CN102575634B - 火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法，所述火花点火式内燃机具有火花塞，通过等离子体使混合气体点火，所述等离子体是通过使火花放电和在燃烧室内产生的电场反应而生成的，利用通过与点火器连接的点火线圈施加的高电压产生所述火花放电。该方法检测与火花放电有关的、在火花放电后的火花塞上二次产生的二次电压的变化，当检测到的二次电压的变化超出了规定范围时，判定为不点火。由此，可以不会被残留在燃烧室内的等离子体形成的离子电流妨碍地检测不点火的情况。
Description
技术领域
本发明涉及通过使在燃烧室内产生的电场和来自火花塞的火花放电反应生成等离子体并利用该等离子体使混合气体点火的火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法。
背景技术
以往，例如在汽车用的内燃机中，例如使用离子电流监视燃烧状态，使得不发生不点火(misfire)，并根据燃烧状态的变化来检测不点火的发生。例如在专利文献1记载的技术中，把与燃烧对应产生(持续)离子电流的时间(产生时间)和作为离子电流检测到的因噪音产生的电流持续的时间(持续时间)合计起来，求出用合计时间除以产生时间和持续时间的检测次数得到的结果(商值)，根据该商值判定有无不点火。通过对预先设定的判定值和商进行比较，来判定不点火和燃烧。在商大于判定值的情况下，判定为正常燃烧。另一方面，在商比判定值小的情况下，判定为不点火。
另一方面，为了使燃烧状态良好，尝试了对火花塞的火花放电进行补偿。例如在专利文献2记载的已知技术中，预先在火花塞的放电区域形成等离子体气氛。然后在等离子体气氛中进行电弧放电。由此与以往相比，无需施加高的电压，就可以可靠地使燃烧室内的混合气体点火，因此可以得到稳定的火焰。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2008‐51031号
专利文献2：日本专利公开公报特开2007‐32349号
发明内容
本发明所要解决的技术问题
可是，在如专利文献2所记载的那样使用等离子体的点火方式中，为了生成等离子体，以火花塞的中心电极和接地电极位于电场中的方式生成电场。在该情况下，例如如果在作为用于电场生成部件的中心电极上施加交流电压，则在中心电极和接地电极之间产生火花放电期间，不能检测离子电流。因此如所述的专利文献1那样利用离子电流检测不点火是困难的。而且在等离子体残留在燃烧室内的情况下，因等离子体中含有的离子造成离子电流流动，因此有时根据离子电流检测不点火的情况是困难的。
所以本发明的目的在于消除所述的不利情况。
解决技术问题的技术方案
即，本发明提供一种火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法，所述火花点火式内燃机具有火花塞，通过等离子体使混合气体点火，所述等离子体是通过使火花放电和在燃烧室内产生的电场反应而生成的，利用通过与点火器连接的点火线圈施加的高电压产生所述火花放电，所述火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法的特征在于包括：检测在火花放电后在点火线圈的二次侧的电路中测量的二次电压的变化；以及当检测到的所述二次电压的变化超出了规定范围时，判定为不点火。
按照所述的火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法，在不点火的情况下，虽然产生了等离子体，但是以等离子体为中心的火焰不在燃烧室内扩展，因此，通过火花塞测量的与火花放电有关产生的二次电压的变化超出规定范围，所以可以判定为不点火。即，如果虽然形成了等离子体，但是不点火，则火焰核不稳定的形成或不形成火焰核。因此，相对于以等离子体为介质在火花塞上产生的二次电压，燃烧室内的电阻变大。因此，二次电压的变化超出规定范围。因此，与使用离子电流判定不点火的方法相比，本发明能够以高精度判定不点火。
所谓二次电压是指在火花放电后，在点火线圈的二次侧电路中能够测量的电压以及在用于产生电场的电场产生装置的输出一侧能够测量的电压。具体地说，二次电压是根据流过点火线圈二次侧绕组的电流测量的电压、点火线圈的二次侧绕组中产生的电压、以及在电场产生装置的输出端能够测量的电压。因此，通过判定所述电压的变化是否在规定范围内，可以实现不点火的判定。
作为所述的电场产生装置可以列举的有：产生各种频率的电磁波的电磁波发生装置、在配置在燃烧室内的一对电极上施加交流电压的交流电压发生装置、以及在同样的一对电极上施加脉动电流电压(脈流電圧)的脉动电流电压发生装置，等等。
作为从电磁波发生装置产生的电磁波，可以列举的有微波、包括在各种无线通信(例如业余无线通信)中使用的频率的高频等。
从交流电压发生装置输出的交流电压具有与所述高频相等的频率。
脉动电流电压发生装置只要是产生电压周期的变化的直流电压就可以。其直流电压的波形可以是任意的。即，本发明中的脉动电流电压包括以一定周期从包括零伏的基准电压变化到一定电压的脉冲电压、从基准电压变化到以一定周期顺序增减的电压的直流电压(例如把交流电压进行半波整流后得到的波形的直流电压)、以及在交流上附加上直流偏压的直流电压等。在该情况下，一定周期可以与所述高频的频率对应。此外，波形不限于所述的波形，波形也可以是正弦波、锯齿波或三角波等。
在本发明的其他方式中，包括作为实现所述的燃烧状态判定方法的装置的燃烧状态判定装置、使具有计算机的控制装置执行所述的方法的燃烧状态判定程序、以及包含承载有该程序的介质的程序产品。在该介质中包括ROM等记录介质和通信线路等传输介质。
发明的效果
本发明具有以上说明的构成，因此在不点火时，不会有火焰核不稳定的形成或不形成火焰核的情况，因而在不点火时，对于因等离子体在火花塞上产生的二次电压，燃烧室内的电阻变大，作为其结果，判定为超出二次电压的变化的规定范围。因此与使用离子电流判定不点火的方法相比，本发明能够以高精度判定不点火。
通过以下详细的说明和附图，可以更清楚本发明的目的、特征、情况和优点。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的简要结构的结构说明图。
图2是表示与图1为相同实施方式的控制步骤的流程图。
图3是表示可以在本发明的实施方式中使用的电磁波发生装置结构的框图。
图4是表示可以在本发明的实施方式中使用的交流电压发生装置结构的框图。
图5是表示图4中的H桥电路一个例子的电路图。
附图标记说明
6…电子控制装置(检测器，判定器)
7…燃烧室
8…火花塞
9…点火线圈
15…磁控管
18…中央处理器(中央演算処理装置)
19…存储装置
20…输入接口
21…输出接口
具体实施方式
下面参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。
图1简要表示发动机100的一个气缸结构。该发动机100是汽车用三气缸发动机。在发动机100的进气***1中配置有节流阀2，该节流阀2随动于图中没有表示的油门踏板打开或关闭。在该节流阀2的下游设置有调压室3。调压室3与汽缸盖4连通。在调压室3的汽缸盖4一侧的端部附近还设置有燃料喷射阀5，该燃料喷射阀5由电子控制装置6控制。在燃烧室7的顶部安装有火花塞8。在火花塞8上以能够更换的方式安装有与点火器形成一体的点火线圈9。在该实施方式中，火花塞8的中心电极8a是用于产生电场的电场产生装置的一部分。中心电极8a通过图中没有表示的波导管和同轴电缆与作为电场产生装置的微波发生装置11连接。在排气***12的直到图中没有表示的***的管路中配置有三元催化剂(以下称为催化剂13)。在其上游安装有O2传感器14。此外，点火器具有离子电流检测电路，该离子电流检测电路把火花塞8作为传感器使用，该离子电流检测电路检测伴随等离子体的生成和混合气体的燃烧产生的离子电流。
微波发生装置11包括磁控管15以及控制磁控管15的控制电路16。从磁控管15输出的微波通过波导管和同轴电缆施加在火花塞8上。从电子控制装置6输出的微波发生信号n被输入到控制电路16。控制电路16根据输入的微波发生信号n，控制从磁控管15输出的微波的输出时间和输出功率。
电子控制装置6相当于本发明的检测器和判定器的具体例子。电子控制装置6主要由微型计算机***构成，该微型计算机***包括中央处理器18、存储装置19、输入接口20和输出接口21。中央处理器18通过执行存储在存储装置19中的后述的燃烧状态判定程序，对发动机100的运转进行控制。电子控制装置6具有电压测量电路，该电压测量电路测量在执行燃烧状态判定程序时所必须的点火线圈9的二次侧电压g。
用于对发动机100的运转进行控制所需要的信息通过输入接口20输入到中央处理器18。中央处理器18再通过输出接口21把用于控制的信号输出到燃料喷射阀5等。具体地说，向输入接口20输入进气压信号a、转速信号b、IDL信号c、水温信号d、电压信号f和二次侧电压g等。进气压信号a从用于检测调压室3内的吸入空气压力的进气压传感器22输出。转速信号b从用于检测发动机转速的转速传感器23输出。IDL信号c从用于检测节流阀2打开或关闭状态的怠速开关24输出。水温信号d从用于检测发动机100的冷却水温度的水温传感器25输出。电压信号f从O2传感器14输出，O2传感器14检测从燃烧室7通过排气阀排出的排气中的氧浓度。关于二次侧电压g在后面叙述。另一方面，从输出接口21输出燃料喷射信号p、点火信号m和微波发生信号n等。燃料喷射信号p向燃料喷射阀5输出。点火信号m向点火器10输出。微波发生信号n向微波发生装置11输出。
程序安装在电子控制装置6内。该程序以从进气压传感器22输出的进气压信号a和从转速传感器23输出的转速信号b为主要信息。按照该程序，根据对应于发动机100的运转状态所决定的各种修正系数，对基本喷射时间进行修正，由此来决定燃料喷射阀5的打开时间(即喷射器最终通电时间)，利用决定的通电时间控制燃料喷射阀5，由此把与发动机负荷对应的燃料从该燃料喷射阀5喷射到进气***1中。
在该发动机100中，与所述的输出时间对应，从中心电极8a向燃烧室7内发射从微波发生装置11发生的微波。通过使由此生成的电场和由火花塞8产生的火花放电进行反应，生成等离子体。通过该等离子体使混合气体点火。在生成等离子体时，把微波施加在中心电极8a上，由此在燃烧室7内，在与由火花塞8产生的火花放电垂直的方向上产生电场。
在进行点火时，通过点火线圈9在火花塞8上产生火花放电。几乎与火花放电开始的同时，在火花放电刚开始之后或火花放电刚要开始之前，利用微波产生电场。通过使火花放电和电场反应，生成等离子体，使燃烧室7内的混合气体快速燃烧。此外，优选的是，火花放电刚开始之后是最迟在形成火花放电的感应放电开始时。
具体地说，由火花塞8产生的火花放电在电场中成为等离子体，利用该等离子体使混合气体点火，因此，成为火焰传播燃烧始点的火焰核比仅用火花放电点火的火焰核大，此外，在燃烧室7内产生大量的自由基，通过该大量的自由基促进燃烧。
其原因如下：由火花放电产生的电子流和由火花放电产生的离子及自由基受到电场的影响而振动及弯弯曲曲地行进。这些电子、离子和自由基的路线长度变长。因此它们与周围的水分子或氮分子碰撞的次数急剧增加。受到离子及自由基碰撞的水分子或氮分子变成OH自由基或N自由基。此外受到离子或自由基碰撞的周围气体变成电离状态(即等离子体状态)。因此混合气体的点火区域急剧变大，成为火焰传播燃烧始点的火焰核也变大。
其结果，通过因火花放电和电场反应生成的等离子体，使混合气体点火，因此点火区域扩大。与仅用火花塞8的二维的点火不同，该点火是三维的点火。因此初期燃烧稳定。此外伴随所述自由基的增加，燃烧在燃烧室7内快速传播，因此燃烧以高的燃烧速度扩展。
在这样的构成中，燃烧状态判定程序装在电子控制装置6内。按照该程序，检测在火花放电后的火花塞8上与火花放电相关联二次产生的二次电压的变化，在检测到的二次电压的变化超出了规定范围的情况下，判定为不点火。在该实施方式中，作为二次电压采用了在点火线圈9二次侧产生的二次侧电压。
下面参照图2所示的流程图对该发动机100的燃烧状态判定的简要步骤进行说明。在促进燃烧的稳定运转状态、接近点火极限(misfire limit)的运转状态和过渡运转状态中执行该燃烧状态判定。在所述的运转状态中，在中心电极8a上施加微波的时间比在所述以外的运转状态下的时间长。
首先，在步骤S1中，测量二次侧电压g及其变化幅度，由此检测每次点火时点火线圈9的二次侧电压的变化。例如可以通过测量二次侧电压g的最大值和最小值、以及计算测量到的最大值和最小值的差来测量该变化幅度。在该实施方式中，在火花塞8的中心电极8a上施加微波，因此，根据以生成的等离子体为介质通过火花塞8流经点火线圈9的二次绕组的电流，测量二次侧电压g。二次侧电压g的变化幅度的测量只在把点火信号施加在点火线圈8上后的规定时间进行。电流在基于等离子体内的离子的离子电流通过微波调制后的状态下流动。
在步骤S2中，判断测量到的二次侧电压g的变化幅度是否在规定范围内。该规定范围被设定成以在发动机稳定运转的情况下二次侧电压g的变化幅度为基准。该规定范围被设定成比稳定运转下的二次侧电压g变化幅度大的范围，由此在稳定运转中在燃烧正常的情况下测量到的二次侧电压g的变化幅度在该范围内。以与发动机100的运转区域(例如被划分成低负荷低转速、低负荷高转速、高负荷低转速和高负荷高转速的运转区域)对应的方式设定所述的规定范围。
在判断为测量到的二次侧电压g超出了规定范围的情况下，进入到步骤S3。此时的点火不好，判定为不点火。另一方面，在步骤S2中，在测量到的二次侧电压g在规定范围内的情况下，进入到步骤S4，判定为燃烧正常。
在所述的构成中，例如在由于在排气回流控制(EGR)中的排气回流量增加，运转状态接近点火极限的情况下，微波施加在火花塞8的中心电极8a上的时间延长，因此等离子体持续长时间存在。
在该状态下，在燃烧正常的情况下，生成等离子体后形成火焰核。然后火焰以火焰核为中心在燃烧室7内扩展。在火焰这样扩展的情况下，位于燃烧室7内的等离子体和燃烧气体向火花塞8的中心电极8a流入离子电流。因此，通过火花塞8测量的二次侧电压g稳定，其变化小。这是由于下述原因：等离子体在中心电极8a附近形成，形成用于点火的足够的火焰核；以及由此使离子电流流动的路径的电阻变小。
即，如果在该情况下执行程序，则在执行了步骤S1和步骤S2时，测量到的二次侧电压g的变化幅度在规定范围内。因此，在步骤S4中，判定为不是不点火而是燃烧正常。
与此相反，在不点火的情况下，虽然生成了等离子体，但是未形成以该等离子体为中心的火焰核，因此火焰不在燃烧室7内扩展。因此通过火花塞8测量到的二次侧电压g的变化超出规定范围。在该情况下，与所述的不同，虽然形成了等离子体，但是发生了不点火，所以火焰核不稳定的形成，或不形成火焰核，离子电流在燃烧室7内的电阻变大，因此二次侧电压的变化幅度变大，其结果，二次侧电压g的变化幅度超出规定范围，即，在该情况下，如果执行程序，则在执行了步骤S1和步骤S2时，测量到的二次侧电压g的变化幅度超出规定范围。因此，在步骤S3中，判定为不点火。这样，持续长时间生成等离子体，因此，即使在不能利用不生成等离子体的点火方法，亦即在不能利用使用在点火后在燃烧室7内流动的离子电流判定燃烧状态的方法的情况下，与利用所述的离子电流判定包括不点火的燃烧状态的方法相比，能够以高精度判定不点火。
此外，本发明不限于所述的实施方式。
在所述实施方式中，根据流过点火线圈9的二次侧绕组的电流，测量作为二次电压的二次侧电压g，可是也可以把在二次侧绕组中产生的二次侧电压作为二次电压来测量。该产生的电压是高压，因此要把该电压通过分压电路分压成容易测量的低电压后进行测量。此外，作为二次电压也可以采用在作为电场产生装置的电磁波发生装置30和交流电压发生装置40的输出端与火花放电相关联二次产生的电压，所述电磁波发生装置30和交流电压发生装置40是如图3和图4所示的装置，在采用这样的二次电压的情况下，无须测量所述实施方式中的二次侧电压g。
微波发生装置可以不是所述那样的磁控管，而是行波管等，此外，微波发生装置也可以具有使用了半导体的微波振荡电路。
此外，也可以使火花塞8的中心电极8a具有天线的功能，在该情况下，中心电极8a成为高频供电部。在该情况下，如果以一定电压把高频持续施加在中心电极上，则中心电极的温度会过度上升，因此要控制高频电压，使得中心电极的温度低于根据中心电极的耐热温度设定的上限温度。
对使火花塞8的中心电极8a具有天线的功能进行了说明，但不是必须使中心电极8a具有天线的功能，也可以把电场产生装置连接在单极天线或喇叭天线等另外的天线上。
另一方面，电磁波发生装置中的电磁波频率不限于微波的频带，该频率只要是可以在火花塞8的火花放电部分产生电场及由此生成等离子体的频率就可以。因此，电磁波发生装置例如适合使用图3所示结构的装置。
图3所示的电磁波发生装置30包括发射机(送信機)31、匹配调谐器33和混频器36。发射机31例如发射300MHz的电磁波。匹配调谐器(或天线调谐器)33通过同轴电缆32与发射机31的输出端连接。混频器36通过不平衡电缆34与匹配调谐器33的输出端连接。此外，混频器36也连接在与点火器形成为一体的点火线圈35上。在该例子中，火花塞8的中心电极8a具有发射电磁波的天线的功能。因此，混频器36通过匹配调谐器33把从发射机31输出的电磁波施加在火花塞8的中心电极8a上。此外，混频器36把来自点火线圈35的点火电压施加在中心电极8a上。混频器36把来自发射机31的电磁波和来自点火线圈35的点火电压混合。在这样的电磁波发生装置30中，通过使电磁波的频率发生变化来增大或减小电磁波的输出，或者通过使频率一定增大或减小电磁波的输出，由此控制生成的电场的强度。
在该例子中，利用来自发射机31的电磁波在中心电极8a和接地电极8b之间产生电场。通过产生的电场和在中心电极8a和接地电极8b之间产生的火花放电反应，生成等离子体。利用该等离子体使混合气体点火。在电磁波发生装置30中，在火花放电后，二次电压出现在不平衡电缆34中，因此只要在不平衡电缆34的位置测量二次电压就可以。
也可以使用交流电压发生装置替代以上说明过的电磁波发生装置。图4所示的交流电压发生装置40，把车辆用的电池41的电压(例如约12V(伏))通过升压电路的DC－DC转换器42升压到300～500V。此后，该电压通过图5中例示的H桥电路43，变成具有频率约1MHz～500MHz的交流电压，优选的是变成具有频率100MHz的交流电压。该交流电压通过升压变压器44升压到约4kVp-p～8kVp-p。
在这样的交流电压发生装置40中，例如火花塞8的中心电极8a和接地电极8b成为产生电场的一对电极。在该情况下，与所述的电磁波发生装置30相同，在成为交流电压的输出端的升压变压器44、点火器和点火线圈、以及火花塞8之间，配置混频器。然后，通过在中心电极8a和接地电极8b之间施加高压的交流电压，在作为放电区域的火花塞8的间隙生成具有所述频带内的频率的极***替的电场。因此，通过生成的电场和火花放电反应，在火花塞8的周围生成等离子体，利用该等离子体使混合气体点火。
在该例子中，在火花放电后二次电压出现在升压变压器44的二次侧。因此，只要在到混频器的布线部分测量二次电压就可以。
此外，该一对电极可以由中心电极8a和接地电极8b构成。在该情况下，也可以用汽缸盖、气缸体或活塞替代接地电极8b。此外不用说，参照图3和图4说明过的结构中的点火器具有与所述实施方式中的点火器相同的结构。
如上所述，一对电极可以是火花塞8的中心电极8a和接地电极8b，或者可以在夹持火花塞8的位置配置电极。即，一对电极配置成隔开规定距离相对。一对电极配置成使火花塞8位于该一对电极之间。在该情况下，也可以用接地电极、汽缸盖、气缸体或活塞替代电极中的一个。
此外，也可以使用脉动电流发生装置替代所述的交流电压发生装置。即，通过在一对电极之间施加脉冲电压等脉动电流电压，来代替在一对电极之间施加交流电压，也可以在一对电极之间产生电场。与交流电压发生装置相同，脉动电流发生装置把从电池提供的直流电压用DC‐DC转换器升压，通过以规定周期使该直流高压断续，形成脉动电流，把该脉动电流通过升压变压器升压后，施加在一对电极上。在脉动电流发生装置中使用周期导通/断开的开关电路替代H桥电路。通过使用这样的脉动电流发生电路，也可以在一对电极之间产生电场。因此可以得到与所述实施方式相同的效果。
除此以外，各部分的具体结构不限于所述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内可以进行各种变形。
本国际申请主张基于2009年9月18日申请的日本专利申请(申请号：特願2009－216913号)的优先权。本国际申请将该日本专利申请(申请号：特願2009－216913号)的全部内容并入本文。
本发明可以灵活应用于以汽油或液化天然气为燃料的、需要将火花塞的火花放电用于点火的火花点火式内燃机。
Claims (6)
1.一种火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法，所述火花点火式内燃机具有火花塞，通过等离子体使混合气体点火，所述等离子体是通过使火花放电和在燃烧室内产生的电场反应而生成的，利用通过与点火器连接的点火线圈施加的高电压产生所述火花放电，所述火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法的特征在于包括：
检测在火花放电后在点火线圈的二次侧的电路中测量的二次电压的变化；以及
当检测到的所述二次电压的变化超出了规定范围时，判定为不点火。
2.根据权利要求1所述的火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法，其特征在于，根据在所述点火线圈的二次侧绕组中流动的电流检测所述二次电压的变化。
3.根据权利要求1所述的火花点火式内燃机的燃烧状态判定方法，其特征在于，根据在所述点火线圈的二次侧绕组中产生的电压检测所述二次电压的变化。
4.一种火花点火式内燃机的燃烧状态判定装置，所述火花点火式内燃机具有火花塞，通过等离子体使混合气体点火，所述等离子体是通过使火花放电和在燃烧室内产生的电场反应而生成的，利用通过与点火器连接的点火线圈施加的高电压产生所述火花放电，所述火花点火式内燃机的燃烧状态判定装置的特征在于包括：
检测器，检测在火花放电后在点火线圈的二次侧的电路中测量的二次电压的变化；以及
判定器，当检测到的所述二次电压的变化超出了规定范围时，判定为不点火。
5.根据权利要求4所述的火花点火式内燃机的燃烧状态判定装置，其特征在于，所述检测器根据在所述点火线圈的二次侧绕组中流动的电流检测所述二次电压的变化。
6.根据权利要求4所述的火花点火式内燃机的燃烧状态判定装置，其特征在于，所述检测器根据在点火线圈的二次侧绕组中产生的电压检测所述二次电压的变化。
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