CN101743395B - 用于内燃机的无线电频率点火系统中的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量装置，其特征在于包含：用于无线电频率点火的供电电路(2)，其包含变压器(T)和两个电极(11，12)，变压器的副方绕组(L_N)连接到具有高于1MHz谐振频率的至少一个谐振器(1)，电极能够在点火控制下产生火花；测量电容器(Cmesure)，其串联连接在副方绕组和谐振器之间；与谐振器相关联的内燃机汽缸内的燃烧气体的点火电流(Iion)的测量电路(DIFF)，所述电路被连接到测量电容器的端子；和/或用于测量在点火控制下谐振器端子上的电压(Vout)的测量电路(RED)，所述电路被连接到测量电容器的端子。

Description

用于内燃机的无线电频率点火系统中的测量装置

技术领域

本发明涉及内燃机电子受控微波点火系统中的测量装置，其适用于测量发动机汽缸中的气体的点火电流和/或测量点火命令期间点火火花塞的电极的端子上的电压。

背景技术

发动机的汽缸中的气体的点火电流典型地在点火结束后测量，其有一些特别有利的应用，例如，用于识别不点火，用于检测震性(pinking)之中与燃烧室压力峰值对应的角度。

用于为传统点火系统测量点火电流的电路是已知的，其中，运行在于：在产生点火火花塞的电极之间的火花之后，对燃烧室的混合物进行极化，以便测量由于火花的传播引起的电流。

按照惯例，这种电路放在连接到火花塞的点火线圈的副方绕组的底部。

然而，这些电路需要专门用于传统点火的特性，且因此不适用于使用微波火花塞叠加线圈(coil-on-plug)型(BME)点火火花塞的如以申请人名义提交的专利申请FR 03-10766、FR 03-10767、FR 03-10768所详细介绍的等离子体产生点火系统。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种适用于微波点火系统的测量点火电流的装置。

另一目的在于，基于同样的装置，无论是否附加于测量点火电流，进行点火命令期间微波火花塞叠加线圈的电极的端子上的电压的测量。

以此为目的，因此，本发明涉及一种测量装置，其特征在于包含：

-用于供给微波点火的电路，其包含变压器和两个电极，变压器的副方绕组连接到具有大于1MHz谐振频率的至少一个谐振器，电极能够在点火命令期间产生火花，

-测量电容器，其串联连接在副方绕组和谐振器之间，

-用于测量与谐振器相关联的内燃机汽缸内的燃烧气体的点火电流的电路，所述电路被连接到测量电容器的端子，和/或

-用于在点火命令期间测量谐振器的电极端子上的电压的电路，所述电路被连接到测量电容器的端子。

根据一实施例，在变压器和谐振器的接地返回导线上，测量电容器串联连接在变压器的副方绕组和谐振器之间。

有利的是，该装置包含与变压器原方绕组并联连接的阻尼电阻器。

根据另一特征，该装置包含直流电源，其连接到变压器的副方绕组的底部。

优选为，用于测量点火电流的电路包含对测量电容器端子之间的电位差进行微分的电路。

优选为，用于测量振荡器的电极端子上的电压的电路包含用于对测量电容器的端子上的峰值电压进行整流的电路。

根据一实施例，变压器的原方绕组在一侧被连接到电源电压，在另一侧被连接到受到命令信号控制的至少一个开关晶体管的漏极，开关晶体管以由命令信号所定义的频率将电源电压施加到原方绕组的端子。

有利的是，变压器包含可变变压比。

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示出了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示出了根据现有技术的供电电路，其使得可以将微波范围内的交流电压施加在火花塞叠加线圈的端子上；

图3示出了图2的电路的变型；以及

图4示出了根据本发明适用于测量点火电流以及点火命令期间火花塞的电极端子上的电压的供电电路。

具体实施方式

受控微波点火背景下使用的火花塞叠加线圈电气等效于谐振器1(见图1)，其谐振频率Fc大于1MHz，并典型地在5MHz左右。谐振器包含串联的电阻器Rs、感应线圈Ls以及电容器Cs。火花塞叠加线圈的点火电极11、12被连接到谐振器的电容器Cs的端子，使得当谐振器被供电时可以产生多丝放电，从而发起发动机燃烧室中的混合物的燃烧。

具体而言，当谐振器以其谐振频率被供给高电压时，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25kV的峰值电压，在电极之间建立多丝放电。

于是，这被称为分支火花，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于是要求使用能够产生典型地具有100ns数量级的电压脉冲的供电电路，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。

图2原理性地示出了这种供电电路2，其在专利申请FR 03-10767中更为详细地阐释。微波火花塞叠加线圈的供电电路传统地使用被称为“E类伪功率放大器”的组件。这种组件使得可以产生具有上面提到的特性的电压脉冲。

这种组件包含：中间直流电源Vinter，其可从0到250V变化；MOSFET功率晶体管M；并联谐振电路4，其包含与电容器Cp并联的线圈Lp。晶体管M被用作控制被设计为连接到供电电路的输出接口OUT的等离子体产生谐振器1以及并联谐振电路的端子开关的开关。

晶体管M在其栅极上受到由命令级3供给的逻辑命令信号V1的控制，其频率必须基本固定在谐振器1的谐振频率上。

中间直流供电电压Vinter可有利地由高电压电源提供，典型地由DC/DC转换器提供。

因此，接近其谐振频率，并联谐振器4将直流供电电压Vinter变换为放大的周期电压，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施加到供电输出，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，从而在火花塞叠加线圈的电极端子上产生建立和保持多丝放电必需的高电压。

因此，晶体管以大约5MHz的频率开关强电流，并具有可达到1kV的漏极-源极电压。晶体管的选择因此是关键性的，需要电压和电流之间的折中。

根据图3所示的变型，并联线圈Lp于是由具有1和5之间的变压比的变压器T代替。变压器的原方绕组L_M在一侧连接到供电电压Vinter，另一侧连接到开关晶体管M的漏极，以由命令信号V1规定的频率控制供电电压Vinter向原方绕组端子的施加。

变压器的副方绕组L_N的一侧经由接地返回导线6连接到地，变压器的副方绕组L_N对于自己的部分被设计为连接到火线塞叠加线圈。通过这种方式，通过包括接地返回导线6在内的连接导线5、6连接到副方绕组端子的火花塞叠加线圈的谐振器1因此由变压器的副方绕组供电。

变压比的适应于是使得可以减小晶体管的漏极-源极电压。然而，原方绕组上的电压的减小带来了经过晶体管的电流的增大。于是，可以通过例如放置受到同一控制级控制的并联的两个晶体管来补偿这种压力。

于是，图4示出了为本发明的需求对上面参照图3所介绍的电路的适应。

为了做到这一点，具有图4中标为Cmesure的电容的测量电容器首先被提供为串联连接在微波点火供电电路2的变压器副方绕组和微波等离子体产生谐振器1之间，在变压器和谐振器的接地返回导线6上。

如下面将会更为详细地看到的那样，基于这一同样的测量电容器，将可以测量燃烧室内气体燃烧过程中的点火电流和/或测量点火命令期间火花塞叠加线圈的电极端子上的电压。

相同地，提供12和250V之间且因此为电池电压或中间直流供电电压Vinter的电压Vpolar的直流电源被设计为经由电阻器Rpolar连接到变压器的副方绕组的底部。这一电源的角色是相对于发动机的汽缸盖对连接到供电电路的输出的火花塞叠加线圈的高电压电极进行极化。

最后，如果必要，阻尼电阻器Rstrop可放置为与变压器T的原方绕组并联。这种电阻器使得，一旦晶体管M不再受控制，也就是说在产生火花之后，可以对原方绕组端子上的剩余电压进行阻尼。此电阻器的存在有利地使得在点火命令结束后马上测量点火电流成为可能，如将在下面详细看到的那样。

图3的供电电路特别适用于测量点火电流。点火电流对应于燃烧室内火焰边缘的传播。因此，其为使得监视所发生燃烧的类型和发展成为可能的信号。这种点火电流在火花结束后至少1ms可测量，并具有20μA数量级的幅度。另外，点火电流在点火结束后测量。

具体而言，例如在6250rpm，发动机进行10^-2s或26μs/°的旋转。由于燃烧持续大约40°的曲轴，100μs的公差(或在最大发动机速度下大约4°的曲轴)在点火后是允许的，以便衰减由于点火引起的测量电路的错乱(dazzling)。

如上面所述的，阻尼通过在火花塞叠加线圈连接到的输出处附加与变压器原方绕组并联的电阻器来改进。

根据本发明，点火电流在测量电容器Cmesure的端子上测量。为了做到这一点，微分型的测量电路DIFF被连接到测量电容器Cmesure的端子。

点火电流因此在测量电容器Cmesure的端子上在燃烧期间测量。燃烧期间的等效放电可通过大约500千欧的电阻器Rion来建模，其与等离子体产生谐振器1的电容器Cs并联连接。

根据图4的示例性实施例，用于测量点火电流的微分电路DIFF包含被供以电压Vlow的运算放大器10，其反相输入经由标记为C的电容器连接到测量电容器Cmesure的端子，电容器C的值等于例如100nF，运算放大器的非反相输入经由一个且相同的电容器C连接到测量电容器的另一端子，其输出Vs经由例如等于100欧姆的标为R的电阻器闭环回到非反相输入。

非反相输入也借助放大器的供电电压受到偏置。此电压Vlow首先由电路RC滤波，电路RC包含具有等于例如4/5R的值的电阻器，其与电容器C1串联。因此受到滤波的电压V_A于是经由分压电阻桥被施加到非反相输入，分压电阻桥包含两个电阻器，各个具有例如等于2R的值。

微分电路的输出电压Vs因此为电容器Cmes的端子上的电位差的微分，即：

$\mathrm{Vs}=R\frac{C}{\mathrm{Cmesure}}\mathrm{Iion}+\frac{\mathrm{Va}}{2}\≈R\frac{C}{\mathrm{Cmesure}}\mathrm{Iion}+\frac{4}{10}\mathrm{Vlow}$

Iron为点火电流。于是，经过电容器Cmesure的电流直接由此推断，其为点火电流：

$\mathrm{Iion}\≈\frac{\mathrm{Cmesure}}{\mathrm{RC}}\mathrm{Vs}+\mathrm{Cste}$

其中， $\mathrm{Cste}=\frac{4\mathrm{Cmesure}}{10\mathrm{RC}}$

除了根据上面阐释的原理适合在燃烧过程中测量点火电流以外，由于被串联放置在变压器T和谐振器1之间的测量电容器，图3的供电电路还能适用于测量点火命令期间在火花塞叠加线圈的电极端子上的电压Vout(也就是说，在命令信号被施加到晶体管M的同时)。这样的电压测量可用于建立火花的最优控制。

为了做到这一点，整流器电路RED被连接到测量电容器Cmesure的端子，使得可以采集在点火命令期间测量电容器端子上的峰值电压。整流器电路通过放置与具有值R1的电阻性负载串联的二极管D产生，R1被选择为例如等于100欧姆，在其端子上，在点火命令期间，获得电压V’s，其有利地与火花塞叠加线圈的电极端子上的高电压Vout成比例。

具体而言，由于变压器的干扰电容可忽略，电绝缘使得可以具有经过测量电容器Cmesure和对火花塞叠加线圈进行建模的谐振器1的电容器Cs的相同的电流。因此，这根据下面的关系给出了电容性分压器(认为二极管D的端子上的电压降所产生的差可忽略)：

$\frac{V^{\′}s}{\mathrm{Vout}}=\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Cmesure}}$

例如，在Cs＝20pF，Cmesure＝40nF，Vout在0和24kV之间时，得到下面的结果：

$0\&le;V^{\&prime;}s\&ap;\frac{\mathrm{Vout}}{2000}<12V$

出于对整流器电路进行最优化的目的，可以将图4中标为C3的断开电容器放在二极管D的上游并与之串联，其具有例如等于100nF的值，并将电阻器R3接到地，出于消除整流器电路输入上的信号的直流分量的目的。具有例如等于1nF的值的标为C2的电容器与整流器电路输出上的电阻性负载并联，使得可以存储电压的峰值。

因此，测量在点火命令期间测量电容器Cmes端子上的电压使得可以获得作为火花塞叠加线圈的电极端子上的电压的镜像的测量。

这样的测量有利地使得可以：

-获知火花塞叠加线圈的击穿电压；

-通过寻找最大放大，进行谐振器1的谐振频率的搜寻；

-通过测量幅度的瞬时崩溃来识别桥效应(bridging)(即谐振器的电容器Cs的突然放电，导致单个火花而不是分支火花)；以及

-诊断供电电路和火花塞叠加线圈之间的断开。

本申请的背景下介绍的解决方案基于串联安装在微波点火供电电路输出上的同一测量电容器使得进行点火电流测量以及点火命令期间火花塞叠加线圈的电极端子上的电压测量二者或进行这些测量中的一种或另一种成为可能，这取决于选择出于在电容器Cmesure的端子上进行这些测量的目的对上面介绍的两种电路进行集成还是对这些电路中的仅仅一个或另一个进行集成。

Claims (8)

1.一种测量装置，其特征在于包含：

-用于供给微波点火的电路(2)，其包含变压器(T)和两个电极(11，12)，变压器的副方绕组(L_N)连接到具有大于1MHz的谐振频率的至少一个谐振器(1)，电极能够在点火命令期间产生火花，

-测量电容器(Cmesure)，其串联连接在副方绕组和谐振器之间，

-用于测量与谐振器相关联的内燃机汽缸内的燃烧气体的点火电流(Iion)的电路(DIFF)，所述电路被连接到测量电容器的端子，和/或

-用于测量在测量电容器端子上的电压的电路(RED)，其适用于供给与点火命令期间谐振器电极端子上的电压(Vout)成比例的电压(V’s)。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于，在变压器和谐振器的接地返回导线(6)上，测量电容器(Cmesure)串联连接在变压器的副方绕组和谐振器之间。

3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于包含与变压器原方绕组并联连接的阻尼电阻器(Rstop)。

4.根据权利要求1或2的装置，其特征在于包含直流电源(Vpolar)，其连接到变压器的副方绕组的底部。

5.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，用于测量点火电流的电路(DIFF)包含对测量电容器端子之间的电位差进行微分的电路。

6.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，用于测量在测量电容器端子上的电压(Vout)的电路包含用于对测量电容器的端子上的峰值电压进行整流的电路。

7.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，变压器的原方绕组在一侧被连接到电源电压(Vinter)，在另一侧被连接到受到命令信号(V1)控制的至少一个开关晶体管(M)的漏极，开关晶体管以由命令信号所定义的频率将电源电压施加到原方绕组的端子。

8.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，变压器(T)包含1和5之间的变压比。

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