Способ и устройство для определения нарушения процесса сгорания в цилиндре двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: системы зажигания ДВС, в частности автомобилей. Сущность изобретения: для определения нарушения процесса сгорания в цилиндре ДВС измеряют ионный ток, протекающий через электроды свечи зажигания. Способ отличается тем, что в первичной обмотке катушки зажигания во время отсутствия управляющих импульсов зажигания генерируют переменное напряжение, а ионный ток во вторичной обмотке катушки зажигания детектируют, например, синхронным детектором, способ может быть реализован в системе зажигания ДВС, содержащей электронный блок управления, электронный ключ и индивидуальные катушки зажигания для каждой свечи зажигания. Возможно интегральное исполнение устройства для определения нарушений процесса сгорания в цилиндре ДВС, что позволяет уменьшить его габариты и повысить надежность системы зажигания. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может использоваться в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВC), в частности автомобилей.

Известен способ определения детонационного сгорания,при котором регистрируется ток ионизации между электродами свечи зажигания. Свеча при измерении запитывается постоянным напряжением 100 300 В [1] Недостатком такого способа является необходимость использования сложных электронных устройств для развязки внешнего источника постоянного измерительного напряжения и цепи зажигания.

За прототип взят способ обнаружения ионного тока в системе зажигания двигателя внутреннего сгорания [3] Постоянное измерительное напряжение подается на цепь зажигания в точке соединения одного из концов вторичной обмотки катушки зажигания с одним из выводов измерительного конденсатора, другой вывод которого заземлен. Второй конец вторичной обмотки соединен с центральным электродом свечи зажигания. Ионизационный ток в цепи зажигания цилиндра двигателя внутреннего сгорания выявляется заземленным детектором.

Способ позволяет определить пропуск зажигания или детонационный характер процесса сгорания топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Недостатком способа является необходимость использования в устройстве, реализующем данный способ, высоковольтных компонентов, в частности измерительного конденсатора, что увеличивает габариты устройства и снижает его надежность в условиях повышенных вибраций, которые наблюдаются при работе ДВС.

Известно устройство, содержащее свечу зажигания, источник постоянного напряжения для поляризации электродов свечи, катушку зажигания, контур определения тока ионизации, возникающего в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, и вентильный диод для защиты этого контура от высокого напряжения катушки зажигания [2] Недостатком данного устройства является усложнение системы зажигания из-за оснащения ее источником постоянного напряжения 100 500 В и устройством для защиты этого источника от высокого напряжения, возникающего в цепи зажигания.

За прототип взято устройство [3] Постоянное измерительное напряжение подается на цепь зажигания в точке соединения одного из концов вторичной обмотки катушки зажигания с одним из выводов измерительного конденсатора, другой вывод которого заземлен. Второй конец вторичной обмотки соединен с центральным электродом свечи зажигания. Ионизационный ток в цепи зажигания цилиндра двигателя внутреннего сгорания выявляется заземленным детектором.

Устройство содержит высоковольтные компоненты, в частности измерительный конденсатор. Их наличие определяет повышенные габариты устройства, исключает возможность интегрального исполнения и отрицательно сказывается на надежности.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности системы зажигания двигателя внутреннего сгорания, снабженной устройством определения нарушений процесса сгорания в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Указанная задача решается следующим образом.

Для определения нарушения процесса сгорания в цилиндре ДВС измеряют ионный ток, протекающий через электроды свечи зажигания, при этом в первичной обмотке катушки зажигания во время отсутствия управляющих импульсов зажигания генерируют переменное напряжение, а ионный ток во вторичной обмотке катушки зажигания детектируют. Детектирование может быть синхронным.

Повышение надежности системы зажигания при таком способе определения нарушения процесса сгорания в цилиндре ДВС достигается тем, что устройство, реализующее данный способ, не имеет высоковольтных компонентов и допускает интегральное исполнение.

Устройство для определения нарушения процесса сгорания в цилиндре ДВС содержит электронный блок управления, снабженный электронным ключом, свечу зажигания, снабженную катушкой зажигания, источник измерительного напряжения и измерительное устройство, причем источник измерительного напряжения выполнен в виде генератора переменного напряжения, подключенного параллельно к первичной обмотке катушки зажигания, а измерительное устройство содержит детектор, в частности синхронный детектор. Последовательно со вторичной обмоткой катушки зажигания может быть включен диод.

Устройство не содержит высоковольтных компонентов и допускает интегральное исполнение.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы управления ДВС, осуществляющей предложенный способ определения нарушения процесса сгорания в цилиндре ДВС; на фиг. 2 6 импульсы, возникающие в различных частях системы, реализующей предложенный способ.

Способ может быть реализован следующим образом. В первичной обмотке катушки зажигания генерируют переменное напряжение. Это может быть осуществлено, например, возбуждением резонансных колебаний в контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания и параллельно подключенной к ней емкостью. Колебания могут возбуждаться путем кратковременного синхронного пропускания тока источника питания через первичную обмотку катушки зажигания при открывании электронного ключа. Производят синхронное детектирование ионного тока, вызванного трансформированным во вторичную обмотку резонансными колебаниями напряжения первичной обмотки, который протекает через искровой промежуток свечи зажигания, установленной в цилиндре ДВС. Это может быть осуществлено, например, при помощи электрической схемы, называемой синхронным детектором, подключенной к токоизмерительному резистору, подключенному к заземленному концу вторичной обмотки катушки зажигания. Производят измерение детектированного ионного тока и по его параметрам (амплитуде, частоте и др.) определяют нарушение процесса сгорания в цилиндре ДВС. Это может быть выполнено, например, при помощи последовательно включенных полосового фильтра, пикового детектора и компаратора.

Устройство включает в себя блок управления 1, катушку зажигания 2 с первичной обмоткой 2.1 и вторичной обмоткой 2.2, электронный ключ 3, емкость 4, узел 5 управления электронным ключом, свечу зажигания 6, установленную в цилиндре ДВС, условно показанном на фиг.1 штриховой линией, измерительное устройство 7, включающее в себя по меньшей мере токоизмерительный резистор 7.1 и синхронный детектор 7.2. Кроме того, измерительное устройство 7 может включать в себя полосовой фильтр 7.3, пиковый детектор 7.4 и компаратор 7.5. Блок управления 1 должен иметь по крайней мере один выход управления зажиганием и один вход обратной связи по сигналу ионного тока в цилиндре ДВС. Магнитопровод катушки зажигания 2 должен быть выполнен из материала, допускающего передачу высокой частоты, например, из магнитомягкого аморфного железа. Электронный ключ 3 должен быть выполнен на транзисторе, допускающем работу на высокой частоте, например на транзисторе КП 958 А. Измерительное устройство 7 может быть выполнено различным образом. Например, оно может содержать токоизмерительный резистор и синхронный детектор, а также полосовой фильтр, пиковый детектор и компаратор. Элементы 3,5,7.3,7.4, 7.5 могут быть конструктивно размещены в блоке управления 1. Выход управления зажиганием блока управления 1 соединяется со входом узла 5 управления электронным ключом. Выход узла 5 соединяется со входом управления электронного ключа 3. Электронный ключ 3 подключает первый конец первичной обмотки 2.1 катушки зажигания 2 к минусу источника питания бортовой сети. Второй конец первичной обмотки 2.1 катушки зажигания 2 соединяется с плюсом источника питания. Параллельно первичной обмотке 2.1 подключается емкость 4. Первый конец вторичной обмотки 2.2 катушки зажигания 2 соединяется с центральным электродом свечи зажигания 6, другой электрод которой соединен с массой ДВС. Второй конец вторичной обмотки 2.2 катушки зажигания 2 соединяется через токоизмерительный резистор 7.1 с массой ДВС. Параллельно токоизмерительному резистору 7.1 подключается синхронный детектор 7.2, выход которого в данном примере реализации соединяется со входом полосового фильтра 7.3. Выход полосового фильтра 7.3 соединяется со входом пикового детектора 7.4 и со входом компаратора 7.5. Выход компаратора 7.5 соединяется со входом обратной связи блока управления 1.

Устройство работает следующим образом.

При появлении импульса управления зажиганием (фиг. 2) узел 5 управления электронным ключом работает в стандартном режиме накопления энергии зажигания в индуктивности, то есть по фронту импульса управления зажиганием включает, а по спаду выключает электронный ключ 3. При этом при выключении электронного ключа 3 в первичной обмотке 2.1 формируется импульс напряжения (фиг. 3), который, трансформируясь во вторичную обмотку 2.2, вызывает пробой искрового промежутка свечи зажигания 6 (фиг. 4) и тем самым формирование искрового разряда в цилиндре ДВС. Кроме того, по спаду импульса управления зажиганием узел 5 производит выдержку времени t_p, равную длительности искрового разряда на свече зажигания 6, и в течение этого времени блокирует генерирование резонансных колебаний в первичной обмотке 2.1. При отсутствии импульса управления зажиганием, а также спустя время t_p после окончания импульса управления зажиганием узел 5 управления электронным ключом работает в режиме поддержания резонансных колебаний в первичной обмотке 2.1 катушки зажигания 2. При этом на выходе узла 5 управления электронным ключом вырабатывается последовательность коротких импульсов (фиг. 5) с длительностью t_и не более четверти периода резонансных колебаний колебательного контура и периодом следования T_п. Электронный ключ 3 открывается на время t_и и в колебательном контуре, образованном первичной обмоткой 2.1 и емкостью 4, поддерживаются свободные колебания заданной амплитуды с периодом следования T_п, причем амплитуда колебаний зависит от длительности t_и. Амплитуда свободных колебаний должна быть достаточной для поддержания требуемой величины ионного тока, но в тоже время не вызывать пробоя искрового промежутка свечи зажигания. Переменное напряжение, генерируемое в первичной обмотке 2.1, трансформируется во вторичную обмотку 2.2. и вызывает протекание через искровой промежуток свечи зажигания 6 ионного тока (фиг. 4), который, протекая через токоизмерительный резистор 7.1, вызывает падение напряжения, пропорциональное ионному току (фиг. 4). Далее это напряжение для выпрямления и уменьшения шумовой составляющей детектируется синхронным детектором 7.2 (фиг. 6) и производится измерение его параметров либо в блоке управления 1, либо в измерительном устройстве 7 при помощи полосового фильтра 7.3, пикового детектора 7.4 и компаратора 7.5. Поскольку известно, что величина ионного тока при постоянной амплитуде напряжения, приложенного к искровому промежутку, зависит от температуры, давления, турбулентности и наличия детонации в цилиндре, то, измеряя параметры ионного тока, можно получить информацию о наличии нарушений в процессе сгорания топлива в цилиндре. Например, присутствие частоты детонации в спектре сигнала ионного тока указывает на детонацию (случай А на фиг. 6), а величина амплитуды ионного тока менее порогового уровня указывает на пропуск воспламенения (случай Б на фиг. 6).

Формула изобретения

1. Способ определения нарушения процесса сгорания в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что измеряют ионный ток, протекающий через электроды свечи зажигания, отличающийся тем, что в первичной обмотке катушки зажигания во время отсутствия управляющих импульсов зажигания генерируют переменное напряжение, а ионный ток во вторичной обмотке катушки зажигания детектируют.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят синхронное детектирование ионного тока.

3. Устройство для определения нарушения процесса сгорания в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, содержащее электронный блок управления, снабженный электронным ключом, свечу зажигания, снабженную катушкой зажигания, источник измерительного напряжения и измерительное устройство, отличающееся тем, что источник измерительного напряжения выполнен в виде генератора переменного напряжения, подключенного параллельно к первичной обмотке катушки зажигания, а измерительное устройство содержит детектор.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что измерительное устройство содержит синхронный детектор.

5. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что последовательно с вторичной обмоткой катушки зажигания включен диод.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6