CN106468238A - 用于火花塞的离子电流测量的变压器电路及方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于火花塞供应点火能量以及用于离子电流测量的变压器电路，具有：变压器，其具有初级侧以及次级侧，以从施加在所述初级侧上的初级电压中产生电压；初级电路，其中包括所述变压器的初级侧、用于初级电压源的连接器以及用于关闭所述初级电路的开关；以及次级电路，其中包括串联连接的电容器、所述变压器的次级侧、导通火花抑制二极管以及用于所述火花塞的连接器，其中在所述次级电路中，所述变压器的次级侧设置在电容器以及用于火花塞的连接器之间，并且所述电容器以及用于火花塞的连接器各自设置在接地端和变压器的次级侧之间，所述电容器由齐纳二极管桥接并且设置在一回路中。此外，描述了一种用于测量火花塞的离子电流的方法。

Description

用于火花塞的离子电流测量的变压器电路及方法

技术领域

本发明涉及一种火花塞变压器电路以及一种离子电流测量方法。

背景技术

为了在发动机的燃烧室中点燃燃料，通过在火花塞的电极之间施加高压来产生电弧放电。如果没有电弧放电点燃，则通过施加稍低的电压，能够测量在火花塞的电极之间的气体混合物的电导率。此类离子电流测量使得能够获得与发动机的燃烧室有关的有价值信息。美国专利US5866808以及德国公布文件DE3934310A1公开了能用于离子电流测量的点火系统。

这种类型的点火系统由火花塞以及变压器电路组成，变压器电路通过变压器从初级电压中产生超过10kV的次级电压，初级电压一般为车辆的车载系统电压。当将初级电压施加到变压器时，在其中的次级电压侧立即产生强磁场变化，使得在火花塞的电极中感应出电压。在某些情况下，这可能已经导致电弧放电，从而使发动机的燃烧室中的混合物发生不希望的过早点火。为了防止这种情况，现代点火系统通常配有导通火花抑制二极管(switch-on spark suppression diode)，其设置在火花塞和变压器之间。该导通火花抑制二极管阻挡通过启动点火系统(即施加初级电压)引起的次级电流，并且防止在火花塞的电极处产生过早电压增加。

包括导通火花抑制二极管并且允许离子电流测量的点火系统的问题在于，车辆的车载系统电压不足以用于离子电流测量，这是因为燃料室内含物具有较高的电阻，更确切地说，需要更高的电压，通常约100V或更高。在没有导通火花抑制二极管的点火系统中由电容器输送离子电流测量电压，该电容器通过变压器电路的次级电压进行充电，同时在火花塞处施加次级电压。相应的电路在图1中示出。电弧放电熄灭后，电容器通过在火花塞的电极之间流动的离子电流的方式进行放电。通过使用该电路，能够以电阻器上的压降来测量离子电流。这种电路中的电容器放电电流朝与同一电路的充电电流相反的方向流经火花塞，这使得产生火花塞的电弧放电。因此，导通火花抑制二极管会阻挡电容器的放电电流，并且因此同样会阻挡离子电流放电。

本质上，通过进一步的变压器，能够从车载系统电压中产生用于离子电流测量的电压。然而，其可行性非常复杂，因此不可能得到普及。

发明内容

本发明的目的是提出一种方式，使导通火花抑制二极管的优点能经济有效地与离子电流测量的选择组合。

该目的通过具有权利要求1中所述特征的变压器电路以及根据权利要求10所述的方法来实现。本发明的有益改进是从属权利要求的主题。

根据本发明，由变压器电路的变压器所产生的次级电压用于对电容器充电，所述电容器设置在串联连接至变压器的次级侧的回路中。因此，所述回路由第一支路以及第二支路组成，所述第一支路从分支点通向电容器的第一侧，所述第二支路从分支点通向电容器的第二侧。因此，所述电容器的两侧均连接至变压器的次级侧的相同端部。电流能流经所述第一支路，用于对所述电容器进行充电，以及能流经所述第二支路，用于放电。在所述变压器的次级侧上，所述电容器的充电电流以及放电电流因此具有相同的方向，因而均能流经设置在所述火花塞和变压器的次级侧之间的导通火花抑制二极管。

为了防止所述电容器过早放电，所述回路的第一支路和第二支路可包括二极管，两个支路中的二极管反向设置，从而确保只有充电电流流经其中一个支路，以及只有放电电流流经另一支路。然而，其中一个二极管或两个二极管还能被一开关代替，所述开关仅在电流应当流经相关支路时关闭。通过这种方式，同样能够实现充电电流只流经回路中的其中一个支路，而放电电流只流经回路中的另一支路。

在电弧放电熄灭后，所述回路中的电容器输送用于离子电流的电荷。在这种情形下，存储在所述电容器中的电荷能够直接用于离子电流，该离子电流接着作为电容器的放电电流流动。不同的选择包括使用所述电容器对第二电容器进行充电，第二电容器接着馈送离子电流。在这种情形中，能同时通过第一电容器以及通过第二电容器馈送离子电流。由于第二容器的电荷源自于第一电容器，当使用第二电容器时，离子电流的电荷同样最终由第一电容器输送。

第二电容器能够设置在从回路的第一支路中分支形成并且通向接地端的电路支路中。在该电路支路中，能够设置测量电阻器，其串联连接至第二电容器。比起设置在回路第二支路中的电阻器，能够在该类型的测量电阻器处以更少支出来测量正比于离子电流的压降。

本发明的有利改进在于，在离子电流流经的回路第二支路中设置电阻器，例如10kΩ或更大，尤其是100kΩ至1MΩ的电阻器。这个电阻确保了充电电流首先流经回路的第一支路。

当在本发明的上下文中提到二极管或二极管的击穿电压，其中也应当包括二极管级联，即，多个串联连接的二极管，其作为一个整体自然具有比单个二极管更高的击穿电压。

附图说明

本发明进一步的细节和优势将参考附图根据说明性的实施例进行说明。附图中：

图1示出了现有技术的电路图；

图2示出了根据本发明的变压器实施例的电路图；

图3示出了在图2中示出的电路图，该图具有在火花塞的电弧放电期间流动的电流路径；

图4示出了在图2中示出的电路图，该图具有在电弧放电之后流动的电流路径；以及

图5示出了在图2中示出的电路图，该图具有离子电流的路径。

具体实施方式

图2中的变压器电路具有通过变压器1耦合的初级电路以及次级电路。初级电路包括用于初级电压源2(例如车载电池)的连接器、变压器1的初级侧1a以及开关3(例如晶体管开关)。当开关3闭合时，初级电流流经变压器1的初级侧1a，结果在变压器1的次级侧1b中感应出次级电压。初级侧1a以及次级侧1b能够构造为通过变压器1的芯耦合的线圈。

在次级电路中，变压器1的次级侧1b串联连接至导通火花抑制二极管4以及用于火花塞5的连接器，以便次级电压在火花塞5的电极之间产生电弧放电。图3绘出了当电弧放电点燃时流动的次级电流的基本路径。

由齐纳二极管7桥接的电容器6串联连接至变压器1的次级侧1b。如图所示，变压器1的次级侧1b设置在电容器6和用于火花塞5的连接器之间。在每种情形中，电容器6以及用于火花塞5的连接器均设置在接地端和变压器1的次级侧1b之间。

电容器6设置在由第一支路以及第二支路组成的回路中，第一支路具有第一电路元件8，例如二极管，第二支路具有第二电路元件9，例如二极管。例如10kΩ或更大的电阻器10能够额外地设置在第二支路中。电容器6的两侧通过该回路串联连接至变压器1的次级侧1b的相同端部。在这种情形中，电路元件8、9以这样的方式设置，即，只有电容器6的充电电流才能流经第一电路元件8，只有电容器6的放电电流才能流经第二电路元件9。电路元件8、9可相应地为彼此反向设置的受控晶体管开关或二极管。

如果电弧放电在火花塞5中点燃，则因此使电容器6充电达到齐纳二极管7的击穿电压。之后，电弧放电的电流流经齐纳二极管7。

从电容器6和次级电路元件9之间的回路第二支路中分支形成一电路支路，该电路支路通向接地端并且包含二极管11或不同电路元件，所述二极管11或不同电路元件只允许电流朝次级电流在电弧放电期间的方向流通。

此外，在次级电路元件9背向电容器6一侧，能够从该回路的第二支路中分支形成进一步的电路支路，在该电路支路中，设置第二电容器12以及与第二电容器12串联连接的测量电阻器13。进一步的电路支路同样通向接地端。

该回路的第一支路能够经由晶体管开关18连接至在第一电路元件8和电容器6之间的电压源，例如车载电池。晶体管开关18以这样的方式控制，即，当电弧放电点燃时打开晶体管开关18。

在电弧放电熄灭后，关闭晶体管开关18，以进行离子电流测量。为此，能够通过控制信号来驱动晶体管开关18，该控制信号的值表示是否将初级电压施加在变压器1的初级侧1a上。如图2所示，能够使用运算放大器14来产生这种类型的控制信号，运算放大器14检测晶体管开关3处(例如，其连接器处)的电位。另一种选择包括估算开关3的控制信号。

当变压器电路的初级电路为开路时，初级电流停止，因此不再在变压器1的次级侧1b中感应出次级电压，使得火花塞5的电弧放电熄灭。在所示的变压器电路中，接着闭合晶体管开关11，以便通过电阻器15将电压源施加在电容器6上。电容器6接着对第二电容器12进行充电，如在图4中以简化的方式所示。为了对第二电容器12进行充电12，将电容器6经由电阻器15连接至电压源并非绝对必要的。除了连接至电压源，电容器6还能连接至接地端，因为无论怎样，车载电池的电压都比电容器6的充电电压(超过100V)小得多。

这样一来，在第二电容器12的充电期间，与第二电容器12串联连接的测量电阻器13或者检测测量电阻器13处的压降的电压测量装置并没有多余地加载，测量电阻器13能由允许充电电流通过的二极管16桥接。第二电容器12能由齐纳二极管17桥接，使得其只能被充电至齐纳二极管17的击穿电压。

在一个充电周期过后，能够再次打开晶体管开关18，以进行离子电流测量，该充电周期例如只有1至10ms，因此能够在每个发动机循环中进行。替代地，晶体管开关18还能保持关闭，直到下一个电弧放电，因为第二电容器12将很快充电至电容器6的电压水平。

在图4中示意性示出的充电阶段过后，离子电流从电容器12流出，如在图5中以简化的方式所示。一方面，离子电流从电容器12流经回路第二支路中的电阻器10、变压器1的次级侧1b、导通火花抑制二极管4、火花塞5，并且从火花塞5流经发动机的燃烧室内含物而到达接地端。另一方面，离子电流从接地端流经测量电阻器13至电容器12，使得能够作为测量电阻器处的压降来测量该离子电流，图5通过U_ION来表示该压降。

因此，用于离子电流测量的从电容器12输送的电荷来源于电容器6。不管离子电流是直接从电容器6馈送(这在原理上是可行的)，还是从由电容器6充电的电容器12中馈送，电容器6的电荷均因此以所述的方法用于离子电流，即，电容器6直接或经由第二电容器12间接地馈送电流。

引用列表

1 变压器

1a 变压器的初级侧

1a 变压器的次级侧

2 初级电压源

3 开关

4 导通火花抑制二极管

5 火花塞

6 电容器

7 齐纳二极管

8 电路元件

9 电路元件

10 电阻

11 电路元件

12 电容器

13 测量电阻器

14 运算放大器

15 电阻

16 二极管

17 齐纳二极管。

Claims (13)

1.一种变压器电路，用于为火花塞(5)供应点火能量以及用于离子电流测量，其特征在于所述变压器电路包括

变压器(1)，该变压器具有初级侧(1a)以及次级侧(1b)，配置用于从施加在所述初级侧(1a)上的初级电压中产生次级电压，

初级电路，该初级电路包括所述变压器(1)的初级侧(1a)、用于初级电压源(2)的连接器以及用于关闭所述初级电路的开关(3)，以及

次级电路，该次级电路包括串联连接的电容器(6)、所述变压器(1)的次级侧(1b)、导通火花抑制二极管(4)以及用于所述火花塞(5)的连接器，

其中，在所述次级电路中，所述变压器(1)的次级侧(1b)设置在电容器(6)和用于火花塞(5)的连接器之间，并且所述电容器(5)以及用于火花塞(5)的连接器各自设置在接地端和变压器(1)的次级侧(1b)之间，

所述电容器(6)由齐纳二极管(7)桥接并且设置在一回路中，所述回路将电容器(6)的两侧连接至变压器(1)的次级侧(1b)的相同端，

其中第一电路元件(8)设置在所述电容器(6)和变压器(1)的次级侧(1b)之间的电容器(6)的第一侧上的回路中，所述第一电路元件(8)被配置用于只允许电容器(6)的充电电流通过，并且第二电路元件(9)被包括在所述电容器(6)和变压器(1)的次级侧(1b)之间的第二侧上，所述第二电路元件被配置用于只允许电容器(6)的放电电流通过。

2.根据权利要求1所述的变压器电路，其特征在于，所述第一电路元件(8)为第一二极管，所述第二电路元件(9)为与所述第一二极管反向的第二二极管。

3.根据前述权利要求中任一项所述的变压器电路，其特征在于，从所述电容器(6)和第二电路元件(9)之间的回路分支形成一电路支路，所述电路支路通向接地端并且包括第三电路元件(11)，所述第三电路元件(11)被配置用于只允许电容器(6)的充电电流通过。

4.根据权利要求3所述的变压器电路，其特征在于，所述第三电路元件(11)为二极管。

5.根据前述权利要求中任一项所述的变压器电路，其特征在于，所述回路经由晶体管开关(18)与第一电路元件(8)和电容器(6)之间的电压源连接，其中所述晶体管开关(18)通过控制信号驱动，所述控制信号的值表示初级电压是否施加在变压器(1)的初级侧(1a)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的变压器电路，其特征在于，从所述第二电路元件(9)背向电容器(6)一侧上分支形成进一步的电路支路，所述进一步的电路支路通向接地端并且包括第二电容器(12)。

7.根据权利要求6所述的变压器电路，其特征在于，所述第二电容器(12)由第二齐纳二极管(17)桥接。

8.根据权利要求6或7所述的变压器电路，其特征在于，在所述进一步的电路支路中的第二电容器(12)串联连接至用于离子电流测量的测量电阻器(13)。

9.根据权利要求8所述的变压器电路，其特征在于，所述测量电阻器(13)由进一步的齐纳二极管(16)桥接。

10.根据前述权利要求中任一项所述的变压器电路，其特征在于，电阻器(10)设置在所述第二电路元件(9)背向电容器(6)一侧上的回路中。

11.一种测量火花塞(5)的离子电流的方法，其中

通过变压器(1)，从初级电压中产生次级电压，其中将次级电压施加到火花塞(5)，以引燃电弧，

通过由所述次级电压产生的电流，经由第一支路将电容器(6)充电至桥接该电容器(6)的齐纳二极管的击穿电压，所述第一支路是从变压器(1)通向电容器(6)两侧中的第一侧，

断开所述初级电压与变压器(1)的连接，以熄灭所述电弧

所述电容器(6)经由第二支路输送用于离子电流的电荷，所述第二支路将电容器(6)的第二侧连接至变压器(1)，以及

通过测量测量电阻器(13)处的压降，获得所述离子电流的测量信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将输送自所述电容器(6)的至少一部分用于离子电流测量的电荷暂时存储在第二电容器(12)中，所述第二电容器(12)设置在从第二支路分支形成的第三支路中。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二电容器(12)经由测量电阻器(13)连接至接地端。