CN103615347A

CN103615347A - 一种天然气发动机并联点火系统

Info

Publication number: CN103615347A
Application number: CN201310690090.7A
Authority: CN
Inventors: 杨立平; 石兴超; 宋恩哲; 靖海国; 孟亚刚; 姚崇; 黄帅; 王晓斌
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103615347B

Abstract

本发明涉及点火系统领域，具体涉及一种够适应发动机不同运行工况的点火要求的天然气发动机并联点火系统。天然气发动机并联点火系统，包括点火控制器、直流电源、第一点火线圈T1、第二点火线圈T2、第一高压二极管D5、第二高压二极管D6、高压点火线和火花塞，两个点火线圈的初级点火线圈一端分别与点火控制器相连接后通向电源正极，另一端彼此连接后与电源负极共地；两个点火线圈的次级点火线圈一端分别与两个高压二极管的正极相连接。该系统不仅能够根据发动机的不同工况柔性控制点火特性，而且可以优化点火能量消耗，改善天然气发动机不同工况点火条件，同时还具有结构简单、点火可靠、无需对机体改动等优点。

Description

一种天然气发动机并联点火系统

技术领域

本发明涉及点火系统领域，具体涉及一种够适应发动机不同运行工况的点火要求的天然气发动机并联点火系统。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭，一种资源丰富、高效、清洁的石油替代燃料—天然气渐渐被世界各国所重视。但是以天然气作为发动机燃料时，不同类型天然气发动机和工况对点火系统放电特性有不同的要求：例如发动机冷启动工况，燃烧室温度较低，高能点火和多次点火有利于形成初始火核，降低失火概率，从而降低低速排放；发动机在稀燃工况下，参加化学反应、准备进行点火燃烧的燃料分了数量相对减少，因此燃烧速度减慢，延长火花持续期和增加点火能量有利于增加火焰与火核容积，增强发动机稀燃工况运行的稳定性；发动机采用当量比混合气在稳定工况运行时，容易形成初始火核，对点火系统要求较低，若提高点火能量会造成能量的浪费。

我国在发动机高能点火系统方面同样做过许多研究，例如：授权公告号为202510271的专利提供了一种活塞式发动机高能点火系统，该系统通过升压模块提高点火线圈初级线圈的电流，增加活塞式发动机的点火能量，提高了点火的稳定性和可靠性；授权公告号为201606175的专利提供了一种内燃机点火系统，该系统在燃烧室内布置两个火花塞，能够满足不同工况的点火需求，使燃烧室内形成高速涡流，促进可燃混合气的形成，改善了混合气体的燃烧特性。由于天然气发动机着火温度高、火焰传播速度慢，对于天然气发动机的点火系统提出了严格的技术要求，授权公告号为202510271的专利在通过升压模块提升初级线圈电流，但是很难根据工况的不同需求改变点火规律。授权公告号为202510271的专利很好的解决了高能点火问题并能够满足不同工况的点火需求，但是，对原发动机改动过大，并且，由于气缸盖的结构复杂，水路气路交错不易于增加火花塞数量。

本专利设计的点火系统不仅能够适应发动机不同运行工况的点火要求，而且通过点火模式的柔性控制，优化能量利用率，同时还具有结构简单和对发动机改动小等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决天然气发动机处于不同工况的点火需求，改善点火性能，并优化点火能量消耗的天然气发动机并联点火系统。

本发明的目的是这样实现的：

天然气发动机并联点火系统，包括点火控制器、直流电源、第一点火线圈T1、第二点火线圈T2、第一高压二极管D5、第二高压二极管D6、高压点火线和火花塞，两个点火线圈的初级点火线圈一端分别与点火控制器相连接后通向电源正极，另一端彼此连接后与电源负极共地；两个点火线圈的次级点火线圈一端分别与两个高压二极管的正极相连接，另一端与初级点火线圈和电源负极共地，两个高压二极管的负极相连接后通过高压点火线与火花塞相连接。

点火控制器的控制电路包括两个对称的部分，其中一部分包括第一MOS管Q1控制端G1与并联线圈主控芯片的控制输出端相连接，MOS管的S端与地相连接，控制信号的电压源VCC1经过第六电阻R6与MOS管Q1的D端相连，MOS管Q1的D端经过第一电阻R1与LM393N比较电路U1正输入端相连接，LM393N比较电路U1正输入端与地之间并联连接稳压二极管D7和滤波电容C1；放大信号的电压源VCC2与LM393N比较电路电源端连接，电源端与地端之间由第二滤波电容C3和第二电阻R2与第三电阻R3组成的串联电路并联连接，第二电阻R2与第三电阻R3的连接点与LM393N比较电路的负输入端连接；LM393N比较电路的地端连地，LM393N比较电路的的输出端通过第四电阻R4与放大信号电压源VCC2相连接，LM393N比较电路的输出端与带反向器的施密特触发器S5的输入端相连，由输出端生成标准方波信号与第二MOS管Q2的控制端相连接，第二MOS管的D端与点火电压源VCC3连接，S端与点火线圈的初级线圈相连接。

点火控制器包括传感器、并联线圈主控芯片和控制电路，传感器检测发动机冷却液温度、转速和节气门开度，同时结合上止点信号、点火提前角和混合气浓度信息，由并联线圈主控芯片分别产生两个控制信号，输入到控制电路第一MOS管的控制端，由控制信号产生方波，经整流电路整形后，输入到第二MOS管控制端，方波信号作为线圈通断的控制信号控制并联点火线圈的初级点火线圈充放电时间和时间间隔。

本发明的有益效果在于：

该天然气发动机并联点火系统不仅能够根据发动机的不同工况柔性控制点火特性，而且可以优化点火能量消耗，改善天然气发动机不同工况点火条件，同时还具有结构简单、点火可靠、无需对机体改动等优点。

附图说明

图1为并联点火系统结构示意图；

图2为点火控制器控制电路结构示意图；

图3（a）相同放电特性情况下并联点火系统点火能量变化规律图；

图3（b）不同放电特性情况下低能量点火线圈先放点的点火系统点火能量变化规律图；

图3（c）不同放电特性情况下高能量点火线圈先放点的点火系统点火能量变化规律图；

图4（a）相同放电特性情况下并联点火系统电压变化规律图；

图4（b）不同放电特性情况下低能量点火线圈先放点的点火系统电压变化规律图；

图4（c）不同放电特性情况下高能量点火线圈先放点的点火系统电压变化规律图；

图5（a）相同放电特性情况下并联点火系统电流变化规律图；

图5（b）不同放电特性情况下低能量点火线圈先放点的点火系统电流变化规律图；

图5（c）不同放电特性情况下高能量点火线圈先放点的点火系统电流变化规律图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种天然气发动机并联点火系统及多模式放电控制方法，主要包括：点火控制器、直流电源、两个点火线圈T1和T2、两个高压二极管D5和D6、高压点火线和火花塞等。其特征是：两个点火线圈T1和T2的初级点火线圈一端分别与点火控制器相连接后通向电源正极，另一端相连接后与电源负极共地；两个点火线圈的次级点火线圈一端分别与两个高压二极管D5和D6的正极相连接，另一端与初级线圈和电源负极共地，两高压二极管D5和D6的负极相连接后通过高压点火线与火花塞相连接。

两个点火线圈T1和T2可以是两个放电特性相同的线圈，或是两个放电特性不同的线圈，且并联的两点火线圈T1和T2能够由点火控制器独立进行充电和放电的控制。

点火线圈T1和T2由初级线圈和次级线圈组成。

点火控制器主要包括传感器、并联线圈主控芯片和控制电路。

传感器检测发动机冷却液温度、转速和节气门开度，同时结合上止点信号、点火提前角和混合气浓度等信息，由并联线圈主控芯片分别产生两个控制信号.

并联线圈主控芯片的两个控制信号，分别输入到控制电路mos管Q1和Q3的控制端G1和G3，由控制信号产生的两个方波，经整流电路整形后，输入到mos管Q2和Q4的控制端G2和G4，该方波信号作为线圈通断的控制信号控制并联点火线圈的两初级点火线圈同时开始充电，并且通过分别控制两线圈T1、T2的初级线圈充电时间和放电开始时间间隔，切换放电模式，实现点火能量和点火持续时间的柔性控制。

放电模式，主要包括：并联线圈间隔放电模式、并联线圈耦合放电模式、并联线圈次序放电模式、并联线圈同时放电模式和单线圈独立放电模式。所述的放电模式能够根据发动机运行工况，由点火控制器控制切换，保证发动机在不同的工况下对应最佳的点火条件，并优化点火能量消耗。

并联线圈间隔放电模式，当两线圈放电特性相同或不同时，可以由点火控制器控制其中一个点火初级线圈先放电，经过一个大于单线圈放电时间的放电间隔后，点火控制器控制另外一个点火初级线圈放电，使火花塞处产生间隔性的二次点火。

并联线圈耦合放电模式，当两线圈放电特性相同或不同时，根据发动机运行工况，由点火控制器控制其中一个点火初级线圈先放电，经过一个小于单线圈放电时间的放电间隔后，点火控制器控制另外一个点火初级线圈放电，使火花塞处形成耦合性的一次点火。

并联线圈次序放电模式，当两线圈放电特性相同或不同时，根据发动机运行工况，由点火控制器控制其中一个点火初级线圈先放电，经过一个等于单线圈放电时间的放电间隔后，点火控制器控制另外一个点火初级线圈放电，使火花塞处形成连续性的二次点火。

并联线圈同时放电模式，当两线圈放电特性相同或不同时，根据发动机运行工况，点火控制器控制两点火线圈同时放电，使火花塞处形成双线圈的一次点火。

单线圈放电模式，当两线圈放电特性相同或不同时，根据发动机运行工况，由点火控制器控制对并联线圈中的一个进行充放电，为系统提供点火能量，使火花塞处形成单线圈的一次点火；

高压二极管D5和D6布置于并联点火线圈的两个次级线圈与火花塞之间，不仅能够阻挡放电过程中的次级线圈对另外一个次级线圈的影响，而且能够阻挡火花塞放电过程对两个点火线圈的影响。

如图1、2、3、4、5所示，本专利涉及一种天然气发动机并联点火系统及多模式放电控制方法。该系统主要由点火控制器、直流电源、两个独立点火线圈T1和T2、两个高压二极管D5和D6、高压点火线和火花塞等部分组成。其特征是：两个点火线圈T1和T2的初级点火线圈一端分别与点火控制器相连接后通向电源正极，另一端相连接后与电源负极共地；两个点火线圈的次级点火线圈一端分别与两个高压二极管D5和D6的正极相连接，另一端与初级线圈和电源负极共地，两高压二极管D5和D6的负极相连接后通过高压点火线与火花塞相连接。该点火系统不仅能够提高点火能量和点火持续期，改善稀燃点火可靠性，而且能够根据发动机的工况调整放电模式，优化能量消耗，使天然气发动机在不同工况均能实现最佳点火方式。

如图1所示，为本专利并联点火系统的结构示意图，其中，直流电源为点火控制器和并联点火线圈T1和T2提供能量；所述点火控制器主要包括：传感器、并联线圈主控芯片和控制电路。其中传感器检测发动机冷却液温度、转速和节气门开度，由并联线圈主控芯片结合上止点信号、点火提前角和混合气浓度等信息，经控制电路控制并联点火线圈T1和T2的两初级点火线圈同时开始充电，并且通过分别控制两线圈T1、T2的初级线圈充电时间和放电开始时间间隔，切换放电模式，实现点火能量和点火持续时间的柔性控制；上述的两个高压二极管D5和D6布置于并联点火线圈与火花塞的通路之间，用于阻挡放电过程中的次级线圈对另外一个次级线圈的影响和阻挡火花塞放电过程对两个点火线圈的影响；上述的火花塞布置于气缸盖内部，与燃烧室直接接触，因此，不用对原机做任何改动。

图2为点火控制器的控制电路结构示意图，图中的mos管Q1和Q3的控制端G1和G3分别与并联线圈主控芯片的两个控制输出端相连接，Q1和Q3的S1和S3端与地相连接，控制信号的电压源VCC1分别经过电阻R6和R12与mos管Q1和Q3的D1和D3端相连接，提取9点和就15点的电压信号作为输入，分别经过R1和R7两个电阻与LM393N比较电路U1和U2的16和21点相连接，在1点与地之间并联连接稳压二极管D7和滤波电容C1，在10点与地之间并联连接稳压二极管D8和滤波电容C2；放大信号的电压源VCC2与LM393N比较电路U1和U2的20和25点相连接，4点与大地之间分别由滤波电容C3和电阻R2与R3组成的串联电路并联连接，13点与大地之间分别由滤波电容C4和电阻R8与R9组成的串联电路并联连接，其中在电阻R2与R3、R8与R9串联电路中的2点和11点与LM393N比较电路U1和U2的17和22点相连接；LM393N比较电路U1和U2的18和23点与地相连接，U1和U2的19和24点分别通过电阻R4、R10与放大信号电压源VCC2相连接，同时在3点与12点分别于带反向器的施密特触发器S5和S6的输入端相连，由输出端生成标准方波信号，与mos管Q2和Q4的控制端G2和G4相连接，Q2和Q4的D2和D4端接地，点火电压源VCC3通过电阻R5和R11与mos管Q2和Q4的S2和S4端相连接，提取8点和14点的电压值作为并联线圈的初级线圈输入电压，使次级线圈产生感应电动势。

图3为点火系统不同点火方式点火能量变化规律图，图4为点火系统不同模式电压变化规律图，图5为点火系统不同模式放电电流变化规律图，图中t₁断电时间间隔，t₂为火花塞放电时间。由图1、2、3、4、5所示，在间隔放电模式下，点火控制器通过采集转速信号、上止点信号、节气门开度和冷却液温度等信息控制并联点火系统的并联线圈断电间隔，使火花塞处形成间隔性的二次点火。由图3（a）、图4（a）、图5（a）所示，当两点火线圈放电特性相同时，该点火系统的充电时间和单次放电时间t₂与单线圈点火系统基本相同，间隔的两次放电能量、放电电压与放电电流均相同，且总能量是单线圈点火能量的两倍；由图3（b）、图4（b）、图5（b）所示，当两点火线圈放点特性不同时，可以由控制器控制放电能量较低的点火线圈先放电，放电能量较高的线圈后放电，该点火系统的充电时间略长于单线圈点火系统，第一次放电感应出的放电能量、放电电压与放电电流均小于第二次放电；由图3（c）、图4（c）、图5（c）所示，当两点火线圈放点特性不同时，还可以由控制器控制放电能量较高的点火线圈先放电，放电能量较低的线圈后放电，该点火系统的充电时间略长于单线圈点火系统，第一次放电感应出的放电能量、放电电压与放电电流均高于第二次放电。

由图1、2、3、4、5所示，在次序放电模式下，由点火控制器控制两点火线圈具有一个等于单线圈放点时间的放电间隔t₁，使火花塞处形成连续性的二次点火。由图3（a）、图4（a）、图5（a）所示，当两点火线圈放点特性相同时，该点火系统的充电时间和单次放电时间t₂与单线圈点火系统基本相同，连续的两次放电能量、放电电压与放电电流均相同，且总能量是单线圈点火能量的两倍；由图3（b）、图4（b）、图5（b）所示，当两点火线圈放点特性不同时，由控制器控制放电能量较低的点火线圈先放电，放电能量较高的线圈后放电，该点火系统的充电时间略长于单线圈点火系统，第一次放电感应出的放电能量、放电电压与放电电流均小于第二次放电；由图3（c）、图4（c）、图5（c）所示，当两点火线圈放点特性不同时，由控制器控制放电能量较高的点火线圈先放电，放电能量较低的线圈后放电，该点火系统的充电时间略长于单线圈点火系统，第一次放电感应出的放电能量、放电电压与放电电流均高于第二次放电。

由图1、2、3、4、5所示，在耦合放电模式下，由点火控制器控制两点火线圈具有一个小于单线圈放电时间的放电间隔t₁，使火花塞处形成耦合性的一次点火。由图3（a）、图4（a）、图5（a）所示，当两点火线圈放点特性相同时，该点火系统的充电时间与单线圈点火系统基本相同，但放电时间t₂与单线圈点火系统相比多出断电间隔t₁的时间，耦合部分的放电能量、放电电压和放电电流峰值要高于非耦合部分，且耦合的单次放电总能量是单线圈点火系统的两倍；由图3（b）、图4（b）、图5（b）所示，当两点火线圈放点特性不同时，由控制器控制放电能量较低的点火线圈先放电，放电能量较高的线圈后放电，该点火系统的充电时间略长于单线圈点火系统，耦合部分的放电能量、放电电压和放电电流要高于非耦合部分，且耦合前感应出的放电能量小于耦合过后所感应出的放电能量；由图3（c）、图4（c）、图5（c）所示，当两点火线圈放点特性不同时，由控制器控制放电能量较高的点火线圈先放电，放电能量较低的线圈后放电，该点火系统的充电时间略长于单线圈点火系统，耦合部分的放电能量、放电电压和放电电流要高于非耦合部分，且耦合前感应出的放电能量高于耦合过后所感应出的放电能量。

由图1、2、3、4、5所示，在同时放电模式下，由点火控制器控制两点火线圈同时放电，使火花塞处形成双线圈的一次点火。由图3（a）、图4（a）、图5（a）所示，当两点火线圈放点特性相同时，该点火系统的充电时间和单次放电时间t₂与单线圈点火系统基本相同，但放电能量、放电电压和放电电流要高于单线圈点火系，且总能量是单线圈点火能量的两倍；由图3（b）（c）、图4（b）（c）、图5（b）（c）所示，当两点火线圈放点特性不同时，该模式下的放电能量、放电电压和放电电流要高于单线圈点火系统。

由图1、2、3、4、5所示，在单线圈放电模式下，由点火控制器控制其中一个点火初级线圈不进行充电，由另一个点火初级线圈放电为系统提供点火能量，使火花塞处形成单线圈的一次点火。由图3（a）、图4（a）、图5（a）所示，当两点火线圈放点特性相同时，该点火模式与传统单线圈点火系统完全相同；由图3（b）（c）、图4（b）（c）、图5（b）（c）所示，当两点火线圈放点特性不同时，由点火控制器控制，由低放电能量线圈放电提供点火能量，或由高放电能量线圈放电提供点火能量。

该并联线圈点火系统及多模式放电控制方法，能够通过点火控制器根据发动机的运行状况调整放电模式，使得天然气发动机在不同工况均能实现最佳点火方式，从而改善燃烧，增加动力性的同时改善经济性和排放。

Claims

1.一种天然气发动机并联点火系统，点火控制器、直流电源、第一点火线圈（T1）、第二点火线圈（T2）、第一高压二极管（D5）、第二高压二极管（D6）、高压点火线和火花塞，其特征在于：两个点火线圈的初级点火线圈一端分别与点火控制器相连接后通向电源正极，另一端彼此连接后与电源负极共地；两个点火线圈的次级点火线圈一端分别与两个高压二极管的正极相连接，另一端与初级点火线圈和电源负极共地，两个高压二极管的负极相连接后通过高压点火线与火花塞相连接。

2.根据权利要求1所述的天然气发动机并联点火系统，其特征是：所述点火控制器的控制电路包括两个对称的部分，其中一部分包括第一MOS管（Q1）控制端（G1）与并联线圈主控芯片的控制输出端相连接，MOS管的S端与地相连接，控制信号的电压源VCC1经过第六电阻（R6）与MOS管（Q1）的D端相连，MOS管（Q1）的D端经过第一电阻（R1）与LM393N比较电路（U1）正输入端相连接，LM393N比较电路（U1）正输入端与地之间并联连接稳压二极管（D7）和滤波电容（C1）；放大信号的电压源VCC2与LM393N比较电路电源端连接，电源端与地端之间由第二滤波电容（C3）和第二电阻（R2）与第三电阻（R3）组成的串联电路并联连接，第二电阻（R2）与第三电阻（R3）的连接点与LM393N比较电路的负输入端连接；LM393N比较电路的地端连地，LM393N比较电路的的输出端通过第四电阻（R4）与放大信号电压源VCC2相连接，LM393N比较电路的输出端与带反向器的施密特触发器（S5）的输入端相连，由输出端生成标准方波信号与第二MOS管（Q2）的控制端相连接，第二MOS管的D端与点火电压源VCC3连接，S端与点火线圈的初级线圈相连接。

3.根据权利要求1所述的天然气发动机并联点火系统，其特征是：所述点火控制器包括传感器、并联线圈主控芯片和控制电路，传感器检测发动机冷却液温度、转速和节气门开度，同时结合上止点信号、点火提前角和混合气浓度信息，由并联线圈主控芯片分别产生两个控制信号，输入到控制电路第一MOS管的控制端，由控制信号产生方波，经整流电路整形后，输入到第二MOS管控制端，方波信号作为线圈通断的控制信号控制并联点火线圈的初级点火线圈充放电时间和时间间隔。