通过使初级电感短路的火花塞线圈的电离探测器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请请求申请日为2015年8月14日的序列号为62/205,022的美国临时申请的优先权，其通过引用结合于此。

本申请公开的内容涉及通过测量穿过高电感点火线圈的次级绕组的电离电流来检测内燃机中的气体的电离。

背景技术：

这部分内容提供与本申请公开的内容相关的背景信息，其不一定是现有技术。

火花点火发动机包括突出到发动机的燃烧室中的火花塞，并提供具有固定的火花间隙的绝缘电极接地。点火线圈提供了电流所需的能量，以形成横跨火花间隙两端的电弧，从而点燃燃烧室内的空气燃料混合物并导致燃烧。

在发动机的燃烧阶段，热量和压力导致燃烧室内的气体电离。通过在横跨燃烧室内部的电气间隙两端施加电压并测量所产生的电流来测量电离度，其被称为电离电流。电离电流表明燃烧的质量，包括发生爆震和失火。发动机控制模块分析表明电离电流的信号并且作为闭环燃烧控制的一部分进行操作以优化腔室内的燃烧。

为了检测电离电流，电离探测器利用现有的火花塞作为燃烧室内部的电离感应电气间隙。然而，在火花事件期间(例如，30kv)，火花塞端子处的电压非常高。因此，电离探测器不能直接连接在火花塞端子上。相反，电离探测器经由点火线圈的次级绕组连接到火花塞。

第二绕组的电感特性创建了一个寄生低通滤波器，并有效地滤除了某些频率。低能量点火线圈具有足够低的次级电感以通过爆震频率。然而，在汽车应用中的趋势是趋向于更高能量的线圈，该线圈需要导致电离信号衰减的更高的电感，从而防止发动机控制模块检测燃烧的质量，例如爆震的发生。

技术实现要素：

本发明公开的内容涉及检测气体电离的电离探测器装置。电离检测器装置包括点火线圈、偏置电压源和电感控制开关。点火线圈包括初级绕组和次级绕组。偏置电压源电耦合到点火线圈的次级绕组，并且经由次级绕组横跨电气间隙两端提供电压，使得如果电离气体存在，电离电流流动横穿电气间隙。电感控制开关被定位成与点火线圈的初级绕组在电学上并联，并且可操作用于使初级绕组的电感短路。

本发明公开的电离探测器比常见设备有优势。例如，通过使初级绕组的电感短路，电离探测器减小了点火线圈的次级阻抗。因此，电离探测器减小了点火线圈对电离信号的滤波效应，使得点火线圈能通过从直流电流到爆震频率的频率。从本文提供的描述来看，其公开的内容在其他领域的适用性将变得愈发明显。在本发明内容中的描述和具体示例仅仅用于说明的目的，而不是想要限制本发明公开的内容的范围。

附图说明

此处所描述的附图仅用于选定实施例的说明目的，而不是所有可能的实现方式，且并不是想要限制本发明公开的内容的范围。

图1a和1b说明了包括用于内燃机的火花点火设备的火花点火系统。

图2是本发明公开的第一实施例中的火花点火设备的电路图。

图3是示出用于火花燃烧循环的电离信号、驻留控制信号和短路控制信号的曲线图。

图4a是火花点火设备的点火线圈的变压器模型，该火花点火设备在点火线圈的初级绕组两端没有短路。

图4b是火花点火设备的点火线圈的变压器模型，该火花点火设备在点火线圈的初级绕组两端具有短路；和

图5是本发明公开的第二实施例中的火花点火设备的电路图。

贯穿附图的多个视图，对应的附图标记表示对应的部件。

具体实施方式

用于检测内燃机中的气体电离的电离探测器检测流过火花塞两端的电离电流。通过将电离电流经由点火线圈的次级绕组传送，在电离探测器和火花塞之间产生一阶低通滤波器，导致表明电离电流的电离信号的衰减。

本发明公开的电离探测器被配置为在发动机的燃烧阶段期间使点火线圈的电感短路。更具体地说，电离探测器使初级绕组的电感短路，以有效地降低次级绕组的阻抗，并因此减少电离信号的衰减。

现在将参照附图描述本发明公开的内容。图1a和1b说明了用于内燃机110应用的火花点火系统100。火花点火系统100包括火花点火设备112和控制火花点火设备112的操作的发动机控制模块(ecm)114。发动机控制模块114包括集成电路，该集成电路具有处理器和存储器，该存储器存储待处理器执行的代码。在点火和燃烧循环期间，发动机控制模块114与火花点火设备112通信以控制火花点火设备112内的组件。作为闭环控制系统的一部分，发动机控制模块114从火花点火设备112接收数据，并使用这些数据来优化发动机110的燃烧室内的火花事件的定时。

火花点火设备112突出到发动机110的燃烧室中以点燃燃烧室内的空气燃料混合物。火花点火设备112包括火花塞116、点火线圈118和电离探测器120。电离探测器120被示出为与点火线圈118集成在一起，但是电离探测器120不一定需要与点火线圈118集成在一起。火花塞116在燃烧室内突出，点火线圈118生成用于在火花塞116中产生电火花所需的电压以点燃空气燃料混合物。电离探测器120利用火花塞116来检测燃烧期间腔室内的气体的电离。

图2示出了本发明公开的第一实施例中的火花点火设备112的电路图200。点火线圈118是回扫变压器，并且包括围绕公共磁芯缠绕的初级绕组202和次级绕组204。点火线圈118具有次级至初级的高匝数比，用于生成在火花塞116的火花间隙201两端形成电弧的电流所需的电压。作为示例，次级至初级的匝数比(n)等于：n＝nsec/npri＝80。初级绕组202和次级绕组204分别具有由电阻器203和205表示的绕组电阻。由于次级至初级的高匝数比，次级绕组204的绕组电阻大于初级绕组202的绕组电阻。

初级绕组202设置在主电源(pps)206与地之间。具体而言，初级绕组202的一个端子通过二极管208电耦合到主电源206。初级绕组202的另一个端子通过主开关210电耦合到地。主开关210通常是由发动机控制模块114控制的绝缘栅双极型晶体管(igbt)。更具体地，发动机控制模块114向传输线211所表示的主开关210传输信号以使绝缘栅双极型晶体管导通和截止。在截止状态下，绝缘栅双极型晶体管作为开路开关工作，在导通状态下，绝缘栅双极型晶体管作为闭合开关工作。

次级绕组204设置在火花塞116与电离探测器120的电源之间。具体地，次级绕组204的一端与火花塞116和地串联电耦合。次级绕组204的另一端在火花驻留(sparkdwell)和点火期间通过二极管208电耦合到主电源206，并且在高驻留(highdwell)和火花电流不流动时，次级绕组204的另一端通过二极管222和电阻器224电耦合到偏置电压源(bvs)220。

如下文进一步描述，偏置电压源220是用于电离检测的电源。偏置电压源220比主电源206提供更多的电压给电路200。作为示例，偏置电压源220提供100v，而主电源206提供发动机的电气系统电压，通常为大约15v。主电源206是通常为低电压电池和充电系统的应用系统电压，并且提供偏置电压源220作为来自升压转换器的电力，该升压转换器将电压从应用的系统电压增加到用于电离检测所必要的电压。

除了偏置电压源220之外，电离探测器120还包括电流传感器226和电感控制开关228。电流传感器226测量从偏置电压源220流向火花塞116的电离电流(iion)。电流传感器226与由传输线229表示的发动机控制模块114通信，并将指示电离电流的信号传输到发动机控制模块114。电流传感器226通过测量通过电阻器224的电流来监测电离电流。

电感控制开关228设置为与初级绕组202并联。发动机控制模块114控制电感控制开关228的状态，使得开关228打开或闭合。具体地说，发动机控制模块114向传输线231所表示的电感控制开关传输信号以打开或闭合开关228。当电感控制开关228闭合时，开关228在初级绕组202两端产生短路，从而使初级绕组202的电感短路。如下文所述，电感控制开关228在电离检测期间减小点火线圈118的滤波效应。

发动机控制模块114通过主开关210和电感控制开关228来控制火花点火设备112的操作。更具体地，火花点火设备112可以以四种模式操作：不活动模式、驻留模式(dwellmode)、火花模式和燃烧模式。在不活动模式下，主开关210和电感控制开关228打开，使得没有电流流过电路200。初级绕组202的正极端和负极端的电压(vpri(+),vpri(-))近似等于偏置电压源220的电压(vbias；vbias＝vpri(+)＝vpri(-))。由于偏置电压源220的电压大于主电源206的电压，所以二极管208被反向偏置。

在驻留模式中，发动机控制模块114将信号施加到主开关210以闭合主开关210并将初级绕组202接地。一旦主开关210闭合，二极管208正向偏置并且电流开始从主电源206通过初级绕组202流至大地，以等式(1)中所描述的速率增加。当电流流过主开关210时，初级绕组202和次级绕组204之间的磁隙中的能量增加，并由等式(2)估算，其中lpri是初级绕组202的电感。通过初级绕组202的电流被认为是ipri并且也被称为初级绕组电流。初级绕组电流大约为几安培。

当驻留模式完成时，设有主开关210的稳压二极管230夹住(clamps)释放的主回扫电压。在驻留模式之后，发动机控制模块114进入火花模式，其中发动机控制模块114将传输到主开关210的信号中断，由此打开主开关210并将初级绕组电流中断。二极管208继续导通以将初级绕组的正极端处的电压保持在：vpri(+)＝vpwr-vd1，其中vpwr是主电源206的电压并且vd1是二极管208两端的电压降。初级绕组202的负极端处的电压飞升至一个钳位电压，该钳位电压比主电源206所提供的电压的具有更高的幅值。在示例性实施例中，钳位电压是500v。能量被释放到次级绕组204，使得电流开始流动并且在火花塞116的火花间隙201两端形成电弧。初级绕组202的负极端处的电压保持在钳位电压，直到线圈漏感耗尽并且通过初级绕组202的电流停止流动。

在燃烧模式中，火花事件已经点燃了燃烧室中的空气燃料混合物并且发生了气体的电离。二极管208被反向偏置，主开关210保持打开，存储在点火线圈118中的所有能量都被耗尽。

为了测量燃烧室中的气体的电离，发动机控制模块114通过电离探测器120执行电离检测。具体地，发动机控制模块114闭合电感控制开关228以使初级绕组202的电感(lmag)短路。电离电流从偏置电压源220通过电阻器224流过次级绕组204并穿过火花间隙201。电离电流等于流过次级绕组204的电流(isec；iion＝isec)。流过次级绕组204的电流也被称为次级绕组电流。

图3示出了包括驻留模式、火花模式和燃烧模式的火花燃烧循环的预测曲线图。该曲线图分别将由电离探测器120获得的电离电流测量信号410与由发动机控制模块114提供给主开关210和电感控制开关228的驻留控制信号420和短路控制信号440相关联。在该曲线图中，在t1和t2之间的时间段a表示驻留模式，在驻留模式中，高电平信号被从发动机控制模块114提供到主开关210。在t2和t3之间的时间段b是火花模式，在火花模式中，高电平信号中断。在驻留模式和火花模式期间，如短路控制信号440的低电平所表明的，电感控制开关228保持打开(即，断开状态)。另外，二极管208被正向偏置，并且最大电离电流在等式(3)中确定：

在火花模式之后，燃烧模式开始于t3和t4之间的时间段c。短路控制信号440从低电平变为高电平以导通电感控制开关228，使得开关228处于闭合状态以在初级绕组202两端形成短路。当燃烧开始时，火焰前沿处于和接近火花间隙201。这种高度局部电离导致电离电流信号410中的第一峰412。随着火焰前沿远离火花塞116扩展到整个燃烧室的体积，形成第二峰414。第二峰414的峰值与燃烧室中的峰值压力一致。如果在燃烧中存在爆震，则其将作为骑在第二峰414的下降斜坡上的振动波出现。

为了理解初级绕组202两端短路的影响，图4a和4b分别示出了当电感控制开关228打开和闭合时点火线圈118的变压器模型。在图4b中，电阻器302表示由闭合的电感控制开关228提供的电阻，并且该电阻器302具有比电阻器224小得多的电阻。电阻器302可以是非线性的。

该变压器以1：n的理想匝数比、磁化电感(lmag)、漏感(lleak)以及如电阻器203和205所示的两个绕组电阻进行建模。等式(4)和(5)反映了电流和用于理想变压器动作的电压之间的关系。在等式(4)和(5)中，iideal是次级绕组的理想匝数电流，rpri和rsec分别是初级绕组202(电阻器203)和次级绕组(电阻器205)的电阻，rsw(on)是短路(即，电阻器302)的电阻，vsec是次级绕组204的负极端处的电压。

ipri＝-iideal*n…(4)

vpri(+)-vsec＝iideal*(rpri+rsw(on))*n²+isec*rsec…(5)

在电感控制开关228打开的情况下，没有通过初级绕组202的连续路径来支持电流。也就是说，理想电流(iideal)不能流动，从而导致磁化电流(imag)等于电离电流。电离电流受次级绕组204的电感的频率限制，其等于磁化电感(lmag)和漏感(lleak)之和。在图4a和4b中，磁化电感和漏感分别表示为绕组304和306。

在电感控制开关228闭合的情况下，利用初级绕组202产生回路。具体地，初级绕组202和次级绕组204的电感与由方程(6)中提供的匝数比相关。由于电感控制开关228使初级绕组202的电感短路，所以次级绕组204的电感反过来被初级绕组202短路。

lsec＝lpri*n²…(6)

更具体地，在只有一个公共节点的情况下，初级绕组电流是独立于电离电流和次级绕组电流之外的。当变压器的磁能耗尽并且电离电流从零到正值发生阶跃时，电离电流流过次级绕组204，导致磁化电流增加。随着理想电流和初级绕组电流的减小，磁化电流继续增加。因此，使初级绕组短路可有效地分流其他将受到磁化电感限制的电流。

图5示出了本发明公开的第二实施例中的火花点火设备112的电路图500。在第二实施例中，电感控制开关228包括晶体管502和504、电阻器506、508、510、512和514以及驱动器516。晶体管502和504是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfets)。晶体管502和504具有比主开关210更高的击穿电压。

晶体管502的漏极电耦合到初级绕组202的正极端，并且晶体管504的漏极电耦合到初级绕组202的负极端。晶体管502和504的栅极通过驱动器516和电阻器506、508、510和512电耦合到浮动电压源(vfloat)。晶体管502和504的源极电耦合到浮动电压源的接地端。当电力施加到栅极时，晶体管502和504导通，而当没有电力施加到栅极时，晶体管502和504截止。在导通状态下，晶体管502和504允许电流在源极和漏极之间流动，因此，晶体管502和504如下面进一步描述的那样起到闭合开关的作用。选择电阻器506、508、510和512的电阻使晶体管502和504两端的电压最大化，以便当晶体管502和504接收电力时最小化漏极和源极之间的电阻。

驱动器516是光隔离器并且由发动机控制模块114控制。具体地，发动机控制模块114将短路控制信号传输到驱动器516，如传输线231所表示的。当信号为高时，光隔离器导电，电流从浮动电压源流到晶体管502和504的栅极。

在第二实施例中，电流传感器226包括电流镜像电路，其将电离电流隔离成与电离电流成比例的镜像电流(imirror)。如由传输线229所表示的，电流传感器226向发动机控制模块114输出指示电离电流的信号。电流传感器226包括晶体管522和524以及电阻器526、528和530。在这个实施例中，晶体管522和524是pnp型双极结型晶体管(bjt)，但也可以是诸如场效应晶体管(fet)之类的其他类型的晶体管。

在电流镜像电路的操作期间，电离电流流过电阻器526、晶体管522和电阻器224。使用匹配的晶体管522和524，电离电流被镜像，或者换句话说，被复制以也流入电阻器528、晶体管524和电阻器530。晶体管522和524具有尽可能高的增益以最小化电流镜像误差。镜像电流等于：iion*r526/r528，其中r526是电阻器526的电阻，r528是电阻器528的电阻。电阻器530将镜像电流转换为表明电离电压(vion)的电压。

在驻留模式和火花模式期间，晶体管502和504保持截止。具体地，短路控制信号保持低电平，并且没有电流从驱动器516流出。在驻留模式中，电耦合到晶体管502的漏极的初级绕组202的正极端是正的。晶体管502的本体二极管被反向偏置并低于雪崩电压，从而保护晶体管504的本体二极管不正向导通。在驻留结束时，驻留电流被切断并且初级绕组电压经受如等式(1)中所描述的非常大的负回扫电压并且被晶体管230的稳压二极管夹住。这导致初级绕组的负极端203变为正，并且晶体管504的本体二极管541被反向偏置到雪崩电压以下，从而保护晶体管502的本体二极管540不正向导通。

在燃烧模式期间，火花事件已经点燃了燃烧室中的空气燃料混合物并且发生了气体的电离。如上文所述，主开关210打开(即断开状态)，并且在驻留模式期间存储在点火线圈118中的所有能量都被耗尽。施加在火花塞116两端的电压等于偏置电压源220的电压减去晶体管522的pn结压降和所有串联电阻两端的压降。

短路控制信号是高的，使得光隔离器(即驱动器516)导通。电流流经导通晶体管502和504的电阻器506、508、510和512。随着晶体管502和504的导通，在初级绕组202两端形成了短路。

类似于第一实施例的电路200，电路500使初级绕组的电感短路，从而有效地减小了点火线圈的次级阻抗。因此，电离探测器120减小了点火线圈对电离信号具有的滤波效应，使得点火线圈能通过从直流电流到爆震频率(例如，12khz)的频率。

本发明出于说明和描述的目的提供诸实施例的上述描述。本发明的目的并不是想要穷尽或限制公开的内容。例如，偏置电压源可以是单独的电池。此外，浮动电源可以是具有脉宽调制输入的正向模式变压器电路。另外，可以在光隔离器和金属氧化物半导体场效应晶体管栅极之间增加用于驱动金属氧化物半导体场效应晶体管栅极的集成电路，以改善电感控制开关的切换时间。此外，次级至初级的匝数比可以是不同的值，并且不限于80。本发明公开的内容可以应用于包括内燃机的各种应用，诸如车辆、固定式发电机、和/或其他合适的发动机系统。电离探测器可以以各种方式实施。例如，探测器可以：集成到点火线圈中；位于外部使用双引脚线圈设置，其中初级绕组和次级绕组具有内部的连接；或者位于外部使用具有隔离次级绕组的三引脚线圈。即使没有具体示出或描述，特定实施例的单独元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在可应用的情况下可互换并且可用于选定实施例中。同样的情况在很多方面也可能有所不同。这样的变化不被认为是背离本发明公开的内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。