CN103941720B - 内驱电控点火系统的故障诊断电路及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种内驱电控点火系统的故障诊断电路，所述内驱电控点火系统是在车辆的ECU内部设有微控制器、电阻一和开关器件；微控制器的一个输出端通过电阻一连接开关器件的栅极；开关器件的漏极或集电极连接初级线圈的一端。所述故障诊断电路是在所述ECU内部还包括有采样电阻、比较器、串联电阻、反馈电阻；开关器件的源极或发射极一方面通过采样电阻接地，另一方面通过串联电阻连接比较器的第一输入端；比较器的第二输入端通过串联电阻接地；反馈电阻连接比较器的第一输入端和输出端；比较器的输出端连接微控制器的一个输入端。本申请可以实现内驱电控点火系统的点火诊断，保护点火驱动芯片和ECU，减少售后维护成本，获得经济与技术的双重效益。

Description

内驱电控点火系统的故障诊断电路及其诊断方法

技术领域

本申请涉及一种汽油发动机的电控点火系统，特别是涉及其中的点火线圈的故障诊断电路以及诊断方法。

背景技术

汽油发动机的电控技术已逐步发展为综合性的发动机管理系统（EMS），其主要包括电控燃油喷射（EFI）、电控点火（ESA）等。其中的电控点火系统是由发动机的电子控制单元（ECU）采集安装在发动机不同部位上的各种传感器信号，判断发动机的运行工况，选择最理想的点火提前角使点火线圈进行点火，从而改善发动机的燃烧过程。

在电控点火系统中，ECU通过点火驱动电路产生比较大的驱动电流，从而实现对点火线圈的驱动。目前，点火驱动电路已经可以集成在一块芯片上，称为点火驱动芯片。按照点火驱动芯片的所在位置，可以将电控点火系统分为内驱和外驱两种。内驱电控点火系统是指点火驱动芯片集成在ECU内部；外驱电控点火系统是指点火驱动芯片集成在点火线圈内部。点火线圈一旦发生长时间过流的故障，在外驱电控点火系统会将点火线圈和点火驱动芯片烧毁，在内驱电控点火系统会将点火驱动芯片烧毁从而使得整个ECU报废，因而有必要对点火线圈进行故障诊断。

请参阅图1a，这是一种现有的内驱电控点火系统的原理性示意图。点火线圈2主要采用变压器结构，包括缠绕在铁芯23上的初级线圈21和次级线圈22。初级线圈21和次级线圈22的一端均连接车载直流电源1，次级线圈22的另一端连接火花塞4的一个电极，火花塞4的另一个电极接地。在发动机的ECU5的内部包括有微控制器（MCU）51、电阻一52和开关器件53。其中的电阻一52和开关器件53共同构成了点火驱动芯片。开关器件53例如为MOS晶体管、IGBT器件等。MCU51的一个输出端通过电阻一52连接开关器件53的栅极或基极。开关器件53的漏极或集电极连接初级线圈21的另一端。开关器件53的源极或发射极接地。

不工作时，MCU51向开关器件53的栅极或基极输出低电平，开关器件53处于关断状态相当于一个断开的开关。

工作时，MCU51向开关器件53的栅极或基极输出高电平，开关器件53处于导通状态相当于一个闭合的开关。此时车载直流电源1接通初级线圈21。如无外界操作，通过初级线圈21的电流（即初级电流）将从零增长到一个稳定值，该稳定值由车载直流电源1的电压值和初级线圈21的电阻值所决定。随着初级电流增长，初级线圈21产生的电磁能量存储在铁芯23中。当初级电流达到一定值（该一定值≤稳定值）时，MCU51改为向开关器件53的栅极或基极输出低电平，开关器件53由导通变为关断，这使初级线圈回路瞬间断开。初级线圈回路的电场突变造成了初级线圈21的磁场迅速衰减，从而在次级线圈22的两端感应出高压电动势。该高压电动势击穿火花塞4的两个电极之间的空隙，产生电弧以点燃汽油与空气的混合气。

请参阅图1b，这是另一种现有的内驱电控点火系统的原理性示意图。点火线圈2仍采用变压器结构，包括缠绕在铁芯23上的初级线圈21和次级线圈22。火花塞4采用双火花塞结构，由火花塞一41和火花塞二42所组成。次级线圈22的两端分别连接火花塞一41、火花塞二42的一个电极，火花塞一41、火花塞二42的另一个电极均接地。图1b的其余结构均与图1a相同，工作原理也与图1a相同，只是次级线圈22的两端感应出的高压电动势会同时击穿火花塞一41、火花塞二42的两个电极之间的空隙。

请参阅图1c，这是又一种现有的内驱电控点火系统的原理性示意图。点火线圈2仍采用变压器结构，包括缠绕在铁芯23上的初级线圈21和次级线圈22。次级线圈22的一端接地，另一端连接火花塞4的一个电极，火花塞4的另一个电极接地。图1c的其余结构均与图1a相同，工作原理也与图1a相同，

请参阅图2，同一型号的点火线圈在相同的工作电压下从开始充电到初级电流到达特定电流值（例如为3A，该特定电流值≤MCU51向开关器件53的栅极或基极改变输出电平状态时的一定值）的时间基本相同，如曲线A所示。当发生了点火驱动芯片的过流故障，其初级电流与充电时间的关系如曲线B所示。当发生了点火驱动芯片的开路故障，则初级线圈无电流。根据该特性可以设计出针对点火驱动芯片的故障诊断方案。

一种现有的内驱电控点火系统的点火驱动芯片诊断方案采用硬件手段，为点火驱动芯片中的开关器件53专门设计外围诊断电路，将故障信息反馈给MCU51，MCU51读取对应的故障信息识别故障。汽油发动机通常具有多缸，例如四缸，每一缸都对应着独立的点火驱动芯片。这种方案为每个点火驱动芯片都要设计复杂的诊断电路，同时要为每个点火驱动芯片分配ECU的资源用来读取故障信息，实现成本比较昂贵。

另一种现有的内驱电控点火系统的点火驱动芯片诊断方案采用软件手段，在点火线圈2充电的同时触发模数转换器（ADC）快速地采集点火线圈2的初级电流，MCU51根据采集值计算出从充电开始到达特定电流值的时间，并将该时间与正常的点火线圈的充电时间进行比较进而判断出点火驱动芯片的故障。这种方案耗费更多的MCU资源，同时也增加了软件复杂度和风险。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种内驱电控点火系统的点火线圈的故障诊断电路。为此，本申请还要提供所述故障诊断电路的诊断方法。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种内驱电控点火系统的故障诊断电路。所述内驱电控点火系统是在汽油发动机车辆的ECU内部设有微控制器、电阻一和开关器件；微控制器的一个输出端通过电阻一连接开关器件的栅极或基极；开关器件的源极或发射极接地；开关器件的漏极或集电极连接初级线圈的第一端；初级线圈的第二端连接车载直流电源；

所述故障诊断电路是在所述ECU内部还包括有采样电阻、比较器、反馈电阻和两个串联电阻；反馈电阻连接比较器的第一输入端和输出端；比较器的输出端连接微控制器的一个输入端；其余部件采用如下三种连接方式之一；

第一种连接方式：将“开关器件的源极或发射极接地”改为开关器件的源极或发射极一方面通过采样电阻接地，另一方面通过串联电阻一连接比较器的第一输入端；比较器的第二输入端通过串联电阻二接地；

第二种连接方式：将“开关器件的漏极或集电极连接初级线圈的第一端”改为初级线圈的第一端一方面通过采样电阻连接开关器件的漏极或集电极，另一方面通过串联电阻一连接比较器的第一输入端；比较器的第二输入端通过串联电阻二连接开关器件的漏极或集电极；

第三种连接方式：将“初级线圈的第二端连接车载直流电源”改为车载直流电源一方面通过采样电阻连接初级线圈的第二端，另一方面通过串联电阻一连接比较器的第一输入端；比较器的第二输入端通过串联电阻二连接初级线圈的第二端。

本申请内驱电控点火系统的诊断方法是：采样电阻将点火线圈的初级电流转换为电压值输入给比较器的第一输入端；所述比较器将第一输入端的电压值与阈值电压相比较，当第一输入端的电压值较小则输出第一电平状态，否则输出第二电平状态；MCU从向开关器件的栅极发送信号使其导通开始计时，直至比较器由输出第一电平状态改为输出第二电平状态停止计时，所得的时长与预设时长相比较，判断是否发生了故障；

如果MCU从向开关器件的栅极发送高电平使其导通开始计时，直至MCU改为向开关器件的栅极发送低电平的时间区段内，比较器始终输出第一电平状态，则表明点火线圈发生了开路故障；

如果所得时长明显小于预设时长，则表明点火线圈发生了过流故障；

否则，表明点火线圈工作正常。

本申请可以实现内驱电控点火系统的点火诊断和保护，保护点火驱动芯片不被烧坏，也防止因为点火芯片的损坏导致整个ECU报废，减少售后维护成本，获得经济与技术的双重效益。

附图说明

图1a～图1c是现有的内驱电控点火系统的三种结构示意图；

图2是点火线圈的初级电流与充电时间的关系曲线示意图；

图3a～图3c是本申请内驱电控点火系统的故障诊断电路的三种结构示意图；

图4是本申请内驱电控点火系统的诊断方法的示意图；

图5是本申请内驱电控点火系统的诊断方法的流程图；

图6是四缸汽油发动机的正常点火（不重叠）的示意图。

图中附图标记说明：

1为车载直流电源；2为变压器；21为初级线圈；22为次级线圈；23为铁芯；3为开关；4为火花塞；41为火花塞一；42为火花塞二；5为ECU；51为MCU；52为电阻一；53为开关器件；54为采样电阻；55为比较器；56为反馈电阻；57为串联电阻一；58为串联电阻二。

具体实施方式

请参阅图3a，这是本申请内驱电控点火系统的故障诊断电路的实施例一。该实施例一是在如图1a所示的现有的内驱电控点火系统的基础上，在汽油发动机车辆的ECU5的内部新增了采样电阻54、比较器55、反馈电阻56、串联电阻一57和串联电阻二58，它们共同构成了故障诊断电路。所述反馈电阻56、串联电阻一57和串联电阻二58例如采用可调电阻。现有的内驱电控点火系统中，开关器件53的源极或发射极接地。本申请则改为使开关器件53的源极或发射极一方面通过采样电阻54接地，另一方面通过串联电阻一57连接比较器55的第一输入端。比较器55的第二输入端通过串联电阻二58接地。反馈电阻56连接比较器55的第一输入端和输出端。比较器55的输出端连接微控制器51的一个输入端。同样地，该实施例一也可在如图1b、图1c所示的现有的内驱电控点火系统的基础上，在汽油发动机车辆的ECU5的内部新增如图3a所示的故障诊断电路。

请参阅图3b，这是本申请内驱电控点火系统的故障诊断电路的实施例二。该实施例二是在如图1a所示的现有的内驱电控点火系统的基础上，在汽油发动机车辆的ECU5的内部新增了采样电阻54、比较器55、反馈电阻56、串联电阻一57和串联电阻二58，它们共同构成了故障诊断电路。所述反馈电阻56、串联电阻一57和串联电阻二58例如采用可调电阻。现有的内驱电控点火系统中，初级线圈21的未连接车载直流电源1的那一端连接开关器件53的漏极或集电极。本申请则改为使初级线圈21的未连接车载直流电源1的那一端一方面通过采样电阻54连接开关器件53的漏极或集电极，另一方面通过串联电阻一57连接比较器55的第一输入端。比较器55的第二输入端通过串联电阻二58连接开关器件53的漏极或集电极。反馈电阻56连接比较器55的第一输入端和输出端。比较器55的输出端连接微控制器51的一个输入端。同样地，该实施例二也可在如图1b、图1c所示的现有的内驱电控点火系统的基础上，在汽油发动机车辆的ECU5的内部新增如图3b所示的故障诊断电路。

请参阅图3c，这是本申请内驱电控点火系统的故障诊断电路的实施例三。该实施例三是在如图1a所示的现有的内驱电控点火系统的基础上，在汽油发动机车辆的ECU5的内部新增了采样电阻54、比较器55、反馈电阻56、串联电阻一57和串联电阻二58，它们共同构成了故障诊断电路。所述反馈电阻56、串联电阻一57和串联电阻二58例如采用可调电阻。现有的内驱电控点火系统中，车载直流电源1连接初级线圈21的未连接开关器件53的漏极或集电极的那一端。本申请则改为使车载直流电源1一方面通过采样电阻54连接初级线圈21的未连接开关器件53的漏极或集电极的那一端，另一方面通过串联电阻一57连接比较器55的第一输入端。比较器55的第二输入端通过串联电阻二58连接初级线圈21的未连接开关器件53的漏极或集电极的那一端。反馈电阻56连接比较器55的第一输入端和输出端。比较器55的输出端连接微控制器51的一个输入端。同样地，该实施例三也可在如图1b、图1c所示的现有的内驱电控点火系统的基础上，在汽油发动机车辆的ECU5的内部新增如图3c所示的故障诊断电路。

汽油发动机通常具有多缸，例如四缸，每一缸都对应着独立的点火驱动芯片。本申请将所有点火驱动芯片都连接到同一个故障诊断电路，而不需要为每个点火驱动芯片设置单独的故障诊断电路，从而使得故障诊断电路最简化。

请参阅图4和图5，本申请内驱电控点火系统的诊断方法为：采样电阻54将点火线圈2的初级电流转换为电压值输入给比较器55的第一输入端。所述比较器55将第一输入端的电压值与比较器55内置的阈值电压相比较。当第一输入端的电压值较小则输出第一电平状态，例如低电平。否则输出第二电平状态，例如高电平。MCU51从向开关器件53的栅极发送高电平使其导通（即ECU5向点火线圈2发送低电平使初级线圈回路接通）开始计时，直至比较器55由输出第一电平状态改为输出第二电平状态停止计时，所得的时长t与预设时长T相比较，判断是否发生了故障。所述预设时长T是正常的点火线圈从充电开始到初级电流达到特征电流值（所述阈值电压与采样电阻54的阻值之商）的时长。在所得时长t被成功记录的前提下，如果所得时长t明显小于预设时长T，例如t≤T/2，优选为t≤T/10，则表明点火线圈2发生了过流故障；否则表明点火线圈2工作正常。如果MCU51从向开关器件53的栅极发送高电平使其导通开始计时，直至MCU51改为向开关器件53的栅极发送低电平的时间区段内，比较器55始终输出第一电平状态，即时长t无法被成功记录到，则表明点火线圈2发生了开路故障。

请参阅图6，正常情况下，汽油发动机的每个气缸（以四个气缸为例）的点火是相互错开的。然而，也存在着点火重叠的故障，即不同气缸的点火线圈的充电时间段有重叠。一旦发生点火重叠的故障，那么在某一段时间内就有两个点火线圈的初级电流叠加到同一个采样电阻上，从而影响后续判断过程。本申请由ECU监控各个气缸之间是否发生点火重叠的故障，一旦检测到该故障则停止执行诊断方法，直至该故障消失再恢复执行诊断方法。

实践中，当MCU51首次判断出某一个点火线圈发生了某一种故障时，可以立即确认故障并采取处理措施，也可以等待并计数直至该点火线圈的同一种故障重复发生多次后再确认故障并采取处理措施。所述处理措施包括：屏蔽掉出现故障的缸的点火功能（例如是MCU51始终向开关器件53输出低电平，即ECU5始终向点火线圈2发送高电平，以使对应的点火线圈2始终不点火），以保护点火驱动芯片；同时屏蔽掉出现故障的缸的喷油功能，以防止淹缸。所述处理措施只在发动机本次工作期间内进行，一旦发动机停止工作，则所述处理措施结束但存在故障的点火线圈被记录下来。

在发动机启动后，如果在发动机上次工作期间内被记录有某种故障的某一个点火线圈正常工作，可以立即清除该点火线圈的该种故障记录，也可以等待并计数直至该点火线圈正常工作重复发生多次后再清除该种故障记录。

与现有技术相比，本申请具有如下优点：

其一，实现了对内驱电控点火系统的点火诊断和保护，解决由于点火线圈的故障烧坏ECU内部的点火驱动芯片进而使整个ECU报废的问题。

其二，使用同一个故障诊断电路来对所有缸的点火线圈进行故障诊断。相比于为每个点火驱动芯片设计一套外围诊断电路而言，电路结构极其简单，更能节省成本。

其三，可以广泛适用于1缸、3缸、4缸、6缸、8缸等市场上所有的汽油发动机。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内驱电控点火系统的故障诊断电路，所述内驱电控点火系统是在汽油发动机车辆的ECU内部设有微控制器、电阻一和开关器件；微控制器的一个输出端通过电阻一连接开关器件的栅极或基极；开关器件的源极或发射极接地；开关器件的漏极或集电极连接初级线圈的第一端；初级线圈的第二端连接车载直流电源；

其特征是，所述故障诊断电路是在所述ECU内部还包括有采样电阻、比较器、反馈电阻和两个串联电阻；反馈电阻连接比较器的第一输入端和输出端；比较器的输出端连接微控制器的一个输入端；其余部件采用如下三种连接方式之一；

第一种连接方式：将“开关器件的源极或发射极接地”改为开关器件的源极或发射极一方面通过采样电阻接地，另一方面通过串联电阻一连接比较器的第一输入端；比较器的第二输入端通过串联电阻二接地；

第二种连接方式：将“开关器件的漏极或集电极连接初级线圈的第一端”改为初级线圈的第一端一方面通过采样电阻连接开关器件的漏极或集电极，另一方面通过串联电阻一连接比较器的第一输入端；比较器的第二输入端通过串联电阻二连接开关器件的漏极或集电极；

第三种连接方式：将“初级线圈的第二端连接车载直流电源”改为车载直流电源一方面通过采样电阻连接初级线圈的第二端，另一方面通过串联电阻一连接比较器的第一输入端；比较器的第二输入端通过串联电阻二连接初级线圈的第二端。

2.根据权利要求1所述的内驱电控点火系统的故障诊断电路，其特征是，所述开关器件为MOS晶体管、或IGBT器件。

3.根据权利要求1所述的内驱电控点火系统的故障诊断电路，其特征是，所述反馈电阻、串联电阻一和串联电阻二中的部分或全部为可调电阻。

4.一种内驱电控点火系统的诊断方法，其特征是，采样电阻将点火线圈的初级电流转换为电压值输入给比较器的第一输入端；所述比较器将第一输入端的电压值与阈值电压相比较，当第一输入端的电压值较小则输出第一电平状态，否则输出第二电平状态；MCU从向开关器件的栅极发送信号使其导通开始计时，直至比较器由输出第一电平状态改为输出第二电平状态停止计时，所得的时长与预设时长相比较，判断是否发生了故障；

如果MCU从向开关器件的栅极发送高电平使其导通开始计时，直至MCU改为向开关器件的栅极发送低电平的时间区段内，比较器始终输出第一电平状态，则表明点火线圈发生了开路故障；

如果所得时长明显小于预设时长，则表明点火线圈发生了过流故障；

否则，表明点火线圈工作正常。

5.根据权利要求4所述的内驱电控点火系统的诊断方法，其特征是，所述“所得时长明显小于预设时长”是指所得时长≤二分之一的预设时长。

6.根据权利要求4所述的内驱电控点火系统的诊断方法，其特征是，当MCU首次判断出某一个点火线圈发生了某一种故障时，或者立即确认故障并采取处理措施，或者等待并计数直至该点火线圈的同一种故障重复发生多次后再确认故障并采取处理措施。

7.根据权利要求6所述的内驱电控点火系统的诊断方法，其特征是，所述处理措施包括：屏蔽掉出现故障的缸的点火和喷油；所述处理措施只在发动机本次工作期间内进行；一旦发动机停止工作，则所述处理措施结束但存在故障的点火线圈被记录下来。

8.根据权利要求6所述的内驱电控点火系统的诊断方法，其特征是，在发动机启动后，如果在发动机上次工作期间内被记录有故障的点火线圈正常工作，或者立即清除该点火线圈的该种故障记录，或者等待并计数直至该点火线圈正常工作重复发生多次后再清除该种故障记录。

9.根据权利要求4所述的内驱电控点火系统的诊断方法，其特征是，ECU监控各个气缸之间是否发生点火重叠的故障，一旦检测到该故障则停止执行诊断方法，直至该故障消失再恢复执行诊断方法。