СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИОННОГО ТОКА, ПРОТЕКАЮЩЕГО В ЦИЛИНДРЕ ДВС Российский патент 2001 года по МПК F02P17/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления и диагностики двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС).

Известен (1) способ измерения ионного тока, протекающего в цилиндре ДВС, при котором подают постоянное напряжение на электроды искрового разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС, измеряют величину ионного тока, протекающего между электродами разрядника, и по форме кривой ионного тока определяют параметры рабочего процесса, которые используют для управления ДВС.

Недостатком способа являются его ограниченные функциональные возможности, не позволяющие производить изменение величины приложенного измерительного напряжения в процессе работы ДВС.

Как известно (2), механизм образования ионного тока, протекающего между электродами искрового разрядника в цилиндре ДВС при холостом ходе и малых нагрузках, в основном, определяется величиной приложенного к электродам разрядника напряжения, а при больших нагрузках (полный дроссель) - температурой в цилиндре ДВС в такте рабочего хода.

Информация о рабочем процессе ДВС заключена (3, 4) в форме сигнала ионного тока, а не в его амплитуде, сильно зависящей от режимов работы ДВС, состава и наличия добавок в топливе, турбулентности в камере сгорания и др. Для выделения формы ионного тока требуется, чтобы амплитуда сигнала ионного тока поддерживалась на достаточно высоком уровне на всех режимах работы ДВС. Одним из возможных решений данной задачи может быть управление величиной приложенного измерительного напряжения путем повышения напряжения на холостом ходе и малых нагрузках и понижения его на средней и полной нагрузке ДВС.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей способа измерения ионного тока, протекающего между электродами искрового разрядника, размещенного в цилиндре ДВС.

Указанная задача решается путем регулирования величины измерительного напряжения в процессе работы ДВС в зависимости от его режима работы. При этом величину измерительного напряжения могут повышать на режиме холостого хода или малых нагрузок и понижать на режиме средней или полной нагрузке ДВС.

Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 представлен пример реализации заявляемого способа в системе зажигания ДВС;
на фиг. 2 - 5 показаны эпюры напряжений в различных точках системы зажигания;
Система зажигания ДВС (фиг. 1) включает в себя блок 1 управления, искровой разрядник 2, размещенный в камере сгорания ДВС, причем один из электродов разрядника соединен с массой ДВС, и канал 3 зажигания, состоящий из силового ключа 4, катушки 5 зажигания, дополнительного конденсатора 6, диода 7, измерительного конденсатора 8 и токоизмерительного резистора 9. Блок управления снабжен выходом 10 управления и измерительным входом 11. Ключ 4 служит для подключения первичной обмотки катушки 5 зажигания к источнику питания (не показан), вход управления силового ключа 4 соединен с выходом 10 блока 1. Дополнительный конденсатор 6 включен параллельно первичной обмотке катушки 5 зажигания. Диод 7 включен последовательно с высоковольтным выводом вторичной обмотки катушки 5 зажигания перед точкой подключения первой обкладки измерительного конденсатора 8, причем второй вывод вторичной обмотки катушки 5 зажигания подключен к источнику питания. Вторая обкладка измерительного конденсатора через токоизмерительный резистор 9 соединена с массой. Точка соединения второй обкладки измерительного конденсатора 8 и токоизмерительного резистора 9 соединена с измерительным входом 11 блока 1 управления.

Работу системы зажигания по предлагаемому способу можно разделить на две фазы. Первая фаза - формирование искрового разряда - традиционная и включает в себя накопление энергии зажигания, пробой искрового промежутка и поддержание тлеющего разряда. Блок 1 управления формирует на своем выходе 10 импульс управления ключом 4 (см. фиг. 2). При поступлении этого импульса на вход управления ключа 4 последний коммутирует первый вывод первичной обмотки катушки 5 зажигания на массу. Второй вывод первичной обмотки катушки 5 соединен с первым полюсом источника питания, второй полюс которого соединен с массой. При этом через первичную обмотку начинает протекать нарастающий от нуля ток, вызывающий появление связанного с ним магнитного потока. В магнитном поле катушки накапливается энергия, необходимая для формирования искрового разряда на разряднике 2. Время T1 включенного состояния ключа 4 определяет величину тока в первичной обмотке катушки 5 зажигания и, соответственно, величину запасаемой в магнитном поле энергии. При размыкании первичной цепи катушки 5 зажигания ток и порождаемый током магнитный поток быстро спадают до нуля, что вызывает появление ЭДС самоиндукции в первичной и вторичной обмотках катушки 5 зажигания. Величина Al напряжения ЭДС во вторичной цепи нарастает до тех пор, пока не наступит электрический пробой искрового промежутка разрядника 2 (7 - 15 кВ) (см. фиг. 4). После пробоя напряжение на электродах разрядника 2 (см. фиг. 3) уменьшается до напряжения поддержания тлеющего разряда (500-700 В). Время существования тлеющего разряда (1,5 - 2 мсек) определяется количеством запасенной энергии, величиной тока разряда и условиями горения, например, турбулентностью в камере сгорания. На этом первая традиционная фаза работы системы зажигания заканчивается и наступает вторая фаза - измерение ионного тока. После окончания искрового разряда блок 1 формирует серию коротких импульсов управления с периодом повторения T2 (см. фиг. 2), в результате чего во вторичной обмотке катушки 5 зажигания наводятся резонансные колебания напряжения (см. фиг. 3), положительные полуволны которых, проходя через диод 7, заряжают измерительный конденсатор 8 до амплитудного значения A2 (см. фиг. 4). Электрического пробоя искрового промежутка разрядника 2 при этом не происходит, поскольку величина A2 гораздо меньше напряжения пробоя.

Будучи заряженным до напряжения A2, измерительный конденсатор 8 разряжается в течение времени T2 через искровой промежуток разрядника 2 до некоторой остаточной величины, определяемой проводимостью искрового промежутка. При этом чем сильнее будет разряжаться измерительный конденсатор 8 в данном периоде T2, тем большим будет зарядный ток в последующем периоде T2 (см. фиг. 5). Проводимость искрового промежутка разрядника 2 в рабочем такте ДВС зависит от концентрации свободных ионов в окрестности электродов разрядника (см. 1), которая определяется параметрами рабочего процесса ДВС, такими как температура t, давление P. Непосредственно в процессе заряда измерительного конденсатора 8 блок 1 управления, на своем измерительном входе 11, производит измерение и запоминание величины тока заряда (дозаряда) измерительного конденсатора 8 (см. фиг. 5), которая пропорциональна интегралу разрядного тока (каким для измерительного конденсатора 8 является ионный ток, протекающий через разрядник 2 за период повторения импульсов T2).

Управление величиной напряжения приложенного к искровому промежутку разрядника 2 производится путем управления амплитудой резонансных колебаний A2 посредством изменения периода повторения T2 (или другими словами, частоты f, поскольку f= 1/T2). Частота f выбирается такой, чтобы она лежала в области резонанса системы магнитосвязанных резонансных контуров, образованных индуктивностями рассеивания и распределенными емкостями первичной и вторичной обмоток катушки 5 зажигания. Дополнительный конденсатор 6 предназначен для улучшения возбуждения резонансного контура, образованного первичной обмоткой, и в общем случае необязателен. Как известно, при приближении к резонансу амплитуда колебаний возрастает и достигает максимума на частоте резонанса, что позволяет изменением частоты f возбуждения изменять амплитуду A2. Вышеназванные емкости и индуктивности являются конструктивными параметрами и присущи любой катушке зажигания.

Необходимость изменения величины измерительного напряжения обусловлена следующим.

Известно (см. 2), что ионный ток, протекающий между электродами разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС, имеет две составляющие, первая из которых определяется термодинамическими параметрами сгоревшего газа (температура, давление), отраженными в форме кривой тока, составом топлива и топливными присадками, а вторая составляющая определяется величиной приложенного к электродам разрядника напряжения.

Вторая составляющая характерна для режима холостого хода и малых нагрузок. Поэтому для получения более сильного отклика (сигнала ионного тока) на этих режимах повышают величину измерительного напряжения.

Известно также (см. 2), что на режиме средних и полных нагрузок влияние на величину ионного тока термодинамических параметров газов в камере сгорания ДВС (температуры и давления) сильнее выражено в первой составляющей ионного тока.

Таким образом, при данном уровне измерительного напряжения на этих режимах амплитуда сигнала ионного тока может выйти за пределы измерения, что, в свою очередь, может искажать форму сигнала и вести к потере информации.

Поэтому на режиме средних и полных нагрузок для поддержания амплитуды сигнала ионного тока в рамках пределов измерения уменьшают влияние второй составляющей ионного тока путем уменьшения величины измерительного напряжения.

Таким образом, заявляемый способ позволяет путем изменения периода повторения T2 управлять напряжением, приложенным к искровому промежутку разрядника 2. Способ реализуется (см. фиг. 1) достаточно просто, при этом отсутствуют специальные требования к катушке зажигания.

Список литературы
1. SAE paper N 930461. Spark Plug Voltage Analysis for Monitoring Combustion in Internal Combustion Engine. Yuichi Shimasaki, Masaki Kanehiro, Shigeki Baba, Shigery Maruyama and Takashi Hisaki. Honda R&D Co., Ltd. Shigery Miyata. NGK Spark Plug Co., Ltd.

2. SAE paper N 970857. In-Cylinder Pressure Mesurements Using Spark Plug as lonizition Sensor. Andre Saitzkoff, Raymond Reinmann and Fabian Mauss. Lund Institute of Technology. Magnus Glavmo. Mecel.

3. SAE paper N 970854. Closed Loop Control by Ionization Current Interpretation, Lars Eriksson and Lars Nielsen, Linkoping Univ., Mikael Glavenius, Mecel AB.

4. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями, под редакцией Д. Хиллиарда, Дж. Спрингера. - М.: Машиностроение, 1988.

Изобретение предназначено для управления и диагностики ДВС. Способ измерения ионного тока, протекающего между электродами искрового разрядника, размещенного в цилиндре ДВС, осуществляют путем регулирования величины измерительного напряжения в процессе работы ДВС в зависимости от его режима работы. Технический результат - расширение функциональных возможностей способа. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения ионного тока, протекающего в цилиндре ДВС, заключающийся в том, что к электродам искрового разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС, прикладывают измерительное напряжение и измеряют возникающий под действием приложенного напряжения ток, протекающий через электроды разрядника, отличающийся тем, что величину измерительного напряжения изменяют в зависимости от режима работы ДВС. 2. Способ измерения по п.1, отличающийся тем, что величину измерительного напряжения повышают на режиме холостого хода. 3. Способ измерения по п.1, отличающийся тем, что величину измерительного напряжения повышают на режиме малых нагрузок. 4. Способ измерения по п.1, отличающийся тем, что величину измерительного напряжения понижают на режиме средней нагрузки. 5. Способ измерения по п.1, отличающийся тем, что величину измерительного напряжения понижают на режиме полной нагрузки.