CN101002016B - 用于内燃机的离子电流检测设备 - Google Patents

Abstract

一种离子电流检测设备，包括在火花塞3放电时充电的电容器C，限制电容器C在充电时的最大电压的齐纳二极管ZD，电容器C的放电电流流经的检测电阻R2，和比较检测电阻R2的电流值与预定值的比较器电路5。设定电容器C在放电开始时的电荷量Q，使得由于电容器C的放电操作，在检测电阻R2的电流值落在预定值以下之前所需要的放电时间比由发动机燃烧室中燃料燃烧所生成的离子电流持续的时间段长。按照本发明的离子电流检测设备快速并自动地检测火花塞中绝缘电阻的劣化，从而确保发动机控制中的正常操作。

Description

用于内燃机的离子电流检测设备

技术领域

本发明涉及用于内燃机的离子电流检测设备，尤其涉及能够确定离子电流流经的电流路径中绝缘电阻的劣化的离子电流检测设备。

背景技术

典型的内燃机点火装置包括设置在燃烧室中的火花塞、供应燃烧能量至火花塞的点火线圈(ignition coil)、和控制点火线圈的点火定时(ignition timing)的ECU(电子控制单元)。

对于这样的点火装置，已经提出检测在燃烧室中燃烧后所产生的离子电流。按照基于离子电流所检测的燃烧状态，可以掌握内燃机的工作状态，或实现诸如稀薄燃烧(lean combustion)的各种电子控制。

一般地，用于检测离子电流的设备包括保持由来自火花塞的电流所产生的电荷的电容器、限制电容器电压的齐纳(Zener)二极管、和检测离子电流的负载电容器(专利文献1和2)。

专利文献1：日本未审专利公开No.04-194367

专利文献2：日本未审专利公开No.11-037031

发明内容

火花塞具有中心电极和接地电极。而且，火花塞在中心电极从点火线圈接收高压，并在中心电极和接地电极之间产生放电火花，从而燃烧吸入燃烧室中的空气-燃料混合物。然而，火花塞可能因为电极使用多年的消耗以及因为所谓的“阴燃(smoldering)”而导致其点火性能劣化。

这里，“阴燃”是指这样一种现象，即在燃烧过程中所产生的碳吸附到部分电极上导致中心电极和接地电极之间绝缘电阻的减小。当使用绝缘电阻劣化的火花塞时，火花塞中的漏电流也被离子电流检测单元检测到。因此，不可能如原来所期望的那样正确地检测离子电流。此外，基于不正确地检测的离子电流控制发动机不仅不能实现所期望的性能，而且可能导致麻烦。

进一步，存在这样的情形，即其中除“阴燃”之外的其他原因导致离子电流流经的离子电流路径、诸如次级线圈和火花塞中绝缘性能的劣化。对这样的原因的失察会妨碍正确地检测离子电流，并可能在发动机中导致问题。

考虑到上述问题，专利文献1仅公开了一种用于检测离子电流的电路，但根本没有对离子电流路径中绝缘性能劣化提供任何应对措施。此外，专利文献1中所公开的电路作为离子电流检测电路也不是很成熟，并且不能以高精度检测弱离子电流。

这同样适用于专利文献2。借助专利文献2中所公开的发明，不能区分在正常燃烧过程中所产生的离子电流和流经劣化的火花塞的漏电流，且因此极大地削弱了所检测的离子电流的可靠性。进一步，在专利文献2中，类似于专利文献1中的发明，用于检测离子电流的负载电阻很重要。因为该负载电阻直接影响电容器的放电特性，不可能设计最适合于检测离子电流路径中绝缘劣化的电路。

考虑到上面的问题提出了本发明，且本发明的目的是提供一种离子电流检测设备，其能够快速且自动地检测离子电流路径中绝缘电阻的劣化从而确保发动机控制中的正常运行。

为了实现上述目的，本发明提供一种离子电流检测设备，包括：电容器，其在火花塞放电时充电；限压元件，其限制充电期间电容器的最大电压；检测电阻，电容器的放电电流流经该检测电阻；和比较器电路，其比较检测电阻的电流值和预定值，其中通过以下方式中任意一种确定离子电流所流经的离子电流路径中绝缘电阻的劣化：提供抑制步骤，其中供应到内燃机的燃烧室的燃料被抑制，并确定比较器电路在抑制步骤中的输出，或设定放电开始时电容器的电荷量，使得作为电容器放电操作的结果，直到检测电阻的电流值落到预定值以下所需要的放电持续时间变得比燃料在内燃机燃烧室中燃烧所产生的离子电流持续的时间长。

按照上述本发明，借助上述配置的用于内燃机的离子电流检测设备，可以高度可靠地检测离子电流，从而消除诸如火花塞中漏电流的影响。因此，可以确保内燃机中燃烧状态的检测，从而能够实现高度的燃烧控制。

附图说明

图1是电路图，其示出按照一个实施例的离子电流检测设备。

图2示出等效电路，其用于在阴燃状态中分析图1的电路工作。

图3是时序图，其示出正常燃烧期间离子电流的时间变化和检测电压之间的关系。

图4是时序图，其示出正常燃烧期间离子电流的时间变化。

图5是时序图，其示出阴燃燃烧期间放电电流时间变化和检测电压之间的关系。

图6是示出离子检测设备在火花塞放电过程中的操作的示图。

图7是示出离子检测设备在电容器放电过程中的操作的示图。

图8是示出证实实用中电容器所要求的电荷量的实验结果。

图9是流程图，其示出本发明该实施例的另一方面。

图10示出离子电流检测设备的另一示例性电路。

图11示出离子电流检测设备的又一示例性电路。

附图标记和符号的描述

3火花塞

5比较器电路

C电容器

ZD限压元件

R2检测电阻

Q电荷量

具体实施方式

以下，根据实施例详细描述本发明。图1是电路图，其示出按照本实施例的离子电流检测设备。该检测设备包括点火线圈1，其由初级线圈L1和次级线圈L2配置为升压变压器；点火器2，其以间歇方式控制来自初级线圈L1的电流；火花塞3，其被次级线圈L2所感应的高压操作放电；离子电流检测电路4，其与次级线圈L2串联；以及比较器电路5，其比较来自离子电流检测电路4的输出电压Vout和基准电压Er以输出检测电压Vdet。

具有中心电极3a和接地电极3b的火花塞3可以以减小的绝缘电阻而处于阴燃状态中。因此，电极之间的泄漏电阻Rk在图1中以虚线示出。

离子电流检测电路4包括由来自火花塞3的放电电流充电的偏压电容器C、与电容器C并联从而限制电容器C的充电电压的齐纳二极管ZD、与齐纳二极管ZD串联的二极管D1、和连接至二极管D1两端的放大器AMP。

齐纳二极管ZD和二极管D1的阳极端彼此直接连接，而二极管D1的阴极端连接接地线。进一步，齐纳二极管ZD的阴极端与次级线圈L2连接。

离子电流检测电路4的放大器AMP包括：具有反相端、非反相端和输出端的放大元件Q1；连接至放大元件Q1的反相端的输入电阻R1；连接在放大元件Q1的反相端和输出端之间的反馈电阻R2；和连接在放大元件Q1的输出端和接地线之间的负载电阻R3。这里，用于保护放大元件Q1的二极管D2也可以连接在放大元件Q1的反相端和接地线之间。

在该实施例中，运算放大器被用作放大元件Q1。运算放大器具有基本无限大(≌∞)的输入阻抗，且包括反相端和非反相端之间的虚短路(imaginary short)。因此，图中示出的输入电流I流过输入电阻R1和反馈电阻R2，且来自放大器AMP的输出电压Vout是输入电流I和反馈电阻R2(Vout＝I×R2)的乘积。换句话说，在该放大器AMP中，反馈电阻R2用作输入电流I的检测电阻。

比较器电路5包括比较器Q2和提供给比较器Q2的非反相输入端的基准电压Er。这里，基准电压Er是用于检测燃烧周期(时间)的燃烧基准电压。在比较器电路5中，来自离子电流检测单元4的输出电压Vout被供应到比较器Q2的反相输入端。因此，在Vout＞Er的燃烧状态中，从比较器Q2输出L电平时的检测电压Vdet。

检测电压Vdet被供应到图中没有示出的发动机控制单元，且可以基于检测电压Vdet处于L电平的持续时间Td期间的离子电流(实际操作中是离子电压Vout)确定燃烧状态是否是有利的(参看图3)。然而，当火花塞3处于阴燃状态时，类似于离子电流的漏电流也流动(参看图5)。

图4示出在正常燃烧过程中来自离子电流检测单元的输出电压Vout，并示出了基于离子电流的输出电压Vout从时间t＝T1到时间t＝T2超过基准电压Er的事实。

相反，图5示出在异常燃烧过程中来自离子电流检测单元的输出电压Vout，并示出了基于来自火花塞3的漏电流的输出电压Vout从时间t＝Ts到时间t＝Te超过基准电压Er。根据泄漏电阻Rk的值，得出T2≌Te，且因此，完全不可能区分火花塞3中的漏电流和离子电流。

然后，基于图6和图7，进一步详细说明离子电流检测单元4的操作。如图6所示，在次级线圈L2中生成负的高压后，火花塞3执行点火放电，且点火电流对电容器C充电。此时，因为电容器C与齐纳二极管ZD并联，所以电容器C两端的电压与齐纳二极管ZD的击穿电压Vz匹配。在放电过程中，因为二极管D1短路(ON)，所以流过输入电阻R1和其它电路元件的电流可以忽略。

然后，在次级线圈L2处的高压消失后，充到电容器C中的偏压通过图7中所示的路径放电。特别地，放电电流流过从放大元件Q1的输出端流到反馈电阻R2，到输入电阻R1，到电容器C，到次级线圈L2，和到火花塞3的路径。此时，当火花塞3处于阴燃状态时，无论是否存在离子电流，放电电流都流过泄漏电阻Rk。在电容器C放电操作过程中，二极管D1处于OFF状态，因为二极管D1的阴极端连接到接地线。

接着，对电容器C放电过程中的操作进行理论描述。图2示出当火花塞3处于阴燃状态时的等效电路。这里，电阻R是放大器AMP的输入电阻R1、次级线圈的损耗电阻r、和漏泄电阻Rk的总值。虽然电容器的放电电流也流过反馈电阻R2和放大元件Q1的输出单元，但考虑实现R≌R1+r+Rk，因为放大元件Q1的反相输入端虚短路且电势为零。此外，L表示次级线圈L2的电阻。

在图2中，设电容器C的放电电流为i且电荷为q，建立如下方程：

$L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{Ri}+\frac{1}{C}\∫\mathrm{idt}=0$

$L\frac{d^{2}q}{{\mathrm{dt}}^2}+R\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C}q=0$

当在R＞2SQR(L/C)的情况下求解这些电路方程，则得到下面的等式1。这里，SQR是平方根的符号。进一步，等式1中的Q是电容器C在初始状态(t＝0)时的电荷量(单位为库仑(C))。按照电容器的电容C和齐纳二极管ZD的击穿电压Vz，建立关系式Q＝C×Vz。

$i=Q\frac{{\mathrm{\α}}^2-{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{\β}}{\mathrm{\ϵ}}^{-\mathrm{\αt}}\sinh \mathrm{\βt}$ (等式1)

$R>2\sqrt{\frac{L}{C}}$

进一步，等式1中的α和β可以由等式2给出。

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\frac{R}{2L}\\ \mathrm{\β}=\frac{1}{2L}\sqrt{R^2-4\frac{L}{C}}\\ Q=C\×\mathrm{Vz}\end{array}\right)$ (等式2)

通过修改等式1用于初始状态的电荷Q，获得下面的等式3。这里，sinhX是正弦双曲线函数，sinhX＝(e^X-e^-X)/2.

$Q=\frac{i}{\frac{{\mathrm{\α}}^2-{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{\β}}{\mathrm{\ϵ}}^{-\mathrm{\αt}}\sinh \mathrm{\βt}}$ (等式3)

如图5所示，等式1中给出的放电电流i从放电开始的时间t＝0时开始增加，然后在达到最大值后开始减小。因此，离子电流检测单元4的输出电压Vout(＝i×R2)也从放电开始的时间t＝0时开始增加，最终在T＝Ts时超过基准电压Er，然后在达到最大值后开始减小，并在时间t＝Te时落在基准电压Er以下。因此，比较器Q2的检测电压Vdet在Ts＜t＜Te的时间段中处于L电平(图5)。

如前面所述，因为运算放大器Q1的非反相端和反相端虚拟地处于同一电势，所以由i＝Vout/R2(等式4)结合某时刻的输出电压给出该时刻(时间t)的放电电流i。因此，在时间t＝Te，i＝Er/R2(等式4’)。通过将其代入等式1，得到下面的等式5。

$\frac{\mathrm{Er}}{R2}=Q\frac{{\mathrm{\α}}^2-{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{\β}}{\mathrm{\ϵ}}^{-\mathrm{\αTe}}\sinh \mathrm{\βTe}$ (等式5)

然后，通过对Te求解等式5，可以计算输出电压Vout落在基准电压Er之下的时间(t＝Te)。特别地，可基于初始状态中电容器C的电荷量Q来确定输出电压Vout落在基准电压Er之下的时间(t＝Te)(参看等式5)。

如前面通过比较图4和图5所述，根据泄漏电阻Rk的值，难于区分基于离子电流的输出电压Vout(图4)与基于漏电流的输出电压Vout(图5)。然而，如由上面等式5所确定的那样，可以按照电荷量的值适当设定时间t＝Te。

因此，在该实施例中，设定电荷量Q，使得Te的值在从电容器放电开始时间(t＝0)到所测量的排气结束时间Tc的时间段期间基本匹配。当采用这样的电荷量Q时，如果当火花塞3处于阴燃状态时Rk≠∞，则检测电压Vdet从t＝Ts到t＝Tc保持在L电平。然而，离子电流通常不可能在排气结束时刻t＝tc之前都保持流动，并且因此可以用在时间t＝Tc之前一直保持的L电平的检测电压Vdet确定离子电流路径中的绝缘劣化，诸如火花塞3中的阴燃状态。

一般地，在发动机完成一个操作循环期间，其中该操作循环从吸入步骤、压缩步骤开始、到燃烧步骤，并以排气步骤结束，从电容器放电开始时间(t＝0)直到排气结束所测量的时间随发动机的旋转数目(rpm)改变。因此，在该实施例中，使用在旋转数目最小(特别地，600rpm)时的排气结束时间Tc的值，且Te被设定以便基本与该Tc匹配。

同时，虽然在上面的描述中基于电荷Q设定Te的值，但是Te的设定可以不必基于电荷量Q，而是可以基于等式5所给出的任何值，诸如输入电阻R1。可以理解，基于电容器C的电容和/或齐纳二极管的击穿电压Vz确定电荷量Q的值。进一步，上面的描述中设定Te≌Tc，但该关系不局限于此。通过设定Te的值为不可能检测到离子电流的时间就足够了。

图8示出试验结果，该试验用于确认为了在实际使用的典型离子电流检测电路中设定Te≌Tc所要求的电荷量。结果示出，虽然所要求的电荷量Q随发动机旋转数目减小而增加，但可通过在高旋转状态中满足条件Q＞1.0(μC)并甚至在低旋转状态中满足Q＞2.5(μC)而实现Te≌Tc。虽然所要求的电荷量Q根据泄漏电阻Rk的值变化，但是可能有问题的泄漏电阻Rk一般可取各种值，诸如2MΩ和20MΩ。因此，在假定最糟情形的Rk＝0的条件下执行图8中的试验。

进一步，调整图1中所示的离子电流检测电路4的电路结构，或改变图1中所示的离子电流检测电路4的电路常数(诸如电阻值R1和次级线圈L2的电感值)可以使特性产生轻微的改变。然而，在任一种情形中，确认可通过满足条件Q＞2.5(μC)实现Te≌Tc。

其中，通常的情形是火花塞3的阴燃在启动发动机后立即变为有问题的。进一步，阴燃的影响可在发动机启动后经过一定时间段后减小。

因此，也优选地，不在发动机启动后立即进行燃料喷射，且基于此时离子电流检测电路4的输出确定火花塞的阴燃。在启动马达旋转的若干循环期间，尤其不要求燃料喷射。此外，基于未喷射燃料的发动机的曲柄和凸轮传感器确定气缸内的状态也是有效的。因此，可以如此在启动时刻确定阴燃。

当燃料在启动时刻没有被喷射时，不会发生离子电流。如果在该情形中检测电压Vdet为L电平，则这只表明这样的事实，即离子电流路径中的绝缘电阻劣化，使得火花塞3处于阴燃状态。第二实施例的这个方面也是有利的，因为不需要设定电荷量Q来实现Te≌Tc。

图9是上述第二实施例的示例性操作的流程图。在该操作中，启动发动机而不喷射燃料，且当检测到检测电压Vdet处于L电平时，执行离子检测设备的故障安全处理。可以适当设计故障安全处理，且例如可以考虑把异常情况通知给驾驶员并通过离子电流停止燃烧控制的设计。

前面，虽然具体描述了本发明，但这些具体描述不是为了限制本发明。换句话说，可以在不偏离本发明精神的前提下进行各种修改，并且所有这些修改都包括在本发明的范围内。

例如，在图1所示的第一实施例中，通过比较器电路5检测离子电流的检测电阻(反馈电阻R2)的电流值保持在比预定值高的时间段，且基于所检测的时间段确定离子电流路径中绝缘电阻的劣化。然而，本发明不局限于这样的方法。

例如，如图10所示，离子电压Vout单独从离子电流检测电路4输出，且可基于所输出的离子电压Vion的积分值确定离子电流路径中绝缘电阻的劣化。在该情形中，执行积分处理的时间段是其中从比较器电路5所输出的检测电压Vdet处于L电平的时间段，但不要求时间段被设定为与第一实施例中相同的长度。特别地，检测电压Vdet处于L电平的时间段不必持续到排气结束(t＝Tc)。通过设定放电开始时电容器的电荷量使该时间段比初始离子电流的时间段长就足够了。

进一步，离子电流检测电路4不必需要放大元件Q1，且本发明可以以图11中示出的电路实现，图11中放大器AMP被略去。然而，在图11所示的电路中，负载电阻RL连接在电容器C和接地线之间。因此，图11所示的电路具有与专利文献1和2的电路相同的缺点。

特别地，为了成功检测弱离子电流，必须将负载电阻RL设置为很大。然而，在该情形中，图2的等效电路中的电阻值R变大，且电容器C的放电特性随电阻值R变大而成比例改变。这允许设计具有稍微的灵活性。相反，图1中的电路，仅输入电阻R1影响电容器C的放电特性，反馈电阻R2的值不影响电容器C的放电特性。因此，通过将反馈电阻R2设定为很大而不影响电容器C的放电特征，可以获得期望电平的离子电压Vout。换句话说，因为放大器电路AMP是放大因子为-R2/R1的反相放大器，所以图1中所示的离子检测电路4是有利的，因为可基于反馈电阻R2自由设定离子电流的放大因子。

Claims (5)

1.一种用于内燃机中火花塞的绝缘劣化检测方法，其中所述方法利用离子电流检测设备而工作，

其中所述离子电流检测设备包括：

电容器，其随火花塞放电而充电；

限压元件，其限制所述电容器在被充电时的最大电压；

放大器，包括反相输入端、非反相输入端、输出端、以及连接在所述反相输入端和输出端之间的检测电阻，其中所述电容器的放电电流流过所述检测电阻；以及

比较器电路，其将所述放大器的输出端的电压值与预定值相比较，其中

所述方法包括：

第一步骤，在所述火花塞放电时对电容器充电，其中所述电容器的最大电压由限压元件限制；

第二步骤，检测其间放大器输出端的电压值保持在比预定值更高的水平上的时间段；以及

第三步骤，基于所检测的时间段确定所述火花塞的绝缘劣化，

其中设定放电开始时所述电容器的电荷量，使得由于所述电容器的放电操作，在所述检测电阻的电流值落在第二步骤中的所述预定值以下之前所需要的放电时间段变得比由内燃机燃烧室中燃料燃烧所生成的离子电流持续的时间段长。

2.如权利要求1所述的绝缘劣化检测方法，其中

所述第三步骤基于所述时间段期间所述检测电阻的电流积分值确定所述火花塞的绝缘劣化。

3.如权利要求1所述的绝缘劣化检测方法，其中

设定所述电容器在放电开始时的电荷量，使得放电时间段基本持续直到内燃机排气结束。

4.如权利要求1所述的绝缘劣化检测方法，其中

所述限压元件是与所述电容器并联连接的齐纳二极管。

5.如权利要求2所述的绝缘劣化检测方法，其中

所述电荷量被设定为不小于2.5μC。

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