具有用于被感應(yīng)地加熱的燃料噴射器的多個有載扼流圈的調(diào)諧功率放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種調(diào)諧功率放大器，其包括：調(diào)諧電容器，其與表示振蕩器的電感的多個有載扼流圈串聯(lián)連接；以及被連接到調(diào)諧電容器與有載扼流圈之間的串聯(lián)連接的多個半導(dǎo)體功率開關(guān)。有載扼流圈可以是被感應(yīng)加熱的燃料噴射器的感應(yīng)加熱線圈?？梢詫⒏袘?yīng)加熱線圈連接到共用電壓源?？梢允拱雽?dǎo)體功率開關(guān)的接通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)與調(diào)諧功率放大器的固有諧振頻率同步或者以其以下的頻率被同步。
【專利說明】具有用于被感應(yīng)地加熱的燃料噴射器的多個有載扼流圈的調(diào)諧功率放大器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請涉及以下5個美國臨時專利申請:
與本臨時專利申請在同一日提交并用代理人案卷號2012P01913US標(biāo)識的由PerryCzimmek、Mike Hornby 和 Doug Cosby 發(fā)明的 Using Resistance Equivalent to EstimateTemperature of a Fuel-1njector Heater。
[0002]與本臨時專利申請在同一日提交并用代理人案卷號2012P01914US標(biāo)識的由Perry Czimmek 發(fā)明的 Tuned Power Amplifier With Loaded Choke For InductivelyHeated Fuel Injector。
[0003]與本臨時專利申請在同一日提交并用代理人案卷號2012P02060US標(biāo)識的由Perry Czimmek、Mike Hornby 和 Doug Cosby 發(fā)明的 Using Resistance Equivalent toEstimate Heater Temperature of an Exhaust Gas After-Treatment Component。
[0004]與本臨時專利申請在同一日提交并用代理人案卷號2012P02175US標(biāo)識的由Perry Czimmek發(fā)明的Resistance Determination For Temperature Control Of HeatedAutomotive Components。
[0005]與本臨時專利申請在同一日提交并用代理人案卷號2012P02176US標(biāo)識的由Perry Czimmek 發(fā)明的 Resistance Determination with Increased Sensitivity forTemperature Control of Heated Automotive Component。
【背景技術(shù)】
[0006]本發(fā)明的實施例一般地涉及用于感應(yīng)加熱器的功率電子裝置，且更具體地涉及用于可變噴霧式燃料噴射器的感應(yīng)加熱器驅(qū)動器。
[0007]存在對于改善內(nèi)燃機的排放物質(zhì)量的持續(xù)需要。同時，存在在保持最大燃料經(jīng)濟性的同時使引擎起動時間和從接通到開走的時間最小化的壓力。這些壓力施加于以諸如乙醇的替換燃料作為燃料的引擎以及以汽油作為燃料的那些引擎。
[0008]在冷溫度引擎啟動期間，常規(guī)火花點火式內(nèi)燃機的特征在于高碳氫化合物排放物及不良的燃料點火和可燃性。除非引擎在停止和熱浸之后已處于高溫，否則起動時間可能是過大的，或者引擎可能根本不啟動。在較高速度和負荷下，工作溫度增大且燃料霧化和混
合改善。
[0009]在實際的引擎冷啟動期間，實現(xiàn)啟動所需的濃縮留下非化學(xué)當(dāng)量式燃料供應(yīng)，其具體化為高尾管碳氫化合物排放物。最壞的排放物是在引擎工作的前幾分鐘期間，之后催化劑和引擎接近工作溫度。關(guān)于以乙醇為燃料的車輛，隨著燃料的乙醇百分比增大至100%，冷啟動的能力變得日益減少，導(dǎo)致某些制造商包括雙燃料系統(tǒng)，其中用常規(guī)汽油為引擎啟動供應(yīng)燃料，并且用乙醇等級為引擎運行供應(yīng)燃料。此類系統(tǒng)是昂貴且冗余的。
[0010]冷啟動排放物和低溫下的啟動困難的另一解決方案是將燃料預(yù)加熱至其中燃料在被釋放到歧管或大氣壓力時快速地蒸發(fā)或者立即蒸發(fā)(“閃速沸騰”)的溫度。預(yù)熱燃料復(fù)制熱引擎到考慮燃料狀態(tài)的程度。
[0011]已經(jīng)提出了許多預(yù)熱方法，其中的大多數(shù)涉及燃料噴射器中的預(yù)熱。燃料噴射器被廣泛地用于計量到汽車引擎的進氣歧管或汽缸中的燃料。燃料噴射器通常包括外殼，該外殼容納一定體積的加壓燃料、燃料進口部分、包含針形閥的噴嘴部分以及機電致動器，所述機電致動器諸如電磁螺線管、壓電致動器或用于對針形閥進行致動的另一機構(gòu)。當(dāng)針形閥被致動時，加壓燃料通過閥座中的孔口噴射出并進入引擎中。
[0012]已經(jīng)用于對燃料進行預(yù)熱中的一種技術(shù)是用時變磁場以感應(yīng)方式對燃料噴射器的金屬元件進行加熱。在美國專利號7，677，468、美國專利申請公開:20070235569、20070235086,20070221874,20070221761 和 20070221747 中公開了具有感應(yīng)加熱的示例性燃料噴射器，其內(nèi)容通過引用被整體地結(jié)合到本文中。能量被轉(zhuǎn)換成在幾何結(jié)構(gòu)和材料方面適合于通過由時變磁場感生的磁滯和渦流損耗而被加熱的部件內(nèi)部的熱量。
[0013]被加熱的燃料噴射器不僅在解決與汽油系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的上述問題方面是有用的，而且在將乙醇等級燃料預(yù)熱以在沒有冗余汽油燃料系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)成功的啟動方面是有用的。[0014]由于感應(yīng)加熱技術(shù)使用時變磁場，所以該系統(tǒng)包括用于向燃料噴射器中的感應(yīng)線圈提供適當(dāng)?shù)母哳l交流電的電子裝置。
[0015]常規(guī)感應(yīng)加熱是用功率的硬開關(guān)或電壓和電流兩者在開關(guān)器件中都為非零時的開關(guān)而實現(xiàn)的。通常，開關(guān)是在諧振器或儲能電路的固有諧振頻率附近的頻率下完成的。諧振器包括被選擇并優(yōu)化成在適合于使耦合到被加熱部件中的能量最大化的頻率處諧振的電感器和電容器。
[0016]儲能電路的固有諧振頻率是=其中，L是電路電感，并且C是電路
電容。諧振時的峰值電壓受到電路的電感器和電容器的能量損耗或者降低的品質(zhì)因數(shù)Q的限制?？梢杂梅謩e包括一對或兩對半導(dǎo)體開關(guān)的所謂的半橋或全橋電路來實現(xiàn)硬開關(guān)。功率的硬開關(guān)導(dǎo)致開關(guān)噪聲的負面后果以及來自電壓源的諧振頻率下的高振幅電流脈沖或其諧波。并且，當(dāng)開關(guān)器件既不完全傳導(dǎo)也不完全絕緣時，硬開關(guān)在線性接通和關(guān)斷時段期間耗散功率。硬開關(guān)電路的頻率越聞，開關(guān)損耗越大。
[0017]在題為 Constant Current Zero-Voltage Switching Induction Heater Driverfor Variable Spray Injection的美國專利7，628，340中公開了驅(qū)動被加熱的燃料噴射器的常規(guī)加熱器電路，其中，開關(guān)是在最低可能中斷功率下完成的。理想地，當(dāng)開關(guān)器件中的電壓或電流為零時，應(yīng)向儲能電路補充能量。已經(jīng)知道電磁噪聲在零電壓或零電流開關(guān)期間較低并且在零電壓開關(guān)期間是最低的，這在美國專利號7，628，430中被利用。還已經(jīng)知道開關(guān)器件在零開關(guān)下耗散最小的功率。當(dāng)正弦波穿過零點并使極性反轉(zhuǎn)時、即當(dāng)正弦波在從正到負的第一方向上穿過零點時以及當(dāng)正弦波在從負到正的第二方向上穿過零點時，該理想開關(guān)點每個周期發(fā)生兩次。
[0018]在題為Synchronous Full-Bridge Power Oscillator 的由 Perry Czimmek 發(fā)明的美國專利公開20120267359中公開了驅(qū)動被加熱的燃料噴射器的附加方法，其中，開關(guān)是在最低可能中斷功率下完成的。公開的拓撲在修改的全橋或H橋配置中使用兩對互補的功率開關(guān)晶體管對。與全橋驅(qū)動器的偏差是從恒定電流源電感器對橋進行饋送，并且用諧振儲能電路來替換常規(guī)全橋的負載部分。與常規(guī)全橋的另一偏差是振蕩器同步固有零開關(guān)拓撲，其以對角對的交替序列來驅(qū)動互補的晶體管對的柵極。
[0019]用于驅(qū)動被加熱的燃料噴射器的改進技術(shù)將提高現(xiàn)有技術(shù)的水平，其中，開關(guān)是在最低可能中斷功率下完成的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明的實施例針對一種調(diào)諧功率放大器，其包括:與表不振蕩器的電感的多個有載扼流圈串聯(lián)連接的調(diào)諧電容器，以及被連接到調(diào)諧電容器與有載扼流圈之間的串聯(lián)連接的多個半導(dǎo)體功率開關(guān)。有載扼流圈可以是被感應(yīng)加熱的燃料噴射器的感應(yīng)加熱線圈?？梢詫⒏袘?yīng)加熱線圈連接到共用電壓源?？梢允拱雽?dǎo)體功率開關(guān)的接通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)與調(diào)諧功率放大器的固有諧振頻率同步或者以處于其以下的頻率被同步。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是E類或F類放大器的常規(guī)負載布置的簡化電氣示意圖。
[0022]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的調(diào)諧功率放大器的簡化電氣示意圖。
[0023]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的調(diào)諧功率放大器的SPICE模擬的圖。
[0024]圖4是用于圖3的調(diào)諧功率放大器的一組條件的模擬結(jié)果的示例圖表。
[0025]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有多個有載扼流圈的調(diào)諧功率放大器的簡化電氣示意圖。
[0026]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有多個有載扼流圈的調(diào)諧功率放大器的SPICE模擬的圖。
[0027]圖7是用于圖6的調(diào)諧功率放大器的一組條件的模擬結(jié)果的示例圖表。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明的實施例針對驅(qū)動被加熱的燃料噴射器，其中，開關(guān)是經(jīng)由數(shù)目減少的電子部件在最低可能中斷功率下完成的，其導(dǎo)致與部件計數(shù)的減少相關(guān)聯(lián)的成本節(jié)省，同時仍實現(xiàn)了最低可能中斷功率下的開關(guān)。
[0029]本發(fā)明的實施例針對通過代替作為射頻扼流圈的一部分的負載而用射頻扼流圈來修改E/F類放大器，以便實現(xiàn)有載損耗部件的感應(yīng)加熱。
[0030]本發(fā)明的實施例消除了負載和負載電感器的常規(guī)位置，并用包括負載電感器和負載的扼流圈作為被感應(yīng)加熱的燃料噴射器的加熱器線圈來代替射頻扼流圈。這樣，不再需要常規(guī)方法通常需要的專用射頻扼流圈。
[0031]出于實用目的，將E、E/F和F類放大器描述為將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的調(diào)諧開關(guān)模式逆變器。在E、E/F和F類放大器的情況下效率相對較高，并且它們的功率開關(guān)的傳導(dǎo)率通常接近于50%。它們的傳導(dǎo)率被選擇為與包括電感部件和電容部件的一個或多個調(diào)諧電路的固有諧振同步地被切換為接通和關(guān)斷。調(diào)諧電路按照慣例被定位為與負載部件并聯(lián)或串聯(lián)。圖1示出了以常規(guī)方式與調(diào)諧電路串聯(lián)的負載。包括單獨的射頻扼流圈以提供對在調(diào)諧電路和負載中損失的能量的補充。射頻扼流圈按照慣例不是此調(diào)諧電路的一部分，其也不是用于感應(yīng)加熱的目的的損耗部件。本發(fā)明的實施例將射頻扼流圈與損耗部件相組合以用于感應(yīng)加熱的目的。這樣，扼流圈、其對其自己的自感的固有影響以及調(diào)諧電容器是仍用于調(diào)諧的東西。
[0032]本發(fā)明的實施例消除了負載和負載電感器的常規(guī)位置并用現(xiàn)在包括負載電感器和負載的扼流圈作為被感應(yīng)加熱的燃料噴射器的加熱器線圈來代替射頻扼流圈，如圖2中所示。此替換在圖3的SPICE模型的等效電路中變得清楚，其中，根據(jù)本發(fā)明的實施例負載和負載電感器分別由電阻器R6和電感器L4:L7被表示在它們的新位置處。不需要常規(guī)方法通常需要的專用射頻扼流圈。同樣地，也不需要附加的功率開關(guān)，使得根據(jù)本發(fā)明的實施例的調(diào)諧功率放大器能夠利用單個n-MOSFET進行工作。這樣，可以在扼流圈或負載電感器與調(diào)諧電容器之間形成諧振網(wǎng)絡(luò)。
[0033]理想地，當(dāng)開關(guān)器件中的電壓或電流為零時，應(yīng)向儲能電路補充能量。已經(jīng)知道電磁噪聲在零電壓或零電流開關(guān)期間較低，并且在零電壓開關(guān)期間是最低的。還已知的是，開關(guān)器件在零開關(guān)下耗散最小的功率。能量補充由半導(dǎo)體開關(guān)來使能，并且零電壓開關(guān)與調(diào)諧電路的諧振同步。這通過圖4中所示的模擬的結(jié)果被確認，其中，開關(guān)點與也是電容器電壓的漏電壓同步。
[0034]調(diào)諧電容器和扼流圈形成調(diào)諧電路。調(diào)諧電路的諧振頻率是/r = --(2π^?θ),其中，L是扼流圈的電感，并且C是調(diào)諧電容器的電容。調(diào)諧電路中的峰值電壓接近于關(guān)系式
V =π*ν.,其中，Vin是源電壓。調(diào)諧電路中的電流水平是根據(jù)= 的能量平
衡而被確定的。
[0035]由在扼流圈的噴射器加熱線圈內(nèi)部的被加熱部件的電阻性和磁滯損耗而引起的負荷真實地反映為調(diào)諧電路中的損耗。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該損耗由從源電壓流入扼流圈中的電流來補充。扼流圈還提供了調(diào)諧電路與電壓源的瞬間分離，使得儲能電壓可以在振蕩期間瞬時地高于源電壓。
[0036]可以通過從諸如振蕩器功率開關(guān)中的一個或多個的時變柵極電荷的參數(shù)來詢問調(diào)諧頻率來執(zhí)行溫度控制。先前在題為Frequency to Voltage Converter Using GateVoltage Sampling of Power Oscillator 的由 Perry Czimmek 發(fā)明的美國專利申請公開20100288755中公開了利用柵極電荷來確定儲能頻率的這種方法，其全部內(nèi)容在此通過引用而被合并。
[0037]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的調(diào)諧功率放大器的SPICE模擬的圖。
[0038]圖4是用于圖3的調(diào)諧功率放大器的一組條件的模擬結(jié)果的示例圖表。圖4示出了作為MOSFET開關(guān)的一個引線的Ql的漏電壓。柵極電壓是V2，其將是對MOSFET Ql進行接通和關(guān)斷的電壓。電流是流過負載電感器L4或者射頻扼流圈部件的電流。圖4示出了時變電流，其為噴射器電流。其具有DC偏置。其上至32安培且下至-16安培。此時變電流在產(chǎn)生熱量的負載電感器中產(chǎn)生時變場，并且該模擬顯示圖3的電路如所預(yù)期的那樣工作。
[0039]以與圖2中所示的方式相似的方式，本發(fā)明的實施例消除了負載和負載電感器的常規(guī)位置并用多個扼流圈作為多個被感應(yīng)加熱的燃料噴射器的加熱器線圈來代替射頻扼流圈，該扼流圈現(xiàn)在包括負載電感器和負載，如圖5中所示。在圖6的SPICE模型的等效電路中示出了此替換，其中根據(jù)本發(fā)明的實施例負載和負載電感器分別用電阻器R6和電感器L4:L7以及用電阻器R5和電感器L1:L6被表示在其新位置上。不需要如常規(guī)方法通常需要的專用射頻扼流圈。這樣，可以在多個有載扼流圈或負載電感器與共享的調(diào)諧電容器之間形成諧振網(wǎng)絡(luò)。
[0040]圖7是用于圖6的調(diào)諧功率放大器的一組條件的模擬結(jié)果的示例圖表。類似于上文所討論的圖4，圖7顯示圖6的電路如所預(yù)期的那樣工作。
[0041]可以將圖2的實施例視為表示單個通道，使得在扼流圈位置上存在一個被感應(yīng)加熱的燃料噴射器。在圖5的實施例中，使用單個共享調(diào)諧電容器來驅(qū)動多個噴射器。每個扼流圈都表示噴射器。因此，為了運行四個被感應(yīng)加熱的燃料噴射器，作為針對四個單獨的通道將圖2的實施例復(fù)制四次的替代，可以將圖5的實施例復(fù)制兩次，這有利地將被用于驅(qū)動相同數(shù)目的被感應(yīng)加熱的燃料噴射器的調(diào)諧電容器的數(shù)目減少一半。
[0042]應(yīng)將前述詳細描述理解為在每個方面都是說明性和示例性的，但不是限制性的，并且不是根據(jù)本發(fā)明的描述而是根據(jù)如根據(jù)專利法所允許的完全寬度而解釋的權(quán)利要求來確定本文公開的本發(fā)明的范圍。例如，雖然所述方法如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣對特定類的放大器進行參考，但可以用其他放大器類別或在根本不參考放大器類別的情況下使用變體。應(yīng)理解的是，本文所示和所述的實施例僅僅是本發(fā)明的原理的例證，并且在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員實現(xiàn)各種修改。
【權(quán)利要求】
1.一種調(diào)諧功率放大器，包括: 調(diào)諧電容器，其在多個串聯(lián)連接處與相應(yīng)的多個有載扼流圈串聯(lián)連接，其中，所述多個有載扼流圈被配置成表不振蕩器的電感； 多個半導(dǎo)體功率開關(guān)，所述多個半導(dǎo)體功率開關(guān)被連接到調(diào)諧電容器與所述相應(yīng)的多個有載扼流圈之間的所述多個串聯(lián)連接。
2.權(quán)利要求1所述的調(diào)諧功率放大器，其中，所述相應(yīng)的多個有載扼流圈包括被配置成執(zhí)行感應(yīng)加熱的多個損耗部件和多個電磁線圈。
3.權(quán)利要求1的調(diào)諧功率放大器，其中，所述相應(yīng)的多個有載扼流圈包括多個被感應(yīng)加熱的燃料噴射器的多個感應(yīng)加熱線圈。
4.權(quán)利要求3的調(diào)諧功率放大器，其中，所述多個感應(yīng)加熱線圈被連接到共用電壓源。
5.權(quán)利要求1的調(diào)諧功率放大器，其中，所述多個半導(dǎo)體功率開關(guān)的接通狀態(tài)和所述多個半導(dǎo)體功率開關(guān)的關(guān)斷狀態(tài)與調(diào)諧功率放大器的固有諧振頻率同步。
6.權(quán)利要求1的調(diào)諧功率放大器，其中，所述多個半導(dǎo)體功率開關(guān)的接通狀態(tài)和所述多個半導(dǎo)體功率開關(guān)的關(guān)斷狀態(tài)以調(diào)諧功率放大器的固有諧振頻率以下的頻率被同步。
【文檔編號】H03F3/20GK103916094SQ201310746512
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月31日
【發(fā)明者】P.R.齊梅克 申請人:大陸汽車系統(tǒng)公司