CN206206046U - 发动机缸内燃烧的反馈控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种发动机缸内燃烧的反馈控制装置，包括多极火花塞和离子电流探头、点火线圈和驱动器、电流检测及滤波电路，偏置电压源和电子控制单元，电流检测及滤波电路与多极火花塞连接，将多通道原始离子电流信号滤波转化为与电子控制单元兼容的电压信号，实时检测多极火花塞的离子电流信号，估算出缸内混合气浓度及燃烧相位参数，根据所获得的缸内燃烧参数信息以及实验标定数据，确定出发动机相关执行器的执行参数。本实用新型的优点是多极火花塞既可以用于点火，也可以用于测量离子电流，具有极大的灵活性；多点离子电流的测量，提高了发动机反馈控制的响应速度，最终提高燃油效率和降低排放。

Description

发动机缸内燃烧的反馈控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种发动机缸内燃烧检测领域，特别涉及一种发动机缸内燃烧的反馈控制装置。

背景技术

在内燃机的燃烧过程中对火焰的探测有利于准确判定燃烧的开始和火焰的传播。此外，在直喷式点燃发动机中，对于空燃比的预估可以确保点火的可靠性。这些信息可以用于确定最佳的空气和燃料管理策略以提高燃烧效率和降低污染物的排放。由于燃烧过程的复杂性，对于燃料喷射和缸内火焰传播过程很难进行数值模拟和建模。离子电流测量手段是用于火焰探测的方法之一。火焰锋面中含有的离子可以导通电流。在气缸内放置一个探头，探头的两极保持一定的电势差，当火焰经过探头时在两极形成闭合回路，该探头可以测量回路中的电流。离子电流的大小也与空燃比成比例。离子电流通常在理论空燃比时最大，并随着缸内燃料逐渐稀薄而降低。发动机缸盖已经布置了进气排气阀，火花塞，喷油器等，很难再有空间放置专用的离子电流探测探头。

在目前所有的应用中，发动机中的传统火花塞用于点火，同时也用作离子电流探测探头。现有的火花塞是单孔陶瓷芯，孔内放置了电极。由于共用电极，它在空间上将测量范围限制在火花塞附近，同时在时间上，它只能在火花塞点火结束后才开始测量。考虑到气缸顶部有限的空间，耐久性差，和/或很高的生产成本，专用的用于测量发动机内火焰传播的离子探头和光学测量装置仍仅限于科研领域。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是要提供一种既可以用于点火，也可以用于测量离子电流的发动机缸内燃烧的反馈控制装置，

为了解决以上的技术问题，本实用新型提供了一种发动机缸内燃烧的反馈控制装置，该反馈控制装置包括多极火花塞和离子电流探头、点火线圈和驱动器、电流检测及滤波电路，偏置电压源和电子控制单元，电流检测及滤波电路与多极火花塞连接，将多通道原始离子电流信号滤波转化为与电子控制单元兼容的电压信号，电子控制单元实时检测多极火花塞的离子电流信号，估算出缸内混合气浓度及燃烧相位参数，根据所获得的缸内燃烧参数信息以及实验标定数据，确定出发动机相关执行器的执行参数。

所述多极火花塞为三孔陶瓷芯，放置三个电极进行多点离子电流检测，三个电极沿周向均匀布置。所述三个电极的间隙是可调整的，即使是在稀燃条件下也能探测到火焰。

所述三个电极包括施加偏置电压的电极和与点火次级线圈连接的电极。施加偏置电压的电极用于检测离子电流，与点火次级线圈连接的电极用于产生火花。

所述三个电极的放电端均与一个直流电源的正极连接，三个电极的接地端分别通过一个电阻与直流电源的负极连接，其中有一个电极的放电端还与点火次级线圈连接，该电极的放电端反向连接一个高压二极管，三个电阻两端并联测量电压的离子电流探头。这三个电极都用于离子电流的测量，其中与点火次级线圈连接的电极还用于点火。通过检测三个电阻两端的电压可以计算得出离子电流。所述高压二极管隔离点火线圈和离子电流检测电路。

所述三个电极中的两个电极的放电端与一个直流电源的正极连接，此两个电极的接地端分别通过一个电阻与直流电源的负极连接，两个电阻两端并联测量电压的离子电流探头，此两个电极仅用于离子电流的测量。另一个电极的放电端与点火次级线圈连接，该电极仅用于点火。

所述三个电极中的两个电极的放电端与一个直流电源的正极连接，此两个电极以缸体为地极，地极通过一个电阻与直流电源的负极连接。此两个电极仅用于离子电流的测量。另一个电极的放电端与点火次级线圈连接，该电极仅用于点火。

所述点火线圈的初级设有控制电极产生火花的开关。

本实用新型的优越功效在于：

1） 多点离子电流的测量，提高了发动机反馈控制的响应速度；多点离子电流的测量用于快速响应和反馈控制系统中来控制燃料喷射和点火时间，最终提高燃油效率和降低排放；

2） 多电极火花塞可以方便地用于目前的气缸盖设计，而不需要考虑空间的限制，也不需要发动机大结构的改动；

3） 本实用新型多极火花塞的使用，可以通过多极火花塞中没有点火的电极来测量火花塞点火时的离子电流；因为现有的基于火花塞的离子电流测量装置由于与火花塞共用电极，所以在火花塞点火的时候无法进行测量，在这种情况下在火花起辉阶段无法探测到早期火核的发展；

4） 本实用新型多极火花塞既可以用于点火，也可以用于测量离子电流，具有极大的灵活性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型多电极火花塞的结构示意图；

图3为本实用新型多电极火花塞三个电极均能检测离子电流的检测电路图；

图4为本实用新型多电极火花塞三个离子电流检测电极的离子电流信号示意图；

图5为本实用新型多电极火花塞两个离子电流检测电极和一个点火电极的检测电路图；

图6为本实用新型多电极火花塞两个离子电流检测电极以缸体为地极的检测电路图；

图中标号说明

1— 多极火花塞； 2—陶瓷芯。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

下面结合附图详细说明本实用新型的实施例。

图1示出了本实用新型的电路原理框图。如图1所示，本实用新型提供了一种发动机缸内燃烧的反馈控制装置，该反馈控制装置包括多极火花塞1和离子电流探头、点火线圈和驱动器、电流检测及滤波电路，偏置电压源和电子控制单元，电流检测及滤波电路与多极火花塞连接，将多通道原始离子电流信号滤波转化为与电子控制单元兼容的电压信号，电子控制单元实时检测多极火花塞1的离子电流信号，估算出缸内混合气浓度及燃烧相位参数，根据所获得的缸内燃烧参数信息以及实验标定数据，确定出发动机相关执行器的执行参数，如喷油控制，点火能量和时刻控制，可变气门定时控制，进气增压控制以及废气再循环等。

上述的点火线圈和驱动器采用汽车上常规使用的点火系统零部件；发动机系统为常规的；电流检测及滤波电路为模块化单元，滤波电路可以消除点火噪音；偏置电压源采用直流电压转换器，从12V电池电压转换而来。

图2示出了本实用新型多电极火花塞的结构示意图。所述多极火花塞1为三孔陶瓷芯，放置三个电极G1、G2、G3，进行多点离子电流检测，三个电极G1、G2、G3沿周向均匀布置。所述三个电极的间隙是可调整的，即使是在稀燃条件下也能探测到火焰。

所述三个电极包括施加偏置电压的电极和与点火次级线圈连接的电极。施加偏置电压的电极用于检测离子电流，与点火次级线圈连接的电极用于产生火花。

所述点火线圈的初级设有控制电极产生火花的开关。

图3示出了本实用新型多电极火花塞三个电极均能检测离子电流的检测电路图。如图3所示，三个电极G1、G2、G3都用于离子电流的测量。采用一个直流电源给三个电极施加偏置电压，电压范围在50～1000V，取决于电极间距和缸内混合气的浓度。当燃烧产生的活化产物经过电极间隙时，所施加的偏置电压会在电极间隙内产生离子电流。离子电流可以在电极G1或G2或G3与公共负极之间形成三个隔离回路。通过测量流经电阻R1、R2和R3的电流来实现离子电流测量。燃烧产生的离子电流将测量电阻两端产生电压差。通过检测电阻两端的电压可以计算得出离子电流。其中，电极G1与点火线圈相连，用于产生火花点燃缸内混合气。高压二极管D1用来隔离点火线圈和离子电流检测电路，从而保证两个电路互不影响。点火线圈的初级线圈与一个直流电源相连，电源电压为汽车上常用的12V。晶体管S1的关断可以控制电极G1产生火花。高压二极管D1同时也将电极G2和电极G3与点火线圈隔离，因而这两个电极G2、G3不直接产生火花。电极G2和G3专门用于检测离子电流。由于偏置电压也施加在电极G1上，因而G1也可以用来测量离子电流，但由于无法隔离火花放电电流，因此只能用来检测火花放电结束后的离子电流。而电极G2和G3上没有火花放电的电流，因此可以用来测量发动机点火过程中的离子电流。这一点对于新型的点火系统特别重要，比如，采用了废气再循环的发动机需要延长火花放电持续期来保证可靠点火。电极G1放电时可能会在电极G2和电极G3上产生高压电干扰，这个电磁干扰可以通过滤波电路和算法来去除。由于缸内离子电流信号并不是均匀分布，点燃式发动机上利用传统火花塞所进行的单点测量方式理论上并不能完全代表缸内燃烧情况，故通常用多次采样取平均值的办法，每个发动机循环也只能获得一个离子电流信号。采用多级火花塞每次测量可以得到火花塞附近三个点的离子电流信号，与传统的单点测量方式相比，有效的改善了信号的容错性，同时提高了采集效率。

图4示出了本实用新型多电极火花塞三个离子电流检测电极的离子电流信号示意图。如图4所示，三个波形的峰值分别为V1、V2和V3。离子电流信号的峰值和缸内混合气的浓度和残余废气有关。一般较强的燃烧过程会产生较高的离子电流信号。t2和t3分别为电极G2和电极G3的离子电流信号起始点，是相对于火花点火时刻的相对时间。对这三个信号进行平均，将获得更准确的缸内燃烧和火焰传播的信息。由于燃烧的不确定性，离子电流信号波形一般也会有较大波动。当采用传统的单点测量时，需要对多个燃烧循环的信号进行平均来获得一个相对稳定的信号波形。而且由于信号波动导致用于定量分析的信息不可靠。这就限制了进行发动机反馈控制的响应速度。而采用多点同时测量，可以减少或者不需要进行多循环平均，并且提高定量信息的可靠性。这对于实施基于循环或者循环内的发动机反馈控制来说是很有利的。电极G2和电极G3上测得的最大电压与火花塞附近的局部燃料-空气当量比相关。在接近当量比的条件下信号强度最强，随着空燃比增大，燃料逐渐稀薄，信号逐渐减弱。由于火焰从电极G1开始产生，根据t2，t3以及电极G1到电极G2的距离和电极G1到电极G3的距离可以确定点火初期火焰的速度。而且t2和t3也与火花塞附近的空燃比相关，这个信息也可用来估算火花塞附近的空燃比。

图5示出了本实用新型多电极火花塞两个离子电流检测电极和一个点火电极的检测电路图。如图5所示，电极G1只用于点火，而没有被施加偏置电压。离子电流只从电极G2和G3测量。火花塞点火过程中高压电极会由于频繁的电击穿而造成损耗。高压电极在长时间工作后可能产生积碳、形变等变化，进而影响离子电流信号的测量。采用本实用新型的多级火花塞，电极G2和G3仅用于离子电流的测量，可以有效保护离子电流测量电极，提高离子电流信号测量值的稳定性。

图6示出了本实用新型多电极火花塞两个离子电流检测电极以缸体为地极的检测电路图。如图6所示，电极G1只用于点火，电极G2和电极G3没有与之对应的地极。如前所述，采用传统火花塞测量离子电流时，因受结构所限，只能测量火花塞间隙的离子电流。而离子电流在缸内的分布并不均匀，尤其在非均质混合气燃烧的情况，故此种测量方法并不能反映缸内整体离子电流的强度。采用图6所示的结构，发动机缸体将成为与高压电极对应的地极，而经过回路的离子将来自缸内各个部分，理论上可以更为准确的测量由缸内混合气燃烧所产生的离子电流。

由于日渐严格的排放和燃烧效率法规，气缸内火焰测量可能成为未来机动车发展的一项关键技术。火焰速度和局部空燃比测量数据可以为发动机电子控制单元提供有效的反馈来防止发动机在高排放和高油耗的条件下运行。此外，火焰探测和火焰速度的测量可以用于识别发动机的非正常工况，比如早燃或失火。

本实用新型多极火花塞既可以用于点火，也可以用于测量离子电流，具有极大的灵活性。如，在稀燃条件下，为了保证正常点火，火花塞的两个电极可以用于打火花，而第三个电极则可以用于测量。在当量比条件下，一个电极可以用于打火花，而另外两个电极则可以用于测量。

以上所述仅为本实用新型的优先实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种发动机缸内燃烧的反馈控制装置，其特征在于：该反馈控制装置包括多极火花塞和离子电流探头、点火线圈和驱动器、电流检测及滤波电路，偏置电压源和电子控制单元，电流检测及滤波电路与多极火花塞连接，将多通道原始离子电流信号滤波转化为与电子控制单元兼容的电压信号，电子控制单元实时检测多极火花塞的离子电流信号，估算出缸内混合气浓度及燃烧相位参数，根据所获得的缸内燃烧参数信息以及实验标定数据，确定出发动机相关执行器的执行参数。

2.根据权利要求1所述的发动机缸内燃烧的反馈控制装置，其特征在于：所述多极火花塞为三孔陶瓷芯，放置三个电极进行多点离子电流检测，三个电极沿周向均匀布置。

3.根据权利要求2所述的发动机缸内燃烧的反馈控制装置，其特征在于：所述三个电极包括施加偏置电压的电极和与点火次级线圈连接的电极。

4.根据权利要求2所述的发动机缸内燃烧的反馈控制装置，其特征在于：所述三个电极的间隙是可调整的。

5.根据权利要求2所述的发动机缸内燃烧的反馈控制装置，其特征在于：所述三个电极的放电端均与一个直流电源的正极连接，三个电极的接地端分别通过一个电阻与直流电源的负极连接，其中有一个电极的放电端还与点火次级线圈连接，该电极的放电端反向连接一个高压二极管，三个电阻两端并联测量电压的离子电流探头。

6.根据权利要求2所述的发动机缸内燃烧的反馈控制装置，其特征在于：所述三个电极中的两个电极的放电端与一个直流电源的正极连接，此两个电极的接地端分别通过一个电阻与直流电源的负极连接，两个电阻两端并联测量电压的离子电流探头，另一个电极的放电端与点火次级线圈连接。

7.根据权利要求2所述的发动机缸内燃烧的反馈控制装置，其特征在于：所述三个电极中的两个电极的放电端与一个直流电源的正极连接，此两个电极以缸体为地极，地极通过一个电阻与直流电源的负极连接，另一个电极的放电端与点火次级线圈连接。

8.根据权利要求1所述的发动机缸内燃烧的反馈控制装置，其特征在于：所述点火线圈的初级设有控制电极产生火花的开关。