CN110285003A - 发动机离子电流检测模块、检测方法、发动机组件和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机离子电流检测模块、发动机离子电流检测方法、发动机组件和车辆，其中，所述发动机离子电流检测模块（110）具有：用于并联于发动机的点火次级线圈火花塞端的储电电容（111），并联于所述储电电容（111）的瞬态抑制二极管（112），限流电阻（115），所述储电电容（111）的一端与所述限流电阻（115）的一端串联，并且所述储电电容（111）的另一端和所述限流电阻（115）的另一端连接并接地。

Description

发动机离子电流检测模块、检测方法、发动机组件和车辆

技术领域

本发明涉及一种多类型点火线圈通用的发动机离子电流检测技术，尤其涉及用于根据缸内离子电流信号的火花点燃式发动机燃烧诊断和闭环控制的应用场景。具体而言，本发明涉及发动机离子电流检测模块、发动机离子电流检测方法、发动机组件和车辆。

背景技术

在油耗与排放法规双重压力下，清洁高效内燃机已经成为行业发展的必然趋势，提高发动机压缩比也成为了提高发动机热效率的主要技术手段之一。随着压缩比提高，同时伴随其它燃烧辅助优化技术的集成应用，对发动机缸内燃烧的精益控制逐渐得到业界重视，这使得发动机缸内燃烧状态的准确检测产业化技术成为了工业界与学术界共同关注的热点。发动机台架实验中通常采用缸压传感器检测发动机缸内燃烧压力，从而直接对缸内燃烧状态进行判定。但缸压传感器成本较高，安装对空间布置要求较复杂，需要较为复杂的信号后处理单元，且面向早燃、超级爆震等异常燃烧情况通常易损坏，鲜有真正搭载量产产品的案例。

离子电流检测技术因为与发动机缸内燃烧过程密切相关，同时易于集成、电路成本低、信号处理方式相对容易，对于实现发动机缸内早燃、爆震及失火等非正常燃烧诊断的产业化应用有重要意义。但与缸压传感器相比，离子电流信号主要反映测点区域附近的燃烧情况，其受到缸内局部混合气浓度、局部流场强度以及温度边界等因素影响较大，从而产生较为明显的信号循环波动。为了获取良好的离子电流信号，其信号检测电路的优化设计成为该项技术的核心难题。由于现代发动机点火系统日趋复杂，集成度高，不同结构的点火线圈所面向的离子电流信号检测电路也大不相同，这也增加了离子电流检测技术通用化应用的难度。

针对不同结构和类型的点火系统，研究人员尝试开发了多种离子电流检测系统电路方案。专利“US6779517”描述了多种离子电流检测电路，包含了多种的电容式检测电路和直流电源式检测电路。该专利所提及的电容式检测电路利用电容在火花点火放电过程进行充电，形成加载在火花塞电极间的直流电场，从而形成离子电流信号。该专利所提及的直流电源式检测电路则是采用直流电源直接在火花塞电极间施加直流电场，并通过高压硅堆对点火放电产生的高压冲击进行隔离，从而形成可识别的离子电流信号。专利“JP2006046140A”与专利“CN103939256A”也分别描述了一种电容式离子电流检测电路和一种直流电源式检测电路。但已有专利中所涉及的电容式检测电路中的电容均须串联于点火次级线圈接地端，所形成的离子电流必须流经点火次级线圈，导致离子电流信号质量直接受到点火线圈类型及结构参数影响，如采用该类设计必须定制点火线圈，且无法快速集成应用于已有产品设计中，不具备应用普适性。而已知的直流电源式检测电路虽然能够并联于点火次级线圈火花塞端，但由于具有高压直流电源、高压硅堆等部件，体积较大，且成本相对较高，不利于小型化集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多类型点火线圈通用的发动机离子电流检测技术，该技术所包含的离子电流检测模块可独立外接于成熟产品点火线圈，不需要对点火线圈另做改制，便可有效检测缸内火花塞附近混合气燃烧产生的离子电流信号，从而反映发动机早燃、超爆、爆震以及失火等异常燃烧状态。本发明还旨在解决或缓解现有技术中存在的其它问题。

本发明通过发动机离子电流检测模块、发动机离子电流检测方法、发动机组件和车辆来解决上述问题，具体地，根据本发明的一方面，提供了：

一种发动机离子电流检测模块，其中，所述发动机离子电流检测模块具有：

用于并联于发动机的点火次级线圈火花塞端的储电电容，

并联于所述储电电容的瞬态抑制二极管，

限流电阻，所述储电电容的一端与所述限流电阻的一端串联，并且所述储电电容的另一端和所述限流电阻的另一端连接并接地。

可选地，根据本发明的一个实施方式，所述发动机离子电流检测模块还具有并联于所述储电电容的可调电阻。

可选地，根据本发明的一个实施方式，所述发动机离子电流检测模块还具有点火抑制电感，所述点火抑制电感串联于所述储电电容与所述限流电阻之间。

可选地，根据本发明的一个实施方式，所述发动机离子电流检测模块还具有并联于所述限流电阻的点火抑制匹配电容。

可选地，根据本发明的一个实施方式，所述发动机离子电流检测模块还具有采样电阻，所述采样电阻的一端与所述储电电容的接地端连接并接地，并且所述采样电阻的另一端与所述限流电阻的原本接地的那端连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种发动机离子电流检测方法，其中，所述发动机离子电流检测方法以上述任一种发动机离子电流检测模块来执行。

可选地，根据本发明的一个实施方式，在发动机达到点火时刻，火花塞持续放电过程中，当所述储电电容的电压充满后，在所述火花塞点火放电击穿后，在放电持续期内通过测量输出电阻的电压或电流来得到反映点火放电阶段的离子电流信号。

可选地，根据本发明的一个实施方式，在发动机点火放电结束后，当发动机缸内混合气燃烧发生电离反应时，通过测量输出电阻的电压或电流来得到与燃烧关联的离子电流信号。

根据本发明的再一方面，提供了一种发动机组件，所述发动机组件具有发动机，其中，所述发动机组件还具有上述任一种发动机离子电流检测模块，其中，所述发动机的点火次级线圈火花塞端并联于所述储电电容。

根据本发明的又一方面，提供了一种车辆，其中，所述车辆具有上述发动机组件。

附图说明

图1为本发明的离子电流测试模块电路原理示意图；

图2为常规点火过程通路示意图；

图3为本发明的检测模块工作过程示意图；

图4为采用本发明内容测量的离子电流信号示意图；

图5为采用串联在点火次级线圈接地端的电容式检测电路所测量的离子电流信号示意图。

图中，101是点火驱动单元的IGBT；102是点火线圈，左侧是初级线圈，右侧是次级线圈；103是火花塞；110是发动机离子电流检测模块，其中：111是储电电容，112是瞬态抑制二极管，113是可调电阻，114是点火抑制电感，115是限流电阻，116是点火抑制匹配电容，117是采样电阻。

具体实施方式

以下描述的实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和技术效果，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。以下描述中可能提到的上、下、左、右等方位用语是根据图中相关描述对象的位置进行定义的，是为了帮助对技术原理理解的相对概念，不能作为对描述对象的实际操作或实施方法的解释，技术方案在不同实施例中有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。

本发明的一种实施例原理如图1所示。其中，发动机离子电流检测模块110具有：

用于并联于发动机的点火次级线圈火花塞端的储电电容111，

并联于所述储电电容111的瞬态抑制二极管112，

限流电阻115，所述储电电容111的一端与所述限流电阻115的一端串联，并且所述储电电容111的另一端和所述限流电阻115的另一端连接并接地。

应当理解，本领域技术人员知晓所述瞬态抑制二极管112的布置方向，并且能够根据发动机中心电极是正极还是负极来调整所述储电电容111的两端分别与点火线圈102和火花塞103上端的连接对应关系。其中，瞬态抑制二极管112是用来钳位储电电容111的电压。比如采用100V的钳位值，那样储电电容111电容最高的电压就基本维持在100V左右。

此外，点火驱动单元的IGBT 101、点火线圈102和火花塞103为发动机自身携带零部件。由此，储电电容111的上、下端分别作为发动机离子电流检测模块110与发动机自身点火单位元连接的输入和输出接口来和点火线圈102的次级线圈上端（火花塞端）、火花塞103上端（中心电极）连接。由于在发动机自身点火系统中，点火线圈102的次级线圈下端（接地端）和火花塞103下端（侧电极）已经接地，因此，发动机离子电流检测模块110与由点火线圈102和火花塞103构成的点火回路形成了共地的并联电路。

还能够从图1中看出的是，所述发动机离子电流检测模块110还具有采样电阻117，所述采样电阻117的一端与所述储电电容111的接地端连接并接地，并且所述采样电阻117的另一端与所述限流电阻115的原本接地的那端连接；所述发动机离子电流检测模块110还具有并联于所述储电电容111的可调电阻113。应当理解，可调电阻113、限流电阻115和采样电阻117均可采用可调电阻，以提高离子电流检测模块的灵活度，根据不同的检测需求获得不同特点的离子电流信号波形。

另外，所述发动机离子电流检测模块110还具有点火抑制电感114，所述点火抑制电感114串联于所述储电电容111与所述限流电阻115之间。所述点火抑制电感114用于抑制点火放电瞬间形成的瞬态电涌所产生的电流脉冲，以降低点火冲击对离子电流信号的干扰。

还能够看出的是，所述发动机离子电流检测模块110还具有并联于所述限流电阻115的点火抑制匹配电容116。点火抑制匹配电容116是一个滤波电容，针对点火瞬间的干扰需要匹配。

图2以中心电极为正极放电点火的发动机为例，给出了常规点火过程通路示意。在该示例中，发动机达到点火时刻后，火花塞中心电极对侧电极持续放电过程中，201电流流通方向为从点火线圈次级线圈火花塞端流向火花塞中心电极，再通过火花塞侧电极流向地，从而形成点火回路。

图3显示了在图2示例情况下，采用图1实施例检测发动机缸内离子电流信号时的详细工作原理，并以此结合说明本发明的发动机离子电流检测方法的一种实施方式，其中，所述发动机离子电流检测方法以所述发动机离子电流检测模块110来执行。

具体地，一方面，在发动机达到点火时刻，火花塞103持续放电过程中，点火电流流通方向为301，该过程同时为储电电容111持续充电；当所述储电电容111的电压充满后，点火电流主要通过瞬态抑制二极管112和可调电阻113（如有）继续流通，但因储电电容111已有电压，在所述火花塞103点火放电击穿后，在放电持续期内（即辉光放电持续期内），点火相关的离子电流可以通过302所示方向流通，从而形成反映点火放电阶段的离子电流，从而通过测量输出电阻（如有采样电阻117的情况下，输出电阻为采样电阻，否则为限流电阻115）的电压或电流来得到反映点火放电阶段的离子电流信号。

另一方面，在发动机点火放电结束后，储电电容111继续在火花塞103中心电极与侧电极（接地）之间形成直流稳定电场，当发动机缸内混合气燃烧发生电离反应时，带电粒子在该稳定电场中定向移动，继续按照302所示方向形成与燃烧关联的离子电流，从而通过测量输出电阻的电压或电流来得到与燃烧关联的离子电流信号。

应当注意，在上述所描述的离子电流形成后，由于储电电容110离子电流检测模块与点火回路（由点火线圈102、火花塞103、地构成）并联且各自的电流流通路径独立，离子电流不会经过点火线圈102的次级线圈，从而使点火电流与离子电流相互干扰将至最低。

还应当注意的是，图3所描述的技术原理虽然基于中心电极为正极放电点火的发动机，但通过将图1实施例中所述的储电电容111上、下端与点火线圈102上端、火花塞103上端连接对应关系进行调换，则同样适用于中心电极为负极放电点火的发动机，这也体现了本发明在适应点火线圈类型方面优越的通用性。

还应当理解的是，例如采集输出电阻的电压，在工业应用中有很多方法、例如通过示波器。也可以采用具备支持差分采样的工业电压采集系统（AD模块，即模数转换模块）。另外，离子电流实际的大小都是微安级别，所以用电阻把电流放大，把离子电流的测量转换为电压测量，故可以用相对低的成本实现。

图4给出了上述实施例测量所得的发动机缸内离子电流信号波形，图5给出了一种过去的设计采用串联在点火次级线圈接地端的电容式检测电路所测量的离子电流信号（引用：李超, 陆海峰, 张光攀, 胡宗杰, 李理光. 改进型离子电流检测系统在汽油机爆震检测中的应用研究. 汽车工程. 2016;38(10):1258-63.）。通过对比图4与图5可以看出，采用本发明所采集的离子电流信号能够清晰反映点火蓄能时刻、点火放电时刻、点火放电持续期离子电流和燃烧关联离子电流，而采用串联在点火次级线圈接地端的电容式检测电路仅能够检测到点火蓄能时刻、点火放电结束时刻以及燃烧关联离子电流信号。即图5所示的离子电流，其相位开始时刻是在点火放电电流结束以后开始的。而图4所示的离子电流，在点火蓄能结束以后，点火放电开始时刻同时就可以采集到离子电流。并且由于后者（图5）检测电路结构在点火蓄能和放电时无法彻底隔离震荡干扰，在点火蓄能和放电阶段的离子电流信号均有明显震荡，从而导致无法精确反映实际的点火蓄能和放电时刻。而本发明成功解决了该问题，使离子电流信号能够更加准确的反映点火蓄能与放电时刻。本实施例通过调节可调电阻113（如有）、限流电阻115和采样电阻117（如有），还能够获得不同的点火放电持续期离子电流和燃烧关联离子电流的增益比例，从而调节波形特征。

除此之外，本发明还涉及：一种发动机组件，所述发动机组件具有发动机，其中，所述发动机组件还具有所述发动机离子电流检测模块110，其中，所述发动机的点火次级线圈火花塞端并联于所述储电电容111；一种车辆，其中，所述车辆具有所述发动机组件。传统汽车（燃油汽车），混合动力车，都有活塞式汽油发动机，只要有活塞式汽油发动机的车，都可以使用这个技术，作为针对燃烧闭环控制的传感器手段。

综上所述，相比已知的直流电源式离子电流检测电路，本发明不需要额外的电压源和大型隔离硅堆，提高了系统的可集成性，降低了系统成本；相比已知的电容式离子电流检测电路，本发明因直接连接于点火次级线圈火花塞端，在不需要对点火线圈进行任何改制的情况下即可直接使用，并且因为所产生的离子电流不流经点火次级线圈，不会受到线圈自身阻抗和结构特性影响，消除了点火线圈类型对离子电流检测模块的选择性，具备针对不同点火线圈的通用性。不仅如此，由于本发明与点火电流的通路是并联通路，不仅能够反映点火蓄能时间，还可以同时测量点火放电期间和燃烧期间两个特征阶段的离子电流。

如前文所述，上述实施例是示例性而非限制性的，本领域技术人员在本发明的构思下对以上描述的具体实施例做出的各种改型或变形都应在本发明的法律保护范围内。

Claims (10)

1.一种发动机离子电流检测模块（110），其特征在于，所述发动机离子电流检测模块（110）具有：

用于并联于发动机的点火次级线圈火花塞端的储电电容（111），

并联于所述储电电容（111）的瞬态抑制二极管（112），

限流电阻（115），所述储电电容（111）的一端与所述限流电阻（115）的一端串联，并且所述储电电容（111）的另一端和所述限流电阻（115）的另一端连接并接地。

2.根据权利要求1所述的发动机离子电流检测模块（110），其特征在于，所述发动机离子电流检测模块（110）还具有并联于所述储电电容（111）的可调电阻（113）。

3.根据权利要求1所述的发动机离子电流检测模块（110），其特征在于，所述发动机离子电流检测模块（110）还具有点火抑制电感（114），所述点火抑制电感（114）串联于所述储电电容（111）与所述限流电阻（115）之间。

4.根据权利要求1所述的发动机离子电流检测模块（110），其特征在于，所述发动机离子电流检测模块（110）还具有并联于所述限流电阻（115）的点火抑制匹配电容（116）。

5.根据权利要求1所述的发动机离子电流检测模块（110），其特征在于，所述发动机离子电流检测模块（110）还具有采样电阻（117），所述采样电阻（117）的一端与所述储电电容（111）的接地端连接并接地，并且所述采样电阻（117）的另一端与所述限流电阻（115）的原本接地的那端连接。

6.一种发动机离子电流检测方法，其特征在于，所述发动机离子电流检测方法以根据权利要求1至5中任一项所述的发动机离子电流检测模块（110）来执行。

7.根据权利要求6所述的发动机离子电流检测方法，其特征在于，在发动机达到点火时刻，火花塞（103）持续放电过程中，当所述储电电容（111）的电压充满后，在所述火花塞（103）点火放电击穿后，在放电持续期内通过测量输出电阻的电压或电流来得到反映点火放电阶段的离子电流信号。

8.根据权利要求6所述的发动机离子电流检测方法，其特征在于，在发动机点火放电结束后，当发动机缸内混合气燃烧发生电离反应时，通过测量输出电阻的电压或电流来得到与燃烧关联的离子电流信号。

9.一种发动机组件，所述发动机组件具有发动机，其特征在于，所述发动机组件还具有根据权利要求1至5中任一项所述的发动机离子电流检测模块（110），其中，所述发动机的点火次级线圈火花塞端并联于所述储电电容（111）。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆具有根据权利要求9所述的发动机组件。