本實(shí)用新型涉及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對(duì)于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)而言,缸內(nèi)直噴、稀薄燃燒、EGR技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的重要研究方向。對(duì)于缸內(nèi)直噴技術(shù),整個(gè)燃燒過(guò)程是在等容條件下瞬間完成的,燃燒時(shí)間極短,因此具有較高的瞬間壓力和瞬間燃燒溫度，在特定工況下采用分層燃燒模式來(lái)降低油耗，提高燃燒效率。稀薄燃燒是指發(fā)動(dòng)機(jī)在大于理論空燃比(約14.7)條件下進(jìn)行的燃燒，由于氧氣充足，可使燃油得到充分燃燒，在改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性同時(shí)減少了有害氣體的排放。EGR技術(shù)對(duì)于小型增壓內(nèi)燃機(jī)的燃燒和排放具有重要影響。為了實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，EGR率可以大于40％，此時(shí)缸內(nèi)具有大量的廢氣，進(jìn)氣量受到影響，著火條件惡化。上述先進(jìn)技術(shù)的使用程度和界線很大程度上決定于點(diǎn)火能量和持續(xù)期。傳統(tǒng)的單線圈點(diǎn)火難以提供足夠且連續(xù)的點(diǎn)火能量。因此，提高點(diǎn)火能量和持續(xù)期，保證缸內(nèi)穩(wěn)定著火至關(guān)重要。

在內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的自由電子、正負(fù)離子和自由基等帶電粒子，使燃?xì)饩哂幸欢ǖ碾妼?dǎo)性。如果在火花塞兩極間施加一個(gè)直流偏置電壓，在外加電場(chǎng)的作用下，帶電粒子發(fā)生定向遷移就會(huì)形成火花塞離子電流。研究表明，離子電流的特性，與被測(cè)區(qū)域的混合氣濃度、溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度等有高度的相關(guān)性。這也是基于離子電流對(duì)缸內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。

專(zhuān)利CN204646507U提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制點(diǎn)火系統(tǒng)，該然而該點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火模式單一，同時(shí)無(wú)法進(jìn)行人為監(jiān)測(cè)，只能依靠自身閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)控制燃燒情況，不僅功能單一而且安全性能也很差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述問(wèn)題提供一種點(diǎn)火模式多、實(shí)時(shí)調(diào)整點(diǎn)火策略、避免失火及部分著火以及改善排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)，分別與汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的ECU、曲軸和火花塞連接，所述系統(tǒng)包括上位機(jī)控制單元、點(diǎn)火控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、多線圈放電單元和離子電流檢測(cè)單元，所述上位機(jī)控制單元分別與點(diǎn)火控制單元和離子電流檢測(cè)單元連接，所述點(diǎn)火控制單元分別與ECU、離子電流檢測(cè)單元和驅(qū)動(dòng)單元連接，所述驅(qū)動(dòng)單元與多線圈放電單元連接，所述多線圈放電單元分別與離子電流檢測(cè)單元和火花塞連接，所述離子電流檢測(cè)單元還與曲軸連接。

所述上位機(jī)控制單元包括依次連接的操作界面和控制中心，所述操作界面與離子電流檢測(cè)單元連接，所述控制中心與點(diǎn)火控制單元連接。

所述驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)電路，所述多線圈放電單元包括點(diǎn)火線圈，所述驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)量和點(diǎn)火線圈的數(shù)量相同。

發(fā)動(dòng)機(jī)單缸的所述點(diǎn)火線圈數(shù)量不小于3個(gè)。

所述離子電流檢測(cè)單元包括離子電流電路、采樣電路和反饋控制器，所述離子電流電路分別與多線圈放電單元和上位機(jī)控制單元連接，所述采樣電路分別與多線圈放電單元和上位機(jī)控制單元連接，所述反饋控制器分別與曲軸、離子電流電路和點(diǎn)火控制單元連接。

所述離子電流電路包括電容、瞬態(tài)抑制二極管、檢測(cè)電阻和第一電壓跟隨器，所述瞬態(tài)抑制二極管與電容并聯(lián)后，一端與多線圈放電單元連接，另一端與檢測(cè)電阻連接，所述檢測(cè)電阻與第一電壓跟隨器并聯(lián)，所述第一電壓跟隨器與上位機(jī)控制單元連接。

所述采樣電路包括采樣電阻和第二電壓跟隨器，所述采樣電阻和第二電壓跟隨器并聯(lián)后，與離子電流電路串聯(lián)，所述第二電壓跟隨器還與上位機(jī)控制單元連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果：

(1)通過(guò)離子電流檢測(cè)單元，可以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒狀況，同時(shí)由于離子電流檢測(cè)單元設(shè)有反饋控制器，因此可以根據(jù)燃燒情況自行調(diào)整點(diǎn)火模式，無(wú)需人為操控，安全性能高而且節(jié)省了人力成本。

(2)上位機(jī)控制單元可以實(shí)時(shí)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒情況，同時(shí)操作人員也可以根據(jù)燃燒情況自行選擇點(diǎn)火模式，可以在條件允許的情況下對(duì)燃燒情況進(jìn)行人為監(jiān)控，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，同時(shí)提高了人機(jī)交互的操作性。

(3)設(shè)有驅(qū)動(dòng)單元，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，多線圈放電單元可以產(chǎn)生更高的點(diǎn)火能量。

(4)發(fā)動(dòng)機(jī)單缸的點(diǎn)火線圈數(shù)量不小于3個(gè)，可以在滿足多種點(diǎn)火模式的需求下實(shí)現(xiàn)高能點(diǎn)火。

(5)在離子電流電路中設(shè)有瞬態(tài)抑制二極管，可以在產(chǎn)生正、反瞬態(tài)高壓脈沖時(shí)對(duì)電路起到保護(hù)作用，同時(shí)可以反復(fù)使用，具有壽命長(zhǎng)、保護(hù)作用強(qiáng)以及節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。

(6)本系統(tǒng)將上位機(jī)控制單元、點(diǎn)火控制單元、離子電流檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)單元和多線圈放電單元五個(gè)模塊整體封裝，便于控制和維護(hù)，系統(tǒng)集成程度高。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為點(diǎn)火模式圖，其中，2a為單次增強(qiáng)點(diǎn)火模式，2b為連續(xù)點(diǎn)火模式，2c為多次點(diǎn)火模式，2d為組合點(diǎn)火模式中的多次點(diǎn)火拓展模式；

圖3為離子電流檢測(cè)單元中離子電流電路和采樣電路的電路圖；

圖4為不同燃燒狀態(tài)下離子電流和缸壓的對(duì)比圖，其中，4a為正常燃燒狀態(tài)，4b為稀薄燃燒狀態(tài)，4c為失火狀態(tài)；

圖5為本實(shí)用新型的點(diǎn)火流程圖；

其中，1為上位機(jī)控制單元，2為點(diǎn)火控制單元，3為驅(qū)動(dòng)單元，4為多線圈放電單元，5為離子電流檢測(cè)單元，6為電容，7為瞬態(tài)抑制二極管，8為檢測(cè)電阻，9為第一電壓跟隨器，10為采樣電阻，11為第二電壓跟隨器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，為基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)，包括上位機(jī)控制單元1、點(diǎn)火控制單元2、驅(qū)動(dòng)單元3、多線圈放電單元4和離子電流檢測(cè)單元5。其中，上位機(jī)控制單元1通過(guò)CAN總線與點(diǎn)火控制單元2實(shí)現(xiàn)通訊的同時(shí)與離子電流檢測(cè)單元5連接，點(diǎn)火控制單元2分別與原發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、離子電流檢測(cè)單元5和驅(qū)動(dòng)單元3連接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火模式的控制，驅(qū)動(dòng)單元3與多線圈放電單元4連接實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的放大，多線圈放電單元4與火花塞連接控制點(diǎn)火。

上述單元中，上位機(jī)控制單元1由控制中心和操作界面組成，控制中心內(nèi)安裝有上位機(jī)控制程序，上位機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)與點(diǎn)火控制單元2通訊功能，操作界面包括點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火模式的選擇、離子電流波形圖和采樣電流波形圖等，既可以控制點(diǎn)火過(guò)程，也能以圖像和數(shù)據(jù)的形式檢測(cè)缸內(nèi)著火情況，顯示發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)次數(shù)和點(diǎn)火次數(shù)。

點(diǎn)火控制單元2由單片機(jī)和基本外圍電路組成，用以接收ECU發(fā)送來(lái)的點(diǎn)火信號(hào)、上位機(jī)控制單元1發(fā)來(lái)的控制信號(hào)和離子電流檢測(cè)單元5發(fā)來(lái)的反饋信號(hào)，點(diǎn)火控制單元2首先接收到ECU發(fā)送來(lái)的點(diǎn)火信號(hào)，再根據(jù)控制信號(hào)和反饋信號(hào)來(lái)選擇點(diǎn)火模式，并將選擇好的點(diǎn)火模式以信號(hào)的形式經(jīng)過(guò)處理后傳輸給驅(qū)動(dòng)單元3，驅(qū)動(dòng)單元3中設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大后傳輸給點(diǎn)火線圈，完成控制。

多線圈放電單元4接收驅(qū)動(dòng)單元3信號(hào)后進(jìn)入相應(yīng)放電模式，向火花塞放電，該系統(tǒng)不需要對(duì)火花塞進(jìn)行特殊處理。多線圈單元內(nèi)設(shè)有多個(gè)點(diǎn)火線圈，點(diǎn)火線圈的數(shù)量與驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)量保持一致且發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸點(diǎn)火線圈數(shù)量不少于3個(gè)。本實(shí)施例中，多線圈放電單元4內(nèi)的單缸點(diǎn)火線圈數(shù)量為3個(gè)。如圖2所示，點(diǎn)火模式主要分為常規(guī)點(diǎn)火模式、單次增強(qiáng)點(diǎn)火模式、連續(xù)點(diǎn)火模式、多次點(diǎn)火模式和組合點(diǎn)火模式。當(dāng)系統(tǒng)工作在單次增強(qiáng)模式，在點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)后，三個(gè)線圈同時(shí)對(duì)火花塞放電，可以提供三倍于單線圈點(diǎn)火的能量(≥150mj)，實(shí)現(xiàn)高能點(diǎn)火功能。該模式可以在稀燃極限條件下提供足夠的點(diǎn)火能量，避免失火情況發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)工作在連續(xù)點(diǎn)火模式，在點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)后，三個(gè)線圈依次對(duì)火花塞放電，三個(gè)線圈放電相位部分重合。此時(shí)放電持續(xù)期較長(zhǎng)，點(diǎn)火能量在單線圈點(diǎn)火和單次增強(qiáng)點(diǎn)火之間，點(diǎn)火能量較高且穩(wěn)定，點(diǎn)火能量取決于連續(xù)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間(≥150mj)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在稀燃工況但未達(dá)到稀燃極限條件，可以調(diào)用該種模式。當(dāng)系統(tǒng)工作在多次點(diǎn)火模式，在點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)后，三個(gè)線圈依次對(duì)火花塞放電，三個(gè)線圈放電相位不重合，每次點(diǎn)火能量為30～50mJ。此模式適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的多段噴油策略以及失火或不完全燃燒情況下進(jìn)行點(diǎn)火能量的補(bǔ)充。當(dāng)多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)工作在組合點(diǎn)火模式，可以根據(jù)需求利用上述三種模式進(jìn)行組合。典型的是多次點(diǎn)火拓展，在點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)后，三個(gè)線圈依次點(diǎn)火，待三號(hào)線圈放電結(jié)束，三個(gè)線圈重新依次點(diǎn)火，相當(dāng)于兩個(gè)多次點(diǎn)火模式的疊加，在一次點(diǎn)火信號(hào)內(nèi)可以對(duì)火花塞進(jìn)行六次放電過(guò)程。

在內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的自由電子、正負(fù)離子和自由基等帶電粒子，使燃?xì)饩哂幸欢ǖ碾妼?dǎo)性。如果在火花塞兩極間施加一個(gè)直流偏置電壓，在外加電場(chǎng)的作用下，帶電粒子發(fā)生定向遷移就會(huì)形成火花塞離子電流。研究表明，離子電流的特性，與被測(cè)區(qū)域的混合氣濃度、溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度等有高度的相關(guān)性。這也是基于離子電流對(duì)缸內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。

如圖3所示，離子電流檢測(cè)單元5由離子電流電路、采樣電路和反饋控制器組成，離子電流電路分別與多線圈放電單元4和上位機(jī)控制單元1連接，采樣電路分別與多線圈放電單元4和上位機(jī)控制單元1連接，檢測(cè)到的離子電流和點(diǎn)火電流通過(guò)上位機(jī)操作界面顯示，反應(yīng)缸內(nèi)燃燒情況和多線圈放電單元4的放電情況，其中缸內(nèi)燃燒情況包括正常燃燒、稀薄燃燒和失火三種典型燃燒情況，三種典型燃燒情況下缸壓和離子電流的對(duì)比如圖4所示。反饋控制器分別與曲軸和離子電流電路連接，檢測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角并根據(jù)離子電流對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角的積分值產(chǎn)生反饋信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部程序與點(diǎn)火控制單元2進(jìn)行通訊，將反饋信號(hào)發(fā)送至點(diǎn)火控制單元2，實(shí)時(shí)改變點(diǎn)火模式。如圖3所示，離子電流電路包括電容6、瞬態(tài)抑制二極管7、檢測(cè)電阻8和第一電壓跟隨器9，瞬態(tài)抑制二極管7與電容6并聯(lián)后，一端與多線圈放電單元4連接，另一端與檢測(cè)電阻8連接，檢測(cè)電阻8與第一電壓跟隨器9并聯(lián)，第一電壓跟隨器9與上位機(jī)控制單元1連接。采樣電路包括采樣電阻10和第二電壓跟隨器11，采樣電阻10和第二電壓跟隨器11并聯(lián)后，與離子電流電路串聯(lián)，第二電壓跟隨器11還與上位機(jī)控制單元1連接，檢測(cè)電阻8的兩端還并聯(lián)了許多二極管，起到穩(wěn)壓、快速整流和保護(hù)的作用。

上述基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)的工作流程如圖5所示，具體步驟為：

s1)點(diǎn)火控制單元2接收到點(diǎn)火信號(hào)；

s2)在點(diǎn)火下降沿，離子電流檢測(cè)單元5開(kāi)始工作；

s3)離子電流檢測(cè)電路檢測(cè)離子信號(hào)，并產(chǎn)生離子電流信號(hào)發(fā)送給點(diǎn)火控制單元2；

s4)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)了n個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角，0<n<40，如果是，進(jìn)入步驟s5)；如果否，回到步驟s3)，其中第n個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角為離子電流檢測(cè)結(jié)束時(shí)刻；

s5)判斷離子電流關(guān)于曲軸轉(zhuǎn)角的積分值是否等于零，如果是，進(jìn)入步驟s6)，如果否，進(jìn)入步驟s7)；

s6)點(diǎn)火控制單元2執(zhí)行多次點(diǎn)火模式，離子電流檢測(cè)單元5重復(fù)步驟s1)進(jìn)入新一輪檢測(cè)；

s7)判斷離子電流對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角的積分值是否小于稀燃極限閾值，如果是，進(jìn)入步驟8)；如果否，進(jìn)入步驟s9)；

s8)點(diǎn)火控制單元2執(zhí)行單次增強(qiáng)模式，離子電流檢測(cè)單元5重復(fù)步驟s1)進(jìn)入新一輪檢測(cè)；

s9)判斷離子電流對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角的積分值是否小于稀燃閾值，如果是，進(jìn)入步驟s10)；如果否，進(jìn)入步驟s11)；

s10)點(diǎn)火控制單元2執(zhí)行連續(xù)點(diǎn)火模式，離子電流檢測(cè)單元5重復(fù)步驟s1)進(jìn)入新一輪檢測(cè)；

s11)點(diǎn)火控制單元2執(zhí)行常規(guī)點(diǎn)火模式，離子電流檢測(cè)單元5重復(fù)步驟s1)進(jìn)入新一輪檢測(cè)。

上述步驟中，稀燃極限閾值和稀燃閾值均通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。