CN104214037A - 用于控制电晕点火装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制电晕点火装置的方法，该电晕点火装置包括高频发生器(10)和包含点火电极(5)的谐振电路(7)，其特征在于：初级电压被供给高频发生器(10)，谐振电路(7)由通过高频发生器(10)生成的次级电压激励，因而在点火电极处产生电晕放电，在谐振电路(7)的激励期间测量电变量的一系列值，通过分析所测量的值，检查电晕放电是否已转变成电弧放电，并且如果检测到电弧放电，则响应于电弧放电的检测而减小次级电压，从而使电弧放电熄灭。

Description

用于控制电晕点火装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制电晕点火装置的方法，该电晕点火装置包含高频发生器和含有点火电极的谐振电路。
背景技术
在WO2010/011838中公开一种电晕点火装置，其中内燃发动机的燃烧室中的燃料/空气混合物，可通过在燃烧室中产生的电晕放电而点燃。该电晕点火装置包含被插入到绝缘体中的点火电极。点火电极连同绝缘体以及围绕绝缘体的套管一起形成电容器。电容器是电晕点火装置的电谐振电路的一部分，该电路由高频AC电压激励。因此，在点火电极产生过电压，从而该电极处形成电晕放电。
电晕放电不应被分解成电弧放电或火花放电。因此注意确保点火电极和地面之间的电压保持低于击穿电压。为此，将从初级电压生成高频AC电压的高频发生器的初级侧阻抗，设定成目标值。为了操作具有可能的最佳目标值的电晕点火装置，从发动机循环到发动机循环，通过逐步增加以预定间隔检测给定的目标值，直到电弧放电最终出现。如果检测到电弧放电，则后续发动机循环的目标值减小预定百分比。
为了产生可能的最佳电晕放电，电晕放电装置的操作通常仅低于击穿电压。点火电极处的电压越接近击穿电压，电晕放电越大。然而，由于电弧放电然后形成代替电晕放电，因此要避免电压被增加到击穿电压。电弧放电导致点火电极增加燃耗，并导致发动机燃烧室中燃料/空气混合物较差的燃烧或点火。
在电晕点火装置中，还可以产生沿面放电(creeping discharge)来代替电晕放电，或者在电晕放电期间形成火花放电或沿面放电。从DE10 2011 053 169 A1中可知，在电变量的特征曲线图上可识别该类型的故障。具体地，次级电压的周期性波动通常作为严重故障的预报器而出现，特别是内部火花或沿面放电。如果检测到该类型的波动，则可在其导致严重故障之前早一些识别故障。
发明内容
本发明的一个目的在于表明如何提高电晕点火装置的使用寿命。该目标通过具有本发明的第一方面所述特征的方法来实现的。本发明的其它方面描述本发明的有利改进。
利用根据本发明的方法，在电晕点火装置操作期间，连续地监测电晕放电，以便确定其是否已转变成电弧放电。如果检测到电弧放电，则次级电压减小，因此电弧放电熄灭。从而使任一电弧放电的持续时间最小，点火电极的燃耗降低。
在电晕点火装置的延长操作期间，不能完全避免电弧放电。由于故障、击穿电压未预料到的变化，例如由于燃料/空气混合物中的变化，或者车载电源的电压波动电弧等原因，偶尔可能会形成电弧放电。在现有技术中，无论何时检测到电弧放电，电压都仅在后续的发动机循环中减小，因而其仅防止在后续发动机循环中形成电弧放电。相反地，本发明教导以校正在当前发动机循环中的电压。利用根据本发明的控制方法，响应于检测到电弧放电，次级电压降低，且电弧放电熄灭。作为检测到电弧放电的结果，次级电压降低，使得电弧放电熄灭。
在本发明的有利改进中，通过关断高频发生器来减小次级电压。通过关断高频发生器，可减小次级电压，因而电弧放电能够非常容易、快速地被熄灭。
在本发明的又一有利改进中，在发动机运转时执行该方法。如果电弧放电已经熄灭，则在同一发动机循环期间再次增大次级电压，由此产生电晕放电。尽管电弧放电出现并迅速熄灭，但是存在于发动机燃烧室中的燃料/空气混合物在该发动机循环中仍可被点燃。一旦电弧放电已经熄灭，次级电压优选地仅仅在至少10微秒之后增大。此后，气体中的导电通道通常已经消失，因此电晕放电可持续，而不转变成电弧放电。
为了防止电晕放电被转变成电弧放电，在电弧放电已经熄灭之后，以稍小的次级电压激励谐振电路。例如，在熄灭电弧放电之后，通过减小初级电压，可以将次级电压设定成较低值。然后，新的初级电压小于先前检测到电弧放电的初级电压，例如小1％-5％。
如果已检测到电弧放电，响应于此，而降低次级电压，因而电弧放电熄灭，则可在同一发动机冲程中再次产生电晕放电。即使在电晕点火装置先前故障之后，发动机燃烧室中的燃料/空气混合物也可以因此被点燃。
为了减小电弧放电的作用，应当尽快地再次产生电晕放电。利用根据本发明的方法，在预定一段时间之后再次增大次级电压，并且在预定一段时间之后，例如通过重新激活高频发生器，产生电晕放电。例如，还可以通过测量来确定电弧放电是否已熄灭，如果是的话，则再次增大次级电压，因此产生电晕放电。在此情况下，即使在次级电压减小且电弧放电熄灭之后，重复地测量电变量。通过评估所测量地值，然后检查电弧放电是否已被熄灭。如果确定出电弧放电已被熄灭，则次级电压再次减小，并产生电晕放电。
例如，可通过分析电晕点火装置的谐振电路的阻抗来检测电弧放电。其它电变量包括：谐振电路的谐振频率、电流和电压之间的相移、以及谐振电路中的电流强度，基于这些其它电变量能够识别电晕放电是否已转变成电弧放电。
例如，可以通过计算时间导数并将其与预定阈值进行比较，来分析电变量的测量值。在从电晕放电转变成电弧放电的情况下，电流的时间导数为负，并下降到预定阈值以下。
另一种可能性是将电变量的测量值与预定阈值进行比较。举例来说，基于电流量下降到小于预定阈值的事实，可因而识别电晕放电转变成电弧放电。
与电变量的测量值进行比较的阈值，可以通过绝对术语来预先设定，也可以被确定成在较早或当前发动机循环期间测量的值的函数。例如，如果电流强度的当前值偏离在该发动机循环或发动机冲程中先前测量的最大值，大于以绝对术语确定的给定量，则可以推断已形成电弧放电。
附图说明
根据所示的实施例，并参照附图，描述本发明的其它细节和优点，其中：
图1示出电晕点火装置一个实施例的示意图；
图2示出通过具有电晕点火装置的内燃发动机汽缸的纵截面的示意图；以及
图3示出在电弧放电转变成电晕放电的情况下电晕点火装置的高频发生器的次级侧电流的绝对值或有效值的曲线图的一个例子。
附图标记列表
1：燃烧室
2：燃烧室的壁
3：燃烧室的壁
4：燃烧室的壁、活塞18的上侧
5：点火电极
6：绝缘体
7：谐振电路、串联谐振电路
8：电容器
9：电感器
10：高频发生器
11：DC电压电源
12：变压器
13：中心抽头
14：初级绕组
15：初级绕组
16：高频转换开关
17：次级绕组
18：活塞
19：活塞环
20：通道
21：凸起
22：电荷载子云
23：壳体
24：壳体23的第一部分
25：壳体23的第二部分
26：接口
27：输入端
28：输入端
29：诊断单元
30：发动机控制单元
具体实施方式
图1示出由接地的壁2、3和4界定的燃烧室1。点火电极5向上伸入到燃烧室1内，且在其部分长度上由绝缘体6包围，借助于该绝缘体，点火电极以电绝缘方式穿过上壁2进入燃烧室1。点火电极5和燃烧室1的壁2至4是串联谐振电路7的一部分，该串联谐振电路7还包含电容器8和电感器9。串联谐振电路7可以具有另外的电感器和/或电容器以及其它部件，其作为串联谐振电路的可能部件而为本领域技术人员所知。
设有用于激励谐振电路7的高频发生器10。高频发生器10包含DC电压电源11，及其初级侧上具有中心抽头13的变压器12，由此两个初级绕组14和15在中心抽头13处汇合。远离中心抽头13的初级绕组14和15的端部，借助于高频转换开关16交替地连接到地。高频转换开关16的开关频率确定串联谐振电路7被激励和可变的频率。变压器12的次级绕组17在A点供给串联谐振电路7。高频转换开关16由控制电路(未示出)控制，使得谐振电路以其谐振频率被激励。然后点火电极5的尖端与连接到地的壁2至4之间的电压处于最大值。
图2示出装备有图1中示意性示出的点火装置的内燃发动机的汽缸的纵截面。燃烧室1由被设置为汽缸头的上壁2、圆柱形周壁3、以及活塞18的上侧4来界定，活塞18在汽缸中可来回移动并设有活塞环19。
通道20位于汽缸头2中，其中点火电极5以电绝缘和密封方式穿过该通道20。点火电极5在其部分长度上被绝缘体6围绕，该绝缘体6可以是例如氧化铝陶瓷的烧结陶瓷。点火电极5的尖端伸入到燃烧室1内，并略微伸出超出绝缘体6，但也可以与绝缘体6平齐。
一些锋利的(sharp-edged)凸起21可被设置在点火电极5的尖端附近的活塞18的上侧，从而局部增加点火电极5与布置在其对面的活塞18之间的电场强度。当谐振电路7被激励时，电晕放电具体地形成在点火电极5与可选地设置的活塞18的凸起21之间的区域中，并且可伴随或强或弱的密集电荷载子云(charge carrier cloud)22。
壳体23装配在汽缸头2的外表面上。变压器的初级绕组14、15，和与其配合的高频电路16位于壳体23的第一部分24中。变压器12的次级绕组17、串联谐振电路7的其余部件，以及用于观察谐振电路7的行为的任何器件位于壳体23的第二部分25中。例如，可以经由接口26连接到诊断单元29和/或发动机控制单元30。
为了监控电晕点火装置的状态，可连续测量电变量。该电变量可以是，例如，谐振电路7的谐振频率或者谐振电路7的电流强度(amperage)。然后分析电变量的测量值，以检查是否存在电弧放电。
例如，可以通过计算时间导数并将其与预定阈值进行比较，来分析电变量的测量值。如果谐振电路中的电流的强度被认为是电变量，则电晕放电转变成电弧放电可被识别，因为电流显著下降，也就是说，电流的时间导数下降到低于预定负阈值。还可以通过将其与预定阈值进行比较来分析电变量的测量值。该阈值可以以固定方式预先设定，也可依据较早或当前发动机循环期间测量的值来确定。例如，电晕放电转变成电弧放电可基于这样的事实来识别，即瞬时电流强度和该发动机循环期间测量的电流强度的最大值之间的差值超过当前发动机循环期间的临界阈值。
为了便于说明，图3中示出在随机单元中作为时间t的函数的电流强度I。在时间t0处，电晕点火装置的高频发生器10关断。谐振电路7未被激励，因此电流强度I可忽略不计。在时间t1处，高频发生器10导通，谐振电路7被激励。因此，电流强度I迅速上升，电晕放电形成。
作为导通作用的结果，在电晕放电的点火期间可出现电流强度I的暂时超高。一旦导通作用减轻，则电晕放电存在的特征在于大量稳定的电流强度I。总的来说，在电晕放电期间，电流强度的变化通常小于10％。
在图3所示的例子中，在时间t2处，电晕放电转变成电弧放电。该转变是通过电流强度I的明显降低来实现的。在时间t3处，高频发生器10被关断。因此，电弧放电熄灭，并且电流强度I返回到初始的忽略不计值。
响应于检测到电弧放电，关断高频发生器10，因此电弧放电尽可能快地熄灭。因而时间t2和t3之间的距离显著减小，例如减小到小于100微秒，甚至小于50微秒。一旦电弧放电已经熄灭，则只有在等待周期为10微秒或更大以后，优选地再次接通高频发生器10，使得气体中的导电通道具有足够的时间消失或在新的电晕放电的点火之前被中断。
例如，可以通过终止高频转换开关16的启动，来关断高频发生器10。另一种可能性是将电压电源11与高频发生器10断开，或者快速地降低电源电压11的电压。通过关断高频发生器10，谐振电路7的激励被终止。这导致点火电极5的次级电压迅速下降，并使电弧放电熄灭。
利用这种控制方法，电弧放电可尽可能快地熄灭。通过电弧放电，能量大体被引入到发动机燃烧室中，之前的电晕放电通常太低以至于不能引起该发动机循环中燃料/空气混合物的点火。如果在发动机冲程中通过关断高频发生器10已经熄灭电弧放电，则因此在同一发动机冲程中再次接通高频发生器10，再次产生电晕放电。因而在当前发动机冲程中，通过电晕放电仍可点燃燃料/空气混合物，而与电晕点火装置的暂时故障、特别是电弧放电的发生无关。
如果在发动机冲程中检测到电弧放电，并响应于此而关断高频发生器10，则在预定时段后，可以通过再次接通高频发生器10来实现电晕放电。该时段可以由绝对术语，例如以微秒来限定，也可以以相对方式被限定成发动机的旋转速度的函数，例如该时段可被预定成一个角度，在高频发生器10再次被接通前，曲轴必须转过该角度。另一种可能性是在已关断高频发生器10之后，通过分析测量值、检查电弧放电是否已被熄灭，来继续测量电变量。一旦确定出电弧放电熄灭，则可以再次接通高频发生器10。在此情况下，响应于检测到放电不再存在，即已经熄灭，重新激活高频发生器10。

Claims (10)

1.一种用于控制电晕点火装置的方法，所述电晕点火装置包括高频发生器(10)和包含点火电极(5)的谐振电路(7)，其特征在于：
初级电压被供给所述高频发生器(10)，所述谐振电路(7)由通过所述高频发生器(10)生成的次级电压激励，因而在所述点火电极处产生电晕放电，在所述谐振电路(7)的激励期间测量电变量的一系列值，
通过分析所测量的值，检查所述电晕放电是否已转变成电弧放电，并且
如果检测到电弧放电，则响应于电弧放电的检测而减小所述次级电压，从而使所述电弧放电熄灭。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在发动机运转时执行所述方法，并且在所述电弧放电被熄灭之后，在所述电弧放电被熄灭的同一发动机循环期间增大所述次级电压，由此产生电晕放电。
3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在发动机运转时执行所述方法，并且在所述电弧放电被熄灭之后，在所述电弧放电被熄灭的同一发动机冲程期间增大所述次级电压，由此产生电晕放电。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于通过关断所述高频发生器(10)来减小所述次级电压。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于在发动机运转时执行所述方法，并且在所述高频发生器(10)被关断之后，在所述高频发生器(10)被关断的同一发动机循环期间接通所述高频发生器(10)，由此产生电晕放电。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在重新激活所述高频发生器之后，将所述初级电压设置成比先前检测到电弧放电的所述初级电压的值小的值。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于通过形成时间导数并将其与预定阈值进行比较，来分析所述电变量的测量值。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于将所述电变量的测量值与预定阈值进行比较。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于将所述测量值与阈值进行比较，所述阈值被确定成在较早或当前发动机循环期间测量的值的函数。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述电变量是电流。
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