CN107228040B - 具有离子感测和ac振铃抑制的电容性点火系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有离子感测和AC振铃抑制的电容性点火系统。为了减少在电容性点火系统中点火发动事件之后影响离子感测的次级电压的AC振铃，在点火发动事件之后流经次级绕组(4)的次级绕组电流(IR)被迫使流经连接在次级绕组(4)两端的正向偏置的静噪二极管(D1)。

Description

具有离子感测和AC振铃抑制的电容性点火系统
技术领域
本发明涉及一种具有离子感测的电容性点火系统，其包括点火线圈，具有连接到用于为点火发动(spark)事件提供能量的能量源的初级绕组和次级绕组，该次级绕组的第一端子连接到火花塞使得次级绕组两端的次级电压被施加到火花塞的火花隙，在点火线圈的次级侧上用于在用于离子感测的点火发动事件之后向火花隙提供偏置电压的电离电流偏置和测量电路系统，以及连接在次级绕组两端的二极管。本发明还涉及一种用于在具有离子感测的电容性点火系统中发生点火发动事件之后阻尼AC振铃的方法。
背景技术
众所周知，可以使用在火花塞的火花隙两端的电离电流来分析内燃机的燃烧过程。当火花塞点火发动时，火花隙周围的气体被电离。如果在发生点火发动事件之后在火花隙两端施加电压，则电离的气体使得电离电流在火花隙两端流动，这可以使用合适的检测电路来测量和分析。测量和分析电离电流(所谓的离子感测)允许检测失火，引擎爆震、峰值压力、恶化的火花塞(火花塞污垢)以及引擎或燃烧过程的其它特性。来自离子感测的信息还能够校正或调整点火参数，以便适应不同的负载条件或者通过例如影响空气/燃料比来改善引擎的性能或减少排放或燃料消耗。在现有技术中存在许多用于检测、测量和分析电离电流的已知方法和系统。
点火系统通常使用具有初级和次级绕组的点火线圈。点火发动所需的能量从初级绕组供给到次级绕组，使得次级绕组两端的次级电压被施加到火花隙。依赖于初级侧上用于在初级绕组两端生成初级电压的能量源，在感应式点火系统和电容性点火系统之间有所不同。
在感应式点火系统中，能量存储在初级绕组中，其被释放用于点火发动。为此，与初级绕组串联的初级开关接通，用于加载连接到电源电压的初级线圈。当初级开关关断时，发生点火发动。感应式点火(也具有离子感测)例如从US 5,230,240 A中是众所周知的。在US 5,230,240 A中，示出了在次级绕组两端的二极管，其在初级开关接通以加载初级线圈时防止不期望的点火发动。当开关接通时，这个二极管被正向偏置，而当开关被关断时，该二极管被反向偏置。因此，二极管在火花塞电极两端的期望火花击穿发生之前导通。次级绕组两端的二极管将需要在每次初级开关导通时传导大量电流，然后需要再次耗散功率。这将显著地增加二极管的负担，并且将需要具有高额定功率的二极管。
在电容性点火系统中，点火线圈的初级侧上的存储电容器存储用于点火发动的能量。存储电容器经初级绕组放电，以在初级绕组两端生成初级电压，例如，通过接通将电容器与初级绕组连接的开关。在点火发动事件之后，电容器被再充电，用于下一个点火发动事件。通过电容性点火，有可能生成短持续时间、高功率的火花，并且因此特别适于点燃诸如在燃气引擎中的稀化混合物。
电容性点火(也具有离子感测)例如从WO 2013/045288A1中是众所周知的。在WO2013/045288A1中，电阻器与火花塞串联连接，用于测量电离电流。通过在初始火花击穿之后在初级侧上重复地使存储电容器放电来生成用于离子感测的在火花塞电极两端的所需的偏置电压。
在经由火花隙的离子感测的燃烧监测中的主要挑战是在点火发动事件之后在点火线圈的次级绕组中的次级电压的关联振铃的最小化。线圈次级绕组是每当产生火花时具有流经其的DC电流(直流电流)的电感器。当火花熄灭时，次级DC电流瞬间下降至零，因此线圈次级绕组的充电电感试图维持先前的电流流动。但是，因为次级路径现在对处于可用的次级电压的DC电流的流动具有高抗性，所以唯一可以流动的电流是通过火花塞间隙的寄生电容的AC电流(交变电流)。这个AC电流造成次级电压的振铃。这个寄生AC电流的量值常常远大于对于离子感测感兴趣的信号的DC离子电流，这使得离子感测困难。这种现象传统上通过多种不同的方法来管理，即，减小的线圈阻抗和在电路的初级侧上的有源“关断”电路。减小的线圈阻抗可以显著地影响点火性能，因为具有减小的线圈阻抗的线圈通常以有限的输出能量输送非常短持续时间的火花。另一方面，初级侧上的有源“关断”电路可以改善次级绕组上的振铃行为，但是难以有效地实现并且具有有限的益处。
从EP 1 990 813 A1中已知一种具有离子感测的感应式点火系统和用于减小次级电压的振铃的装置。对于离子感测，在点火线圈的次级侧上的电容器在火花电流的流动期间被充电。在发生火花击穿之后，电容器放电，以在火花塞电极两端生成偏置电压，用于检测所测量的电离电流。为了减小将影响电离电流的测量的次级电压的振铃，在点火线圈的初级侧上布置与二极管串联的附加控制绕组。这个二极管被定向成使得其仅在与火花电流相对的电流(例如电离电流)流动时才被正向偏置，因此其在点火发动事件期间不导通。在火花熄灭之后，控制绕组和二极管协作，以耗散线圈中的残余电荷，以便限制振铃。但是，二极管在点火线圈初级侧的充电期间引入增量寄生损耗，这将不利地增加对线圈初级侧充电所需的能量的量。
具有离子感测的另一种电容性点火系统在EP 879 355 B1中示出，该系统在次级侧上使用附加的能量源，用于生成高电流火花电弧，并且还用于生成用于离子感测的在火花塞电极两端的所需的偏置电压。初级侧的能量源仅用于在火花隙两端产生火花。为此，高电压二极管连接在次级绕组两端。如果初级侧上的电容器被放电用于点火发动，则在次级绕组上产生高电压。这种高电压也施加在火花隙两端并且使火花隙周围的物质电离并产生火花。一旦火花隙被电离，连接到次级线圈的次级侧能量源就提供所需的电流，该电流经电离的火花隙流动，以生成用于点火发动事件的电弧。这个火花电流也经正向偏置的高电压二极管流动，这确保次级侧能量源从点火线圈的初级侧解耦。高电压二极管用于向火花供给功率。由连接到线圈次级侧的次级侧能量源供给的用于产生火花的能量在次级绕组和高电压二极管中快速耗散。此外，在点火发动事件之后，次级侧能量源还提供用于离子感测的电离电流。这个电离电流再次经正向偏置的高电压二极管流动，并且在离子感测期间，高电压次级侧再次从点火线圈的初级侧解耦，以防止两个分离的隔离的能量源的不期望的交叉传导或交互。附加的能量源在硬件以及能量源的定时和控制方面增加了点火系统的复杂性。次级绕组和高电压二极管受到显著的热负担。因此，点火线圈和高电压二极管都必须被设计或选择为承受由次级侧高电压二极管传导火花电流和电离电流二者的事实所造成的这种高热负荷。在EP 879 355 B1中，使用低通滤波器来调节电离电流信号。由于次级侧能量源的极性，次级振铃电压不被高电压二极管抑制，这可以在EP 879 355 B1的图5a和5b的波形中看到。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于容易地减少电容性点火系统中在点火发动事件之后次级电压的AC振铃的方法和装置。
这个目的是这样实现的，即，二极管连接在次级绕组两端，使得它对于在火花塞的点火发动事件期间流经火花隙的火花电流被反向偏置，并且它对于在点火发动事件之后的AC振铃电压被正向偏置。在点火发动事件之后，连接在次级绕组两端的正向偏置的静噪二极管迫使次级电流流经次级绕组。当火花结束时由次级振铃电压造成的流经次级绕组的次级电流被迫使流经连接在次级绕组两端的正向偏置的静噪二极管，因为在点火发动事件后静噪二极管缩短了次级绕组。通过静噪二极管，保持存储在点火线圈的次级绕组中的电能在次级绕组的电阻中被快速耗散，因为在次级绕组中流动的电流被迫使流经由正向偏置的静噪二极管提供的低阻抗路径。以这种方式，次级电流被保持远离火花隙，并且因此在点火发动事件之后不影响离子感测。因此，防止次级AC电流在点火发动事件之后流经火花隙，由此不影响用于离子感测的流经火花隙的小DC电离电流。
在有利的、易于实现的实施例中，电离电流偏置和测量电路系统连接到次级绕组的第二端子，并且包括偏置电容器，该偏置电容器连接到该第二端子并且在点火发动事件期间通过火花电流充电并在点火发动事件之后放电用于提供偏置电压。
特别有利的是使用具有在点火线圈的最大额定电压范围内的雪崩击穿电压的静噪二极管。当具有这种雪崩击穿电压的静噪二极管暴露于高于雪崩击穿电压的火花电压时，火花电压由于静噪二极管的雪崩击穿发生而受到限制，并且点火线圈被保护不受由于高电压造成的损坏。
附图说明
下面参考图1至4更详细地解释本发明，图1至4通过示例并且以非限制性方式示意性地示出本发明的有利实施例，如下：
图1是根据现有技术的电容性点火系统，
图2是根据本发明的具有静噪二极管的电容性点火系统，
图3A是不带有发明性静噪二极管的通过火花隙的电流和次级电压，
图3B是带有发明性静噪二极管的通过火花隙的电流和次级电压，以及
图4是点火发动事件的尾端部分的放大视图。
具体实施方式
从现有技术中已知并且如图1中所示的电容性点火系统1包括具有初级绕组3和次级绕组4的点火线圈2。存储电容器C1在点火线圈2的初级侧上提供，其存储用于点火发动事件所需的能量。存储电容器C1由电源电压V0充电。开关SW，例如像晶体管的半导体开关，与初级绕组3串联连接。存储电容器C1有利地(但不是必需)与初级绕组3并联连接，如图1中所示。次级绕组4的第一端子T1以已知的方式与接地的火花塞5连接，使得次级绕组4两端的次级电压VS被施加到火花隙8。
如果开关SW接通，例如在控制单元ECU的控制下，则存储电容器C1经由初级绕组3和可选的可能的电阻器R1放电，从而在次级绕组4两端造成次级电压VS。这个次级电压VS被施加到火花塞5的火花隙8。当次级电压VS足够高时，在火花隙8两端发生火花击穿，并且火花电流Ispark流入火花隙8，用于维持火花隙8两端的电弧(也参见图3A)。用于点火发动事件(即，用于产生火花并用于维持电弧)的电能由点火线圈2的初级侧上的能量源提供。在点火发动事件期间，连接到火花塞5的点火线圈2的第一端子T1变为负，并且火花隙8两端的电压基本上恒定，并且火花电流Ispark的幅值逐渐降低。在点火发动事件之后的某个时间，即，在火花熄灭之后，可以测量电离电流Iion，如下所述。
电容性点火系统1还包括电离电流偏置和测量电路系统6，测量电路系统6测量火花隙8两端的电离电流Iion并提供与电离电流Iion成比例的测量信号IM。电离电流偏置和测量电路系统6可以以许多不同的方式实现，例如如图1中所示。电离电流Iion可以以本领域技术人员已知的许多不同方式测量。电离电流偏置和测量电路系统6连接到次级绕组4的通常连接到地的第二端子T2。测量信号IM可以在信号调节单元7中被进一步处理，例如，通过进行滤波或通过利用如图1中所示的电流放大器的放大，并且作为离子信号IS输出。
电离电流偏置和测量电路系统6包括例如与二极管D2并联连接的偏置电容器C2，二极管D2连接到次级绕组4的第二端子T2。偏置电容器C2和二极管D2还连接到相对地定向、并联连接的二极管D3、D4，二极管D3、D4又经由电阻器R2连接到地。测量电阻器RM串联连接到并联连接的偏置电容器C2和二极管D2以及并联连接的二极管D3、D4之间的连接。经测量电阻器RM流动的电流是测量信号IM。当然，也有可能以许多其它方式测量离子电流。
当火花电流Ispark由于火花隙8两端的火花击穿而流动时，火花电流Ispark也经由结果所得的电流路径(次级绕组4–偏置电容器C2–二极管D4–(可选的)电阻器R2–地–火花隙8)对偏置电容器C2进行充电。在火花熄灭之后，偏置电容器C2放电并将DC偏置电压VDC提供给离子感测所需的火花隙8。这个DC偏置电压VDC造成在与火花电流Ispark相反的方向流动的电离电流Iion。
在图3A中，示出了结果所得的次级电压VS信号和经火花隙8流动的电流Igap(即，火花电流Ispark和电离电流Iion)的信号。图3A绘出了两个随后的点火发动事件。在时间t1，开关SW导通，从而造成高的次级电压VS。一旦达到击穿电压，火花隙8两端就发生火花击穿，并且火花电流Ispark流动。火花电流Ispark随着存储电容器C1放电而减小。在时间t2火花熄灭之后，因为点火线圈2由于在初级侧可用的有限能量而不能再维持火花电流Ispark经火花隙8的流动，所以偏置电容器C2向火花隙8提供DC偏置电压，从而使得电离电流Iion流动。在火花熄灭之后点火线圈2的典型开路AC振铃电压VR叠加到偏置电容器C2的DC偏置电压。结果所得的流经火花隙8的电离电流Iion(其量值远小于火花电流Ispark)由小的DC电离电流Iion组成，其产生与由线圈次级AC振铃电压VR(如图3A所示)造成的大得多量值的AC振铃电流组合的感兴趣的小DC电离电压。这使得测量小DC电离电流困难。
为了避免开路AC振铃电压VR在点火发动事件之后影响电离电流Iion，高电压静噪二极管D1(例如，40kV的静噪二极管)连接在次级绕组4两端，即，与次级绕组4并联，或者换句话说，连接在根据本发明的点火线圈2的次级绕组4的第一端子T1和第二端子T2之间，如图2中所示。这个静噪二极管D1以这样一种方式连接，使得其对于流动的火花电流Ispark被反向偏置，从而迫使火花电流Ispark经火花隙8和次级绕组4流动。为此，静噪二极管D1的阴极连接到点火线圈2的次级绕组4的第二端子T2，在所示的实施例中，电离电流偏置和测量电路系统6也连接到该第二端子T2。
在点火发动事件之后，在电离电流Iion流动的时间之前和期间，静噪二极管D1具有使得次级绕组4处的开路AC振铃电压VR处于被钳位到简单正向偏置二极管压降的第一相反极性环(电压摆动)的效果。由此，当次级绕组电流IR(在图2中指示)被迫使通过正向偏置的静噪二极管D1流经次级绕组4时，局部次级绕组电流IR保持远离电离电流偏置和测量电路系统6，其中正向偏置的静噪二极管D1为这个电流IR提供非常低阻抗的路径。给定直接在点火线圈2两端的次级绕组4的这个低阻抗路径，这个次级绕组电流IR不流经火花隙8的电容，因为电压电势仅存在于次级绕组的两个端子T1、T2之间并且被静噪二极管D1短路。结果，在点火放电事件之后剩余的感应式线圈能量在线圈次级绕组4内部以I2R损耗的形式被快速消耗，其中电流I流经次级绕组4，并且流经次级绕组4的电阻R。因此，不想要的AC振铃次级绕组电流IR保持远离火花隙8，并且不影响电离电流偏置和测量电路系统6中电离电流Iion的测量。静噪二极管D1不影响电容性点火系统1的正常操作，而是仅仅抑制点火发动事件之后不期望的线圈振铃。在图3B中绘出了静噪二极管D1的效果。可以清楚地看出，在点火发动事件之后的AC振铃已经被消除。
图4示出了点火发动事件的尾端部分的放大视图。AC振铃电压VR已经被消除，并且由对偏置电容器C2进行放电造成的小DC偏置电压VDC被施加到火花隙8，这又造成小的(与火花电流Ispark相比)电离电流Iion。
静噪二极管D1的另一个优点是静噪二极管D1可以以这样一种方式来选择，使得当静噪二极管D1暴露于高于点火线圈2的最大额定电压的火花电压时发生雪崩击穿，由此限制火花电压并保护点火线圈2。为此，静噪二极管D1的雪崩击穿电压应当在点火线圈2的最大额定电压的范围内，优选地在点火线圈2的最大额定电压的90％至110％的范围内。雪崩击穿电压优选地不超过点火线圈2的最大额定电压。

Claims (5)

1.一种具有离子感测的电容性点火系统(1)，包括点火线圈(2)，所述点火线圈(2)具有连接到用于为点火发动事件提供能量的能量源的初级绕组(3)和次级绕组(4)，所述次级绕组(4)的第一端子(T1)连接到火花塞(5)使得次级绕组(4)两端的次级电压(VS)被施加到火花塞(5)的火花隙(8)，电容性点火系统(1)还包括在点火线圈(2)的次级侧上用于在用于离子感测的点火发动事件之后向火花隙(8)提供偏置电压的电离电流偏置和测量电路系统(6)，以及连接在次级绕组(4)两端的二极管(D1)，其特征在于，二极管(D1)连接在次级绕组(4)两端，使得其对于在火花塞(5)的点火发动事件期间流经火花隙(8)的火花电流被反向偏置并且对于在点火发动事件之后的AC振铃电压(VR)被正向偏置。
2.如权利要求1所述的电容性点火系统(1)，其特征在于，电离电流偏置和测量电路系统(6)连接到次级绕组(4)的第二端子(T2)，并且包括偏置电容器(C2)，所述偏置电容器(C2)连接到第二端子(T2)并且在点火发动事件期间由火花电流(Ispark)充电并且在点火发动事件之后放电用于提供偏置电压。
3.如权利要求1或2所述的电容性点火系统(1)，其特征在于，使用具有在点火线圈(2)的最大额定电压范围内的雪崩击穿电压的静噪二极管(D1)。
4.如权利要求3所述的电容性点火系统(1)，其特征在于，所述雪崩击穿电压等于点火线圈(2)的最大额定电压。
5.一种用于在具有离子感测的电容性点火系统(1)中发生点火发动事件之后阻尼AC振铃的方法，其中电容性点火系统(1)包括连接到为点火发动事件提供能量的能量源的初级绕组(3)和次级绕组(4)，所述次级绕组(4)具有连接到火花塞(5)的第一端子(T1)使得次级绕组(4)两端的次级电压(Vs)被施加到火花塞(5)的火花隙(8)，而火花电流(Ispark)在点火发动事件期间经火花隙(8)流动，其特征在于，在点火发动事件之后，通过次级绕组(4)的次级绕组电流(IR)被迫使流经连接在次级绕组(4)两端的正向偏置的静噪二极管(D1)。
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