本專利申請要求2014年4月29日提交的、序列號為61/985,709的美國臨時(shí)專利申請和2014年6月18日提交的、序列號為14/307,796的美國實(shí)用專利申請的權(quán)益，這些專利申請通過引用而整體并入本文。

發(fā)明背景

1.發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明總體涉及一種電暈點(diǎn)火系統(tǒng)，更具體地，涉及用于把能量提供給電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)的多個(gè)電暈點(diǎn)火器的系統(tǒng)和方法。

2.相關(guān)技術(shù)

電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)提供交變電壓和電流，使得高電位電極與低電位電極快速地連續(xù)反轉(zhuǎn)，這增強(qiáng)了電暈放電的形成，并使電弧形成的機(jī)會最小。系統(tǒng)典型地包括變換器，它從直流電源接收能量、放大電壓、并且在把交流形式的能量引導(dǎo)到電暈點(diǎn)火器的中心電極之前減小電流。中心電極被充電而達(dá)到高的射頻電壓電位，并且在燃燒室中創(chuàng)建強(qiáng)大的射頻電場。電場使燃燒室中一部分燃料與空氣的混合物發(fā)生電離，并且開始介質(zhì)擊穿，促進(jìn)燃料-空氣混合物燃燒，這被稱為點(diǎn)火事件。電場優(yōu)選被控制成使得燃料-空氣混合物保持介質(zhì)特性，并且出現(xiàn)電暈放電，也被稱為非熱等離子體。燃料-空氣混合物的電離部分形成火焰前沿，它然后變?yōu)樽员３值牟⑷紵剂?空氣混合物的其余部分。優(yōu)選地，電場被控制成使燃料-空氣混合物不失去全部介質(zhì)特性，這將產(chǎn)生熱等離子體以及在電極與接地氣缸壁、活塞、金屬外殼、或點(diǎn)火器的其它部分之間的電弧。電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)的例子在授權(quán)給Freen的第6,883,507號美國專利中公開。

通常，電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)包括多個(gè)電暈點(diǎn)火器，例如，在引擎的每個(gè)氣缸中有一個(gè)電暈點(diǎn)火器。因此，系統(tǒng)還包括多個(gè)能量變換器，每個(gè)能量變換器最終被連接到一個(gè)電暈點(diǎn)火器。然而，這種設(shè)計(jì)的使用是受限的，因?yàn)槊總€(gè)變換器是昂貴的，并且增加了電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)電暈點(diǎn)火器，用于接收能量和發(fā)射交變電場，以便提供電暈放電。所述系統(tǒng)還包括控制與驅(qū)動電子單元、單個(gè)變換器、用于把來自電源的能量引導(dǎo)到電暈點(diǎn)火器的控制與驅(qū)動電子單元、多個(gè)分離的開關(guān)控制裝置，以及多個(gè)點(diǎn)火器切換單元。變換器布置在控制與驅(qū)動電子單元和多個(gè)電暈點(diǎn)火器之間，用于從控制與驅(qū)動電子單元接收能量，并且在把能量從所述控制與驅(qū)動電子單元引導(dǎo)到電暈點(diǎn)火器之前提高能量的電壓。每個(gè)開關(guān)控制裝置被連接到所述控制與驅(qū)動電子單元，并且還連接到單獨(dú)的一個(gè)電暈點(diǎn)火器，用于從控制與驅(qū)動電子單元接收控制信號和響應(yīng)于所述控制信號而允許能量從變換器傳送到所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器。每個(gè)點(diǎn)火器切換單元均被連接到變換器，并且每個(gè)點(diǎn)火器切換單元被布置在其中一個(gè)分離的切換控制裝置與所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器之間并與之連接。每個(gè)點(diǎn)火器切換單元均被所連接的分離的開關(guān)控制裝置響應(yīng)于控制信號而激活和關(guān)斷，以便在點(diǎn)火器切換單元被激活時(shí)允許電流從變換器流動到所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器，以及在點(diǎn)火器切換單元被關(guān)斷時(shí)阻止電流從變換器流動到所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器和從所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器流向變換器。另外，在系統(tǒng)運(yùn)行期間的任何給定時(shí)刻，僅僅激活一個(gè)點(diǎn)火器切換單元。

按照另一個(gè)實(shí)施例，系統(tǒng)包括多個(gè)機(jī)電式繼電器，每個(gè)繼電器被連接到控制與驅(qū)動電子單元、變換器、以及單獨(dú)的一個(gè)電暈點(diǎn)火器，用于接收來自控制與驅(qū)動電子單元的控制信號和響應(yīng)于所述控制信號而允許能量從變換器傳遞到所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器。每個(gè)機(jī)電式繼電器包括點(diǎn)火器切換單元，它響應(yīng)于控制信號而被激活和關(guān)斷，從而當(dāng)點(diǎn)火器切換單元被激活時(shí)允許能量從變換器傳遞到所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器，以及當(dāng)點(diǎn)火器切換單元被關(guān)斷時(shí)阻止能量從變換器傳遞到所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器和從所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器向變換器傳遞。

本發(fā)明的另一方面提供一種用于操作電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)的方法。該方法包括把來自電源的能量提供給控制與驅(qū)動電子單元；并且把能量從控制與驅(qū)動電子單元傳遞給多個(gè)電暈點(diǎn)火器。在把能量從控制與驅(qū)動電子單元傳遞到電暈點(diǎn)火器之前，所述方法包括提高電壓。提供了多個(gè)點(diǎn)火器切換單元，每個(gè)點(diǎn)火器切換單元均連接到變換器和單獨(dú)的一個(gè)電暈點(diǎn)火器，所述方法還包括激活所述點(diǎn)火器切換單元，以通過所述點(diǎn)火器切換單元將能量從變換器輸送到所述多個(gè)電暈點(diǎn)火器，以及關(guān)斷所述點(diǎn)火器切換單元，以阻止能量傳遞到所連接的電暈點(diǎn)火器和從所連接的電暈點(diǎn)火器流出。激活點(diǎn)火器切換單元的步驟包括在系統(tǒng)運(yùn)行期間的任何給定時(shí)刻僅激活一個(gè)點(diǎn)火器切換單元并僅把電流輸送到一個(gè)電暈點(diǎn)火器。

附圖說明

本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將很容易看到，因?yàn)楫?dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行考慮時(shí)參照以下的詳細(xì)說明時(shí)，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將變得更容易理解，在附圖中：

圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)的圖；

圖2是按照本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)的圖；以及

圖3是按照本發(fā)明的第三示例性實(shí)施例的電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)的圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一個(gè)方面提供成本和復(fù)雜性降低的電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)20，其包括多個(gè)電暈點(diǎn)火器22。圖1-3顯示系統(tǒng)20的示例性實(shí)施例。每個(gè)電暈點(diǎn)火器22均接收來自電源24的能量，并且以諧振頻率振蕩，由此提供能夠造成電暈放電的高壓交流電場。每個(gè)電暈點(diǎn)火器22均包括電極26，用于接收能量和發(fā)射交變電場，以提供電暈放電。絕緣體28包圍電極26，金屬外殼30典型地包圍絕緣體28。在本發(fā)明的系統(tǒng)20中可以使用任何類型的電暈點(diǎn)火器。

系統(tǒng)20包括控制與驅(qū)動電子單元32，用于接收來自電源24的能量和把能量引導(dǎo)到電暈點(diǎn)火器22。單個(gè)變換器34被布置在控制與驅(qū)動電子單元32和電暈點(diǎn)火器22之間，用于從控制與驅(qū)動電子單元32接收能量，把能量從控制與驅(qū)動電子單元32引導(dǎo)到電暈點(diǎn)火器22。變換器34接收開關(guān)直流電形式的能量，把電壓典型地放大到2.5千伏(峰到峰)，并且在把交流電形式的能量引導(dǎo)到電暈點(diǎn)火器22之前減小能量的電流?？刂婆c驅(qū)動電子單元32包括以正確的頻率為單個(gè)變換器34提供充足電源24所需的所有設(shè)備。這個(gè)單個(gè)變換器34是系統(tǒng)20中唯一的變換器34，而不像大大增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性的、為每個(gè)電暈點(diǎn)火器均包括一個(gè)變換器的對照系統(tǒng)。在本發(fā)明的系統(tǒng)20中，沒有像對照系統(tǒng)20中那樣復(fù)制用于向變換器34提供功率的高速部件。

變換器切換單元36布置在控制與驅(qū)動電子單元32和變換器34之間，并且被連接到控制與驅(qū)動電子單元32和變換器34。當(dāng)變換器切換單元36被控制與驅(qū)動電子單元32激活時(shí)，變換器切換單元36允許能量從控制與驅(qū)動電子單元32傳遞到變換器34。當(dāng)變換器切換單元36被控制與驅(qū)動電子單元32關(guān)斷時(shí)，變換器切換單元36還阻止能量從控制與驅(qū)動電子單元32向變換器34傳遞。在圖2的示例性實(shí)施例中，變換器切換單元36包括一對晶體管。在提供電暈放電而允許電流流到點(diǎn)火器22時(shí)，只有變換器切換單元36的一個(gè)晶體管是接通的，當(dāng)為了阻止電流流到點(diǎn)火器22而不提供電暈放電時(shí)，沒有任何晶體管是接通的。另外，按照與電暈點(diǎn)火器22對應(yīng)的諧振頻率，變換器切換單元36的每個(gè)晶體管每半個(gè)周期就被激活一次，以不時(shí)地提供電流到變換器34，使得電暈點(diǎn)火器22以其諧振頻率振蕩。例如，在系統(tǒng)20運(yùn)行期間，變換器切換單元36的每個(gè)晶體管可以每秒被激活多次，并且在每秒的其余時(shí)間被關(guān)斷。

系統(tǒng)20還包括多個(gè)分離的開關(guān)控制裝置40，每個(gè)開關(guān)控制裝置40被連接到控制與驅(qū)動電子單元32。每個(gè)開關(guān)控制裝置40還被連接到單獨(dú)的一個(gè)電暈點(diǎn)火器22。因此，分離的開關(guān)控制裝置40的數(shù)目等于電暈點(diǎn)火器22的數(shù)目。分離的開關(guān)控制裝置40接收來自控制與驅(qū)動電子單元32的控制信號42，并且響應(yīng)于所述控制信號42而允許能量從變換器34傳遞到所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22?？刂婆c驅(qū)動電子單元32在系統(tǒng)運(yùn)行期間的任何給定時(shí)刻把控制信號42僅發(fā)送到一個(gè)分離的開關(guān)控制裝置40。

在系統(tǒng)20中還提供多個(gè)點(diǎn)火器切換單元38，每個(gè)點(diǎn)火器切換單元38被布置在其中一個(gè)分離的開關(guān)控制裝置40與所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22之間并與之連接。因此，點(diǎn)火器切換單元38的數(shù)目與電暈點(diǎn)火器22的數(shù)目成正比。每個(gè)點(diǎn)火器切換單元38均被連接到單個(gè)變換器34，用于在相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)火器切換單元38工作時(shí)允許電流從單個(gè)變換器34流動到所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22。點(diǎn)火器切換單元38被所連接的分離的開關(guān)控制裝置40響應(yīng)于控制信號42而激活和關(guān)斷。點(diǎn)火器切換單元38還能在點(diǎn)火器切換單元38被關(guān)斷時(shí)阻止電流從變換器34流到所連接的電暈點(diǎn)火器22和從所連接的電暈點(diǎn)火器22流到變換器34。這種特征被稱為雙向阻斷。在系統(tǒng)20運(yùn)行期間，點(diǎn)火器切換單元38每秒被激活多次，但每秒被激活的次數(shù)少于變換器切換單元36的晶體管，并且在每秒的其余時(shí)間被關(guān)斷。

在系統(tǒng)20運(yùn)行期間的任何給定時(shí)刻，只有一個(gè)點(diǎn)火器切換單元38被激活，以便選擇性地在系統(tǒng)20運(yùn)行期間的任何給定時(shí)刻只使一個(gè)電暈點(diǎn)火器22能工作。點(diǎn)火器切換單元38只需要以引擎旋轉(zhuǎn)的速度(典型地，幾十赫茲)運(yùn)行，并且只需要在每個(gè)長達(dá)許多毫秒的周期期間切換一次。這允許在分離的開關(guān)控制裝置40中使用較慢、較便宜且不太復(fù)雜的電路。

本發(fā)明的系統(tǒng)20優(yōu)選被設(shè)計(jì)成避免由于把多個(gè)點(diǎn)火器切換單元連接到單個(gè)變換器34的輸出端而引起寄生損失。例如，可以通過小心地設(shè)計(jì)PCB和分離的開關(guān)控制裝置40，諸如將分離的開關(guān)控制裝置40靠近變換器34放置，來減小寄生損失。

至少一個(gè)點(diǎn)火器切換單元38包括一對晶體管。在這種情形下，分離的開關(guān)控制裝置40使晶體管與控制信號42隔離開。當(dāng)點(diǎn)火器切換單元38被關(guān)斷時(shí)，其中一個(gè)晶體管阻止電流從變換器34流到一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22，而另一個(gè)晶體管阻止電流從所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22流向變換器34。替換地，至少一個(gè)點(diǎn)火器切換單元38包括用于交流電的三極管(TRIAC)。當(dāng)點(diǎn)火器切換單元38被關(guān)斷時(shí)，TRIAC也阻止電流從變換器34流到一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22，以及阻止電流從所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22流向變換器34。另一個(gè)替換例是將氮化鎵(GaN)晶體管用于至少一個(gè)點(diǎn)火器切換單元38。

電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)20的另一個(gè)示例性實(shí)施例被顯示于圖3。在這種情形下，系統(tǒng)20包括多個(gè)機(jī)電式繼電器44，每個(gè)繼電器44被連接到控制與驅(qū)動電子單元32、變換器34、和單獨(dú)的一個(gè)電暈點(diǎn)火器22，用于接收來自控制與驅(qū)動電子單元32的控制信號，和響應(yīng)于所述控制信號42而允許電流從變換器34流到一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22。每個(gè)機(jī)電式繼電器44均包括點(diǎn)火器切換單元38，點(diǎn)火器切換單元38響應(yīng)于控制信號42而被激活和關(guān)斷，從而當(dāng)點(diǎn)火器切換單元38被激活時(shí)，允許電流從變換器34流到一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22，而當(dāng)點(diǎn)火器切換單元38被關(guān)斷時(shí)，阻止電流從變換器34流到一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22和從所述一個(gè)連接的電暈點(diǎn)火器22流向變換器34。正如圖1的實(shí)施例那樣，在任何給定的時(shí)刻，只有一個(gè)點(diǎn)火器切換單元38被激活。機(jī)電式繼電器44只需要在點(diǎn)火事件發(fā)生的時(shí)候運(yùn)行，而無需在生成電暈的變換器34或放大器各自周期的時(shí)間尺度(time scale)上運(yùn)行。

如圖3所示，每個(gè)機(jī)電式繼電器44均包括線圈46，線圈46與點(diǎn)火器切換單元38電氣隔離。線圈46接收控制信號42，并且響應(yīng)于控制信號42而激活點(diǎn)火器切換單元38。當(dāng)機(jī)電式繼電器44的點(diǎn)火切換單元38被接通而變?yōu)楸患せ罨蛘弑魂P(guān)斷而變?yōu)椴患せ顣r(shí)，沒有電流通過機(jī)電式繼電器44流到連接的電暈點(diǎn)火器22，或從連接的電暈點(diǎn)火器22流出。

圖3所示系統(tǒng)20的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是機(jī)電式繼電器44的固有隔離，它使得點(diǎn)火器交換單元38易于用低成本的電子裝置驅(qū)動。當(dāng)沒有把電暈點(diǎn)火器22連接到變換器34時(shí)，機(jī)電式繼電器44還提供電流的雙向阻斷與異常高的電阻，這導(dǎo)致低的寄生損耗。還可能使用機(jī)電裝置，諸如簧片繼電器型設(shè)備，因?yàn)樗杀话才懦僧?dāng)繼電器正被切換時(shí)使從控制與驅(qū)動電子單元32到電暈點(diǎn)火器22的供電總是被禁止的。沒有電流流動的切換大大地延長了機(jī)電式繼電器44的壽命。如下適當(dāng)?shù)脑O(shè)備是可找到的：能夠在約1毫秒內(nèi)進(jìn)行切換；承受諸如高達(dá)200伏那樣的中等電壓；在諸如高達(dá)150℃的、需要的溫度下運(yùn)行；承載諸如高達(dá)約10A的、需要的電流；以及具有適當(dāng)?shù)膲勖?，諸如高達(dá)3億次操作。

本發(fā)明的另一方面提供一種用于操作電暈放電點(diǎn)火系統(tǒng)20的方法。該方法包括把來自電源24的能量提供給控制與驅(qū)動電子單元32，并把能量從控制與驅(qū)動電子單元32向多個(gè)電暈點(diǎn)火器22傳送。該方法還包括在把能量從控制與驅(qū)動電子單元32向多個(gè)電暈點(diǎn)火器22傳送之前，提高能量的電壓。

所述方法然后包括激活點(diǎn)火器切換單元38，以使電流從變換器34通過點(diǎn)火器切換單元38輸送到多個(gè)電暈點(diǎn)火器22，以及關(guān)斷點(diǎn)火器切換單元38，以阻止電流流到所連接的電暈點(diǎn)火器22和阻止電流從所連接的電暈點(diǎn)火器22流出。激活點(diǎn)火器切換單元38的步驟包括在系統(tǒng)20運(yùn)行期間的任何給定時(shí)刻僅激活一個(gè)點(diǎn)火器切換單元38并且將電流只輸送到一個(gè)電暈點(diǎn)火器122。

僅激活一個(gè)點(diǎn)火器切換單元38的步驟響應(yīng)于來自控制與驅(qū)動電子單元的控制信號42。另外，激活點(diǎn)火器切換單元38的步驟包括每秒激活各個(gè)點(diǎn)火器切換單元38多次，關(guān)斷點(diǎn)火器切換單元38的步驟包括在系統(tǒng)20運(yùn)行期間每秒的其余時(shí)間關(guān)斷各個(gè)點(diǎn)火器切換單元38。

方法典型地包括把能量從控制與驅(qū)動電子單元32提供給變換器34，用于在把能量從控制與驅(qū)動電子單元32向多個(gè)電暈點(diǎn)火器22傳送之前提高能量的電壓。當(dāng)變換器切換單元36的一個(gè)晶體管被控制與驅(qū)動電子單元32激活時(shí)，變換器切換單元36允許電流從控制與驅(qū)動電子單元32流到變換器34，當(dāng)變換器切換單元36的晶體管被控制與驅(qū)動電子單元32關(guān)斷時(shí)，變換器切換單元36阻止電流從控制與驅(qū)動電子單元32流到變換器34。方法還包括每秒激活變換器切換單元36的各個(gè)晶體管多次，并且每秒激活的此時(shí)比點(diǎn)火器切換單元38次數(shù)更多。方法還包括在系統(tǒng)20運(yùn)行期間每秒的其余時(shí)間關(guān)斷變換器切換單元36的晶體管。

顯然，鑒于以上的教導(dǎo)，本發(fā)明的許多修正方案和變例是可能的，并且可以按與具體描述不同的但同時(shí)在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的其他方式實(shí)踐本發(fā)明。