СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ Российский патент 2004 года по МПК F02P17/12 G01R31/38 

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

Известен способ измерения ионной проводимости газовой среды внутри камеры сгорания ДВС [1], при котором подают постоянное напряжение на электроды свечи зажигания, размещенные в камере сгорания ДВС, измеряют величину протекающего между электродами тока, который определяется ионной проводимостью газовой среды внутри камеры сгорания, и по форме кривой ионной проводимости или ионного тока судят о параметрах рабочего процесса в камере сгорания ДВС, используемых для диагностики и управления ДВС.

Недостатком способа является малая величина получаемого сигнала ионного тока, зависимость его от вариаций приложенного напряжения и широкий диапазон изменения, что требует применение широкодиапазонных усилителей с высоким коэффициентом усиления и многоразрядных аналого-цифровых преобразователей (далее АЦП).

За прототип заявляемого способа взят способ измерения ионной проводимости газовой среды внутри камеры сгорания ДВС [2], при котором периодически заряжают конденсатор, обкладки которого соединены с помещенными в газовую среду камеры сгорания электродами, и определяют проводимость газовой среды по величине тока заряда конденсатора. По форме кривой ионной проводимости (ионного тока) судят о параметрах рабочего процесса в цилиндре, которые используются для диагностики и управления ДВС.

Недостатками прототипа являются недостаточная точность измерения и сложность реализации способа, что обусловлено следующими причинами.

Ток заряда конденсатора зависит от вариаций напряжения заряда конденсатора и изменяется в весьма широком диапазоне.

Для реализации способа требуется применение многоразрядных АЦП.

Задачей заявляемого технического решения является создание простого в реализации способа измерения ионной проводимости газовой среды между электродами свечи зажигания ДВС, обладающего повышенной точностью измерения.

Указанная задача решается в способе измерения ионной проводимости газовой среды путем измерения параметра тока, протекающего через конденсатор, обкладки которого соединены с помещенными в газовую среду электродами, включающем периодический заряд конденсатора.

Задача решается тем, что величину ионной проводимости измеряют как время протекания тока через конденсатор. При этом могут измерять время протекания через конденсатор разрядного или зарядного тока.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена схема системы зажигания ДВС, в которой возможна реализация заявляемого способа.

На фиг.2-6 показаны эпюры напряжений в различных точках системы зажигания:

на фиг.2 показана осциллограмма напряжения на выходе 10 блока 1 управления;

на фиг.3 показана осциллограмма напряжения на выходе вторичной обмотки катушки 5 зажигания;

на фиг.4 показана осциллограмма напряжения на конденсаторе 8;

на фиг.5 показана осциллограмма напряжения на токоизмерительном резисторе 9;

на фиг.6 показана осциллограмма напряжения на выходе порогового устройства 6.

Заявляемый способ может быть успешно реализован в системе зажигания ДВС (см. фиг.1), которая включает в себя блок 1 управления, свечу 2 зажигания, размещенную в камере сгорания ДВС, один из электродов которой соединен с массой ДВС, и канал 3 зажигания, состоящий из силового ключа 4, катушки 5 зажигания, порогового устройства 6, диода 7, конденсатора 8 и датчика тока, в качестве которого может использоваться, например, датчик Холла или, как в данном примере реализации, токоизмерительный резистор 9. Питание системы зажигания осуществляется от источника (на фиг.1 не показан), положительный вывод которого условно показан на фиг.1 значком +12, а отрицательный вывод соединен с массой ДВС и условно показан на фиг.1 значком массы.

В общем случае система зажигания может иметь несколько одинаковых каналов зажигания 3, пропорционально числу цилиндров ДВС.

Блок 1 управления снабжен выходом 10 управления и входом 11 измерения длительности импульса ионного тока. Ключ 4 служит для подключения первого вывода первичной обмотки катушки 5 зажигания к отрицательному выводу источника питания, при этом второй вывод первичной обмотки катушки 5 зажигания соединен с положительным выводом источника питания +12, а вход управления силового ключа 4 соединен с выходом 10 блока 1. Диод 7 включен последовательно с первым (высоковольтным) выводом вторичной обмотки катушки 5 зажигания, перед точкой подключения первой обкладки конденсатора 8, которая соединена с первым электродом свечи 2 зажигания, а второй вывод вторичной обмотки катушки 5 зажигания и второй вывод свечи 2 зажигания соединены с массой ДВС. Вторая обкладка конденсатора 8 соединяется с массой ДВС непосредственно в случае применения в качестве датчика тока датчика Холла или через токоизмерительный резистор 9, как в данном примере реализации. Точка соединения второй обкладки конденсатора 8 и токоизмерительного резистора 9 соединена со входом порогового устройства 6, выход которого соединен со входом 11 измерения длительности импульса блока 1 управления.

Работу системы зажигания по предлагаемому способу можно разделить на две фазы.

Первая фаза, фаза формирования искрового разряда, традиционная и включает в себя накопление энергии зажигания, пробой искрового промежутка свечи 2 зажигания и поддержание тлеющего разряда.

Блок 1 управления формирует на своем выходе 10 импульс длительности Т1 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. При этом через первичную обмотку катушки 5 зажигания начинает протекать нарастающий от нуля ток, вызывающий появление связанного с ним магнитного потока. В магнитном поле катушки 5 зажигания накапливается энергия, необходимая для формирования искрового разряда на свече зажигания 2. Время Т1 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 напряжения ЭДС во вторичной обмотке катушки 5 зажигания нарастает до тех пор, пока не наступит электрический пробой искрового промежутка свечи зажигания 2 (см. фиг.3). После пробоя (Ua=7-15 кВ) напряжение на электродах свечи зажигания 2 (см. фиг.3) уменьшается до напряжения поддержания тлеющего разряда (Ub=500-700 B). Время существования тлеющего разряда 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 - фаза возбуждения и измерения ионного тока.

После окончания искрового разряда блок 1 формирует серию импульсов управления с периодом повторения Т2 (см. фиг.2). Первичная и вторичная обмотки катушки 5 зажигания образуют систему магнитосвязанных колебательных контуров, так что, воздействуя на колебательный контур, образованный первичной обмоткой, вызывают появление резонансных колебаний во втором колебательном контуре, образованном вторичной обмоткой. Период вышеназванных импульсов управления Т2 выбирается равным периоду собственных колебаний напряжения вторичной обмотки катушки 5 зажигания, в результате чего во вторичной обмотке катушки 5 зажигания индуцируются резонансные колебания напряжения (см. фиг.3), положительные полуволны которых, проходя через диод 7, заряжают конденсатор 8 до амплитудного значения Us (см. фиг.4). Электрического пробоя искрового промежутка свечи 2 зажигания при этом не происходит, поскольку величина Us (150-400 В) гораздо меньше напряжения пробоя.

Будучи заряженным до напряжения Us, конденсатор 8 разряжается в течение времени Траз≤Т2 - Тзар, где Т2 - период повторения импульсов управления, Тзар - время протекания тока заряда конденсатора.

Рассмотрим два случая разряда конденсатора 8 в зависимости от величины проводимости искрового промежутка свечи 2 зажигания.

Первый случай, когда в промежуток времени Траз происходит разряд конденсатора 8 до нуля, Траз<Т2-Тзар.

В первом случае время разряда конденсатора 8 целиком определяется ионной проводимостью искрового промежутка свечи зажигания, а время заряда конденсатора постоянно и максимально при данном уровне заряда и определяется только параметрами зарядной цепи, поэтому при полном разряде целесообразно измерять время разряда.

Второй случай, когда происходит неполный разряд конденсатора до некоторой остаточной величины Ur, большей нуля (Ur<0), определяемой ионной проводимостью газовой среды между электродами свечи 2 зажигания (см. фиг.4). При этом время разряда конденсатора равняется разности Траз=(Т2-Тзар), где Тзар определяется величиной Ur.

Во втором случае, при неизменном Т2 (T2=const) величину ионной проводимости можно определить, измеряя время разряда или время заряда конденсатора 8.

Как известно из электротехники, интеграл тока заряда конденсатора за период Т в установившемся режиме равен интегралу тока разряда за этот же период.

Следовательно, чем медленнее будет разряжаться конденсатор 8 в данном периоде Т2, тем больше величина остаточного напряжения Ur (см. фиг.4) и тем меньше будет величина и длительность Тзар зарядного тока конденсатора 8 (см. фиг.5).

Из электротехники также известно, что постоянная времени разряда конденсатора равна:

t=R·C,

где R (в нашем случае) - электрическое сопротивление газовой среды в искровом промежутке свечи зажигания 2;

С - величина емкости конденсатора 8.

Таким образом, время протекания разрядного тока конденсатора 8 при прочих неизменных условиях определяется электрическим сопротивлением (или обратной ему величиной - проводимостью) газовой среды межэлектродного промежутка свечи 2 зажигания.

Ионная проводимость искрового промежутка свечи 2 зажигания в рабочем такте ДВС зависит от концентрации свободных ионов в окрестности электродов свечи зажигания, которая, в свою очередь, определяется параметрами рабочего процесса ДВС, такими как химический состав топлива, температура t и давление Р в камере сгорания ДВС. Следовательно, по величине ионной проводимости искрового промежутка свечи зажигания можно судить о параметрах рабочего процесса ДВС.

В процессе заряда/разряда конденсатора 8 через токоизмерительный резистор 9 протекает ток, вызывающий падение положительного/отрицательного напряжения, которое прикладывается ко входу порогового устройства 6, представляющего собой компаратор напряжения. Пороговое устройство 6 устанавливает на своем выходе уровень лог.1 при снижении входного напряжения ниже нуля и уровень лог.0 при превышении входного напряжения выше нуля (см. фиг.6), причем длительность импульса, формируемого на выходе порогового устройства 6, равна времени разряда конденсатора 8. Импульс напряжения с выхода порогового устройства 6 (см. фиг.6) поступает на вход 11 блока 1 управления, который производит измерение его длительности, например, при помощи счетчика путем подсчета импульсов заданной частоты за время существования импульса напряжения на входе 11 и запоминание длительности импульса, однозначно определяющей величину ионной проводимости за период Т2.

Заявляемый способ характеризуется выполнением следующих операций:

- После окончания в цилиндре ДВС искрового разряда конденсатор, обкладки которого соединены с помещенными в газовую среду электродами свечи зажигания, заряжают импульсами тока до заданного амплитудного значения.

- Измеряют величину ионной проводимости путем измерения времени протекания тока через конденсатор. При этом могут выполнять измерение величины как зарядного, так и разрядного тока.

Как известно из техники измерений, измерение времени в настоящий момент является самым точным и дешевым видом измерений. Кроме того, предложенный способ не имеет выраженной зависимости от величины прикладываемого напряжения заряда (t=RC). Поэтому нет необходимости точно стабилизировать напряжение заряда. Следовательно, применение заявляемого способа позволяет по сравнению с известными способами повысить точность измерения ионной проводимости газовой среды и снизить затраты на реализацию измерения.

Источники информации

1. SAE paper №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. Патент РФ №2109164. “Способ измерения ионного тока между электродами свечи зажигания ДВС”, МПК6 F 02 P 17/00, опубл. 20.04.1998 г., бюл. №11.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для диагностики и управления двигателей внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности применения для измерения ионной проводимости газовой среды между электродами свечи зажигания простого в реализации способа, который обладает повышенной точностью измерения и позволяет снизить затраты на реализацию измерения. Способ согласно изобретению обеспечивается путем измерения времени протекания разрядного или зарядного тока через периодически заряжающийся конденсатор, обкладки которого соединены с электродами, помещенными в газовую среду. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения ионной проводимости газовой среды путем измерения параметра тока, протекающего через конденсатор, обкладки которого соединены с электродами, помещенными в упомянутую среду, включающий периодический заряд конденсатора, отличающийся тем, что измеряют время протекания тока через конденсатор.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют время протекания разрядного тока.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют время протекания зарядного тока.