓器的初級(jí)電感大約是109微亨，次級(jí)電感大約是3. 7亨，初級(jí)漏電感是大約28微亨，次級(jí)漏電感是大約0. 95亨。另外，變壓器的初級(jí)耦合因數(shù)是大約0. 8630，次級(jí)耦合比是大約0. 8630，匝數(shù)比是大約184比I。流過(guò)變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組的電流的時(shí)間變化率由漏電感或耦合因數(shù)指示。耦合因數(shù)可通過(guò)如下公式確定
l_k = Lps/Lp = Lsp/Ls，(I)
其中k是耦合因數(shù)，Lp是次級(jí)開(kāi)路時(shí)的初級(jí)電感，Ls是初級(jí)開(kāi)路時(shí)的次級(jí)電感，Lps是次級(jí)短路時(shí)的初級(jí)電感(在初級(jí)處的泄漏)，Lsp是初級(jí)短路時(shí)的次級(jí)電感(在次級(jí)處的泄漏)。這設(shè)定了給定電流設(shè)置的振蕩頻率。隨著電流值的增大，頻率減小。當(dāng)耦接到185伏額定總線時(shí)，隨著輸出電流水平從300mA (rms)減小到65mA (rms)，變壓器的振蕩頻率從大約在12kHz到大約在55kHz。關(guān)于本文所說(shuō)的電感和耦合因數(shù)，“大約”的意思是加減25%，因?yàn)楹芏嘁蛩貢?huì)影響這些值，包括繞組間電容，趨膚效應(yīng)，臨近效應(yīng)，測(cè)量方法以及產(chǎn)品差
巳
在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，變壓器的初級(jí)電感為大約246微亨，次級(jí)電感為大約8. 11亨，初級(jí)漏電感是大約61微亨，次級(jí)漏電感是大約2. 04亨。另外，變壓器的初級(jí)耦合因數(shù)是大約0. 8672，次級(jí)耦合比是大約0. 8651，匝數(shù)比是大約182比I。當(dāng)耦接到185伏額定總線時(shí)，隨著輸出電流水平從300mA (rms)減小到65mA (rms)，變壓器的振蕩頻率從大約在5kHz到大約在29kHz。圖2A和2B是定時(shí)圖表，示出了在圖I點(diǎn)火系統(tǒng)模塊100的預(yù)期操作期間的基本電壓和電流波形。L波形202示出了流向升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流。在這個(gè)信仿真輸出中小的波紋不明顯。注意到L在時(shí)間等于零時(shí)停止。當(dāng)電壓Vbtrast減小到小于180伏時(shí)，L開(kāi)始導(dǎo)通，甚至在I毫秒處火花停止之后k還持續(xù)導(dǎo)通。電流k流動(dòng)直到Vbwst回到185伏。Vboost波形204顯示了升壓轉(zhuǎn)換器的185伏DC輸出電壓。在點(diǎn)火事件的重負(fù)荷期間有一些電壓下降。但是，本方案的基本概念是電壓Vbtrast為恒定值。仿真圖中示出的電壓下降是非理想的或?qū)嶋H電力供應(yīng)設(shè)計(jì)選擇的結(jié)果。
Cur_Cmd波形206示出了初級(jí)電流Ip指令的AC幅值。應(yīng)注意到，電流Ip的峰值相應(yīng)于Cur_Cmd軌跡。還應(yīng)注意到，如圖2A和2B所示，隨著相應(yīng)的、幾乎即時(shí)響應(yīng)的IP，Cur_Cmd幾乎可被即時(shí)改變。S2，S5指令波形208示出了開(kāi)關(guān)S2 104和S5 112的狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)是+1(高)時(shí)，開(kāi)關(guān)104，112閉合。當(dāng)信號(hào)是-1(低)時(shí)，開(kāi)關(guān)104，112斷開(kāi)。S3，S4指令波形210示出了開(kāi)關(guān)S3 106和110 S4的狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)是+1(高)時(shí)，開(kāi)關(guān)106，110導(dǎo)通。當(dāng)信號(hào)是-I (低)時(shí)，開(kāi)關(guān)106，110斷開(kāi)。應(yīng)注意到，S2，S5指令波形208與S3，S4指令波形210的相位不同。Ip波形212示出了點(diǎn)火線圈初級(jí)電流。應(yīng)注意到，該電流具有三角形AC形狀。該AC電流的幅值由Cur_Cmd信號(hào)確定。該AC電流的頻率是Vb(rast，LP和Cur_Cmd的結(jié)果。隨著Cur_Cmd幅值的增大,頻率減小。在擊穿期間Cur_Cmd為大約100安培。在擊穿后，Cur_Cmd變化到大約50安培。在600 u sec和800 u sec時(shí)，Cur_Cmd改變，Ip相應(yīng)地改變。Vsp波形214示出了火花塞電極處的電壓。應(yīng)注意到，該仿真中的擊穿發(fā)生在大約35千伏。之后，Vsp減小到在該仿真情況下幅值大約為1000伏的保持電壓。還應(yīng)注意到，Vsp的極性由電流Is的方向決定。電流Is波形216是IP( S卩，三角波)按照點(diǎn)火線圈中匝數(shù)比的成比例縮放的反映。電流Is以及即時(shí)改變其幅值的能力是圖I所示實(shí)施例的特點(diǎn)。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的幅值也相應(yīng)地減小。在大約600 V- sec時(shí),Cur_Cmd逐漸變高，電流Is的幅值也是如此。在大約800 u sec時(shí),Cur_Cmd再次變化，電流Is也是如此。在大約1000 u sec時(shí)，Cur_Cmd變?yōu)榱?，電流Is停止跟隨。這導(dǎo)致火花的終止。本發(fā)明中火花放電特性的可編程性允許在寬范圍內(nèi)選擇CA和SD。例如，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例允許火花放電時(shí)間編程為在0. I到4. 0毫秒的范圍內(nèi)，CA被編程為在50到1000毫安的范圍內(nèi)。因此這允許單個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)被應(yīng)用到多種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和構(gòu)型。與針對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造整個(gè)一系列點(diǎn)火系統(tǒng)不同，本發(fā)明的實(shí)施例構(gòu)思的一個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)可被編程為可與不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)一起工作。這種可編程性可由可編程裝置或控制器軟件部分地或整體地實(shí)現(xiàn)。
本文中描述的點(diǎn)火系統(tǒng)的可編程性有利于系統(tǒng)中使用的火花塞的更長(zhǎng)使用壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命期間，更換火花塞是發(fā)動(dòng)機(jī)整體保養(yǎng)中費(fèi)錢(qián)和費(fèi)時(shí)的方面。在通常的火花塞中，火花間隙隨著電極損耗而增大。時(shí)間久了，這導(dǎo)致?lián)舸╇妷汉捅３蛛妷涸龃蟆Ｆ渌蛩?，例如可隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大的擊穿平均有效壓力還可以影響缸內(nèi)工況，包括發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間的火花放電特性。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)可以主動(dòng)地改變影響火花放電特性的特定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)。參數(shù)的改變，例如這些參數(shù)的改變，可被開(kāi)關(guān)控制器150檢測(cè)到，其然后在火花放電期間向火花增加能量，如果需要的話，把火花特性保持在可接受的操作限制內(nèi)。這通過(guò)初級(jí)和次級(jí)電流的緊密耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過(guò)控制初級(jí)電流而實(shí)時(shí)控制次級(jí)電流。在另一個(gè)實(shí)施例中，可編程控制是FPGA被構(gòu)造為控制初級(jí)線圈中的電流及檢測(cè)電路故障。圖4示出了 FPGA控制電路400以及用于AC點(diǎn)火系統(tǒng)的多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路的單個(gè)階段。即使只示出了單個(gè)階段，構(gòu)思的控制電路也可以控制其他的階段。FPGA407的輸出信號(hào)IREF_HI_1和IREF_HI_2分別連接到低通濾波器401和402。低通濾波器401和低通濾波器402的輸出與IREF_HI_SELECT —起耦接到開(kāi)關(guān)403的輸入端。開(kāi)關(guān)403的輸出，也 被叫做CurrCmdPeak，被耦接到比較器404的正輸入端。輸入比較器404的負(fù)端子的是V_IFB。比較器404的輸出是_正8_ 1(，其作為輸入連接到FPGA407。IREF_HI_1和IREF_HI_2是脈寬調(diào)制(PWM)控制信號(hào)，其為初級(jí)點(diǎn)火線圈的電流設(shè)定閾值。FPGA控制電路400通過(guò)在點(diǎn)火事件前設(shè)定IREF_HI_SELECT，IREF_HI_1和IREF_HI_2的合適的占空比來(lái)控制初級(jí)點(diǎn)火線圈中的電流。低通濾波器401和402把PWM信號(hào)IREF_HI_1 和 IREF_HI_2 轉(zhuǎn)換為 DC 電壓指令值，而 IREF_HI_SELECT 控制開(kāi)關(guān) 403。IREF_HI_SELECT允許FPGA控制電路400在兩個(gè)DC電壓指令值IREF_HI_1和IREF_HI_2之間即時(shí)切換。然后利用比較器404使所選擇的DC電壓指令值與V_IFB進(jìn)行比較。V_IFB代表電阻416上測(cè)得的電壓，其與流過(guò)初級(jí)點(diǎn)火線圈415的電流成正比。因此，每當(dāng)V_IFB達(dá)到規(guī)定的DC電壓指令值(濾波后的IREF_HI_1或IREF_HI_2)時(shí)，比較器404的輸出_IFB_PK將指令FPGA407切換多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路中的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，這在上文已有論述。另外，IREF_HI_SELECT可在IREF_HI_1和IREF_HI_2之間即時(shí)選擇。在初始點(diǎn)火循環(huán)期間，F(xiàn)PGA407可以改變IREF_HI_1和IREF_HI_2的PWM信號(hào)以適于整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)中變化的工況。例如，IREF_HI_SELECT可以利用IREF_HI_1開(kāi)始點(diǎn)火循環(huán)，并在點(diǎn)火循環(huán)期間切換到IREF_HI_2。在當(dāng)前工作在IREF_HI_2時(shí)，F(xiàn)PGA407可以改變IREF_HI_1的PWM信號(hào)的占空比以產(chǎn)生另一個(gè)用于多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路中的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制點(diǎn)。圖5包含的多個(gè)定時(shí)圖表示出了圖4的FPGA控制電路400的預(yù)期操作期間基本電壓和電流波形的例子。Ip波形502示出初級(jí)線圈415中的電流。應(yīng)注意到，波形的峰值是如何精確響應(yīng)于V_IFB波形508的峰值的。V_IFB波形508示出了電流IP502和電阻416上的電壓之間的關(guān)系。疊加在V_IFB波形508頂部的是由來(lái)自FPGA407的IREF_HI_SELECT設(shè)定的CurrCmdPeak。S2，S5指令波形504示出了由FPGA407產(chǎn)生的用于S2 411和S5 412的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。S3，S4指令波形506示出了由FPGA407產(chǎn)生的用于S3 413和S4 414的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意，兩個(gè)波形怎樣具有精確相反的相位，當(dāng)V_IFB達(dá)到各CurrCmdPeak水平中的一個(gè)時(shí),發(fā)生從高到低成從低到高的轉(zhuǎn)變。
_IFB_PK波形示出了圖4中比較器404的輸出。當(dāng)V_IFB波形超過(guò)CurrCmdPeak時(shí)，_IFB_PK波形降低，對(duì)FPGA407意味著已經(jīng)達(dá)到期望的峰值電流閾值。此時(shí)，F(xiàn)PGA407切換S2，S5指令波形504和S3，S4指令波形506，從而改變開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。IREF_HI_SELECT波形512示出了 FPGA407指令信號(hào)，該信號(hào)通知開(kāi)關(guān)403在IREF_HI_1和IREF_HI_2之間切換，這設(shè)定了 CurrCmdPeak的新的水平。應(yīng)注意到，在V_IFB波形508中疊加的CurrCmdPeak線示出了這種關(guān)系。另外，F(xiàn)PGA控制電路400具有診斷能力。FPGA控制電路400可以檢測(cè)各種電路故障，包括初級(jí)線圈415上的短路情況；初級(jí)線圈415上的開(kāi)路情況；初級(jí)點(diǎn)火線圈415的正或負(fù)(PRI+和PRI-)側(cè)和地之間的短路情況。在圖4中，F(xiàn)PGA控制電路400包括比較器405,406和408。CurrentCmdMid是
FPGA的PWM輸出信號(hào)，其流經(jīng)低通濾波器422，產(chǎn)生一個(gè)DC參考電壓，該DC參考電壓耦接到比較器405的正輸入端用于與V_IFB進(jìn)行比較，V_IFB耦接到比較器405的負(fù)輸入端。CurrentCmdLo是FPGA的另一個(gè)PWM輸出信號(hào)，其流經(jīng)低通濾波器424，產(chǎn)生一個(gè)DC參考電壓，該DC參考電壓耦接到比較器406的正輸入端用于與V_IFB進(jìn)行比較，V_IFB耦接到比較器406的負(fù)輸入端。CurrSDLevel是FPGA的又一個(gè)PWM輸出信號(hào)，其流經(jīng)低通濾波器420，產(chǎn)生一個(gè)DC參考電壓，該DC參考電壓耦接到比較器408的正輸入端用于與V_HS進(jìn)行比較，V_HS耦接到比較器406的負(fù)輸入端。比較器405，406和408的輸出分別是_IFB_MID、_IFB_L0 和 _ISD。本質(zhì)上,CurrSDLeveI、CurrCmdMid、CurrCmdLo產(chǎn)生與系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行比較的電壓參考參數(shù)。具體地說(shuō)，被比較的系統(tǒng)參數(shù)是電阻416上的電壓(V_IFB)(其相應(yīng)于初級(jí)線圈415中的電流)，以及電阻410上的電壓(V_HS)(其相應(yīng)于流過(guò)電流變壓器409的初級(jí)線圈的電流)。在圖4中，它們示出為從FPGA407中獲得，但是電壓參考點(diǎn)也可以從單獨(dú)的DC參考電路獲得。分別作為比較器408、比較器405和比較器406的輸出的_ISD、_IFB_MID和_IFB_L0是通知FPGA407初級(jí)線圈415中的電流已經(jīng)達(dá)到某些規(guī)定水平的信號(hào)。具體地說(shuō)，_IFB_L0是輸入FPGA407的觸發(fā)信號(hào)，其指示初級(jí)線圈415中的電流已經(jīng)達(dá)到了預(yù)定的低水平。圖5的_IFB_L0波形516顯示了這個(gè)功能。應(yīng)注意到，當(dāng)V_IFB波形508跨過(guò)產(chǎn)生的電壓參考線的疊加的CurrCmdLo時(shí)，_IFB_L0是如何從高轉(zhuǎn)變?yōu)榈偷摹ｎ?lèi)似地，_IFB_MID是輸入FPGA407的觸發(fā)信號(hào)，其指示初級(jí)線圈415中的電流已經(jīng)達(dá)到了預(yù)定的中等水平。圖5的_IFB_MID波形514顯示了這個(gè)功能。應(yīng)注意到，當(dāng)V_IFB波形508跨過(guò)產(chǎn)生的電壓參考線的疊加的CurrCmdMid時(shí)，_IFB_MID是如何從高轉(zhuǎn)變?yōu)榈偷?。_ISD是當(dāng)從電源Vbtrast獲取過(guò)多的電流時(shí)通知FPGA407的觸發(fā)信號(hào)。為了產(chǎn)生該信號(hào)，在比較器408中把從CurrSDLevel產(chǎn)生的DC參考信號(hào)與V_HS進(jìn)行比較。V_HS是電阻410上的電壓，如圖4所示，該電壓反映了流過(guò)電流變壓器409的初級(jí)線圈的電流。在AC點(diǎn)火系統(tǒng)400正常工作期間，從電源汲取電流供給系統(tǒng)的其他部分。流過(guò)電流變壓器409初級(jí)側(cè)的電流在電流變壓器409的次級(jí)側(cè)感應(yīng)出電流，進(jìn)而在電阻410上產(chǎn)生電壓。從而產(chǎn)生比較器408所用的V_HS。通過(guò)監(jiān)測(cè)_IFB_MID、_IFB_L0和_ISD，F(xiàn)PGA407可以檢測(cè)前面提到的故障。具體地說(shuō)，初級(jí)線圈114上的短路情況可以通S_IFB_L0和_IFB_MID都比預(yù)期觸發(fā)地早而檢測(cè)至IJ。初級(jí)線圈114上的開(kāi)路情況可以通過(guò)_IFB_L0和_IFB_MID從未被觸發(fā)而檢測(cè)到。初級(jí)點(diǎn)火線圈(圖4中示出為PRI-)的負(fù)極側(cè)和地之間的短路情況可通S_ISD變高而檢測(cè)至IJ。這是因?yàn)镻RI-和地之間的短路情況將使得從電源獲得過(guò)多的電流從而觸發(fā)_ISD。另一個(gè)可能的電路故障是PRI+(見(jiàn)圖4)和地之間的短路情況。在本文所述的具體實(shí)施方式
中，PRI-和地之間短路的故障情況由比較器408 (見(jiàn)圖4)檢測(cè)。但是，類(lèi)似的PRI+與地之間短路的故障情況無(wú)法被檢測(cè)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)S3 413和S4 414總是首先被接通(asserted)。由于該選擇，電流將總是首先流過(guò)電流變壓器流入開(kāi)關(guān)S4 414，然后流過(guò)初級(jí)線圈415，然后流過(guò)開(kāi)關(guān)S3 413流到電阻416，最后流入地。當(dāng)FPGA407接通開(kāi)關(guān)S2 411和S5 412而切斷(deassert)開(kāi)關(guān)S3 413和S4 414時(shí)，由于已經(jīng)在點(diǎn)火線圈初級(jí)415中流動(dòng)的電流，電流變壓器409的電流將被迫立即臺(tái)階式變化，點(diǎn)火線圈初級(jí)415是比電流變壓器409大得多的電感。電流變壓器409電流的這個(gè)臺(tái)階式變化具有非常高頻的成分，其會(huì)在409和410電路中激發(fā)諧振。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的振鈴效應(yīng)回流到電流變壓器409中，從而給出錯(cuò)誤的電壓測(cè)量值V_HS。實(shí)際上，剛剛描述的電路動(dòng)力學(xué)使得_150在這個(gè)具體情況中是無(wú)用的。
該電路能夠在開(kāi)關(guān)S2和S5總是首先接通的情況下工作。這使得能夠通過(guò)_ISD發(fā)現(xiàn)從PRI+到地的短路的故障情況，但是從PRI-到地的短路的故障情況將難以發(fā)現(xiàn)。為了在開(kāi)關(guān)S3 413和S4 414首先接通時(shí)檢測(cè)錯(cuò)誤，AC點(diǎn)火系統(tǒng)的操作稍有不同，如圖6所示。應(yīng)注意到，開(kāi)關(guān)S2 411，S3 413，S4 414和S5 412是MOSFET開(kāi)關(guān)，如圖所示的狀態(tài)0 602。盡管示出了 MOSFET開(kāi)關(guān)，但是可以使用任何對(duì)于電壓為單向且對(duì)于電流為雙向的開(kāi)關(guān)。具體地說(shuō)，可以使用IGBT與二極管的并聯(lián)組合以模仿MOSFET的體二極管效應(yīng),這在本領(lǐng)域中是公知的。在沒(méi)有任何電路故障的示例性操作期間，AC點(diǎn)火系統(tǒng)以如下方式工作。與之前的類(lèi)似，第一 AC點(diǎn)火循環(huán)由S3 413和S4 414的導(dǎo)通開(kāi)始，如圖所示的狀態(tài)I 604。達(dá)到峰值電流后，S3 413和S4 414被關(guān)斷，開(kāi)始第二開(kāi)關(guān)循環(huán)。但是，與導(dǎo)通開(kāi)關(guān)S2 411和S5 412不同的是，所有開(kāi)關(guān)S2 411，S3 413，S4414和S5 412都被保持在關(guān)斷位置。此時(shí)，有負(fù)電流流過(guò)初級(jí)線圈415。當(dāng)四個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)全都關(guān)斷并且沒(méi)有異常的短路出現(xiàn)時(shí)，MOSFET開(kāi)關(guān)S2 411和S5412的體二極管進(jìn)行整流，使初級(jí)線圈415的電流流過(guò)S2 411和S5 412結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于開(kāi)關(guān)S2 411和S5 412的接通狀態(tài)，如圖所示的狀態(tài)2 606。由于S2 411和S5412的體二極管進(jìn)行整流，施加在初級(jí)線圈415上的電壓等于VbOTSt，Vboost又驅(qū)動(dòng)正常電流流過(guò)初級(jí)線圈415，如果S2 411和S5 412都已被導(dǎo)通，將能觀察到上述情況。反向電流的流動(dòng)將非常短暫，因此一旦_IFB_L0比較器向FPGA407(見(jiàn)圖4)發(fā)出流過(guò)初級(jí)線圈415的電流如預(yù)期活動(dòng)的信號(hào)，開(kāi)關(guān)S2 411和S5 412將實(shí)際上被FPGA控制電路400接通，如圖所示的狀態(tài)3 608。圖7示出該附加步驟的正常操作。應(yīng)注意到，在S3，S4指令波形706被切斷后，S2，S5指令波形704處于與S3，S4指令波形706相同的狀態(tài)，直到_IFB_L0波形714的下降沿顯示流過(guò)初級(jí)線圈412的電流如預(yù)期活動(dòng)。此時(shí)，S2，S5指令波形704和S3，S4指令波形706恢復(fù)它們的正常工作。當(dāng)短路情況實(shí)際發(fā)生在端子PRI+(見(jiàn)圖4)和地之間時(shí)，額外的操作狀態(tài)附加到第二切換間隔上將導(dǎo)致不同的電流特性。圖8描述了當(dāng)這種特定故障存在時(shí)AC點(diǎn)火系統(tǒng)的操作。狀態(tài)0 802顯示了短路情況801。在第一開(kāi)關(guān)間隔后，狀態(tài)I 804顯示，在初級(jí)線圈415內(nèi)有負(fù)電流。當(dāng)S2 411，S5 412，S3413，S4 414的控制信號(hào)都被切斷時(shí)，短路情況801將不允許S2 411體二極管自整流，這將導(dǎo)致來(lái)自S5 412體二極管的電流通過(guò)短路點(diǎn)流到地,如狀態(tài)2 806所示。短路情況導(dǎo)致的另外的電流路徑將導(dǎo)致流過(guò)初級(jí)線圈415的相對(duì)時(shí)間的電流變化(di/dt)小得多，這將通過(guò)控制信號(hào)_IFB_LO和_IFB_MID下降沿不出現(xiàn)或非常晚地出現(xiàn)而檢測(cè)到。圖9示出的定時(shí)圖表顯示了存在PRI+到地的短路情況時(shí)的電路操作。應(yīng)注意到，當(dāng)S3，S4指令波形906接通時(shí)，初級(jí)線圈415中的電流如何如預(yù)期的工作，如Ip 902所示。但是在狀態(tài)2 806期間，當(dāng)所有開(kāi)關(guān)被保持在關(guān)斷位置時(shí)，初級(jí)線圈415中的電流不像其正常工作時(shí)的表現(xiàn)那樣。由于短路情況801，Ip明顯減小了其相對(duì)時(shí)間的變化；因此V_IFB不 能、或至少非常慢地達(dá)到使比較器405或比較器406導(dǎo)致_IFB_MID或_IFB_L0降低的水平，如V_IFB波形908所示。因此，當(dāng)_IFB_MID或_IFB_L0在FPGA407中被觸發(fā)花了太長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，檢測(cè)出PRI+到地的短路情況801。檢測(cè)從PRI+到地矩路的故障情況的過(guò)程不需要在每個(gè)點(diǎn)火循環(huán)都進(jìn)行。FPGA控制電路400可以在間歇的循環(huán)上實(shí)施該過(guò)程。除了檢測(cè)電路故障，F(xiàn)PGA控制電路400還能檢測(cè)作為AC點(diǎn)火系統(tǒng)的一部分的火花塞的火花間隙的劣化。時(shí)間一長(zhǎng)，隨著火花塞的反復(fù)使用，火花間歇將慢慢腐蝕?；鸹ㄩg歇由于腐蝕而變大，使火花塞電極之間的氣體擊穿或離子化所需的電壓增大。這種增大的電壓需求與初級(jí)線圈電流達(dá)到其峰值所需的時(shí)間的增加相關(guān)聯(lián)，如比較器404的_IFB_PK輸出所示(見(jiàn)圖4)。FPGA控制電路400可以監(jiān)測(cè)_IFB_PK被接通所需要的時(shí)間，并且將其與查詢(xún)表或先前已知的數(shù)學(xué)函數(shù)相關(guān)聯(lián)。圖10示出了上述關(guān)系的一個(gè)例子。具體地說(shuō)，圖10示出多個(gè)波形，這些波形表示對(duì)應(yīng)于施加在火花間隙上的不同的擊穿電壓(15kV 1002, 20kV 1004, 25kV 1006, 30kV1008, 35kV 1010, 38kV 1012)而流過(guò)初級(jí)線圈415 (見(jiàn)圖4)的電流。而且，波形1014所示的情形中點(diǎn)火系統(tǒng)不能擊穿火花塞間隙。圖10示出了隨著擊穿電壓增大，初級(jí)電流的峰值(_IFB_PK)在時(shí)間上延伸變得更晚。如果沒(méi)有發(fā)生擊穿，如波形1014所示，流過(guò)初級(jí)線圈415的電流相對(duì)時(shí)間的變化率比擊穿發(fā)生時(shí)的情況明顯地小(如波形1002，1004，1006，1008，1010 和 1012 所示)。圖10中的值，雖然示出了系統(tǒng)的操作，但是絕不意味著對(duì)系統(tǒng)操作的限制。而且，雖然擊穿發(fā)生時(shí)流過(guò)初級(jí)線圈415的電流示出為-100安培，但是整個(gè)范圍的值都可以。另外，該技術(shù)不僅可被用于確定火花塞腐蝕，而且可用于檢測(cè)AC點(diǎn)火系統(tǒng)419 (見(jiàn)圖4)次級(jí)側(cè)的發(fā)動(dòng)不起來(lái)的情況。這種情況下，F(xiàn)PGA控制電路400，通過(guò)檢測(cè)_IFB_PK，將能夠檢測(cè)初級(jí)線圈中的電流達(dá)到峰值花費(fèi)過(guò)多時(shí)間的情況，或者能夠檢測(cè)不能達(dá)到峰值電流的情況。FPGA控制電路400將檢測(cè)_IFB_PK被接通前的時(shí)間，當(dāng)該時(shí)間大于查詢(xún)表中相應(yīng)的時(shí)間值時(shí)，F(xiàn)PGA控制電路將檢測(cè)到發(fā)動(dòng)不起來(lái)的情況。應(yīng)注意到，上述控制系統(tǒng)的實(shí)施例的整個(gè)描述中，前綴出現(xiàn)在_ISD，_IFB_PK，_IFB_MID和_IFB_L0信號(hào)中，表示它們是有效的代信號(hào)。這并不意味著限制前述信號(hào)不必不得不為AC點(diǎn)火系統(tǒng)的有效的低信號(hào)以實(shí)現(xiàn)期望的功能。因此，存在_ISD，IFB_PK, IFB_MID和IFB_L0信號(hào)不是有效的低信號(hào)的第二實(shí)施例。上述控制系統(tǒng)在幾種類(lèi)型的點(diǎn)火系統(tǒng)中是可操作的。雖然所有之前的實(shí)施例描述的控制系統(tǒng)用于AC點(diǎn)火系統(tǒng)，但是也可以用于DC點(diǎn)火系統(tǒng)。例如，上述控制系統(tǒng)所應(yīng)用于的PWM DC點(diǎn)火系統(tǒng)具有DC輸出電流和MOSFET以及替代半橋開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的二極管網(wǎng)絡(luò)(像本文中描述的AC系統(tǒng)那樣)。另外，該控制系統(tǒng)也適用于多種發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型。例如，在一個(gè)具有16個(gè)火花塞的發(fā)動(dòng)機(jī)上，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(kāi)關(guān)的16個(gè)專(zhuān)用支路，典型地是具有12個(gè)開(kāi)關(guān)的六個(gè)共用支路。當(dāng)開(kāi)關(guān)實(shí)施為N-通道FET時(shí)，利用門(mén)驅(qū)動(dòng)把開(kāi)關(guān)控制器的邏輯轉(zhuǎn)換為足以操作開(kāi)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)器用于驅(qū)動(dòng)16通道點(diǎn)火系統(tǒng)中的44個(gè)FET。各個(gè)共用支路被耦接到相應(yīng)的升壓轉(zhuǎn)換器，全部44個(gè)開(kāi)關(guān)可被一個(gè)PWM控制器所控制，其操作在之前已總體上描述過(guò)。在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣缸通常以預(yù)定的順序點(diǎn)火。因此相鄰的點(diǎn)火之間可能有重疊。這種重疊的可能性隨著氣缸數(shù)量的增大而增大，隨著火花持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，對(duì)于非對(duì)稱(chēng)點(diǎn)火順序的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)可能性更大。例如，具有對(duì)稱(chēng)點(diǎn)火順序的16缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火輸出每隔45度進(jìn)行，BP, 720度/16 = 45度。在1800RPM, I度=92. 59微秒，導(dǎo)致輸 出為每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，各點(diǎn)火之間將沒(méi)有重疊。但是，具有15-75個(gè)非對(duì)稱(chēng)點(diǎn)火順序的16缸發(fā)動(dòng)機(jī)可能存在這樣的點(diǎn)火重疊。在1800RPM，這些點(diǎn)火順序之間有I. 39毫秒即15度重疊。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示出的示例性16通道點(diǎn)火系統(tǒng)300具有四個(gè)圖I所示類(lèi)型的3通道點(diǎn)火系統(tǒng)模塊302，其中的模塊包括虛線示出的元件。點(diǎn)火系統(tǒng)300還包括兩個(gè)圖I所示類(lèi)型的2通道點(diǎn)火系統(tǒng)模塊304，其中該模塊不包括虛線示出的元件。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)模塊連接到發(fā)動(dòng)機(jī)306的16個(gè)火花塞。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(kāi)關(guān)(每個(gè)火花塞四個(gè))以操作16缸發(fā)動(dòng)機(jī)306。但是，點(diǎn)火系統(tǒng)300的多路復(fù)用特征容許同一個(gè)16缸發(fā)動(dòng)機(jī)306利用44個(gè)開(kāi)關(guān)工作。點(diǎn)火系統(tǒng)模塊302，304的專(zhuān)用支路使用32個(gè)開(kāi)關(guān)，而那些模塊中的共用支路使用12個(gè)開(kāi)關(guān)。共用開(kāi)關(guān)控制器150 (示于圖I)可被用于操作全部44個(gè)開(kāi)關(guān)。這種設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)控制器150精確地調(diào)節(jié)各個(gè)變壓器的初級(jí)繞組中的電流水平，這種設(shè)計(jì)允許獨(dú)立于SD地控制CA，同時(shí)保持同樣的0CV。此外，本發(fā)明的實(shí)施例意圖在實(shí)施前述點(diǎn)火系統(tǒng)特征的同時(shí)不采用昂貴的設(shè)計(jì)方案，即不采用中心抽頭變壓器、高壓、高電流半導(dǎo)體、諧振電路、或高能存儲(chǔ)點(diǎn)火線圈。包括在此弓丨用的出版物、專(zhuān)利申請(qǐng)和專(zhuān)利在內(nèi)的所有參考文獻(xiàn)都以參弓I的方式合并入本申請(qǐng)，達(dá)到如同每個(gè)參考文獻(xiàn)都是單獨(dú)和特別指示成以參引的方式合并入本申請(qǐng)并且其全文在此闡述的相同程度。在描述本發(fā)明的內(nèi)容(尤其是下列權(quán)利要求的內(nèi)容)中使用的術(shù)語(yǔ)“一”、“一個(gè)”和“該”及類(lèi)似用語(yǔ)將解釋為包括單數(shù)和復(fù)數(shù)，除非此處另外指出或與上下文明顯矛盾。術(shù)語(yǔ)“包含”、“具有”、“包括”、“含有”將解釋為開(kāi)放式術(shù)語(yǔ)(即，意味著“包括但不限于”)，除非另有說(shuō)明。此處列舉的數(shù)值范圍僅作為分別指示落入所述范圍的每個(gè)單獨(dú)數(shù)值的簡(jiǎn)寫(xiě)方法，除非此處另外指出，并且每個(gè)單獨(dú)數(shù)值結(jié)合在說(shuō)明書(shū)中就像它在此分別闡述一樣。此處所描述的所有方法可以按照任何適當(dāng)?shù)捻樞驁?zhí)行，除非此處另有指出或與上下文明顯矛盾。此處提供的任何實(shí)例或示例性語(yǔ)言(舉例來(lái)說(shuō)，“例如”)僅用于更好地描述本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，除非另有要求。說(shuō)明書(shū)中的語(yǔ)言不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為指出了對(duì)于實(shí)施本發(fā)明所必需的、任何未要求保護(hù)的元素。此處描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，包括發(fā)明人所知用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式。當(dāng)閱讀上述說(shuō)明時(shí)，這些優(yōu)選實(shí)施例的變 化對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。本發(fā)明人希望技術(shù)人員適當(dāng)?shù)貞?yīng)用這種變化，并且本發(fā)明人預(yù)料到本發(fā)明能夠以除了此處特別描述以外的方式實(shí)施。因此，本發(fā)明包括權(quán)利要求書(shū)所述主題的全部變型和等效物，所述權(quán)利要求書(shū)在適用法律允許的情況下附加到本申請(qǐng)中。而且，本發(fā)明包括上述元件在其所有可能變形中的任何組合，除非在此另有指出或與上下文明顯矛盾。
權(quán)利要求
1.一種交流AC點(diǎn)火裝置，包括 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，被構(gòu)造為半橋型結(jié)構(gòu)； 點(diǎn)火變壓器，具有作為開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載而附連的初級(jí)線圈； 控制器，被構(gòu)造為控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)； 比較器網(wǎng)絡(luò)，被構(gòu)造為將AC點(diǎn)火系統(tǒng)參數(shù)與參考參數(shù)進(jìn)行比較；其中比較結(jié)果指示控制器如何操作開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。
2.如權(quán)利要求I所述的AC點(diǎn)火裝置，其中在比較器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行比較的系統(tǒng)參數(shù)和參考 參數(shù)是電壓。
3.如權(quán)利要求I所述的AC點(diǎn)火裝置，其中由控制器產(chǎn)生所述參考參數(shù)。
4.如權(quán)利要求I所述的AC點(diǎn)火裝置，其中控制器被構(gòu)造為設(shè)定指令值，該指令值指示流過(guò)點(diǎn)火變壓器的初級(jí)線圈的峰值電流。
5.如權(quán)利要求4所述的AC點(diǎn)火裝置，其中控制器被構(gòu)造為即時(shí)改變指令值。
6.如權(quán)利要求I所述的AC點(diǎn)火裝置，其中還包括電源和電流傳感器，電流傳感器被構(gòu)造在電源和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)之間，電流傳感器被構(gòu)造為提供與被從電源汲取到開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的電流有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的AC點(diǎn)火裝置，其中比較器網(wǎng)絡(luò)的輸出是向控制器的輸入。
8.如權(quán)利要求7所述的AC點(diǎn)火裝置，其中控制器監(jiān)測(cè)比較器網(wǎng)絡(luò)確定流過(guò)點(diǎn)火變壓器的初級(jí)線圈的電流已經(jīng)達(dá)到低點(diǎn)值和中點(diǎn)值的時(shí)間，該低點(diǎn)值和中點(diǎn)值由參考參數(shù)指示。
9.如權(quán)利要求7所述的AC點(diǎn)火裝置，其中控制器監(jiān)測(cè)與參考參數(shù)相比從電源汲取過(guò)量電流的情況。
10.如權(quán)利要求I所述的AC點(diǎn)火裝置，其中點(diǎn)火變壓器的次級(jí)線圈與火花塞連接，其中控制器監(jiān)測(cè)從AC點(diǎn)火裝置被啟動(dòng)的時(shí)刻到流過(guò)點(diǎn)火變壓器的初級(jí)線圈的電流達(dá)到指令電流水平時(shí)所花的時(shí)間量，然后該時(shí)間量用于與火花塞何時(shí)放電相關(guān)聯(lián)。
11.如權(quán)利要求I所述的AC點(diǎn)火裝置，其中被構(gòu)造為半橋型結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括對(duì)于電壓為單向且對(duì)于電流為雙向的開(kāi)關(guān)。
12.一種用于控制點(diǎn)火系統(tǒng)的方法，包括如下步驟 測(cè)量初始點(diǎn)火循環(huán)的系統(tǒng)參數(shù)； 將系統(tǒng)參數(shù)與點(diǎn)火系統(tǒng)的參考參數(shù)進(jìn)行比較； 如果系統(tǒng)參數(shù)與參考參數(shù)的比較結(jié)果顯示在開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中已經(jīng)達(dá)到峰值電流，則改變開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的操作狀態(tài)； 其中改變開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的操作狀態(tài)的步驟觸發(fā)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中一個(gè)隨后的電流循環(huán)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括改變?cè)O(shè)定開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的峰值電流的指令值的參考參數(shù)的步驟。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中參考參數(shù)是與開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的低電流值相應(yīng)的理想電壓，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的理想低電流和理想峰值電流之間的中間電流，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的理想峰值電流，以及供給開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的理想最大電流值；其中系統(tǒng)參數(shù)是與開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的電流相應(yīng)的測(cè)量的電壓，以及與提供給開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的電流相應(yīng)的測(cè)量的電壓。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中比較步驟將與點(diǎn)火系統(tǒng)中的理想峰值電流相應(yīng)的電壓同與開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的電流相應(yīng)的測(cè)量的電壓進(jìn)行比較。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括診斷點(diǎn)火系統(tǒng)中的故障的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中診斷故障的步驟包括，指示在比較步驟中與提供給開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的電流相應(yīng)的測(cè)量的電壓大于提供給開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的電流的理想最大值的步驟。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中比較步驟還包括測(cè)量一個(gè)時(shí)間段，該時(shí)間段是用于與開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的電流相應(yīng)的測(cè)量的電壓的點(diǎn)火循環(huán)開(kāi)始從開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載的至少一個(gè)理想低電壓升高到理想中間電壓，從開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載的理想低電壓升高到理想峰值電壓，或者從開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載的理想中間電壓升高到理想峰值電壓所花費(fèi)的時(shí)間，其中診斷步驟包括指示從測(cè)量步驟得到的測(cè)量時(shí)間發(fā)生得比預(yù)期快、比預(yù)期長(zhǎng)，和/或從未發(fā)生的步驟。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載是點(diǎn)火變壓器的初級(jí)線圈，其中 次級(jí)線圈附接到火花塞；其中比較步驟還包括測(cè)量從開(kāi)始與開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的電流相應(yīng)的電壓的點(diǎn)火循環(huán)到達(dá)到開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載中的理想峰值電流所花費(fèi)的時(shí)間的步驟，并存儲(chǔ)所測(cè)量的時(shí)間。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括確定火花塞的火花間隙的腐蝕水平的步驟。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中確定腐蝕水平的步驟通過(guò)將從初始點(diǎn)火事件到火花塞的火花間隙的擊穿的測(cè)量時(shí)間與用于在代表性的火花塞的代表性的火花間隙的各種腐蝕水平擊穿該代表性的火花間隙所花的時(shí)間量的參考值相關(guān)聯(lián)而實(shí)現(xiàn)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述參考值被包含在查詢(xún)表中。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，該測(cè)量的時(shí)間與預(yù)定的時(shí)間段比較，如果該測(cè)量的時(shí)間超過(guò)預(yù)定的時(shí)間段，則出現(xiàn)發(fā)動(dòng)不起來(lái)的情況。
24.如權(quán)利要求12所述的方法，其中開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)是半橋型開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。
25.如權(quán)利要求12所述的方法，其中點(diǎn)火系統(tǒng)是交流AC點(diǎn)火系統(tǒng)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中AC點(diǎn)火系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)是半橋型開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。
27.如權(quán)利要求12所述的方法，其中點(diǎn)火系統(tǒng)是直流DC點(diǎn)火系統(tǒng)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中該DC點(diǎn)火系統(tǒng)的輸出電流是DC值，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)是MOSFET和二極管網(wǎng)絡(luò)。
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，具有一個(gè)共用支路，該共用支路包括兩個(gè)串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)，以及一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用支路，其中每個(gè)支路包括兩個(gè)串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)。該多路復(fù)用驅(qū)動(dòng)電路還包括用于一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用支路的每一個(gè)的變壓器，每個(gè)變壓器具有連接在一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用支路中的一個(gè)以及共用支路之間的初級(jí)繞組，每個(gè)變壓器具有與火花塞并聯(lián)連接的次級(jí)繞組，脈寬調(diào)制(PWM)開(kāi)關(guān)控制器被構(gòu)造為操作共用支路和專(zhuān)用支路開(kāi)關(guān)以控制用于火花塞的火花放電的特性。其中開(kāi)關(guān)控制器能通過(guò)監(jiān)測(cè)火花放電事件發(fā)生的時(shí)間來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行診斷性的檢查。
文檔編號(hào)F02P3/045GK102852692SQ20121033412
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者D·C·帕楚斯卡, D·K·斯圖沃特, M·L·瓦格納, G·M·埃博哈特 申請(qǐng)人:伍德沃德公司