CN106286072A - 发动机点火系统火花持续时间监测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，其特征在于：中央处理器的一个时间处理单元通道通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极；开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端；点火线圈初级的第二端连接车载直流电源；开关器件IGBT的集电极电压经过所述的火花持续时间监测电路后连接至中央处理器的一个时间处理单元输入端口，中央处理器根据监测的火花持续时间实时调整初级线圈的充电时间即点火能量，将火花持续时间一定的内范围。其通过点火系统火花持续时间监测电路的反馈信号，实时调整初级线圈的充电时间即点火能量，将火花持续时间控制在一定的范围内，达到既保证发动机每一次点火时气缸内的混合气完全燃烧，又不至于提供过多的点火能量加速火花塞电极的烧蚀，降低火花塞使用寿命的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，属于汽车电子控制单元硬件电路领域。
背景技术
发动机电控技术已经发展为综合性的发动机管理系统，其主要包括进气、电控燃油喷射、电控点火等。电控点火系统由发动机电子控制单元（ECU）采集安装在发动机不同部位上的各种传感器，判断发动机的运行工况，选择最合理的点火提前角对点火线圈进行点火，从而改善发动机的燃烧和排放。
图1是一种现有的电控点火系统结构示意图。点火线圈采用变压器结构，包括缠绕在铁芯上的初级线圈和次级线圈；次级线圈的一端接地，另一端连接火花塞的一个电极，火花塞的另一个电极接地。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为点火系统的开关器件，在发动机电子控制单元内部设有中央处理器，中央处理器的一个时间处理单元（TPU）输出端通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极；开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端；点火线圈初级的第二端连接车载直流电源；开关器件IGBT的源极通过采样电阻接地。
点火系统不工作时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出低电平，开关器件IGBT处于关断状态，此时相当于一个处于断开的开关。
点火系统工作时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出高电平，开关器件IGBT处于导通状态，此时相当于一个处于闭合的开关。车载直流电源接通初级线圈，通过初级线圈的电流（即初级电流）将从零开始增长到一个稳定值，该稳定值由车载直流电源和初级线圈的内阻决定。随着初级电流增长，初级线圈产生的电磁能量存储在铁芯中，此过程称为点火线圈的充电过程。当初级电流达到一定值（该一定值≤稳定值）时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出的高电平变为低电平，开关器件IGBT由导通变为关断，使初级线圈回路瞬间断开。初级线圈回路的电场突变造成初级线圈的磁场迅速衰减，从而在次级线圈的两端感应出高压电动势，此过程称为点火线圈的放电过程。该高压电动势击穿火花塞的两个电极之间的间隙，产生电弧以点燃混合气。
点火系统对发动机的动力性、经济性和排放至关重要，为了更好地控制点火系统，需要了解点火线圈的放电过程。整个过程分为两阶段，第一阶段为电容放电期（诱燃期）：次级线圈产生的点火高压对次级线圈分布电容充电，当电容电压上升到火花塞击穿电压时，火花塞跳火电容快速放电, 火花塞间隙电压从10000～20000V迅速下降到几百到几千伏，电容放电瞬间电流10～50安培，放电时间约1微秒。第二阶段为电感放电期（燃烧期）：电感放电是靠电容放电产生的电离通道形成的低阻产生的。由于电容放电产生的电离通道不能立刻消失，同时次级电感中还存有充足的高压能量，所以电感继续对电离通道放电使火花持续。由于次级线圈放电电流的变化引起磁通量的变化，次级电感线圈产生了一个感抗电动势，使放电电流值较小，放电电流在几到几十毫安。所以，高压能量需要相对较长的时间才能消耗掉，这一电感放电火花持续期俗称火花尾。由第一阶段电容放电诱燃后产生一个“火焰中心”，这个“火焰中心”跟随气缸内高速扰流移动离开了火花塞电极，这时电感放电火花又会点燃混合气另一个“火焰中心”，作为点燃混合气的补充，“火焰中心”使混合气在整个气缸内很快形成燃烧的“明亮火焰期”，即气缸内混合气燃烧温度达最高，气体压强达到最高值，这个过程称为混合气燃烧期。燃烧时间在750～2500μs之间。
电感放电火花在发动机启动及低速时非常重要，发动机在启动或非正常工况下，电容放电期极有可能未点燃混合气，此时，只有靠电感放电火花来点燃混合气。所以需要保证一定的火花持续时间才能保证混合气完全燃烧，试验证明火花持续时间最长为700μs左右就可保证混合气的完全燃烧。
目前，国内天然气发动机电控系统都不具有火花持续时间监测功能，为了保证发动机每一次点火时，将发动机各个气缸内的混合气完全燃烧，现有的解决方案是通过提高点火能量，延长火花持续时间的办法来实现。但是，火花持续时间过长（＞700μs）对燃烧效果并没有明显的提高，而且点火系统在放电过程产生的热量会使火花塞温度升高，加速火花塞电极的烧蚀，降低了火花塞的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，其通过点火系统火花持续时间监测电路的反馈信号，实时调整初级线圈的充电时间即点火能量，将火花持续时间控制在一定的范围内，达到既保证发动机每一次点火时气缸内的混合气完全燃烧，又不至于提供过多的点火能量加速火花塞电极的烧蚀，降低火花塞使用寿命的目的。
本发明的技术方案是这样实现的：一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，由电压采集电路、偏置电压电路、阈值电压电路、加法运算电路和迟滞比较电路构成；IGBT为点火系统的开关器件，点火系统火花持续时间监测电路是发动机电子控制单元（ECU）的一部分，发动机电子控制单元内部设有中央处理器；其特征在于：中央处理器的一个时间处理单元通道通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极；开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端；点火线圈初级的第二端连接车载直流电源；开关器件IGBT的集电极电压经过所述的火花持续时间监测电路后连接至中央处理器的一个时间处理单元输入端口，中央处理器根据监测的火花持续时间实时调整初级线圈的充电时间即点火能量，将火花持续时间一定的内范围。
所述的电压采集电路包括：分压电阻Rp1、Rp2和Rp3串联构成分压网络，连接在点火系统开关器件IGBT的集电极端“IGBT_C”和地之间；滤波电容Cf1并联在分压电阻Rp3两端；分压电阻Rp2和Rp3的结点作为电压采样电路（1）的输出端，输出采样电压“V_SAMPLE”；两个相同方向串联的二极管D1、D2组成双向限幅电路连接在电压采样电路的输出端。
所述的偏置电压电路包括：车载直流电源VBAT经过分压电阻Rp4、Rp5串联构成的分压网络得到偏置电压，并连接运算放大器U1A的同相输入端；通过由运算放大器U1A构成的电压跟随器输出偏置电压“V_OFFSET”。
所述的阈值电压电路包括：数字电源电压VDD5经过分压电阻Rp6、Rp7串联构成的分压网络得到阈值电压，并连接运算放大器U1B的同相输入端；通过由运算放大器U1B构成的电压跟随器输出阈值电压“V_THRES”。
所述的加法运算电路包括：所述的偏置电压电路输出的偏置电压“V_OFFSET”和阈值电压电路输出的阈值电压“V_THRES” 分别通过电阻R4和R5与构成加法运算器的运算放大器U2A的同相输入端相连；运算放大器U2A的反向输入端通过电阻R3接地，输出端和反向输入端通过电阻Rf1相连；U2A的输出端为加法运算电路的输出“V_ADD_OUT”。
所述的迟滞比较电路包括：运算放大器U2B的反相输入端通过电阻R7连接所述加法运算电路的输出“V_ADD_OUT”；运算放大器U2B的同相输入端通过电阻R6连接所述电压采样电路的输出采样电压“V_SAMPLE”，并通过电阻Rf2连接二极管D3的阴极；二极管D3的阳极连接运算放大器U2B的输出端；运算放大器U2B的输出端通过电阻R8输出火花持续时间信号“SPKDUR”，并连接至中央处理器的一个时间处理单元输入引脚。
本发明的积极效果是：火花时间是点火线圈的次级线圈端电流流过火花塞的时间。由于点火线圈次级端的电压极高以至很难监测，所以通过监测点火线圈初级端的电压实现火花持续时间的反馈功能；通过发动机点火系统火花持续时间监测电路的反馈信号，实时调整初级线圈的充电时间即点火能量，将火花持续时间控制在一定的范围内（），达到既保证发动机每一次点火时气缸内的混合气完全燃烧，又不至于提供过多的点火能量加速火花塞电极的烧蚀，降低了火花塞的使用寿命的目的。
附图说明
图1是现有点火系统的结构示意图。
图2是本发明的电路原理框图。
图3是本发明的电压采集电路原理图。
图4是本发明的偏置电压电路原理图。
图5是本发明的阈值电压电路原理图。
图6是本发明的加法运算电路原理图。
图7是本发明的迟滞比较电路原理图。
图8是迟滞比较电路电压传输特性示意图。
图9是初级线圈的电压、电流波形和火花持续时间信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明发动机点火系统火花持续时间监测电路做进一步的详细说明。
如图2所示，发动机点火系统火花持续时间监测电路，所述的火花时间是点火线圈的次级线圈端电流流过火花塞的时间。由于点火线圈次级端的电压极高（12000～20000V）以至很难监测，所以通过监测点火线圈初级端的电压实现火花持续时间的反馈功能。所述的火花持续时间监测电路由电压采集电路1、偏置电压电路2、阈值电压电路3、加法运算电路4和迟滞比较电路5构成。IGBT为点火系统的开关器件。所述的点火系统火花持续时间监测电路是发动机电子控制单元的一部分，发动机电子控制单元内部设有中央处理器；中央处理器的一个时间处理单元通道通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极；开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端；点火线圈初级的第二端连接车载直流电源。开关器件IGBT的集电极电压经过所述的火花持续时间监测电路后连接至中央处理器的一个时间处理单元输入端口，中央处理器根据监测的火花持续时间实时调整初级线圈的充电时间即点火能量，将火花持续时间控制在一定的范围内。达到既保证发动机每一次点火时气缸内的混合气完全燃烧，又不至于提供过多的点火能量加速火花塞电极的烧蚀，降低火花塞使用寿命的目的。
如图3所示，所述的电压采集电路1包括：分压电阻Rp1、Rp2和Rp3串联构成分压网络，连接在点火系统开关器件IGBT的集电极端“IGBT_C”和地之间；滤波电容Cf1并联在分压电阻Rp3两端；分压电阻Rp2和Rp3的结点作为电压采样电路1的输出端，输出采样电压“V_SAMPLE”；两个相同方向串联的二极管D1、D2组成双向限幅电路连接在电压采样电路1的输出端。所述的分压电阻Rp1+Rp2与Rp3比值等于9。所以，输出采样电压。其中，为开关器件IGBT的集电极端电压。
如图4所示，所述的偏置电压电路2包括：车载直流电源VBAT经过分压电阻Rp4、Rp5串联构成的分压网络得到偏置电压，并连接运算放大器U1A的同相输入端；通过由运算放大器U1A构成的电压跟随器输出偏置电压“V_OFFSET”。其中， U1A的型号为TLC2272AQDRQ1；分压电阻Rp4与Rp5比值等于9，所以偏置电压。
如图5所示，所述的阈值电压电路3包括：数字电源电压VDD5经过分压电阻Rp6、Rp7串联构成的分压网络得到阈值电压，并连接运算放大器U1B的同相输入端；通过由运算放大器U1B构成的电压跟随器输出阈值电压“V_THRES”。其中， 运算放大器U1B的型号为TLC2272AQDRQ1；分压电阻Rp6与Rp7比值等于0.4，所以阈值电压。
如图6所示，所述的加法运算电路4包括：所述的偏置电压电路2输出的偏置电压“V_OFFSET”和阈值电压电路3输出的阈值电压“V_THRES” 分别通过电阻R4和R5与构成加法运算器的运算放大器U2A的同相输入端相连；运算放大器U2A的反向输入端通过电阻R3接地，输出端和反向输入端通过电阻Rf1相连；U2A的输出端为加法运算电路4的输出“V_ADD_OUT”。其中， U2A的型号为TLC2272AQDRQ1，设定R3=R4=R5=Rf。得到运算放大器U2A的输出端电压的表达式为：
式中，代表加法运算电路4的输出端的电压“V_ADD_OUT”，为偏置电压电路2输出的偏置电压“V_OFFSET”，为阈值电压电路（3）输出的阈值电压“V_THRES”。
如图7所示，所述的迟滞比较电路5包括：运算放大器U2B的反相输入端通过电阻R7连接所述加法运算电路4的输出“V_ADD_OUT”；运算放大器U2B的同相输入端通过电阻R6连接所述电压采样电路1的输出采样电压“V_SAMPLE”，并通过电阻Rf2连接二极管D3的阴极；二极管D3的阳极连接运算放大器U2B的输出端；运算放大器U2B的输出端通过电阻R8输出火花持续时间信号“SPKDUR”，并连接至中央处理器的一个时间处理单元输入引脚，由此形成一个闭合的控制环。其中，运算放大器U2B的型号为TLC2272AQDRQ1。
由于二极管D3连接在由运算放大器U2B构成的迟滞比较器的反馈回路中，二极管D3阻挡了输出低电平，只要保证U2B的同相输入端电压大于反相输入端的参考电压，其输出电压就是高电平，这时比较器相似一个单门限比较器，所述迟滞比较器上门限电压为：
所以，开关器件IGBT的集电极端的电压（即点火线圈初级的第一端电压）对应的迟滞比较器上门限电压为：
所述迟滞比较器下门限电压表达式为：
式中，是二极管D3正向压降，是运算放大器U2B输出端为高电平时电压。
由于运算放大器U2B是轨对轨运算放大器，所以所述迟滞比较器下门限电压表达式的。开关器件IGBT的集电极端的电压（即点火线圈初级的第一端电压）对应的迟滞比较器上门限电压设置为：
如图8所示，得到的由运算放大器U2B和外围电路构成的迟滞比较器的电压传输特性，上门限电压和下门限电压分别为和。
如图9所示，初级线圈的电压，电流波形和火花持续时间信号示意图，所述点火系统的点火能量的计算公式为：
式中，E为点火能量；u为车载直流电源电压；i为初级线圈的充电电流；L为初级线圈的等效电感；I为初级线圈断开时电流（点火电流）；t为点火线圈的充电时间。
从上式可知，要控制点火能量，可通过控制初级线圈的充电时间来实现点火能量的开路控制。
来自中央处理器的点火控制信号控制点火线圈的充电时间。当点火控制信号由低电平变为高电平（有效电平）时，开关器件IGBT处于导通状态，初级线圈电流（即点火电流）将从零开始增长，随着初级线圈电流的增长，初级线圈产生的电磁能量存储在铁芯中，此过程即为点火线圈的充电过程。当初级线圈电流达到一定值，中央处理器发出的点火控制信号由高电平变为低电平时，开关器件IGBT由导通状态变为关断状态，使初级线圈回路瞬间断开。开关器件IGBT通过其内部钳位电路在集电极端产生约420V高电压即点火线圈初级的第一端的电压，其维持为时间为。初级线圈回路的电场突变造成初级线圈的磁场迅速衰减，从而在次级线圈的两端感应出10000～20000V高压电动势，该高压电动势击穿火花塞的两个电极之间的间隙，产生电弧（火花）以点燃混合气，火花持续时间为。发动机每一次点火时，开关器件IGBT的集电极电压（点火线圈初级的第一端电压）经过所述的火花持续时间监测电路后连接至中央处理器的一个时间处理单元输入端口。
当开关器件IGBT的集电极电压大于（对应迟滞比较器上门限电压）时，火花持续时间信号由低电平变为高电平；当开关器件IGBT的集电极电压小于（对应迟滞比较器上门限电压）时，火花持续时间信号由高电平变为低电平。中央处理器从火花持续时间信号由低电平变为高电平开始计时，直至火花持续时间信号由高电平变为低电平停止计时，所得的时长即为点火系统火花持续时间。中央处理器根据计算出的火花持续时间判断气缸内的混合气燃烧效果，再根据发动机气缸内混合气燃烧效果以及发动机的运行工况实时调整初级线圈的充电时间即点火能量，将火花持续时间控制在一定的范围内（）。达到既保证发动机每一次点火时气缸内的混合气完全燃烧，又不至于提供过多的点火能量加速火花塞电极的烧蚀，降低火花塞使用寿命的目的。
Claims (6)
1.一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，由电压采集电路、偏置电压电路、阈值电压电路、加法运算电路和迟滞比较电路构成；IGBT为点火系统的开关器件，点火系统火花持续时间监测电路是发动机电子控制单元（ECU）的一部分，发动机电子控制单元内部设有中央处理器；其特征在于：中央处理器的一个时间处理单元通道通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极；开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端；点火线圈初级的第二端连接车载直流电源；开关器件IGBT的集电极电压经过所述的火花持续时间监测电路后连接至中央处理器的一个时间处理单元输入端口，中央处理器根据监测的火花持续时间实时调整初级线圈的充电时间即点火能量，将火花持续时间一定的内范围。
2.根据权利要求1中所述的一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，其特征在于所述的电压采集电路包括：分压电阻Rp1、Rp2和Rp3串联构成分压网络，连接在点火系统开关器件IGBT的集电极端“IGBT_C”和地之间；滤波电容Cf1并联在分压电阻Rp3两端；分压电阻Rp2和Rp3的结点作为电压采样电路的输出端，输出采样电压“V_SAMPLE”；两个相同方向串联的二极管D1、D2组成双向限幅电路连接在电压采样电路的输出端。
3.根据权利要求1中所述的一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，其特征在于所述的偏置电压电路包括：车载直流电源VBAT经过分压电阻Rp4、Rp5串联构成的分压网络得到偏置电压，并连接运算放大器U1A的同相输入端；通过由运算放大器U1A构成的电压跟随器输出偏置电压“V_OFFSET”。
4.根据权利要求1中所述的一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，其特征在于所述的阈值电压电路包括：数字电源电压VDD5经过分压电阻Rp6、Rp7串联构成的分压网络得到阈值电压，并连接运算放大器U1B的同相输入端；通过由运算放大器U1B构成的电压跟随器输出阈值电压“V_THRES”。
5.根据权利要求1中所述的一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，其特征在于所述的加法运算电路包括：所述的偏置电压电路输出的偏置电压“V_OFFSET”和阈值电压电路输出的阈值电压“V_THRES” 分别通过电阻R4和R5与构成加法运算器的运算放大器U2A的同相输入端相连；运算放大器U2A的反向输入端通过电阻R3接地，输出端和反向输入端通过电阻Rf1相连；U2A的输出端为加法运算电路的输出“V_ADD_OUT”。
6.根据权利要求1中所述的一种发动机电控点火系统火花持续时间监测电路，其特征在于所述的迟滞比较电路包括：运算放大器U2B的反相输入端通过电阻R7连接所述加法运算电路的输出“V_ADD_OUT”；运算放大器U2B的同相输入端通过电阻R6连接所述电压采样电路的输出采样电压“V_SAMPLE”，并通过电阻Rf2连接二极管D3的阴极；二极管D3的阳极连接运算放大器U2B的输出端；运算放大器U2B的输出端通过电阻R8输出火花持续时间信号“SPKDUR”，并连接至中央处理器的一个时间处理单元输入引脚。
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