CN105705778A - 点火系统和用于运行用于内燃机的点火系统的方法 - Google Patents

Abstract

建议了一种用于运行用于内燃机的点火系统（1）的方法，所述点火系统包括第一电压发生器和旁路（7）。所述旁路（7）例如可以包括用于维持借助于所述第一电压发生器（2）产生的火花的升压斩波器。根据本发明，确定（100）使用了所述点火系统（1）的内燃机的转速，并且在对转速变化作出的响应中改变（400）所述旁路（7）的工作方式。

Description

点火系统和用于运行用于内燃机的点火系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行用于内燃机的点火系统的方法。本发明尤其涉及在这种点火系统中对避免磨损进行的改进，其中在所述点火系统中能控制火花持续时间。

背景技术

众所周知，用于内燃机的点火系统以高压发生器为基础，借助于该高压发生器将来自于车辆电池的能量转换为较高的电压，所述来自于车辆电池的能量被施加到火花隙上，以便点燃内燃机中的可点燃的混合物。在这时流过升压变压器的电流突然中断，据此存储在升压变压器的磁场中的能量以火花的方式放电。如果所存储的能量放电，则点火火花就熄灭。此外在现有技术中公开了一些点火系统，在这些点火系统中围绕第二电压发生器（“次级电压发生器”）补充了第一电压发生器（“初级电压发生器”），借助于该第一电压发生器向现有的点火火花供给电能，并且由此能够与所存储的能量量值无关地维持所述点火火花。这种系统例如从现有技术中已知。由于高压发生器的放电特性尤其在火花击穿开始时就流动有如此高的电流，从而使得火花隙的电极腐蚀。借助于次级电压发生器而延长的火花持续时间在此加强了腐蚀。

发明内容

本发明的任务是，消除现有技术的前面所提到的缺点。

前面所提到的任务按照本发明通过一种用于运行用于内燃机的点火系统的方法来解决，所述点火系统包括第一电压发生器（“初级电压发生器”）以及用于维持借助于所述初级电压发生器产生的火花的旁路。在此，所述旁路尤其可以包括升压斩波器或者设计为升压斩波器。由所述初级电压发生器（例如“升压变压器”）产生的火花经由所述旁路以合适的方式通过取自车载电网的能量得到支持。按照本发明，确定使用所述点火系统的内燃机的转速。这例如可以实现数字控制信号的读取（例如通过信号线路或者总线系统）或者借助内燃机的曲轴转角在一段时间内的变化实现对转速的计算。通过这种方式能够确定内燃机的转速变化。在对变化了的转速作出的响应中改变所述旁路的工作方式。通过这种方式能够根据内燃机的当前的运行状态来控制下述能量，所述旁路向所述火花供给该能量。因为根据本发明根据相应的运行状态来实现对通过所述旁路提供的点火火花能量进行计量，所以可以减小点火系统的电极上的火花侵蚀。此外，减小了在升压斩波器内的热量损失的产生。要提到的另一优点是所述点火系统的稳健性以及耐久性。此外，可以在选择构件时设定较小的要求，其中也可以使用较小的构件（“小型化”）。最后，也可以降低电磁控制水平，这改善了电磁兼容性（EMV）。

从属权利要求展示了本发明的优选的改进方案。

优选地，所述工作方式的改变包括通过所述旁路改变电压产生的时间间隔。换言之，根据转速变化来调整下述时间间隔，在该时间间隔内向点火火花提供能量。特别地，减小所述时间间隔的长度可以降低电极上的火花侵蚀。

例如，所述时间间隔的改变可以包括变更（Verschieben）曲轴转角范围内的时间间隔并且作为替代方案或者附加方案可以包括延长或者缩短所述时间间隔。通过变更曲轴转角范围内的时间间隔可以改变下述时刻，在该时刻所述旁路支持通过初级电压发生器产生的点火火花。因为点火时刻通常随着转速的增大而在时间上提前，由此可以借助于所述旁路来实现对点火火花的无缝支持。由此可以有效地防止火花中断。也可以根据所述转速来进行所述时间间隔的延长或缩短。所述转速越大，所述点火火花的持续时间就可以选择得越短。例如可以在低于预定义的阈值的转速范围内设置用于点火火花的第一持续时间，而在高于所述阈值时设置更短的第二持续时间。通过这种方式，可以与运行状态有关地减小腐蚀。

优选地，可以对所述转速进行分类，并且将类别与预定义的参考值进行比较。换言之，可以预定义转速范围并且将当前确定的转速分配给相应的范围。这能够实现降低测评时的开销并且降低用于不同参考值的存储需求。

转速信号例如可以通过测评马达控制器的信号来获得。马达控制器确定内燃机本来的当前转速，从而可以根据本发明在没有附加开销的情况下使用该信号。可以通过分开的信号线路或者通过（例如数字的）总线将所述信号传输给所述点火系统。替代地或者附加地，可以通过测评所述点火系统内的、在一段时间内的曲轴转角来执行所述转速信号。特别地，为此可以使用所述点火系统的电气操控机构或模拟的开关电路、微控制器或者ASIC（在样机中）还有场可编程门阵列（FPGA）。通过这种方式，使得所述点火系统与外部的转速信号的提供无关并且可以采用合适的解决方案或合适的开销来确定当前的转速。由此一方面可以使用既有的硬件资源，另一方面可以降低通讯开销。

进一步降低开销通过在改变旁路的工作方式时使用所存储的参考值来得到。为此可以将转速变化分配给相应的参考值，由该参考值得出对于旁路的工作方式的改变的量度。例如可以对所述转速进行分类并且对于不同的转速类别准备好相应的存储的参考值。通过这种方式，使得在将当前的转速分配给所述旁路的确定的工作方式时的复杂的数学运算成为多余。一方面由此减小了硬件开销（计算功率），另一方面能够实现尽可能快地提供用于所述旁路的新的工作方式的结果。

用于改变所述旁路的工作方式的示例包括：只要所述转速达到1500转每分钟（U/min）和4500U/min之间的范围，就将火花持续时间改变到2 ms和4 ms之间的范围上。优选地，如果所述转速达到高于约2000U/min至3000U/min的范围，则得出约3 ms的数值用于所述火花持续时间。替代地或附加地，只要所述转速达到3500U/min和5500U/min之间的范围，就可以将火花持续时间改变到1 ms至3 ms上。优选地，只要所述转速达到4000U/min和5000 U/min之间的范围，就可以将所述火花持续时间确定为约2 ms。替代地或附加地，只要所述转速达到4500U/min和6500 U/min之间的范围，就可以将所述火花持续时间减小到0.5 ms至2 ms。特别地，只要所述转速达到5500U/min和6500 U/min之间的范围，就可以将所述火花持续时间确定为约1 ms。替代地，可以在0和2500 U/min之间的转速范围内使用3 ms的火花持续时间，在2500和4000 U/min之间的转速内使用2 ms的火花持续时间，并且在高于4000U/min时使用1 ms的火花持续时间。上面所提到的转速分类和用于火花持续时间的类别例如可以作为参考值存储在存储器内并且（例如根据其他运行特征参量）用于确定当前的火花持续时间。相应地，可以针对前面提到的转速范围预定义并且存储点火时刻的改变。这能够实现简单且稳健地对所述转速进行测评并且在对新的转速范围作出的响应中迅速改变所述火花持续时间。

根据一种有利的设计方案，所述旁路的工作方式的改变作为第一步骤包括通过所述旁路根据所确定的转速来确定所述电压产生的时间间隔。通过这种方式还根据所确定的转速来确定升压斩波器的运行持续时间。最后在这种预先确定的时间间隔内运行所述旁路，由此控制所述点火火花的持续时间，即所谓的火花-或火花燃烧时间。

十分有利的是，通过下述方式来进行所述电压产生的时间间隔的确定：将所确定的转速合适地归入到保存在所述存储器中的转速间隔内，其中分别为所述转速间隔分配了所述电压产生的预先确定的时间间隔进而分配了所述升压斩波器的预先确定的运行持续时间。于是将所述时间间隔确定到被分配给合适的转速间隔的时间间隔上。

用于内燃机的点火系统—其中在该点火系统中可以使用根据本发明的方法—包括：旁路，该旁路用于受控制地维持借助于初级电压发生器产生的火花；和用于确定内燃机的转速的器件。通过这种方式也可以由所述点火系统确定转速变化。附加地，所述点火系统包括用于在对所确定的转速变化作出的响应中改变所述旁路的工作方式的器件。所述转速变化例如可以通过马达控制器传输给所述点火系统，在这种情况下用于确定转速变化的器件仅仅执行对马达控制器的信号的测评。替代地，所述器件也可以在一段时间内对曲轴转角进行测评，从而不需要从外部提供转速信号。用于改变所述旁路的工作方式的器件例如可以包括用于旁路内的升压斩波器的操控单元，其中所述控制单元对升压斩波器内的开关进行操控以用于为所述火花隙提供电能。所述特征、特征组合以及与之相关的优点基本上相应于根据本发明所述方法的特征、特征组合和优点，从而为了补充该公开内容并且避免重复而参照结合首次提到的发明方面所作的解释。

优选地，所述点火系统被设置用于通过所述点火系统的电气操控机构或模拟的电路、微控制器、ASIC或者FPGA在一段时间内对曲轴转角进行测评，以便确定转速变化。这能够实现使用已经在通常的点火系统中存在的硬件。前面所提到的硬件例如可以布置在点火系统的电子单元内。这能够实现简单的结构并且能够在没有附加的硬件的情况下实现本发明。

优选地，所述点火系统包括存储器件，借助于所述存储器件所述点火系统被设计用于对转速和/或转速变化进行分类。为此将所确定的转速与存储在所述存储器件内的参考值或阈值进行比较，重又为所述参考值或阈值分配了用于改变或调节所述旁路的工作方式的指示。通过这种方式可以使用简单的逻辑来根据本发明地运行所述点火系统。昂贵的硬件是不必要的。

附图说明

下面参照附图对本发明的实施例进行详细描述。在附图中：

图1是根据点火系统的一种实施例的线路图，其中在该点火系统中可以使用根据本发明的方法；

图2是用于在图1中示出的线路的电流-时间图以及所属的开关顺序的图示；并且

图3是流程图，该流程图说明了按本发明的方法的一种实施例的步骤。

具体实施方式

图1示出了点火系统1的线路，该点火系统包括作为高压发生器的升压变压器2，该升压变压器由两个耦合的电感L1、L2，即初级线圈8和次级线圈9组成，并且可以由电源5通过第一开关30来向所述升压变压器的初级侧3供给电能。在所述线路的输入端上，换句话说也就是在用于连接电源5的接头上，设置了保险丝26。除此以外，为了使输入电压稳定而设置了与所述线路的输入端并联或者说与所述电源5并联的电容17。通过所述初级线圈8与所述次级线圈9的感应耦合来向所述升压变压器2的次级侧4供给电能，并且该次级侧具有从现有技术中已知的、用于进行接通火花抑制的二极管23，其中作为替代方案该二极管可以被所述二极管21所取代。在具有次级线圈9和二极管23的环路或者说网络（Masche）中，火花隙6电气接地14，点火电流i₂应该通过所述火花隙将可燃的混合气点燃。

在所述电源5与所述升压变压器2的次级侧4之间设置了旁路7，该旁路例如包括升压斩波器的电子结构元件，即，电感15、开关27、电容10和二极管16。在所述旁路7中，设置了形式为具有初级侧15_1和次级侧15_2的变压器的电感15。所述电感15在此用作蓄能器，以便维持电流。所述变压器的初级侧15_1的和次级侧15_2的两个第一接头分别与所述电源5或保险丝26相连接。在此，所述初级侧15_1的第二接头通过所述开关27电气接地14。所述变压器的次级侧15_2的第二接头在没有开关的情况下直接与所述二极管16相连接，所述二极管又通过节点与所述电容10的接头相连接。所述电容10的这个接头例如通过分流器19与所述次级线圈9相连接，并且所述电容10的另一个接头电气接地14。所述升压斩波器的输出功率通过所述二极管16上的节点来馈入到所述点火系统中并且供所述火花隙6所用。

所述二极管16朝所述电容10的方向可传导地定向。于是所述旁路7的结构例如能与升压斩波器相比较。根据传输比例，通过所述处于初级侧15_1的分支中的开关27引起的开关过程也在所述次级侧15_2上起作用。但是因为电流和电压按照换算比例（Übersetzungsverhältnis）在所述变压器的其中一侧上比在其另一侧上更高或者更低，所以对于开关过程来说可以找到更为有利的、用于所述开关27的尺寸设计。例如可以实现更小的开关电压，由此可以更为容易并且成本更为低廉地进行所述开关27的尺寸设计。所述开关27通过操控机构24来控制，所述操控机构通过驱动器25与所述开关27相连接。在所述电容10与所述次级线圈9之间设置了作为电流测量器件或者电压测量器件的分流器19，该分流器的测量信号被输送给所述操控机构24。通过这种方式，所述开关27被设立用于对流经所述次级线圈9的电流强度i₂的所定义的范围作出反应。为了保护所述电容10，以沿着闭锁方向与所述电容10并联的方式连接了齐纳二极管21。此外，所述操控机构24收到了控制信号S_HSS。通过该控制信号，可以接通和切断通过所述旁路7将能量馈入到所述次级侧中的过程。在此，通过所述旁路分别（bzw.）被引入到火花隙中的、尤其是关于频率和/或脉冲-暂停-比例的电参量的效率也可以通过合适的控制信号S_HSS来控制。此外，勾画出了开关信号32，借助于该开关信号可以通过所述驱动器25来操控所述开关27。在所述开关27闭合时，通过所述电源5来向所述电感15供给电流，该电流在所述开关27闭合时直接流入电气接地14中。在所述开关27断开时，所述电流通过所述电感15经由所述二极管16被传导到所述电容器10上。在对所述电容器10中的电流作出的响应中出现的电压与在所述升压变压器2的次级线圈9上减小的电压相加，由此所述火花隙6处的电弧得到支持。但是，在这种情况下，所述电容器10放电，从而通过闭合开关27可以将能量带到所述电感15的磁场中，以便在所述开关27重新断开时又将这种能量装载到所述电容器10上。可识别出：对在初级侧3中设置的开关30的操控31被保持得明显地比对于开关27而言的情况短。可选地，可以并联连接所述升压斩波器的次级侧线圈的、下面通过高压二极管33来象征性地表示的非线性的二极。这个高压二极管33在次级侧跨接所述高压发生器2，由此在没有通过所述高压发生器2的次级线圈9来导送的情况下将通过所述旁路7提供的能量直接导送给所述火花隙6。由此在所述次级线圈9上没有产生损失并且提高了效率。通过马达控制器（MSG）40可以实现所述旁路的工作方式的按照本发明的转速依赖性，所述马达控制器收到第一转速信号S_D并且将第二转速信号S_D’输出给电气开关电路42。该电气开关电路42进一步被连接到存储器41上，从该存储器中可以读出用于转速范围的极限和分配给所述转速范围的参考值，所述能量则用于当前或者将来所需要的、用来维持所述点火火花的电能。所述电气开关电路42为了影响所述旁路7的工作方式而被设立用于向所述操控机构24供给根据转速来改动的控制信号S_HSS，在对该控制信号作出的响应中所述驱动器25向所述开关27提供改变了的开关信号32。例如，可以将持续时间—在该持续时间内所述旁路7向所述火花隙6供给电能—确定到3 ms、2 ms或者1 ms上。

图2示出了用于点火线圈电流i_ZS的时间图a）、用于所属的旁路电流i_HSS的时间图b）、用于所述火花隙6上的输出侧的电压的时间图c）、用于在未使用（501）和使用（502）旁路7的情况下在图1中示出的点火系统的次级线圈电流i₂的时间图d）、用于所述开关30的开关信号31的时间图e）以及用于所述开关27的开关信号32的时间图f）。详细来讲：图表a）示出了初级线圈电流i_ZS的较短且陡峭的上升，所述初级线圈电流出现在开关30处于传导状态中（“ON”，参见图表3e）的时间期间。随着所述开关30的切断，所述初级线圈电流i_ZS也下降到0 A。图表b）此外说明了旁路7的、通过对开关27的脉冲状的操控而产生的电流消耗。在实际中，作为开关频率，处于几十kHz范围内的时钟频率已经经受考验，用于一方面实现相应的电压并且另一方面实现可接受的效率。作为可能的范围极限，示范性地列举10000 Hz的、处于10 kHz与100 kHz的范围内的多个整数倍。为了调节被输出给所述火花隙的功率，在此建议对所述信号32的脉冲-暂停-比例进行尤其无级的调节，用于产生相应的输出信号。图表c）示出了在按本发明运行时在所述火花隙6上出现的电压的曲线34。图表d）示出了所述次级线圈电流i₂的曲线。一旦所述初级线圈电流i_ZS由于所述开关30的断开而变为0 A并且由此在所述升压变压器中所储存的磁能以火花隙6上面的电弧的形式放电，就出现次级线圈电流i₂，该次级线圈电流在没有旁路（501）的情况下很快下降到0。与此相比，通过对所述开关27的脉冲状的操控（参见图表f，开关信号32），通过所述火花隙6驱送着基本上恒定的次级线圈电流i₂（502），其中所述次级电流i₂取决于所述火花隙6上的点火电压并且在这里为了简便起见以恒定的点火电压为出发点。只有在通过持久地断开开关27而中断所述旁路7之后，所述次级线圈电流i₂现在才也下降到0 A。从图表d）中能够看出，下降沿通过所述旁路7的使用而被推迟。下述全部持续时间，在该全部持续时间期间使用旁路，被标识为t_HSS，并且下述持续时间，在该持续时间期间在初级侧将能量提供到所述升压变压器2中，被标识为t_i。可以可变地选择t_HSS相对于t_i的开始时刻。此外也可以在旁路7中进一步对由电源提供的电压进行处理之前通过（未示出的）额外的DC-DC-转换器来提高该电压。应当指出的是，具体的设计取决于许多线路固有的以及外部的边界条件。没有将有关的本领域技术人员推到不合理的、亲自进行对于其目的和应该由其考虑的边界条件来说合适的尺寸设计的问题的前面。

图3示出了对按本发明的方法的一种实施例的步骤进行说明的流程图。在步骤100中确定使用所述点火系统的内燃机的转速变化。这可以—如上所述—在使用马达控制器的信号的情况下或者通过使用所述点火系统内的、在一段时间内的曲轴转角来实现。在步骤200中对所确定的转速进行分类，即将其分配给预定义的转速间隔。进一步在步骤300中针对所述转速而找到的分类读出参考值。借助于该参考值在步骤400中以预定义的方式改变所述旁路的工作方式。例如可以将持续时间—在该持续时间内所述旁路7向所述火花隙6供给电能—确定到3 ms、2 ms或者1 ms上或者通过所述旁路7变更用于吸收所述能量提供的开始时间。

所述电压产生的时间间隔被定义为一种预先确定的时间段，在该时间段内所述旁路7向所述火花隙6供给电能。在所述电压产生的时间间隔内同步地接通和切断开关27，从而得到升压斩波器7的预先确定的运行持续时间。

根据一种实施例，所述电压产生的时间间隔提供所述旁路7分别根据所确定的转速来确定。于是所述旁路7接下来在该预先确定的时间间隔内运行。例如通过下述方式来执行所述时间间隔的确定：将所述转速间隔存储在控制机构的存储器内，分别为这些转速间隔分配了所述电压产生的预先确定的时间间隔。在步骤200中将在步骤100中确定的转速归入到所述存储器的合适的转速间隔内，其中分别根据分配给合适的转速间隔的时间间隔来改变所述电压产生的时间间隔（步骤300、400）。

可以设置一种计算机程序，该计算机程序被设计用于：执行按本发明的方法的所有所描述的步骤。在此，所述计算机程序被保存在存储介质上。作为所述计算机程序的替代方案，按本发明的方法可以由在所述点火系统中所设置的电气开关电路、模拟的线路、ASIC或者微型控制器来控制，所述ASIC或者微型控制器被设计用于执行按本发明的方法的所有所描述的步骤。

即使借助于结合附图所解释的实施例对按本发明的方面和有利的实施方式进行了详细描述，但是对于本领域的技术人员来说可以实现所描述的实施例的特征的改动和组合，而不脱离本发明的范围，其中本发明的保护范围通过随附的权利要求来定义。

Claims (13)

1.用于运行用于内燃机的点火系统（1）的方法，其中所述点火系统包括第一电压发生器以及用于维持借助于所述第一电压发生器产生的火花的旁路（7）、尤其是升压斩波器，其特征在于：

-确定（100）使用了所述点火系统的内燃机的转速，并且

-在对所述转速的变化作出的响应中改变（400）所述旁路（7）的工作方式。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工作方式的改变（400）包括通过所述旁路（7）来改变电压产生的时间间隔。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述电压产生的时间间隔的改变包括：

-变更曲轴转角范围内的时间间隔，并且/或者

-延长或者缩短所述时间间隔。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

-对所述转速进行分类（200），并且

-将类别与参考值进行比较（300）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

-对所述转速的确定（100）包括测评马达控制器的信号、尤其是数字总线信号，并且/或者

-对所述转速的确定（100）包括在一段时间内尤其是所述点火系统的电气开关电路（42）和/或ASIC内对曲轴转角进行测评。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

-根据存储的参考值来改变所述旁路（7）的工作方式。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述旁路（7）的工作方式的改变（400）包括：

-只要所述转速达到1500U/min和4500U/min之间的范围，就将火花持续时间改变到2 ms至4 ms上，并且/或者

-只要所述转速达到3500U/min和5500U/min之间的范围，就将火花持续时间改变到1 ms至3 ms上，并且/或者

-只要所述转速达到4500U/min和6500U/min之间的范围，就将火花持续时间改变到0.5 ms至2 ms上。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述旁路（7）的工作方式的改变（400）包括下述步骤：

-通过所述旁路（7）根据所确定的转速来确定所述电压产生的时间间隔；

-在所确定的时间间隔内运行所述旁路（7）。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电压产生的时间间隔的确定包括下述步骤：

-把所确定的转速归入到保存在存储器内的转速间隔之一内，其中为所述转速间隔分别分配了所述电压产生的预先确定的时间间隔；

-根据分配给合适的转速间隔的时间间隔来改变所述电压产生的时间间隔。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压产生的时间间隔是这样一种时间间隔，在该时间间隔内同步地接通和切断所述旁路（7）的开关（27）。

11.计算机程序，该计算机程序被设计用于：执行根据权利要求1至10中任一项所述方法的所有步骤。

12.机器可读的存储介质，在该机器可读的存储介质上面保存了根据权利要求11所述的计算机程序。

13.点火系统，该点火系统被设计用于执行根据权利要求1至10中任一项所述方法的所有步骤。