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CN108350851B - 用于控制点火系统的方法和装置 - Google Patents

用于控制点火系统的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种多充电点火系统，该多充电点火系统包括火花塞控制单元，该火花塞控制单元适于控制至少两个线圈级，以便使所述线圈级依次通电和断电，来向火花塞提供电流，所述两个线圈级包括：第一变压器(T1)，该第一变压器包括电感耦合至第一次级绕组(L2)的第一初级绕组(L1)；第二变压器(T2)，该第二变压器包括电感耦合至第二次级绕组(L4)的第二初级绕组(L3)；其特征在于该多充电点火系统包括辅助初级绕组(L5)，该辅助初级绕组从所述初级绕组的公共高侧串联连接至辅助次级绕组(L6)，所述辅助次级绕组(L6)的另一端部电连接至地/低侧，并且该多充电点火系统包括开关装置Q3，该开关装置适于选择性地允许电流经过所述辅助绕组。

Description

用于控制点火系统的方法和装置
技术领域
本发明涉及控制火花塞的点火系统和方法。其对适于提供连续火花的系统(如多火花塞点火系统)具有特定但非唯一的应用。
背景技术
已经开发出使用非常稀薄的空气燃料混合物的点火发动机，即，具有较高的空气组成以减少燃料消耗和排放。为了提供安全的点火，必需有高能点火源。现有技术系统通常使用大的、高能量的、单个火花点火线圈，其火花持续时间和能量输出有限。为了克服这个限制并且还为了减小点火系统的尺寸，已经开发了多充电(multi-charge)点火系统。多充电系统产生快速的单个火花序列，使得输出是一个很长的准连续火花。多充电点火方法的缺点是在再充电时段期间火花被中断，这具有负面影响，在燃烧室中存在高湍流时特别明显。例如，这可以导致不点火，从而导致更高的燃料消耗和更高的排放。
在欧洲专利EP2325476中描述了一种改进的多充电系统，该专利公开了这样一种多充电点火系统，即，该系统没有这些负面影响的并且至少部分地在大范围的燃烧电压(burn voltage)上产生连续点火火花，向火花塞提供可调能量并提供可以自由选择的点火燃烧时间。
当前系统的一个缺点是初始充电时的初级电流峰值较高。该电流峰值是不需要的，其会产生更高的铜损、更高的EMC排放，并且充当车辆的车载发电(发电机/电池)的更高负载。最小化高初级电流峰值的一种选择是位于点火线圈前方的DC/DC转换器(例如，48V)。然而，这引入了额外的成本。
本发明的目的是在不使用DC/DC转换器的情况下使高初级电流峰值最小化。
发明内容
在一个方面，提供了一种多充电点火系统，该多充电点火系统包括火花塞控制单元，该火花塞控制单元适于控制至少两个线圈级，以便使所述线圈级依次通电和断电，来向火花塞提供电流，所述两个线圈级包括第一变压器(T1)，该第一变压器包括电感耦合至第一次级绕组(L2)的第一初级绕组(L1)；第二变压器(T2)，该第二变压器包括电感耦合至第二次级绕组(L4)的第二初级绕组(L3)；其特征在于，该多充电点火系统包括辅助初级绕组(L1’)，该辅助初级绕组从所述初级绕组的公共高侧串联连接至辅助次级绕组(L2’)，所述辅助次级绕组(L2’)的另一端部电连接至地/低侧，并且该多充电点火系统包括开关装置Q3，该开关装置适于选择性地允许电流经过所述辅助绕组。
所述系统可以包括降压转换器级，该降压转换器级位于所述控制单元与线圈级之间，所述降压转换器包括第三开关(M1)和二极管(D3)，所述控制单元能够控制所述第三开关以选择性地向所述线圈级供电。
所述开关装置Q3可以由所述控制单元控制。
所述开关装置可以位于所述辅助次级绕组的低侧端部与地之间。
所述控制单元能够通过同时接通和断开两个所述对应的第四和第五开关(Q1、Q2)以使初级绕组(L1、L3)同时通电和断电，从而通过顺序地接通和断开两个对应开关(Q1、Q2)以使初级绕组(L1、L3)顺序地通电和断电，来保持连续点火，在一个多充电点火周期中，在所述第一级的所述初级线圈的初始通电/坡升(ramp-up)阶段期间，所述控制单元可以适于闭合所述开关Q3以使电流流过所述辅助初级绕组。
还提供一种控制上述系统的方法，该方法包括：在多充电点火周期中，在所述第一级的所述初级线圈的初始加电/坡升阶段期间，允许电流流过所述辅助初级绕组。
附图说明
下面，通过示例并且参照下列图对本发明进行描述，其中：
图1示出了现有技术的耦合多充电点火系统的电路；
图2示出了点火系统电流的时间线；
图3示出了本发明的一个示例。
具体实施方式
图1示出了现有技术的耦合多充电点火系统的电路，其用于在大范围的燃烧电压下产生连续点火火花，以服务火花塞11(如可能与内燃机(未示出)的单个燃烧气缸相关联)中的单组有间隙的电极。CMC系统使用包括初级绕组L1、L2的快速充电点火线圈(L1-L4)，来产生所需的高直流电压。L1和L2缠绕在公共铁芯K1上，形成第一变压器(线圈级)，并且初级绕组L3、L4缠绕在另一公共铁芯K2上，形成第二变压器(线圈级)。第一初级绕组L1和第二初级绕组L3的两个线圈端部可以通过电开关Q1、Q2交替地切换至公共接地，如汽车的底盘接地。这些开关Q1、Q2优选为绝缘栅双极晶体管。电阻器R1可以可选地存在，以供测量从初级侧流动的初级电流Ip并且连接在开关Q1、Q2与地之间，同时用于测量从次级侧流出的次级电流Is的可选电阻器R2连接在二极管D1、D2与地之间。
次级绕组L2、L4的低压端部可以通过高压二极管D1、D2连接至汽车的公共接地或底盘接地。次级点火绕组L2、L4的高压端部通过常规方式联接至火花塞11中的一对有间隙的电极中的一个电极。火花塞11的另一电极也连接至公共接地，常规地通过将火花塞经螺纹接合至发动机缸体。初级绕组L1、L3连接至公共通电电位，其可以对应于标称12V汽车电气系统中的常规汽车系统电压，并且在图中是电池的正电压。充电电流可以由对开关Q1、Q2的状态进行控制的电子控制电路13来监控。控制电路13例如响应于由ECU提供的发动机火花正时(EST)信号，分别通过分别由信号Igbt1和Igbt2控制的开关Q1和Q2，将初级绕组L1和L2选择性地联接至系统接地。测得的初级电流Ip和次级电流Is可以被发送给控制单元13。有利的是，电池15的公共通电电位可以通过点火开关M1在20与接地端相反一端联接至初级绕组L1、L3。开关M1优选为MOSFET晶体管。二极管D3或任何其它半导体开关(例如，MOSFET)连接至晶体管M1以形成降压转换器。控制单元13能够通过信号FET断开开关M1。当M1断开时，二极管D3或任何其它半导体开关将接通，反之，当M1接通时，二极管D3或任何其它半导体开关将断开。
在现有技术操作中，控制电路13可工作为在带间隙的电极上提供延伸的连续高能电弧。在第一步骤期间，开关M1、Q1、Q2全部接通，使得电源15的输送能量被存储在两个变压器(T1、T2)的磁路中。在第二步骤期间，两个初级绕组通过开关Q1和Q2同时断开。在变压器的次级侧，感应出高电压并且通过火花塞11的带间隙的电极产生点火火花。在第三步骤期间，在其中两个变压器(T1、T2)输送能量的最小燃烧时间之后，开关Q1接通，而开关Q2断开(反之，开关Q1断开，开关Q2接通)。这意味着在第二变压器(L3、L4)向火花塞输送能量的同时，第一变压器(L1、L2)将能量存储到其磁路中(或者反之，在第一变压器(L1、L2)向火花塞输送能量的同时，第二变压器(L3、L4)将能量存储到其磁路中)。在第四步骤期间，当初级电流Ip增加超过极限(Ipmax)时，控制单元检测到初级电流Ip增加超过极限并断开晶体管M1。接通(Q1或Q2)的变压器(L1、L2或L3、L4)中储存的能量驱使电流通过二极管D3(降压拓扑)，使得变压器无法进入磁饱和，其能量受到限制。优选地，晶体管M1将持久地接通和断开，以将变压器中的能量保持在恒定水平。在第五步骤期间，恰好在次级电流Is低于次级电流阈值电平(Ismin)之后，开关Q1断开而开关Q2接通(反之，开关Q1接通而开关Q2断开)。然后，只要控制单元断开开关Q1和Q2两者，就将通过顺序地接通和断开开关Q1和Q2而重复步骤3至5。
图2示出了点火系统电流的时间线；图2a示出了沿时间表示初级电流Ip的轨迹。图2b示出了次级电流Is。图2c显示了EST线上的信号，该信号从ECU发送给点火系统控制单元并指示点火时间。在步骤1期间，即，M1、Q1以及Q2接通，随着变压器中的能量储存，初级电流Ip迅速增加。在步骤2期间，即，Q1和Q2断开，次级电流Is增加并且感应出高电压，从而通过火花塞的带间隙的电极产生点火火花。在步骤3期间，即，Q1和Q2顺序地接通和断开，以保持火花以及变压器中储存的能量。在步骤4期间，在初级电流Ip与极限Ipth之间进行比较。当Ip超过Ipth时，M1被断开，通过限制变压器的储存能量而使得变压器无法进入磁饱和。开关M1以这种方式接通和断开，初级电流Ip在受控范围内稳定。在步骤5期间，在次级电流Is与次级电流阈值电平Isth之间进行比较。如果Is<Isth，则Q1断开，而Q2接通(相反，则Q1接通而Q2断开)。然后，只要控制单元断开Q1和Q2两者，就将通过顺序地接通和断开Q1和Q2而重复步骤3至5。由于两个变压器交替充电和放电，因此点火系统输送连续点火。以上描述了现有技术点火系统的电路和操作以提供本发明的背景。在本发明的一些方面中，可以使用上述电路。本发明提供了各种解决方案来提高性能并减少火花塞磨损。图2d和图2e示出了各个线圈的工作状态。
本发明的详细描述
图3示出了本发明的一个示例。除了在每个变压器(线圈级)上设置了附加(辅助)初级绕组L5和L6以提供电感耦合并且串联连接之外，该示例在其它方面与图1类似。而且，在绕组L6的低侧与接地之间设置了附加开关Q3。该开关可以由控制器的输出来控制。要注意，该图中示出了与发动机ECU的连接。因此，L1、L5和L6共用公共铁芯K1，而L3、L4和L6共用公用铁芯K2。
在操作中，在多充电点火周期的初始阶段期间，绕组通过闭合开关Q3而串联连接。初始操作后，开关Q3在标准CMC操作期间打开，并且两个变压器级的切换由开关Q1和Q2控制。

Claims (7)

1.一种多充电点火系统，该多充电点火系统包括火花塞控制单元，该火花塞控制单元适于控制至少两个线圈级，以使所述线圈级依次通电和断电，来向火花塞提供电流，所述两个线圈级中的第一级包括：第一变压器(T1)，该第一变压器包括第一初级绕组(L1)，所述第一初级绕组连接至高侧线并且经由第一铁芯(K1)电感耦合至第一次级绕组(L2)；所述两个线圈级中的第二级包括：第二变压器(T2)，该第二变压器包括第二初级绕组(L3)，所述第二初级绕组(L3)连接至所述高侧线并且经由第二铁芯(K2)电感耦合至第二次级绕组(L4)；其特征在于，该多充电点火系统包括第一辅助初级绕组(L5)，所述第一辅助初级绕组经由公共铁芯(K1)电感耦合至所述第一次级绕组并且在一端部连接至公共高侧线并且进一步串联连接至第二辅助初级绕组(L6)，所述第二辅助初级绕组(L6)经由公共铁芯(K2)电感耦合至所述第二次级绕组，所述第二辅助初级绕组(L6)的另一端部电连接至地，并且该多充电点火系统包括第一开关装置(Q3)，所述第一开关装置适于选择性地允许电流经过所述第一辅助初级绕组(L5)和所述第二辅助初级绕组(L6)。
2.根据权利要求1所述的多充电点火系统，所述多充电点火系统包括降压转换器级，该降压转换器级位于所述控制单元与所述两个线圈级之间，所述降压转换器包括第二开关(M1)和二极管(D3)，所述控制单元能够控制所述第二开关，以选择性地向所述两个线圈级供电。
3.根据权利要求1所述的多充电点火系统，其中，所述第一开关装置(Q3)由所述控制单元控制。
4.根据权利要求1所述的多充电点火系统，其中，所述第一开关装置(Q3)电连接在所述第二辅助初级绕组与地之间。
5.根据权利要求1所述的多充电点火系统，所述多充电点火系统包括分别电连接在地与所述第一初级绕组(L1)和所述第二初级绕组(L3)的相应端子之间的第三开关(Q1)和第四开关(Q2)，其中，所述控制单元能够通过同时接通和断开两个对应的所述第三开关(Q1)和所述第四开关(Q2)以使所述第一初级绕组(L1)和所述第二初级绕组(L3)同时通电和断电，从而通过顺序地接通和断开两个对应的所述第三开关(Q1)和所述第四开关(Q2)以使所述第一初级绕组(L1)和所述第二初级绕组(L3)顺序地通电和断电，来保持连续点火。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多充电点火系统，其中，在多充电点火周期中，在所述第一级的所述第一初级绕组的初始通电/坡升阶段期间，所述控制单元适于闭合所述第一开关装置(Q3)以使电流流过所述第一辅助初级绕组(L5)和所述第二辅助初级绕组(L6)。
7.一种控制根据权利要求1至6中任一项所述的多充电点火系统的方法，该方法包括：在多充电点火周期中，在所述第一级的所述第一初级绕组的初始加电/坡升阶段期间，允许电流流过所述第一辅助初级绕组(L5)和所述第二辅助初级绕组(L6)。
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