CN103998766B - 内燃机点火装置的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机点火装置的工作方法，该点火装置带有被设计成变换器的点火线圈（ZS）、与点火线圈（ZS）的二次绕组连接的火花塞（ZK）、与点火线圈（ZS）的一次绕组串联地连接的可控的开关元件（IGBT）、与点火线圈（ZS）的一次绕组及开关元件（IGBT）的控制输入端连接的控制单元（SE），其中，控制单元（SE）根据流经点火线圈（ZS）的一次和二次绕组的电流（I_Prim、I_Sec），并根据在点火线圈（ZS）的一次绕组与开关元件（IGBT）的连接点和供电电压的负接头（GND）之间的电压，为点火线圈（ZS）提供供电电压（V供电），并为开关元件（IGBT）提供控制信号（IGBT_Control），在变换器工作中为了使得点火线圈（ZS）工作，通过切断开关元件（IGBT）和再次接通开关元件，给点火线圈（ZS）充电并建立点火火花，之后，检测控制单元（SE）的供电电压（V供电），且在超过预定值时又切断开关元件（IGBT）。预定值表明存在表面放电火花。

Description

内燃机点火装置的工作方法

在被设计成柴油机的现代内燃机中的连续式点火设备数十年来就按照简单而可靠的线圈放电原理工作，也就是说，被设计成变换器的点火线圈在一次侧按照其电感从电网电压被部分地充电至其饱和范围。在点火时刻，借助电子电路例如通过点火-IGBT（绝缘栅双极型晶体管）来使得充电中断。由此在二次侧建立起例如5kV~35kV的电压，该电压在内燃机燃烧室内在火花塞的火花隙中导致电弧。接下来，等离子点火器内的存储在线圈中的能量消减。

在这里，在每次独立的火花放电之前都发生各种不同的预先放电，其最终在电压上升中导致火花击穿。尽管这种电压上升以大约1kV/μs发生，却无法避免周围介质中的自由载流子沉积在火花塞的将点火电极绝缘的陶瓷上，因而减小了绝缘阻力。就被高程度地充电的现代柴油机而言，上升的燃烧室压力尤其导致击穿电压上升，其只有通过固体绝缘才能可控地保持在全部工作范围内。在这里，陶瓷绝缘子的绝缘作用消弱通常导致形成表面放电火花，这种火花并非如通常那样在接地电极与中央电极之间形成，而是紧贴在陶瓷表面上顺延滑动地在陶瓷底脚点寻找接地端。这种火花放电在燃烧技术上后果严重，因为从火花向周围介质的热量传递急剧减少，进而产生了燃烧拖延甚或燃烧中断的巨大风险。

用于在燃烧室压力高的情况下避免表面放电火花的方案在当前很有限，无法实现有针对性的避免。通常必须考虑的是，在发动机工作中使得陶瓷表面保持没有任何形式的污物比如碳黑和流态燃油。陶瓷表面特性质量和火花塞的结构设计也至关重要。只能通过减小击穿电压即减小电极间距以及通过减小点火时刻的燃烧室压力来有效地预防形成表面放电火花。

在尚未公开的申请DE 10 2009 057 925.7中记载了一种用于内燃机点火装置的工作的革新式的方法和一种用于实施所述方法的革新式内燃机点火装置。据此，内燃机点火装置带有被设计成变换器的点火线圈、与点火线圈的二次绕组连接的火花塞、与点火线圈的一次绕组串联地连接的可控的开关元件、与点火线圈的一次绕组及开关元件的控制输入端连接的控制单元。控制单元根据在点火线圈的一次绕组与开关元件的连接点和供电电压的负接头之间的电压，根据流经点火线圈的一次和二次绕组的电流，为点火线圈提供可调的供电电压，为开关元件提供控制信号。在此，该装置的工作方法流程如下：

在第一阶段（充电）中，利用控制信号在第一接通时刻使得开关元件导通，而在预定的点火时刻又使其不导通；

在随后的第二阶段（击穿）中，把一次电压或者由其导出的电压与第一阈值比较，在该电压低于第一阈值时在第二接通时刻又使得开关元件导通；

在随后的第三阶段（电弧）中，适当地控制供电电压，使得流经点火线圈的二次绕组的电流大致等于预定的电流，并把流经点火线圈的一次绕组的电流与预定的第二阈值相比较，在该电流超过第二阈值时，在第一切断时刻又使得开关元件不导通；

在随后的第四阶段（击穿）中，把流经点火线圈的二次绕组的电流与第三阈值相比较，在该电流低于第三阈值时在第三接通时刻又使得开关元件导通；

然后必要时重复第三和第四阶段，直到在当开关元件最终不导通时所在的时刻达到预定的燃烧持续时间。

相应的装置在图1中示出，主要电压和电流的时间曲线在图2中示出。

在发动机工作中，在达到点火时刻时，电压最好快速地上升，直至达到击穿电压，从而避免全部表面都静态充电的趋势（基准值约为1kV/μs），这种充电最终会提高形成表面放电火花的概率。可惜这样一来平均也会达到较高的击穿电压，这又提高了绝缘需求，也使得电压上升速度向上受到限制。由于表面放电火花的出现也有较大的随机成分，所以有可能在即刻识别出表面放电火花时将其电流短时间地中断，保证其熄灭，力图重新建立火花。这里的关键是，保持适当的动作和反应时间，即< 100 µs。

本发明的目的因而在于，及时地识别到出现表面放电火花。

所述目的通过本发明的方法得以实现。

DE 10 2009 057 925.7中所述的内燃机点火装置工作方法很适合于实施快速的表面放电火花识别，因为二次侧的电压变换结合以电流控制能实现对相应电子电路进行可行的设计。因而表面放电火花的特点往往是典型的起初的等离子束长度，即作为不能逾越的最小长度的在中央电极与绝缘子底脚点之间的最短间距。由于用来产生和保持表面放电火花的电压需求与等离子长度成比例，所以起初的燃烧电压需求在击穿之后马上可以被考虑作为火花评判的识别判据。具体而言，根据DE 10 2009 057 925.7的装置的DC/DC转换器在变换器工作中于变换阶段在火花燃烧开始后马上切换至大功率，以便按照线圈的变换比例给表面放电火花供应能量。紧接于火花燃烧开始后的这种大负荷可以根据本发明直接被评价为或分析为表面放电火花出现的判据。

在本发明的有利改进中可以规定电流中断，直至火花熄灭。必要时可以等待一段预定的时间，直至火花再次建立，以便保证离子的再次组合，从而没有新的表面放电火花产生。按照本发明的进一步设计，可以—必要时也根据燃烧室压力—通过调换极性来实现所述再次建立。

所述目的还通过根据权利要求5的内燃机点火装置得以实现。有利的改进在从属权利要求中给出。

下面借助实施例参照附图详述本发明。其中：

图1为本发明的方法所基于的点火装置的方框图；

图2为示出时间关系的流程图。

本发明的根据图1的点火装置含有可控的被设计成电压变换器的电源DC/DC，用于给一个或多个点火线圈供应以必要时可改变的供电电压“V供电”。该电源由当前约12V的电网电压V_bat供电。该电源给一个或多个点火线圈ZS供电，其中以有利的方式不再需要阻塞二极管。可以采用常见的与点火线圈ZS的二次绕组连接的火花塞ZK。点火线圈ZS的一次绕组与通常被设计为IGBT的用于接通点火线圈ZS的开关元件串联连接。设置有用于检测一次电压和一次电流以及二次电流的装置。

控制单元SE根据所测得的工作参数借助电压转换器DC/DC产生可变的供电电压“V供电”以及用于开关元件IGBT的控制信号“IGBT_控制”。

控制单元SE又受（未示出的）微控制器的控制，该微控制器通过单独的定时输入端实时地为每个点火线圈都规定点火时刻。通过另一接口—比如常见的SPI（串行外围接口）—可以在微控制器与控制单元SE之间交换数据。

电压转换器DC/DC由12V电网电压V_bat产生供电电压“V供电”。该供电电压“V供电”的值可通过在电压转换器DC/DC的控制输入端Ctrl上的处于例如2~30V范围内的控制信号“V_控制”予以高度动态地控制。电压转换器DC/DC在此可以为相应激活的点火线圈ZS提供所需要的充电电流。

作为点火线圈ZS，可以采用转换比例例如为1:80的常见类型，但可以省去对于当今常见的点火系统来说必需的阻塞二极管。根据所用柴油机的气缸数量，例如需要3~8个点火线圈。但由于根据本发明的方法，可以使用最大存储能量明显较小的点火线圈。

作为火花塞ZK，可以采用常见的类型。其具体设计决定于在电机中的应用情况。

作为开关元件IGBT，也可以使用内部限制电压例如为400V的常见类型。但可以根据所需要的充电电流来减小其所需要的载流能力。

信号V_Prim形成点火线圈ZS的一次电压，该一次电压借助由电阻R1和R2构成的电压分配器从至多400V减小至对于控制单元SE可用的例如5V的值域。电压分配的值在所述范例中为1:80。电压分配器R1、R2设置在点火线圈ZS的一次绕组和开关元件IGBT的连接点与接地端子0之间。接地端子0与供电电压“V供电”的负极GND连接。

为了测量流经点火线圈ZS的一次绕组的电流，使得电阻R3与该一次绕组和开关元件IGBT串联地连接。流经电阻R3的充电电流产生体现电流的电压I_Prim。

有个电阻R4以同样的方式与点火线圈ZS的二次绕组串联地连接。流经该电阻R4的二次电流产生在电阻R4上下降的电压I_Sec。

控制单元SE包括电压转换器DC/DC和控制电路“控制器”。该控制器检测信号V_Prim、I_Prim和I_Sec，并借助电压比较器把这些信号与阈值或给定值比较。

在由微控制器的输入信号“定时”预定的时刻，控制单元SE引发点火过程，其中对点火持续时间和电弧电流加以控制。为此通过控制信号“V_控制”来控制供电电压“V供电”，或者通过控制信号“IGBT_控制”来接通和切断开关元件IGBT。针对有多个气缸的柴油机，相应地设置有多个定时输入端和多个“IGBT_控制”输出端。

点火装置在此按图2所示如下工作。该方法在此包括多个相继的阶段。

1. 给线圈电感充电

在点火开始时，给点火线圈ZS的主电感充电。为此通过控制单元SE的控制信号“IGBT_控制”在时刻t1接通开关元件IGBT。在此，充电电流被检测为信号I_Prim。由于未采用二次侧的阻塞二极管，所以在充电过程期间必须在时间上改变供电电压“V供电”，使得此时在二次侧引起的电压肯定保持低于当前的击穿电压。其值主要由当前的在压缩冲程期间连续改变的燃烧室压力给定。这里重要的是，与所希望的存储能量相应的充电电流值最晚在点火时刻t2达到。略微提前达到充电电流值在此无关紧要，因为可以通过供电电压“V供电”的下降使得电流保持恒定。供电电压“V供电”在此被调节至由一次绕组的内电阻和充电电流给定的值。附加地还考虑到在开关元件IGBT和电流测量电阻R3上的电压损失。要达到的能量的值—基于对先前的点火过程的观察或者通过SPI预定—对于每个充电阶段来说都可以不同并相应地累加。

2. 击穿

在预定的点火时刻t2通过控制信号“IGBT_控制”来切断开关元件IGBT。于是在磁场崩溃的促动下，点火线圈ZS的一次和二次电压迅速上升。

供电电压“V供电”随着击穿阶段的开始借助控制信号“V_控制”被迅速地调节至其例如30V的最大值，这在图2中无法详细看到。

3. 燃烧阶段（电弧）

一旦一次电压在时刻t3下降到例如40V的预定值以下，就识别出燃烧阶段开始。由此通过电压分配器R1、R2导出的信号V_Prim于是具有例如0.5V的值，且可以利用第一电压比较器与第一阈值比较。第一电压比较器的输出端在低于阈值时改变其逻辑状态。这种改变用于在时刻t3再一次地接通开关元件IGBT。

如果在点火线圈作为变换器工作的该时刻存在表面放电火花，则能量需求相比于存在所希望的火花时明显较高，从而DC/DC转换器DC/DC在其输出端提供高电压“V供电”，使得由其提供的功率约为其最大功率的80%~90%。该高电压按照本发明的方式予以检测，由此及时地识别出表面放电火花。

在本发明的有利改进中，然后通过开关IGBT的断开来中断电流，从而使得表面放电火花熄灭。经过任选的等待时间之后，再接通开关IGBT，其中根据燃烧室压力可以重新建立火花，必要时更换其极性，所述燃烧室压力可以由点火角度、充气效率和压缩比以及必要时的其它已知参数算得。临界的燃烧室压力约为15巴。在15巴以下以有利的方式重新建立具有负极性的火花塞，而在15巴以上则保持极性。

如果在重新点火和随后过渡至变换器工作之后再次识别出表面放电火花，则可以重复本发明的上述方法。否则就采用开篇所述的做法继续。

Claims (4)

1.内燃机点火装置的工作方法，该点火装置带有被设计成变换器的点火线圈（ZS）、与点火线圈（ZS）的二次绕组连接的火花塞（ZK）、与点火线圈（ZS）的一次绕组串联地连接的可控的开关元件（IGBT）、与点火线圈（ZS）的一次绕组及开关元件（IGBT）的控制输入端连接的控制单元（SE），

其中，控制单元（SE）根据流经点火线圈（ZS）的一次和二次绕组的电流（I_Prim、I_Sec），并根据在点火线圈（ZS）的一次绕组与开关元件（IGBT）的连接点和供电电压的负接头（GND）之间的电压，为点火线圈（ZS）提供供电电压（V供电），并为开关元件（IGBT）提供控制信号（IGBT_Control），

其中，根据低于或超过用于一次电压或从中导出的电压（V_Prim）、流经点火线圈（ZS）的一次绕组的电流（I_Prim）和流经点火线圈（ZS）的二次绕组的电流（I_Sec）的阈值（V1、V3、V4），通过交替地接通和切断开关元件（IGBT），将能量输送到火花塞的点火火花中，

其特征在于，

在变换器工作中为了使得点火线圈（ZS）工作，通过切断开关元件（IGBT）和再次接通开关元件，给点火线圈（ZS）充电并建立点火火花，之后，检测控制单元（SE）的供电电压（V供电），且在超过预定值时又切断开关元件（IGBT）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了使得点火线圈（ZS）上的电荷衰减，经过一段等待时间之后，再次开始点火过程。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据燃烧室压力，通过调换供电电压（V供电）的极性来进行重新点火。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在燃烧室压力小于约15巴时，通过调换极性来进行重新点火。