CN108223236B - 具有燃烧引发检测的点火系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有燃烧引发检测的点火系统。公开了一种用于发动机的点火系统。该点火系统可以包括：连接用于在发动机内选择性点燃燃料混合物的点火器，配置用于感测发动机运行信息并生成相应信号的至少一个传感器，以及与点火器和该至少一个传感器通信的控制器。控制器可以配置用于引起点火器的第一触发以点燃燃料混合物，基于信号做出燃料混合物被点火器点燃了的确定，以及基于确定而选择性停止点火器的触发。
Description
技术领域
本公开总体上涉及一种点火系统，并且更具体地涉及一种具有燃烧引发检测的点火系统。
背景技术
发动机，包括柴油发动机、汽油发动机、气体燃料动力发动机和其他发动机点燃空气/燃料混合物以产生热量。在一个例子中，注入到发动机燃烧室的燃料通过火花塞的方式点燃。具体地，通过定位在火花塞中央的电极将高压电流从终端引入到远自由端。远自由端与火花塞的接地部分间隔特定距离，使得产生横跨该距离的电弧。该电弧具有足够的击穿电压，从而点燃燃烧室内的空气和燃料混合物。
火花塞虽然在引发燃烧方面很成功，但其元件寿命可能较低。火花塞寿命通常取决于传递到火花塞的能量的量和/或持续时间。例如，火花塞电弧的高击穿电压要求可能会损坏火花塞的接地部分。此外，在常规点火过程中，火花塞通常都被供给能量持续较长的固定时间，与燃烧是否已经引发无关。也就是说，火花塞反复地被触发(即，按照重复曲线被供给电流)直到固定时间复发为止，与燃烧引发无关。因此，在燃烧已被引发了的情况下，额外的和不必要的火花塞触发不仅浪费能源，而且严重影响火花塞寿命。这可能导致火花塞的可靠性降低和/或火花塞的过早更换，以便确保发动机的继续运行。
延长火花塞寿命的一个尝试在2011年12月13日授予Glugla等人的8,078,384号美国专利(’384专利)中进行了描述。该’384专利公开了用于控制内燃机的系统和方法，包括确定进料稀释的存在和选择火花再触发模式以便在单个燃烧循环期间提供多个火花事件。进料稀释是基于指令的空气/燃料比和排气再循环而确定的。多个火花事件是用响应于进料稀释的基于时间的再触发或基于电流的再触发控制的，因而改善点燃质量以助于延长火花塞寿命。
虽然’384专利的系统和方法可以改善火花塞的点火质量，它仍可能是次优的。例如，燃烧引发了之后仍可能执行额外的和不必要的触发。这可能引起火花塞的过早磨损和引起火花塞不可靠地运行。
所公开的点火控制系统旨在克服上述问题中的一个或多个。
发明内容
在一方面，本公开涉及一种用于发动机的点火系统。点火系统可以包括：连接用于选择性地在发动机内点燃燃料混合物的点火器，配置用于感测发动机运行信息并生成相应信号的至少一个传感器，以及与点火器和该至少一个传感器通信的控制器。控制器可以配置用于引起点火器的第一触发以点燃燃料混合物，基于信号做出燃料混合物被点火器点燃了的确定，以及基于确定而选择性停止点火器的触发。
在另一方面，本公开涉及一种在发动机内引发燃烧的方法。该方法可以包括：引发点火器的第一触发以在发动机内点燃燃料混合物，检测燃料混合物的燃烧引发，以及基于燃烧引发的检测选择性地停止点火器的触发。
在又一方面，本公开涉及一种发动机。发动机可以包括：至少部分地限定汽缸的发动机缸体，能往复运动地设置在汽缸内以形成燃烧室的活塞，定位成在燃烧室内局部加热燃料混合物的点火器，配置用于感测发动机运行信息并生成相应信号的至少一个传感器，以及与点火器和该至少一个传感器通信的控制器。控制器可以配置用于引起点火器的第一触发以点燃燃料混合物，基于信号做出燃料混合物被点火器点燃了的确定，以及基于该确定而选择性停止触发点火器。控制器可以包括存储在存储器中的触发曲线库，第一触发可以是基于从触发曲线库中检索的第一触发曲线而确定的。控制器可以进一步配置用于从触发曲线库检索第二触发曲线，以及在用第一触发曲线触发指定数量未能点燃燃料混合物之后，用第二触发曲线触发点火器。
附图说明
图1是示例性公开发动机的示意和图示说明；以及
图2是说明可以通过图1的发动机系统执行的示例性公开方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了示例性燃烧式发动机10。为了本公开的目的，发动机10被示为并描述为四冲程气态燃料发动机，例如天然气发动机。然而，本领域技术人员将知晓发动机10可以是任何其他类型的燃烧式发动机，例如汽油或柴油燃料发动机。发动机10可以包括发动机缸体12，发动机缸体12至少部分地限定一个或多个汽缸14(图1中仅示出一个)。活塞16可以可滑动地设置在每个汽缸14中以便在上止点(TDC)位置与下止点(BDC)位置之间往复运动，汽缸盖18可以与每个汽缸14相联接。汽缸14、活塞16和汽缸盖18可以一起限定燃烧室20。可以预期，发动机10可以包括任何数量的燃烧室20，燃烧室20可以设置成“直列”构型、“V”构型或任何其他合适的构型。
发动机10还可以包括可旋转地设置在发动机缸体12内的曲轴22。连杆24可以将每个活塞16连接到曲轴22，使得每个相应汽缸14内活塞16在上止点位置与下止点位置之间的滑动运动导致曲轴22的旋转。类似地，曲轴22的旋转可以导致活塞16在上止点位置与下止点位置之间的滑动运动。在四冲程发动机中，活塞16可以在上止点位置与下止点位置之间往复运动经历进气冲程、压缩冲程、燃烧或做功冲程以及排气冲程。还可以预期，发动机10可以可选地是二冲程发动机，其中完整的循环包括压缩/排气冲程(下止点到上止点)和做功/排气/进气冲程(上止点到下止点)。
汽缸盖18可以限定进气通路26和排气通路28。进气通路26可以将压缩的空气或空气与燃料的混合物从进气歧管30经过进气口32引导到燃烧室20中。排气通路28可以类似地将排气从燃烧室20经过排气口34引导到排气歧管36中。
具有阀元件40的进气阀38可以设置在进气口32内并配置成选择性地接合座构件42。阀元件40可以第一位置与第二位置之间移动，在第一位置阀元件40接合座构件42以阻止流体相对于进气口32的流动，在第二位置阀元件40脱离阀构件42以允许流体的流动。
具有阀元件46的排气阀44可以类似地设置在排气口34内并配置成选择性地接合座构件48。阀元件46可以第一位置与第二位置之间移动，在第一位置阀元件46接合座构件48以阻止流体相对于排气口34的流动，在第二位置阀元件46脱离阀构件48以允许流体的流动。
一系列阀致动组件(未示出)可以可操作地与发动机10相联接以使阀元件40和46在第一位置与第二位置之间移动。应当注意，每个汽缸盖18可以包括多个进气口32和多个排气口34。每个这种口将与进气阀元件40或排气阀元件46相联接。发动机10可以包括用于每个汽缸盖18的阀致动组件，该阀致动组件配置用于致动该汽缸盖18的所有进气阀38或所有排气阀44。还可以预期，如果需要，单个阀致动组件可以致动与多个汽缸盖18相联接的进气阀38或排气阀44。阀致动组件可以具体化为例如凸轮/推杆/摇臂布置、螺线管致动器、液压致动器或者本领域已知的用于致动的任何其他装置。
燃料注入设备50可以与发动机10相联接以将加压的燃料引导到燃烧室20中。燃料注入设备50可以具体化为例如位于与进气通路26连通的电子阀。可以预期，注入设备50可以可选地具体化为液压、机械或气动致动注入设备，选择性地加压和/或允许加压的燃料经由进气通路26或以另一方式(例如，直接地)进入到燃烧室20。燃料可以包括压缩的气态燃料，例如天然气、丙烷、生物气体、填埋气体或氢气。还可以预期，燃料可以是液化的，例如汽油、柴油、甲醇、乙醇或任何其他液态燃料，可能需要车载泵(未示出)来对燃料进行加压。
允许通过注入设备50而进入到进气通路26的燃料量可以与引入到燃烧室20内的燃料空气比相关联。具体地，如果需要将燃料与空气的稀混合物(例如，与空气量相比燃料量相对较低的混合物)引入到燃烧室20，注入设备50可以在注入位置停留比需要燃料与空气的浓混合物(与空气量相比燃料量相对较大的混合物)时更短的一段时间(或者以其他方式控制成每个给定循环注入较少的燃料)。同样地，如果需要燃料与空气的浓混合物，注入设备50可以在注入位置停留比需要稀混合物时更长的一段时间(或者以其他方式控制成每个给定循环注入更多燃料)。
点火系统52可以与发动机10相联接以帮助调节燃料与空气混合物在燃烧室20内的燃烧。点火系统52可以包括点火器54和电子控制单元(ECU)58。ECU58可以配置用于调节响应于从一个或多个传感器60接收到的输入的点火器54的运行。
点火器54可以有助于燃料与空气混合物在燃烧室20内的点燃。为了引发燃料与空气混合物的燃烧，可以对点火器54通电以局部加热混合物，由此产生在整个燃烧室20蔓延的火焰。在一个实施方式中，点火器54是火花塞。然而，可以预期，点火器54可以可选地具体化为电热塞、RF点火器、激光点火器或者本领域已知的任何其他类型的点火器。
ECU58可以具体化为单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGAs)、数字信号处理器(DSPs)等，其包括用于控制响应于从传感器60接收到的信号的发动机10运行的装置。可以配置多种商用微处理器用于执行ECU58的功能。应当理解，ECU58可以容易地具体化为能控制多种系统功能和运行模式的通用发动机微处理器。各种其他已知的电路可以与ECU58相联接，包括电源电路、信号调节电路、致动器驱动器电路(即，为螺线管、电机或者压电致动器供电的电路)、通信电路以及其他适当的电路。
传感器60可以配置用于生成指示发动机10运行信息的信号。例如，传感器60可以设置在曲轴22附近，配置用于测量并生成指示曲轴22瞬时角位置的信号。基于该位置，可以得到发动机10的速度并用于确定燃烧是否引发。在另一个实例中，传感器60可以是温度传感器，配置用于测量并生成指示发动机10温度(例如，排气歧管气体温度，和/或进气歧管空气温度)的信号用于确定燃烧是否引发。在又一实例中，传感器60可以是增压气体压力传感器，配置用于测量并生成指示发动机10气体压力的信号用于确定燃烧是否引发。
可选地，传感器60可以是进气歧管压力传感器，配置用于测量并生成指示发动机10气体压力的信号用于确定燃烧是否引发。在有些实施方式中，传感器60可以是空燃比传感器，配置用于测量并生成指示发动机10空燃比的信号用于确定燃烧是否引发。在有些实施方式中，传感器60可以是电压传感器，配置用于测量并生成指示点火器54的间隙内气体的击穿电压。击穿电压可以用于确定燃烧是否引发。另外，传感器60可以是电阻抗(例如，电阻)传感器，配置用于测量并生成指示点火器54的间隙的间隙电阻的信号。阻抗可以用于确定燃烧是否引发。应当注意，也可以考虑其他类似的传感器。
在有些实施方式中，ECU58可以包括存储器，与点火器54相关联的触发曲线库可存储在该存储器中。触发曲线库可以包括多个不同的触发曲线。每个触发曲线对应于从传感器60获得的不同运行信息。多个不同触发曲线在形状、幅度和持续时间中的至少一个上不同。例如，库中的每个触发曲线可以具有不同的电流波形，例如正弦波形、方波形、三角波形或者锯齿波形，还有不同的幅度和/或持续时间。如上所述，运行信息可以包括但不限于所供燃料的甲烷数、空燃比、进气歧管空气温度、进气歧管空气压力、发动机速度、排气歧管温度、发动机负载等。
图2是说明控制点火器54触发的示例性公开方法的流程图200，该方法可以通过图1的发动机系统执行。下面将对图2进行更详细地描述以进一步说明本发明的构思。
工业实用性
所公开的点火系统可适用于任何需要延长点火器寿命的燃烧式发动机。所公开的系统可以特别适合通过火花塞点燃的发动机。所公开的点火系统可以通过消除不必要的火花塞触发而改善火花塞的寿命和可靠性，还可以通过动态地调整触发而改善燃烧引发。现在将结合图2对点火器54的运行进行解释。
在发动机10的进气冲程期间，随着活塞16在燃烧室20内上止点位置与下止点位置之间移动，进气阀38可以处于第一位置，如图1所示。在进气冲程期间，活塞16朝着下止点位置向下的移动可以在燃烧室20内形成低压状态。低压状态可以用于将燃料和空气从进气通路26经由进气口32吸入到燃烧室20。如上所述，涡轮增压器可以可选地用于迫使压缩的空气和燃料进入到燃烧室20。燃料可以在涡轮增压器的上游或下游引入到空气流，或者可选地，可以直接注入到燃烧室20。可以预期，如果需要，可以在压缩冲程的一部分期间将燃料可选地或另外地引入到燃烧室20中。
在进气冲程之后，进气阀38和排气阀44两者可以都处于第二位置，在第二位置燃料与空气混合物在随后的活塞16朝上的压缩冲程期间被阻止离开燃烧室20。随着活塞16在压缩冲程期间从下止点位置朝着上止点位置向上移动，可以燃烧室20内的燃料与空气进行混合和压缩。在压缩冲程期间的时间点处(例如，在上止点之前的特定曲轴转角处)，或者可选地刚好在压缩冲程完成之后(例如，在上止点之后的特定曲轴转角处)，可以引发压缩混合物的燃烧。
为了引发压缩混合物的燃烧，ECU58可以从存储在存储器中的触发曲线库选择第一触发曲线(步骤202)。可以基于发动机10的运行信息对第一触发曲线进行选择。运行信息可以包括例如所供燃料的甲烷数、空燃比、进气歧管空气压力和/或进气歧管空气温度。例如，传感器60所检测到的更高的所供燃料的甲烷数可以指示需要更强大的触发曲线(例如，具有更大幅度或不同形状的触发曲线)，因为甲烷数越大，压缩混合物的点燃温度越高，相应地压缩混合物越难被点燃。该运行信息可以在发动机10启动时被提供给ECU58(例如，通过传感器60)。
然后ECU58可以通过将第一触发曲线的电流引导到点火器54来引发点火器54的触发(步骤203)。点火器54的触发可以局部加热此时压缩的燃料与空气的混合物。该局部加热可以导致在整个燃烧室20蔓延的火焰，由此点燃其余的燃料与空气的混合物。
ECU58接下来可以接收来自传感器60的各种输入(步骤204)。该各种输入可以包括但不限于在使用涡轮增压器时的增压气体压力、进气歧管空气压力、排气歧管温度、空燃比、发动机速度、正时窗，和/或指示发动机负载的任何其他信息或运行参数。空燃比可以根据空气流速和燃料注入量测量。正时窗可以指示范围在上止点之前和上止点之后的曲轴转角，在该范围发生点火器54的触发。正时窗可以同样或可选地指示燃料注入的开始和结束、进气阀38和/或排气阀44的打开和/或关闭。如设置在曲轴22上的传感器所感测的，传感器输入可以进一步包括转矩信息。
另外，传感器输入可以包括点火器54间隙内的气体的击穿电压。例如，在压缩混合物的燃烧被点燃了的情况下，间隙内的气体可以在例如密度和/或温度上发生变化，其可以导致气体击穿电压发生变化。此外，传感器输入还可以包括可相对于间隙内的气体变化的点火器54的间隙阻抗，例如，未燃烧的气体混合物的电阻不同于燃烧器气体混合物的电阻。
传感器输入可以通过存储在存储器中的软件程序(例如，计算模型)或者ECU58的硬件接收。可以从外部来源将软件程序下载到ECU58的存储单元中，可以具体化为包括合适算法的计算模型(例如，经验模型)。可选地，软件程序的功能可以部分地由ECU58的硬件来实现。在所有传感器输入都被接收到计算模型中之后，计算模型开始运行并针对输出基于传感器输入进行计算(步骤206)。输出可以指示压缩混合物的燃烧是否通过点火器54的触发而开始了(步骤208)。输出可以用方程式、映射、图表等呈现。
如果输出指示点火器成功引发了压缩混合物燃烧，则ECU58可以控制并停止点火器54的进一步触发(步骤210)。与常规的点火器54运行相反，随后的点火器54再触发的终止可以通过减少不必要的触发，也就是，通过减少经过点火器54的能量的量和/或能量的持续时间而有效地改善点火器54的寿命。
假如来自计算模型的输出指示压缩混合物的燃烧没有成功开始(即，步骤208中的否)，则可能需要后续的点火器54再触发。在这些情况下，如果必要的话(即，只要压缩混合物的燃烧没有通过紧接之前的点火器54触发而成功开始)，可以用相同的触发曲线(即，第一触发曲线)执行指定次数数量的点火器54再触发。在每次点火器54再触发之前，ECU58可以确定是否达到指定的触发次数(步骤212)。假如尚未达到指定的触发次数，将用第一触发曲线执行点火器54的再触发。然后可以重复步骤203～212。
如果在步骤212确定达到了指定的触发次数，则ECU58可以从触发曲线库中选择第二触发曲线(步骤214)。然后ECU58可以根据第二触发曲线将相应的电流引导到点火器54以执行再触发(步骤203)。然后可以重复步骤203～214。
若干优点可以与所公开的点火系统相关联。首先，通过将各种传感器输入加入到软件程序中用于检测燃烧引发，可以消除不必要的火花塞触发和/或再触发以改善火花塞寿命，因为火花塞寿命与触发次数的数量成反比。其次，减少了能量浪费，由此降低了运行成本并改善发动机10的性能。第三，不需要额外的硬件来使用所公开的点火系统，因为现有的点火电路和发动机传感器可以很好地与所公开的点火系统一起工作。
对本领域技术人员来说，可以对所公开的点火系统进行各种变型和变化。通过考虑所公开点火系统的说明书和实践，其他实施方式对于本领域技术人员而言将是明显的。本说明书和实例仅旨在示例性的，真实范围是由所附的权利要求书及其等同方式所指示的。
Claims (20)
1.一种用于发动机的点火系统，包含：
连接用于选择性地在所述发动机内点燃燃料混合物的点火器；
配置用于感测所述发动机的运行信息并生成相应信号的至少一个传感器；以及
与所述点火器和所述至少一个传感器通信的控制器，所述控制器配置成：
包括存储在存储器中的触发曲线库；
基于所述运行信息从所述触发曲线库中检索第一触发曲线；
用所述第一触发曲线引起所述点火器的第一触发以点燃所述燃料混合物；
基于所述信号做出所述燃料混合物被所述点火器点燃了的确定；以及
基于所述确定选择性地停止所述点火器的触发。
2.根据权利要求1所述的点火系统，其中所述控制器包括存储在存储器中的计算模型，所述计算模型配置用于基于所述运行信息做出所述确定。
3.根据权利要求1所述的点火系统，其中所述控制器进一步配置用于在所述点火器的所述第一触发没有点燃所述燃料混合物时选择性地引起所述点火器的再触发。
4.根据权利要求1所述的点火系统，所述控制器进一步配置用于选择性地从所述触发曲线库检索第二触发曲线，以及在用所述第一触发曲线触发指定数量未能点燃燃料混合物之后，用所述第二触发曲线引发所述点火器的第二触发。
5.根据权利要求1所述的点火系统，其中所述触发曲线库包括多个不同的触发曲线，每一个对应于不同的运行信息。
6.根据权利要求5所述的点火系统，其中所述多个不同的触发曲线在形状、幅度和持续时间中的至少一个上不同。
7.根据权利要求1所述的点火系统，其中所述发动机的所述运行信息包括增压气体压力、进气歧管空气压力、排气歧管气体温度、空燃比、发动机速度、转矩、进气歧管空气温度、击穿电压或间隙阻抗中的至少一个。
8.一种在发动机内引发燃烧的方法，包含：
从触发曲线库中检索第一触发曲线；
用所述第一触发曲线引发点火器的第一触发以点燃所述发动机内的燃料混合物；
检测所述燃料混合物的燃烧引发；以及
基于所述燃烧引发的检测选择性地停止所述点火器的触发。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括仅在所述点火器的所述第一触发没有点燃所述燃料混合物时引发所述点火器的再触发。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一触发和所述再触发向所述点火器提供相同的触发曲线。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一触发和所述再触发具有从存储在存储器中的所述触发曲线库中检索到的不同的第一电流曲线和第二电流曲线。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一触发的所述第一电流曲线和所述再触发的所述第二电流曲线是从存储在存储器中的所述触发曲线库中检索到的。
13.根据权利要求11所述的方法，其中引发所述再触发包括在用所述第一触发的所述第一电流曲线触发指定数量未能点燃所述燃料混合物之后，用所述第二电流曲线触发所述点火器。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述触发曲线库包括多个不同的触发曲线，每一个对应于不同的运行信息。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个不同的触发曲线在形状、幅度和持续时间中的至少一个上不同。
16.根据权利要求8所述的方法，进一步包括接收所述发动机的运行信息，其中检测所述燃料混合物的燃烧引发是通过基于所述运行信息的计算模型执行的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述发动机的所述运行信息包括增压气体压力、进气歧管空气压力、排气歧管气体温度、空燃比、发动机速度、转矩、进气歧管空气温度、击穿电压或间隙阻抗中的至少一个。
18.一种发动机，包含：
至少部分地限定汽缸的发动机缸体；
能往复运动地设置在所述缸体以形成燃烧室的活塞；
定位成在所述燃烧室内局部加热燃料混合物的点火器；
配置用于感测所述发动机的运行信息并生成相应信号的至少一个传感器；以及
与所述点火器和所述至少一个传感器通信的控制器，所述控制器配置成：
引起所述点火器的第一触发以点燃所述燃料混合物；
基于信号做出所述燃料混合物被所述点火器点燃了的确定；以及
基于所述确定选择性地停止触发所述点火器，
其中所述控制器包括存储在存储器中的触发曲线库，所述第一触发可以是基于从所述触发曲线库中检索到的第一触发曲线而确定的；以及
其中所述控制器进一步配置用于选择性地从所述触发曲线库检索第二触发曲线，并在用所述第一触发曲线触发指定数量未能点燃所述燃料混合物之后，用所述第二触发曲线触发所述点火器。
19.根据权利要求18所述的发动机，其中所述发动机的所述运行信息包括增压气体压力、进气歧管空气压力、排气歧管气体温度、空燃比、发动机速度、转矩、进气歧管空气温度、击穿电压或间隙阻抗中的至少一个。
20.根据权利要求18所述的发动机，其中所述控制器进一步包括存储在存储器中的计算模型，所述计算模型被配置用于基于所述运行信息做出所述确定。
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