具有離子感測和AC振鈴抑制的電容性點火系統的制作方法

本發明涉及一種具有離子感測的電容性點火系統，其包括點火線圈，具有連接到用于為點火發動(spark)事件提供能量的能量源的初級繞組和次級繞組，該次級繞組的第一端子連接到火花塞使得次級繞組兩端的次級電壓被施加到火花塞的火花隙，在點火線圈的次級側上用于在用于離子感測的點火發動事件之后向火花隙提供偏置電壓的電離電流偏置和測量電路系統，以及連接在次級繞組兩端的二極管。本發明還涉及一種用于在具有離子感測的電容性點火系統中發生點火發動事件之后阻尼ac振鈴的方法。

背景技術：

眾所周知，可以使用在火花塞的火花隙兩端的電離電流來分析內燃機的燃燒過程。當火花塞點火發動時，火花隙周圍的氣體被電離。如果在發生點火發動事件之后在火花隙兩端施加電壓，則電離的氣體使得電離電流在火花隙兩端流動，這可以使用合適的檢測電路來測量和分析。測量和分析電離電流(所謂的離子感測)允許檢測失火，引擎爆震、峰值壓力、惡化的火花塞(火花塞污垢)以及引擎或燃燒過程的其它特性。來自離子感測的信息還能夠校正或調整點火參數，以便適應不同的負載條件或者通過例如影響空氣/燃料比來改善引擎的性能或減少排放或燃料消耗。在現有技術中存在許多用于檢測、測量和分析電離電流的已知方法和系統。

點火系統通常使用具有初級和次級繞組的點火線圈。點火發動所需的能量從初級繞組供給到次級繞組，使得次級繞組兩端的次級電壓被施加到火花隙。依賴于初級側上用于在初級繞組兩端生成初級電壓的能量源，在感應式點火系統和電容性點火系統之間有所不同。

在感應式點火系統中，能量存儲在初級繞組中，其被釋放用于點火發動。為此，與初級繞組串聯的初級開關接通，用于加載連接到電源電壓的初級線圈。當初級開關關斷時，發生點火發動。感應式點火(也具有離子感測)例如從us5,230,240a中是眾所周知的。在us5,230,240a中，示出了在次級繞組兩端的二極管，其在初級開關接通以加載初級線圈時防止不期望的點火發動。當開關接通時，這個二極管被正向偏置，而當開關被關斷時，該二極管被反向偏置。因此，二極管在火花塞電極兩端的期望火花擊穿發生之前導通。次級繞組兩端的二極管將需要在每次初級開關導通時傳導大量電流，然后需要再次耗散功率。這將顯著地增加二極管的負擔，并且將需要具有高額定功率的二極管。

在電容性點火系統中，點火線圈的初級側上的存儲電容器存儲用于點火發動的能量。存儲電容器經初級繞組放電，以在初級繞組兩端生成初級電壓，例如，通過接通將電容器與初級繞組連接的開關。在點火發動事件之后，電容器被再充電，用于下一個點火發動事件。通過電容性點火，有可能生成短持續時間、高功率的火花，并且因此特別適于點燃諸如在燃氣引擎中的稀化混合物。

電容性點火(也具有離子感測)例如從wo2013/045288a1中是眾所周知的。在wo2013/045288a1中，電阻器與火花塞串聯連接，用于測量電離電流。通過在初始火花擊穿之后在初級側上重復地使存儲電容器放電來生成用于離子感測的在火花塞電極兩端的所需的偏置電壓。

在經由火花隙的離子感測的燃燒監測中的主要挑戰是在點火發動事件之后在點火線圈的次級繞組中的次級電壓的關聯振鈴的最小化。線圈次級繞組是每當產生火花時具有流經其的dc電流(直流電流)的電感器。當火花熄滅時，次級dc電流瞬間下降至零，因此線圈次級繞組的充電電感試圖維持先前的電流流動。但是，因為次級路徑現在對處于可用的次級電壓的dc電流的流動具有高抗性，所以唯一可以流動的電流是通過火花塞間隙的寄生電容的ac電流(交變電流)。這個ac電流造成次級電壓的振鈴。這個寄生ac電流的量值常常遠大于對于離子感測感興趣的信號的dc離子電流，這使得離子感測困難。這種現象傳統上通過多種不同的方法來管理，即，減小的線圈阻抗和在電路的初級側上的有源“關斷”電路。減小的線圈阻抗可以顯著地影響點火性能，因為具有減小的線圈阻抗的線圈通常以有限的輸出能量輸送非常短持續時間的火花。另一方面，初級側上的有源“關斷”電路可以改善次級繞組上的振鈴行為，但是難以有效地實現并且具有有限的益處。

從ep1990813a1中已知一種具有離子感測的感應式點火系統和用于減小次級電壓的振鈴的裝置。對于離子感測，在點火線圈的次級側上的電容器在火花電流的流動期間被充電。在發生火花擊穿之后，電容器放電，以在火花塞電極兩端生成偏置電壓，用于檢測所測量的電離電流。為了減小將影響電離電流的測量的次級電壓的振鈴，在點火線圈的初級側上布置與二極管串聯的附加控制繞組。這個二極管被定向成使得其僅在與火花電流相對的電流(例如電離電流)流動時才被正向偏置，因此其在點火發動事件期間不導通。在火花熄滅之后，控制繞組和二極管協作，以耗散線圈中的殘余電荷，以便限制振鈴。但是，二極管在點火線圈初級側的充電期間引入增量寄生損耗，這將不利地增加對線圈初級側充電所需的能量的量。

具有離子感測的另一種電容性點火系統在ep879355b1中示出，該系統在次級側上使用附加的能量源，用于生成高電流火花電弧，并且還用于生成用于離子感測的在火花塞電極兩端的所需的偏置電壓。初級側的能量源僅用于在火花隙兩端產生火花。為此，高電壓二極管連接在次級繞組兩端。如果初級側上的電容器被放電用于點火發動，則在次級繞組上產生高電壓。這種高電壓也施加在火花隙兩端并且使火花隙周圍的物質電離并產生火花。一旦火花隙被電離，連接到次級線圈的次級側能量源就提供所需的電流，該電流經電離的火花隙流動，以生成用于點火發動事件的電弧。這個火花電流也經正向偏置的高電壓二極管流動，這確保次級側能量源從點火線圈的初級側解耦。高電壓二極管用于向火花供給功率。由連接到線圈次級側的次級側能量源供給的用于產生火花的能量在次級繞組和高電壓二極管中快速耗散。此外，在點火發動事件之后，次級側能量源還提供用于離子感測的電離電流。這個電離電流再次經正向偏置的高電壓二極管流動，并且在離子感測期間，高電壓次級側再次從點火線圈的初級側解耦，以防止兩個分離的隔離的能量源的不期望的交叉傳導或交互。附加的能量源在硬件以及能量源的定時和控制方面增加了點火系統的復雜性。次級繞組和高電壓二極管受到顯著的熱負擔。因此，點火線圈和高電壓二極管都必須被設計或選擇為承受由次級側高電壓二極管傳導火花電流和電離電流二者的事實所造成的這種高熱負荷。在ep879355b1中，使用低通濾波器來調節電離電流信號。由于次級側能量源的極性，次級振鈴電壓不被高電壓二極管抑制，這可以在ep879355b1的圖5a和5b的波形中看到。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于容易地減少電容性點火系統中在點火發動事件之后次級電壓的ac振鈴的方法和裝置。

這個目的是這樣實現的，即，二極管連接在次級繞組兩端，使得它對于在火花塞的點火發動事件期間流經火花隙的火花電流被反向偏置，并且它對于在點火發動事件之后的ac振鈴電壓被正向偏置。在點火發動事件之后，連接在次級繞組兩端的正向偏置的靜噪二極管迫使次級電流流經次級繞組。當火花結束時由次級振鈴電壓造成的流經次級繞組的次級電流被迫使流經連接在次級繞組兩端的正向偏置的靜噪二極管，因為在點火發動事件后靜噪二極管縮短了次級繞組。通過靜噪二極管，保持存儲在點火線圈的次級繞組中的電能在次級繞組的電阻中被快速耗散，因為在次級繞組中流動的電流被迫使流經由正向偏置的靜噪二極管提供的低阻抗路徑。以這種方式，次級電流被保持遠離火花隙，并且因此在點火發動事件之后不影響離子感測。因此，防止次級ac電流在點火發動事件之后流經火花隙，由此不影響用于離子感測的流經火花隙的小dc電離電流。

在有利的、易于實現的實施例中，電離電流偏置和測量電路系統連接到次級繞組的第二端子，并且包括偏置電容器，該偏置電容器連接到該第二端子并且在點火發動事件期間通過火花電流充電并在點火發動事件之后放電用于提供偏置電壓。

特別有利的是使用具有在點火線圈的最大額定電壓范圍內的雪崩擊穿電壓的靜噪二極管。當具有這種雪崩擊穿電壓的靜噪二極管暴露于高于雪崩擊穿電壓的火花電壓時，火花電壓由于靜噪二極管的雪崩擊穿發生而受到限制，并且點火線圈被保護不受由于高電壓造成的損壞。

附圖說明

下面參考圖1至4更詳細地解釋本發明，圖1至4通過示例并且以非限制性方式示意性地示出本發明的有利實施例，如下：

圖1是根據現有技術的電容性點火系統，

圖2是根據本發明的具有靜噪二極管的電容性點火系統，

圖3a是不帶有發明性靜噪二極管的通過火花隙的電流和次級電壓，

圖3b是帶有發明性靜噪二極管的通過火花隙的電流和次級電壓，以及

圖4是點火發動事件的尾端部分的放大視圖。

具體實施方式

從現有技術中已知并且如圖1中所示的電容性點火系統1包括具有初級繞組3和次級繞組4的點火線圈2。存儲電容器c1在點火線圈2的初級側上提供，其存儲用于點火發動事件所需的能量。存儲電容器c1由電源電壓v0充電。開關sw，例如像晶體管的半導體開關，與初級繞組3串聯連接。存儲電容器c1有利地(但不是必需)與初級繞組3并聯連接，如圖1中所示。次級繞組4的第一端子t1以已知的方式與接地的火花塞5連接，使得次級繞組4兩端的次級電壓vs被施加到火花隙8。

如果開關sw接通，例如在控制單元ecu的控制下，則存儲電容器c1經由初級繞組3和可選的可能的電阻器r1放電，從而在次級繞組4兩端造成次級電壓vs。這個次級電壓vs被施加到火花塞5的火花隙8。當次級電壓vs足夠高時，在火花隙8兩端發生火花擊穿，并且火花電流ispark流入火花隙8，用于維持火花隙8兩端的電弧(也參見圖3a)。用于點火發動事件(即，用于產生火花并用于維持電弧)的電能由點火線圈2的初級側上的能量源提供。在點火發動事件期間，連接到火花塞5的點火線圈2的第一端子t1變為負，并且火花隙8兩端的電壓基本上恒定，并且火花電流ispark的幅值逐漸降低。在點火發動事件之后的某個時間，即，在火花熄滅之后，可以測量電離電流iion，如下所述。

電容性點火系統1還包括電離電流偏置和測量電路系統6，測量電路系統6測量火花隙8兩端的電離電流iion并提供與電離電流iion成比例的測量信號im。電離電流偏置和測量電路系統6可以以許多不同的方式實現，例如如圖1中所示。電離電流iion可以以本領域技術人員已知的許多不同方式測量。電離電流偏置和測量電路系統6連接到次級繞組4的通常連接到地的第二端子t2。測量信號im可以在信號調節單元7中被進一步處理，例如，通過進行濾波或通過利用如圖1中所示的電流放大器的放大，并且作為離子信號is輸出。

電離電流偏置和測量電路系統6包括例如與二極管d2并聯連接的偏置電容器c2，二極管d2連接到次級繞組4的第二端子t2。偏置電容器c2和二極管d2還連接到相對地定向、并聯連接的二極管d3、d4，二極管d3、d4又經由電阻器r2連接到地。測量電阻器rm串聯連接到并聯連接的偏置電容器c2和二極管d2以及并聯連接的二極管d3、d4之間的連接。經測量電阻器rm流動的電流是測量信號im。當然，也有可能以許多其它方式測量離子電流。

當火花電流ispark由于火花隙8兩端的火花擊穿而流動時，火花電流ispark也經由結果所得的電流路徑(次級繞組4–偏置電容器c2–二極管d4–(可選的)電阻器r2–地–火花隙8)對偏置電容器c2進行充電。在火花熄滅之后，偏置電容器c2放電并將dc偏置電壓vdc提供給離子感測所需的火花隙8。這個dc偏置電壓vdc造成在與火花電流ispark相反的方向流動的電離電流iion。

在圖3a中，示出了結果所得的次級電壓vs信號和經火花隙8流動的電流igap(即，火花電流ispark和電離電流iion)的信號。圖3a繪出了兩個隨后的點火發動事件。在時間t1，開關sw導通，從而造成高的次級電壓vs。一旦達到擊穿電壓，火花隙8兩端就發生火花擊穿，并且火花電流ispark流動。火花電流ispark隨著存儲電容器c1放電而減小。在時間t2火花熄滅之后，因為點火線圈2由于在初級側可用的有限能量而不能再維持火花電流ispark經火花隙8的流動，所以偏置電容器c2向火花隙8提供dc偏置電壓，從而使得電離電流iion流動。在火花熄滅之后點火線圈2的典型開路ac振鈴電壓vr疊加到偏置電容器c2的dc偏置電壓。結果所得的流經火花隙8的電離電流iion(其量值遠小于火花電流ispark)由小的dc電離電流iion組成，其產生與由線圈次級ac振鈴電壓vr(如圖3a所示)造成的大得多量值的ac振鈴電流組合的感興趣的小dc電離電壓。這使得測量小dc電離電流困難。

為了避免開路ac振鈴電壓vr在點火發動事件之后影響電離電流iion，高電壓靜噪二極管d1(例如，40kv的靜噪二極管)連接在次級繞組4兩端，即，與次級繞組4并聯，或者換句話說，連接在根據本發明的點火線圈2的次級繞組4的第一端子t1和第二端子t2之間，如圖2中所示。這個靜噪二極管d1以這樣一種方式連接，使得其對于流動的火花電流ispark被反向偏置，從而迫使火花電流ispark經火花隙8和次級繞組4流動。為此，靜噪二極管d1的陰極連接到點火線圈2的次級繞組4的第二端子t2，在所示的實施例中，電離電流偏置和測量電路系統6也連接到該第二端子t2。

在點火發動事件之后，在電離電流iion流動的時間之前和期間，靜噪二極管d1具有使得次級繞組4處的開路ac振鈴電壓vr處于被鉗位到簡單正向偏置二極管壓降的第一相反極性環(電壓擺動)的效果。由此，當次級繞組電流ir(在圖2中指示)被迫使通過正向偏置的靜噪二極管d1流經次級繞組4時，局部次級繞組電流ir保持遠離電離電流偏置和測量電路系統6，其中正向偏置的靜噪二極管d1為這個電流ir提供非常低阻抗的路徑。給定直接在點火線圈2兩端的次級繞組4的這個低阻抗路徑，這個次級繞組電流ir不流經火花隙8的電容，因為電壓電勢僅存在于次級繞組的兩個端子t1、t2之間并且被靜噪二極管d1短路。結果，在點火放電事件之后剩余的感應式線圈能量在線圈次級繞組4內部以i²r損耗的形式被快速消耗，其中電流i流經次級繞組4，并且流經次級繞組4的電阻r。因此，不想要的ac振鈴次級繞組電流ir保持遠離火花隙8，并且不影響電離電流偏置和測量電路系統6中電離電流iion的測量。靜噪二極管d1不影響電容性點火系統1的正常操作，而是僅僅抑制點火發動事件之后不期望的線圈振鈴。在圖3b中繪出了靜噪二極管d1的效果。可以清楚地看出，在點火發動事件之后的ac振鈴已經被消除。

圖4示出了點火發動事件的尾端部分的放大視圖。ac振鈴電壓vr已經被消除，并且由對偏置電容器c2進行放電造成的小dc偏置電壓vdc被施加到火花隙8，這又造成小的(與火花電流ispark相比)電離電流iion。

靜噪二極管d1的另一個優點是靜噪二極管d1可以以這樣一種方式來選擇，使得當靜噪二極管d1暴露于高于點火線圈2的最大額定電壓的火花電壓時發生雪崩擊穿，由此限制火花電壓并保護點火線圈2。為此，靜噪二極管d1的雪崩擊穿電壓應當在點火線圈2的最大額定電壓的范圍內，優選地在點火線圈2的最大額定電壓的90％至110％的范圍內。雪崩擊穿電壓優選地不超過點火線圈2的最大額定電壓。