用於火花塞的離子電流測量的變壓器電路及方法與流程

2023-04-26 14:13:36 4

本發明涉及一種火花塞變壓器電路以及一種離子電流測量方法。

背景技術：

為了在發動機的燃燒室中點燃燃料，通過在火花塞的電極之間施加高壓來產生電弧放電。如果沒有電弧放電點燃，則通過施加稍低的電壓，能夠測量在火花塞的電極之間的氣體混合物的電導率。此類離子電流測量使得能夠獲得與發動機的燃燒室有關的有價值信息。美國專利US5866808以及德國公布文件DE3934310A1公開了能用於離子電流測量的點火系統。

這種類型的點火系統由火花塞以及變壓器電路組成，變壓器電路通過變壓器從初級電壓中產生超過10kV的次級電壓，初級電壓一般為車輛的車載系統電壓。當將初級電壓施加到變壓器時，在其中的次級電壓側立即產生強磁場變化，使得在火花塞的電極中感應出電壓。在某些情況下，這可能已經導致電弧放電，從而使發動機的燃燒室中的混合物發生不希望的過早點火。為了防止這種情況，現代點火系統通常配有導通火花抑制二極體(switch-on spark suppression diode)，其設置在火花塞和變壓器之間。該導通火花抑制二極體阻擋通過啟動點火系統(即施加初級電壓)引起的次級電流，並且防止在火花塞的電極處產生過早電壓增加。

包括導通火花抑制二極體並且允許離子電流測量的點火系統的問題在於，車輛的車載系統電壓不足以用於離子電流測量，這是因為燃料室內含物具有較高的電阻，更確切地說，需要更高的電壓，通常約100V或更高。在沒有導通火花抑制二極體的點火系統中由電容器輸送離子電流測量電壓，該電容器通過變壓器電路的次級電壓進行充電，同時在火花塞處施加次級電壓。相應的電路在圖1中示出。電弧放電熄滅後，電容器通過在火花塞的電極之間流動的離子電流的方式進行放電。通過使用該電路，能夠以電阻器上的壓降來測量離子電流。這種電路中的電容器放電電流朝與同一電路的充電電流相反的方向流經火花塞，這使得產生火花塞的電弧放電。因此，導通火花抑制二極體會阻擋電容器的放電電流，並且因此同樣會阻擋離子電流放電。

本質上，通過進一步的變壓器，能夠從車載系統電壓中產生用於離子電流測量的電壓。然而，其可行性非常複雜，因此不可能得到普及。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種方式，使導通火花抑制二極體的優點能經濟有效地與離子電流測量的選擇組合。

該目的通過具有權利要求1中所述特徵的變壓器電路以及根據權利要求10所述的方法來實現。本發明的有益改進是從屬權利要求的主題。

根據本發明，由變壓器電路的變壓器所產生的次級電壓用於對電容器充電，所述電容器設置在串聯連接至變壓器的次級側的迴路中。因此，所述迴路由第一支路以及第二支路組成，所述第一支路從分支點通向電容器的第一側，所述第二支路從分支點通向電容器的第二側。因此，所述電容器的兩側均連接至變壓器的次級側的相同端部。電流能流經所述第一支路，用於對所述電容器進行充電，以及能流經所述第二支路，用於放電。在所述變壓器的次級側上，所述電容器的充電電流以及放電電流因此具有相同的方向，因而均能流經設置在所述火花塞和變壓器的次級側之間的導通火花抑制二極體。

為了防止所述電容器過早放電，所述迴路的第一支路和第二支路可包括二極體，兩個支路中的二極體反向設置，從而確保只有充電電流流經其中一個支路，以及只有放電電流流經另一支路。然而，其中一個二極體或兩個二極體還能被一開關代替，所述開關僅在電流應當流經相關支路時關閉。通過這種方式，同樣能夠實現充電電流只流經迴路中的其中一個支路，而放電電流只流經迴路中的另一支路。

在電弧放電熄滅後，所述迴路中的電容器輸送用於離子電流的電荷。在這種情形下，存儲在所述電容器中的電荷能夠直接用於離子電流，該離子電流接著作為電容器的放電電流流動。不同的選擇包括使用所述電容器對第二電容器進行充電，第二電容器接著饋送離子電流。在這種情形中，能同時通過第一電容器以及通過第二電容器饋送離子電流。由於第二容器的電荷源自於第一電容器，當使用第二電容器時，離子電流的電荷同樣最終由第一電容器輸送。

第二電容器能夠設置在從迴路的第一支路中分支形成並且通向接地端的電路支路中。在該電路支路中，能夠設置測量電阻器，其串聯連接至第二電容器。比起設置在迴路第二支路中的電阻器，能夠在該類型的測量電阻器處以更少支出來測量正比於離子電流的壓降。

本發明的有利改進在於，在離子電流流經的迴路第二支路中設置電阻器，例如10kΩ或更大，尤其是100kΩ至1MΩ的電阻器。這個電阻確保了充電電流首先流經迴路的第一支路。

當在本發明的上下文中提到二極體或二極體的擊穿電壓，其中也應當包括二極體級聯，即，多個串聯連接的二極體，其作為一個整體自然具有比單個二極體更高的擊穿電壓。

附圖說明

本發明進一步的細節和優勢將參考附圖根據說明性的實施例進行說明。附圖中：

圖1示出了現有技術的電路圖；

圖2示出了根據本發明的變壓器實施例的電路圖；

圖3示出了在圖2中示出的電路圖，該圖具有在火花塞的電弧放電期間流動的電流路徑；

圖4示出了在圖2中示出的電路圖，該圖具有在電弧放電之後流動的電流路徑；以及

圖5示出了在圖2中示出的電路圖，該圖具有離子電流的路徑。

具體實施方式

圖2中的變壓器電路具有通過變壓器1耦合的初級電路以及次級電路。初級電路包括用於初級電壓源2(例如車載電池)的連接器、變壓器1的初級側1a以及開關3(例如電晶體開關)。當開關3閉合時，初級電流流經變壓器1的初級側1a，結果在變壓器1的次級側1b中感應出次級電壓。初級側1a以及次級側1b能夠構造為通過變壓器1的芯耦合的線圈。

在次級電路中，變壓器1的次級側1b串聯連接至導通火花抑制二極體4以及用於火花塞5的連接器，以便次級電壓在火花塞5的電極之間產生電弧放電。圖3繪出了當電弧放電點燃時流動的次級電流的基本路徑。

由齊納二極體7橋接的電容器6串聯連接至變壓器1的次級側1b。如圖所示，變壓器1的次級側1b設置在電容器6和用於火花塞5的連接器之間。在每種情形中，電容器6以及用於火花塞5的連接器均設置在接地端和變壓器1的次級側1b之間。

電容器6設置在由第一支路以及第二支路組成的迴路中，第一支路具有第一電路元件8，例如二極體，第二支路具有第二電路元件9，例如二極體。例如10kΩ或更大的電阻器10能夠額外地設置在第二支路中。電容器6的兩側通過該迴路串聯連接至變壓器1的次級側1b的相同端部。在這種情形中，電路元件8、9以這樣的方式設置，即，只有電容器6的充電電流才能流經第一電路元件8，只有電容器6的放電電流才能流經第二電路元件9。電路元件8、9可相應地為彼此反向設置的受控電晶體開關或二極體。

如果電弧放電在火花塞5中點燃，則因此使電容器6充電達到齊納二極體7的擊穿電壓。之後，電弧放電的電流流經齊納二極體7。

從電容器6和次級電路元件9之間的迴路第二支路中分支形成一電路支路，該電路支路通向接地端並且包含二極體11或不同電路元件，所述二極體11或不同電路元件只允許電流朝次級電流在電弧放電期間的方向流通。

此外，在次級電路元件9背向電容器6一側，能夠從該迴路的第二支路中分支形成進一步的電路支路，在該電路支路中，設置第二電容器12以及與第二電容器12串聯連接的測量電阻器13。進一步的電路支路同樣通向接地端。

該迴路的第一支路能夠經由電晶體開關18連接至在第一電路元件8和電容器6之間的電壓源，例如車載電池。電晶體開關18以這樣的方式控制，即，當電弧放電點燃時打開電晶體開關18。

在電弧放電熄滅後，關閉電晶體開關18，以進行離子電流測量。為此，能夠通過控制信號來驅動電晶體開關18，該控制信號的值表示是否將初級電壓施加在變壓器1的初級側1a上。如圖2所示，能夠使用運算放大器14來產生這種類型的控制信號，運算放大器14檢測電晶體開關3處(例如，其連接器處)的電位。另一種選擇包括估算開關3的控制信號。

當變壓器電路的初級電路為開路時，初級電流停止，因此不再在變壓器1的次級側1b中感應出次級電壓，使得火花塞5的電弧放電熄滅。在所示的變壓器電路中，接著閉合電晶體開關11，以便通過電阻器15將電壓源施加在電容器6上。電容器6接著對第二電容器12進行充電，如在圖4中以簡化的方式所示。為了對第二電容器12進行充電12，將電容器6經由電阻器15連接至電壓源並非絕對必要的。除了連接至電壓源，電容器6還能連接至接地端，因為無論怎樣，車載電池的電壓都比電容器6的充電電壓(超過100V)小得多。

這樣一來，在第二電容器12的充電期間，與第二電容器12串聯連接的測量電阻器13或者檢測測量電阻器13處的壓降的電壓測量裝置並沒有多餘地加載，測量電阻器13能由允許充電電流通過的二極體16橋接。第二電容器12能由齊納二極體17橋接，使得其只能被充電至齊納二極體17的擊穿電壓。

在一個充電周期過後，能夠再次打開電晶體開關18，以進行離子電流測量，該充電周期例如只有1至10ms，因此能夠在每個發動機循環中進行。替代地，電晶體開關18還能保持關閉，直到下一個電弧放電，因為第二電容器12將很快充電至電容器6的電壓水平。

在圖4中示意性示出的充電階段過後，離子電流從電容器12流出，如在圖5中以簡化的方式所示。一方面，離子電流從電容器12流經迴路第二支路中的電阻器10、變壓器1的次級側1b、導通火花抑制二極體4、火花塞5，並且從火花塞5流經發動機的燃燒室內含物而到達接地端。另一方面，離子電流從接地端流經測量電阻器13至電容器12，使得能夠作為測量電阻器處的壓降來測量該離子電流，圖5通過UION來表示該壓降。

因此，用於離子電流測量的從電容器12輸送的電荷來源於電容器6。不管離子電流是直接從電容器6饋送(這在原理上是可行的)，還是從由電容器6充電的電容器12中饋送，電容器6的電荷均因此以所述的方法用於離子電流，即，電容器6直接或經由第二電容器12間接地饋送電流。

引用列表

1 變壓器

1a 變壓器的初級側

1a 變壓器的次級側

2 初級電壓源

3 開關

4 導通火花抑制二極體

5 火花塞

6 電容器

7 齊納二極體

8 電路元件

9 電路元件

10 電阻

11 電路元件

12 電容器

13 測量電阻器

14 運算放大器

15 電阻

16 二極體

17 齊納二極體。