CN112154265B - 点火系统的电流曲线优化 - Google Patents

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Abstract

本说明书的主题可实现在除其它事项外的一种方法中，该方法包括：接收具有初级绕组和火花塞的发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的测量结果的集合、识别点火开始时间、基于多个测量结果识别拐点、确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间、基于在点火开始时间与拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间、以及提供指示火花开始时间的信号。

Description

点火系统的电流曲线优化
优先权要求
本申请要求2018年3月29日提交的美国专利申请第No.15/940,366号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本说明书涉及确定用于内燃机的火花塞的响应。
技术背景
火花塞用于在内燃机的燃烧室中产生电火花，以点燃压缩的燃料/空气混合物。火花塞通常具有金属螺纹外壳和陶瓷绝缘层，该陶瓷绝缘层将壳体与中心电极电隔离。中心电极延伸穿过陶瓷绝缘体进入燃烧室。在中心电极的内端与螺纹外壳之间限定火花间隙。
火花塞通常连接到由连接到点火驱动器的点火线圈生成的高电压。当电流从线圈中流出时，在中心电极和螺纹外壳之间产生电压。最初，在火花间隙中的燃料和空气充当绝缘体，从而防止电流流动。随着电压继续上升，在电极之间的气体的结构开始变化，并且一旦电压超过气体的介电强度，气体就被电离。电离气体是导电的并且允许电流流过间隙。
通常使用12,000-25,000伏特的电压范围来使火花塞适当地打火(spark)(或“激发(fire)”)，但是也可以使用更高的电压(例如，高达45,000伏特)。通过在放电过程期间供应更高的电流，可以产生更热且具有更长持续时间的火花。所使用的电压可取决于多个发动机操作状态而变化，所述发动机操作状态诸如燃料质量、汽缸压缩水平、火花间隙、发动机负荷、延长器材料、汽缸盖尺寸、以及汽缸中的气体湍流水平。
发明内容
通常，本文档描述了用于确定用于内燃机的火花塞的响应的系统和技术。
在第一方面，一种方法，包括：接收包括初级绕组和火花塞的发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果、识别点火开始时间、基于多个测量结果识别拐点、确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间、基于点火开始时间与拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间、以及提供指示火花开始时间的信号。
在第二方面，方面1进一步包括通过电流传感器感测多个测量结果。
在第三方面，方面1或2进一步包括：基于火花开始时间来确定火花塞击穿电压，以及提供指示火花塞击穿电压的信号。
在第四方面，方面1到3中任一项进一步包括：向初级绕组提供第一能量量(amountof energy)，其中点火开始时间对应于提供第一能量量的开始；基于火花开始时间确定与第一能量量不同的第二能量量；向初级绕组提供第二能量量；以及基于第二能量量使火花塞打火。
在第五方面，根据方面4，第二能量量小于第一能量量。
根据方面1到4中任一项，第六方面进一步包括：确定火花开始时间已超过预定的阈值时间值，以及提供指示火花塞要被更换的状况的信号。
根据方面1到6中任一项，第七方面进一步包括：基于多个测量结果识别第二拐点、基于第二拐点确定由火花塞产生的火花已经熄灭、以及提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
根据方面7，第八方面进一步包括：响应于熄灭信号，向初级绕组提供一能量量，以及基于该能量量来重新打火火花塞。
根据方面1到8中任一项，第九方面进一步包括：基于多个测量结果识别第二拐点、基于第二拐点确定火花结束事件已经发生、以及提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的火花结束信号。
根据方面1到9中任一项，第十方面基于多个测量结果识别拐点，包括：确定初级绕组中的电流幅度的第一变化速率、确定初级绕组中的电流幅度的与第一变化速率相邻且不同的第二变化速率、基于多个测量结果来识别第一变化速率与第二变化速率相遇的转变点、以及将所识别的转变点提供为拐点。
在第十一方面，点火控制器包括输入；输出；存储可执行指令的存储器；以及一个或多个处理设备用于执行指令以执行操作，所述操作包括：在输入处接收包括初级绕组和火花塞的发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果、识别点火开始时间、基于多个测量结果识别拐点、确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间、基于在点火开始时间与拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间、以及在输出处提供指示火花开始时间的信号。
在第十二方面，方面11的操作进一步包括通过电流传感器感测多个测量结果。
在第十三方面，根据方面11或12，操作进一步包括：基于火花开始时间来确定火花塞击穿电压，以及提供指示火花塞击穿电压的信号。
在第十四方面，根据方面11到13中任一项，操作进一步包括：向初级绕组提供第一能量量，其中点火开始时间对应于提供第一能量量的开始；基于火花开始时间确定与第一能量量不同的第二能量量；向初级绕组提供第二能量量；以及基于第二能量量使火花塞打火。
在第十五方面，根据方面14，第二能量量小于第一能量量。
在第十六方面，根据方面11到15中任一项，操作进一步包括：确定火花开始时间已超过预定的阈值时间值，以及提供指示火花塞要被更换的状况的信号。
在第十七方面，根据方面11到16中任一项，操作进一步包括：基于多个测量结果识别第二拐点、基于第二拐点确定由火花塞产生的火花已经熄灭、以及提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
在第十八方面，根据方面17，操作进一步包括：响应于熄灭信号，向初级绕组提供一能量量，以及基于该能量量重新打火所述火花塞。
在第十九方面，根据方面11到18中任一项，操作进一步包括：基于多个测量结果识别第二拐点、基于第二拐点确定火花结束事件已经发生、以及提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的火花结束信号。
在第二十方面，根据方面11到19中任一项，基于多个测量结果识别拐点包括：确定初级绕组中的电流幅度的第一变化速率、确定初级绕组中的电流幅度的与第一变化速率相邻且不同的第二变化速率、基于多个测量结果来识别第一变化速率与第二变化速率相遇的转变点、以及将所识别的转变点提供为拐点。
在第二十一方面，发动机系统包括：发动机；包括初级绕组和火花塞的发动机点火系统；以及点火控制器，包括：输入；输出；存储可执行指令的存储器；以及一个或多个处理设备用于执行指令以执行操作，所述操作包括：在输入处接收包括初级绕组和火花塞的发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果、识别点火开始时间、基于多个测量结果识别拐点、确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间、基于在点火开始时间与拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间、以及在输出处提供指示火花开始时间的信号。
在第二十二方面，根据方面21，操作进一步包括通过电流传感器感测多个测量结果。
在第二十三方面，根据方面21或22，操作进一步包括：基于火花开始时间来确定火花塞击穿电压，以及提供指示火花塞击穿电压的信号。
在第二十四方面，根据方面21到23中任一项，操作进一步包括：向初级绕组提供第一能量量，其中点火开始时间对应于提供第一能量量的开始；基于火花开始时间确定与第一能量量不同的第二能量量；向初级绕组提供第二能量量；以及基于第二能量量使火花塞打火。
在第二十五方面，根据方面24，第二能量量小于第一能量量。
在第二十六方面，根据方面21到25中任一项，操作进一步包括：确定火花开始时间已超过预定的阈值时间值，以及提供指示火花塞要被更换的状况的信号。
在第二十七方面，根据方面21到26中任一项，操作进一步包括：基于多个测量结果识别第二拐点、基于第二拐点确定由火花塞产生的火花已经熄灭、以及提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
在第二十八方面，根据方面27，操作进一步包括：响应于熄灭信号，向初级绕组提供一能量量，以及基于该能量量重新打火所述火花塞。
在第二十九方面，根据方面21到28中任一项，操作进一步包括：基于多个测量结果识别第二拐点、基于第二拐点确定火花结束事件已经发生、以及提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的火花结束信号。
在第三十方面，根据方面21到29中任一项，基于多个测量结果识别拐点包括：确定初级绕组中的电流幅度的第一变化速率、确定初级绕组中的与第一变化速率相邻且不同的电流幅度的第二变化速率、基于多个测量结果来识别第一变化速率与第二变化速率相遇的转变点、以及将所识别的转变点提供为拐点。
本文描述的系统和技术可提供以下优点中的一个或多个。首先，系统可以降低为点火系统供电所使用的功率的量。其次，系统可以降低火花塞磨损。第三，系统可以增加火花塞寿命。第四，系统可以增加内燃机的操作可用性。第五，系统可以降低内燃机的维护成本。第六，系统可以增加内燃机的燃料效率。
在以下所附附图和描述中阐述一个或多个实施方式的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，其他特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是示出示例发动机控制系统的示意图。
图2是示出示例点火控制系统的示意图。
图3是示例初级线圈电流和示例次级线圈电压随时间变化的曲线图。
图4是由三个不同的示例次级电压和火花间隙状况产生的三个不同的示例初级电流的曲线图。
图5是包括火花熄灭事件的示例初级线圈电流和示例次级线圈电压的曲线图。
图6是在吹熄(blowout)事件期间的示例初级线圈电流和示例次级线圈电压的曲线图。
图7是示出用于确定火花塞的响应的过程的示例的流程图。
具体实施方式
概括而言，本文档描述了用于确定内燃机的火花塞的响应的系统和技术。火花塞设计中的挑战是过早的火花塞磨损。过早的火花塞磨损是由高温引起的。火花塞电极随着使用而被侵蚀，并且可通过过热火花的使用来加速该侵蚀。加速的电极侵蚀降低了火花塞在需要被更换之前可操作的操作小时数。此类磨损可导致发动机的过多的和/或计划外的停机时间，并且因此增加发动机操作者的操作成本。
用于估计火花塞击穿电压的传统方法通常测量到达预定的初级电流值所需的总时间。在此类传统系统中，存在具有低初级点火线圈电流斜率(例如，低di/dt)的击穿前或拐点前电流，以及具有高初级线圈电流斜率(即，高di/dt)的击穿后或拐点后电流。此类传统系统通常通过测量到达预定的初级绕组电流值所需的时间来推断击穿电压，该预定的初级绕组电流值通常高于初级绕组拐点电流。此类预定的初级绕组电流值被选择成使得对于所有火花塞操作状况确保电压击穿。此类传统系统的预定电流值大于许多击穿电压操作点所需的电流值，特别是对于呈现小的间隙的新火花塞。这意味着对于许多传统击穿电压操作点，所选择的初级电流比为了产生电离所需的电流大得多。此类过大的电流水平可导致过度和/或过早的火花塞磨损。
一般而言，本文档中描述的系统和技术监测被提供到点火系统、线圈和火花塞的电流，并且检测可用于确定火花开始和/或结束处的时间和/或估计火花开始和/或结束处的电压的一个或多个事件(例如，初级点火线圈电流拐点)。该信息可用于修改提供给火花塞的能量量，例如，以降低火花的温度并降低由于使用过热火花和/或来自电极的电子耗尽而导致的火花塞磨损量。该监测过程还可用于检测火花结束和火花吹熄的发生，并且该信息可用于修改点火系统的性能和寿命。
图1是示出用于往复式发动机的示例发动机控制系统100的示意图。在一些实施方式中，系统100可用于确定并修改火花塞102的响应行为。发动机控制器104(诸如发动机控制模块(ECM))与点火控制器110通信，用于控制火花塞102的点火，并且测量火花塞102响应于被激活的行为，以便确定功率调整和/或重新打火是否将是有益的。通过确定火花塞102的行为，发动机控制器104可以监测、诊断、控制、和/或预测火花塞102的性能。
示例点火控制系统100的火花塞102包括电极106，在电极106之间生成火花。由点火系统120驱动火花塞102。功率控制器122基于通过控制总线123接收的信号从电源108(例如，电启动器电池或稳压电源)向初级点火线圈124提供功率。初级线圈驱动次级点火线圈126，该次级点火线圈126将电压升高到将使火花塞102跨电极106产生火花的电平。通过控制提供到初级线圈124的功率的量，可以控制火花的能量。
点火控制器110包括向控制总线123提供控制信号的输出模块112，该控制信号控制到初级线圈124的功率递送，并且因此，控制电极106处的火花的温度。点火控制器110还包括被配置成从反馈总线115接收反馈信号的输入模块114(例如，模数转换器)。由电流传感器125(例如，电流换能器)提供反馈信号，该电流传感器125被配置成感测从功率控制器122流到初级点火线圈124的电流的幅度。
点火控制器110监测反馈信号(例如，初级线圈电流幅度)以确定火花塞102何时开始和/或结束其火花。一般而言，通过确定火花塞102在各种致动刺激下的操作行为，点火控制器110可以确定其如何可以减少到初级点火线圈124的功率递送(例如，用于减少火花温度和温度引起的电极侵蚀、诊断故障)、确定火花的持续时间(例如，用于校准火花定时、诊断故障、预测故障)、和/或确定过早的火花结束(例如，吹熄，用于在同一活塞冲程中触发重新打火、诊断燃料问题、校准火花塞功率递送)。
根据一个实施方式，点火控制器110可用于本文描述的操作。点火控制器110包括处理器116、存储器117、和存储设备118。处理器116能够处理用于在点火系统110内执行的指令。在一个实施方式中，处理器116可以是现场可编程门阵列(FPGA)处理器。例如，随着非常快速FPGA的出现，以非常快的时钟速率仔细查看输入模块114并检测电流波形中的非常小的变化是可能的。
在另一个实施方式中，处理器116可以是单线程处理器。在另一个实施方式中，处理器116可以是多线程处理器。在一些实施方式中，处理器116可以能够处理存储在存储器117中或存储在存储设备118上的指令，以从电流传感器125收集信息，并向功率控制器122提供控制信号。
存储器117在点火控制器110内存储信息。在一些实施方式中，存储器117可以是计算机可读介质。在一些实施方式中，存储器117可以是易失性存储器单元。在一些实施方式中，存储器117可以是非易失性存储器单元。
存储设备118能够为点火控制器110提供大容量存储。在一个实施方式中，存储设备118是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储设备118可以是非易失性信息存储单元(例如，闪存)。
输出模块112为功率控制器122提供控制信号输出操作。输出模块112向驱动初级点火线圈124的驱动器提供致动控制信号(例如，脉宽调制(PWM)驱动器信号)。例如，功率控制器122可包括可将来自输出模块112的逻辑电平信号转换为具有足够功率以驱动点火系统120的初级点火线圈124的电流和/或电压波形的场效应晶体管(FET)或其他开关设备。
可以以数字电子电路系统、或以计算机硬件、固件、软件或以它们的组合来实现本文所述的特征。装置可以被实现在有形地嵌入到信息载体中的计算机程序产品中(例如，在用于由可编程处理器执行的机器可读存储设备中)；并且方法步骤可以通过可编程处理器执行指令的程序来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行所描述的实施方式的功能。所描述的特征可以有利地在一个或多个计算机程序中实施，该一个或多个计算机程序在可编程系统上是可执行的，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，该至少一个可编程处理器被耦合用于从数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令并且向其传输数据和指令。计算机程序是可以在计算机中直接或间接地使用以执行一定活动或带来一定结果的指令集。计算机程序可以以包括编译或解释语言的任何形式的编程语言来编写，并且其可以以包括作为独立程序或者作为模块、部件、子例程或适于在评估环境中使用的其他单元的任何形式来部署。
用于执行指令的程序的合适处理器包括：例如通用微处理器和专用微处理器两者、以及任何种类的数字计算机的唯一处理器或多个处理器之一。一般而言，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器。一般而言，计算机还将包括用于存储数据文件的一个或多个大容量存储设备，或与该大容量存储设备可操作地耦合以与该大容量存储设备通信；此类设备包括：磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及光盘。适于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，作为示例该非易失性存储器包括：半导体存储器设备，诸如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由ASIC(专用集成电路)补充或者合并在其中。
图2是示出示例点火控制系统200的示意图。在一些实施例中，点火控制系统200可以是图1的示例发动机控制系统100的点火控制系统110。
点火控制系统200包含电子驱动器，该电子驱动器使用脉宽调制(PWM)开关拓扑或电容放电拓扑来精确地递送和控制到点火线圈210的初级绕组212的电压和电流。点火控制系统200还包含电流反馈电路，该电流反馈电路帮助控制电压施加和流过点火线圈210的初级绕组212(例如，初级点火线圈)的电流。点火控制系统200包括处理器220，该处理器220能够处理流过点火线圈210的初级绕组212的电流的反馈。处理器220执行算法，该算法被配置成从在初级绕组电流反馈总线230上接收到的反馈信号确定连接到点火线圈210的次级绕组的火花塞240的操作状态。当如下文将进一步讨论地处理初级绕组电流反馈时，可以推断火花塞240的击穿电压、观察火花塞240的电离的精确发生时间、感测火花吹熄状况、和/或感测火花结束状况。
所推断的火花塞击穿电压可用作发动机应用中的预测以监测火花塞240的磨损。随着火花塞240的磨损，火花塞240的电极之间的间隙的尺寸增大，并且作为结果，火花塞240的击穿电压增大。当所推断的火花塞击穿电压超过预定值时，处理器220可以提供警报信号以指示到了更换火花塞240的时间，以便防止计划外的发动机停机时间。
在先前的实施例中，将以相对更高的能量水平来驱动初级绕组，以便确保提供足够的电压和电流，以在所有操作状况下产生火花塞击穿或电离。由此类先前方法展示的更高能量水平可导致在火花塞处的电极磨损加速，并且这可导致维护成本增加和发动机停机时间增加。相比之下，由处理器220执行的电流反馈算法被配置成非常精确地感测发生火花塞击穿的瞬间。该能力允许立即减小施加到初级绕组212和施加到附接到点火线圈210的次级绕组214(例如，次级点火线圈)的火花塞240的能量，由此降低火花塞240的电极磨损并增加火花塞240的使用寿命。另外，火花塞击穿时间可用于校准点火驱动器激发的定时，以改善发动机和燃烧性能。
处理器220还被配置成感测火花塞240的电极处的火花是否吹熄或熄灭。感测此类吹熄状况允许点火控制器200修改对初级绕组212的功率的PWM切换，使得可以发起额外的火花，以便防止发动机缺火或燃烧性能降低。另外，感测吹熄状况可用于修改/校准点火驱动器激发和/或能量曲线，以便避免缺火和吹熄状况。
处理器220还被配置成感测火花结束的瞬间。在一些实施方式中，火花结束的检测可用于校准发动机燃烧和性能。在一些实施方式中，火花开始和结束的精确检测可用于控制和优化递送到火花塞的能量量的过程中。在图5和图6的描述中进一步讨论了火花结束的检测。
图3是示例初级线圈电流301和示例次级线圈电压302随时间变化的曲线图300。在一些实施方式中，初级线圈电流301可表示图1的示例发动机控制系统100的初级点火线圈124上的电流或图2的示例点火控制系统200的初级绕组212上的电流。在一些实施方式中，次级线圈电压302可以表示由次级点火线圈126产生的电压或由次级绕组214产生的电压。
图3的初级线圈电流301是在创建火花期间的初级线圈电流幅度的示例。当作为响应于由次级线圈绕组生成的高电压的火花塞间隙的电离的结果而生成火花时，初级线圈电流301中的拐点310发生。当火花发生时，变压器的次级被电短路，导致基本上仅漏电感限制电流上升的速率。漏电感通常小于初级电感大约一数量级，因此仅具有漏电感的di/dt要高得多。在火花塞间隙电离的瞬间发生拐点310。在所示的示例中，初级线圈电流310在起点312处(例如，从零)上升到峰值314，并且随后再次开始下降，直到拐点310为止。初级线圈电流301在拐点310之后再次开始上升。在起点312和拐点310之间的时间段(T1)被表示为时间段320(T1)。在拐点310和终点316之间的时间段(T2)被表示为时间段322。在一些实施方式中，可通过监测初级线圈电流301来确定起点312。例如，当由电流传感器125感测到的电流从约零安培上升到高于预定最小电流阈值(例如，比较器操作)时。随后将该信号反馈(例如，到FPGA)以控制电流。在一些实施方式中，可通过监测来自发动机控制器的信号(例如，由从输出模块112到功率控制器122的信号触发)来确定起点312。在一些实施方式中，终点316可以表示火花结束事件。
拐点310(例如，电流上升速率的变化、di/dt变化)是火花塞间隙的阻抗在击穿或电离处的变化，例如，如从次级绕组电压看到的并且被表示为点330。在击穿或电离330之前，火花塞间隙对于次级绕组表现得像非常高阻抗的开路。如上文讨论的，当火花发生时，变压器的次级被电短路，导致基本上仅漏电感限制电流上升的速率。漏电感通常小于初级电感大约一数量级，因此仅具有漏电感的di/dt要高得多。在击穿或电离330之后，火花塞间隙呈现接近短路的低阻抗。如本领域中公知的，当两个相互耦合的绕组(例如，如在变压器中，诸如点火线圈)在次级绕组上被短路时，随着初级和次级绕组磁化电感不再抑制电流上升，初级绕组中的电流可以快速上升。这是因为在次级绕组上的短路有效地绕过磁化电感。在电离之后，仅低得多的初级到次级绕组漏电感抑制初级电流上升，这呈现为拐点310和在时间段322期间上升的初级绕组di/dt。
图4是由三个不同的示例次级线圈电压和火花间隙状况411、412和413导致的三个不同的示例初级线圈电流401、402和403的曲线图400。在一些实施方式中，初级线圈电流401-403可表示图1的示例发动机控制系统100的初级点火线圈124上的电流或图2的示例点火控制系统200的初级绕组212上的电流。在一些实施方式中，次级线圈电压411、412和413可以表示由次级点火线圈126产生的电压或由次级绕组214产生的电压。
当击穿电压为低(如由次级线圈电压412(例如，在所示示例中为15kV)所示的)时，与击穿相关联的次级拐点422发生更早(例如，在所示示例中为大约35微秒)。次级拐点422可观察为初级线圈电流402中的初级拐点432。当击穿电压为高(如由次级线圈413(例如，在所示示例中为35kV)所示的)时，与击穿相关联的次级拐点423发生更晚(例如，在所示示例中为大约65微秒)。次级拐点423可观察为初级线圈电流403中的初级拐点433。如果不存在击穿状况(也被称为开路)，如由次级线圈电压411所示的，则在初级绕组电流401中不存在突然的di/dt变化或拐点。
初级线圈电流402和403到达拐点所花费的时间量与击穿电压相关。随着击穿电压增加，初级电流402、403到达拐点432、433所花费的时间量增加(例如，约35微秒以到达拐点432，约65微秒以到达拐点433)。处理器(诸如图1的示例点火控制器110的处理器116)能够使用来自初级电流402、403的反馈来确定在初级线圈电流401-403的开始与拐点432、433发生的时间处之间的时间量。在一些实施方式中，处理器可以执行查表操作或执行数学算法(例如，线性回归、预测分析)，以将拐点时间与实际火花塞击穿电压相关。
图5是包括火花熄灭事件的示例初级线圈电流501和示例次级线圈电压502的曲线图500。在一些实施方式中，初级线圈电流501可表示图1的示例发动机控制系统100的初级点火线圈124上的电流或图2的示例点火控制系统200的初级绕组212上的电流。在一些实施方式中，次级线圈电压502可以表示由次级点火线圈126产生的电压或由次级绕组214产生的电压。
可分析初级线圈电流501以识别火花结束时间或火花熄灭发生。当火花熄灭时，火花塞间隙的阻抗显著增加。尽管火花事件类似于火花塞的电极之间的电短路，但是火花结束使火花塞充当开路。火花结束事件将短路从点火线圈次级绕组移除并且导致慢得多的初级线圈电流501的变化速率(例如，斜率，di/dt)。
在所示示例中，火花结束发生在大约1000微秒处(由时间510)表示。初级线圈电流501在火花结束510之前的100微秒期间以约25A的负变化速率下降，并且在火花结束510之后以更小的负变化速率(例如，相对更接近零的di/dt)变得更加稳定。与火花结束相关联的初级线圈电流501的斜率变化可识别为拐点520。
在一些实施方式中，火花结束的检测可用于校准发动机燃烧和性能。例如，火花结束可用于确定火花的持续时间。所推断的火花持续时间可用作发动机应用中的预测以监测火花塞(诸如图1的示例火花塞102)的磨损。随着火花塞102的磨损，电极106之间的间隙的尺寸增大，并且作为结果，火花塞102的击穿电压增大，这可以缩短火花的持续时间。当所推断的火花持续时间下降到预定值以下时，处理器116可以提供警报信号以指示到了更换火花塞102的时间，以便防止计划外的发动机停机时间。
图6是在吹熄事件期间的示例初级线圈电流601和示例次级线圈电压602的曲线图600。在一些实施方式中，初级线圈电流601可表示图1的示例发动机控制系统100的初级点火线圈124上的电流或图2的示例点火控制系统200的初级绕组212上的电流。在一些实施方式中，次级线圈电压602可以表示由次级点火线圈126产生的电压或由次级绕组214产生的电压。
可以分析初级线圈电流601以识别何时火花吹熄(例如，熄灭)，例如，由于燃烧室中的湍流或燃料问题。在所示示例中，火花塞火花的火花开始发生在由610表示的时间处，并且可以通过识别拐点612来检测。火花塞火花的火花结束发生在由620表示的时间处，并且可通过识别拐点622来检测。
在吹熄状况(例如，熄灭)期间，火花塞间隙阻抗从在打火期间呈现的短路变化为在吹熄之后呈现的开路。在点火线圈次级绕组上的阻抗负载的该变化导致初级线圈电流601的变化速率(例如，斜率)的下降。
在所示示例中，火花塞火花的熄灭发生在由640表示的时间处，并且可以通过识别拐点642来检测。存在与吹熄状况(例如，熄灭)相关联的初级线圈电流601的斜率变化。例如，在640处的熄灭之前，di/dt看起来类似于在由630和620表示的时间之间的di/dt。在640和630之间，初级线圈电流601呈现出长持续时间的相同电流下降(例如，更小斜率)，这指示火花熄灭并且阻抗不再类似于短路；相反，阻抗类似于开放线圈的阻抗(例如，小的di/dt)。初级线圈电流601的变化速率由于重新打火火花而改变斜率的点被识别为拐点632。
在一些实施方式中，火花熄灭和火花结束可以基于在正常情况下预期或观察到的火花持续时间来彼此区分。例如，对于标称燃烧循环，图1的示例点火控制器110可被配置成向初级线圈124提供功率达1000微秒，并且当早于例如900微秒检测到拐点时，该拐点可被识别为指示可能由于吹熄造成的火花的过早熄灭。
在一些实施方式中，吹熄的检测可用于修改火花塞的操作。例如，当火花过早地熄灭时，在燃烧室中的燃料可能保持部分或完全未燃烧。未燃烧的燃料可导致发动机功率、燃料效率和排气清洁度的下降。通过检测吹熄状况，点火控制器110可以在同一燃烧冲程期间提供第二(例如，可能更强的)能量脉冲，以试图重新点燃未用完的燃料。在另一示例中，点火控制器可以检测吹熄事件的预定的阈值频率或数量，并被配置成通过增加为未来火花提供的能量量来响应(例如，劣质燃料可能需要更高的火花温度以避免错过冲程)。点火控制器还可被配置成降低提供的能量量，直到开始检测到预定的阈值频率或数量的吹熄事件。例如，不寻常地稀少的未命中可能表明火花能量可能高于实际所需的火花能量，并且可以降低火花能量以改善火花塞磨损(例如，一箱劣质燃料可能会使点火控制器的能量配置高于后续一箱更好品质燃料所需的能量配置)。
图7是示出用于确定火花塞的响应的过程700的示例的流程图。在一些实施方式中，过程700可由图1的示例发动机控制系统100的发动机控制器104和/或点火控制器110、和/或由图2的示例点火控制器200的处理器220来执行。
在710处接收到测量结果的集合。该测量结果是在发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度，该发动机点火系统包括初级绕组和火花塞。在一些实施方式中，可通过由电流传感器感测测量结果的集合来接收测量结果。例如，点火控制器110包括输入模块114，该输入模块114被配置成从电流传感器125接收反馈信号，该电流传感器125被配置成感测从功率控制器122流到初级点火线圈124的电流幅度。
在720处，识别点火开始时间。例如，电极控制器110可以感测流过初级点火线圈124的电流速率的变化来作为新的点火循环开始的指示。在另一示例中，点火控制器110可以负责启动点火循环，并且将能够固有地识别点火循环的开始。
在730处，基于多个测量结果识别拐点。在一些实施方式中，可以通过以下步骤来识别拐点：确定初级绕组中的电流幅度的第一变化速率、确定初级线圈中的电流幅度的与第一变化速率相邻且不同的第二变化速率、基于多个测量结果来识别第一变化速率与第二变化速率相遇的转变点、并且将所识别的转变点提供为拐点。例如，点火控制器110可以确定初级线圈电流301的斜率的明显变化(例如，负斜率到正斜率)并且将该变化标识为拐点310。
在740处，确定表示所标识的拐点发生的时间的拐点时间。例如，点火控制器110可以确定拐点310发生在点火开始之后的时间T1(例如，50微秒)处。
在750处，基于在点火开始时间与拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间。例如，继续前面的示例，因为拐点310发生在点火开始之后的时间T1(例如，50-100微秒)处，所以点火控制器110可以确定在点火开始时间和拐点时间之间的差异是T1(例如，50-100微秒)。
在760处，提供指示火花开始时间的信号。例如，处理器116可以在存储器117中设置变量以表示火花开始时间、或将火花开始时间存储在存储118中、或向输出模块112提供火花开始时间、和/或向发动机控制器104提供火花开始时间。
在一些实施方式中，过程700还可包括：基于火花开始时间来确定火花塞击穿电压，以及提供指示火花塞击穿电压的信号。例如，点火控制器110和/或发动机控制器104可以基于火花开始时间来执行查表，以确定对应的火花塞击穿电压。在另一示例中，点火控制器110和/或发动机控制器104可以执行算法或数学模型以基于火花开始时间来计算火花塞击穿电压。
在一些实施方式中，过程700还可包括：向初级绕组提供第一能量量，其中点火开始时间对应于提供第一能量量的开始；基于火花开始时间确定与第一能量量不同的第二能量量；向初级绕组提供第二能量量；以及基于第二能量量使火花塞打火。在一些实施方式中，第二能量量可小于第一能量量。例如，点火控制器110可最初被配置成提供将功率控制器122打开达175微秒，以从电源108为初级线圈122供电。在基于初始配置的一个或多个燃烧循环之后，点火控制器110可以确定火花开始时间发生在约45微秒，这比最初使用的功率的持续时间少了约130微秒。因为过量功率可使电极106的磨损加速，所以点火控制器110可以通过重新配置其自身来响应，以从电源108向初级线圈124提供更短的功率脉冲，并且因此，提供更少的能量。例如，点火控制器110可以使用来自电流传感器的电流反馈信号来将点火脉冲从175微秒缩短到在约25微秒到约1500微秒的范围的持续时间。
在一些实施方式中，过程700还可包括：确定火花开始时间已超过预定的阈值时间值，以及提供指示火花塞要被更换的状况的信号。例如，火花塞102可在标称状况下花费50微秒以打火，但是随着电极106磨损，在火花开始之前的延迟量可能扩大。可以将火花开始时间的长度相关到表或算法，所述表或算法可以估计火花塞102剩余的有用的使用寿命的量并且可向操作者或服务人员提供警报或其他指示，以指示火花塞102应当被更换。在没有这样的指示的情况下，磨损的火花塞可能保持在使用中，从而使发动机性能下降，和/或意外地失灵，从而引起计划外的服务停机时间。
在一些实施方式中，过程700还可包括：基于多个测量结果识别第二拐点、基于第二拐点确定由火花塞产生的火花已经熄灭、以及提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。例如，火花塞102可在标称状况下花费50微秒以打火，并且火花通常可在500微秒处结束。点火控制器110可以识别发生在火花开始(例如，50微秒)之后但在预期的火花结束(例如，500微秒)之前的点处的拐点。这样的拐点可以指示火花熄灭(例如，吹熄)。
在一些实施方式中，过程700可包括：响应于熄灭信号，向初级绕组提供能量量，以及基于能量量来重新打火火花塞。例如，当火花吹熄时，在燃烧室中的燃料可能未完全燃烧，这可能引起发动机性能的损失和/或排气排放的增加。响应于确定已经发生火花吹熄状况，点火控制器110可以通过在同一燃烧冲程期间向初级点火线圈124提供额外的功率脉冲来响应，以重新打火火花塞102，以努力燃烧未用完的燃料。
在一些实施方式中，过程700还可包括：基于多个测量结果识别第二拐点、基于第二拐点确定火花结束事件已经发生、以及提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的火花结束信号。例如，点火控制器110可以将示例初级线圈电流501的拐点520识别为火花已经结束的指示符，并提供火花已经熄灭的信号(例如，向发动机控制器104)。
尽管在上文中已经详细描述了几个实施例，但其他的修改是可能的。此外，在附图中描绘的逻辑流程不需要所示出的特定顺序或相继顺序来实现期望的结果。此外，其他步骤可被提供，或者步骤可被从所描述的流程中被消除，并且其他部件可被添加到所描述的系统或从所描述的系统中被移除。相应地，其他实现也在所附权利要求的范围内。

Claims (39)

1.一种用于控制点火的方法，包括：
接收在发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果，所述发动机点火系统包括所述初级绕组和火花塞；
识别点火开始时间；
基于所述多个测量结果识别拐点；
确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间；
基于所述点火开始时间与所述拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间；
提供指示所述火花开始时间的信号；
基于所述火花开始时间确定火花塞击穿电压；以及
提供指示所述火花塞击穿电压的信号。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括通过电流传感器感测所述多个测量结果。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
向所述初级绕组提供第一能量量，其中所述点火开始时间对应于提供所述第一能量量的开始；
基于所述火花开始时间确定第二能量量，所述第二能量量与所述第一能量量不同；
向所述初级绕组提供所述第二能量量；以及
基于所述第二能量量打火所述火花塞。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二能量量小于所述第一能量量。
5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，进一步包括：
确定所述火花开始时间超过预定的阈值时间值；以及
提供指示所述火花塞要被更换的状况的信号。
6.如权利要求1到4中任一项所述的方法，进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及，
提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括：
响应于所述熄灭信号，向所述初级绕组提供一能量量；以及，
基于所述能量量重新打火所述火花塞。
8.如权利要求1到4中任一项所述的方法，进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定火花结束事件已经发生；以及，
提供指示所述火花塞火花已经熄灭的状况的火花结束信号。
9.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述多个测量结果来识别拐点包括：
确定所述初级绕组中的电流幅度的第一变化速率；
确定所述初级绕组中的电流幅度的第二变化速率，所述第二变化速率与所述第一变化速率相邻且不同；
基于所述多个测量结果来识别所述第一变化速率与所述第二变化速率相遇的转变点；以及
提供所识别的转变点作为所述拐点。
10.如权利要求3或4所述的方法，进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及，
提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：
响应于所述熄灭信号，向所述初级绕组提供一能量量；以及，
基于所述能量量重新打火所述火花塞。
12.一种点火控制器，包括：
输入；
输出；
存储器，所述存储器存储可执行的指令；以及
一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备用于执行所述指令以执行操作，所述操作包括：
在所述输入处，接收在发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果，所述发动机点火系统包括所述初级绕组和火花塞；
识别点火开始时间；
基于所述多个测量结果识别拐点；
确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间；
基于所述点火开始时间与所述拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间；
在所述输出处，提供指示所述火花开始时间的信号；
基于所述火花开始时间确定火花塞击穿电压；以及
提供指示所述火花塞击穿电压的信号。
13.如权利要求12所述的点火控制器，所述操作进一步包括通过电流传感器感测所述多个测量结果。
14.如权利要求12所述的点火控制器，所述操作进一步包括：
向所述初级绕组提供第一能量量，其中所述点火开始时间对应于提供所述第一能量量的开始；
基于所述火花开始时间确定第二能量量，所述第二能量量与所述第一能量量不同；
向所述初级绕组提供所述第二能量量；以及
基于所述第二能量量打火所述火花塞。
15.如权利要求14所述的点火控制器，其特征在于，所述第二能量量小于所述第一能量量。
16.如权利要求12或13所述的点火控制器，所述操作进一步包括：
确定所述火花开始时间超过预定的阈值时间值；以及
提供指示所述火花塞要被更换的状况的信号。
17.如权利要求12或13所述的点火控制器，所述操作进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及，
提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
18.如权利要求17所述的点火控制器，所述操作进一步包括：
响应于所述熄灭信号，向所述初级绕组提供一能量量；以及，
基于所述能量量重新打火所述火花塞。
19.如权利要求12或13所述的点火控制器，所述操作进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定火花结束事件已经发生；以及，
提供指示所述火花塞火花已经熄灭的状况的火花结束信号。
20.如权利要求12或13所述的点火控制器，其特征在于，基于所述多个测量结果来识别拐点包括：
确定在所述初级绕组中的电流幅度的第一变化速率；
确定所述初级绕组中的电流幅度的第二变化速率，所述第二变化速率与所述第一变化速率相邻且不同；
基于所述多个测量结果来识别所述第一变化速率与所述第二变化速率相遇的转变点；以及
提供所识别的转变点作为所述拐点。
21.如权利要求14或15所述的点火控制器，所述操作进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及，
提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
22.如权利要求21所述的点火控制器，所述操作进一步包括：
响应于所述熄灭信号，向所述初级绕组提供一能量量；以及，
基于所述能量量重新打火所述火花塞。
23.一种发动机系统，包括：
发动机；
发动机点火系统，所述发动机点火系统包括初级绕组和火花塞；以及
点火控制器，包括：
输入；
输出；
存储器，所述存储器存储可执行的指令；以及
一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备执行所述指令以执行操作，所述操作包括：
在所述输入处，接收在发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果，所述发动机点火系统包括所述初级绕组和火花塞；
识别点火开始时间；
基于所述多个测量结果识别拐点；
确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间；
基于所述点火开始时间与所述拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间；
在所述输出处，提供指示所述火花开始时间的信号；
基于所述火花开始时间确定火花塞击穿电压；以及
提供指示所述火花塞击穿电压的信号。
24.如权利要求23所述的发动机系统，所述操作进一步包括通过电流传感器感测所述多个测量结果。
25.如权利要求23所述的发动机系统，所述操作进一步包括：
向所述初级绕组提供第一能量量，其中所述点火开始时间对应于提供所述第一能量量的开始；
基于所述火花开始时间确定第二能量量，所述第二能量量与所述第一能量量不同；
向所述初级绕组提供所述第二能量量；以及
基于所述第二能量量打火所述火花塞。
26.如权利要求25所述的发动机系统，其特征在于，所述第二能量量小于所述第一能量量。
27.如权利要求23或24所述的发动机系统，所述操作进一步包括：
确定所述火花开始时间超过预定的阈值时间值；以及
提供指示所述火花塞要被更换的状况的信号。
28.如权利要求23或24所述的发动机系统，所述操作进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及，
提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
29.如权利要求28所述的发动机系统，所述操作进一步包括：
响应于所述熄灭信号，向所述初级绕组提供一能量量；以及，
基于所述能量量重新打火所述火花塞。
30.如权利要求23或24所述的发动机系统，所述操作进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定火花结束事件已经发生；以及，
提供指示所述火花塞火花已经熄灭的状况的火花结束信号。
31.如权利要求23或24所述的发动机系统，其特征在于，基于所述多个测量结果来识别拐点包括：
确定在所述初级绕组中的电流幅度的第一变化速率；
确定所述初级绕组中的电流幅度的第二变化速率，所述第二变化速率与所述第一变化速率相邻且不同；
基于所述多个测量结果来识别所述第一变化速率与所述第二变化速率相遇的转变点；以及
提供所识别的转变点作为所述拐点。
32.如权利要求25或26所述的发动机系统，所述操作进一步包括：
基于所述多个测量结果识别第二拐点；
基于所述第二拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及，
提供指示火花塞火花已经熄灭的状况的熄灭信号。
33.如权利要求32所述的发动机系统，所述操作进一步包括：
响应于所述熄灭信号，向所述初级绕组提供一能量量；以及，
基于所述能量量重新打火所述火花塞。
34.一种用于控制点火的方法，包括：
由电流传感器测量在发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果，所述发动机点火系统包括所述初级绕组和火花塞；
在点火控制器的输入处接收所述多个测量结果；
由所述点火控制器基于所述多个测量结果来识别拐点；
由所述点火控制器基于所述拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及
基于所述确定来激活所述点火控制器的输出以向服务人员提供熄灭信号，其中所述熄灭信号向服务人员指示所述火花已经熄灭的状况。
35.一种点火控制器，包括：
输入；
输出；
电流传感器；
存储器，所述存储器存储可执行的指令；以及
一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备执行所述指令以执行操作，所述操作包括：
由所述电流传感器测量在发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果，所述发动机点火系统包括所述初级绕组和火花塞；
在所述输入处接收所述多个测量结果；
基于所述多个测量结果来识别拐点；
基于所述拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及
基于所述确定来激活所述输出以向服务人员提供熄灭信号，其中所述熄灭信号向服务人员指示所述火花已经熄灭的状况。
36.一种发动机系统，包括：
发动机；
发动机点火系统，所述发动机点火系统包括初级绕组和火花塞；以及
点火控制器，包括：
输入；
输出；
电流传感器；
存储器，所述存储器存储可执行的指令；以及
一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备执行所述指令以执行操作，所述操作包括：
由所述电流传感器测量在发动机点火系统的初级绕组中的电流幅度的多个测量结果，所述发动机点火系统包括所述初级绕组和火花塞；
在所述输入处接收所述多个测量结果；
基于所述多个测量结果来识别拐点；
基于所述拐点来确定由所述火花塞产生的火花已经熄灭；以及
基于所述确定来激活所述输出以向服务人员提供熄灭信号，其中所述熄灭信号向服务人员指示所述火花已经熄灭的状况。
37.一种用于控制点火的方法，包括：
在燃烧循环期间向发动机点火系统的初级绕组提供第一能量量，所述发动机点火系统包括所述初级绕组和火花塞；
接收所述初级绕组中的电流幅度的多个测量结果；
在所述燃烧循环期间基于提供所述第一能量量的开始来识别点火开始时间；
基于所述多个测量结果来识别拐点；
确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间；
基于所述点火开始时间与所述拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间；以及
基于所述火花开始时间来确定第二能量量，所述第二能量量与所述第一能量量不同；
在所述燃烧循环期间向所述初级绕组提供所述第二能量量；
基于所述第二能量量在所述燃烧循环期间打火所述火花塞；
基于所述火花开始时间确定火花塞击穿电压；以及
提供指示所述火花塞击穿电压的信号。
38.一种点火控制器，包括：
输入；
输出；
存储器，所述存储器存储可执行的指令；以及
一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备执行所述指令以执行操作，所述操作包括：
在燃烧循环期间向发动机点火系统的初级绕组提供第一能量量，所述发动机点火系统包括所述初级绕组和火花塞；
在所述输入处接收所述初级绕组中的电流幅度的多个测量结果；
在所述燃烧循环期间基于提供所述第一能量量的开始来识别点火开始时间；
基于所述多个测量结果来识别拐点；
确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间；
基于所述点火开始时间与所述拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间；以及
基于所述火花开始时间来确定第二能量量，所述第二能量量与所述第一能量量不同；
在所述燃烧循环期间向所述初级绕组提供所述第二能量量；
基于所述第二能量量在所述燃烧循环期间打火所述火花塞；
基于所述火花开始时间确定火花塞击穿电压；以及
提供指示所述火花塞击穿电压的信号。
39.一种发动机系统，包括：
发动机；
发动机点火系统，所述发动机点火系统包括初级绕组和火花塞；以及
点火控制器，包括：
输入；
输出；
存储器，所述存储器存储可执行的指令；以及
一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备执行所述指令以执行操作，所述操作包括：
在燃烧循环期间向所述初级绕组提供第一能量量；
在所述输入处接收所述初级绕组中的电流幅度的多个测量结果；
在所述燃烧循环期间基于提供所述第一能量量的开始来识别点火开始时间；
基于所述多个测量结果来识别拐点；
确定表示所识别的拐点发生的时间的拐点时间；
基于所述点火开始时间与所述拐点时间之间的时间量来确定火花开始时间；
基于所述火花开始时间来确定第二能量量，所述第二能量量与所述第一能量量不同；
在所述燃烧循环期间向所述初级绕组提供所述第二能量量；
基于所述第二能量量在所述燃烧循环期间打火所述火花塞；
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