УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ В СИСТЕМЕ РАДИОЧАСТОТНОГО ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F02P17/12 

Настоящее изобретение относится к устройству измерения в системе радиочастотного зажигания с электронным управлением для двигателя внутреннего сгорания, выполненному с возможностью измерения тока ионизации газов в цилиндрах двигателя и/или измерения напряжения на контактах электродов свечи зажигания во время подачи команды на зажигание.

Измерение тока ионизации газов в цилиндрах двигателя обычно производят после завершения зажигания и предпочтительно применяют, например, для детектирования угла, соответствующего пику давления в камере сгорания, детонации или для идентификации перебоев зажигания.

Известны схемы измерения тока ионизации для классической системы зажигания. Такие схемы включают поляризацию смеси в камере сгорания после генерирования искры между электродами свечи зажигания, чтобы измерить ток, получаемый в результате распространения искры.

Классически такие схемы располагают в нижней части вторичной обмотки катушки зажигания, подключенной к свече зажигания.

Однако эти схемы требуют совместимости с характеристиками классического зажигания и сами по себе не могут быть адаптированы к системам зажигания с генерированием плазмы, применяющим свечи зажигания типа радиочастотных катушек-свечей (ВМЕ), подробно описанных в следующих патентных заявках, поданных на имя заявителя: FR 03-10766, FR 03-10767 и FR 03-10768.

Поэтому настоящее изобретение направлено, в частности, на создание устройства измерения тока ионизации, адаптированного для системы радиочастотного зажигания.

Другой задачей является реализация на основе этого же устройства одновременно или не одновременно с измерением тока ионизации измерения напряжения на контактах электродов радиочастотной катушки-свечи во время подачи команды на зажигание.

Учитывая эту задачу, объектом изобретения является устройство измерения, содержащее:

- цепь питания радиочастотного зажигания, содержащую трансформатор, вторичная обмотка которого соединена, по меньшей мере, с одним резонатором, имеющим резонансную частоту, превышающую 1 МГц, и содержащим два электрода, выполненных с возможностью генерирования искры во время подачи команды на зажигание,

- измерительный конденсатор, последовательно подключенный между вторичной обмоткой и резонатором,

- схему измерения тока ионизации газов во время горения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, соединенном с резонатором, при этом указанная схема измерения соединена с контактами измерительного конденсатора, и/или

- схему измерения напряжения на контактах электродов резонатора во время подачи команды на зажигание, при этом указанная схема соединена с контактами измерительного конденсатора.

Согласно варианту выполнения, измерительный конденсатор последовательно подключен между вторичной обмоткой трансформатора и резонатором на уровне провода обратного пути тока через корпус трансформатора и резонатора.

Предпочтительно устройство содержит ослабляющий резистор, параллельно соединенный с первичной обмоткой трансформатора.

Согласно еще одному признаку, устройство содержит источник постоянного напряжения, соединенный с нижней частью вторичной обмотки трансформатора.

Предпочтительно схема измерения тока ионизации содержит схему дифференциации разности потенциалов между контактами измерительного конденсатора.

Предпочтительно схема измерения напряжения на контактах электродов резонатора содержит схему выпрямления пикового напряжения на контактах измерительного конденсатора.

Согласно варианту выполнения, первичная обмотка трансформатора соединена, с одной стороны, с источником напряжения питания и, с другой стороны, со стоком, по меньшей мере, одного транзистора-выключателя, управляемого управляющим сигналом, при этом транзистор-выключатель подает напряжение питания на контакты первичной обмотки на частоте, определяемой управляющим сигналом.

Предпочтительно трансформатор имеет переменный коэффициент трансформации.

Другие признаки и достоинства настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве иллюстративного и не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схема резонатора, моделирующего радиочастотную катушку-свечу генерирования плазмы;

фиг.2 - схема, иллюстрирующая цепь питания из предшествующего уровня техники, позволяющую подавать переменное напряжение в диапазоне радиочастот на контакты катушки-свечи;

фиг.3 - схема, иллюстрирующая вариант цепи, показанной на фиг.3;

фиг.4 - схема, иллюстрирующая цепь питания в соответствии с настоящим изобретением, адаптированную для измерения тока ионизации и напряжения на контактах электродов свечи во время подачи команды на зажигание.

Катушка-свеча, применяемая в рамках управляемого радиочастотного зажигания, является электрическим эквивалентом резонатора 1 (см. фиг.1), резонансная частота Fe которого превышает 1 МГц и обычно близка к 5 МГц. Резонатор содержит последовательно соединенные резистор Rs, катушку индуктивности Ls и конденсатор, обозначенный Cs. Электроды 11 и 12 зажигания катушки-свечи соединены с контактами конденсатора Cs резонатора, обеспечивая генерирование многошнуровых разрядов для инициирования воспламенения смеси в камерах сгорания двигателя, когда на резонатор подают питание.

Действительно, когда на резонатор подают высокое напряжение на его резонансной частоте F_c , амплитуда на контактах конденсатора Cs увеличивается, что позволяет создавать многошнуровые разряды между электродами свечи на расстояниях порядка сантиметра с сильным давлением и при пиковых напряжениях менее 25 кВ.

В этом случае говорят о разветвленных разрядах, поскольку они предполагают одновременное генерирование, по меньшей мере, нескольких линий или путей ионизации в данном объеме, кроме того, их разветвление является многонаправленным.

Это применение для радиочастотного зажигания требует использования цепи питания, которая может генерировать импульсы напряжения порядка 100 нс, которые могут достигать амплитуд порядка 1 кВ, на частоте, очень близкой к резонансной частоте резонатора генерирования плазмы радиочастотной катушки-свечи.

Такая цепь 2 питания, подробно описанная в патентной заявке FR 03-10767, схематично показана на фиг.2. В этой цепи питания радиочастотной катушки-свечи классически применяют монтажную схему, называемую «усилителем мощности псевдокласса Е». Эта монтажная схема позволяет создавать импульсы напряжения с вышеуказанными характеристиками.

Эта монтажная схема содержит источник промежуточного постоянного напряжения Vinter, которое может изменяться от 0 до 250 В, силовой МОП-транзистор М и параллельную резонансную схему 4, содержащую катушку Lp, параллельно соединенную с конденсатором Ср. Транзистор М используют в качестве выключателя для управления коммутациями на контактах параллельной резонансной схемы и резонатора 1 генерирования плазмы, предназначенного для соединения с выходным интерфейсом OUT цепи питания.

Транзистор М управляется на свом затворе логическим управляющим сигналом V1, выдаваемым управляющим каскадом 3 на частоте, которая должна по существу соответствовать резонансной частоте резонатора 1.

Промежуточное постоянное напряжение питания Vinter предпочтительно получают от источника высокого напряжения, как правило, преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Таким образом, в пределах своей резонансной частоты параллельный резонатор 4 преобразует постоянное напряжение питания Vinter в усиленное периодическое напряжение Va, соответствующее напряжению питания, умноженному на коэффициент усиления напряжения параллельного резонатора, и подаваемое на выходной интерфейс цепи питания на уровне стока транзистора-выключателя М.

Транзистор-выключатель М подает усиленное напряжение питания на выход цепи питания на частоте, определяемой управляющим сигналом V1, которую необходимо максимально приблизить к резонансной частоте катушки-свечи таким образом, чтобы генерировать высокое напряжение на контактах электродов катушки-свечи, необходимое для развития и поддержания многошнурового разряда.

Таким образом, транзистор коммутирует сильные токи на частоте примерно 5 МГц и с напряжением сток-исток, которое может достигать 1 кВ. Выбор транзистора является, таким образом, определяющим, и требует компромисса между напряжением и током.

Согласно варианту, показанному на фиг.3, параллельная катушка Lp заменена трансформатором Т, имеющим коэффициент трансформации в пределах от 1 до 5. Первичная обмотка L_м трансформатора соединена с одной стороны с источником напряжения Vinter, а с другой стороны со стоком транзистора-выключателя М, управляющим подачей напряжения питания Vinter на контакты первичной обмотки на частоте, определяемой управляющим сигналом V1.

Вторичная обмотка L_N трансформатора предназначена для соединения с катушкой-свечой. Один конец вторичной обмотки соединен с массой при помощи провода 6 обратного пути тока через корпус. Таким образом, резонатор 1 катушки-свечи, соединенный с контактами вторичной обмотки соединительными проводами 5 и 6, один из которых является проводом 6 обратного пути тока через корпус, получает питание от вторичной обмотки трансформатора.

Адаптация коэффициента трансформации позволяет в этом случае снизить напряжение сток-исток транзистора. Однако снижение напряжения на первичной обмотке приводит к повышению тока, проходящего через транзистор. В этом случае можно компенсировать это повышение путем параллельного подключения двух транзисторов, управляемых одним управляющим каскадом 3.

На фиг.4 показана адаптация схемы, описанной выше со ссылкой на фиг.3, для настоящего изобретения.

Для этого прежде всего предусмотрен измерительный конденсатор, обозначенный Cmesure на фиг.4, подключаемый последовательно между вторичной обмоткой трансформатора цепи 2 питания радиочастотного зажигания и резонатором 1 радиочастотного генерирования плазмы, на проводе 6 обратного пути тока через корпус трансформатора и резонатора.

Как более подробно показано ниже, на основании этого измерительного конденсатора можно производить измерение тока ионизации во время горения газов в камере и/или измерение напряжения на контактах электродов катушки-свечи во время подачи команды на зажигание.

Также предусмотрен источник постоянного напряжения, выдающий напряжение Vpolar, составляющее от 12 до 250 В, которое может быть напряжением батареи или постоянным промежуточным напряжением питания Vinter для подключения через резистор Rpolar к нижней части вторичной обмотки трансформатора. Роль этого источника питания состоит в поляризации электрода высокого напряжения катушки-свечи, подключенной на выходе цепи питания относительно головки блока цилиндров двигателя.

Наконец, в случае необходимости, параллельно с первичной обмоткой трансформатора Т может быть подключен ослабляющий резистор Rstop. Такой резистор позволяет ослабить остаточное напряжение на контактах первичной обмотки после прекращения подачи команды на транзистор М, то есть после генерирования искры. Наличие этого резистора предпочтительно позволяет осуществлять измерения тока ионизации как можно скорее после завершения команды зажигания, что подробно пояснено ниже.

Цепь питания, показанная на фиг.3, адаптирована для осуществления измерений тока ионизации. Ток ионизации соответствует распространению фронта пламени внутри камеры сгорания. Следовательно, речь идет о сигнале, который позволяет отследить развитие и тип происходящего горения. Этот ток ионизации можно измерить по завершении распространения искры в течение, по меньшей мере 1 мс, и он имеет амплитуду порядка 20 мкА. Поэтому измерение тока ионизации производят после конца зажигания.

В частности, например, при 6250 об/мин двигатель производит один оборот за 10^-2 с, то есть 26 мкс/°. Поскольку горение происходит примерно за 40° коленчатого вала, допускается отклонение в 100 мкс (то есть примерно 4° коленчатого вала при максимальном режиме) после зажигания для ослабления подавления тока измерения действием зажигания.

Как было указано выше, ослабление улучшается за счет добавления резистора параллельно с первичной обмоткой трансформатора, на выходе которого подключена катушка-свеча.

Измерение тока ионизации в соответствии с настоящим изобретением производят на контактах измерительного конденсатора Cmesure во время горения. Для этого к контактам измерительного конденсатора Cmesure подключают измерительную схему DIFF типа дифференциатора.

Таким образом, измерение тока ионизации в соответствии с настоящим изобретением производят на контактах измерительного конденсатора Cmesure во время горения. Эквивалентный разряд во время горения можно смоделировать при помощи резистора Rion значением порядка 500 кОм, подключенного параллельно с конденсатором Cs резонатора 1 генерирования плазмы.

Согласно примеру выполнения, показанному на фиг.4, дифференцирующая схема DIFF, используемая для измерения тока ионизации, содержит рабочий усилитель 10, питаемый напряжением Vlow. Инвертирующий вход усилителя подключен к контакту измерительного конденсатора Cmesure через конденсатор, обозначенный С, емкостью, равной, например, 100 нФ, не инвертирующий вход подключен к другому контакту измерительного конденсатора через такой же конденсатор С, а выход Vs замкнут на не инвертирующий вход через резистор, обозначенный R, например, равный 100 Ом.

Кроме того, не инвертирующий вход поляризуется напряжением питания усилителя. Сначала это напряжение Vlow фильтруется схемой RC, содержащей резистор со значением, например, равным 4/5R, последовательно соединенный с конденсатором С1. После этого отфильтрованное напряжение V_A подается на не инвертирующий вход через резисторный мост деления напряжения, состоящий из двух резисторов, каждый значением, например, 2R.

Выходное напряжение Vs дифференцирующей схемы является, таким образом, производным от разности потенциалов на контактах конденсатора Cmesure, то есть:

,

где Iion является током ионизации. Отсюда можно напрямую вывести ток, проходящий через конденсатор Cmesure, который является током ионизации:

,

где

Кроме адаптации для измерения тока ионизации во время горения согласно вышеизложенным принципам, за счет измерительного конденсатора, установленного последовательно между трансформатором Т и резонатором 1, цепь питания, показанную на фиг.3, можно также адаптировать для осуществления измерения напряжения Vout на контактах электродов катушки-свечи во время подачи команды на зажигание (то есть пока управляющий сигнал подается на транзистор М). Такое измерение напряжения можно использовать для оптимального контроля за развитием искры.

Для этого к контактам измерительного конденсатора Cmesure подключают выпрямляющую схему RED, позволяющую выделить пиковое напряжение на контактах измерительного конденсатора во время подачи команды на зажигание. Выпрямляющую схему реализуют, устанавливая диод D последовательно с нагрузкой резистивного типа со значением R1, например, выбираемым равным 100 Ом. На контактах нагрузки во время подачи команды на зажигание получают напряжение V′s, предпочтительно пропорциональное высокому напряжению Vout на контактах электродов катушки-свечи.

Действительно, поскольку паразитными емкостями трансформатора можно пренебречь, гальваническая развязка позволяет получить идентичный ток через измерительный конденсатор Cmesure и конденсатор Cs резонатора 1, моделирующего катушку-свечу. Таким образом получают емкостный делитель согласно следующему отношению (считая ничтожным отклонение, возникающее в результате падения напряжения на контактах диода D):

Например, при C_S=20 пФ, Cmesure=40 нФ и Vout от 0 до 24 В получают следующий результат:

Чтобы оптимизировать выпрямляющую схему, на входе диода D и последовательно с ним устанавливают развязывающий конденсатор, обозначенный С3 на фиг.4, например, со значением емкости, равным 100 нФ, и резистор R3 подключения на массу, чтобы устранить постоянную составляющую сигнала на входе выпрямляющей схемы. Конденсатор, обозначенный С2, емкостью, например, равной 1 нФ, установленный параллельно с резистивной нагрузкой на выходе выпрямляющей схемы, обеспечивает запоминание пикового значения напряжения.

Таким образом, измерение напряжения на контактах измерительного конденсатора Cmesure во время подачи команды на зажигание предпочтительно позволяет получить измерение, характеризующее напряжение на контактах электродов катушки-свечи.

Предпочтительно такое измерение позволяет:

- знать напряжение пробоя катушки-свечи,

- определять резонансную частоту резонатора 1 путем определения максимума усиления,

- идентифицировать образование моста (то есть резкую разрядку конденсатора Cs резонатора, приводящую к образованию единой искры вместо разветвленной искры) при внезапном падении амплитуды измерения, а также

- производить диагностику разъединения между цепью питания и катушкой-свечой.

Решение, описанное в рамках настоящей заявки, позволяет, таким образом, при помощи одного измерительного конденсатора, установленного последовательно на выходе цепи питания радиочастотного зажигания, осуществлять одновременно измерение тока ионизации и измерение напряжения на контактах электродов катушки-свечи во время подачи команды на зажигание или только одно или другое из этих измерений в зависимости от того, подключают ли обе описанные выше схемы для осуществления этих измерений к контактам конденсатора Cmesure или только одну или другую из этих схем.

Настоящее изобретение относится к устройству измерения, содержащему цепь (2) питания радиочастотного зажигания, содержащую трансформатор (Т), вторичная обмотка (L_N) которого соединена, по меньшей мере, с одним резонатором (1), имеющим резонансную частоту, превышающую 1 МГц, и содержащим два электрода (11, 12), выполненных с возможностью генерирования искры во время подачи команды на зажигание; измерительный конденсатор (Cmesure), последовательно подключенный между вторичной обмоткой и резонатором; схему (DIFF) измерения тока (lion) ионизации газов во время горения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, связанном с резонатором, при этом указанная схема измерения соединена с контактами измерительного конденсатора, и/или схему (RED) измерения напряжения (Vout) на контактах электродов резонатора во время подачи команды на зажигание, при этом указанная схема соединена с контактами измерительного конденсатора. Технический результат - возможность одновременного измерения тока ионизации и напряжения. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство измерения, содержащее:
цепь (2) питания радиочастотного зажигания, содержащую трансформатор (Т), вторичная обмотка (L_N) которого соединена, по меньшей мере, с одним резонатором (1), имеющим резонансную частоту, превышающую 1 МГц, и содержащим два электрода (11, 12), выполненных с возможностью генерирования искры во время подачи команды на зажигание,
измерительный конденсатор (Cmesure), последовательно подключенный между вторичной обмоткой и резонатором,
схему (DIFF) измерения тока (Iion) ионизации газов во время горения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, связанного с резонатором, при этом указанная схема измерения соединена с контактами измерительного конденсатора, и/или
схему (RED) измерения напряжения на контактах измерительного конденсатора, выполненную с возможностью выдачи напряжения (V's), пропорционального напряжению (Vout) на контактах электродов резонатора во время подачи команды на зажигание.

2. Устройство по п.1, в котором измерительный конденсатор (Cmesure) последовательно подключен между вторичной обмоткой трансформатора и резонатором на уровне провода (6) обратного пути тока через корпус трансформатора и резонатора.

3. Устройство по любому из пп.1 или 2, характеризующееся тем, что содержит ослабляющий резистор (Rstop), параллельно соединенный с первичной обмоткой трансформатора.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что содержит источник постоянного напряжения (Vpolar), соединенный с вторичной обмоткой трансформатора с возможностью поляризации электрода высокого напряжения катушки-свечи, подключенной на выходе цепи питания, относительно головки блока цилиндров двигателя.

5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что схема (DIFF) измерения тока ионизации содержит схему дифференциации разности потенциалов между контактами измерительного конденсатора.

6. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что схема (RED) измерения напряжения (Vout) на контактах измерительного конденсатора содержит схему выпрямления пикового напряжения на контактах измерительного конденсатора.

7. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что первичная обмотка трансформатора подключена с одной стороны к напряжению питания (Vinter), а с другой стороны к стоку, по меньшей мере, одного транзистора-выключателя (М), управляемого управляющим сигналом (VI), при этом транзистор-выключатель подает напряжение питания на контакты первичной обмотки на частоте, определяемой управляющим сигналом.

8. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что трансформатор (Т) имеет коэффициент трансформации в пределах от 1 до 5.