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

背景技術(shù)：

眾所周知，可以使用在火花塞的火花隙兩端的電離電流來(lái)分析內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程。當(dāng)火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)時(shí)，火花隙周圍的氣體被電離。如果在發(fā)生點(diǎn)火發(fā)動(dòng)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(dòng)，這可以使用合適的檢測(cè)電路來(lái)測(cè)量和分析。測(cè)量和分析電離電流(所謂的離子感測(cè))允許檢測(cè)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(guò)程的其它特性。來(lái)自離子感測(cè)的信息還能夠校正或調(diào)整點(diǎn)火參數(shù)，以便適應(yīng)不同的負(fù)載條件或者通過(guò)例如影響空氣/燃料比來(lái)改善引擎的性能或減少排放或燃料消耗。在現(xiàn)有技術(shù)中存在許多用于檢測(cè)、測(cè)量和分析電離電流的已知方法和系統(tǒng)。

點(diǎn)火系統(tǒng)通常使用具有初級(jí)和次級(jí)繞組的點(diǎn)火線圈。點(diǎn)火發(fā)動(dòng)所需的能量從初級(jí)繞組供給到次級(jí)繞組，使得次級(jí)繞組兩端的次級(jí)電壓被施加到火花隙。依賴于初級(jí)側(cè)上用于在初級(jí)繞組兩端生成初級(jí)電壓的能量源，在感應(yīng)式點(diǎn)火系統(tǒng)和電容性點(diǎn)火系統(tǒng)之間有所不同。

在感應(yīng)式點(diǎn)火系統(tǒng)中，能量存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中，其被釋放用于點(diǎn)火發(fā)動(dòng)。為此，與初級(jí)繞組串聯(lián)的初級(jí)開(kāi)關(guān)接通，用于加載連接到電源電壓的初級(jí)線圈。當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，發(fā)生點(diǎn)火發(fā)動(dòng)。感應(yīng)式點(diǎn)火(也具有離子感測(cè))例如從us5,230,240a中是眾所周知的。在us5,230,240a中，示出了在次級(jí)繞組兩端的二極管，其在初級(jí)開(kāi)關(guān)接通以加載初級(jí)線圈時(shí)防止不期望的點(diǎn)火發(fā)動(dòng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，這個(gè)二極管被正向偏置，而當(dāng)開(kāi)關(guān)被關(guān)斷時(shí)，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(fā)生之前導(dǎo)通。次級(jí)繞組兩端的二極管將需要在每次初級(jí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)傳導(dǎo)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(fù)擔(dān)，并且將需要具有高額定功率的二極管。

在電容性點(diǎn)火系統(tǒng)中，點(diǎn)火線圈的初級(jí)側(cè)上的存儲(chǔ)電容器存儲(chǔ)用于點(diǎn)火發(fā)動(dòng)的能量。存儲(chǔ)電容器經(jīng)初級(jí)繞組放電，以在初級(jí)繞組兩端生成初級(jí)電壓，例如，通過(guò)接通將電容器與初級(jí)繞組連接的開(kāi)關(guān)。在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后，電容器被再充電，用于下一個(gè)點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件。通過(guò)電容性點(diǎn)火，有可能生成短持續(xù)時(shí)間、高功率的火花，并且因此特別適于點(diǎn)燃諸如在燃?xì)庖嬷械南』旌衔铩?/p>

電容性點(diǎn)火(也具有離子感測(cè))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(lián)連接，用于測(cè)量電離電流。通過(guò)在初始火花擊穿之后在初級(jí)側(cè)上重復(fù)地使存儲(chǔ)電容器放電來(lái)生成用于離子感測(cè)的在火花塞電極兩端的所需的偏置電壓。

在經(jīng)由火花隙的離子感測(cè)的燃燒監(jiān)測(cè)中的主要挑戰(zhàn)是在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后在點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組中的次級(jí)電壓的關(guān)聯(lián)振鈴的最小化。線圈次級(jí)繞組是每當(dāng)產(chǎn)生火花時(shí)具有流經(jīng)其的dc電流(直流電流)的電感器。當(dāng)火花熄滅時(shí)，次級(jí)dc電流瞬間下降至零，因此線圈次級(jí)繞組的充電電感試圖維持先前的電流流動(dòng)。但是，因?yàn)榇渭?jí)路徑現(xiàn)在對(duì)處于可用的次級(jí)電壓的dc電流的流動(dòng)具有高抗性，所以唯一可以流動(dòng)的電流是通過(guò)火花塞間隙的寄生電容的ac電流(交變電流)。這個(gè)ac電流造成次級(jí)電壓的振鈴。這個(gè)寄生ac電流的量值常常遠(yuǎn)大于對(duì)于離子感測(cè)感興趣的信號(hào)的dc離子電流，這使得離子感測(cè)困難。這種現(xiàn)象傳統(tǒng)上通過(guò)多種不同的方法來(lái)管理，即，減小的線圈阻抗和在電路的初級(jí)側(cè)上的有源“關(guān)斷”電路。減小的線圈阻抗可以顯著地影響點(diǎn)火性能，因?yàn)榫哂袦p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(xù)時(shí)間的火花。另一方面，初級(jí)側(cè)上的有源“關(guān)斷”電路可以改善次級(jí)繞組上的振鈴行為，但是難以有效地實(shí)現(xiàn)并且具有有限的益處。

從ep1990813a1中已知一種具有離子感測(cè)的感應(yīng)式點(diǎn)火系統(tǒng)和用于減小次級(jí)電壓的振鈴的裝置。對(duì)于離子感測(cè)，在點(diǎn)火線圈的次級(jí)側(cè)上的電容器在火花電流的流動(dòng)期間被充電。在發(fā)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(cè)所測(cè)量的電離電流。為了減小將影響電離電流的測(cè)量的次級(jí)電壓的振鈴，在點(diǎn)火線圈的初級(jí)側(cè)上布置與二極管串聯(lián)的附加控制繞組。這個(gè)二極管被定向成使得其僅在與火花電流相對(duì)的電流(例如電離電流)流動(dòng)時(shí)才被正向偏置，因此其在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件期間不導(dǎo)通。在火花熄滅之后，控制繞組和二極管協(xié)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(diǎn)火線圈初級(jí)側(cè)的充電期間引入增量寄生損耗，這將不利地增加對(duì)線圈初級(jí)側(cè)充電所需的能量的量。

具有離子感測(cè)的另一種電容性點(diǎn)火系統(tǒng)在ep879355b1中示出，該系統(tǒng)在次級(jí)側(cè)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(cè)的在火花塞電極兩端的所需的偏置電壓。初級(jí)側(cè)的能量源僅用于在火花隙兩端產(chǎn)生火花。為此，高電壓二極管連接在次級(jí)繞組兩端。如果初級(jí)側(cè)上的電容器被放電用于點(diǎn)火發(fā)動(dòng)，則在次級(jí)繞組上產(chǎn)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(zhì)電離并產(chǎn)生火花。一旦火花隙被電離，連接到次級(jí)線圈的次級(jí)側(cè)能量源就提供所需的電流，該電流經(jīng)電離的火花隙流動(dòng)，以生成用于點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件的電弧。這個(gè)火花電流也經(jīng)正向偏置的高電壓二極管流動(dòng)，這確保次級(jí)側(cè)能量源從點(diǎn)火線圈的初級(jí)側(cè)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(jí)側(cè)的次級(jí)側(cè)能量源供給的用于產(chǎn)生火花的能量在次級(jí)繞組和高電壓二極管中快速耗散。此外，在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后，次級(jí)側(cè)能量源還提供用于離子感測(cè)的電離電流。這個(gè)電離電流再次經(jīng)正向偏置的高電壓二極管流動(dòng)，并且在離子感測(cè)期間，高電壓次級(jí)側(cè)再次從點(diǎn)火線圈的初級(jí)側(cè)解耦，以防止兩個(gè)分離的隔離的能量源的不期望的交叉?zhèn)鲗?dǎo)或交互。附加的能量源在硬件以及能量源的定時(shí)和控制方面增加了點(diǎn)火系統(tǒng)的復(fù)雜性。次級(jí)繞組和高電壓二極管受到顯著的熱負(fù)擔(dān)。因此，點(diǎn)火線圈和高電壓二極管都必須被設(shè)計(jì)或選擇為承受由次級(jí)側(cè)高電壓二極管傳導(dǎo)火花電流和電離電流二者的事實(shí)所造成的這種高熱負(fù)荷。在ep879355b1中，使用低通濾波器來(lái)調(diào)節(jié)電離電流信號(hào)。由于次級(jí)側(cè)能量源的極性，次級(jí)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于容易地減少電容性點(diǎn)火系統(tǒng)中在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后次級(jí)電壓的ac振鈴的方法和裝置。

這個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即，二極管連接在次級(jí)繞組兩端，使得它對(duì)于在火花塞的點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件期間流經(jīng)火花隙的火花電流被反向偏置，并且它對(duì)于在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后的ac振鈴電壓被正向偏置。在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后，連接在次級(jí)繞組兩端的正向偏置的靜噪二極管迫使次級(jí)電流流經(jīng)次級(jí)繞組。當(dāng)火花結(jié)束時(shí)由次級(jí)振鈴電壓造成的流經(jīng)次級(jí)繞組的次級(jí)電流被迫使流經(jīng)連接在次級(jí)繞組兩端的正向偏置的靜噪二極管，因?yàn)樵邳c(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件后靜噪二極管縮短了次級(jí)繞組。通過(guò)靜噪二極管，保持存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組中的電能在次級(jí)繞組的電阻中被快速耗散，因?yàn)樵诖渭?jí)繞組中流動(dòng)的電流被迫使流經(jīng)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(jí)電流被保持遠(yuǎn)離火花隙，并且因此在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后不影響離子感測(cè)。因此，防止次級(jí)ac電流在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后流經(jīng)火花隙，由此不影響用于離子感測(cè)的流經(jīng)火花隙的小dc電離電流。

在有利的、易于實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例中，電離電流偏置和測(cè)量電路系統(tǒng)連接到次級(jí)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(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件期間通過(guò)火花電流充電并在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)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(diǎn)火線圈的最大額定電壓范圍內(nèi)的雪崩擊穿電壓的靜噪二極管。當(dāng)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(shí)，火花電壓由于靜噪二極管的雪崩擊穿發(fā)生而受到限制，并且點(diǎn)火線圈被保護(hù)不受由于高電壓造成的損壞。

附圖說(shuō)明

下面參考圖1至4更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，圖1至4通過(guò)示例并且以非限制性方式示意性地示出本發(fā)明的有利實(shí)施例，如下：

圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電容性點(diǎn)火系統(tǒng)，

圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有靜噪二極管的電容性點(diǎn)火系統(tǒng)，

圖3a是不帶有發(fā)明性靜噪二極管的通過(guò)火花隙的電流和次級(jí)電壓，

圖3b是帶有發(fā)明性靜噪二極管的通過(guò)火花隙的電流和次級(jí)電壓，以及

圖4是點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件的尾端部分的放大視圖。

具體實(shí)施方式

從現(xiàn)有技術(shù)中已知并且如圖1中所示的電容性點(diǎn)火系統(tǒng)1包括具有初級(jí)繞組3和次級(jí)繞組4的點(diǎn)火線圈2。存儲(chǔ)電容器c1在點(diǎn)火線圈2的初級(jí)側(cè)上提供，其存儲(chǔ)用于點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件所需的能量。存儲(chǔ)電容器c1由電源電壓v0充電。開(kāi)關(guān)sw，例如像晶體管的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，與初級(jí)繞組3串聯(lián)連接。存儲(chǔ)電容器c1有利地(但不是必需)與初級(jí)繞組3并聯(lián)連接，如圖1中所示。次級(jí)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(jí)繞組4兩端的次級(jí)電壓vs被施加到火花隙8。

如果開(kāi)關(guān)sw接通，例如在控制單元ecu的控制下，則存儲(chǔ)電容器c1經(jīng)由初級(jí)繞組3和可選的可能的電阻器r1放電，從而在次級(jí)繞組4兩端造成次級(jí)電壓vs。這個(gè)次級(jí)電壓vs被施加到火花塞5的火花隙8。當(dāng)次級(jí)電壓vs足夠高時(shí)，在火花隙8兩端發(fā)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(jiàn)圖3a)。用于點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件(即，用于產(chǎn)生火花并用于維持電弧)的電能由點(diǎn)火線圈2的初級(jí)側(cè)上的能量源提供。在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件期間，連接到火花塞5的點(diǎn)火線圈2的第一端子t1變?yōu)樨?fù)，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(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后的某個(gè)時(shí)間，即，在火花熄滅之后，可以測(cè)量電離電流iion，如下所述。

電容性點(diǎn)火系統(tǒng)1還包括電離電流偏置和測(cè)量電路系統(tǒng)6，測(cè)量電路系統(tǒng)6測(cè)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(cè)量信號(hào)im。電離電流偏置和測(cè)量電路系統(tǒng)6可以以許多不同的方式實(shí)現(xiàn)，例如如圖1中所示。電離電流iion可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的許多不同方式測(cè)量。電離電流偏置和測(cè)量電路系統(tǒng)6連接到次級(jí)繞組4的通常連接到地的第二端子t2。測(cè)量信號(hào)im可以在信號(hào)調(diào)節(jié)單元7中被進(jìn)一步處理，例如，通過(guò)進(jìn)行濾波或通過(guò)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(hào)is輸出。

電離電流偏置和測(cè)量電路系統(tǒng)6包括例如與二極管d2并聯(lián)連接的偏置電容器c2，二極管d2連接到次級(jí)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(duì)地定向、并聯(lián)連接的二極管d3、d4，二極管d3、d4又經(jīng)由電阻器r2連接到地。測(cè)量電阻器rm串聯(lián)連接到并聯(lián)連接的偏置電容器c2和二極管d2以及并聯(lián)連接的二極管d3、d4之間的連接。經(jīng)測(cè)量電阻器rm流動(dòng)的電流是測(cè)量信號(hào)im。當(dāng)然，也有可能以許多其它方式測(cè)量離子電流。

當(dāng)火花電流ispark由于火花隙8兩端的火花擊穿而流動(dòng)時(shí)，火花電流ispark也經(jīng)由結(jié)果所得的電流路徑(次級(jí)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(duì)偏置電容器c2進(jìn)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(cè)所需的火花隙8。這個(gè)dc偏置電壓vdc造成在與火花電流ispark相反的方向流動(dòng)的電離電流iion。

在圖3a中，示出了結(jié)果所得的次級(jí)電壓vs信號(hào)和經(jīng)火花隙8流動(dòng)的電流igap(即，火花電流ispark和電離電流iion)的信號(hào)。圖3a繪出了兩個(gè)隨后的點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件。在時(shí)間t1，開(kāi)關(guān)sw導(dǎo)通，從而造成高的次級(jí)電壓vs。一旦達(dá)到擊穿電壓，火花隙8兩端就發(fā)生火花擊穿，并且火花電流ispark流動(dòng)。火花電流ispark隨著存儲(chǔ)電容器c1放電而減小。在時(shí)間t2火花熄滅之后，因?yàn)辄c(diǎn)火線圈2由于在初級(jí)側(cè)可用的有限能量而不能再維持火花電流ispark經(jīng)火花隙8的流動(dòng)，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(dòng)。在火花熄滅之后點(diǎn)火線圈2的典型開(kāi)路ac振鈴電壓vr疊加到偏置電容器c2的dc偏置電壓。結(jié)果所得的流經(jīng)火花隙8的電離電流iion(其量值遠(yuǎn)小于火花電流ispark)由小的dc電離電流iion組成，其產(chǎn)生與由線圈次級(jí)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(cè)量小dc電離電流困難。

為了避免開(kāi)路ac振鈴電壓vr在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)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(jí)繞組4兩端，即，與次級(jí)繞組4并聯(lián)，或者換句話說(shuō)，連接在根據(jù)本發(fā)明的點(diǎn)火線圈2的次級(jí)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(gè)靜噪二極管d1以這樣一種方式連接，使得其對(duì)于流動(dòng)的火花電流ispark被反向偏置，從而迫使火花電流ispark經(jīng)火花隙8和次級(jí)繞組4流動(dòng)。為此，靜噪二極管d1的陰極連接到點(diǎn)火線圈2的次級(jí)繞組4的第二端子t2，在所示的實(shí)施例中，電離電流偏置和測(cè)量電路系統(tǒng)6也連接到該第二端子t2。

在點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后，在電離電流iion流動(dòng)的時(shí)間之前和期間，靜噪二極管d1具有使得次級(jí)繞組4處的開(kāi)路ac振鈴電壓vr處于被鉗位到簡(jiǎn)單正向偏置二極管壓降的第一相反極性環(huán)(電壓擺動(dòng))的效果。由此，當(dāng)次級(jí)繞組電流ir(在圖2中指示)被迫使通過(guò)正向偏置的靜噪二極管d1流經(jīng)次級(jí)繞組4時(shí)，局部次級(jí)繞組電流ir保持遠(yuǎn)離電離電流偏置和測(cè)量電路系統(tǒng)6，其中正向偏置的靜噪二極管d1為這個(gè)電流ir提供非常低阻抗的路徑。給定直接在點(diǎn)火線圈2兩端的次級(jí)繞組4的這個(gè)低阻抗路徑，這個(gè)次級(jí)繞組電流ir不流經(jīng)火花隙8的電容，因?yàn)殡妷弘妱?shì)僅存在于次級(jí)繞組的兩個(gè)端子t1、t2之間并且被靜噪二極管d1短路。結(jié)果，在點(diǎn)火放電事件之后剩余的感應(yīng)式線圈能量在線圈次級(jí)繞組4內(nèi)部以i²r損耗的形式被快速消耗，其中電流i流經(jīng)次級(jí)繞組4，并且流經(jīng)次級(jí)繞組4的電阻r。因此，不想要的ac振鈴次級(jí)繞組電流ir保持遠(yuǎn)離火花隙8，并且不影響電離電流偏置和測(cè)量電路系統(tǒng)6中電離電流iion的測(cè)量。靜噪二極管d1不影響電容性點(diǎn)火系統(tǒng)1的正常操作，而是僅僅抑制點(diǎn)火發(fā)動(dòng)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(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件之后的ac振鈴已經(jīng)被消除。

圖4示出了點(diǎn)火發(fā)動(dòng)事件的尾端部分的放大視圖。ac振鈴電壓vr已經(jīng)被消除，并且由對(duì)偏置電容器c2進(jìn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是靜噪二極管d1可以以這樣一種方式來(lái)選擇，使得當(dāng)靜噪二極管d1暴露于高于點(diǎn)火線圈2的最大額定電壓的火花電壓時(shí)發(fā)生雪崩擊穿，由此限制火花電壓并保護(hù)點(diǎn)火線圈2。為此，靜噪二極管d1的雪崩擊穿電壓應(yīng)當(dāng)在點(diǎn)火線圈2的最大額定電壓的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在點(diǎn)火線圈2的最大額定電壓的90％至110％的范圍內(nèi)。雪崩擊穿電壓優(yōu)選地不超過(guò)點(diǎn)火線圈2的最大額定電壓。