CN201096827Y - 火花塞离子电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种火花塞离子电流检测电路，包括偏置电压源电路、分压电路、点火线圈、火花塞、高压隔离电路和信号预处理电路，点火线圈的次级通过高压隔离电路的放电管与火花塞串联连接，偏置电压源电路的负极与分压电路串联后入地，偏置电压源电路的正极与火花塞之间通过高压隔离电路中的高压硅堆串联连接，被检测的离子电流信号经分压电路取出后通过信号预处理电路送入发动机ECU。有益效果是：本实用新型采用有效隔离措施，完全隔离了放电过程中等离子电流的影响，使火花塞离子电流信号完整、准确地呈双峰值状态。

Description

火花塞离子电流检测电路

技术领域

本实用新型涉及一种点燃式发动机，特别是涉及一种点燃式发动机中火花塞离子电流检测电路。

背景技术

点燃式发动机缸内混合气在火花点火、火核形成、火焰传播等燃烧过程中会产生大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子，使燃气具有一定的电导性。如果在火花塞两极间施加一个直流偏置电压，在外加电场的作用下，带电粒子发生定向迁移就会形成所谓的火花塞离子电流。

火花塞离子电流信号载有丰富的与发动机缸内燃烧过程相关的信息。随着人们对火花塞离子电流的认识逐步深入、检测电路不断完善及信号处理技术日益成熟，近十年来，国内外学者对火花塞离子电流在内燃机控制方面的应用作了大量的有益的探索性研究。归纳起来主要在爆震控制、配气相位检测、失火侦测、空燃比控制及燃烧过程监测等方面。

为了在火花塞电极间产生离子电流，必须在电极两端加上合适的偏置电压。然后通过测量分压电阻上电压，计算出离子电流的大小。图1是现有技术中两种离子电流检测电路；其中图1a的检测电路中离子电流检测的分压电路并联于火花塞电极之间，采用高压二极管D1和D2作为高压隔离，采用90V直流电源为火花塞间隙间施加偏置电压；图1b的检测电路中离子电流检测的分压电路串联于火花塞电极和点火次级线圈的放电回路之中，采用电容11在点火放电时被充电至100V左右后，作为火花塞间隙间施加偏置电压的电压源。以上两种离子电流检测电路存在以下缺点：图1a高压隔离效果不够理想，检测的离子电流信号中叠加有点火放电时产生的放电电流信号，影响了离子电流信号的准确提取和实际应用；图1b火花塞离子电流信号受高压放电点火后次级线圈电压振荡信号的影响，二是电容11随着放电的进行端电压下降，导致施加在火花塞间隙间的偏置电压下降，而偏置电压本身对离子电流影响较大，使得离子电流信号不能准确地反映发动机缸内燃烧状态。

图2是现有技术离子电流图，如图2所示，离子电流呈3峰值状态，第一峰值主要是放电过程中的等离子电流，其大小取决于点火系统的结构及其特性，它叠加在正常的火花塞离子电流信号上，使火焰前锋期离子电流信号很难提取，属干扰信号，应加以过滤。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服已有技术的缺点，提供一种使检测到的离子电流完全隔离点火放电的影响，施加的偏置电压恒定，离子电流能够准确地反映发动机缸内燃烧状态的离子电流检测电路。

本实用新型所采用的技术方案是：一种火花塞离子电流检测电路，包括偏置电压源电路、分压电路、点火线圈、火花塞、高压隔离电路和信号预处理电路，点火线圈的次级通过高压隔离电路的放电管与火花塞串联连接，所述偏置电压源电路的负极与所述分压电路串联后入地，所述偏置电压源电路的正极与所述火花塞之间通过高压隔离电路中的高压硅堆串联连接，被检测的离子电流信号经分压电路取出后通过信号预处理电路送入发动机ECU。

所述高压隔离电路包括陶瓷气体放电管、高压硅堆和的高压电阻，陶瓷放电管型号为Z2R800，高压硅堆型号为2CL2FK，高压电阻为5MΩ；所述偏置电压源电路为DC/DC电源转换模块电路，所述电源转换模块电路中的PWM电路控制器件选用电流型脉宽调制芯片TL494；所述信号预处理电路采用AD210芯片为核心进行的级间隔离与滤波。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用有效隔离措施，完全隔离了放电过程中等离子电流的影响，使火花塞离子电流信号完整、准确地呈双峰值状态。

附图说明

图1是现有技术中已有火花塞离子电流检测电路；

图2是现有技术中离子电流波形示意图；

图3是本实用新型火花塞离子检测电路原理图；

图4是本实用新型偏置电压源原理框图；

图5是本实用新型离子电流信号波形图。

具体实施方式

如图3所示，本实用新型离子电流检测电路由高压隔离电路3、偏置电压源电路5、分压电路以及信号预处理电路4组成。高压隔离电路阻断点火系统的点火高压加至检测电路，同时提供偏置电压施加至火花塞2上的通路；偏置电压源电路能产生500V的直流电压，R1和R2是偏置回路中的分压电阻，当合适的偏置电压使火花塞间隙间游离子定向迁移时即形成离子电流，离子电流流经R2时产生压降，R2上的电压大小可以反映离子电流信号的强弱。将R2上电压信号经信号预处理电路进行隔离放大后送入发动机ECU。

高压隔离电路由陶瓷气体放电管31、高压硅堆32和高压电阻组成。陶瓷放电管型号为Z2R800，击穿电压为800V，将其串联在点火系统的高压放电回路Isp内。高压硅堆型号2CL2FK，反向击穿电压为40kV，将其与5MΩ高压电阻一起串联在形成火花塞离子电流的偏置电压回路Ion内。当点火时，点火线圈1产生高压电，先击穿陶瓷放电管，并在火花塞间隙间跳火、放电，形成点火放电电流，该电流并非我们要检测的离子电流，此时高压硅堆及高压电阻阻断点火高压电，避免其施加于离子电流检测的分压电路上，故R2上无分压，即无离子电流；点火系统高压放电后，偏置电压经高压硅堆、火花塞及分压电阻R2、R1构成回路Ion，在火花塞间隙间施加一定的直流电压，使火花塞间隙间游离子及自由电子定向迁移，形成火花塞离子电流，此时，由于偏置电压小于陶瓷气体放电管的击穿电压，所以偏置电压回路与点火电流隔离，R2上的压降仅由离子电流形成，故R2上的电压信号的大小即反映了实际火花塞离子电流信号的强弱。

如图4所示，偏置电压源是一个DC/DC电源转换模块电路，其输入电压为12V，输出电压为0～800V可调直流电压，额定输出电流5mA。该DC/DC变换器采用当前国际电源界认为可靠性很高的单端正激PWM调制方案，原理如图3所示。当MOSFET被PWM脉宽调制控制器输出的脉冲驱动而交替导通和截止时，输入电压Vin施加在变压器初级线圈上的回路便在不断地开闭，引起变压器磁心内磁通变换，次级线圈即产生交变的感应电势，经整流滤波电路整流后向外输出直流电压Vout。输入电压Vin、输出电压Vout和PWM控制器输出脉冲的占空比D之间近似地存在如下关系：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{1}{1-D}$ 即： $V_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{1-D}$

可见，PWM控制器调制的脉冲占空比越大，则输出直流电压越高。

PWM电路控制器件选用电流型脉宽调制芯片TL494，取样网络将输出直流电压反馈至误差比较器的反向输入端，与电压基准经调压电位器获取的参考电压比较后，输出误差信号至PWM控制器用于调节驱动MOSFET管的脉冲占空比，达到调节输出直流电压的目的。由于MOSFET与双极性晶体管相比，具有开关速度快，输入阻抗高，易于驱动，没有二次击穿，可靠性高，参数一致性好等优点，因此在本离子电流检测电路的设计中选用MOSFET作为主开关器件。在实际安装时，尽量缩短各管脚引线的长度，以消除寄生振荡。

所述信号预处理电路是以AD210芯片为核心的隔离与滤波电路。AD210是一种精度高、成本低、体积小的变压器耦合三端隔离放大器。这种三端隔离结构是在自动善本过程中采用先进的表面安装技术制造的，所以该芯片的性能大大超过了同类产品的性能。由于AD210能够割断回路和漏电通路抑制共模电压和测量精度的噪声，所以它能提高高精度和优良的电隔离，同时也可在测量系统中其他电路发生故障时提供保护功能。

如图5所示，本实用新型采用有效隔离措施，完全隔离了放电过程中等离子电流的影响，使火花塞离子电流信号完整、准确地呈双峰值状态。

Claims (2)

1.一种火花塞离子电流检测电路，其特征在于：包括偏置电压源电路、分压电路、点火线圈、火花塞、高压隔离电路和信号预处理电路，点火线圈的次级通过高压隔离电路的放电管与火花塞串联连接，所述偏置电压源电路的负极与所述分压电路串联后入地，所述偏置电压源电路的正极与所述火花塞之间通过高压隔离电路中的高压硅堆串联连接，被检测的离子电流信号经分压电路取出后通过信号预处理电路送入发动机ECU。

2.根据权利要求1所述的火花塞离子电流检测电路，其特征在于：所述高压隔离电路包括陶瓷气体放电管、高压硅堆和的高压电阻，陶瓷放电管型号为Z2R800，高压硅堆型号为2CL2FK，高压电阻为5MΩ；所述偏置电压源电路为DC/DC电源转换模块电路，所述电源转换模块电路中的PWM电路控制器件选用电流型脉宽调制芯片TL494；所述信号预处理电路采用AD210芯片为核心进行的级间隔离与滤波。

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