CN103244332B - 多气缸发动机点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多气缸发动机点火系统，包括：充电储能模块，其中存储有电能；多个点火线圈，每个发动机气缸配置一个点火线圈；点火分配模块，也与多个点火线圈连接，点火分配模块接收充电储能模块的电能；多个火花塞，每个发动机气缸配置一个火花塞，且每个火花塞与相应发动机气缸的点火线圈连接；控制单元，其确定待点火发动机气缸号，且控制充电储能模块给点火线圈多次放电；检测反馈装置，其检测被打火后的火花塞电压和/或火花塞电极间的离子电流；其中，控制单元根据检测反馈装置的检测结果确定是否再次启动充电储能模块再次给待点火发动机气缸的点火线圈多次放电。本发明的点火系统能够对点火状况进行反馈，确保有效点火。

Description

多气缸发动机点火系统

技术领域

发明涉及高能点火系统，具体涉及一种大缸径天然气发动机高能点火系统，也可以是其它多气缸发动机的点火系统，属于火花点火内燃机点火控制技术领域。

背景技术

传统电容放电点火装置工作原理见图1。升压电路将24V(或12V)直流电压升到400V左右的直流电压，以此对电容充电。当触发电路输出触发脉冲时可控硅导通，电容通过可控硅对点火线圈放电。

这种电容放电式电子点火装置具有如下优点：

a.由于储能电容的充电电压高，充足电时间极短，而可控硅迅速导通速率又极高，因此，次级电压几乎不受发动机转速的影响。

b.次级电压上升速率高，一般在3-20us，因此，在火花塞因积炭等原因而使次级回路绝缘电阻下降时，其对最高次级电压影响较小。换句话说，电容储能式点火系统对火花塞积炭不敏感，在火花塞积炭、高压回路漏电不太严重的情况下，仍能保持良好的点火性能。

c.由于电容储能方式只是在点火的瞬间有较大的电流通过点火线圈、而在其他的时间里点火线圈不通电流，因此，点火线圈的平均电流小，其工作温度低，使用寿命长。

d.电容储能方式电能的消耗随发动机转速的增加而增加，而在发动机怠速时电能消耗最少。这一特点对蓄电池极为有利，因为在发动机怠速时，往往需要蓄电池提供电能。

e.整个储能过程能量损失小，点火线圈的能量转换效率高。

但是，这种传统电容放电电路的最大缺点是放电时间短不一定能够实现跳火，这样就妨碍了发动机的点火功能。

具体来说，传统电容放电电路主要存在以下问题：

没有对火花塞是否跳火进行检测，没有据此对点火进行反馈控制；

没有对混合气是否燃烧进行检测，没有据此对点火进行反馈控制；

对每缸每循环的点火次数不能灵活控制，浪费电能，减少点火模块、火花塞等点火系统零部件的寿命。

已有点火系统一般针对具体的机型进行设计，配置不灵活，适用面窄。

发明内容

本发明针对现有技术的弊端，提供一种发动机点火系统，其目的是能够及时反馈火花塞是否执行的点火操作和/或气缸内是否确实点火成功的信息，以此再决定是否还要继续进行点火操作。

本发明的另一个目的在于，提供的点火系统能够一次实现多次点火，提供点火成功率。

本发明的又一个目的在于，提供的点火系统通过升压以节能的方式实现可靠点火，保证气缸点火成功，又不过分浪费能源。

为此，本发明提供了一种多气缸发动机点火系统，包括：

充电储能模块，其中存储有电能；目的是为了给点火线圈放电

多个点火线圈，其数量与发动机气缸数相当，每个发动机气缸内设置一个点火线圈；

点火分配模块，其与充电储能模块连接，也与多个点火线圈连接，点火分配模块接收充电储能模块的电能，并分配给多个点火线圈中的待点火发动机气缸中的点火线圈；

多个火花塞，其数量与发动机气缸数相当，每个发动机气缸内设置一个火花塞，且每个火花塞与相应发动机气缸内的点火线圈通过升压装置连接；

控制单元，其确定待点火发动机气缸，且控制充电储能模块给待点火发动机气缸中的点火线圈多次放电，使得相应的火花塞多次打火；例如连续打火4次。

检测反馈装置，其检测被打火后的火花塞电压和/或火花塞上的离子电流，且将检测结果反馈给控制单元；火花塞电压是一个高压，点火之前得到点火线圈放电时约为4万伏，而点火时约为5000伏，因此如果能够检测到火花塞两电极之间的电压经过升压到上万伏后又降低达到5000伏左右，就能够确定执行了点火操作。为了更准确地了解点火状况，还需要考虑是否真的点着了气缸内的燃气。气缸内燃气燃烧和不燃烧火花塞两电极之间的离子电流不同，因此通过测定离子电流，能够更准确地了解是否燃烧。混合气燃烧之后，火花塞两电极之间的离子电流会明显增大。

其中，控制单元根据检测反馈装置的检测结果确定是否再次启动充电储能模块再次给待点火发动机气缸中的点火线圈多次放电。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，所述充电储能模块包括两组充电电路，每组充电电路交替对点火线圈进行放电。交替放电的目的是为了避免采用单一充电电路进行放电，放电后还需要等待充电时间的问题。也就是在第一组电路放电之后，若未点火成功，则可以在第一组电路充电的同时，立即采用第二组电路进行放电打火。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，每组充电电路包括：

电源；

升压器，其与电源连接，用于将电源电压进行升压；

多个蓄电电容，其数量与火花塞打火次数相当，蓄电电容与升压器连接，接受升压后的电能进行充电；

放电控制电路，其中包括多个放电控制器件，其与所述多个蓄电电容一一对应，控制蓄电电容向点火线圈放电。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，每组充电电路中还包括：

放电触发脉冲产生电路，其与所述放电控制电路连接，放电触发脉冲产生电路接收到控制单元发出的触发信号产生脉冲信号激活放电控制电路。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，每个蓄电电容向点火线圈放电一次，各蓄电容一次性连续放电。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，每组充电电路中还包括：电容电量检测电路，其检测蓄电电容的电量，并将检测结果反馈至控制单元。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，控制单元接收凸轮轴位置传感器的信号和曲轴位置传感器的信号，并根据两者的信号确定待点火发动机气缸。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，所述检测反馈装置中包括火花塞电压检测模块，当检测到火花塞上电压达到4000～6000V时，确定为执行了点火操作。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，所述发动机为大缸径多气缸天然气发动机。

优选的是，所述的多气缸发动机点火系统中，所述发动机有六个气缸和/或蓄电电容有四个。

本发明根据火花塞的电压对火花塞是否跳火进行检测，据此对点火进行反馈控制；根据火花塞附近的离子电流对混合气是否燃烧进行检测，据此对点火进行反馈控制；对每缸每循环的点火次数进行灵活控制，检测到混合气燃烧后，不再继续点火，避免浪费电能；系统中的关键零部件充电储能模块中的充放电电路与储能电容有一定的冗余，提高了系统的可靠性。

换言之，本发明提供一种大缸径天然气发动机高能点火系统，采用可以灵活控制火花数量的电容放电点火技术，提高每个火花的放电能量，延长火花放电周期，通过点火高压检测电路和火花塞离子电流检测模块对点火进行双反馈控制，该系统不仅能提高点火能量，延长火花放电周期，从而扩展混合气稀燃极限，还可以提高发动机燃烧效率、降低发动机失火频率、改善发动机经济性、动力性和排放性、提高系统可靠性。

本发明的大缸径天然气发动机高能点火系统，包括电子控制单元(ECU)、充电储能模块、火花塞高压及离子电流检测模块、点火分配模块、点火线圈、高压线和火花塞、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器；充电储能模块包括2组充电电路、每组充电电路同时给4组蓄电电容充电、2组4个连续的放电触发脉冲产生电路、2组每组4个放电控制电路、两组蓄电电容电量检测电路。

其连接关系为：凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器与ECU相连，ECU接收来自凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器的信号，ECU与充电储能模块相连，并输出信号给充电储能模块，充电储能模块与点火分配模块相连，点火分配模块与点火线圈相连，给点火线圈提供电能，点火线圈通过高压线与火花塞相连，向火花塞释放高压，给混合气点火；火花塞与火花塞高压及离子电流检测模块相连，把施加在火花塞上的高压和缸内的离子电流信号通过火花塞送给火花塞高压及离子电流检测模块，火花塞高压及离子电流检测模块把处理后的信号再传给ECU，ECU根据此两个信号对点火进行反馈控制。

该系统的工作原理为：

ECU根据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器传来的信号，用预先设定的点火提前角数据，计算点火时刻，ECU输出A组触发信号给充电储能模块，同时ECU输出点火信号和判缸信号给点火分配模块，点火分配模块、充电储能模块和点火线圈同步配合工作给当前需要点火的火花塞连续输出4个高压脉冲；ECU根据火花塞高压及离子电流检测模块输出的点火高压信号判断火花塞是否跳火，如果检测到火花塞没有跳火，ECU输出B组触发信号给充电储能模块，点火分配模块、充电储能模块和点火线圈再次同步配合工作给当前需要点火的火花塞再次连续输出4个高压脉冲。

如果检测到有跳火，ECU再检测火花塞高压及离子电流检测模块输出的离子电流信号，判断缸内混合气是否燃烧，如果没有燃烧，也就是说火花塞有跳火但是混合气没有燃烧，ECU输出B组触发信号给充电储能模块，点火分配模块、充电储能模块和点火线圈再次同步配合工作给当前需要点火的火花塞再次连续输出4个高压脉冲。

如果ECU输出A组触发信号使火花塞连续产生的4个点火火花已经把一缸混合气成功点燃，ECU不再触发火花塞继续点火。

ECU根据火花塞高压及离子电流检测模块输出的点火高压信号和离子电流信号对点火进行双反馈控制，只要混合气没有燃烧，就交替输出A组触发信号和B组触发信号，每次触发使点火线圈给火花塞连续施加4个高压脉冲，一旦混合气被成功点燃，ECU不再触发火花塞继续点火。

如果ECU已经输出4组触发信号，即第一次输出A组触发信号，第二次输出B组触发信号，第三次再次输出A组触发信号，第四次再次输出B组触发信号，共使火花塞进行16次点火，混合气还是没有被点燃，ECU便不再继续输出触发信号。

充电储能模块的工作原理为：

A组充电电路给A组蓄电电容充电，A组蓄电电容电量检测电路如果检测到A组蓄电电容电量已充满，则给A组充电电路发出电量已满信号，A组充电电路接收到电量已满信号后停止给A组蓄电电容充电，A组蓄电电容中只要有一个电量不满，A组充电电路就一直给A组蓄电电容充电，A组放电触发脉冲产生电路接收到A组触发信号后连续输出4个放电触发脉冲给A组放电控制电路，A组放电控制电路分别控制A组蓄电电容中的每一个电容独立放电，通过输出端输出。

附图说明

图1为传统电容放电点火装置的示意图；

图2为示出了本发明中充电储能模块的示意图；

图3所示为一台直列6缸天然气发动机的高能点火系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

下面举实施例，见附图3，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种大缸径六缸天然气发动机高能点火系统，采用可以灵活控制火花数量的电容放电点火技术，提高每个火花的放电能量，延长火花放电周期，通过点火高压检测电路和火花塞离子电流检测模块对点火进行双反馈控制，该系统不仅能提高点火能量，延长火花放电周期，从而扩展混合气稀燃极限，还可以提高发动机燃烧效率、降低发动机失火频率、改善发动机经济性、动力性和排放性、提高系统可靠性。

图3所示为一台直列6缸天然气发动机的高能点火系统。

该系统包括电子控制单元(ECU)33，充电储能模块34，火花塞高压及离子电流检测模块35，点火分配模块36，六个点火线圈37a、37b、37c、37d、37e、37f，六个高压线38a、38b、38c、38d、38e、38f，六个火花塞39a、39b、39c、39d、39e、39f，凸轮轴位置传感器32、曲轴位置传感器31.

充电储能模块34如图2所示，包括A组充电电路21A，A组蓄电电容22A，A组蓄电电容电量检测电路23A，A组放电触发脉冲产生电路24A，A组放电控制电路25A；B组充电电路21B，B组蓄电电容22B，B组蓄电电容电量检测电路23B，B组放电触发脉冲产生电路24B，B组放电控制电路25B。

其连接关系为：凸轮轴位置传感器32和曲轴位置传感器31与ECU33相连，ECU33接收来自凸轮轴位置传感器32和曲轴位置传感器31的信号，ECU33与充电储能模块34相连，并输出信号给充电储能模块34，充电储能模块34与点火分配模块36相连，点火分配模块36与六个点火线圈37a、37b、37c、37d、37e、37f相连，给点火线圈37a、37b、37c、37d、37e、37f提供电能，点火线圈37a、37b、37c、37d、37e、37f通过高压线38a、38b、38c、38d、38e、38f与火花塞39a、39b、39c、39d、39e、39f分别相连，向火花塞39a、39b、39c、39d、39e、39f释放高压，给混合气点火；火花塞39a、39b、39c、39d、39e、39f与火花塞高压及离子电流检测模块35相连，把施加在火花塞39a、39b、39c、39d、39e、39f上的高压和缸内的离子电流信号通过火花塞39a、39b、39c、39d、39e、39f送给火花塞高压及离子电流检测模块35，火花塞高压及离子电流检测模块35把处理后的信号再传给ECU33，ECU33根据此两个信号对点火进行反馈控制。

该系统的工作原理为：

ECU33根据凸轮轴位置传感器32和曲轴位置传感器31传来的信号，用预先设定的点火提前角数据，计算点火时刻，假设ECU33判断当前需要点火的是一缸火花塞39a，ECU33输出A组触发信号给充电储能模块34的A组充电储能电路，在A组触发信号的触发下A组放电触发脉冲产生电路24A连续发出4个放电触发脉冲给A组放电控制电路25A，控制A组放电控制电路25A给A组蓄电电容22A中的4个电容依次放电；同时ECU33输出一缸点火信号和判缸信号给点火分配模块36，点火分配模块36把A组蓄电电容22A中的4个电容依次放出的电都分配给一缸点火线圈38a，一缸点火线圈38a的次级高压通过一缸高压线38a施加到火花塞39a上，从而使一缸火花塞39a连续产生4个点火火花；ECU33根据火花塞高压及离子电流检测模块35输出的点火高压信号判断一缸火花塞39a是否跳火，如果检测到没有跳火，ECU33直接输出B组触发信号给充电储能模块34的B组充电储能电路，在B组触发信号的触发下B组放电触发脉冲产生电路24B连续发出4个放电触发脉冲给B组放电控制电路25B，控制B组放电控制电路25B给B组蓄电电容22B中的4个电容依次放电；同时ECU33输出一缸点火信号和判缸信号给点火分配模块36，点火分配模块36把B组蓄电电容22B中的4个电容依次放出的电都分配给一缸点火线圈38a，一缸点火线圈38a的次级高压通过一缸高压线38a施加到火花塞39a上，从而使一缸火花塞39a再次连续产生4个点火火花；

如果ECU33检测到一缸火花塞39a有跳火，ECU33再检测火花塞高压及离子电流检测模块35输出的离子电流信号，判断第一缸缸内混合气是否燃烧，如果没有燃烧，也就是说火花塞39a有跳火但是一缸混合气没有燃烧，ECU33也直接输出B组触发信号给充电储能模块34的B组充电储能电路，在B组触发信号的触发下B组放电触发脉冲产生电路24B连续发出4个放电触发脉冲给B组放电控制电路25B，控制B组放电控制电路25B给B组蓄电电容22B中的4个电容依次放电；同时ECU33输出一缸点火信号和判缸信号给点火分配模块36，点火分配模块36把B组蓄电电容22B中的4个电容依次放出的电都分配给一缸点火线圈38a，一缸点火线圈38a的次级高压通过一缸高压线38a施加到火花塞39a上，从而使一缸火花塞39a再次连续产生4个点火火花；

如果ECU33输出A组触发信号使一缸火花塞39a连续产生的4个点火火花已经把一缸混合气成功点燃，ECU33根据火花塞高压及离子电流检测模块35输出的离子电流信号判断一缸混合气已经燃烧，ECU33不再触发一缸火花塞39a继续点火。

ECU33根据火花塞高压及离子电流检测模块35输出的点火高压信号和离子电流信号对一缸的点火进行双反馈控制，只要一缸混合气没有燃烧，就交替输出A组触发信号和B组触发信号，每次触发使一缸火花塞39a连续产生4个点火火花，一旦一缸混合气被成功点燃，ECU33不再触发一缸火花塞39a继续点火。

如果ECU33对第一缸火花塞39a已经输出4组触发信号，即第一次输出A组触发信号，第二次输出B组触发信号，第三次再次输出A组触发信号，第四次再次输出B组触发信号，共使一缸火花塞39a进行16次点火，一缸混合气还是没有被点燃，ECU33便放弃对一缸继续点火。

该系统对其他5个缸的点火控制同第一缸。

充电储能模块的工作原理为：

A组充电电路21A给A组蓄电电容22A充电，A组蓄电电容电量检测电路23A如果检测到A组蓄电电容22A电量已充满，则给A组充电电路21A发出电量已满信号，A组充电电路21A接收到电量已满信号后停止给A组蓄电电容22A充电，A组蓄电电容22A中只要有一个电量不满，A组充电电路21A就一直给A组蓄电电容22A充电，A组放电触发脉冲产生电路24A接收到A组触发信号后连续输出4个放电触发脉冲给A组放电控制电路25A，A组放电控制电路25A分别控制A组蓄电电容22A中的每一个电容独立放电，通过输出端输出。

充电储能模块的B组的工作原理同A组。

本发明的优点或积极效果为：

(1)对火花塞是否跳火进行检测，据此对点火进行反馈控制，降低发动机的失火率，改善发动机的经济性与动力性；并且可以对火花塞是否失效进行判断；

(2)对混合气是否燃烧进行检测，据此对点火进行反馈控制，降低发动机的失火率，改善发动机的经济性与动力性；可以统计每个气缸的失火率，用于判断气缸的工作状态，为是否需要维修提供依据；

(3)提高点火能量，延长火花放电周期，从而扩展混合气稀燃极限，提高了发动机燃烧效率，降低发动机失火率、改善发动机经济性、动力性和排放性；

(4)对每缸每循环的点火次数进行灵活控制，检测到混合气燃烧后，不再继续点火，避免浪费电能，延长点火模块、火花塞等点火系统零部件的寿命。

(5)系统配置灵活，适应性好。V型8缸到V型20缸的发动机产量一般比较少，针对性设计会提高研发设计成本；本发明中的主要部件电子控制单元(ECU)、充电储能模块可适用于1到20缸各种型号的发动机。

(6)系统中的关键零部件充电储能模块中的充放电电路与储能电容有一定的冗余，提高了系统的可靠性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种多气缸发动机点火系统，其特征在于，包括：

充电储能模块，其中存储有电能；所述充电储能模块包括两组充电电路，每组充电电路交替对点火线圈进行放电；每个所述充电电路包括：

电源；

升压器，其与电源连接，用于将电源电压进行升压；

多个蓄电电容，其数量与火花塞打火次数相当，蓄电电容与升压器连接，接受升压后的电能进行充电；

放电控制电路，其中包括多个放电控制器件，其与所述多个蓄电电容一一对应，控制蓄电电容向点火线圈放电；

多个点火线圈，其数量与发动机气缸数相当，每个发动机气缸配置一个点火线圈；

点火分配模块，其与充电储能模块连接，也与多个点火线圈连接，点火分配模块接收充电储能模块的电能，并分配给多个点火线圈中的待点火发动机气缸的点火线圈；

多个火花塞，其数量与发动机气缸数相当，每个发动机气缸内设置一个火花塞，且每个火花塞与相应发动机气缸内的点火线圈连接；

控制单元，其确定待点火发动机气缸，且控制充电储能模块给待点火发动机气缸的点火线圈多次放电，使得相应的火花塞多次打火；

检测反馈装置，所述检测反馈装置包括点火高压检测电路和火花塞离子电流检测模块，所述点火高压检测电路检测被打火后的火花塞电压，所述火花塞离子电流检测模块检测火花塞电极间的离子电流，且将检测结果反馈给控制单元；

电容电量检测电路，其检测蓄电电容的电量，并将检测结果反馈至控制单元；

其中，控制单元接收凸轮轴位置传感器的信号和曲轴位置传感器的信号，并根据两者的信号确定待点火发动机气缸；控制单元向其中一所述充电电路发送触发信号，所述触发信号触发多个所述放电控制电路向与其对应的多个所述蓄电电容放电；所述点火分配模块将多个所述蓄电电容放出的电依次分配给所述待点火发动机气缸；所述检测反馈装置检测得到所述待点火气缸其火花塞的所述火花塞电压和离子电流，判断该火花塞是否点火成功并将检测结果上传至所述控制单元；当该火花塞没有点火成功，则所述控制单元直接控制另一充电电路向所述待点火发动机气缸放电；在所述控制单元的控制下两组所述充电电路交替向所述待点火发动机气缸放电，直至该待点火发动机点火成功。

2.如权利要求1所述的多气缸发动机点火系统，其特征在于，每组充电电路中还包括：

放电触发脉冲产生电路，其与所述放电控制电路连接，放电触发脉冲产生电路接收到控制单元发出的触发信号产生脉冲信号激活放电控制电路。

3.如权利要求1所述的多气缸发动机点火系统，其特征在于，每个蓄电电容向点火线圈放电一次，各蓄电容一次性连续放电。

4.如权利要求1所述的多气缸发动机点火系统，其特征在于，所述检测反馈装置中包括火花塞电压检测模块，当检测到火花塞上电压发生升至上万伏又降低至4000～6000V的变化时，确定为执行了点火操作。

5.如权利要求1所述的多气缸发动机点火系统，其特征在于，所述发动机为大缸径多气缸天然气发动机。

6.如权利要求5所述的多气缸发动机点火系统，其特征在于，所述发动机有六个气缸和/或蓄电电容有四个。