CN112081704B - 一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置，该装置包括依次由直流电源、点火线圈的初级线圈和IGBT构成的初级线圈回路，以及由点火线圈的次级线圈、整流电路和火花塞构成的次级线圈回路，该IGBT的栅极通过ECU的点火模块实现通断并控制频率，源极与直流电源连接，漏极接地，所述的整流电路包括相互并联的第一稳压二极管和开关，所述的火花塞由相互并联的第二电容器和第二电阻表示，与现有技术相比，本发明具有提高离子电流信号的信噪比、避免火花塞老化、腐蚀、积碳带来检测不准确的问题、成本低等优点。

Description

一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其是涉及一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置。

背景技术

在以高压缩比/稀薄燃烧为主要技术的未来高效清洁零排放发动机上，燃烧的反馈控制将成为关键技术瓶颈。近年来全球各大发动机OEM对发动机机内燃烧直接检测，特别是缸内离子电流检测更为重视，在发动机技术发展一百多年后的今天，已成为应对超高效、近零排放发展趋势的必然结果和核心诉求之一，火焰离子检测方法可以低成本、实时地反馈燃烧状态，近年来已展示出了大规模应用的潜力，然而，在高压缩比发动机上，离子电流信号存在信噪比低、检测结果受探头位置影响具有“局域性”的问题，此外，随着发动机的长期运行，火花塞会出现老化以及腐蚀、积碳等问题，使其电阻特性的显著改变，影响离子电流的检测。

近年来，研究人员通过电场-火焰离子形成机理-反应流场相耦合的理论研究，对电场内火焰等离子体在宏观-微观不同尺度下的运动加以了解析，并获得了一个关键结论，即火焰内的电子受到阳离子吸引，主要以“双极扩散”的形式吸附于阳离子附近，因此无法有效的扩散到火焰前锋面之外，这一机制严重影响了离子电流检测探头对当地离子电流信号的有效测量，使得离子电流检测方法具有局域性、在部分条件下甚至失去检测能力，这是当前离子电流检测系统局限性的核心所在。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置，该装置包括依次由直流电源、点火线圈的初级线圈和IGBT构成的初级线圈回路，以及由点火线圈的次级线圈、整流电路和火花塞构成的次级线圈回路，该IGBT的栅极通过ECU的点火模块实现通断并控制频率，源极与直流电源连接，漏极接地，所述的整流电路包括相互并联的第一稳压二极管和开关，所述的火花塞由相互并联的第二电容器和第二电阻表示。

所述的IGBT的源极通过限流电阻与直流电源连接，并且在源极与漏极之间设有第一电容器。

所述的第一稳压二极管的正极与点火线圈的次级线圈一端连接，负极与输出端连接，该输出端与离子电流检测电路连接，所述的火花塞一端与第一稳压二极管的负极连接，另一端接地。

所述的开关在串联第三电阻后并联在第一稳压二极管的两端。

该电源辅助调制装置还包括设置在次级线圈回路上的检测电路，所述的检测电路包括与点火线圈的次级线圈另一端连接的测试端、连接在测试端与地之间的第一电阻以及并联在第一电阻两端且相对设置的第二稳压二极管和第三稳压二极管，用以保护测试端。

该装置的工作原理如下：

在IGBT栅极通过点火模块控制得电闭合时，次级线圈产生感应电动势作为初级线圈回路的电源，并对第二电容器充电；

在IGBT栅极失电断开时，第二电容器反向放电，输出反向电压，此时开关处于闭合状态，通过调节IGBT的开关频率，调节次级线圈回路中交流电压的转换频率，从而实现交流电场；

当开关处于闭合状态时，由于稳压二极管的存在，次级线圈回路中的高压交流电被转化成高压直流电，从而实现高压直流的输出。

本发明解决了传统离子电流信号检测系统输出电压固定、无法对偏置电压加以调节，进而导致离子电流检测方法具有局域性、在部分条件下失去检测能力等关键技术瓶颈；以及火花塞老化、积碳后离子电流难以可靠检测并标定的问题。

本发明通过在现有离子电流检测系统中增加IGBT、稳压二极管等元器件，在不影响发动机正常工作的情况下，以低成本的方式构建电源辅助调制机构，对离子电流检测偏置电源的电压进行调节，并根据需求提供不同电压的直流电压，或者不同幅值和频率的交流电压，从而对离子电流检测系统加以优化，与现有技术相比，具有以下有益效果：

一、本发明能够显著提高离子电流检测方法对早燃等燃烧现象的有效检测能力，提高离子电流信号的信噪比。

二、在火花塞老化、腐蚀、积碳等现象出现后，通过生成高压交流电压使得离子电流信号仍可以得到可靠标定，进而提高检测系统的准确性和可靠性。

三、本发明在现有的离子电流检测系统上开发，不影响发动机正常工作，并且效果显著、成本低。

四、本发明提出的电源辅助调制方法原理清晰、目的明确，因此可以很容易的构建与之相匹配的离子电流信号特征提取方法以及参数估计方法。

附图说明

图1为电源辅助调制方法原理示意图。

图2为交流离子电流信号示意图。

图3为高压(20kv)与低压(200V)直流离子电流信号示意图。

图4为检测两个信号时的火焰纹影图。

图5为电源辅助调制结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本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具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，图1为电源辅助调制方法原理示意图。在初级线圈中，通过在点火模块后增加一个IGBT单元，控制初级回路的快速开关。在IGBT开关闭合时，次级线圈为次级回路的电源，给电容器2充电；在IGBT开关打开时，电容器2反向放电，输出反向电压，此时开关S1处于闭合状态。通过调节IGBT的开关速率，可调节次级线圈中交流电压的转换频率，从而实现交流电场。当开关S1处于闭合状态时，由于稳压二极管的存在，次级线圈中的高压交流电被转化成高压直流电，从而实现高压直流电场。

如图2所示，图2为交流离子电流信号示意图。在检测装置检测到的离子电流信号中，存在两种不同信号的叠加，即载波与信号。当火花塞出现老化、积碳等现象时，使用原始低压直流偏置电压检测的信号会产生信号相位不准确，数值偏移等现象，而若采用交流偏置电压，由于火花塞对于信号的影响仅限于载波，而并不影响离子电流信号本身，因此通过现有的信号处理技术，便可得到与使用正常火花塞时相同的离子电流信号，从而实现离子电流信号的精确检测与调制。

如图3所示，图3为高压(20kv)与低压(200V)直流离子电流信号示意图。图4为检测这两个信号时的火焰纹影图，通过比较图3与图4可知，低压直流偏置电压对火焰纹影及离子电流信号均无明显影响，而在高压直流偏置电压的影响下，该离子电流检测系统能够在火焰到达检测位置前(即对应发动机内火花塞位置)，检测到离子电流信号，该现象表明，采用本发明能够实现在气缸末端混合气发生自燃的情况下，在火核还未充分发展时，ECU便可以检测到缸内气体的早燃现象，并采取相应抑制措施，从而实现对缸内早燃现象的检测与控制。

如图5所示，本发明利用现有车用点火模块的电源IC芯片以及感应线圈等部件，低成本地构建离子电流检测系统偏置电源的辅助调制机构，实现离子电流检测系统偏置电压源的输出电压幅值及频率可调，通过车载ECU发出指令，利用点火模块上的IC芯片控制初级线圈的通断(IGBT栅极电压a)，使其震荡放电(初级线圈的电压b)，并激励次级线圈，次级线圈受激后，产生特定幅-频特性的电压波形(次级线圈的电压c)，在次级感应线圈中通过配置第二电容、稳压二极管等器件进行整流后，可根据需要，获得不同电压的直流电输出(输出的电压d，直流)，或者不同频率及幅值的交流电输出(输出的电压d，交流)，通过辅助调制机构能够根据发动机的运行工况，对偏置电压加以调节，进而调整缸内离子定向运动所形成的电流，从而达到优化离子电流检测方法、提高离子电流检测能力及信号信噪比的目的。

本发明针对现有技术存在的问题，提出了离子电流信号辅助调制概念，并进行验证，验证结果表明：在不改变火焰状态情况下，通过提高辅助电场的场强，对焰内自由离子生成及运动过程加以调节，可以使传统离子电流检测方法无法检测的早燃等现象被探测到，并可实现离子电流信号的幅值及其变动范围的调整。这样，可以更为有效地将信号有效检测区间置于信号与燃烧参数线性对应关系好的区域内，显著消除了信号幅值特征非线性变化的不利影响。

此外，在交流电压下，检测探头电气特性的变化、如火花塞积碳等带来的探头阻抗、容抗变化，将主要影响检测到原始信号的载波部分，如果从原始信号中滤掉载波，则可不受影响地提取与燃烧信息相关的部分，交流电场下离子电流的上述特性，有助于克服离子电流检测方法难于可靠标定的关键问题，本发明通过控制初级线圈回路中的电源IC管理芯片、IGBT等部件，调制次级线圈振荡，获得交流电场。这样，在发动机工作后、离子电流检测系统可以对系统本身进行在线预标定，通过电源的交流电压输出，分析信号中载波的变化，进而检测系统本身的阻抗、容抗等变化，在此基础上，对检测到的信号加以标定或修正，大幅提高检测系统的准确性和可靠性。

Claims (5)

1.一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置，其特征在于，该装置包括依次由直流电源、点火线圈的初级线圈和IGBT构成的初级线圈回路，以及由点火线圈的次级线圈、整流电路和火花塞构成的次级线圈回路，该IGBT的栅极通过ECU的点火模块实现通断并控制频率，源极与直流电源连接，漏极接地，所述的整流电路包括相互并联的第一稳压二极管和开关，所述的火花塞由相互并联的第二电容器和第二电阻表示；

该装置的工作原理如下：

在IGBT栅极通过点火模块控制得电闭合时，次级线圈产生感应电动势作为初级线圈回路的电源，并对第二电容器充电；

在IGBT栅极失电断开时，第二电容器反向放电，输出反向电压，此时开关处于闭合状态，通过调节IGBT的开关频率，调节次级线圈回路中交流电压的转换频率，从而实现交流电场；

当开关处于闭合状态时，由于稳压二极管的存在，次级线圈回路中的高压交流电被转化成高压直流电，从而实现高压直流的输出。

2.根据权利要求1所述的一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置，其特征在于，所述的IGBT的源极通过限流电阻与直流电源连接，并且在源极与漏极之间设有第一电容器。

3.根据权利要求1所述的一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置，其特征在于，所述的第一稳压二极管的正极与点火线圈的次级线圈一端连接，负极与输出端连接，该输出端与离子电流检测电路连接，所述的火花塞一端与第一稳压二极管的负极连接，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置，其特征在于，所述的开关在串联第三电阻后并联在第一稳压二极管的两端。

5.根据权利要求1所述的一种提高离子电流信噪比的电源辅助调制装置，其特征在于，该电源辅助调制装置还包括设置在次级线圈回路上的检测电路，所述的检测电路包括与点火线圈的次级线圈另一端连接的测试端、连接在测试端与地之间的第一电阻以及并联在第一电阻两端且相对设置的第二稳压二极管和第三稳压二极管，用以保护测试端。

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