CN101680820A - 无线电频率点火系统中的火花塞的污垢状况的诊断 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线电频率点火装置，其包含：控制装置(5)，其能够产生点火控制信号(V1)；供电电路(2)，其由点火控制信号(V1)控制，以便以由控制信号限定的频率将供电电压施加到供电电路的输出接口(OUT)上；至少一个等离子体产生谐振器(1)，其被连接到供电电路的输出接口，并能够在点火控制下在所述谐振器的两个电极(10，12)之间产生火花；其中，所述装置的特征在于包含：用于测量表示谐振器供电电压变化的电气参数的装置(6)；用于基于测量得到的电气参数和预定基准值来确定电极污垢状态的模块(7)。

Description

无线电频率点火系统中的火花塞的污垢状况的诊断

技术领域

本发明一般涉及用于在火花塞的两个电极之间产生等离子体的系统，其特别用于内燃机燃烧室内的气体混合物的受控微波点火。

背景技术

本发明特别涉及一种微波点火装置，其包含：

-控制装置，其能够产生点火命令信号，

-供电电路，其由点火命令信号控制，以便以由命令信号限定的频率将供电电压施加到供电电路的输出接口，

-至少一个等离子体产生谐振器，其被连接到供电电路的输出接口，并能够在点火命令期间在所述谐振器的两个电极之间产生火花。

对于等离子体产生机动车点火的应用，使用火花塞叠加线圈(coils-on-plugs)(在以申请人名义提交的下列专利申请中详细介绍：FR03-10766，FR 03-10767以及FR 03-10768)，其由谐振器1(见图1)建模，谐振器的谐振频率Fc大于1MHz，典型地在5MHz左右。谐振器包含串联的电阻器R、电感器L以及电容器C。火花塞叠加线圈的点火电极10和12连接到谐振器的电容器C的端子，使得当谐振器被供电时，可以产生多丝放电，以便发起发动机燃烧室内的混合物的燃烧。

具体而言，当谐振器以其谐振频率Fc

被供给高电压时，电容器Cs的端子上的幅度被放大，使得在厘米数量级的距离上，在高压下且对于小于20kV的峰值电压，在电极之间建立多丝放电。

于是，所用术语为“分支火花”，因为它们意味着给定体积内至少几条点火线或路径的同时发生，其分支也是全方向的。

对微波点火的这种应用要求使用能够产生典型地具有100ns数量级的电压脉冲的电源，其能达到1kV数量级的幅度，以非常接近于微波火花塞叠加线圈的等离子体产生谐振器的谐振频率的频率。谐振器谐振频率与电源运行频率之间的差越小，谐振器的过电压系数越高(其输出电压与其输入电压的幅度之比)。

图2原理性地示出了这样的电源，其在专利申请FR 03-10767中更为详细地给出。传统地，该电源使用被称为“E类功率放大器”的组件。这种类型的DC/AC转换器使得可以产生具有上面提到的特性的电压脉冲。

根据图2的实施例，这样的供电电路2具有功率MOSFET晶体管M和并联的谐振电路4，谐振电路4包含与电容器Cp并联的电感器Lp。晶体管M用作开关，以便控制并联谐振电路以及被设计为连接到供电电路输出接口OUT的等离子体产生谐振器1的端子上的开关。

用于控制供电电路的装置5适用于产生逻辑命令信号V1，其被设计为以必须基本固定在谐振器1的谐振频率上的频率施加到晶体管M的栅极。

刚才介绍的点火装置由在供电电路的电容器Cb的端子上存在的电压Vinter供电。电压Vinter可有利地由连接到电容器Cb的高电压电源供给，典型地由DC/DC转换器供给。

因此，接近于其谐振频率地，并联谐振器4将直流供电电压Vinter变换为放大的周期电压Va，对应于供电电压乘以并联谐振器的过电压系数并在开关晶体管M的漏极上施加到供电电路输出接口。

开关晶体管M于是以由命令信号V1定义的频率将放大后的供电电压Va施加到电源输出，用户将该频率寻求为尽可能接近火花塞叠加线圈的谐振频率。特别地，当存在点火命令时，为了能够设置微波点火装置谐振并使火花塞叠加线圈的电极端子上的电压最大化、从而获得希望的火花，火花塞叠加线圈必须基本上在其谐振频率上受到控制。

在燃烧发动机汽缸中的受控点火的背景下，火花塞叠加线圈被螺钉固定在发动机上，且其中心电极被容纳在发动机对应汽缸的燃烧室内。由于火花塞叠加线圈所产生的等离子体放电的发生，可产生火花塞污垢现象，其特征在于，以烟灰形式的燃烧废弃物沉积在中间电极上以及中心电极周围的陶瓷上。超过某个程度的污垢的这种现象使得火花塞叠加线圈的运行劣化，并导致不点火。

迄今为止，诊断火花塞叠加线圈电极污垢状态的最常用方法是将其从燃烧室内的位置移除，并通过目视分析来检查其污垢状态。

发明内容

本发明的目的在于改进微波火花塞叠加线圈的电极污垢状态诊断。

根据本发明、进一步地根据上面的部分对其所作定义的装置的本质特征在于包含：

-用于测量表示谐振器供电电压变化的电气参数的装置，以及

-用于作为测量得到的电气参数和预定基准值的函数来确定电极污垢状态的模块。

优选为，电气参数为供电电路的存储电容器端子上的电压，该电容器适用于在点火命令之前被充电到供电电压。

根据一实施例，供电电路包含由点火命令信号控制的开关，以便以命令信号所定义的频率将供电电压施加到输出接口。

有利的是，命令频率基本上等于等离子体产生谐振器的谐振频率。

所用的等离子体产生谐振器适用于在下列应用之一中进行点火：燃烧发动机的受控点火，颗粒过滤器中的点火，空气调节系统中的净化点火。

有利的是，根据本发明的装置包含供给关于电极污垢状态的信息的装置，所述装置被安装在机动车的人机接口上。

本发明还涉及用于诊断连接到供电电路输出接口的至少一个微波等离子体产生谐振器的点火电极污垢状态的方法，供电电路被配置为在点火命令期间以命令频率向所述输出接口传送供电电压，所述谐振器能够在点火命令期间在两个电极之间产生火花，所述方法的特征在于包含以下步骤：

-在点火命令期间，测量表示供电电压变化的电气参数的变化，

-将测量得到的变化与预定的基准值进行比较，

-作为测量得到的变化与基准值之间的差的函数，确定电极污垢状态。

优选为，供电电路存储电容器端子上的电压的变化被测量，所述电容器在点火命令之前被充电到供电电压。

根据一实施例，测量得到的变化由点火命令开始和结束时存储电容器端子上的电压量度之间的差引起。

有利的是，基准值对应于污垢之前的所述变化。

优选为，该方法包含向用户通知污垢状态的步骤。有利的是，被提供给用户的这样的信息使得可以向他通知未来的点火故障。

附图说明

参照附图，阅读下面作为示例性和非限制性实例给出的介绍，将会更加明了本发明的其他特征和优点，在附图中：

图1为对等离子体产生微波火花塞叠加线圈进行建模的谐振器；

图2示出了用于对图1的火花塞叠加线圈的谐振器进行命令的电源；

图3为一流程图，其示出了用于诊断火花塞叠加线圈电极污垢状态的方法的示例性应用；

图4示出了点火电极污垢在点火命令期间电源的电容器Cb的端子上的电压变化上的影响。

具体实施方式

根据本发明的点火装置包含用于测量表示点火命令期间等离子体产生谐振器的供电电压变化的电气参数的装置6以及能够作为所测量的电气参数和预定基准值的函数确定点火电极污垢状态的模块7。

所指的电气参数例如为供电电路的存储电容器的端子上的电压Tcb，其在点火命令的至少两个确定的时刻测量。

因此，在点火命令的两个确定的时刻上，例如在开始时以及在结束时或在刚好结束后选择的时刻上，通过例如使用对电压Tcb进行测量的电压表6，取Cb端子上的电压下降的量度。模块7例如可被装入控制装置5，于是，经由接收模块51读取此电气测量，接着，作为电压变化的此电气测量与预定基准值的函数地确定点火电极的污垢状态，如将在下面详细介绍的那样。

为了诊断点火电极污垢状态，点火命令的确定时刻上电容器Cb端子上的电压测量的选择来自下面的计算：

T_cb(t)为作为时间的函数的、电容器Cb端子上的电压；

V_m(t)为作为时间的函数的、电容器C端子上的电压；

在时刻t＝0时，命令信号V1被施加到开关M的命令栅极，由此，允许高电压以由命令信号V1规定的频率被施加到火花塞叠加线圈的谐振器的端子。

在时刻t＝D时，在点火命令信号施加时间段D后，火花在点火电极10和12之间产生。

火花塞叠加线圈的能量平衡显示：

$\frac{1}{2}\×\mathrm{Cb}\×({\left[\mathrm{Tcb}(t=0)\right]}^2-{\left[\mathrm{Tcb}(t=D)\right]}^2)=K\×\frac{1}{2}\×C\×({\left[\mathrm{Vm}(t=D)\right]}^2-{\left[\mathrm{Vm}(t=0)\right]}^2)$

其中，Vm(t＝0)＝0

$\mathrm{Vm}(t=D)=\sqrt{\frac{\mathrm{Cb}}{K\×C}({\left[\mathrm{Tcb}(t=0)\right]}^2-{\left[\mathrm{Tcb}(t=D)\right]}^2)}$

使：

T_{cb_n}(t)为当火花塞叠加线圈为新的时，也就是说，在点火电极污垢之前，在点火命令期间作为时间的函数的电容器Cb的端子上的电压；

T_{cb_e}(t)为当火花塞叠加线圈点火电极污垢时在点火命令期间作为时间的函数的电容器Cb的端子上的电压；

T_{m_n}(t)为当火花塞叠加线圈为新的时，也就是说，在点火电极污垢之前，在点火命令期间作为时间的函数的谐振器的电容器C的端子上的电压，

T_{m_e}(t)为当火花塞叠加线圈点火电极污垢时，在点火命令期间作为时间的函数的谐振器的电容器C的端子上的电压，这根据前面的公式给出：

$\mathrm{Vm}\_n(t=D)=\sqrt{\frac{\mathrm{Cb}}{C}({[\mathrm{Tcb}\_n(t=0)]}^2-{[\mathrm{Tcb}\_n(t=D)]}^2)}$

以及 $\mathrm{Vm}\_e(t=D)=\sqrt{\frac{\mathrm{Cb}}{C}({[\mathrm{Tcb}\_e(t=0)]}^2-{[\mathrm{Tcb}\_e(t=D)]}^2)}$

因此，当V_{m_e}(t)＜V_{m_n}(t)时，对于T_{cb_n}(t＝0)＝T_{cb_e}(t＝0)，可以由之推出下面的诊断点火电极污垢状态的公式：

T_{cb_e}(t＝D)＞T_{cb_n}(t＝D)。

换句话说，如图4所示，点火命令期间电容器Cb端子上的电压下降(其特征在于在时刻t＝D取的Cb端子上的电压的值和在时刻t＝0时取的此电压的值之间的差)随着点火电机污垢增加而减小。

对于基本等于谐振器谐振频率的命令频率，可以建立上面给出的能量平衡。具体而言，当微波火花塞叠加线圈的谐振器以其谐振频率受到控制时点火命令期间电容器Cb端子上的电压下降最大，在点火命令期间电容器Cb端子上取的电压测量用于诊断点火电极污垢状态更加明显。

图3示出了基于点火命令期间电源的电容器Cb的端子上的电压下降的测量来诊断点火电极污垢状态的算法。

第一步骤100在于，对于新的火花塞——即在点火电极污垢之前——确定在电容器Cb的端子上的电压下降基准值ΔT_cbRef，在点火命令的两个确定的时刻之间，在给定的点火条件下，其为已被供给的施加电压的值，施加命令信号V1的持续时间D及其命令频率被选择为例如基本等于谐振器的谐振频率。

在步骤101中，同样的电压值被施加，同样持续时间D的命令信号V1以同样的命令频率产生，并被施加到晶体管M的命令栅极，以便命令等离子体产生谐振器。

在步骤102中，电容器Cb的端子电压变化在点火命令的与为确定基准值所选择的时刻相同的确定时刻测量。例如，这些时刻对应于施加点火命令的时刻t＝0和t＝D，其中，电容器Cb的端子上的电压下降最为显著。测量电压下降T_cb(t＝0)-T_cb(t＝D)，对应于在施加命令信号V1的时刻t＝0和t＝D时，点火命令开始和结束时Cb端子上的电压变化，。

主要的一点仍然在于测量得到的变化值和基准值代表点火命令的相同时刻，进一步地代表相同的施加条件。

接着，在步骤103中，将这一测量得到的变化值T_cb(t＝0)-T_cb(t＝D)与预定基准值ΔT_cbRef进行比较。

在步骤104中，取决于计算得到的测量变化值与基准值之间的差是否超过某个阈值，确定点火电极的污垢状态。

在此实例中，作为主要为所用火花塞叠加线圈类型以及发动机运行条件的函数，本领域技术人员可确定多种阈值，超过该阈值，计算得到的差例如分别为点火电极的轻微污垢状态、污垢状态或高度污垢状态的特征。

作为一变型，可以想到在点火命令的各个时刻取电容器Cb的端子上的电压的测量。点火命令期间Cb端子电压下降的这些连续测量可由本领域技术人员最优地用于诊断点火电极的污垢状态。

在等离子体产生机动车点火的应用中，建议使用由此获得的火花塞污垢状态诊断来向驾驶者通知未来的点火系统故障。另外，供给关于火花塞污垢状态的信息的装置至少部分地被安装在机动车的乘员舱中。例如，取决于所诊断的故障的状态，故障发光二极管在车辆的人机接口上点亮，以便向驾驶者警示未来在点火系统上的点火故障。

还可想到应用火花塞叠加线圈劣化模式，对于该模式，电极污垢状态诊断指示出未来的故障，其中，火花塞叠加线圈以特定电压通过对其幅度、其频率及其持续时间进行编程而受到控制，以便减缓部件的劣化。

Claims (11)

1.一种微波点火装置，其包含：

-控制装置(5)，其能够产生点火命令信号(V1)，

-供电电路(2)，其由点火命令信号(V1)控制，以便以由命令信号限定的频率将供电电压施加到供电电路的输出接口(OUT)，

-至少一个等离子体产生谐振器(1)，其被连接到供电电路的输出接口，并能够在点火命令期间在所述谐振器的两个点火电极(10，12)之间产生火花；

所述装置的特征在于包含：

-用于测量表示谐振器供电电压变化的电气参数的装置(6)，以及

-用于作为测量得到的电气参数和预定基准值的函数来确定电极污垢状态的模块(7)。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于，电气参数为供电电路的存储电容器(Cb)端子上的电压，该电容器适用于在点火命令之前被充电到供电电压。

3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，供电电路包含由点火命令信号(V1)控制的开关(M)，以便以命令信号所定义的频率将供电电压施加到输出接口。

4.根据权利要求1-3中任意一项的装置，其特征在于，命令频率基本上等于等离子体产生谐振器的谐振频率。

5.根据权利要求1-4中任意一项的装置，其特征在于，等离子体产生谐振器适用于在下列应用之一中进行点火：燃烧发动机的受控点火，颗粒过滤器中的点火，空气调节系统中的净化点火。

6.根据权利要求1-5中任意一项的装置，其特征在于包含供给关于电极污垢状态的信息的装置，所述装置被安装在机动车的人机接口上。

7.一种用于诊断连接到供电电路(2)输出接口(OUT)的至少一个微波等离子体产生谐振器的点火电极(10，12)的污垢状态的方法，供电电路被配置为在点火命令期间以命令频率向所述输出接口传送供电电压，所述谐振器能够在点火命令期间在两个电极之间产生火花，所述方法的特征在于包含以下步骤：

-在点火命令期间，测量(102)表示供电电压变化的电气参数的变化，

-将测量得到的变化与预定的基准值(100)进行比较(103)，

-作为测量得到的变化与基准值之间的差的函数，确定(104)电极污垢状态。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，供电电路存储电容器(Cb)端子上的电压的变化被测量，所述电容器在点火命令之前被充电到供电电压。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，测量得到的变化由点火命令开始和结束时存储电容器(Cb)端子上的电压量度之间的差引起。

10.根据权利要求7-9中任意一项的方法，其特征在于，基准值对应于污垢之前的所述变化。

11.根据权利要求7-10中任意一项的方法，其特征在于包含向用户通知污垢状态的步骤，以便向他通知未来的点火故障。

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