CN104373276A - 电晕点火系统和用于控制电晕点火装置的方法 - Google Patents

电晕点火系统和用于控制电晕点火装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电晕点火系统，其具有包括点火电极(5)的振荡电路(7)；具有高频发生器(10)和含存储器(32)的控制单元(31)，该存储器(32)中设置有为电压值的连续区间赋予阻抗值和频率值的数据结构，其中控制单元(31)确定用于每次点火的阻抗值、频率值和相应电压值，在数据结构中存储为相应电压值所处的区间赋予的该阻抗值和该频率值，并在存储器(32)中存储变量，控制单元(31)利用该存储变量的值在电晕放电发生之前设定交流电压的频率，并且每当新频率值和新阻抗值分配给区间并且存储在数据结构中时，重新定义所述变量的值。

Description

电晕点火系统和用于控制电晕点火装置的方法
技术领域
本发明涉及一种电晕点火装置及其控制方法，具体说，涉及一种可在其共振频率附近以相对低的成本运转的电晕点火装置及其控制方法。
背景技术
WO 2010/011838 A1公开了一种电晕点火系统，采用该电晕点火系统，内燃机燃烧室中的燃料空气混合物可由在燃料室中形成的电晕放电点火。该电晕点火装置具有保持在绝缘体中的点火电极。点火电极与绝缘体及包围绝缘体的护套一起形成电容。该电容是电晕点火装置的电振荡电路的一部分，其经受采用高频交流电压从例如30kHz到5MHz的激励。这导致引起电晕放电的点火电极处的电压过量。
因此，高频电晕放电可在燃烧室中形成。电晕放电不应该变成电弧放电或火花放电。因此，应确保的是在点火电极和接地之间的电压保持在击穿电压之下。
WO 2010/011838 A1公开了调节振荡电路频率，测量振荡电路馈电点处的电流和电压之间的相移，并且借助于相位控制回路将相移调节为零，因为在串联振荡电路中，功率和电压在共振中同相(相移＝零)。相位控制回路控制开关装置的开关频率，采用该开关装置预定电压被交替施加到一个初级绕组，并且施加到变压器的其它初级绕组，以使得电流和电压在串联振荡电路的馈电点处在变压器次级侧彼此同相。
在现有技术中，包含高频点火器的高频振荡电路的共振频率的偏移是显著问题。有多种原因造成该问题。引起共振频率偏移的一个原因是内燃机的燃烧室中的变化，例如温度、压力、湿度水平的变化、高频点火器的点火电极的一个尖端或多个尖端变脏、以及取决于内燃机运转的其他参数的变化。此外，电晕的形成也可使共振频率偏移。如在WO 2010/011838 A1中公开的，通过相位控制回路将激励频率更新到共振频率是昂贵的，并且只能部分地解决该问题。相位控制易受相位控制回路组件的温度漂移和电压噪声的影响。
为避免相位控制回路的缺点，从DE 10 2011 052 096 A1中已知的是监控振荡电路的电流或电压的瞬时值，并且用初级电压脉冲激励高频发生器，当功率或电压的瞬时值超过预定开关阈值或落在预定开关阈值以下时，各个初级电压脉冲开始或终止。该方法具有需要精密测量技术的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种电晕点火装置可在其共振频率附近以相对低的成本运转的方式。
该目的通过以下电晕点火系统和方法解决。
根据本发明，阻抗值和频率值针对每次点火被存储在数据结构(例如字段或表)中。每个阻抗值和每个频率值被分配给该数据结构中的若干连续电压区间中的一个区间，即包含针对相关点火所确定的电压值的电压区间。
这些电压值可以是由高频发生器发生的次级电压值。然后，在数据结构中，各个阻抗值和频率值可被分配给一系列次级电压区间中的每个。然而，在数据结构中，阻抗值和频率值也可以被分配给初级电压区间。
数据结构通过变量补充，该变量值指明当前发动机循环的当前频率值是否已经分类为太高或太低。在下文中，该变量可称为调节变量。对于随后的发动机循环中的下一个电晕放电，然后根据调节变量的值来调节更高或更低的频率。调节变量的值在每个发动机循环中重新确定。为此，在当前频率值与更早频率值以及当前阻抗值与更早阻抗值之间进行比较。更早频率值和更早阻抗值从数据结构读取。从数据结构读取的阻抗值和频率值是被分配给当前电压值所位于的电压区间的值。
如果当前频率值高于针对相关电压区间存储的先前频率值，并且当前阻抗值高于针对该电压区间存储的先前阻抗值，则向调节变量赋予这样的值：其在随后发动机循环中的下一个电晕放电期间导致比当前频率值更低的频率值。
如果当前频率值低于针对相关电压区间存储的先前频率值，并且当前阻抗值低于针对该电压区间存储的先前阻抗值，则向调节变量赋予这样的值：其在随后发动机循环中的下一个电晕放电期间导致比当前频率值更低的频率值。
如果当前频率值低于针对相关电压区间存储的先前频率值，并且当前阻抗值高于针对该电压区间存储的先前阻抗值，则向调节变量赋予这样的值：其在随后发动机循环中的下一个电晕放电期间导致比当前频率值更高的频率值。
如果当前频率值高于针对相关电压区间存储的先前频率值，并且当前阻抗值低于针对该电压区间存储的先前阻抗值，则向调节变量赋予这样的值：其在随后发动机循环中的下一个电晕放电期间导致比当前频率值更高的频率值。
然后，使用调节变量的值，从当前频率值和调节变量的值计算新频率值，并且在下一个发动机循环中以这种方式控制高频发生器，即其采用与新频率值对应的频率产生交流电压作为次级电压。
在频率值及阻抗值与先前值比较之后，当前频率值和当前阻抗值被存储在数据结构中，并因此分配给当前电压值所处的电压区间。通过存储当前阻抗值和频率值，旧值可被覆写。在最先启动期间，不存在可用的更早点火值。经验频率值和阻抗值例如可由制造商存储在数据结构中，其稍后被覆写。
调节变量可以是标记，控制单元利用该调节变量的值确定用于发动机循环的交流电压频率的变化。在这种情况下，调节变量仅具有两个可能值。这样当前要调节的频率与之前发动机循环的频率差一个固定的值，该固定的值根据标记值已经添加给更早的频率或从其减去。该固定的值可定义为更早频率的一小部分，例如1％，或者可以对于所有的频率都是恒定的、固定地预定为例如以kHz为单位的绝对值。
然而，调节变量也可具有更大范围的值，例如以便在变量步骤中执行频率调节，其大小取决于当前阻抗值与更早阻抗值的差异程度，以及当前频率值与更早频率值的差异程度。
在本发明的一个实施例中，调节变量每个可能的值导致频率的变化，使得当前设定的频率值总是与之前的发动机循环频率不同。以这种方式，控制方法可用低水平的成本来执行。如果在阻抗值及频率值与前值的比较中确定一致，则调节变量的值可随机确定，或者，在此小概率事件中，调节变量可总是被赋予导致频率增加的值，或导致频率降低的值，或反转之前变化方向的值。
在电晕放电的开始和发动机燃烧室中的燃料点火之间，可发生初级电压以及因此同样次级电压的变化。在保持电晕放电的同时发生的初级电压的任何波动总体上较低。根据本发明的方法所需的电压值因此可由单个测量简单确定。同样可以将电压值确定为若干测量值的平均值。
类似地，保持电晕放电的同时阻抗可改变。为最小化对频率适应上的相应影响，阻抗值可例如确定为平均值。这些可在电晕放电的整个持续时间内或在电晕放电的持续时间的定义部分内平均。例如，从电晕放电的开始到燃料点火的时间周期可分成若干个部分，特别是相同长度的部分，并且在中间部分的阻抗平均值可被计算。也就是说，在平均值的计算中，两个端部可被忽略。另一个可能性是，在电晕放电的点火周期期间或在电晕放电周期的特定持续时间部分期间确定阻抗值为最大或最小值。
在数据结构中阻抗值和频率值所分配至的电压区间的数量对于大多数部分可自由选择。例如，数据结构可提供64个或更多的电压区间。阻抗值和频率值可在数据结构中分配给至少128个电压区间，例如分配给256个或更多的电压区间。
本发明的一个有利改进提供：频率在没有相反方向上的间歇变化的情况下，频率在同一方向上的可能变化数量受到限制。因此，如果在同一方向上相对于频率的最大可允许变化数量已经在实施，则在下一个变化期间频率更改到相反方向。例如，如果最大可允许数量是10，则频率在增加十次而期间无减少之后，将在第十一个变化期间减少。以这种方式，作为测量误差的结果频率渐行渐远的风险可降低。
例如，控制单元可具有每当频率更改变化方向时重新复位的计数器，所以频率降低紧随频率增加，或频率增加紧随频率降低。如果频率改变的方向保持相同，则计数器被赋予更高的数字。每当将值赋予频率值计算所用的调节变量时，电晕点火系统的控制单元可例如改变计数器状态。例如，通过比较调节变量的当前值与(静止)存储值，控制单元即可确定计数器是否增加或复位。
如果计数器状态达到预定最大值，则例如通过赋予与当前和先前阻抗值和频率值之间比较结果无关的调节变量的值，强制进行变化方向的反转，所述值具有方向变化的结果，以使得在之前频率降低之后频率增加，或者在之前频率增加之后频率降低。为此一个可能性是，在作为在当前阻抗值和先前阻抗值之间以及在当前频率值和先前频率值之间进行比较的结果，值赋予调节变量之后，在调节变量的值用于频率计算之前，执行新的为调节变量赋值。另一个可能性是，当达到最大可允许计数器状态时，为了免除在当前和之前阻抗值和频率值之间的比较，并且直接将值赋予调节变量，所述值起到使方向变化反转的作用。
以上描述涉及从零计数到其结束值的计数器。从开始值到结束值倒计数的计数器也可被使用。
附图说明
本发明的进一步细节和优点参考附图在说明性实施例中进行说明。在示出的附图中：
图1是电晕点火装置示例的示意图；
图2是通过具有电晕点火装置的内燃机汽缸的纵向截面示意图；以及
图3是用于控制电晕点火装置的数据结构示例。
附图标记列表
1.  燃烧室
2.  燃烧室壁
3.  燃烧室壁
4.  燃烧室壁，活塞18的上侧
5.  点火电极
6.  绝缘体
7.  振荡电路，串联振荡电路
8.   电容器
9.   电感器
10.  高频发生器
11.  直流电压源
12.  变压器
13.  中心抽头
14.  初级绕组
15.  初级绕组
16.  高频切换开关
17.  次级绕组
18.  活塞
19.  活塞环
20.  通道
21.  突出
22.  电荷载流子云
23.  壳体
24.  23的第一部分
25.  23的第二部分
26.  接口
27.  输入
28.  输入
29.  诊断装置
30.  发动机控制装置
31.  控制装置
32.  存储器
具体实施方式
图1示出由接地的壁2、3和4限定的燃烧室1。点火电极5从上面伸入燃烧室1。点火电极5在其部分长度上由的绝缘体6包覆。点火电极5利用由绝缘体6提供的电绝缘通过上壁2引导到燃烧室1中。点火电极5和燃烧室1的壁2到4是包括电容器8和电感器9的串联振荡电路7的组件。串联振荡电路7当然可同样包括其他电感器和/或电容器以及本领域技术人员公知的作为用于串联振荡电路的潜在组件的其它组件。
为了振荡电路7的激励，提供高频发生器10，其具有直流电压源11和在初级侧具有中心抽头13的变压器12，藉此两个初级绕组14和15在中心抽头13上集合在一起。从中心抽头13移除的初级绕组14和15的端部借助于高频切换开关16交替地接地。高频切换开关16的切换频率确定串联振荡电路7经受激励的频率，并且可被改变。变压器12的次级绕组17在点A处馈入串联振荡电路7。高频切换开关16由控制单元31控制。控制单元31因此预先确定由高频发生器产生的作为次级电压的交流电压的频率，并且采用该频率使振荡电路7经受激励。
这种包括点火电极5的振荡电路7被提供用于发动机的每个燃烧室。高频发生器10可供给若干个振荡电路7。然而，对于每个振荡电路，其也可以连接到其自身的高频发生器10。在两种情况下，单个控制单元31都是足够的。
图2示出通过内燃机汽缸的纵向截面，其装备有在图1中示意性示出的点火装置。燃烧室1由设计为汽缸盖的上壁2、圆筒形周壁3以及在汽缸中来回移动的活塞18的上侧4限定，所述活塞具有添加到其的活塞环19。
通道20位于汽缸盖2中，利用该通道使点火电极5被电绝缘，并且通过该通道使其以密封方式被引导。点火电极5在其部分长度上由绝缘体6包覆。绝缘体6可由烧结陶瓷材料组成，例如氧化铝陶瓷。点火电极5以其尖端伸入燃烧室1中，并且还多少从绝缘体6伸出，但是也可与它端部齐平。
一些边缘锋利的突起21可提供在点火电极5尖端附近的活塞18的上侧，所述突起导致在点火电极5和位于它对面的活塞18之间的电场强度局部增加。主要在点火电极5和任选存在的活塞18的突起21之间的区域中，当振荡电路7经受激励时形成电晕放电，所述放电可伴有或多或少密集的电荷载流子云22。
壳体23定位在汽缸盖2的外部。变压器12的初级绕组14和15以及与其相互作用的高频切换开关16位于壳体23的第一部分24中。变压器12的次级绕组17和串联振荡电路7的其余组件，以及任选的用于观察振荡电路7行为的装置位于壳体23的第二部分25中。经由接口26与诊断装置29和/或发动机控制装置30的连接是可能的。
控制单元31重新设定用于每个发动机循环的频率。为此，控制单元由当前频率值和在下文中可称为调节变量的变量值计算用于下一个发动机循环的频率值。例如，如果调节变量是标记(flag)，则这通过添加到当前频率值的预定值来发生，其中标记的值指明值的符号。通过根据调节变量的值而添加或减去的值，新频率值就由当前频率值产生。添加或减去的值可以是预先确定的以kHz为单位的绝对项的常数。该值也可以与当前频率值相关，例如定义为当前频率值的一小部分。
如果控制单元31已经计算了新频率值，则高频发生器10被激活，并且在下一个发动机循环中以这样的方式被控制：之后由高频发生器10产生的交流电压的频率与新频率值对应。为此，在图1中示出的示例中，高频切换开关16以频率值与新频率值一致的频率被驱动。
调节变量的值在每个发动机循环中由控制单元31重新设定。为此，控制单元31评估当前电压、频率和阻抗的值，以及先前电压、频率和阻抗的值。
与系统相关的初级电压范围已经被分成连续的区间，例如64个区间或更多。数据结构设置在用于发动机每个燃烧室的控制单元31的存储设备或存储器32中，利用所述数据结构，各个阻抗值和频率值以表格的形式分配给各电压区间。
这种数据结构的示例在图3中示意性示出。在此，正好一个阻抗值和正好一个频率值分配给每个电压区间。而不是还可使用初级电压区间、次级电压区间。
当前阻抗值针对每个电晕放电以及由此导致的燃料点火而确定。例如，阻抗值可确定为初级电压和初级功率的商，或确定为次级电压和次级功率的商。在此，功率和电压的平均值或各个测量的值可在电晕放电期间在定义的时间点被使用。在电晕放电期间产生的阻抗最大值也可用作阻抗值。
针对当前电压值所位于的电压区间的阻抗值和频率值从数据结构读取。然后将读取的阻抗值与当前阻抗值比较，并且将读取的频率值与当前频率值比较。
如果当前频率值高于读取的频率值并且如果当前阻抗值高于读取的阻抗值，或者如果当前频率值低于读取的频率值并且新阻抗值低于先前存储的用于该区间的阻抗值，则向调节变量赋予在频率值计算期间导致更低值的值。如果调节变量是标记，则这因此设定为例如“降低”到零的值。
如果当前频率值高于读取的频率值更高并且当前阻抗值低于读取的阻抗值，或者如果当前频率值低于读取的频率值并且新阻抗值高于先前存储的用于相关电压区间的阻抗值，则向调节变量赋予在频率值计算期间导致更高值的值。如果调节变量是标记，则这因此设定为例如“增加”到一的值。
如果标记的值已经因比较结果而改变，则标记的旧值被当前确定的值覆写，并且计数器复位。否则计数器状态改变一次，并且检查计数器状态是否已实现预定的结束值。如果是这种情况，则数据结构中的标记值改变并且计数器状态复位。
然后，在数据结构中，读取的阻抗值被当前阻抗值覆写，并且读取的频率值被当前频率值覆写。

Claims (10)

1.一种用于循环运转的内燃机燃烧室中的燃料点火的电晕点火系统，包括：
振荡电路(7)，其包括点火电极(5)，
高频发生器(10)，其用于由初级电压生成交流电压，以便激励所述振荡电路(7)，以及
控制单元(31)，其用于控制所述高频发生器(10)，
其特征在于，
所述控制单元(31)包括设置有数据结构的存储器(32)，所述数据结构将阻抗值和频率值分配给电压值的连续区间，
其中所述控制单元(31)确定用于每次点火的阻抗值、频率值和相应电压值，将该阻抗值和该频率值存储在所述数据结构中分配给相应电压值所处的区间，以及
在所述控制单元(31)的所述存储器(32)中存储变量，其中所述控制单元(31)使用该变量用于计算频率值，并且在电晕放电发生之前将所述交流电压的频率设定为该频率值，以及
每当新频率值和新阻抗值分配给所述区间中的一个区间并且存储在所述数据结构中时，所述控制单元(31)通过以下方式重新定义所述变量的值：
如果所述新频率值高于先前针对该区间存储的频率值，并且如果所述新阻抗值高于先前针对该区间存储的阻抗值，或者
如果所述新频率值低于先前针对该区间存储的频率值，并且所述新阻抗值低于先前针对该区间存储的阻抗值，
则将这样的值分配给所述变量：该值引起所述交流电压的频率设定到比所述新频率值更低的值，以及
如果所述新频率值高于先前针对该区间存储的频率值，并且如果所述新阻抗值低于先前针对该区间存储的阻抗值，或者
如果所述新频率值低于先前针对该区间存储的频率值，并且所述新阻抗值高于先前针对该区间存储的阻抗值，
则将这样的值分配给所述变量：该值引起所述交流电压的频率设定到比所述新频率值更高的值。
2.根据权利要求1所述的电晕点火系统，其特征在于，所述电压值的连续区间是初级电压值的区间。
3.根据前述权利要求中任何一项所述的电晕点火系统，其特征在于，所述变量是标记。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的电晕点火系统，其特征在于，在所述发动机已经启动之后，通过所述控制单元(31)根据所述变量和先前点火期间使用的频率值为每次点火计算所述交流电压的频率。
5.根据权利要求4所述的电晕点火系统，其特征在于，所述交流电压的频率通过向所述频率值添加一个量来计算，其中所述变量定义该量的符号。
6.根据权利要求5所述的电晕点火系统，其特征在于，所述量与所述频率值无关。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的电晕点火系统，其特征在于，计数器，当所述变量从引起频率增加的值变成引起频率降低的值时，或者当所述变量从引起频率降低的值变成引起频率增加的值时，所述计数器被所述控制单元(31)复位，其中当赋予所述变量的值和所述变量的存储值引起频率增加时，或者当赋予所述变量的值和所述变量的存储值引起频率降低时，所述控制单元(31)将计数器状态改变一次，其中
每当将要向所述变量赋值时，所述控制单元(31)检查所述计数器状态是否已经达到预定的结束值，并且如果是这种情况，则所述控制单元(31)将所述计数器复位并且将所述变量从引起频率增加的值变成引起频率降低的值，或者从引起频率降低的值变成引起频率增加的值。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的电晕点火系统，其特征在于，所述数据结构设置至少64个，优选至少128个电压区间。
9.一种用于控制电晕点火装置的方法，所述装置包括高频发生器(10)和振荡电路(7)，所述振荡电路(7)包括点火电极(5)，其中
通过将初级电压馈入所述高频发生器(10)而生成交流电压，
所述振荡电路(7)经受所述交流电压的激励，并且因此在所述点火电极(5)上生成电晕放电，所述电晕放电导致发动机燃烧室中的燃料点火，
确定用于当前发动机循环的阻抗值、电压值和频率值，
其特征在于，
从数据结构中读取频率值和阻抗值，在该数据结构中阻抗值和频率值被分配给每个连续电压区间，
其中所述读取的频率值和阻抗值在所述数据结构中被分配给包含当前发动机循环的电压值的相应电压区间，
将当前发动机循环的阻抗值和频率值与所述读取的阻抗值和读取的频率值进行比较，
如果所述当前频率值大于读取的先前频率值，并且如果所述当前阻抗值小于读取的先前阻抗值，或者
如果所述当前频率值小于读取的先前频率值，并且如果所述当前阻抗值大于读取的先前阻抗值，
则对于下一个发动机循环增加所述交流电压的频率，
如果所述当前频率值大于读取的先前频率值，并且所述当前阻抗值大于读取的先前阻抗值，或者
如果所述当前频率值小于读取的先前频率值，并且所述当前阻抗值小于读取的先前阻抗值，
则对于下一个发动机循环降低所述交流电压的频率。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述频率从一个发动机循环到下一个发动机循环总是改变。
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