CN102454529A - 能够检测电离的高能单模等离子点火系统 - Google Patents

Abstract

一种能够检测电离的高能单模等离子点火系统，包括具有初级绕组和次级绕组的升压变压器；与初级绕组相连的单能量源，该单能量源为电容；与次级绕组相连的火花塞间隙，从该电容产生的能量经过初级绕组、次级绕组后在火花塞间隙生成火花；附加电路，其一端与该电容的初级放电端相连，另一端与该火花塞间隙相连。电容能量源既可用于产生初始高电压火花，击穿火花塞间隙，也可提供后续电流来延续高能等离子弧的燃烧。相对于目前的点火系统，这种结合电离检测的等离子点火方法，仅用一个电容产生所需的高能量火花点燃油气混合物，并维持生成电离电流的的高电压，方便与火花塞上线圈点火系安装在一起，具有体积小，成本效益高等特点。

Description

能够检测电离的高能单模等离子点火系统

技术领域

本发明涉及单模高能点火系统和方法，通过测量由火花点火的内燃发动机火花塞上间隙的电离电流，确定各个气缸的燃烧状态。

背景技术

火花塞间隙电离和发动机不点火的关系已为汽车行业所熟知(见Miyata等人的文章″Flame Ion Density Measurement Using Spark Plug VoltageAnalysis″，《应用火花塞电压分析方法测量火焰离子浓度》，汽车工程师协会SAE技术文章编号930462)。火花塞生成火花时，火花塞周围的气体被电离化，火花塞间隙中的电传导性也随之增加，发动机启动后在火花塞间隙两端的电压产生电流，即电离电流。测量和分析电离电流可以提供燃烧过程的信息，电离电流的大小也是燃烧的一个指数，低电流和零电流可能意味着发动机不点火。发动机敲缸，空然比估测，火花塞积碳和其他燃烧参数也可由测量和分析电离电流推导出来。

已知的电离电流检测系统利用流过火花塞间隙的电离电流来测量内燃发动机的燃烧效率。事实上，这些系统的特点是采用两个分离的能量源，第一个能量源在火花塞间隙上形成火花，第二个能量源即生成火花塞间隙的电流，又提供电压产生电离电流，该电离电流可被检测电路检测出来。美国专利号5321978，Brandt等公开了用附加电源制造电压和产生电离电流的方法，这种方法的局限在于附加电源只提供制造电压和产生电离电流的功能。双能源点火系统(美国专利5197448，作者PORRECA等)和电离检测点火系统(美国专利5777216，作者VAN DUYNE等)通过第一和第二能量源将点火过程分为两个阶段，制造火花和制造电弧。第一能量源以导电方式连接到火花塞间隙使得第一能量源释放的能量在火花塞间隙产生高电压而制造火花；第二能量源和火花塞间隙的连接方式不仅要求第一和第二能量源的相互干扰最小，也通过低阻尼电路提供火花塞间隙的强电流，使得第二能量源释放的能量足够维持火花塞间隙的电弧。换言之，第二能量源除了可供电离电流检测的火花塞间隙电压，还能够在由火花生成的火花塞间隙之间的低阻尼回路上放电，增加正常点火时的低电流高电压火花的能量。

双能量源的应用不仅是两个直流转换器向两个独立能量源，如电容充电，而且需要两个高压二极管将电离电路与初级点火电路分离。作为双能量源的电容充电部件价格昂贵，包括高成本的高压二极管，直流转换器，耐久金属膜电容和其他附件。另外，如果一个二极管不工作，相应的气缸不能点火；如果第二能量源充电部件内部的任意组件出故障，电离电路和等离子火花弧都不能产生。

所以，为了满足发动机点火工艺的期望，电离电流检测装置必须使用单能源生成稳定的电离电流输出信号，并满足成本低，组件少的特点。

发明内容

本发明的基本目的是提供一个简单装置检测电离并计算电离电流，用单能量源达到前述制造火花和制造电弧的两项功能，效率高，成本低。本发明为单模等离子点火系统，只用一个能量源，通过附加电路减少电离电流检测装置和高电压火花装置的相互干扰。附加电路连接电容的初级放电端与火花塞间隙，点火线圈或高压变压器的次级绕组也经过一个单向阻断元件与火花塞间隙相连。单能量源通过变压器初级绕组提供火花塞间隙放电需要的火花能量，而由于初级绕组线圈的高阻抗特性，制造火花的多余能量通过附加电路及阻断元件直接作用于火花塞间隙，形成高电流等离子弧；在火花和等离子弧之后，单能量源继续在火花塞间隙充电升压，使得电离电流流过火化塞间隙。检测，计算和分析电离电流及其他数据如点火启动时间，气缸周期等，可以提供燃烧过程的信息，如局部点火或不点火，敲缸，估测空燃比和火花塞性能等。

本发明采用的单模高能点火系统，由一个电容作为单能量源与检测装置耦合，检测装置通过阻断元件后与附加电路相连，测量火花塞间隙的电离。本发明提供高效和经济的电离测量，同时保留了双能量源点火的固有优势。主要表现在，当燃料在被触发高电压点燃的瞬间，检测电路内的一个电阻有离子电流通过，所产生的压降提供了一个电离信号，该信号显示燃烧室气体离子化的程度；通过处理器对该信号的滤波和数字化分析，导出气缸的各种燃烧特性参数，处理器可以分析这些数据并存储起来备用；另外，检测电路还包含一个齐纳二极管，使电弧电流在有效点火时绕过电阻，提高测量精度和点火效率。由此可见，本发明使用很少的他器件便可实现准确测量。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出已有双能源点火系统电离检测示意图。

图2示出单模高能电容放电点火系统离子检测示意图。

具体实施方式

本发明的特点是在气缸内部产生高能等离子火花，随后对通过气缸火花塞间隙的离子电流检测采样分析。当高电压火花在火花塞间隙形成时，直接与火花塞端点相连的附加电路将通过阻断电路输入的单能量源能量充分放电，达到提高点火效率，降低燃烧排放水平，提高热效率的目的。阻断元件的作用是保证放电电流的单向移动，保护变压器初级线圈的电子元件不被次级线圈的高电压影响。在本发明中，同一个能量源即可向变压器初级线圈放电，最终导致在火花塞间隙生成火花电弧，同时也将存储的多余能量放电出去，维持和提高火花电弧的能量；而且，该能量源提供火花消失期间在火花塞间隙流动的离子电流。测试、适时采样和分析此离子电流可得到每一个气缸燃烧过程的各项参数。

作为参考，图1对以前的技术“双能源点火”和“电离检测系统”有一个概念性说明，详见美国公开专利号5777216(爱德华Edward Van Duyne等)。这个专利公开了一个由电压增幅变压器10组成的点火火花生成装置，其作用是在火花塞间隙11产生火花。第二能量源是一个电容18，由直流转换器21充电，功能是在火花塞间隙11上制造一个高能电流弧，同时提供火花塞间隙11上的电压以便测量离子电流。重要的是，第二能量源18对火花塞间隙有一个放电电路。高压二极管17将放电电路与变压器初级线圈端隔离，同时保护第二能量源18不受高压变电器10的次级线圈生成的高电压的干扰。这里的要点是，第二能量源释放的能量通过一个低阻尼线向火花塞间隙11输送，高压阻断元件17保证第二能源输出的电流朝火花塞间隙11单向流通。由高电压，高点电流转换装置组成的触发电路如硅控整流管5可用于触发电容4对变压器10的放电，这一快速放电输入变压器8次级绕组端很高的电压，该电压将火花塞间隙的物质离子化并产生火花。

在变压器10的次级端有第二能量源对电容18充电，电容18存储的能量在火花形成后放电到火花塞间隙产生长电弧。第二能量源提供火花消失期间在火花塞间隙流动的离子电流，分析电路对离子电流测试，采样和分析可得到每一个气缸燃烧过程的各项参数。

与上不同的是，本发明的概念描述如图2所示为一个可以检测离子电流的高能等离子点火系统。火花生成装置包括初级充电器12，线圈驱动电路13，SCR电路5和调幅变压器10，主要目的是在火花塞间隙生成火花。初级充电器12向电容能量源4充电和补充能量。电离检测电路23利用能量源4制造和检测火花塞间隙的离子电流，它利用能量源4作为电压源，生成的离子电流流经电阻15，使得电流可被测量。电离检测电路23包括一个电阻15，火花塞间隙11，高压二极管6和电容4。当火花和电弧消失时，电容4由初级充电器12快速充电，储存在偏压充电后电容4内的能量提供火花塞间隙间的电压，由此产生的电流即为电离电流。电离电流在火花塞间隙周围形成的电离水平和气缸电离水平之间有固定的函数关系。如果电流超过特定的阈值，燃料就会燃烧；如果电流低于阈值，气缸内只有部分燃料燃烧或不点火。电离电流可由电阻15上的电压降测量显示，该电压降提供电离信号25。由于对电容4充电产生的高频噪音和电容4放电时在电阻15上的偏压，电离信号25的分析会被干扰，有选择性地提取电离信号25是必须解决的问题。大多数时候，模拟多路调制器26提供适当的直流偏压给高通滤波器27，在气缸燃烧过程中，它也提供电离电流25给高通滤波器27。这样，噪音电流和直流偏压在进入放大器28之前被从电离电流25中过滤掉。另外一个去除噪音电流的方法是采用低通滤波器26替代模拟多路调制器26或两者合用。去除噪音和偏压后，放大器28将电离信号放大，信号处理器29分析电离信号25从而确定燃烧过程中的不同参数，包括检测不点火。内存区30存储从处理器29得到的分析数据以备用。

电离检测电路23还包含一个齐纳二极管16。与电阻15并联的齐纳二极管16，起两个重要作用。第一，由于电弧电流相当大，精确测量细小的电离电流非常困难，齐纳二极管16帮助限制电阻15的电压差，保护放大电路及电阻15，这样，电阻15可选用更好，更敏感的电阻，使得电离信号25能被更好地测量。第二也是更重要的是，齐纳二极管16可以反向“淹没”导通，为从电容4放电的电弧电流提供一个低阻尼旁路，绕过电阻15，这是点火系统有效运行的必须步骤。没有齐纳二极管16，电弧电流会遇到由电阻15产生的相当高的阻尼而衰减。所以，理想的设计是电路阻尼降到最低，从而使得火花塞间隙11的电流和电弧强度达到最高。图2的各个元件设计是为了达到这个目的。例如，高压大电容4由电源充电至一定数值高压，电源1包括由12伏驱动的高频直流脉冲电源，触发SCR可控硅，升压变压器10的绕组比为1∶100，其间高压二极管6可承受数万伏高压和50毫安以上的脉冲电流，齐纳二极管16和电阻15并联，用于限制电阻15的电压为一固定数值。

为了避免电磁干扰，最好屏蔽电路。另外，各个元件最好靠近火花塞，减少强电流及电磁干扰放电回路(即天线)。

下面说明燃烧过程中的各项参数如何由电离信号25确定。一个简单的例子是燃烧区间可以表示由电离信号25大于某个阈值的时间来表示。另一个例子是发动机敲缸，亦即燃烧比声速更快。发动机敲缸产生的5-8KHz范围的声波，可以通过电离信号25检测，处理器29可以分离和分析5-8KHz范围的电离信号波形，这个波形一旦被测到，说明发动机敲缸产生了，处理器存储这些分析数据在内存区30以备用。第三个例子是空燃比，电离和空燃比的关系在SAE技术文章930462(《利用火花塞电压分析法测量火焰离子浓度》，作者Miyata等)中有说明。电离时间的长短和电离信号25的衰减率体现了空气/燃料的比例关系。这样，点火系统实验测试能够得出特定发动机设计的参考曲线，该参考曲线显示出电离水平在某一发动机气缸内与空燃比的关系。输入处理器29这些相关数据后，处理器29能够分析电离信号25并导出空燃比估计值，同样的空燃比数据也要存储在内存区中。两个其他的例子是火花塞积碳和提前点火，表现为电离电流在没有燃料燃烧的发动机周期内被检测出来；如果检测到电离信号25持续时间过长表示为火花塞积碳；在发动机点火之前检测到电离信号25表示为提前点火。这些特性数据都要输入到内存区30中去。还有一个有用的测量参数是发动机进角位置，得到这个数据的方法在内燃机领域广为人知。发动机进角位置为所有从电离信号25导出的处理器分析数据提供一个参考点。比如说，从电离信号25导出的发动机敲缸对应于相关的发动机进角位置，如果发动机敲缸数据分析和进角位置存储在内存区30内，技术人员可以调用这些信息为以后的发动机修理和调试作参考。类似的发动机进角位置的数据也与不点火，燃烧时间长短，发动机敲缸，空燃比和提前点火有关联，可以作为有效的诊断工具。而且，一旦发动机进角位置确定，最佳压力位置也可由最大电离信号25大致确定。最佳压力位置的确定对于发动机性能参数的优化非常重要，其一，为了从给定数量燃料的燃烧中得到最大扭矩，气缸中的最大压力必须产生在压缩冲程上止点后的10至15度角。其二，为了降低燃烧温度，减少氮氧化合物的排放，最大压力必须在压缩冲程上止点后15度角之后。这样，利用从电离信号25导出的发动机进角控制减少排放便成为可能。

Claims (19)

1.一种能够检测电离的高能单模等离子点火系统，包括：

具有初级绕组和次级绕组的升压变压器；

与初级绕组相连的单能量源，该单能量源为电容；

与次级绕组相连的火花塞间隙，从该电容产生的能量经过初级绕组、次级绕组后在火花塞间隙生成火花；

附加电路，其一端与该电容的初级放电端相连，另一端与该火花塞间隙相连，该附加电路包含一阻断元件，该阻断元件保证电流的单向流动。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一电离检测电路，通过该电容在该火花塞间隙产生电压，该检测电路测量该火花塞间隙上生成的电离电流并发出电离信号。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，该电离检测电路包括沿着该附加电路与该电容的阻断元件后端连接的电阻，电压沿电阻下降产生电离信号。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括过滤电离信号的直流偏流的高通滤波器，以及过滤电离信号的高频噪音的低通滤波器。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，，该检测电路带有增强电离信号的放大器。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，，该检测电路包含齐纳二极管，该齐纳二极管与所述电阻并联，使得维持电弧的电流能够绕过电阻。

7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含处理器，该处理器通过分析该电离信号来诊断发动机不点火。

8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含处理器，该处理器通过分析该电离信号来诊断发动机的敲缸。

9.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含处理器，该处理器通过分析该电离信号来估算发动机的空燃比。

10.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含处理器，通过分析该电离信号确定火花塞积碳程度。

11.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含处理器，通过分析电离信号诊断发动机的点火提前。

12.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包含处理器，通过分析电离信号确认发动机的燃烧持续时间。

13.如权利要求7至12任一项所述的系统，其特征在于，还包含内存区，存储该处理器的分析数据以备用。

14.如权利要求7至12任一项所述的系统，其特征在于，还包含计算发动机点火进角的测量装置，该处理器分析与电离信号相关的点火进角。

15.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包含测量器，该测量器用于计算发动机点火进角。

16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，还包含内存区，存储发动机进角数据以备用。

17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，还包含处理器，通过分析该电离信号和发动机点火进角，确定最佳压力位置。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包含内存区，存储最佳压力位置以备用。

19.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包含内存区，存储电离信号以备用。

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