CN102418643A - 用于火花点燃式发动机失火控制的装置及方法 - Google Patents

用于火花点燃式发动机失火控制的装置及方法 Download PDF

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本发明公开了一种用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其包括：点火线圈，为火花塞提供点火电源；火花塞，在气缸内进行点火；离子电流检测单元，检测点火线圈的离子电流，并发送给微控制单元；信号处理单元，接收发动机工作状态信号，并在处理后发送给微控制单元；微控制单元，根据接收到的离子电流和发动机工作状态信号判断是否发生失火；点火驱动单元，若存在失火，则驱动点火线圈并控制火花塞点火。本发明还公开了一种用于火花点燃式发动机失火控制的方法。本发明通过失火控制使失火造成的危害最小化。

Description

用于火花点燃式发动机失火控制的装置及方法
技术领域
本发明涉及发动机控制技术，尤其涉及火花点燃式发动机缸内燃烧检测和控制的方法及装置。
背景技术
依据美国加州大气资源局(CARB)法规的定义，发动机失火是指由于点火能量不足、混合气过稀或过浓、压缩不良或其他原因引起缸内不发生燃烧或燃烧不良现象。
当出现失火现象时，燃烧过程的平均指示压力大大减小，发动机的性能恶化。
研究表明，大约2％的失火率就会使有害排放物超过1.5倍的排放标准限制。
更严重的是，未燃的混合气达到催化器后发生燃烧，极易造成催化器损坏。
为了避免失火导致上述危害，诊断系统应该对发动机失火进行监测，并判断出是哪一个气缸发生失火，及时采取措施防止因失火衍生出的各种危害。
在目前的车载诊断系统的中，最常用的失火检测方法是利用曲轴位置传感器的信号进行失火的判断。
但是这种方法在路况恶劣时容易发生误诊断，而且需要额外的重力加速度传感器，另外这种方法只能在发动机一定工况范围内使用，特别是高速小负荷时有严重的缺陷。
失火判断最可靠的方法是利用缸内压力传感器，但是缸内压力传感器价格极其高昂，而且对安装有苛刻的要求，使用寿命也较短。
通过氧传感器和排气压力传感器也可以用于检测失火，但是它们也存在一些缺点，例如装置成本较高，响应迟滞和不能判断具体是哪一个气缸失火。
现有技术只涉及了检测失火的方法，但未提及检测到失火后，采取何种实时地补偿性措施能够及时和有效地防止失火造成的危害。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题和难点，提供一种用于火花点燃式发动机失火控制的装置及方法，在检测到失火后，立即进行补火操作，使失火可能造成的危害最小化。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
一种用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其包括：
点火线圈，为火花塞提供点火电源；
火花塞，在气缸内进行点火；
离子电流检测单元，检测点火线圈的离子电流，并发送给微控制单元；
信号处理单元，接收发动机工作状态信号，并在处理后发送给微控制单元；
微控制单元，根据接收到的离子电流和发动机工作状态信号判断是否发生失火；
点火驱动单元，根据微控制单元的判断结果，若存在失火，则驱动点火线圈并控制火花塞点火。
进一步，所述点火线圈，其初级电路一侧接蓄电池正极，另一侧接点火驱动单元，其次级线圈一侧接离子电流检测单元，另一侧接火花塞；
所述火花塞，其一侧接点火线圈的次级线圈，另一侧接地；
所述离子电流检测单元，其一侧接点火线圈的次级线圈，并接地，另一侧连接微控制单元的模数转换模块；
所述信号处理单元，其一侧与采集发动机工作状态信号的传感器连接，另一侧连接微控制单元的输入模块；
所述微控制单元，其输入模块与信号处理单元连接，其输出模块与点火驱动单元连接；
所述点火驱动单元，其一端与微控制单元的输出模块相连，另一端与点火线圈的初级线圈连接。
所述发动机工作状态信号，包括：
曲轴位置信号，由转速-曲轴位置传感器采集；
凸轮轴相位信号，由凸轮轴相位传感器采集；
点火信号，由发动机电子控制单元施加的信号。
所述微控制单元，根据曲轴位置信号和凸轮轴相位信号来计算发动机的曲轴转角以及各缸当前的工作状态；以点火信号下降沿作为离子电流信号采集和计算窗口的开始时刻，以点火信号之后的第n(0＜n＜40)个曲轴转角时刻作为离子电流信号采集和计算窗口的结束时刻，并判断窗口期间所述离子电流信号关于曲轴转角的积分结果值是否小于失火阈值，若小于，则判定发动机任一个气缸发生失火并立即执行补火操作；输出点火驱动信号至点火驱动单元。
所述离子电流检测单元，包括电容、第一瞬态抑制二极管、第二瞬态抑制二极管、检测电阻和电压跟随器，第一瞬态抑制二极管的正极接点火线圈，负极接检测电阻和电压跟随器，并与电容并联；第二瞬态抑制二极管的正极接地，负极接电容，并与检测电阻并联。
所述离子电流信号由离子电流检测单元检测，并由微控制单元的数模转换模块采集，且曲轴位置信号作为数模转换模块的触发信号，每触发一次采集一次离子电流信号。
所述点火驱动单元选用功率MOSFET或者IGBT及其它们的前级驱动电路。
所述信号处理单元对发动机工作状态信号进行滤波、限幅、整形和缓冲处理。
其还包括：
存储器，用于存储失火故障信息和补火信息；
通讯单元，实现微控制单元与发动机电子控制单元之间通讯。
一种用于火花点燃式发动机失火控制的方法，其包括以下步骤：
步骤S501：微控制器单元接收到点火信号；
步骤S502：结合发动机工作状态信号，即曲轴位置信号和凸轮轴相位信号，判断是哪一个气缸点火，然后输出点火驱动信号至点火驱动单元，执行点火操作；
步骤S503：以点火信号下降沿作为离子电流信号采集和计算窗口的开始时刻；
步骤S504：离子电流检测单元检测离子电流，微控制单元以点火信号下降沿作为离子电流信号采集和计算窗口的开始时刻，以点火信号之后的第n(0＜n＜40)个曲轴转角时刻作为离子电流信号采集和计算窗口的结束时刻，采集和计算离子电流计算信号；
步骤S505：判断发动机是否运转了n个曲轴转角，如果是，到达离子电流信号采集和计算窗口的结束时刻，进入步骤S506；如果否，回到步骤S504；
步骤S506：判断离子电流信号关于曲轴转角的积分值是否小于失火阈值，如果是，进入步骤S507；如果否，进入步骤S509；
步骤S507：判定发生失火，而且判断是哪一个气缸发生失火；
步骤S508：执行补火操作，即微控制单元再一次输出点火驱动信号至点火驱动单元，火花塞再点火引燃混合气；
步骤S509：不执行补火操作。
所述失火阈值通过试验标定确定。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：不仅能够精确和可靠地进行失火诊断，而且检测到失火后，立即进行补火操作，即火花塞再点火引燃混合气，使失火可能造成的危害最小化。
附图说明
图1为本发明的用于火花点燃式发动机失火控制的装置原理示意图。
图2为本发明的一种离子电流检测单元的电路结构原理图。
图3为正常燃烧时离子电流信号和缸内压力的试验曲线图。
图4为发生失火时离子电流信号和缸内压力的试验曲线图。
图5为本发明的失火控制的流程图。
图6为发生失火并进行补火时的离子电流信号和缸内压力的试验曲线图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
图1是一种用于火花点燃式发动机失火控制的装置原理示意图。该装置包括点火线圈、火花塞102、离子电流检测单元103、信号处理单元104、微控制单元105和点火驱动单元106，离子电流检测单元103以串联方式接入由点火线圈的次级线圈110、火花塞102以及地112构成的回路中，其中地也可视为发动机缸体。离子电流检测单元103检测到的离子电流信号113输入与其相连的微控制单元105的模数转换模块ADC。发动机工作状态信号经过信号处理单元104的滤波、限幅、整形和缓冲处理后进入微控制单元105的输入模块INPUT，其中发动机工作状态信号包括曲轴位置信号115、凸轮轴相位信号116和点火信号117。曲轴位置信号115和凸轮轴相位信号116分别由安装于发动机上的转速-曲轴位置传感器和凸轮轴相位传感器采集，其中转速-曲轴位置传感器可采用磁电式传感器、霍尔效应式传感器或者光电式传感器，凸轮轴相位传感器采用霍尔效应式传感器。点火信号117即为汽车启动后，由发动机ECU施加的信号。发动机的正常点火驱动由本发明装置完成。
微控制单元105根据曲轴位置信号115和凸轮轴相位信号116来计算发动机的曲轴转角以及各缸当前的工作状态。其中微控制单元105捕捉到曲轴位置信号115中的判缸信号后，即可知道1缸上止点位置，结合凸轮轴相位信号116又可区分该上止点位置是压缩上止点还是排气上止点，然后根据曲轴位置信号115的提供的时序即可判断各缸是处于进气、压缩、做功还是排气冲程。例如四缸发动机各缸的点火时序为1-3-4-2，当判定当前曲轴位置为1缸压缩上止点时，当前点火的为1缸，发动机曲轴转过180度后，又为3缸点火，以此类推。
微控制单元105以曲轴位置传感器信号115作为采集离子电流的数模转换模块ADC的触发信号，每触发一次采集一次离子电流信号，离子电流信号由离子电流检测单元103(如图2)检测，并由微控制单元105采集。点火线圈的初级线圈109一侧接蓄电池正极111，另一侧接点火驱动单元106的一侧，点火驱动单元106的另一侧接微控制单元105的输出模块OUTPUT，这里的点火驱动单元可选用功率MOSFET或者IGBT及其它们的前级驱动电路。微控制单元105通过控制点火驱动单元106来闭合或者断开点火线圈的初级线圈109回路，执行点火操作。微控制单元105接收点火信号117，微控制单元105的输出模块OUTPUT输出点火驱动信号114，执行一次点火操作，同时以点火信号117的下降沿作为离子电流信号113采集和计算窗口的开始时刻，以点火信号之后的第n(0＜n＜40)个曲轴转角时刻作为离子电流信号采集和计算窗口的结束时刻，采集和计算离子电流计算信号；在发动机运转了n个曲轴转角后，判断离子电流信号关于曲轴转角的积分结果值是否小于失火阈值，若小于，则判定发动机任一个气缸发生失火并立即执行补火操作。根据离子电流信号113计算结果判定发动机任一个气缸发生失火后，微控制单元的输出模块OUTPUT输出又一次点火驱动信号114，执行一次补火操作，火花塞102再点火引燃混合气。另外，存储器107用于信息和数据存储，由此微控制单元105可以将失火故障信息(比如失火百分率)和补火信息保存在存储器中，以便故障分析。通讯单元108与发动机ECU通讯，或接受指令和数据，或将失火故障信息(比如失火百分率)和补火信息发送至发动机ECU的车载诊断系统，满足第二代车载诊断系统(OBD-II)关于失火诊断的要求。
图2是本发明的离子电流检测单元103电路结构原理实施例，其中包括：电容201、第一瞬态抑制二极管204、第二瞬态抑制二极管203、检测电阻206和电压跟随器205。
第一瞬态抑制二极管204的正极接点火线圈101，负极接检测电阻206和电压跟随器205，并与电容201并联。在点火放电阶段，放电电流以路径202给电容201充电，充电电压由第一瞬态抑制二极管204限制；点火放电结束后，电容201成为偏置电源，若燃烧正常，离子电流以路径207流过检测电阻206。
第二瞬态抑制二极管203的正极接地112，负极接电容201，并与检测电阻206并联。在点火放电阶段第二瞬态抑制二极管203作为电流旁路；在点火放电结束后，燃烧形成的离子电流会在检测电阻206两端形成电压，此电压信号经过电压跟随器205的阻抗变换处理，最后以离子电流信号113输出。第二瞬态抑制二极管203还限制了检测电阻206两端的最大电压，以避免电压信号幅值过大导致后续电路损坏。
图3为正常燃烧时离子电流信号和缸内压力的试验曲线图。其中，离子电流信号即为图1和图2中所述的离子电流信号113(下同)。一般地，正常燃烧时，离子电流信号113中含有三种成分：点火线圈闭合感应信号301、点火放电振荡信号302和燃烧离子电流信号303。当点火初级线圈109闭合时，即点火信号117的上升沿时刻，点火初级线圈109中的电流突然增大，会在点火次级线圈110上产生感应电势，引起与之相接的离子电流检测单元103中检测电阻206两端的电势差发生变化，从而产生了点火线圈闭合感应信号301。当点火放电时，由于点火线圈的次级线圈110、火花塞102以及离子电流检测单元103构成的系统发生振荡，于是产生了点火放电振荡信号302。发动机正常燃烧时，大量电离离子在火花塞102正负极间的电场驱动下形成离子电流，并被离子电流检测单元103检测出成为燃烧离子电流信号303。
图4为发生失火时离子电流信号和缸内压力的试验曲线图。对应点火信号117，离子电流信号中只有点火线圈闭合感应电流信号401、点火放电振荡电流信号402。因为发生失火，所有没有图3中所述的燃烧离子电流信号303。
图5为失火控制的流程图。失火控制依照以下步骤进行：
步骤S501：微控制器单元接收到点火信号；
步骤S502：结合发动机工作状态信号，即曲轴位置传感器信号和凸轮轴相位传感器信号，判断是哪一个气缸点火。然后输出点火驱动信号至点火驱动单元，执行点火操作。
步骤S503：以点火信号下降沿作为离子电流信号采集和计算窗口的开始时刻。
步骤S504：离子电流检测单元103检测离子电流，微控制单元105采集和计算离子电流计算信号。如采集和计算窗口的开始时刻后，曲轴转角转过1度，曲轴位置信号115将触发微控制单元105采集一次离子电流信号，信号大小为U1＝0.5V，以曲轴转角为积分变量的积分值：
S1＝U1×1°＝0.5(V·°)
曲轴转过2度，微控制单元105第二次采集的离子电流信号大小U2＝0.8V，以曲轴转角为积分变量的积分值：
S2＝U1×1°+U2×1°＝1.3(V·°)
依此类推。
步骤S505：判断发动机是否运转了n个(例如20个)曲轴转角，如果是，到达离子电流信号采集和计算窗口的结束时刻，进入步骤S506；如果否，回到步骤S504。
步骤S506：判断离子电流信号积分值是否小于失火阈值，如果是，进入步骤S507；如果否，进入步骤S509。例如S20＝3(V·°)，而失火阈值Smisfire＝4.4(V·°)，因为S20＜Smisfire，所以进入步骤S507
步骤S507：判定发生失火，而且判断是哪一个气缸发生失火，记录失火信息。例如微控制单元105根据曲轴位置信号115和凸轮轴相位信号116来计算发动机的曲轴转角为1缸压缩上止点后200度(180度时为3缸的压缩上止点)，此时3缸处于做功冲程，即可根据离子电流的信号判定此时3缸发生失火。
步骤S508：执行补火操作，即微控制单元再一次输出点火驱动信号至点火驱动单元，火花塞再点火引燃混合气。
步骤S509：不执行补火操作。
所述失火阈值通过试验标定确定，例如在试验标定中，用缸内压力传感器的信号作为失火判定基准，发动机失火时，计算此时的离子电流信号113的积分值S＝4(V·°)，然后将此积分值加上一个修正值(S×0.1)作为失火阈值Smisfire＝S+S×0.1＝4.4(V·°)。
图6为发生失火并进行补火时的离子电流信号和缸内压力的试验曲线图。对应点火信号117，离子电流信号中只有点火线圈闭合感应电流信号601、点火放电振荡电流信号602。离子电流信号在窗口607间被采集和计算，微控制单元根据离子电流信号113的积分计算结果小于失火阈值，判定失火发生，立即执行补火操作。对应补火阶段，也有点火线圈闭合感应信号603、点火放电振荡信号604。补火成功后，图6中出现了燃烧离子电流信号605，而且图6中的缸内压力要比图4中的更高，意味着补火点燃了混合气，使失火可能造成的危害最小化。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：其包括：
点火线圈，为火花塞提供点火电源；
火花塞，在气缸内进行点火；
离子电流检测单元，检测点火线圈的离子电流，并发送给微控制单元；
信号处理单元，接收发动机工作状态信号，并在处理后发送给微控制单元；
微控制单元，根据接收到的离子电流和发动机工作状态信号判断是否发生失火；
点火驱动单元，根据微控制单元的判断结果，若存在失火，则驱动点火线圈并控制火花塞点火。
2.如权利要求1所述的用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：所述点火线圈，其初级电路一侧接蓄电池正极，另一侧接点火驱动单元，其次级线圈一侧接离子电流检测单元，另一侧接火花塞；
所述火花塞，其一侧接点火线圈的次级线圈，另一侧接地；
所述离子电流检测单元，其一侧接点火线圈的次级线圈，并接地，另一侧连接微控制单元的模数转换模块；
所述信号处理单元，其一侧与采集发动机工作状态信号的传感器连接，另一侧连接微控制单元的输入模块；
所述微控制单元，其输入模块与信号处理单元连接，其输出模块与点火驱动单元连接；
所述点火驱动单元，其一端与微控制单元的输出模块相连，另一端与点火线圈的初级线圈连接。
3.如权利要求1或2所述的用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：所述发动机工作状态信号，包括：
曲轴位置信号，由转速-曲轴位置传感器采集；
凸轮轴相位信号，由凸轮轴相位传感器采集；
点火信号，由发动机电子控制单元施加的信号。
4.如权利要求1或2所述的用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：所述微控制单元，根据曲轴位置信号和凸轮轴相位信号来计算发动机的曲轴转角以及各缸当前的工作状态；以点火信号下降沿作为离子电流信号采集和计算窗口的开始时刻，以点火信号之后的第n个曲轴转角时刻作为离子电流信号采集和计算窗口的结束时刻，并判断窗口期间所述离子电流信号关于曲轴转角的积分结果值是否小于失火阈值，若小于，则判定发动机任一个气缸发生失火并立即执行补火操作，其中0＜n＜40；输出点火驱动信号至点火驱动单元。
5.如权利要求1或2所述的用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：所述离子电流检测单元，包括电容、第一瞬态抑制二极管、第二瞬态抑制二极管、检测电阻和电压跟随器，第一瞬态抑制二极管的正极接点火线圈，负极接检测电阻和电压跟随器，并与电容并联；第二瞬态抑制二极管的正极接地，负极接电容，并与检测电阻并联。
6.如权利要求4所述的用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：所述离子电流信号由离子电流检测单元检测，并由微控制单元的数模转换模块采集，且曲轴位置信号作为数模转换模块的触发信号，每触发一次采集一次离子电流信号。
7.如权利要求1或2所述的用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：所述点火驱动单元选用功率MOSFET或者IGBT及其它们的前级驱动电路。
8.如权利要求1或2所述的用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：所述信号处理单元对发动机工作状态信号进行滤波、限幅、整形和缓冲处理。
9.如权利要求1或2所述的用于火花点燃式发动机失火控制的装置，其特征在于：其还包括：
存储器，用于存储失火故障信息和补火信息；
通讯单元，实现微控制单元与发动机电子控制单元之间通讯。
10.一种用于火花点燃式发动机失火控制的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤S501：微控制器单元接收到点火信号；
步骤S502：结合发动机工作状态信号，即曲轴位置信号和凸轮轴相位信号，判断是哪一个气缸点火，然后输出点火驱动信号至点火驱动单元，执行点火操作；
步骤S503：以点火信号下降沿作为离子电流信号采集和计算窗口的开始时刻；
步骤S504：离子电流检测单元检测离子电流，微控制单元以点火信号下降沿作为离子电流信号采集和计算窗口的开始时刻，以点火信号之后的第n个曲轴转角时刻作为离子电流信号采集和计算窗口的结束时刻，采集和计算离子电流计算信号，其中，0＜n＜40；
步骤S505：判断发动机是否运转了n个曲轴转角，如果是，到达离子电流信号采集和计算窗口的结束时刻，进入步骤S506；如果否，回到步骤S504；
步骤S506：判断离子电流信号关于曲轴转角的积分值是否小于失火阈值，如果是，进入步骤S507；如果否，进入步骤S509；
步骤S507：判定发生失火，而且判断是哪一个气缸发生失火；
步骤S508：执行补火操作，即微控制单元再一次输出点火驱动信号至点火驱动单元，火花塞再点火引燃混合气；
步骤S509：不执行补火操作。
11.如权利要求10所述的用于火花点燃式发动机失火控制的方法，其特征在于：所述失火阈值通过试验标定确定。
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