本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對于現(xiàn)代發(fā)動機(jī)而言,缸內(nèi)直噴、稀薄燃燒、EGR技術(shù)是發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)的重要研究方向。對于缸內(nèi)直噴技術(shù),整個燃燒過程是在等容條件下瞬間完成的,燃燒時間極短,因此具有較高的瞬間壓力和瞬間燃燒溫度，在特定工況下采用分層燃燒模式來降低油耗，提高燃燒效率。稀薄燃燒是指發(fā)動機(jī)在大于理論空燃比(約14.7)條件下進(jìn)行的燃燒，由于氧氣充足，可使燃油得到充分燃燒，在改善了發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性同時減少了有害氣體的排放。EGR技術(shù)對于小型增壓內(nèi)燃機(jī)的燃燒和排放具有重要影響。為了實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，EGR率可以大于40％，此時缸內(nèi)具有大量的廢氣，進(jìn)氣量受到影響，著火條件惡化。上述先進(jìn)技術(shù)的使用程度和界線很大程度上決定于點(diǎn)火能量和持續(xù)期。傳統(tǒng)的單線圈點(diǎn)火難以提供足夠且連續(xù)的點(diǎn)火能量。因此，提高點(diǎn)火能量和持續(xù)期，保證缸內(nèi)穩(wěn)定著火至關(guān)重要。

在內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中會產(chǎn)生大量的自由電子、正負(fù)離子和自由基等帶電粒子，使燃?xì)饩哂幸欢ǖ碾妼?dǎo)性。如果在火花塞兩極間施加一個直流偏置電壓，在外加電場的作用下，帶電粒子發(fā)生定向遷移就會形成火花塞離子電流。研究表明，離子電流的特性，與被測區(qū)域的混合氣濃度、溫度、電場強(qiáng)度等有高度的相關(guān)性。這也是基于離子電流對缸內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行檢測的理論基礎(chǔ)。

專利CN204646507U提供了一種發(fā)動機(jī)閉環(huán)控制點(diǎn)火系統(tǒng)，然而該點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火模式單一，同時無法進(jìn)行人為監(jiān)測，只能依靠自身閉環(huán)控制系統(tǒng)來控制燃燒情況，不僅功能單一而且安全性能也很差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種點(diǎn)火模式多、實(shí)時調(diào)整點(diǎn)火策略、避免失火及部分著火以及改善排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)，分別與汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)的ECU、曲軸和火花塞連接，用于實(shí)時監(jiān)控發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒情況以保證發(fā)動機(jī)點(diǎn)火性能最佳，所述系統(tǒng)具有多種點(diǎn)火模式，所述系統(tǒng)包括：

上位機(jī)控制單元，用于接收并發(fā)送用戶的操作指令并顯示基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)的工作狀態(tài)；

點(diǎn)火控制單元，分別與上位機(jī)控制單元和ECU連接，用于接收并處理上位機(jī)控制單元發(fā)出的操作指令，以及發(fā)送點(diǎn)火控制信號；

驅(qū)動單元，與點(diǎn)火控制單元連接，用于接收點(diǎn)火控制信號并對點(diǎn)火控制信號進(jìn)行功率放大；

多線圈放電單元，分別與驅(qū)動單元和火花塞連接，用于接收功率放大后的點(diǎn)火控制信號，根據(jù)點(diǎn)火控制信號對應(yīng)的點(diǎn)火模式，對火花塞進(jìn)行相應(yīng)的放電；

離子電流檢測單元，分別與上位機(jī)控制單元、點(diǎn)火控制單元、多線圈放電單元和曲軸連接，利用離子電流和點(diǎn)火電流檢測工作狀態(tài)并發(fā)送至上位機(jī)控制單元，同時計算離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值，根據(jù)計算結(jié)果產(chǎn)生反饋信號并將其發(fā)送至點(diǎn)火控制單元。

所述工作狀態(tài)包括發(fā)動機(jī)工作循環(huán)次數(shù)、點(diǎn)火次數(shù)、燃燒情況、離子電流波形和采樣電流波形。

所述點(diǎn)火控制單元根據(jù)上位機(jī)控制單元的操作指令或離子電流檢測單元的反饋信號產(chǎn)生并發(fā)送點(diǎn)火控制信號。

所述上位機(jī)控制單元包括：

操作界面，與離子電流檢測單元連接，用于顯示基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及接收用戶的操作指令；

控制中心，分別與操作界面和點(diǎn)火控制單元連接，用于將用戶的操作指令發(fā)送至點(diǎn)火控制單元。

所述驅(qū)動單元包括驅(qū)動電路，所述多線圈放電單元包括點(diǎn)火線圈，所述驅(qū)動電路的數(shù)量和點(diǎn)火線圈的數(shù)量相同。

發(fā)動機(jī)單缸的所述點(diǎn)火線圈數(shù)量不小于3個。

所述點(diǎn)火模式包括常規(guī)點(diǎn)火模式、單次增強(qiáng)點(diǎn)火模式、多次點(diǎn)火模式、連續(xù)點(diǎn)火模式和組合點(diǎn)火模式。

所述常規(guī)點(diǎn)火模式為單個點(diǎn)火線圈對火花塞放電；所述單次增強(qiáng)點(diǎn)火模式為所有點(diǎn)火線圈同時對火花塞放電；所述多次點(diǎn)火模式為所有點(diǎn)火線圈依次對火花塞放電且點(diǎn)火線圈的放電相位不重合；所述連續(xù)點(diǎn)火模式為所有點(diǎn)火線圈依次對火花塞放電且點(diǎn)火線圈的放電相位部分重合；所述組合點(diǎn)火模式為單次增強(qiáng)點(diǎn)火模式、多次點(diǎn)火模式和連續(xù)點(diǎn)火模式的隨機(jī)組合。

所述離子電流檢測單元在離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值為0時發(fā)送進(jìn)入多次點(diǎn)火模式的反饋信號，在離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值小于稀燃極限閾值時發(fā)送進(jìn)入單次增強(qiáng)點(diǎn)火模式的反饋信號，在離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值小于稀燃閾值時發(fā)送進(jìn)入連續(xù)點(diǎn)火模式的反饋信號，在離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值大于稀燃閾值時發(fā)送進(jìn)入常規(guī)點(diǎn)火模式的反饋信號。

所述離子電流檢測單元包括：

離子電流電路，分別與多線圈放電單元和上位機(jī)控制單元連接，用于檢測多線圈放電單元產(chǎn)生的離子電流并將其傳輸至上位機(jī)控制單元；

采樣電路，分別與多線圈放電單元和上位機(jī)控制單元連接，用于對多線圈放電單元產(chǎn)生的點(diǎn)火電流進(jìn)行采樣并將采樣信號傳輸至上位機(jī)控制單元；

反饋控制器，分別與曲軸、離子電流電路和點(diǎn)火控制單元連接，用于檢測曲軸轉(zhuǎn)角并根據(jù)離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值產(chǎn)生反饋信號，將反饋信號發(fā)送至點(diǎn)火控制單元，實(shí)時改變點(diǎn)火模式。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)具有常規(guī)點(diǎn)火、單次增強(qiáng)點(diǎn)火、多次點(diǎn)火、連續(xù)點(diǎn)火和組合點(diǎn)火五種點(diǎn)火模式，根據(jù)發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，可以有效地避免失火以及部分著火的情況。

(2)通過離子電流檢測單元，可以檢測發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃燒狀況，同時由于離子電流檢測單元設(shè)有反饋控制器，因此可以根據(jù)燃燒情況自行調(diào)整點(diǎn)火模式，無需人為操控，安全性能高而且節(jié)省了人力成本。

(3)上位機(jī)控制單元可以實(shí)時顯示發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒情況，同時操作人員也可以根據(jù)燃燒情況自行選擇點(diǎn)火模式，可以在條件允許的情況下對燃燒情況進(jìn)行人為監(jiān)控，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，同時提高了人機(jī)交互的操作性。

(4)設(shè)有驅(qū)動單元，可以對信號進(jìn)行功率放大，多線圈放電單元可以產(chǎn)生更高的點(diǎn)火能量。

(5)發(fā)動機(jī)單缸的點(diǎn)火線圈數(shù)量不小于3個，可以在滿足多種點(diǎn)火模式的需求下實(shí)現(xiàn)高能點(diǎn)火。

(6)在離子電流電路中設(shè)有瞬態(tài)抑制二極管，可以在產(chǎn)生正、反瞬態(tài)高壓脈沖時對電路起到保護(hù)作用，同時可以反復(fù)使用，具有壽命長、保護(hù)作用強(qiáng)以及節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。

(7)本系統(tǒng)將上位機(jī)控制單元、點(diǎn)火控制單元、離子電流檢測單元、驅(qū)動單元和多線圈放電單元五個模塊整體封裝，便于控制和維護(hù)，系統(tǒng)集成程度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為點(diǎn)火模式圖，其中，2a為單次增強(qiáng)點(diǎn)火模式，2b為連續(xù)點(diǎn)火模式，2c為多次點(diǎn)火模式，2d為組合點(diǎn)火模式中的多次點(diǎn)火拓展模式；

圖3為離子電流檢測單元中離子電流電路和采樣電路的電路圖；

圖4為不同燃燒狀態(tài)下離子電流和缸壓的對比圖，其中，4a為正常燃燒狀態(tài)，4b為稀薄燃燒狀態(tài)，4c為失火狀態(tài)；

圖5為本發(fā)明的點(diǎn)火流程圖；

其中，1為上位機(jī)控制單元，2為點(diǎn)火控制單元，3為驅(qū)動單元，4為多線圈放電單元，5為離子電流檢測單元，6為電容，7為瞬態(tài)抑制二極管，8為檢測電阻，9為第一電壓跟隨器，10為采樣電阻，11為第二電壓跟隨器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，為基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)，包括上位機(jī)控制單元1、點(diǎn)火控制單元2、驅(qū)動單元3、多線圈放電單元4和離子電流檢測單元5。其中，上位機(jī)控制單元1通過CAN總線與點(diǎn)火控制單元2實(shí)現(xiàn)通訊的同時與離子電流檢測單元5連接，點(diǎn)火控制單元2分別與原發(fā)動機(jī)ECU、離子電流檢測單元5和驅(qū)動單元3連接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火模式的控制，驅(qū)動單元3與多線圈放電單元4連接實(shí)現(xiàn)對控制信號的放大，多線圈放電單元4與火花塞連接控制點(diǎn)火。

上述單元中，上位機(jī)控制單元1由控制中心和操作界面組成，控制中心內(nèi)安裝有上位機(jī)控制程序，上位機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)與點(diǎn)火控制單元2通訊功能，操作界面包括點(diǎn)火開關(guān)、點(diǎn)火模式的選擇、離子電流波形圖和采樣電流波形圖等，既可以控制點(diǎn)火過程，也能以圖像和數(shù)據(jù)的形式檢測缸內(nèi)著火情況，顯示發(fā)動機(jī)工作循環(huán)次數(shù)和點(diǎn)火次數(shù)。

點(diǎn)火控制單元2由單片機(jī)和基本外圍電路組成，用以接收ECU發(fā)送來的點(diǎn)火信號、上位機(jī)控制單元1發(fā)來的控制信號和離子電流檢測單元5發(fā)來的反饋信號，點(diǎn)火控制單元2首先接收到ECU發(fā)送來的點(diǎn)火信號，再根據(jù)控制信號和反饋信號來選擇點(diǎn)火模式，并將選擇好的點(diǎn)火模式以信號的形式經(jīng)過處理后傳輸給驅(qū)動單元3，驅(qū)動單元3中設(shè)有驅(qū)動電路，對信號進(jìn)行功率放大后傳輸給點(diǎn)火線圈，完成控制。

多線圈放電單元4接收驅(qū)動單元3信號后進(jìn)入相應(yīng)放電模式，向火花塞放電，該系統(tǒng)不需要對火花塞進(jìn)行特殊處理。多線圈單元內(nèi)設(shè)有多個點(diǎn)火線圈，點(diǎn)火線圈的數(shù)量與驅(qū)動電路的數(shù)量保持一致且發(fā)動機(jī)的單缸點(diǎn)火線圈數(shù)量不少于3個。本實(shí)施例中，多線圈放電單元4內(nèi)的單缸點(diǎn)火線圈數(shù)量為3個。如圖2所示，點(diǎn)火模式主要分為常規(guī)點(diǎn)火模式、單次增強(qiáng)點(diǎn)火模式、連續(xù)點(diǎn)火模式、多次點(diǎn)火模式和組合點(diǎn)火模式。當(dāng)系統(tǒng)工作在單次增強(qiáng)模式，在點(diǎn)火信號觸發(fā)后，三個線圈同時對火花塞放電，可以提供三倍于單線圈點(diǎn)火的能量(≥150mj)，實(shí)現(xiàn)高能點(diǎn)火功能。該模式可以在稀燃極限條件下提供足夠的點(diǎn)火能量，避免失火情況發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)工作在連續(xù)點(diǎn)火模式，在點(diǎn)火信號觸發(fā)后，三個線圈依次對火花塞放電，三個線圈放電相位部分重合。此時放電持續(xù)期較長，點(diǎn)火能量在單線圈點(diǎn)火和單次增強(qiáng)點(diǎn)火之間，點(diǎn)火能量較高且穩(wěn)定，點(diǎn)火能量取決于連續(xù)點(diǎn)火持續(xù)時間(≥150mj)。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在稀燃工況但未達(dá)到稀燃極限條件，可以調(diào)用該種模式。當(dāng)系統(tǒng)工作在多次點(diǎn)火模式，在點(diǎn)火信號觸發(fā)后，三個線圈依次對火花塞放電，三個線圈放電相位不重合，每次點(diǎn)火能量為30～50mJ。此模式適用于發(fā)動機(jī)的多段噴油策略以及失火或不完全燃燒情況下進(jìn)行點(diǎn)火能量的補(bǔ)充。當(dāng)多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)工作在組合點(diǎn)火模式，可以根據(jù)需求利用上述三種模式進(jìn)行組合。典型的是多次點(diǎn)火拓展，在點(diǎn)火信號觸發(fā)后，三個線圈依次點(diǎn)火，待三號線圈放電結(jié)束，三個線圈重新依次點(diǎn)火，相當(dāng)于兩個多次點(diǎn)火模式的疊加，在一次點(diǎn)火信號內(nèi)可以對火花塞進(jìn)行六次放電過程。

在內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中會產(chǎn)生大量的自由電子、正負(fù)離子和自由基等帶電粒子，使燃?xì)饩哂幸欢ǖ碾妼?dǎo)性。如果在火花塞兩極間施加一個直流偏置電壓，在外加電場的作用下，帶電粒子發(fā)生定向遷移就會形成火花塞離子電流。研究表明，離子電流的特性，與被測區(qū)域的混合氣濃度、溫度、電場強(qiáng)度等有高度的相關(guān)性。這也是基于離子電流對缸內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行檢測的理論基礎(chǔ)。

如圖3所示，離子電流檢測單元5由離子電流電路、采樣電路和反饋控制器組成，離子電流電路分別與多線圈放電單元4和上位機(jī)控制單元1連接，采樣電路分別與多線圈放電單元4和上位機(jī)控制單元1連接，檢測到的離子電流和點(diǎn)火電流通過上位機(jī)操作界面顯示，反應(yīng)缸內(nèi)燃燒情況和多線圈放電單元4的放電情況，其中缸內(nèi)燃燒情況包括正常燃燒、稀薄燃燒和失火三種典型燃燒情況，三種典型燃燒情況下缸壓和離子電流的對比如圖4所示。反饋控制器分別與曲軸和離子電流電路連接，檢測曲軸轉(zhuǎn)角并根據(jù)離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值產(chǎn)生反饋信號，通過內(nèi)部程序與點(diǎn)火控制單元2進(jìn)行通訊，將反饋信號發(fā)送至點(diǎn)火控制單元2，實(shí)時改變點(diǎn)火模式。如圖3所示，離子電流電路包括電容6、瞬態(tài)抑制二極管7、檢測電阻8和第一電壓跟隨器9，瞬態(tài)抑制二極管7與電容6并聯(lián)后，一端與多線圈放電單元4連接，另一端與檢測電阻8連接，檢測電阻8與第一電壓跟隨器9并聯(lián)，第一電壓跟隨器9與上位機(jī)控制單元1連接。采樣電路包括采樣電阻10和第二電壓跟隨器11，采樣電阻10和第二電壓跟隨器11并聯(lián)后，與離子電流電路串聯(lián)，第二電壓跟隨器11還與上位機(jī)控制單元1連接，檢測電阻8的兩端還并聯(lián)了許多二極管，起到穩(wěn)壓、快速整流和保護(hù)的作用。

上述基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點(diǎn)火系統(tǒng)的工作流程如圖5所示，具體步驟為：

s1)點(diǎn)火控制單元2接收到點(diǎn)火信號；

s2)在點(diǎn)火下降沿，離子電流檢測單元5開始工作；

s3)離子電流檢測電路檢測離子信號，并產(chǎn)生離子電流信號發(fā)送給點(diǎn)火控制單元2；

s4)判斷發(fā)動機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)了n個曲軸轉(zhuǎn)角，0<n<40，如果是，進(jìn)入步驟s5)；如果否，回到步驟s3)，其中第n個曲軸轉(zhuǎn)角為離子電流檢測結(jié)束時刻；

s5)判斷離子電流關(guān)于曲軸轉(zhuǎn)角的積分值是否等于零，如果是，進(jìn)入步驟s6)，如果否，進(jìn)入步驟s7)；

s6)點(diǎn)火控制單元2執(zhí)行多次點(diǎn)火模式，離子電流檢測單元5重復(fù)步驟s1)進(jìn)入新一輪檢測；

s7)判斷離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值是否小于稀燃極限閾值，如果是，進(jìn)入步驟8)；如果否，進(jìn)入步驟s9)；

s8)點(diǎn)火控制單元2執(zhí)行單次增強(qiáng)模式，離子電流檢測單元5重復(fù)步驟s1)進(jìn)入新一輪檢測；

s9)判斷離子電流對曲軸轉(zhuǎn)角的積分值是否小于稀燃閾值，如果是，進(jìn)入步驟s10)；如果否，進(jìn)入步驟s11)；

s10)點(diǎn)火控制單元2執(zhí)行連續(xù)點(diǎn)火模式，離子電流檢測單元5重復(fù)步驟s1)進(jìn)入新一輪檢測；

s11)點(diǎn)火控制單元2執(zhí)行常規(guī)點(diǎn)火模式，離子電流檢測單元5重復(fù)步驟s1)進(jìn)入新一輪檢測。

上述步驟中，稀燃極限閾值和稀燃閾值均通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。