CN102953897B - 操作高频点火系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种操作高频点火系统的方法，其利用电压脉冲将用于产生电晕放电的电能馈送到HF点火系统中，在电压脉冲期间测量电变量的一系列测量值，并且对测量值进行评估以便检测故障，所述方法的特征在于通过确定测量值的波动范围的特征变量并将所确定的特征变量与阈值进行比较来对测量值进行评估，并且如果特征变量超过阈值，则产生错误信号。

Description

操作高频点火系统的方法
技术领域
本发明基于利用电晕放电点燃车辆发动机中的燃料的点火系统。这样的点火系统通常被称为电晕或HF（高频）点火系统。本发明涉及操作利用电晕放电点燃车辆发动机中的燃料的HF点火系统的方法。具有权利要求1的前序部分中指定的特征的方法可从DE102008061788A1获知。HF点火系统和操作HF点火系统的方法也可从EP1515594A2获知。
背景技术
HF点火系统使用电压转换器（例如，变压器）来从车载电压产生高电压，该高电压被用于与点火电极相连接的电力谐振电路的HF激励。因此，HF点火系统具有输入端连接到车辆的车载电网、并且输出端连接到点火电极的HF激励用的电力谐振电路的电压转换器。谐振电路的谐振频率通常介于30kHz和10MHz之间的范围内。交流电压在点火电极处通常达到30kV和500kV之间的值。
利用电晕放电点燃燃料是传统火花塞的代用方案，传统火花塞利用电弧放电实现点火、并且由于电极烧化而受到显著的磨损。电晕点火具有显著节省成本和提高燃料燃烧的潜力。然而，除了期望的电晕放电之外，在出故障的情况下也可能会发生电弧放电、火花放电或滑闪放电。
发明内容
本发明的目的是展示一种如何检测这样的故障的方法。
该目的是通过包含权利要求1中指定的特征的、在发动机正在运转时操作HF点火系统的方法以及通过根据权利要求6所述的、在由HF点火系统产生的电晕放电点燃燃料的发动机正在运转时操作点火系统的方法来实现的。本发明的有利改进是从属权利要求的主题。
在根据本发明的方法中，利用电压脉冲把电能馈送到HF点火系统中以便产生电晕放电。在该电压脉冲的持续时间期间，测量电变量（例如，由电压转换器根据电压脉冲生成的次级电压）的一系列测量值。对测量值进行评估以便检测故障。如果检测到故障，则生成错误信号，其优选地减小利用随后的电压脉冲馈送到HF点火系统中的能量以便激发另外的电晕放电。例如，可以减少电压脉冲的持续时间和/或电压。然而，错误信号也可以作为警告或错误信号被报告给发动机控制单元和/或可以存储在存储装置中从而可被读出以用于例如维护工作。
HF点火系统的故障在很大程度上基于以下事实：出现花火放电或滑闪放电而不是电晕放电，或者在电晕放电期间形成了火花放电或滑闪放电。这些放电可以代替电晕放电在点火电极处作为外部放电而发生，而且在HF点火系统内部有缺陷的情况下可以在内部发生。可以基于在放电期间或在把电压脉冲馈送到HF点火系统中以便产生电晕放电期间测量的电变量的特征曲线来检测这样的故障。为了检测故障，特别地可以测量电流强度和/或电压强度。然而，作为备选方案，可以测量其他电变量，例如HF点火系统中所包含的电力谐振电路的阻抗频率或谐振频率。
在本发明中，发现作为严重故障（特别是内部火花放电和滑闪放电）的前期阶段，会频繁发生次级电压（即，点火系统产生的高电压或其他电变量）的周期性波动。根据本发明，记录这些波动的发生，以便在早期阶段就已经能够检测出故障。
本发明的一个方面涉及确定测量值的波动范围的特征变量、并将该特征变量与预定阈值相比较的方法。如果波动范围的特征变量超过阈值，则假定发生故障并生成错误信号。作为测量值的波动范围的特征变量，可以使用其标准偏差。
本发明的第二方面涉及检测电测量对象的周期性波动并因而检测新出现的故障的另一种可能性。根据本发明，通过计算一系列测量值的频谱（例如通过时频变换、傅里叶变换或小波变换）、随后对于至少一个频率范围检查是否超过阈值，来对测量值进行评估。如果超过阈值，则生成错误信号。
电测量对象的周期性波动在大多数情况中以特征频率发生。为了检测故障，因此检查作为故障特征的频率所处的单个或一些频率范围通常就足以。此处，对于不同的频率范围可以使用不同的阈值。然而，优选的是，对于待评估的所有频率范围使用均一的阈值。
在馈送到HF点火系统中的用于生成电晕放电的电压脉冲的中间部分期间测量的测量值，对于HF点火系统的潜在故障的存在与否而言是特别有指示性的。
在电压脉冲的开始部分和结束部分期间，特征电变量变化相当大。甚至是在HF点火系统的无故障操作期间，电晕放电在电压脉冲的开始部分期间发生，并且电晕放电在电压脉冲的结束部分期间结束。当电晕放电被激发和结束时，电流、电压和其他电变量发生显著变化。相反，在正常运行的HF点火系统中，中间电压脉冲部分在很大程度上由恒定状态表征。因此，电压脉冲的中间部分以特别有利的方式适合于检测潜在故障。
在中间部分之前是由电压的上升和瞬时响应表征的开始部分。在通过馈送电压脉冲而生成的次级电压的瞬时响应之后，在无故障操作期间会发生基本上恒定的状态。
优选地，在HF点火系统的高电压端测量电变量。HF点火系统具有车载电网端和高电压端，其中在车载电网端和高电压端之间，布置有电压转换器，其根据车载电压生成高电压作为次级电压，优选地为至少15kV的电压，特别优选地为至少30kV，特别是至少为50kV。滑闪放电或火花放电在原则上也可以通过车载电网端的测量来检测；然而，滑闪放电或火花放电在高电压端测量的电变量中看起来似乎更清晰。高电压端可以包含中间电路，在该中间电路中可以以有利的方式测量电变量。
HF点火系统的故障（如火花放电或滑闪放电）可以基于以下事实：为了生成电晕放电，已经馈送了太多的能量。如果一检测到故障就减小利用随后的电压脉冲馈送到HF点火系统中的能量，则在许多情况下都可以消除故障。然而，也会发生的是，故障（例如滑闪放电）是基于HF点火系统的缺陷。因此，在根据本发明的方法中优选的是，预先确定利用电压脉冲馈送到HF点火系统中的能量的下限阈值，并且如果在该下限阈值处检测到HF点火系统出故障，则产生错误信号。错误信号可以是例如提供给发动机控制单元（ECU）或OBD（车载诊断）错误存储器的消息。如果甚至在具有这样的低能量的电压脉冲期间都发生火花放电或滑闪放电，则通常可以假定HF点火系统有缺陷并且应该尽可能迅速地被更换或修理。下限阈值优选地被指定成使得相应的能量足以生成电晕放电、并且因此至少足够用于HF点火系统的受限功能。
由于例如谐振频率的频率叠加可能会引起不正确的评估，因此可以在实际评估之前执行滤波。对例如谐振频率周围的频率范围内的电变量测量值的曲线进行滤波，使得能够详细且分别单独地分析作为评估特征的极值或上层波。
可以例如通过以恒定时间间隔测量电测量对象值、并排除处于这一系列值的开始和结束部分处的指定数目的测量值，来对电压脉冲的开始部分和电压脉冲的结束部分指定预定的时间段。优选地，除了电压脉冲的中间部分之外，电压脉冲的开始部分或结束部分期间的值也被考虑用于评估。例如，可以在每种情况中为开始部分和/或结束部分指定电变量的时间采集（timederivation）的不同目标范围。
附图说明
下面参考附图说明本发明进一步的细节和优点。
图1示意性地示出在无故障运行的HF点火系统中的电晕放电期间的电压曲线的实例。
图2示意性地示出在内部火花放电或滑闪放电的前期阶段期间的电压曲线的实例。
具体实施方式
图1示意性地示出在电晕放电期间HF点火系统的高电压端的电压的典型曲线。在图1以及随后的附图中，在每种情况中以作为次级电压施加到HF点火系统的点火电极的交流电压的均方根电压的形式绘出电压。交流电压具有优选地处于30kHz和10MHz之间的频率，特别优选地处于3MHz~6MHz范围内的频率。对应的电压曲线也可以在中间电路中测量。
图1中所示的电压曲线是通过把电压脉冲馈送到HF点火系统的车载电力端而生成的。通过在时刻t=0开始把电压脉冲馈送到车载电力端，HF点火系统的高电压端上的电压开始上升。在电压脉冲的开始部分之后，在时刻ta实现基本稳定的电晕放电。在电压脉冲随后的中间部分期间，电压几乎不变化并且典型地具有30kV和500kV之间的值。取决于发动机的当前工作点，该电压也可以具有低于30kV的值，例如只有15kV。
在电压脉冲的结束部分期间，均方根电压从先前达到的平稳值下降。电压脉冲的开始部分从t=0持续至t=ta。电压脉冲的中间部分从ta持续至tb。为了避免由于电压下降引起的不正确的测量值，有利的是，只把在时刻tb之前的时间间隔Δt处结束的时间间隔评估为中间部分。
图2示意性地示出在内部火花放电或滑闪放电的前期阶段期间发生的HF点火系统的高电压端上的电压曲线的实例。从图中可以看出，电压曲线由中间电压部分期间的周期性波动表征。在这些情况中，生成可用于点燃发动机中的燃料的电晕放电；然而，形成显著的较强的火花放电或滑闪放电、并且因此形成严重故障的风险增大，这会导致HF点火系统的损坏。在许多情况中，可以通过减小利用随后的电压脉冲馈送到HF点火系统中用于激发另外的电晕放电的能量，来有效地降低该风险。
图2中所示的测量值的周期性波动导致这一系列测量值在比图1中所示的理想曲线情况显著更宽的范围内波动。因此，可以通过确定测量值的波动范围的特征变量、并将所确定的特征变量与阈值相比较，来检测新出现的故障。如果特征变量超过阈值，则生成错误信号。波动范围的特征变量可以是例如测量值的标准偏差。阈值可以被预先确定为绝对值或者可以通过将常量与次级电压被可控地设定到的目标值相乘来计算。
也可以通过计算一系列测量值的时频变换（例如，小波变换或傅里叶变换），来检测表示故障的波动。时频变换的结果示出电压脉冲在ta和tb之间的中间部分期间发生的波动的频谱。通过对所计算的频谱的至少一个频率范围检查是否超过阈值，可以确定一系列测量值是否以作为故障发生特征的频率变化。监测的频率范围优选地低于作为次级电压而生成的HF点火系统的交流电压的频率。特别优选地，监测的频率范围低于交流电压的频率的一半，特别是低于交流电压频率的十分之一。

Claims (9)

1.一种操作HF点火系统的方法，其中利用电压脉冲将用于产生电晕放电的电能馈送到所述HF点火系统中，在所述电压脉冲期间测量电变量的一系列测量值，并且对所述测量值进行评估以便检测故障，所述方法的特征在于
通过确定所述测量值的波动范围的特征变量并将所确定的特征变量与阈值进行比较来对所述测量值进行评估，
如果所述特征变量超过所述阈值，则产生错误信号，并且
确定在所述电压脉冲的中间部分期间测量的测量值的波动范围的特征变量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征变量是标准偏差。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述错误信号使得利用随后的电压脉冲馈送到所述HF点火系统中以激发另外的电晕放电的能量被减小。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间部分在通过馈送所述电压脉冲而产生的次级电压的瞬时响应之后开始。
5.一种操作HF点火系统的方法，其中利用电压脉冲将用于产生电晕放电的电能馈送到所述HF点火系统中，在所述电压脉冲期间测量电变量的一系列测量值，并且对所述测量值进行评估以便检测故障，所述方法的特征在于
通过利用变换计算频谱来对所述测量值进行评估，并且
随后对计算出的频谱的至少一个频率范围检查是否超过阈值，并且如果超过阈值，则产生错误信号。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述变换之前对所述一系列测量值进行滤波。
7.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述HF点火系统具有车载电网端和高电压端，其中在所述车载电网端和所述高电压端之间布置有电压转换器，所述电压转换器根据车载电压来产生高电压，并且其中在所述HF点火系统的所述高电压端测量所述电变量。
8.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，测量电流和/或电压来作为电变量。
9.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，预先确定利用电压脉冲馈送到所述HF点火系统中的能量的下限阈值，并且如果在能量等于或低于所述下限阈值的电压脉冲期间检测到所述HF点火系统的故障，则产生警告信号。
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