CN110206673B - 高能放电点火装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高能放电点火装置及其控制方法，每个点火线圈可通过主控电路进行独立充放电控制，通过切换用MOS管可以使本装置分别工作于双线圈并联输出模式和四线圈串并联输出模式。在MOS管Q1、Q2关闭Q3、Q4导通时，由点火线圈L1和L2以并联形式对外放电；在MOS管Q1、Q2导通Q3、Q4关闭时，点火线圈L1与L3串联，L2与L4串联，加大放电能力，两组串联的点火线圈并联对外放电，实现更高能量和更高击穿能力的多种放电形式输出。每个点火线圈独立控制可实现线圈串联时同时充电，结合升压电路给初级线圈供电，实现线圈快速充电，在通过串联线圈增加放电能力的基础上不增加储能时间，便于实现高频连续放电等策略。

Description

高能放电点火装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及点燃式发动机技术领域，具体是一种高能放电点火装置及其控制方法，尤其是一种满足发动机高稀释比高增压燃烧的高能点火线圈。

背景技术

高稀释比燃烧是未来发动机的关键技术方向。然而随着稀释比的提高，燃烧不稳定性会进一步增加，为了加强高稀释比燃烧，需要强化燃烧室湍流，这也给成功着火带来挑战。在增加稀释比的同时，需要增加进气压力以满足功率输出要求，对于放电点火，高背压需要更高的击穿电压，给点火装置进一步带来挑战。先进点火技术是解决发动机高稀释比燃烧不稳定的一种方法。传统点火方式的点火能、放电脉宽都受到了点火系统的限制，其中电感式点火系统的储能时间长，很难在保证点火能的基础上灵活调整放电持续期，不利于高稀释比燃烧的火焰发展，而电容式点火系统虽然储能时间短，但是放电时间也短，不利于发动机的启动和低速工况。

专利文献CN203189187U公开了一种气体发动机的点火装置，包括：电源、点火控制器及点火线圈，其技术要点在于：点火线圈为两组，每组点火线圈的初级控制端均与点火控制器相连，每组点火线圈的初级线圈的另一端均通过线圈供电端连接电源，每组点火线圈的次级线圈分别通过两个高压二极管与点火高压线接口相连，在点火控制器的控制下，两组线圈同时放电，可以实现最高点火电压和双倍点火能量，调节放电的时间间隔，可实现双次点火或控制点火持续期。但是该专利由于只采用线圈并联的模式，并不能增加放电击穿能力，在遇到高增压发动机时，需要更换大容量线圈，但是大容量线圈需要更长的储能时间；此外该装置不具备升压电路，不利于线圈高频多次放电。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高能放电点火装置及其控制方法。

根据本发明提供的一种高能放电点火装置，包括点火线圈组、MOS管组、防反向高压二极管组；

点火线圈组中的一个点火线圈与火花塞之间通过防反向高压二极管组中的一个高压二极管相连；

通过MOS管组中的不同MOS管的开关状态，实现点火线圈组的不同输出模式，所述输出模式包括双线圈并联输出、四线圈串并联输出。

优选地，所述的高能放电点火装置，还包括主控电路、升压电路、驱动电路；

主控电路根据接收到的外部点火信号对点火线圈组和MOS管组进行逻辑控制，主控电路通过驱动电路控制线圈组的初级线圈充放电；

升压电路对电源进行升压后给点火线圈的初级线圈供电，以减少初级线圈储能时间并增加初级线圈储能大小。

优选地，所述驱动电路对点火线圈组中的每个点火线圈分别独立控制，每个点火线圈的一端与升压电路相连，另一端与单独的驱动电路相连。

优选地，所述点火线圈组包括第一点火线圈、第二点火线圈，所述MOS管组包括第三MOS管、第四MOS管，所述防反向高压二极管组包括第一高压二极管、第二高压二极管；

第一点火线圈、第二点火线圈的一端分别与第三MOS管、第四MOS管相连，第一点火线圈、第二点火线圈的另一端接地；

第一点火线圈与第三MOS管之间设置有第一高压二极管；

第二点火线圈与第四MOS管之间设置有第二高压二极管。

优选地，所述防反向高压二极管组还包括第五高压二极管，第五高压二极管的一端分别与第三MOS管、第四MOS管相连，第五高压二极管的另一端与火花塞相连。

优选地，所述点火线圈组还包括第三点火线圈、第四点火线圈，所述MOS管组还包括第一MOS管、第二MOS管，所述防反向高压二极管组还包括第三高压二极管、第四高压二极管；

第三点火线圈、第四点火线圈的一端分别与第一MOS管、第二MOS管的一端相连，第三点火线圈、第四点火线圈的另一端分别与第三高压二极管、第四高压二极管相连；

第一MOS管、第二MOS管的另一端分别与第一点火线圈、第二点火线圈的一端相连；

第三高压二极管、第四高压二极管分别与火花塞相连。

根据本发明提供的一种高能放电点火控制方法，利用所述的高能放电点火装置，关闭第一MOS管、第二MOS管，导通第三MOS管、第四MOS管，使得第一点火线圈、第二点火线圈以并联形式驱动火花塞；

通过第三高压二极管、第四高压二极管，防止第一点火线圈、第二点火线圈向第三点火线圈、第四点火线圈放电；

控制第一点火线圈、第二点火线圈的充放电相位，以实现第一点火线圈、第二点火线圈进行高频交错放电。

优选地，导通第一MOS管、第二MOS管，关闭第三MOS管、第四MOS管，使得第一点火线圈与第三点火线圈、第二点火线圈与第四点火线圈分别经过第一MOS管和第二MOS管形成串联形式，并且经过第三高压二极管、第四高压二极管后并联形式驱动火花塞；

通过第五高压二极管，防止串联输出的第一点火线圈与第三点火线圈、第二点火线圈与第四点火线圈向第三MOS管、第四MOS管放电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明具有两种线圈工作模式，一种是双线圈并联输出模式，另一种四线圈串并联输出模式，可根据工况需求进行工作模式选择；

2、本发明在点火线圈内部集成控制电路，可对每个线圈组进行独立逻辑控制，实现多次放电、连续放电等有效放电模式；

3、本发明可在并联线圈基础上，增加串联模式，实现更高能量更高击穿能力输出。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为灵活高能放电点火装置的结构图；

图2为连续放电与单次放电输出效果对比图；

图3为灵活高能放电点火装置的Boost升压电路图；

图4为灵活高能放电点火装置的驱动电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

针对上述问题，本发明的目的是提供一种灵活高能放电点火装置，包括4个点火线圈、4个切换用MOS管、防反向高压二极管以及主控电路、升压电路和驱动电路。通过切换用MOS管可以分别工作于双线圈并联输出模式和四线圈串并联输出模式。在双线圈并联输出模式，4个线圈中只有2个会处于工作状态，双线圈可进行单次放电、多次放电和连续放电等输出模式，进行放电周期灵活控制；在四线圈串并联模式，线圈两两串联，两组串联线圈再进行并联输出，在实现多种放电模式的基础上，增强放电能量和击穿能力，适用于高背压工况，同时由于四个线圈进行独立控制，串联的线圈可进行同时初级线圈储能，加快储能时间，保证在通过串联线圈增加放电能力的基础上不增加储能时间，同时便于实现高频连续放电等策略。每个线圈与火花塞的衔接处皆装有高压二极管防止线圈间互相干扰。控制电路包括主控电路、驱动电路、升压电路；主控电路根据接收到的外部点火信号对线圈组和切换用MOS管等实施逻辑控制，主控电路通过驱动电路控制线圈组的初级线圈充放电。升压电路提高点火线圈初级线圈电源电压，缩短初级线圈储能时间，有利于多次放电和连续放电的实现，同时保证在通过串联线圈增加放电能力的基础上不增加储能时间。

根据本发明提供的一种高能放电点火装置，包括点火线圈组、MOS管组、防反向高压二极管组；

点火线圈组中的一个点火线圈与火花塞之间通过防反向高压二极管组中的一个高压二极管相连；

通过MOS管组中的不同MOS管的开关状态，实现点火线圈组的不同输出模式，所述输出模式包括双线圈并联输出、四线圈串并联输出。

具体地，所述的高能放电点火装置，还包括主控电路、升压电路、驱动电路；

主控电路根据接收到的外部点火信号对点火线圈组和MOS管组进行逻辑控制，主控电路通过驱动电路控制线圈组的初级线圈充放电；

升压电路对电源进行升压后给点火线圈的初级线圈供电，以减少初级线圈储能时间并增加初级线圈储能大小。

具体地，所述驱动电路对点火线圈组中的每个点火线圈分别独立控制，每个点火线圈的一端与升压电路相连，另一端与单独的驱动电路相连。

具体地，所述点火线圈组包括第一点火线圈、第二点火线圈，所述MOS管组包括第三MOS管、第四MOS管，所述防反向高压二极管组包括第一高压二极管、第二高压二极管；

第一点火线圈、第二点火线圈的一端分别与第三MOS管、第四MOS管相连，第一点火线圈、第二点火线圈的另一端接地；

第一点火线圈与第三MOS管之间设置有第一高压二极管；

第二点火线圈与第四MOS管之间设置有第二高压二极管。

具体地，所述防反向高压二极管组还包括第五高压二极管，第五高压二极管的一端分别与第三MOS管、第四MOS管相连，第五高压二极管的另一端与火花塞相连。

具体地，所述点火线圈组还包括第三点火线圈、第四点火线圈，所述MOS管组还包括第一MOS管、第二MOS管，所述防反向高压二极管组还包括第三高压二极管、第四高压二极管；

第三点火线圈、第四点火线圈的一端分别与第一MOS管、第二MOS管的一端相连，第三点火线圈、第四点火线圈的另一端分别与第三高压二极管、第四高压二极管相连；

第一MOS管、第二MOS管的另一端分别与第一点火线圈、第二点火线圈的一端相连；

第三高压二极管、第四高压二极管分别与火花塞相连。

根据本发明提供的一种高能放电点火控制方法，利用所述的高能放电点火装置，通过MOS管组中的不同MOS管的开关状态，实现点火线圈组的不同输出模式，所述输出模式包括双线圈并联输出、四线圈串并联输出；

其中，双线圈并联输出是设置两个点火线圈处于工作状态，组成双线圈进行单次放电、多次放电和连续放电；

四线圈串并联输出是设置四个点火线圈串并联模式，两两串联后再进行并联输出。

具体地，关闭第一MOS管、第二MOS管，导通第三MOS管、第四MOS管，使得第一点火线圈、第二点火线圈以并联形式驱动火花塞；

通过第三高压二极管、第四高压二极管，防止第一点火线圈、第二点火线圈向第三点火线圈、第四点火线圈放电；

控制第一点火线圈、第二点火线圈的充放电相位，以实现第一点火线圈、第二点火线圈进行高频交错放电。

具体地，导通第一MOS管、第二MOS管，关闭第三MOS管、第四MOS管，使得第一点火线圈与第三点火线圈、第二点火线圈与第四点火线圈分别经过第一MOS管和第二MOS管形成串联形式，并且经过第三高压二极管、第四高压二极管后并联形式驱动火花塞；通过第五高压二极管，防止串联输出的第一点火线圈与第三点火线圈、第二点火线圈与第四点火线圈向第三MOS管、第四MOS管放电。

如图1所示，根据本发明提供的一种灵活高能放电点火装置，包括点火线圈L1、L2、L3和L4，切换MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，高压二极管D1、D2、D3、D4和D5，主控电路，升压电路和驱动电路等。外部电源经过升压后给点火线圈次级线圈供电，通过4个切换用MOS管Q1、Q2、Q3和Q4选择实际对火花塞进行放电的点火线圈。

4个点火线圈可独立被控于主控电路，每个点火线圈与火花塞的接连处，都安置有高压二极管防止线圈间互相干扰。在MOS管Q1、Q2关闭Q3、Q4导通，点火线圈L1和L2并联驱动火花塞，通过控制L1和L2充放电相位差，实现单次放电、多次放电、连续放电等放电形式。在MOS管Q1、Q2导通Q3、Q4关闭时，点火线圈L1与L3串联，L2与L4串联，加大放电能力，同时两组串联的点火线圈并联驱动火花塞，实现更高能量和更高击穿能力的多种放电形式输出。本发明不局限于4个点火线圈，可根据实际需求选择需要使用的点火线圈数量。

在具体实施中，点火线圈L1和L2一端分别经过高压二极管D1、MOS管Q3和高压二极管D2、MOS管Q4，并经过高压二极管D5后与火花塞相连，点火线圈L1和L2另一端接地。同时，点火线圈L1和L2经过高压二极管D1和D2后又分别与MOS管Q1和Q2相连，然后Q1和Q2分别与点火线圈L3和L4一端相连，L3和L4另一端分别经过高压二极管D3和D4后与火花塞相连。

在关闭MOS管Q1、Q2并导通MOS管Q3、Q4时，此点火装置工作于双线圈并联输出模式。点火线圈L1和L2以并联形式驱动火花塞，同时高压二极管D1和D2可以防止线圈间互相干扰，并且由于高压管D3和D4的存在，防止点火线圈L1和L2向为工作的L3和L4放电。通过控制L1和L2充放电相位，可以实现L1和L2高频交错放电，实现单次放电、多次放电和连续放电等形式，如图2所示的连续放电形式，与普通单次放电相比，连续放电可以在稳定维持一定电流水平条件下灵活控制放电周期。

在MOS管Q1、Q2导通并且Q3、Q4关闭时，此点火装置工作于四线圈串并联输出模式。L1与L3、L2与L4分别经过MOS管Q1和Q2形成串联形式，并且经过高压二极管D3、D4后并联驱动火花塞，由于高压二极管D5的存在，可以防止串联输出的点火线圈向MOS管Q3、Q4放电。并联线圈可以有效调控放电电流和放电周期，但是并不能改变点火线圈的击穿能力，在高背压的情况下，会有无法击穿火花塞间隙形成有效放电通道的情况，通过串联形式可以在线增加点火线圈击穿能力，适用于发动机高工况情况。同时，本装置通过可实现L1与L3、L2与L4的同步充放电，再结合升压电路，可实现四线圈快速充电，从而实现稳定的连续放电输出。

本发明可根据实际发动机工况进行串并联切换，在低背压条件下，以较少的线圈进行并联放电，在高背压条件下，结合线圈串联形式加大放电能力。

如图3所示，本点火装置升压电路为Boost升压电路，通过图1中主控电路实现MOS管的高速开关实现升压作用。在升压电路中，当MOS管Q5导通时，12V电源对电感L5进行充电，同时电容C1对负载进行放电，当MOS管Q5关闭时，电感L5对电容C1进行充电，此时电容C1的电压高于蓄电池电压。此电路中二极管D6防止电容C1对电感L5反向放电，稳压二极管D7防止输出电压过高。

如图4所示，本点火装置驱动电路为通过点火线圈内部控制电路控制MOS管Q6的开关来实现点火控制，在驱动电路中，当MOS管Q6导通，点火线圈的初级线圈储能开始，当MOS管Q6关闭，此时点火线圈次级线圈开始放电，驱动电路每个高电平的时间为初级线圈的储能时间，即为此点火线圈的放电脉宽。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种高能放电点火装置，其特征在于，包括点火线圈组、MOS管组、防反向高压二极管组；

点火线圈组中的一个点火线圈与火花塞之间通过防反向高压二极管组中的一个高压二极管相连；

通过MOS管组中的不同MOS管的开关状态，实现点火线圈组的不同输出模式，所述输出模式包括双线圈并联输出、四线圈串并联输出。

2.根据权利要求1所述的高能放电点火装置，其特征在于，还包括主控电路、驱动电路；

主控电路根据接收到的外部点火信号对点火线圈组和MOS管组进行逻辑控制，主控电路通过驱动电路控制线圈组的初级线圈充放电。

3.根据权利要求2所述的高能放电点火装置，其特征在于，还包括升压电路，对电源进行升压后给点火线圈的初级线圈供电，以减少初级线圈储能时间并增加初级线圈储能大小。

4.根据权利要求3所述的高能放电点火装置，其特征在于，所述驱动电路对点火线圈组中的每个点火线圈分别独立控制，每个点火线圈的一端与升压电路相连，另一端与单独的驱动电路相连。

5.根据权利要求1所述的高能放电点火装置，其特征在于，所述点火线圈组包括第一点火线圈、第二点火线圈，所述MOS管组包括第三MOS管、第四MOS管，所述防反向高压二极管组包括第一高压二极管、第二高压二极管；

第一点火线圈、第二点火线圈的一端分别与第三MOS管、第四MOS管相连，第一点火线圈、第二点火线圈的另一端接地；

第一点火线圈与第三MOS管之间设置有第一高压二极管；

第二点火线圈与第四MOS管之间设置有第二高压二极管。

6.根据权利要求5所述的高能放电点火装置，其特征在于，所述防反向高压二极管组还包括第五高压二极管，第五高压二极管的一端分别与第三MOS管、第四MOS管相连，第五高压二极管的另一端与火花塞相连。

7.根据权利要求5所述的高能放电点火装置，其特征在于，所述点火线圈组还包括第三点火线圈、第四点火线圈，所述MOS管组还包括第一MOS管、第二MOS管，所述防反向高压二极管组还包括第三高压二极管、第四高压二极管；

第三点火线圈、第四点火线圈的一端分别与第一MOS管、第二MOS管的一端相连，第三点火线圈、第四点火线圈的另一端分别与第三高压二极管、第四高压二极管相连；

第一MOS管、第二MOS管的另一端分别与第一点火线圈、第二点火线圈的一端相连；

第三高压二极管、第四高压二极管分别与火花塞相连。

8.一种高能放电点火控制方法，利用权利要求7中所述的高能放电点火装置，其特征在于，通过MOS管组中的不同MOS管的开关状态，实现点火线圈组的不同输出模式，所述输出模式包括双线圈并联输出、四线圈串并联输出；

其中，双线圈并联输出是设置两个点火线圈处于工作状态，组成双线圈进行单次放电、多次放电和连续放电；

四线圈串并联输出是设置四个点火线圈串并联模式，两两串联后再进行并联输出。

9.根据权利要求8所述的高能放电点火控制方法，其特征在于，关闭第一MOS管、第二MOS管，导通第三MOS管、第四MOS管，使得第一点火线圈、第二点火线圈以并联形式驱动火花塞；

通过第三高压二极管、第四高压二极管，防止第一点火线圈、第二点火线圈向第三点火线圈、第四点火线圈放电；

控制第一点火线圈、第二点火线圈的充放电相位，以实现第一点火线圈、第二点火线圈进行高频交错放电。

10.根据权利要求8所述的高能放电点火控制方法，其特征在于，导通第一MOS管、第二MOS管，关闭第三MOS管、第四MOS管，使得第一点火线圈与第三点火线圈、第二点火线圈与第四点火线圈分别经过第一MOS管和第二MOS管形成串联形式，并且经过第三高压二极管、第四高压二极管后并联形式驱动火花塞；

通过第五高压二极管，防止串联输出的第一点火线圈与第三点火线圈、第二点火线圈与第四点火线圈向第三MOS管、第四MOS管放电。

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