CN106150826A - 一种基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，包括：上位机控制单元，用于发送用户的操作指令并显示系统工作状态；点火控制单元，分别与上位机控制单元和ECU连接，用于发送点火控制信号；驱动单元，与点火控制单元连接，用于功率放大点火控制信号；多线圈放电单元，分别与驱动单元和火花塞连接，用于对火花塞进行相应的放电；离子电流检测单元，分别与上位机控制单元、点火控制单元、多线圈放电单元和曲轴连接，用于检测并发送工作状态至上位机控制单元，同时产生反馈信号并将其发送至点火控制单元。与现有技术相比，本发明具有点火模式多、实时调整点火策略、避免失火及部分着火以及改善排放和燃油经济性等优点。

Description

一种基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其是涉及一种基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统。

背景技术

对于现代发动机而言,缸内直喷、稀薄燃烧、EGR技术是发动机燃烧技术的重要研究方向。对于缸内直喷技术,整个燃烧过程是在等容条件下瞬间完成的,燃烧时间极短,因此具有较高的瞬间压力和瞬间燃烧温度，在特定工况下采用分层燃烧模式来降低油耗，提高燃烧效率。稀薄燃烧是指发动机在大于理论空燃比(约14.7)条件下进行的燃烧，由于氧气充足，可使燃油得到充分燃烧，在改善了发动机的燃油经济性同时减少了有害气体的排放。EGR技术对于小型增压内燃机的燃烧和排放具有重要影响。为了实现低温燃烧，EGR率可以大于40％，此时缸内具有大量的废气，进气量受到影响，着火条件恶化。上述先进技术的使用程度和界线很大程度上决定于点火能量和持续期。传统的单线圈点火难以提供足够且连续的点火能量。因此，提高点火能量和持续期，保证缸内稳定着火至关重要。

在内燃机燃烧过程中会产生大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子，使燃气具有一定的电导性。如果在火花塞两极间施加一个直流偏置电压，在外加电场的作用下，带电粒子发生定向迁移就会形成火花塞离子电流。研究表明，离子电流的特性，与被测区域的混合气浓度、温度、电场强度等有高度的相关性。这也是基于离子电流对缸内燃烧状况进行检测的理论基础。

专利CN204646507U提供了一种发动机闭环控制点火系统，然而该点火系统的点火模式单一，同时无法进行人为监测，只能依靠自身闭环控制系统来控制燃烧情况，不仅功能单一而且安全性能也很差。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种点火模式多、实时调整点火策略、避免失火及部分着火以及改善排放和燃油经济性的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，分别与汽车发动机内的ECU、曲轴和火花塞连接，用于实时监控发动机缸内燃烧情况以保证发动机点火性能最佳，所述系统具有多种点火模式，所述系统包括：

上位机控制单元，用于接收并发送用户的操作指令并显示基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统的工作状态；

点火控制单元，分别与上位机控制单元和ECU连接，用于接收并处理上位机控制单元发出的操作指令，以及发送点火控制信号；

驱动单元，与点火控制单元连接，用于接收点火控制信号并对点火控制信号进行功率放大；

多线圈放电单元，分别与驱动单元和火花塞连接，用于接收功率放大后的点火控制信号，根据点火控制信号对应的点火模式，对火花塞进行相应的放电；

离子电流检测单元，分别与上位机控制单元、点火控制单元、多线圈放电单元和曲轴连接，利用离子电流和点火电流检测工作状态并发送至上位机控制单元，同时计算离子电流对曲轴转角的积分值，根据计算结果产生反馈信号并将其发送至点火控制单元。

所述工作状态包括发动机工作循环次数、点火次数、燃烧情况、离子电流波形和采样电流波形。

所述点火控制单元根据上位机控制单元的操作指令或离子电流检测单元的反馈信号产生并发送点火控制信号。

所述上位机控制单元包括：

操作界面，与离子电流检测单元连接，用于显示基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统的工作状态，以及接收用户的操作指令；

控制中心，分别与操作界面和点火控制单元连接，用于将用户的操作指令发送至点火控制单元。

所述驱动单元包括驱动电路，所述多线圈放电单元包括点火线圈，所述驱动电路的数量和点火线圈的数量相同。

发动机单缸的所述点火线圈数量不小于3个。

所述点火模式包括常规点火模式、单次增强点火模式、多次点火模式、连续点火模式和组合点火模式。

所述常规点火模式为单个点火线圈对火花塞放电；所述单次增强点火模式为所有点火线圈同时对火花塞放电；所述多次点火模式为所有点火线圈依次对火花塞放电且点火线圈的放电相位不重合；所述连续点火模式为所有点火线圈依次对火花塞放电且点火线圈的放电相位部分重合；所述组合点火模式为单次增强点火模式、多次点火模式和连续点火模式的随机组合。

所述离子电流检测单元在离子电流对曲轴转角的积分值为0时发送进入多次点火模式的反馈信号，在离子电流对曲轴转角的积分值小于稀燃极限阈值时发送进入单次增强点火模式的反馈信号，在离子电流对曲轴转角的积分值小于稀燃阈值时发送进入连续点火模式的反馈信号，在离子电流对曲轴转角的积分值大于稀燃阈值时发送进入常规点火模式的反馈信号。

所述离子电流检测单元包括：

离子电流电路，分别与多线圈放电单元和上位机控制单元连接，用于检测多线圈放电单元产生的离子电流并将其传输至上位机控制单元；

采样电路，分别与多线圈放电单元和上位机控制单元连接，用于对多线圈放电单元产生的点火电流进行采样并将采样信号传输至上位机控制单元；

反馈控制器，分别与曲轴、离子电流电路和点火控制单元连接，用于检测曲轴转角并根据离子电流对曲轴转角的积分值产生反馈信号，将反馈信号发送至点火控制单元，实时改变点火模式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)具有常规点火、单次增强点火、多次点火、连续点火和组合点火五种点火模式，根据发动机内的燃烧情况进行实时调整，可以有效地避免失火以及部分着火的情况。

(2)通过离子电流检测单元，可以检测发动机内的燃烧状况，同时由于离子电流检测单元设有反馈控制器，因此可以根据燃烧情况自行调整点火模式，无需人为操控，安全性能高而且节省了人力成本。

(3)上位机控制单元可以实时显示发动机内燃烧情况，同时操作人员也可以根据燃烧情况自行选择点火模式，可以在条件允许的情况下对燃烧情况进行人为监控，增强了系统的安全性，同时提高了人机交互的操作性。

(4)设有驱动单元，可以对信号进行功率放大，多线圈放电单元可以产生更高的点火能量。

(5)发动机单缸的点火线圈数量不小于3个，可以在满足多种点火模式的需求下实现高能点火。

(6)在离子电流电路中设有瞬态抑制二极管，可以在产生正、反瞬态高压脉冲时对电路起到保护作用，同时可以反复使用，具有寿命长、保护作用强以及节省成本等优点。

(7)本系统将上位机控制单元、点火控制单元、离子电流检测单元、驱动单元和多线圈放电单元五个模块整体封装，便于控制和维护，系统集成程度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为点火模式图，其中，2a为单次增强点火模式，2b为连续点火模式，2c为多次点火模式，2d为组合点火模式中的多次点火拓展模式；

图3为离子电流检测单元中离子电流电路和采样电路的电路图；

图4为不同燃烧状态下离子电流和缸压的对比图，其中，4a为正常燃烧状态，4b为稀薄燃烧状态，4c为失火状态；

图5为本发明的点火流程图；

其中，1为上位机控制单元，2为点火控制单元，3为驱动单元，4为多线圈放电单元，5为离子电流检测单元，6为电容，7为瞬态抑制二极管，8为检测电阻，9为第一电压跟随器，10为采样电阻，11为第二电压跟随器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，包括上位机控制单元1、点火控制单元2、驱动单元3、多线圈放电单元4和离子电流检测单元5。其中，上位机控制单元1通过CAN总线与点火控制单元2实现通讯的同时与离子电流检测单元5连接，点火控制单元2分别与原发动机ECU、离子电流检测单元5和驱动单元3连接实现点火模式的控制，驱动单元3与多线圈放电单元4连接实现对控制信号的放大，多线圈放电单元4与火花塞连接控制点火。

上述单元中，上位机控制单元1由控制中心和操作界面组成，控制中心内安装有上位机控制程序，上位机控制程序实现与点火控制单元2通讯功能，操作界面包括点火开关、点火模式的选择、离子电流波形图和采样电流波形图等，既可以控制点火过程，也能以图像和数据的形式检测缸内着火情况，显示发动机工作循环次数和点火次数。

点火控制单元2由单片机和基本外围电路组成，用以接收ECU发送来的点火信号、上位机控制单元1发来的控制信号和离子电流检测单元5发来的反馈信号，点火控制单元2首先接收到ECU发送来的点火信号，再根据控制信号和反馈信号来选择点火模式，并将选择好的点火模式以信号的形式经过处理后传输给驱动单元3，驱动单元3中设有驱动电路，对信号进行功率放大后传输给点火线圈，完成控制。

多线圈放电单元4接收驱动单元3信号后进入相应放电模式，向火花塞放电，该系统不需要对火花塞进行特殊处理。多线圈单元内设有多个点火线圈，点火线圈的数量与驱动电路的数量保持一致且发动机的单缸点火线圈数量不少于3个。本实施例中，多线圈放电单元4内的单缸点火线圈数量为3个。如图2所示，点火模式主要分为常规点火模式、单次增强点火模式、连续点火模式、多次点火模式和组合点火模式。当系统工作在单次增强模式，在点火信号触发后，三个线圈同时对火花塞放电，可以提供三倍于单线圈点火的能量(≥150mj)，实现高能点火功能。该模式可以在稀燃极限条件下提供足够的点火能量，避免失火情况发生。当系统工作在连续点火模式，在点火信号触发后，三个线圈依次对火花塞放电，三个线圈放电相位部分重合。此时放电持续期较长，点火能量在单线圈点火和单次增强点火之间，点火能量较高且稳定，点火能量取决于连续点火持续时间(≥150mj)。当发动机工作在稀燃工况但未达到稀燃极限条件，可以调用该种模式。当系统工作在多次点火模式，在点火信号触发后，三个线圈依次对火花塞放电，三个线圈放电相位不重合，每次点火能量为30～50mJ。此模式适用于发动机的多段喷油策略以及失火或不完全燃烧情况下进行点火能量的补充。当多次高能点火系统工作在组合点火模式，可以根据需求利用上述三种模式进行组合。典型的是多次点火拓展，在点火信号触发后，三个线圈依次点火，待三号线圈放电结束，三个线圈重新依次点火，相当于两个多次点火模式的叠加，在一次点火信号内可以对火花塞进行六次放电过程。

在内燃机燃烧过程中会产生大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子，使燃气具有一定的电导性。如果在火花塞两极间施加一个直流偏置电压，在外加电场的作用下，带电粒子发生定向迁移就会形成火花塞离子电流。研究表明，离子电流的特性，与被测区域的混合气浓度、温度、电场强度等有高度的相关性。这也是基于离子电流对缸内燃烧状况进行检测的理论基础。

如图3所示，离子电流检测单元5由离子电流电路、采样电路和反馈控制器组成，离子电流电路分别与多线圈放电单元4和上位机控制单元1连接，采样电路分别与多线圈放电单元4和上位机控制单元1连接，检测到的离子电流和点火电流通过上位机操作界面显示，反应缸内燃烧情况和多线圈放电单元4的放电情况，其中缸内燃烧情况包括正常燃烧、稀薄燃烧和失火三种典型燃烧情况，三种典型燃烧情况下缸压和离子电流的对比如图4所示。反馈控制器分别与曲轴和离子电流电路连接，检测曲轴转角并根据离子电流对曲轴转角的积分值产生反馈信号，通过内部程序与点火控制单元2进行通讯，将反馈信号发送至点火控制单元2，实时改变点火模式。如图3所示，离子电流电路包括电容6、瞬态抑制二极管7、检测电阻8和第一电压跟随器9，瞬态抑制二极管7与电容6并联后，一端与多线圈放电单元4连接，另一端与检测电阻8连接，检测电阻8与第一电压跟随器9并联，第一电压跟随器9与上位机控制单元1连接。采样电路包括采样电阻10和第二电压跟随器11，采样电阻10和第二电压跟随器11并联后，与离子电流电路串联，第二电压跟随器11还与上位机控制单元1连接，检测电阻8的两端还并联了许多二极管，起到稳压、快速整流和保护的作用。

上述基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统的工作流程如图5所示，具体步骤为：

s1)点火控制单元2接收到点火信号；

s2)在点火下降沿，离子电流检测单元5开始工作；

s3)离子电流检测电路检测离子信号，并产生离子电流信号发送给点火控制单元2；

s4)判断发动机是否运转了n个曲轴转角，0<n<40，如果是，进入步骤s5)；如果否，回到步骤s3)，其中第n个曲轴转角为离子电流检测结束时刻；

s5)判断离子电流关于曲轴转角的积分值是否等于零，如果是，进入步骤s6)，如果否，进入步骤s7)；

s6)点火控制单元2执行多次点火模式，离子电流检测单元5重复步骤s1)进入新一轮检测；

s7)判断离子电流对曲轴转角的积分值是否小于稀燃极限阈值，如果是，进入步骤8)；如果否，进入步骤s9)；

s8)点火控制单元2执行单次增强模式，离子电流检测单元5重复步骤s1)进入新一轮检测；

s9)判断离子电流对曲轴转角的积分值是否小于稀燃阈值，如果是，进入步骤s10)；如果否，进入步骤s11)；

s10)点火控制单元2执行连续点火模式，离子电流检测单元5重复步骤s1)进入新一轮检测；

s11)点火控制单元2执行常规点火模式，离子电流检测单元5重复步骤s1)进入新一轮检测。

上述步骤中，稀燃极限阈值和稀燃阈值均通过实验进行标定。

Claims (10)

1.一种基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，分别与汽车发动机内的ECU、曲轴和火花塞连接，用于实时监控发动机缸内燃烧情况以保证发动机点火性能最佳，其特征在于，所述系统具有多种点火模式，所述系统包括：

上位机控制单元，用于接收并发送用户的操作指令并显示基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统的工作状态；

点火控制单元，分别与上位机控制单元和ECU连接，用于接收并处理上位机控制单元发出的操作指令，以及发送点火控制信号；

驱动单元，与点火控制单元连接，用于接收点火控制信号并对点火控制信号进行功率放大；

多线圈放电单元，分别与驱动单元和火花塞连接，用于接收功率放大后的点火控制信号，根据点火控制信号对应的点火模式，对火花塞进行相应的放电；

离子电流检测单元，分别与上位机控制单元、点火控制单元、多线圈放电单元和曲轴连接，利用离子电流和点火电流检测工作状态并发送至上位机控制单元，同时计算离子电流对曲轴转角的积分值，根据计算结果产生反馈信号并将其发送至点火控制单元。

2.根据权利要求1所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，所述工作状态包括发动机工作循环次数、点火次数、燃烧情况、离子电流波形和采样电流波形。

3.根据权利要求1所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，所述点火控制单元根据上位机控制单元的操作指令或离子电流检测单元的反馈信号产生并发送点火控制信号。

4.根据权利要求1所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，所述上位机控制单元包括：

操作界面，与离子电流检测单元连接，用于显示基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统的工作状态，以及接收用户的操作指令；

控制中心，分别与操作界面和点火控制单元连接，用于将用户的操作指令发送至点火控制单元。

5.根据权利要求1所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，所述驱动单元包括驱动电路，所述多线圈放电单元包括点火线圈，所述驱动电路的数量和点火线圈的数量相同。

6.根据权利要求5所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，发动机单缸的所述点火线圈数量不小于3个。

7.根据权利要求5所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，所述点火模式包括常规点火模式、单次增强点火模式、多次点火模式、连续点火模式和组合点火模式。

8.根据权利要求7所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，所述常规点火模式为单个点火线圈对火花塞放电；所述单次增强点火模式为所有点火线圈同时对火花塞放电；所述多次点火模式为所有点火线圈依次对火花塞放电且点火线圈的放电相位不重合；所述连续点火模式为所有点火线圈依次对火花塞放电且点火线圈的放电相位部分重合；所述组合点火模式为单次增强点火模式、多次点火模式和连续点火模式的随机组合。

9.根据权利要求7所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，所述离子电流检测单元在离子电流对曲轴转角的积分值为0时发送进入多次点火模式的反馈信号，在离子电流对曲轴转角的积分值小于稀燃极限阈值时发送进入单次增强点火模式的反馈信号，在离子电流对曲轴转角的积分值小于稀燃阈值时发送进入连续点火模式的反馈信号，在离子电流对曲轴转角的积分值大于稀燃阈值时发送进入常规点火模式的反馈信号。

10.根据权利要求1所述的基于离子电流闭环控制的多次高能点火系统，其特征在于，所述离子电流检测单元包括：

离子电流电路，分别与多线圈放电单元和上位机控制单元连接，用于检测多线圈放电单元产生的离子电流并将其传输至上位机控制单元；

采样电路，分别与多线圈放电单元和上位机控制单元连接，用于对多线圈放电单元产生的点火电流进行采样并将采样信号传输至上位机控制单元；

反馈控制器，分别与曲轴、离子电流电路和点火控制单元连接，用于检测曲轴转角并根据离子电流对曲轴转角的积分值产生反馈信号，将反馈信号发送至点火控制单元，实时改变点火模式。