本實用新型涉及內(nèi)燃機技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點火系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對于現(xiàn)代發(fā)動機而言,缸內(nèi)直噴、稀薄燃燒、EGR技術(shù)是發(fā)動機燃燒技術(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)動機在大于理論空燃比(約14.7)條件下進行的燃燒，由于氧氣充足，可使燃油得到充分燃燒，在改善了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟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)燃機的燃燒和排放具有重要影響。為了實現(xiàn)低溫燃燒，EGR率可以大于40％，此時缸內(nèi)具有大量的廢氣，進氣量受到影響，著火條件惡化。上述先進技術(shù)的使用程度和界線很大程度上決定于點火能量和持續(xù)期。傳統(tǒng)的單線圈點火難以提供足夠且連續(xù)的點火能量。因此，提高點火能量和持續(xù)期，保證缸內(nèi)穩(wěn)定著火至關(guān)重要。

在內(nèi)燃機燃燒過程中會產(chǎn)生大量的自由電子、正負離子和自由基等帶電粒子，使燃氣具有一定的電導性。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)燃燒狀況進行檢測的理論基礎(chǔ)。

專利CN204646507U提供了一種發(fā)動機閉環(huán)控制點火系統(tǒng)，該然而該點火系統(tǒng)的點火模式單一，同時無法進行人為監(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)實現(xiàn)要素：

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

本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點火系統(tǒng)，分別與汽車發(fā)動機內(nèi)的ECU、曲軸和火花塞連接，所述系統(tǒng)包括上位機控制單元、點火控制單元、驅(qū)動單元、多線圈放電單元和離子電流檢測單元，所述上位機控制單元分別與點火控制單元和離子電流檢測單元連接，所述點火控制單元分別與ECU、離子電流檢測單元和驅(qū)動單元連接，所述驅(qū)動單元與多線圈放電單元連接，所述多線圈放電單元分別與離子電流檢測單元和火花塞連接，所述離子電流檢測單元還與曲軸連接。

所述上位機控制單元包括依次連接的操作界面和控制中心，所述操作界面與離子電流檢測單元連接，所述控制中心與點火控制單元連接。

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火線圈，所述驅(qū)動電路的數(shù)量和點火線圈的數(shù)量相同。

發(fā)動機單缸的所述點火線圈數(shù)量不小于3個。

所述離子電流檢測單元包括離子電流電路、采樣電路和反饋控制器，所述離子電流電路分別與多線圈放電單元和上位機控制單元連接，所述采樣電路分別與多線圈放電單元和上位機控制單元連接，所述反饋控制器分別與曲軸、離子電流電路和點火控制單元連接。

所述離子電流電路包括電容、瞬態(tài)抑制二極管、檢測電阻和第一電壓跟隨器，所述瞬態(tài)抑制二極管與電容并聯(lián)后，一端與多線圈放電單元連接，另一端與檢測電阻連接，所述檢測電阻與第一電壓跟隨器并聯(lián)，所述第一電壓跟隨器與上位機控制單元連接。

所述采樣電路包括采樣電阻和第二電壓跟隨器，所述采樣電阻和第二電壓跟隨器并聯(lián)后，與離子電流電路串聯(lián)，所述第二電壓跟隨器還與上位機控制單元連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果：

(1)通過離子電流檢測單元，可以檢測發(fā)動機內(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)整點火模式，無需人為操控，安全性能高而且節(jié)省了人力成本。

(2)上位機控制單元可以實時顯示發(fā)動機內(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火模式，可以在條件允許的情況下對燃燒情況進行人為監(jiān)控，增強了系統(tǒng)的安全性，同時提高了人機交互的操作性。

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

(4)發(fā)動機單缸的點火線圈數(shù)量不小于3個，可以在滿足多種點火模式的需求下實現(xiàn)高能點火。

(5)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作用，同時可以反復使用，具有壽命長、保護作用強以及節(jié)省成本等優(yōu)點。

(6)本系統(tǒng)將上位機控制單元、點火控制單元、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，系統(tǒng)集成程度高。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

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

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為本實用新型的點火流程圖；

其中，1為上位機控制單元，2為點火控制單元，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。

具體實施方式

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

如圖1所示，為基于離子電流閉環(huán)控制的多次高能點火系統(tǒng)，包括上位機控制單元1、點火控制單元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，上位機控制單元1通過CAN總線與點火控制單元2實現(xiàn)通訊的同時與離子電流檢測單元5連接，點火控制單元2分別與原發(fā)動機ECU、離子電流檢測單元5和驅(qū)動單元3連接實現(xiàn)點火模式的控制，驅(qū)動單元3與多線圈放電單元4連接實現(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火。

上述單元中，上位機控制單元1由控制中心和操作界面組成，控制中心內(nèi)安裝有上位機控制程序，上位機控制程序?qū)崿F(xiàn)與點火控制單元2通訊功能，操作界面包括點火開關(guān)、點火模式的選擇、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)動機工作循環(huán)次數(shù)和點火次數(shù)。

點火控制單元2由單片機和基本外圍電路組成，用以接收ECU發(fā)送來的點火信號、上位機控制單元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，點火控制單元2首先接收到ECU發(fā)送來的點火信號，再根據(jù)控制信號和反饋信號來選擇點火模式，并將選擇好的點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，對信號進行功率放大后傳輸給點火線圈，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)不需要對火花塞進行特殊處理。多線圈單元內(nèi)設(shè)有多個點火線圈，點火線圈的數(shù)量與驅(qū)動電路的數(shù)量保持一致且發(fā)動機的單缸點火線圈數(shù)量不少于3個。本實施例中，多線圈放電單元4內(nèi)的單缸點火線圈數(shù)量為3個。如圖2所示，點火模式主要分為常規(guī)點火模式、單次增強點火模式、連續(xù)點火模式、多次點火模式和組合點火模式。當系統(tǒng)工作在單次增強模式，在點火信號觸發(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火的能量(≥150mj)，實現(xiàn)高能點火功能。該模式可以在稀燃極限條件下提供足夠的點火能量，避免失火情況發(fā)生。當系統(tǒng)工作在連續(xù)點火模式，在點火信號觸發(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，點火能量在單線圈點火和單次增強點火之間，點火能量較高且穩(wěn)定，點火能量取決于連續(xù)點火持續(xù)時間(≥150mj)。當發(fā)動機工作在稀燃工況但未達到稀燃極限條件，可以調(diào)用該種模式。當系統(tǒng)工作在多次點火模式，在點火信號觸發(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，每次點火能量為30～50mJ。此模式適用于發(fā)動機的多段噴油策略以及失火或不完全燃燒情況下進行點火能量的補充。當多次高能點火系統(tǒng)工作在組合點火模式，可以根據(jù)需求利用上述三種模式進行組合。典型的是多次點火拓展，在點火信號觸發(fā)后，三個線圈依次點火，待三號線圈放電結(jié)束，三個線圈重新依次點火，相當于兩個多次點火模式的疊加，在一次點火信號內(nèi)可以對火花塞進行六次放電過程。

在內(nèi)燃機燃燒過程中會產(chǎn)生大量的自由電子、正負離子和自由基等帶電粒子，使燃氣具有一定的電導性。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和上位機控制單元1連接，檢測到的離子電流和點火電流通過上位機操作界面顯示，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)部程序與點火控制單元2進行通訊，將反饋信號發(fā)送至點火控制單元2，實時改變點火模式。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、快速整流和保護的作用。

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

s1)點火控制單元2接收到點火信號；

s2)在點火下降沿，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)送給點火控制單元2；

s4)判斷發(fā)動機是否運轉(zhuǎn)了n個曲軸轉(zhuǎn)角，0<n<40，如果是，進入步驟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，進入步驟s6)，如果否，進入步驟s7)；

s6)點火控制單元2執(zhí)行多次點火模式，離子電流檢測單元5重復步驟s1)進入新一輪檢測；

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，進入步驟8)；如果否，進入步驟s9)；

s8)點火控制單元2執(zhí)行單次增強模式，離子電流檢測單元5重復步驟s1)進入新一輪檢測；

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，進入步驟s10)；如果否，進入步驟s11)；

s10)點火控制單元2執(zhí)行連續(xù)點火模式，離子電流檢測單元5重復步驟s1)進入新一輪檢測；

s11)點火控制單元2執(zhí)行常規(guī)點火模式，離子電流檢測單元5重復步驟s1)進入新一輪檢測。

上述步驟中，稀燃極限閾值和稀燃閾值均通過實驗進行標定。