CN113366214A

CN113366214A - 用于检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的方法和设备

Info

Publication number: CN113366214A
Application number: CN201980064540.7A
Authority: CN
Inventors: 帕斯夸莱·福特; 马尔科·阿尔比; 皮耶路易吉·波齐; 斯特凡诺·席尔瓦; 欧金尼奥·卡鲁加蒂
Original assignee: Eldor Corporation SpA
Current assignee: Eldor Corporation SpA
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: US20210293216A1; WO2020026128A1; IT201800007781A1; US12006905B2; CN113366214B; EP3830408A1

Abstract

一种检测在内燃机中与气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的方法，包括检测初级绕组(102)上的开关(105)的断开和检测初级绕组(102)上的电压，并生成代表开关(105)断开之后的电压趋势的第一信号(V₁)。然后对第一信号(V₁)进行积分，并且在火花塞(106)的端部处的击穿的识别之后，根据击穿时的积分信号的值确定击穿电压值。

Description

用于检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的方法和设备

本发明涉及一种用于检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的方法和设备。

因此，本发明特别适用于汽车行业，尤其适用于高能点火系统的设计和制造。

在内燃机气缸点火期间，击穿电压值，即当电介质破裂并且生成火花(或电弧)时，在火花塞端部处的电压值总是特别重要的。

该值的重要性主要与系统的监控有关，因为系统的显著变化可以代表故障或关键，而这些故障或关键最终必须得到解决。

检测该参数的最直接的解决方案显然涉及直接获取次级绕组的端部的电压值，然而，在高能量系统中会遇到显著限制的过程，其中，电压值非常高(高达50,000V)以至于直接获取变得复杂。

为此，现有技术提出了利用初级绕组上的低得多的电压检测的替代解决方案，以便重建次级绕组电压，从而重建击穿电压。

然而，尽管这种解决方案通常可行且足够精确，但它与初级绕组上电压信号的质量密切相关，初级绕组的电压信号通常是高度可变和波动的。因此，它不是很健全，也不是适用于点火系统的所有配置。

例如，在申请人和意大利专利IT1429874的主题设计的一些解决方案中，初级绕组开关由存储电路(或缓冲器)支持，这允许您将能量耗散降到最低并避免开关过热。

该电路在显著提高系统效率的同时，使初级绕组上的电压信号，特别是开关集电极电压难以读取，因为它受到有限频率的非常高振幅的振荡，这与信号的正确读取不兼容。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够克服上述现有技术的缺点的检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的方法和设备。

具体地，本发明的目的是提供一种用于检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的健全和可靠的方法，该方法不依赖于初级绕组上的电压信号的质量。

此外，本发明的目的是提供一种用于检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的设备，该设备易于制造并且可以容易地集成到线圈中。

目的通过具有所附权利要求1至4中的一项或多项的特性的检测方法以及通过根据权利要求5至10中的任一项所包含的内容的检测设备来实现。

如提到的，根据本发明的方法是一种用于检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的方法。

线圈包括初级绕组和次级绕组。

初级绕组优选地连接到电压产生器，并设置有能在断开状态与闭合状态之间切换的开关。

次级绕组优选地连接到火花塞。

用于检测的方法涉及将开关从闭合状态切换到断开状态(或检测开关从闭合状态到断开状态的切换)。

在切换之后优选地检测在初级绕组上的电压。

优选地生成代表电压的第一信号。

优选地对第一信号进行积分以生成随时间增加的积分信号。

然后，根据击穿时的积分信号的值来优选地确定击穿电压值。

有利的是，由于电压信号的积分，可以将强烈摇摆的信号转换成与时间信号一致的单调增加的信号，从而便于击穿电压值的确定。

因此，这样实现的方法高度抵抗干扰，并且很大程度上不受初级绕组上的第一电压信号的振荡的影响。

击穿电压值的确定优选地涉及识别在火花塞的端部处的击穿的瞬时表达，并确定与在击穿的瞬时表达处的积分信号的值相对应的积分信号的击穿值。

注意，在击穿的瞬时表达处，第一信号的积分可以被中断，或者，初级绕组的电压的检测可以被中断。

击穿的瞬时表达的识别步骤优选地包括以下步骤：

-检测次级绕组上的电流并生成代表电流的第二信号；

-将第二信号与预定阈值进行比较；

-当第二信号超过预定阈值时，识别击穿的瞬时表达。

有利的是，通过对次级绕组上的电流的简单检测，识别火花的点火因此是简单而直接的。

此外，积分和由次级绕组上的电流信号给出的时间基准的组合允许精确地确定火花被打火的时间，从而确定必须中断积分的时间。

因此，优选地，作为本发明的主题的方法涉及检测模块在开关断开时获取初级电压，并生成第一信号(数字流)。

当识别模块检测到击穿并发送代表击穿的信号时，检测模块的采集或处理模块的集成被中断。

所获取的数据样本(即数字流)然后被集成，优选地在消除任何干扰的滤波之后，然后被处理以推断出击穿电压的值。

本发明的主题也是一种用于检测内燃机中气缸点火系统的点火线圈中的击穿电压的设备。

该设备优选地包括初级电压检测模块，该初级电压检测模块被配置为检测初级绕组上的电压并生成代表电压的第一信号。

优选地，在火花塞处具有用于击穿的识别模块。

识别模块优选地被配置为生成代表击穿的信号。

此外，优选地，存在链接到检测模块和识别模块的处理模块，并且被配置为接收第一信号和代表击穿的信号。

处理模块优选地被配置为随时间对第一信号积分，并生成随时间增加的积分信号。

此外，优选地，处理模块被配置为在接收到代表击穿的信号时确定积分信号的击穿值，并根据积分信号的破裂值确定击穿电压值。

这些和其它特性，以及它们的相对优点，将在以下说明性的、因此非限制性的、用于检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的方法和设备的优选的并且因此不是排他性的实施例的描述中被更好地识别，如附图所示，其中：

-图1示意性地示出了内燃机中的气缸点火系统的点火系统，设置有根据本发明的用于检测的设备；

-图2示出了击穿电压检测中基准幅度的趋势图。

参考附图，数字1表示根据本发明的用于检测与内燃机中的气缸点火系统的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的设备。

因此，设备1被插入到用于内燃机的气缸的点火系统100内，该点火系统优选地是感应式的。

因此，点火系统100是被配置为通过向火花塞100的两个电极提供必要的电压以断开允许电流的生成的电介质而在吸热发动机的每个汽缸内生成火花的设备或设备组。

因此，系统100链接到(或包括)电压(或电流)产生设备104，优选地链接到车辆电池。

因此，在其优选实施例中，产生器104被配置为向系统100提供DC电压。

更确切地说，产生器是电池，更优选地是汽车电池，甚至更优选地是铅酸电池。

然而，可替换地，根据发动机的类型，可以使用其它电压产生器。

在这方面，系统优选地包括线圈101，线圈101包括初级绕组102和次级绕组103。

设置有第一和第二端子的初级绕组102通过电连接连接到电压产生设备104。

次级绕组103可以连接(或被连接)到火花塞106。

应当注意，初级绕组102包括第一数量的线圈No._I，而次级绕组103包括第二数量的线圈No._II。

次级绕组103优选地具有比初级绕组102更多的线圈数，以便增加次级绕组103(其中，实际上是高电压电路的一部分)上的电压。

在优选实施例中，线圈比率等于线圈No._II的第二数量除以线圈No._I的第一数量，在80到220之间，优选约150。

系统100还包括开关105，该开关105也连接到初级绕组102，并且可选择性地在断开状态和闭合状态之间切换，以便分别防止或允许电流流过所述初级绕组102。

开关105优选地连接到初级绕组102的第二端子。

开关105优选地为静态类型；更优选地，为了允许对所涉及的负载进行有效和可靠的管理，开关105是隔离栅双极晶体管(通常称为IGBT)。

因此，该开关105具有：

-连接到初级绕组102的第一节点或集电极，

-第二接地节点或发射极，以及

-第三节点或栅极，可被操纵以允许开关105本身的断开或闭合。

因此，用于检测的设备1链接到所述点火系统100，特别是连接到线圈101。用于检测的设备1包括初级电压检测模块2，初级电压检测模块2被配置为检测初级绕组102上的电压，并生成代表所述电压的趋势(在开关断开之后)的第一信号V₁。

检测模块2优选地被配置为检测开关集电极105处的电压。

在其优选实施例中，检测模块2被配置为在初级绕组102的端部处执行差分电压读取。

初级绕组电压102的这种差分读取可以通过模拟电路或通过随后的采集的数值处理来执行。

因此，检测模块2优选地具有差分获取元件2a。

检测模块2优选地被配置为存储与在初级绕组102的端部处的差分电压波形相对应的信息。

检测模块2还可以包括模数转换器2b。

因此，第一信号V₁可以是信息的数字流或模拟信号。

此外，优选地，检测模块2包括至少一个调节电路3，该调节电路具有使差分电压在初级绕组102的端部处可用的功能。

优选地，调节电路3可操作地位于差分获取元件2a的上游。

所述调节电路3设置有至少一个低通滤波器3a，以衰减不希望的干扰和/或振荡。

此外，优选地，调节电路3还包括允许降低电压的衰减元件3b(例如，阻尼网络)。

因此，有利地，检测模块在输出端提供第一信号V₁，该第一信号V₁被衰减并被适当滤波，容易“读取”并且能够被处理。

用于检测的设备1还包括用于在所述火花塞106处的击穿的识别模块4。

该识别模块4被配置为在识别之后生成所述击穿的信号表达S_bd。

识别模块4优选地包括在次级绕组103上的至少一个电流检测构件5。

该检测构件5优选地被配置为生成代表该次级电流的第二信号I₂。

检测构件5优选地包括电阻器5a，该电阻器5a可操作地放置在第二绕组103与基准(即接地)之间。

在其优选实施例中，检测构件5包括高通滤波器5b，以使第二信号I₂更容易读取。

更确切地说，高通滤波器5b的功能是将次级电流的分析集中在围绕由火花点火生成的电流的峰值的数据部分上，避免采集的同步与和火花点火无关的干扰一起发生。

至少一个比较构件6被设计成可操作地位于检测构件5的下游。

比较部件6(或比较器)被配置为将第二信号I₂，即其瞬时值与预定阈值进行比较。

当第二信号I₂的值超过所述阈值时，识别模块4优选地生成击穿的信号表达S_db。

更确切地说，作为比较的结果，是比较构件6提供(或不提供)击穿的信号表达S_bd。

比较构件6可以包括迟滞(hysteresis)，该迟滞允许S_bd信号对于处理模块7来说是足够健全和可理解的。

阈值优选地大于150mA。更优选地，阈值约为200mA。

根据本发明的一个方面，设备1还包括与检测2和识别4模块链接的处理模块7。

在这方面，实际上，该处理模块7被配置为接收第一信号V₁和火花塞的电极之间的击穿的所述信号表达S_bd。

处理模块7还被配置为随时间(转换和)积分第一信号V₁，以生成随时间增加的积分信号V_int。

用积分这一术语，我们可操作地表示将第一信号V₁转换成与其相关的积分信号V_int，并且V_int代表由第一信号V₁定义的曲线随时间所包含的面积，该第一信号V₁在时域中可以假定在一系列的最大值与最小值之间波动的瞬时值。

换句话说，处理模块优选地被编程用于计算从开关105断开到接收到击穿的所述信号表达S_bd的时间间隔中的第一信号S₁的曲线所包含的面积。

有利的是，第一信号V₁由此被单调信号替代，该单调信号经受更柔和的变化但仍随时间增加，这使得其更容易管理和分析。

注意，处理模块7优选地还被配置为对第一信号S₁进行滤波，以减小任何外部干扰的相关性。

更优选地，处理模块7被配置为将在当前燃烧循环期间检测到的第一信号S₁与在一个或多个先前燃烧循环中检测到的第一信号S₁的对应值相关。

更确切地说，在其优选实施例中，第一信号S₁与多个先前的第一信号S₁平均，以便对其波形进行滤波。

然后如上所述对所获得的平均值进行积分，计算从开关105的断开到击穿的信号表达S_bd的到达的时间瞬变中的由曲线所包含的面积。

为此，在信号V₁是对应于信息的数字流的信号的情况下，处理模块7包括积分元件7a，该积分元件7a被配置为从检测模块2接收第一信号V₁，被设计为计算该信号的积分并且被配置为提供积分信号V_int。

为此，在信号V₁是模拟信号的情况下，处理模块7优选地包括模拟/数字转换器元件7c，该模拟/数字转换器元件7c被配置为在转换期间积分第一信号V₁。

因此，该模拟/数字转换器元件7c被配置为从检测模块2接收第一信号V₁并提供积分信号V_int。

模拟/数字转换器元件7c优选为Sigma-Delta型。

为此，在信号V₁是模拟信号的情况下，处理模块7还可以包括模拟/数字转换器元件7b，该模拟/数字转换器元件7b被配置为从检测模块2接收第一信号V₁并提供信号V₂，以及积分器元件7a，该积分器元件7a被配置为从转换模块7b接收和转换第一信号V₂并提供积分信号V_int。

因此，积分信号V_int是数字信号。

处理模块7还被配置为在接收到击穿的所述信号表达S_db时确定所述积分信号V_int的(瞬时)值。

换言之，处理模块7被配置为在其接收到击穿的信号表达S_db的瞬时，即在由于在火花塞106的端部处的火花点火而导致次级电流超过阈值的瞬时，确定对应于积分信号V_int的值的击穿值V_int-bd。

因此，当次级电流超过阈值时，处理模块的积分7和/或由检测模块2对初级绕组102上的电压的检测被中断。

此外，处理模块7(或与其链接的另一设备)被配置为根据积分信号V_int的破裂值V_int-bd确定击穿电压值。

由于初级电压的积分与达到的击穿电压之间存在相关性，这种作用是可能的。

这种相关性是通过经验推导的关系式或点火线圈的数学模型来明确的。

根据经验推导的测量结果可以通过断裂关系或插值方程进行关联。

本发明的主题也是一种用于检测内燃机中的气缸点火系统的点火线圈中的击穿电压的方法，优选地但不是唯一地通过到目前为止所述的检测设备1来实现。

在这一点上，并且在不丧失任何一般性的情况下，将在可能的情况下并经必要的修正，将保持到目前为止在设备的描述中所使用的术语和数字参考，在作为本发明主题的方法的以下描述中。

首先，该方法涉及检测(或识别)开关105从闭合状态到断开状态的切换。

随后，优选地通过检测模块2检测初级绕组102上的电压。

然后生成代表初级绕组102上的电压趋势的第一信号V₁。

初级绕组102上的电压检测优选地涉及检测所述开关105的在集电极处的电压。

更优选地，初级绕组102上的电压检测步骤涉及在该绕组的端部处的电压的差分读取。

注意，第一信号V₁的检测和生成都是在检测到开关105的断开之后执行的。

然而，在替代的实施例中，至少可以连续地执行初级绕组102上的电压检测。

然后，优选地，对第一信号V₁进行滤波，以便消除或减小外部干扰的影响。根据上面所描述的，该滤波优选地通过将第一信号V₁与一个或多个先前信号(即先前燃烧循环的)的值和/或趋势平均来发生。

然后对第一、最好是滤波的信号V₁进行积分(随时间)，以便生成随时间增加的积分信号V_int。

对于术语“积分(integrate)”和“积分(integration)”的定义，请参考前面参考设备1讨论的内容。

在这一点上，该方法涉及根据当击穿发生时(即当火花在火花塞106的端部处被点燃时)的积分信号V_int的值确定击穿电压值(在单个燃烧循环中)。

就这一点而言，因此涉及在所述火花塞106的端部处的击穿的瞬时表达的识别步骤。

该识别步骤优选地涉及检测次级绕组103上的电流并生成(优选地)代表所述电流的第二信号I₂。

与前面的情况一样，检测步骤只能在开关105断开之后或连续地执行。

然后将所述第二信号I₂与预定阈值进行比较。

执行该比较以便在第二信号I₂超过预定阈值时识别击穿的瞬时表达。

更确切地说，比较第二信号I₂的瞬时值，并且当所述第二信号I₂大于(或等于)预定阈值时，识别击穿的瞬时表达。

结果，优选地生成该击穿的信号表达S_bd。

此时，该方法优选地涉及确定积分信号V_int的击穿值V_{int_bd}，该击穿值V_{int_bd}对应于当第二信号超过阈值I₂时积分信号V_int的值。

可以通过在接收到击穿的信号表达S_bd时中断第一信号V₁的积分，或者通过将积分的计算限制在从开关105的断开发生(并且被检测到)的瞬时到击穿的瞬时表达的时间间隔来确定击穿值。

一旦确定了积分信号V_int的击穿值V_{int_bd}，则根据积分信号的所述击穿值V_{int_bd}确定击穿电压值V_bd。

积分信号V_int与击穿电压V_bd之间的相关逻辑已经在前面说明，并且在作为本发明主题的方法的上下文中类似地有效。

本发明实现了其目的，因此获得了显著的优点。

实际上，结合使用积分电压信号和次级电流监测允许对击穿电压进行健全的监测，无论点火系统的性质如何，击穿电压都可以补偿初级电压中的高度不规则的趋势。

Claims

1.一种检测与内燃机中的气缸点火系统(100)的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的方法，所述线圈(101)包括初级绕组(102)和次级绕组(103)，其中：

-所述初级绕组(102)连接到电压产生器(104)，并设置有开关(105)，所述开关(105)能在断开状态与闭合状态之间切换；

-所述次级绕组(103)与火花塞(106)连接；

所述方法包括以下步骤：

-检测所述开关(105)从所述闭合状态切换到所述断开状态；

-检测所述初级绕组(102)上的电压，并在所述切换之后生成代表所述电压的第一信号(V₁)；

-对所述第一信号(V₁)进行积分以生成随时间增加的积分信号(V_int)；

-根据所述击穿时的所述积分信号(V_int)的值确定击穿电压值(V_bd)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定破裂电压值的步骤提供：

-识别在所述火花塞(106)的端部处的击穿的瞬时表达；

-确定与在所述击穿的所述瞬时表达处的所述积分信号(V_int)的值对应的所述积分信号(V_int)的击穿值(Vint_db)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述击穿的所述瞬时表达的识别步骤包括以下步骤：

-检测所述次级绕组(103)上的电流并生成代表所述电流的第二信号(I₂)；

-将所述第二信号(I₂)与预定阈值进行比较；

-当所述第二信号(I₂)超过所述预定阈值时，识别所述击穿的所述瞬时表达。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述初级绕组(102)的所述电压检测步骤提供所述初级绕组(102)上的所述电压的差分读取。

5.一种用于检测与内燃机中的气缸点火系统(100)的点火线圈连接的火花塞的电极之间的击穿电压的设备，所述线圈(101)包括初级绕组(102)和次级绕组(103)，其中：

-所述初级绕组(102)连接到电压产生器(104)，并设置有开关(105)，所述开关(105)能在断开状态和闭合状态之间切换；

-所述次级绕组(103)与火花塞(106)连接；

所述设备包括：

-初级电压检测模块(2)，所述初级电压检测模块(2)被配置为检测所述初级绕组(102)上的电压并生成代表所述电压的第一信号(V₁)；

-在所述火花塞(106)处的击穿的识别模块(4)，所述识别模块(4)被配置为生成代表所述击穿的信号(S_bd)；

-处理模块(7)，所述处理模块(7)与所述检测模块(2)和所述识别模块(4)相关联，并且被配置为：

接收所述第一信号(V₁)；

接收代表所述击穿的信号(S_bd)；

随时间积分所述第一信号(V₁)以生成随时间增加的积分信号(V_int)；

在接收到代表所述击穿的信号(S_bd)时，确定所述积分信号(V_int)的所述击穿值(V_{int_bd})；

根据所述积分信号(V_int)的破裂值(V_{int_bd})确定击穿电压值(V_bd)。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述检测模块(2)包括调节装置(3)，所述调节装置设置有至少一个低通滤波器(3a)以衰减不希望的干扰和/或振荡。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其中，所述识别模块(4)包括：

-在所述次级绕组(103)上的至少一个电流检测构件(5)，所述电流检测构件(5)被配置为生成代表所述电流的第二信号(I₂)；

-所述第二信号(I₂)与预定阈值的至少一个比较构件(6)，其中，代表所述击穿的信号(S_bd)是在所述第二信号(I₂)超过所述阈值的击穿瞬时生成的。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述次级绕组(103)上的所述电流的所述检测构件(5)包括高通滤波器(5b)或与所述高通滤波器(5b)相关联。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的设备，其中，所述开关(105)是隔离栅双极晶体管；所述检测模块(2)被配置为检测在所述开关(105)的集电极处的电压。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的设备，其中，所述检测模块(2)被配置为执行对所述初级绕组(102)上的电压的差分读取。