內(nèi)燃機點火裝置的工作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及內(nèi)燃機點火裝置的工作方法，該點火裝置帶有被設(shè)計成變換器的點火線圈（ZS）、與點火線圈（ZS）的二次繞組連接的火花塞（ZK）、與點火線圈（ZS）的一次繞組串聯(lián)地連接的可控的開關(guān)元件（IGBT）、與點火線圈（ZS）的一次繞組及開關(guān)元件（IGBT）的控制輸入端連接的控制單元（SE），其中，控制單元（SE）根據(jù)流經(jīng)點火線圈（ZS）的一次和二次繞組的電流（I_Prim、I_Sec），并根據(jù)在點火線圈（ZS）的一次繞組與開關(guān)元件（IGBT）的連接點和供電電壓的負(fù)接頭（GND）之間的電壓，為點火線圈（ZS）提供供電電壓（V供電），并為開關(guān)元件（IGBT）提供控制信號（IGBT_Control），在變換器工作中為了使得點火線圈（ZS）工作，通過切斷開關(guān)元件（IGBT）和再次接通開關(guān)元件，給點火線圈（ZS）充電并建立點火火花，之后，檢測控制單元（SE）的供電電壓（V供電），且在超過預(yù)定值時又切斷開關(guān)元件（IGBT）。預(yù)定值表明存在表面放電火花。
【專利說明】內(nèi)燃機點火裝置的工作方法
[0001]在被設(shè)計成柴油機的現(xiàn)代內(nèi)燃機中的連續(xù)式點火設(shè)備數(shù)十年來就按照簡單而可靠的線圈放電原理工作，也就是說，被設(shè)計成變換器的點火線圈在一次側(cè)按照其電感從電網(wǎng)電壓被部分地充電至其飽和范圍。在點火時刻，借助電子電路例如通過點火-1GBT (絕緣柵雙極型晶體管)來使得充電中斷。由此在二次側(cè)建立起例如5kV?35kV的電壓，該電壓在內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)在火花塞的火花隙中導(dǎo)致電弧。接下來，等離子點火器內(nèi)的存儲在線圈中的能量消減。
[0002]在這里，在每次獨立的火花放電之前都發(fā)生各種不同的預(yù)先放電，其最終在電壓上升中導(dǎo)致火花擊穿。盡管這種電壓上升以大約lkV/μ s發(fā)生，卻無法避免周圍介質(zhì)中的自由載流子沉積在火花塞的將點火電極絕緣的陶瓷上，因而減小了絕緣阻力。就被高程度地充電的現(xiàn)代柴油機而言，上升的燃燒室壓力尤其導(dǎo)致?lián)舸╇妷荷仙?，其只有通過固體絕緣才能可控地保持在全部工作范圍內(nèi)。在這里，陶瓷絕緣子的絕緣作用消弱通常導(dǎo)致形成表面放電火花，這種火花并非如通常那樣在接地電極與中央電極之間形成，而是緊貼在陶瓷表面上順延滑動地在陶瓷底腳點尋找接地端。這種火花放電在燃燒技術(shù)上后果嚴(yán)重，因為從火花向周圍介質(zhì)的熱量傳遞急劇減少，進而產(chǎn)生了燃燒拖延甚或燃燒中斷的巨大風(fēng)險。
[0003]用于在燃燒室壓力高的情況下避免表面放電火花的方案在當(dāng)前很有限，無法實現(xiàn)有針對性的避免。通常必須考慮的是，在發(fā)動機工作中使得陶瓷表面保持沒有任何形式的污物比如碳黑和流態(tài)燃油。陶瓷表面特性質(zhì)量和火花塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計也至關(guān)重要。只能通過減小擊穿電壓即減小電極間距以及通過減小點火時刻的燃燒室壓力來有效地預(yù)防形成表面放電火花。
[0004]在尚未公開的申請DE 10 2009 057 925.7中記載了一種用于內(nèi)燃機點火裝置的工作的革新式的方法和一種用于實施所述方法的革新式內(nèi)燃機點火裝置。據(jù)此，內(nèi)燃機點火裝置帶有被設(shè)計成變換器的點火線圈、與點火線圈的二次繞組連接的火花塞、與點火線圈的一次繞組串聯(lián)地連接的可控的開關(guān)元件、與點火線圈的一次繞組及開關(guān)元件的控制輸入端連接的控制單元?？刂茊卧鶕?jù)在點火線圈的一次繞組與開關(guān)元件的連接點和供電電壓的負(fù)接頭之間的電壓，根據(jù)流經(jīng)點火線圈的一次和二次繞組的電流，為點火線圈提供可調(diào)的供電電壓，為開關(guān)元件提供控制信號。在此，該裝置的工作方法流程如下:
在第一階段(充電)中，利用控制信號在第一接通時刻使得開關(guān)元件導(dǎo)通，而在預(yù)定的點火時刻又使其不導(dǎo)通；
在隨后的第二階段(擊穿)中，把一次電壓或者由其導(dǎo)出的電壓與第一閾值比較，在該電壓低于第一閾值時在第二接通時刻又使得開關(guān)元件導(dǎo)通；
在隨后的第三階段(電弧)中，適當(dāng)?shù)乜刂乒╇婋妷?，使得流?jīng)點火線圈的二次繞組的電流大致等于預(yù)定的電流，并把流經(jīng)點火線圈的一次繞組的電流與預(yù)定的第二閾值相比較，在該電流超過第二閾值時，在第一切斷時刻又使得開關(guān)元件不導(dǎo)通；
在隨后的第四階段(擊穿)中，把流經(jīng)點火線圈的二次繞組的電流與第三閾值相比較，在該電流低于第三閾值時在第三接通時刻又使得開關(guān)元件導(dǎo)通； 然后必要時重復(fù)第三和第四階段，直到在當(dāng)開關(guān)元件最終不導(dǎo)通時所在的時刻達到預(yù)定的燃燒持續(xù)時間。
[0005]相應(yīng)的裝置在圖1中示出，主要電壓和電流的時間曲線在圖2中示出。
[0006]在發(fā)動機工作中，在達到點火時刻時，電壓最好快速地上升，直至達到擊穿電壓，從而避免全部表面都靜態(tài)充電的趨勢(基準(zhǔn)值約為lkV/μ S)，這種充電最終會提高形成表面放電火花的概率?？上н@樣一來平均也會達到較高的擊穿電壓，這又提高了絕緣需求，也使得電壓上升速度向上受到限制。由于表面放電火花的出現(xiàn)也有較大的隨機成分，所以有可能在即刻識別出表面放電火花時將其電流短時間地中斷，保證其熄滅，力圖重新建立火花。這里的關(guān)鍵是，保持適當(dāng)?shù)膭幼骱头磻?yīng)時間，即〈100 μ8。
[0007]本發(fā)明的目的因而在于，及時地識別到出現(xiàn)表面放電火花。
[0008]所述目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法得以實現(xiàn)。
[0009]DE 10 2009 057 925.7中所述的內(nèi)燃機點火裝置工作方法很適合于實施快速的表面放電火花識別，因為二次側(cè)的電壓變換結(jié)合以電流控制能實現(xiàn)對相應(yīng)電子電路進行可行的設(shè)計。因而表面放電火花的特點往往是典型的起初的等離子束長度，即作為不能逾越的最小長度的在中央電極與絕緣子底腳點之間的最短間距。由于用來產(chǎn)生和保持表面放電火花的電壓需求與等離子長度成比例，所以起初的燃燒電壓需求在擊穿之后馬上可以被考慮作為火花評判的識別判據(jù)。具體而言，根據(jù)DE 10 2009 057 925.7的裝置的DC/DC轉(zhuǎn)換器在變換器工作中于變換階段在火花燃燒開始后馬上切換至大功率，以便按照線圈的變換比例給表面放電火花供應(yīng)能量。緊接于火花燃燒開始后的這種大負(fù)荷可以根據(jù)本發(fā)明直接被評價為或分析為表面放電火花出現(xiàn)的判據(jù)。
[0010]在本發(fā)明的有利改進中可以規(guī)定電流中斷，直至火花熄滅。必要時可以等待一段預(yù)定的時間，直至火花再次建立，以便保證離子的再次組合，從而沒有新的表面放電火花產(chǎn)生。按照本發(fā)明的進一步設(shè)計，可以一必要時也根據(jù)燃燒室壓力一通過調(diào)換極性來實現(xiàn)所述再次建立。
[0011]所述目的還通過根據(jù)權(quán)利要求5的內(nèi)燃機點火裝置得以實現(xiàn)。有利的改進在從屬權(quán)利要求中給出。
[0012]下面借助實施例參照附圖詳述本發(fā)明。其中:
圖1為本發(fā)明的方法所基于的點火裝置的方框圖；
圖2為示出時間關(guān)系的流程圖。
[0013]本發(fā)明的根據(jù)圖1的點火裝置含有可控的被設(shè)計成電壓變換器的電源DC/DC，用于給一個或多個點火線圈供應(yīng)以必要時可改變的供電電壓“V供電”。該電源由當(dāng)前約12V的電網(wǎng)電壓V_bat供電。該電源給一個或多個點火線圈ZS供電，其中以有利的方式不再需要阻塞二極管?？梢圆捎贸Ｒ姷呐c點火線圈ZS的二次繞組連接的火花塞ZK。點火線圈ZS的一次繞組與通常被設(shè)計為IGBT的用于接通點火線圈ZS的開關(guān)元件串聯(lián)連接。設(shè)置有用于檢測一次電壓和一次電流以及二次電流的裝置。
[0014]控制單元SE根據(jù)所測得的工作參數(shù)借助電壓轉(zhuǎn)換器DC/DC產(chǎn)生可變的供電電壓“V供電”以及用于開關(guān)元件IGBT的控制信號“168乙控制”。
[0015]控制單元SE又受(未示出的)微控制器的控制，該微控制器通過單獨的定時輸入端實時地為每個點火線圈都規(guī)定點火時刻。通過另一接口一比如常見的SPI (串行外圍接口)一可以在微控制器與控制單元SE之間交換數(shù)據(jù)。
[0016]電壓轉(zhuǎn)換器DC/DC由12V電網(wǎng)電壓V_bat產(chǎn)生供電電壓“V供電”。該供電電壓“V供電”的值可通過在電壓轉(zhuǎn)換器DC/DC的控制輸入端Ctrl上的處于例如2~30V范圍內(nèi)的控制信號“V_控制”予以高度動態(tài)地控制。電壓轉(zhuǎn)換器DC/DC在此可以為相應(yīng)激活的點火線圈ZS提供所需要的充電電流。
[0017]作為點火線圈ZS，可以采用轉(zhuǎn)換比例例如為1:80的常見類型，但可以省去對于當(dāng)今常見的點火系統(tǒng)來說必需的阻塞二極管。根據(jù)所用柴油機的氣缸數(shù)量，例如需要31個點火線圈。但由于根據(jù)本發(fā)明的方法，可以使用最大存儲能量明顯較小的點火線圈。
[0018]作為火花塞ZK，可以采用常見的類型。其具體設(shè)計決定于在電機中的應(yīng)用情況。
[0019]作為開關(guān)元件IGBT，也可以使用內(nèi)部限制電壓例如為400V的常見類型。但可以根據(jù)所需要的充電電流來減小其所需要的 載流能力。
[0020]信號V_Prim形成點火線圈ZS的一次電壓，該一次電壓借助由電阻Rl和R2構(gòu)成的電壓分配器從至多400V減小至對于控制單元SE可用的例如5V的值域。電壓分配的值在所述范例中為1:80。電壓分配器R1、R2設(shè)置在點火線圈ZS的一次繞組和開關(guān)元件IGBT的連接點與接地端子O之間。接地端子O與供電電壓“V供電”的負(fù)極GND連接。
[0021]為了測量流經(jīng)點火線圈ZS的一次繞組的電流，使得電阻R3與該一次繞組和開關(guān)元件IGBT串聯(lián)地連接。流經(jīng)電阻R3的充電電流產(chǎn)生體現(xiàn)電流的電壓I_Prim。
[0022]有個電阻R4以同樣的方式與點火線圈ZS的二次繞組串聯(lián)地連接。流經(jīng)該電阻R4的二次電流產(chǎn)生在電阻R4上下降的電壓I_Sec。
[0023]控制單元SE包括電壓轉(zhuǎn)換器DC/DC和控制電路“控制器”。該控制器檢測信號V_Prim、I_Prim和I_Sec，并借助電壓比較器把這些信號與閾值或給定值比較。
[0024]在由微控制器的輸入信號“定時”預(yù)定的時刻，控制單元SE引發(fā)點火過程，其中對點火持續(xù)時間和電弧電流加以控制。為此通過控制信號“￥_控制”來控制供電電壓“V供電”，或者通過控制信號“1681'_控制”來接通和切斷開關(guān)元件IGBT。針對有多個氣缸的柴油機，相應(yīng)地設(shè)置有多個定時輸入端和多個“ IGBT_控制”輸出端。
[0025]點火裝置在此按圖2所示如下工作。該方法在此包括多個相繼的階段。
[0026]1.給線圈電感充電
在點火開始時，給點火線圈ZS的主電感充電。為此通過控制單元SE的控制信號“IGBT_控制”在時刻tl接通開關(guān)元件IGBT。在此，充電電流被檢測為信號I_Prim。由于未采用二次側(cè)的阻塞二極管，所以在充電過程期間必須在時間上改變供電電壓“V供電”，使得此時在二次側(cè)引起的電壓肯定保持低于當(dāng)前的擊穿電壓。其值主要由當(dāng)前的在壓縮沖程期間連續(xù)改變的燃燒室壓力給定。這里重要的是，與所希望的存儲能量相應(yīng)的充電電流值最晚在點火時刻t2達到。略微提前達到充電電流值在此無關(guān)緊要，因為可以通過供電電壓“V供電”的下降使得電流保持恒定。供電電壓“V供電”在此被調(diào)節(jié)至由一次繞組的內(nèi)電阻和充電電流給定的值。附加地還考慮到在開關(guān)元件IGBT和電流測量電阻R3上的電壓損失。要達到的能量的值一基于對先前的點火過程的觀察或者通過SPI預(yù)定一對于每個充電階段來說都可以不同并相應(yīng)地累加。
[0027]2.擊穿
在預(yù)定的點火時刻t2通過控制信號“168乙控制”來切斷開關(guān)元件IGBT。于是在磁場崩潰的促動下，點火線圈ZS的一次和二次電壓迅速上升。
[0028]供電電壓“V供電”隨著擊穿階段的開始借助控制信號“￥_控制”被迅速地調(diào)節(jié)至其例如30V的最大值，這在圖2中無法詳細(xì)看到。
[0029]3.燃燒階段(電弧)
一旦一次電壓在時刻t3下降到例如40V的預(yù)定值以下，就識別出燃燒階段開始。由此通過電壓分配器Rl、R2導(dǎo)出的信號V_Prim于是具有例如0.5V的值，且可以利用第一電壓比較器與第一閾值比較。第一電壓比較器的輸出端在低于閾值時改變其邏輯狀態(tài)。這種改變用于在時刻t3再一次地接通開關(guān)元件IGBT。
[0030]如果在點火線圈作為變換器工作的該時刻存在表面放電火花，則能量需求相比于存在所希望的火花時明顯較高，從而DC/DC轉(zhuǎn)換器DC/DC在其輸出端提供高電壓“V供電”，使得由其提供的功率約為其最大功率的 80%~90%。該高電壓按照本發(fā)明的方式予以檢測，由此及時地識別出表面放電火花。
[0031]在本發(fā)明的有利改進中，然后通過開關(guān)IGBT的斷開來中斷電流，從而使得表面放電火花熄滅。經(jīng)過任選的等待時間之后，再接通開關(guān)IGBT，其中根據(jù)燃燒室壓力可以重新建立火花，必要時更換其極性，所述燃燒室壓力可以由點火角度、充氣效率和壓縮比以及必要時的其它已知參數(shù)算得。臨界的燃燒室壓力約為15巴。在15巴以下以有利的方式重新建立具有負(fù)極性的火花塞，而在15巴以上則保持極性。
[0032]如果在重新點火和隨后過渡至變換器工作之后再次識別出表面放電火花，則可以重復(fù)本發(fā)明的上述方法。否則就采用開篇所述的做法繼續(xù)。
【權(quán)利要求】
1.內(nèi)燃機點火裝置的工作方法，該點火裝置帶有被設(shè)計成變換器的點火線圈(ZS)、與點火線圈(ZS)的二次繞組連接的火花塞(ZK)、與點火線圈(ZS)的一次繞組串聯(lián)地連接的可控的開關(guān)元件(IGBT)、與點火線圈(ZS)的一次繞組及開關(guān)元件(IGBT)的控制輸入端連接的控制單元(SE)， 其中，控制單元(SE)根據(jù)流經(jīng)點火線圈(ZS)的一次和二次繞組的電流(I_Prim、1_Sec)，并根據(jù)在點火線圈(ZS)的一次繞組與開關(guān)元件(IGBT)的連接點和供電電壓的負(fù)接頭(GND)之間的電壓，為點火線圈(ZS)提供供電電壓(V供電)，并為開關(guān)元件(IGBT)提供控制信號(IGBT_Control)， 其中，根據(jù)低于或超過用于一次電壓或從中導(dǎo)出的電壓(V_Prim)、流經(jīng)點火線圈(ZS)的一次繞組的電流(I_Prim)和流經(jīng)點火線圈(ZS)的二次繞組的電流(I_Sec)的閾值(V1、V3、V4)，通過交替地接通和切斷開關(guān)元件(IGBT)，將能量輸送到火花塞的點火火花中， 其特征在于， 在變換器工作中為了使得點火線圈(ZS)工作，通過切斷開關(guān)元件(IGBT)和再次接通開關(guān)元件，給點火線圈(ZS)充電并建立點火火花，之后，檢測控制單元(SE)的供電電壓(V供電)，且在超過預(yù)定值時又切斷開關(guān)元件(IGBT)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了使得點火線圈(ZS)上的電荷衰減，經(jīng)過一段等待時間之后，再次開始點火過程。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，根據(jù)燃燒室壓力，通過調(diào)換供電電壓(V供電)的極性來進行重新點火。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在燃燒室壓力小于約15巴時，通過調(diào)換極性來進行重新點火。
【文檔編號】F02D41/20GK103998766SQ201280064869
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月27日
【發(fā)明者】S-M.艾森, H.施毛斯, A.羅伊特, M.格岑貝格爾 申請人:大陸汽車有限公司