专利名称：高压线圈式火花塞感应采样方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括高压线圈式火花塞点火装置(coil-on plugignitions)或者线圈盘绕式火花塞点火装置(coil-over plug ignitions)的内燃机直接点火系统的发动机分析器，具体的，涉及采用了点火信号拾取器的发动机分析器，以检测直接点火系统中的点火波形。本发明尤其可以应用于汽车的发动机分析，其中显示次级点火波形和此波形段的数值，以便于技术人员评价。
背景技术：
发动机分析器向机械工人提供了一种工具，用于精确地检测点火系统的性能，作为对整个发动机的性能的度量。信号检测器(“测试探针”)被广泛地应用于内燃机中缺陷和异常的检测。测试探针可以在例如点火线圈或者点火导线等邻近测试点的位置放置，上述测试探针将信号反馈回机动车诊断检测装置。测试探针所获得的信息，例如火花塞点火电压和持续时间有助于机械工人确定与上述点火线圈相关的火花塞是否功能正常。
图1a示出了一电容信号的检测系统。点火线圈110实际上就是一具有大匝数比的变压器，其初级和次级线圈之间的匝数比通常为1∶50到1∶100。该变压器通过突然改变初级电流，将初级绕组的低电压转换成次级绕组的高电压。点火线圈110通过一绝缘线112，与分配器盖114的中心或者线圈接头(没有标出)相连。点火线圈110的高电压就从上述线圈接头通过转子被分配到上述分配器盖114的火花塞接头或者侧面，该转子以预定的定时通过标准技术手册中本领域技术人员已知的方式，将火花分配给每一火花塞接头。上述火花塞电压依次由绝缘线118提供到上述火花塞接头以及对应的火花塞122上。
在每一气缸，火花塞电极之间的放电都会产生火花，从而点燃进入气缸并被压缩为爆破状态的燃气混合物，来驱动气缸内的活塞，为相连的曲柄提供动力。用于判定发动机性能的点火波形分析可以通过将一电容信号采集器124通过电容连接于火花塞线118来执行。上述电容信号采集器124可以在一端方便地缠绕或者夹住上述线118，并在另一端通过一导线或者一同轴电缆126，和测量装置128相连。以本领域技术人员所熟知的方式，利用电容信号采集器124所测得的总电容并结合传统的电容除法器电路，可以确定上述线118的电压。
尤其是近来，点火系统已经发展到每个气缸一个线圈或者每对气缸一个线圈(直接点火系统(DIS)或者混合点火系统)，而根本没有任何火花塞线。例如图1b所示，这样的火花点火系统结合有一置于每一火花塞之上的点火线圈或一靠近每个火花塞的点火线圈。在次级线圈164上，通过初级线圈162和磁铁芯160所产生的高电压经过上述次级线圈的输出，并通过不同的导体元件传导输出，例如从弹簧169传导到火花塞盖160内容纳的火花塞(没有示出)。点火器168是一种在电流流过线圈后打开的开关。这种瞬变在上述初级线圈中引起较大的电压，并通过次级线圈转换而增加。
图1c示出了一具有点火线圈140，火花塞150和火花塞盖151的线圈盘绕式火花塞(COP)(coil-over-plug)点火装置。由于上述次级高电压导体并不和图1a中的导线118一样可以容易地接近，所以这种设置不可能应用上述图1a中的传统技术。对于这种COP结构，可以利用类似于美国专利US6,396,277中讲解的一高压线圈式火花塞信号检测装置或传感器141，上述专利由本发明受让人所拥有并在2002年5月28日公布，这里参考引用其内容。上述COP传感器141包括附连于基板144并由其分开的上下传导层(没有示出)。一方面，上述上下传导层作为一信号检测器和一接地层。上述上层通过导线152可导电地连接于一外部信号分析装置，上述接地层反射回部分线圈产生的电磁能，这样就使得在信号检测层观测的信号强度衰减到一常用分析仪很容易操纵的电平。上述传感器141通过一连接于传感器外壳148的夹子147，夹在上述点火线圈140的外壳上。
在这种结构中，当上述线圈将初级电压转换成火花塞使用的高电压时，传感器141处于线圈140的电磁放射场内。操作中，在预定的时间内在点火线圈140的初级绕组上施加低电压和高电流，上述初级绕组产生一主要为磁场(H)的电磁场。因为在上述次级绕组施加有高电压和低电流，所以就会产生一主要为电场(E)的电磁场。上述下导电层靠近上述线圈140的外壳设置，通过这样接触，实际上可以和接地电势相连。电压电势可以为正，也可以为负(通常COP系统为负)，并感应或者延展穿过上下层148，上述上层或信号检测层的表面可以来检测或接受上述电压电势。在上述信号检测层观测的电压和线圈140次级线圈的接头端电压成正比。可以以熟悉该技术的人员熟知的方式，利用上述信号检测层得到的信号检测来诊断火花电压或燃烧时间等点火火花电压特性，或者类似导线开路或火花塞缠绕或短路等其他问题。
无论目前高压线圈式火花塞信号检测装置具有多大的优点，点火线圈的全然不同的结构，使任何一种传感器都很难普遍地适用。举例来说，当上述线圈壳体被屏蔽，或者被配置以输出一失真或衰减很大的信号时，前述的传感器141并不理想。高压线圈式火花塞装置在铁屏蔽箱内承载一点火器就会发生上述情况，其能够屏蔽上述铁芯的电场和磁场。即使不考虑这样的屏蔽的自身结构，上述屏蔽也一般被认为可以包括任何可以明显衰减上述高压线圈式火花塞装置输出场的媒介或媒介的组合。所以，就有了对可以适用于低输出点火线圈结构的高压线圈式火花塞信号检测装置的需求。
发明内容
在一方面，提供一种高压线圈式火花塞测试装置，用于产生一表示点火信号的输出信号。上述测试装置包括一感应式传感器，用于检测在点火期间，高压线圈式火花塞装置产生的电磁通，并产生和输出一相对应的电压。上述感应式传感器和上述高压线圈式火花塞装置相连。与上述感应式传感器电连接的信号处理电路产生一响应于上述感应式传感器输出电压变化的输出信号。
在另一方面，一种用于确定高压线圈式火花塞点火装置的燃烧时间的方法包括靠近高压线圈式火花塞点火装置的壳体设置一感应式传感器，在包括至少一个点火阶段的过程中，利用感应式传感器检测高压线圈式火花塞点火装置输出的电磁通，并确定燃烧时间。该燃烧时间是通过由识别点火线和识别火花线端点，以及确定上述点火线和火花线之间的时间来确定的。
在另一方面，一种检测有关于高压线圈式火花塞点火装置的问题的方法，包括邻近一第一高压线圈式火花塞的壳体设置一感应式传感器，在包括至少一个点火阶段的过程中，利用上述传感器检测上述高压线圈式火花塞点火装置输出的电磁通，并识别点火线，火花线和燃烧时间中的至少一个。对于第二高压线圈式火花塞重复这些步骤，并对应于第一和第二高压线圈式火花塞比较被识别的对应的点火线，火花线和燃烧时间中的至少一个，来确定它们之间的相对差值。
在另一方面，一种检测有关于高压线圈式火花塞点火装置的问题的方法，包括邻近一第一高压线圈式火花塞的壳体设置一传感器，在包括至少一个点火阶段的过程中，利用上述传感器检测上述高压线圈式火花塞点火装置发出的电磁辐射，并识别点火线，火花线和燃烧时间中的至少一个。对于第二高压线圈式火花塞重复这些步骤，并对应于第一和第二高压线圈式火花塞比较被识别的对应的点火线，火花线和燃烧时间中的至少一个，来确定之间的相对差值。
图1a描述了传统电容式传感器和电路，其用于检测基于分配器的点火系统的次级点火电压。
图1b示出了带有集成的点火器的COP点火线圈。
图1c示出了另一种靠近COP设置的COP电容式传感器。
图2a和2b分别示出作为时间的函数显示的标准初级点火波形和次级点火波形。
图3示出根据本发明的感应式传感器和高压线圈式火花塞测试装置，其中示出的二极管极性用于正极性输出。
图4a-4b分别示出直接设置在高压线圈式火花塞之上的一感应式传感器和一可与其一起使用的RLC电路。
图5a是由连接到一显示器和一第一电路的高压线圈式火花塞感应式传感器所测量的波形。
图5b是由连接到一显示器和一第二电路的高压线圈式火花塞感应式传感器所测量的波形。
图6a-6b示出高压线圈式火花塞测试装置的测试结果。
图7a-7b示出另一高压线圈式火花塞测试装置的测试结果。
图8a-8b示出再一高压线圈式火花塞测试装置的测试结果。
图9a-9b示出又一高压线圈式火花塞测试装置的测试结果。
图10a-10b示出另一高压线圈式火花塞测试装置的测试结果。
图11a-11h示出双感应式传感器结构的燃烧时间的测试结果。
图12a-12b示出双感应器高压线圈式火花塞传感器的诊断功效。
具体实施例方式
图2a和2b分别示出作为时间的函数显示的标准初级点火波形和次级点火波形。上述波形具有三个由点火阶段，中间阶段和停留阶段标明的基本部分。
用于图2a和2b的公用参考数字用于表示初级和次级波形中所出现的公用现象。在波形的起始阶段S，初级点火电路中没有电流通过。在该点可得到的电池和充电装置的电压通常在大约12-15V的范围内，但典型地在12-14V之间。在210处，初级切换装置接通上述初级电流，以启动上述“停留”或“充电”阶段。在220处，电流通过上述初级电路，在点火线圈绕组中产生一磁场。从而沿230引起电压的升高，表示线圈已经饱和，点火系统利用线圈饱和来控制线圈电流，此时，在该点火系统上，出现电流峰值和电压波动。上述表示初级电流接通持续时间的波形部分处于点210和240之间。这样点210和240之间的信号部分表示上述点火线圈初级电流的停留阶段或“接通持续时间”。
上述初级切换装置在240处中断初级电流，瞬时引起所建立的磁场消失，并在上述初级绕组中通过自感感应产生高电压。由于初级绕组和次级绕组之间的匝数比为1∶50到1∶100，所以在上述次级绕组中，通过互感感应产生一更高的电压。上述次级电压被释放到上述火花塞间隙，上述火花塞间隙被电离，从而，穿过电极的电弧产生火花250(即“点火线”)，以引起燃烧，上述火花持续的时间称为“点火阶段”或“燃烧时间”260。
上述以千伏计的点火线250代表在火花塞间隙产生火花所需的电压量，通常在大约3-8kV之间。燃烧时间260表示火花过程的持续时间，通常在大约1-3毫秒，并和点火电压值kV成反比。如果点火电压值增加，燃烧时间就减少，反之亦然。经过上述燃烧时间260，火花塞电极之间气隙的放电电压下降，并直到线圈能量不能维持电极(参看270)之间的火花为止。在280处，产生一振荡电压或“振铃”电压，并持续到290处，线圈能量被消耗掉，从而使得在上述初级线圈中没有电流通过。
图3示出用于产生一输出信号的高压线圈式火花塞的测试装置，上述信号用于指示高压线圈式火花塞装置所产生的点火信号特性。上述高压线圈式火花塞装置包括一用于检测上述点火信号的感应式传感器，将上述感应式传感器连接到高压线圈式火花塞装置的装置，以及用于产生一输出信号的信号处理电路，上述输出信号响应于上述高压线圈式火花塞装置磁通量输出的变化。
高压线圈式火花塞感应式传感器310置于上述高压线圈式火花塞线圈的铁芯318之上，铁芯318产生磁通线φ1。上述磁通线φ2穿过上述感应式传感器310，并依次在上述感应式传感器的N匝线圈(没有示出)中感应产生一电动势ε(没有示出)。利用上述高压线圈式火花塞装置的铁芯由感应式传感器310所产生的磁通φ2采样就可以来确定火花塞的燃烧时间。优选的是，感应式传感器310和高压线圈式火花塞接触或相邻接设置，从而最大化从该处入射的磁通量。
在测试过程中，简单地，技术人员可以在邻近高压线圈式火花塞(COP)的地方手持感应式传感器。但是，通常优选的是将上述感应式传感器设置在一壳体内，上述壳体可以正向连接到上述高压线圈式火花塞的壳体或者邻接的发动机组件上，从而可以不占用技术人员的双手，并使未对准误差最小化。可以通过固定装置来实现正向连接，所述固定装置例如但并不限定于传统的夹子或系带(束缚装置)，它们被配置为与高压线圈式火花塞壳体，磁力夹或螺纹段的若干部分紧密配合或连接，只要这些装置可用于在该高压线圈式火花塞壳体的外部。在一方面，可以利用一个或多个弹簧或者一泡沫插入件等的偏置元件使上述感应式传感器310相对于上述高压线圈式火花塞的壳体偏置。而且上述感应式传感器壳体可以构造为与专用的高压线圈式火花塞壳体相匹配。另外，上述感应式传感器壳体也可以构造为多个独立的感应式传感器，并同时和对应的多个高压线圈式火花塞的壳体相匹配。另外感应式传感器可以集成到上述COP壳体中，并通过车辆线束和数据链路连接到一车载诊断数据计算机/或数据存储装置，以备技术人员后用，或用来向车辆驾驶员显示适当的信息或信号。
上述感应式传感器310优选为一空气芯感应器或开口铁芯感应器，例如“扼流”式感应器，通常设计作为切换式直流电源的滤波器。这样的感应器被集成到一几何形状适于近端连接高压线圈式火花塞或邻近高压线圈式火花塞设置的外壳或电路板中，以便于测量。封闭式铁芯设计通常不适用于本发明，因为传统的封闭式铁芯设计基本上限制通过铁芯的磁通量，不可能在外部进行磁通采样，而这对于本发明来说却是必要的。图3示出一个实例，其中绕轴312具有一铁芯313，长度为L，围绕该铁芯设置了具有N匝的绕组314。绕轴312可以为非磁材料(例如塑料，厚纸板，陶瓷，木材等)组成，仅仅用于保持上述线圈314的形状，或者可以包括一铁芯或亚铁铁芯。
选择感应式传感器310的优点就是可以选择最大的自感和自振频率，选择最小的线圈阻抗和尺寸，并防止出现使其位于高压线圈式火花塞顶部的几何形状，而并不会明显干扰现有车辆的发动机组件。本领域技术人员可以知道，通过改变上述电感系数(匝数N的数目)，线圈直径，线圈长度，和线圈材料，上述传感器310感应线圈可以调节为适合于一特定的应用。举例来说，上述磁场磁漏和上述匝数N的平方成正比。类似的，RLC电路302的其他组件如图3所示，也可以以一种本领域技术人员所熟知的方式进行调节。
在图3中，上述感应式传感器310直接设置在高压线圈式火花塞316(克莱斯勒P/N 56028138)之上，例如用于吉普大切诺基，达科塔和Durango的新近的车型上。本领域技术人员可以知道，RLC电路302适用于前述的吉普车高压线圈式火花塞316的高压线圈式火花塞结构，并平行连接在感应式传感器310的引线上。如图所示，这种RLC电路可以包括一肖特基二极管330，电容332，电容334和电阻336，而且电容332，334可以很容易地由一个单电容以本领域技术人员已知的方式替换。当然这些部件的部分或者全部也可以省略。
感应式传感器310或元件L1可以为一470μH的感应器，零件号为03316P-474，伊利诺斯州Cary的Coilcraft公司制造。肖特基二极管330可以是一标准半导体表面安装肖特基整流器DO-219(SMF)SL02，其最大平均正向整流电流为1.1A，最大峰值电压20V，最大瞬时正向电压VF为0.385V。电容332和334可以为16V的松下ECPU膜片叠膜电容，零件号为ECPU1C224MA5和ECPU1C474MA5，各自的电容分别为0.22μF和0.47μF，电容量容差为±20％。电阻336可以是一100Ω的松下厚膜片电阻器，零件号为ERJ3GEYJ101V，其70℃下的额定功率0.125W，电阻容差为±5％。连接额外的电阻336可以以本领域技术人员已知的方式有利地降低电路的Q系数。
RLC电路302适用于上述高压线圈式火花塞316，例如前述的吉普车型，是一种无屏蔽结构。换句话说，不像图1d所示的高压线圈式火花塞，高压线圈式火花塞316在其顶部没有点火器。相反，上述高压线圈式火花塞316点火器(没有示出)设置在外部，上述点火器屏蔽不会使高压线圈式火花塞316的铁芯318所发出的磁通衰减。但是上述磁通绝对值很小，不适于电容式传感器。
图4a说明了一种直接设置在高压线圈式火花塞410之上的感应式传感器400，目前应用于丰田发动机上。RLC电路(没有示出)平行于上述感应式传感器的引出线(没有示出)而连接。不像图3所示的吉普高压线圈式火花塞的无屏蔽结构，丰田高压线圈式火花塞如图1d详细所示，具有一点火器，该点火器包括一屏蔽件412设置在上述高压线圈式火花塞的顶部。屏蔽件412使上述高压线圈式火花塞410的铁芯418所发出的磁通量衰减。由于输出磁通衰减，就可以确保感应器和高压线圈式火花塞顶部紧密接触以及/或可以级联两个或更多的传感器。上述感应式传感器400可以设置在壳体422之内，该壳体包括一可以是例如弹簧的偏置件420以偏置上述感应式传感器400，以使其紧密接触高压线圈式火花塞410的顶面。而且也可以利用夹子或粘接元件来改善上述感应式传感器和上述高压线圈式火花塞壳体之间的接触。
图4b更详细地示出了图3中RLC电路302的一个实施例。这种包括图1d和4A所述的高压线圈式火花塞的电路尤其适用于丰田汽车。
一个实例中，开关425是一种C&K开关产品OS系列中的3位小型滑动开关(模型号OS103011MS8OP1-SP3T)。这种3位开关如图所示对应于RLC电路的三个管脚具有a，b，c三个位置。但使用具有一个或更多on/off状态的数字开关也很好。最左侧的管脚c对应于丰田高压线圈式火花塞结构90919-02237和90080-19015，分别用于丰田2000Tacoma(CA spec)和丰田2000 Avalon。中间的管脚b对应于丰田高压线圈式火花塞结构90919-02230(Lo Top)，90919-02238，90919-02239和90919-02240，分别用于丰田2000 Tundra卡车，丰田2000 CelicaGTS，丰田2000 Celica和丰田2000 Echo。最后在右侧的管脚a对应于丰田高压线圈式火花塞结构90919-02230(Hi Top)，同样用于丰田2000Tundra。可以理解上述仅仅是一种示意性说明，并不是穷尽列举。
在这种可切换结构中，感应式传感器可以和多个可选电路结合，从而使得技术人员可以将单一的传感器或者感应单元应用在丰田汽车等家用汽车这样广泛的范围内，或者各种不同的发动机内，例如屏蔽或非屏蔽高压线圈式火花塞的结构中。而且还可以利用多种电路构造多个感应式传感器，使其可以在单个封装结构中有更广泛的应用。
如图所示，作为元件430的感应式传感器310的是一470μH感应器。一个合适的感应器就是加拿大Gardenia的J.W.Miller Magnetics生产的6000系列径向引线RF扼流圈，例如6000-471K，为亚铁铁芯，471μH，1.1Ω的感应器。肖特基二极管435可以是一标准半导体小型表面安装肖特基整流器DO-219(SMF)SL02，其正向最大整流电流为1.1A，最大峰值电压20V，最大瞬时正向电压VF为0.385V。
电容445和455可以为16V的松下ECPU膜片叠膜电容，零件号为ECPU1C684MA5和ECPU1C224MA5，各自的电容分别为0.68μF和0.22μF，电容量容差为±20％。电容465可以为16V的松下ECHU(B)膜片叠膜电容，零件号为ECHU1C223JB5，电容为0..022μF，电容量容差为±5％。
电阻440可以是一100Ω的松下厚膜片电阻器，零件号为ERJ3GEYJ101V，其70℃下的额定功率0.125W，电容量容差为±5％。电阻450和460可以是一150Ω的松下厚膜片电阻器，零件号为ERJ3GEYJ151V，在70℃下的额定功率均为0.125W，电阻容差为±5％。电缆470是一种Snap-on DiagnosticsTMPigtail高压线圈式火花塞板，零件号为3683-01，并具有一内置唱机连接器。上述电路的输出可以提供到Vantage-KV模块的输入，而且当包括一个合适的并联电容的时候，可以使用任一常用的发动机分析器或波形显示装置，例如示波器。上述KV模块输入阻抗是一10,000∶1电容式分配器的底半部分，其对于上述感应式传感器和电流输出主要表现为容抗。
尽管根据特定制造商和车型描述了上述电路，实际电路更相关于涉及专用线圈的类型和几何形状。这里的教导并不仅仅限定于为特定制造商和模型或车型提供诊断检测信息，而是为用于所有发动机或者汽车的高压线圈式火花塞系统提供有用的诊断检测信息。
具体的实施方式并不仅仅限于上述的电路，更广泛的，还包括任一种能够输出由感应式传感器(例如310)产生的的电压的电路，该输出通过技术人员或处理装置(例如计算机)，以适于识别点火线或火花线端点的方式进行，以便允许通过比较或累计点火线和火花线端点之间的时间，确定燃烧时间。在不同的形式中，上述实施方式可以包括具有“标准”组件的电路，其中单电路适用于大量(例如100或者更多)不同的高压线圈式火花塞。举例来说，这样的单电路可以包括单独的阻抗或与电位计的组合，从而覆盖所需单值或所需电阻范围的阻抗，以包容大量不同的高压线圈式火花塞的设计。这样的电路还包括一可变感应器，可以是但并不限定于一穿线铁心或杯心感应器，单感应器可以类似地具有大量不同的高压线圈式火花塞形式。为了便于需要，这里的电路可以包括多个带有适当选择装置的“半标准”电路。其中提供了多个可变电路以覆盖所有高压线圈式火花塞设计。另外，也可以有选择地包括一合适的电容器。
另外，上述的电路适于上面讨论的典型的线圈和结构。如果设置有额外的屏蔽，或者如果上述高压线圈式火花塞的其他结构可以进一步减少上述有效磁通，根据本发明的电路中还可以采用另外的电路元件，例如放大器或信号处理器。
下面将参考图5a-5b来叙述如图3所示的上述感应式传感器和电路的操作说明。图5a示出了利用台架试验装置测量的感应式传感器310上的电压。标明为通道1的上曲线是Tek(Tektronix)P6015 1000∶1HV探针的电压输出。上述探针和高压线圈式火花塞的次级线圈相连。上述电压由一Tek TDS220示波器显示。如图所示，通道1的刻度为5.00kV。标为通道2的下曲线是由感应式传感器310测量的电压。通道2的刻度为1.00V。如图5a的底部所示，每一小块都代表25.0μs的增量。图5a示出了负峰值505和515的放大比例，代表磁通和电流的等效点火线。第一峰值505和初级区域的点火和消失同时发生。由于上述RLC电路的时间延迟，第二峰值515大约20微秒后发生，并和点火线电压成正比。尽管上述峰值电压为负，但这是任意的，上述电压也可以设定为正值，例如通过本领域技术人员已知的绝对值电路或者可以简单地将上述感应式传感器的导线反向连接。
图5b以不同比例示出了RLC电路302所产生的波形。通道1是以5.00kV为刻度的实际点火线电压。通道2是以500mV为刻度，利用感应式传感器310测量的点火线电压。如下所述，每一小块表示500μs的增量。这个扩大的视图就示出了整个点火线，波形的开始590以及火花线595和燃烧时间的结束点596。相关于图2a和2b的叙述，以本领域技术人员所熟知的方式，图5b示出的上述燃烧时间可以从高压线圈式火花塞系统的已知行为观察得到的波形中提取。大约说来，可以显而易见地看出，燃烧时间可以由测量从点火线590，在与感应式传感器310相连的观察或打印装置上的明显的波形的开始，到大约一毫秒或多于一毫秒后发生的振荡或“振铃”的启动来确定，在上述减幅振荡或“振铃”的开始点处，电压返回超过零电压线，表示电极间的火花消失。
尽管开始波形590的振幅和点火线的实际电压不是线性成正比，但在很多COP线圈适用的范围内，却还是和点火线的实际电压成正比。当实际点火电压增加的时候，波形590的振幅增加，当实际点火电压降低时，波形590的振幅减小。但是在感应系统中，当实际的点火电压趋于零时，波形590的振幅却并不到零，火花塞间隙很小或者几乎没有，从而引起点火电压趋于零，其中通过火花塞的内阻就会将短路电流或非火花电流引向地面，保持铁芯中的磁通，这是线圈次级绕组中的电流继续流动的结果。这样就可以认为点火线590既可以提供对点火线的测量，也可以提供等效的功能。
图6a-6b到图9a-9b示出了前述台架试验装置的测试结果，其中测量并比较了该连接到该高压线圈式火花塞的Tek(Tektronix)P60151000∶1HV探针的实际电压输出和感应式传感器310的电压输出。感应式传感器310的电压输出实际是利用两种装置测量的。上述第一种装置就是Snap-on工具电压模块手持测试器，第二种装置为一带宽和精度高于上述手持测试器的附加示波器。图6a，7a，8a，9a示出了以千伏为单位，作为可调间隙开口中匝数的函数的点火线电压，上述可调节间隙开口用于测试目的，使得火花塞间隙的缺口可以变化。图6b，7b，8b，9b以毫秒为单位示出了作为点火线电压振幅函数的燃烧时间。
图6a和6b示出了一丰田高压线圈式火花塞的测试结果，零件号为90080-19015，其电路中的0.79μF电容平行和一69Ω电阻相连，并平行于一Miller 6000-471K感应器，处于一14V直流电电池的电压下，脉冲重复频率(PRF)为3脉冲/秒(pps)。在图6a中，对于每一间隙匝数(gaptums)为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，Tek探针所测量的点火线电压分别为6.0，7.0，8.0，12.0和15.0V。上述手持测试器的对应值为5.2，5.6，6.4，8.0和11.7V。上述示波器的对应值为6.0，7.0，7.0，9.0和13.0V。在图6b中，每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，对于前述的各个点火线(kV)，Tek探针所测量的燃烧时间分别为1.7，1.6，1.4，1.3和1.2毫秒。上述手持测试器的对应值为2.0，1.9，1.7，1.6和1.4毫秒。上述示波器的对应值为1.8，1.6，1.4，1.3和1.2毫秒。
图7a和7b示出了一丰田高压线圈式火花塞的测试结果，零件号为90919-02239，其电路中的0.22μF电容平行和一150Ω电阻相连，并平行于一Miller 6000-471K感应器，处于一14V直流电电池的电压下，脉冲重复频率(PRF)为3脉冲/秒。在图7a中，对于每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，Tek探针所测量的点火线电压分别为5.0，6.0，8.0，11.0和14.0V。上述手持测试器的对应值为5.2，5.2，5.4，8.2和13.9V。上述示波器的对应值为5.0，6.0，7.0，8.0，和12.0V。在图7b中，每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，对于前述的各个点火线(kV)，Tek探针所测量的燃烧时间分别为1.9，1.7，1.7，1.4和1.2毫秒。上述手持测试器的对应值为2.1，1.8，1.8，1.6和1.4毫秒。上述示波器的对应值为1.9，1.7，1.6，1.5和1.3毫秒。
图8a和8b示出了一丰田高压线圈式火花塞的测试结果，零件号为90919-02237，其电路中的0.69μF电容平行和一100Ω电阻相连，并平行于一Miller 6000-471K感应器，处于一14V直流电电池的电压下，PRF为3脉冲/秒。在图8a中，对于每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，Tek探针所测量的点火线电压分别为5.0，6.0，8.0，12.0和14.0V。上述手持测试器的对应值为4.4，4.6，5.6，7.6和10.7V。上述示波器的对应值为5.0，5.0，6.0，8.0，和11.0V。在图8b中，每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，对于前述的各个点火线(kV)，Tek探针所测量的燃烧时间分别为1.8，1.5，1.5，1.3和1.2毫秒。上述手持测试器的对应值为1.9，1.8，1.6，1.5和1.3毫秒。上述示波器的对应值为1.7，1.5，1.6，1.3和1.2毫秒。
图9a和9b示出了一丰田高压线圈式火花塞的测试结果，零件号为90919-02238，其电路中的0.22μF电容平行和一150Ω电阻相连，并平行于一Miller 6000-471K感应器，处于一14V直流电电池的电压下，PRF为3脉冲/秒。在图9a中，对于每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，Tek探针所测量的点火线电压分别为5.0，7.0，8.5，12.0和15.0V。上述手持测试器的对应值为4.4，4.6，5.6，7.6和10.7V。上述示波器的对应值为5.0，5.2，7.0，10.0和15.6V。在图9b中，每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，对于前述的各个点火线(kV)，Tek探针所测量的燃烧时间分别为1.9，1.8，1.8，1.4和1.3毫秒。上述手持测试器的对应值为2.1，2.0，2.0，1.6和1.4毫秒。上述示波器的对应值为1.9，1.8，1.7，1.4和1.3毫秒。
图10a和10b示出了一丰田高压线圈式火花塞的测试结果，零件号为90919-02230HI，其电路中的0.12μF电容平行和一220Ω电阻相连，并平行于一Miller 6000-471K感应器，处于一14V直流电电池的电压下，PRF为3脉冲/秒。如图10a所示，对于每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，Tek探针所测量的点火线电压分别为5.0，7.0，8.0，11.0和15.0V。上述手持测试器的对应值为5.2，5.0，4.8，5.0和8.0V。上述示波器的对应值为6.0，5.0，5.0，5.0和8.0V。在图10b中，每一间隙匝数为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0，对于前述的各个点火线(kV)，Tek探针所测量的燃烧时间分别为2.0，1.8，1.6，1.5.和1.4毫秒。上述手持测试器的对应值为2.1，1.8，1.6，1.5和1.3毫秒。上述示波器的对应值为2.0，1.8，1.6，1.5和1.3毫秒。从图10a和10b可以清楚的看到，上述燃烧时间被可接受地检测并并确定。但上述点火线并不会精确复制。所以在这种情况下，双感应器设置，其中包括两个Miller 6000-471K感应器以本领域技术人员所熟知的方式被连接用于升压，从而可以有效地使信号加倍。一个200Ω的单电阻跨接在双线圈输出上，从而限定上述振铃周期。但这个值也可以改变，以适合特定的COP特性。如图11a-11h所示，这种结构会产生良好的结果。
图11a-11h示出双感应式传感器结构一个方面的结果。图11a涉及90919-02243 COP，并在最左侧的三个垂直竖条中分别示出示波器所测量的对于正常间隙(1.2毫秒)，短路间隙(2.2毫秒)和接近开路间隙(0.85毫秒)燃烧时间(以毫秒为单位)。最右侧的三个垂直竖条同样类似的分别示出上述手持装置测量的对于正常间隙(1.25毫秒)，短路间隙(2.2毫秒)和接近开路间隙(1.0毫秒)的燃烧时间。在这种特定设置中，去掉了上述200Ω并联阻尼电阻，使得自感应磁通所提供的电压持续超过点火线的阈值，从而可以保证在显示器上显示。如图11a所示，关于每一正常间隙(1，4)，短路间隙(2，5)和接近打开间隙(3，6)，示波器和手持装置存在明显的一致性。
图11b-11h分别涉及90919-02240，90919-02239，90919-02238，90919-02237，90919-02230LT，90919-02230HT，和90080-19015 COP。与图11a类似，这些图均示出了对于每一标明的COP，且分别对于正常间隙(1，4)，短路间隙(2，5)和接近打开间隙(3，6)，所获得的示波器显示和对燃烧时间的读数之间的对应关系。图11b(90919-02240 COP)示出示波器燃烧时间为正常间隙(1.25毫秒)，短路间隙(2.5毫秒)和接近打开间隙(0.80毫秒)，而燃烧时间分别为正常间隙(1.30毫秒)，短路间隙(2.55毫秒)和接近打开间隙(0.80毫秒)。图11c(90919-02239 COP)，例如，示出示波器燃烧时间为正常间隙(1.05毫秒)，短路间隙(1.50毫秒)和接近打开间隙(0.70毫秒)时，而燃烧时间分别为正常间隙(1.05毫秒)，短路间隙(1.5毫秒)和接近打开间隙(0.65毫秒)。
图12a-12b示出双感应器高压线圈式火花塞传感器(DLCOP)的上述实施例的检测诊断功效。图12a示出了以百分位数表达的短路火花塞对正常间隙与多种线圈之间的关系，上述线圈被指定一任意的数字序号，并对应前述的COP，由上述COP制造商零件号的最后一位数字来指示。图12b示出了以百分位数表达的开路火花塞对正常间隙与多种线圈之间的关系，上述线圈被指定一任意的数字序号，并对应前述的COP，由上述COP制造商零件号的最后一位数字来指示。“开路对正常％”是根据正常间隙燃烧时间和上述火花塞开路燃烧时间之间差值的绝对值除以正常间隙燃烧时间并乘以100来确定的。“短路对正常％”类似于上述计算，只不过是将上述的火花塞开路燃烧时间替换为火花塞短路燃烧时间。如上所述，百分位数越高，对于使用者或者技术人员就越容易识别正常工作的火花塞和短路火花塞(电路)之间的差别。线圈#9(28138)就对应于一吉普COP(克莱斯勒P/N 56028138)。其余的线圈对应各种不同的丰田COP。根据上述描述，尽管如图6a-6b和图11a-11h所示的图形示出了实际点火电压(Tek kV)和感应磁通的采样电压之间的一般关系，但由于在实际点火电压(Tek kV)和感应磁通的采样电压之间没有精确的对应值时，上述检测诊断值并不在于仅仅是提供点火电压的精确值。举例来说，上述检测诊断值对多个高压线圈式火花塞的每一个之间相对的点火线电压大小来说是固有存在的，以便来确定它们之间的差别，或对基于时间的现象来说是固有存在的，例如和实际点火电压成正比的燃烧时间。例如，如果技术人员将感应采样电路置于多个高压线圈式火花塞之上，且除了一个之外所有的高压线圈式火花塞的等效点火线电压为6kV，而这一个的值为20kV，则可能的是20kV说明出现了需要进一步评价的问题。
根据这里公开的内容，基于观察相对图2a和2b描述的上述高压线圈式火花塞系统的已知行为，以本领域技术人员所熟知的方式，燃烧时间的大小可以从利用感应采样技术测量的波形来提取。
由于具有创造性的感应耦合采样可以测量低线圈区域，所以根据本发明这里描述的点火高压线圈式/线圈盘绕式火花塞的感应耦合采样(称做LCOP)可以实现对点火高压线圈式/线圈盘绕式火花塞的电容耦合采样(称做CCOP)的改进。
作为比较，在从(点火线或电源kV)断开之前，CCOP系统立即产生电压范围在0-50kV的对火花塞间隙电压的适度的线性表示，而LCOP则产生电压范围内在小于10kV到大于30kV上的一非线性相对表示。关于火花塞间隙故障期间的测量(燃烧时间，火花时间)，上述CCOP和LCOP的性能基本相同。在确定燃烧期间(火花线，火花电压kV，燃烧电压kV)的电压时，上述CCOP系统产生适当的线性表示，电压范围从不足1kV到大于4kV，而LCOP也在上述相同的电压范围产生一适度线性相对表示。对于上述问题的检测，例如火花塞短路或缠绕，CCOP在故障过程中的火花塞间隙的标准电压仅仅为10V，且燃烧时间和电源kV(接地电阻火花塞顶部的电压)也很低。上述LCOP也相似；但是其电源kV可能看起来是正常的。诊断上，上述火花线也可以用于上述LCOP系统，由于火花线下降到正常的50％。至于对该次级线圈中或者该火花塞中的开路的检测或者有关停留时间的问题的检测，上述LCOP和CCOP具有同等的能力。
这里描述的实施例可包括或者可以利用一合适的电压源，例如电池，一交流发电机等，从而提供适当的电压，例如大约12伏特，大约42伏特等等。
这里叙述的实施例可以利用任何所需的点火系统或发动机。这些系统或发动机可以包括利用有机燃料或石化燃料以及其衍生物的组件，这些燃料可以是汽油，天然气，丙烷等或者它们的结合。这些系统或发动机可以被利用或集成到另外的系统中，例如汽车，卡车，小船或船舶，电动自行车，发电机，飞机等等。
在本公开内容中叙述了本发明的各个方面，目的是说明其多样性。可以理解本发明能够用于其他不同的组合和环境中，并可以在这里所限定的本发明的概念范围内进行变化和修改。例如单独的一个高压线圈式火花塞可以使用多个感应器。上述感应装置可包括多个相似的感应装置或可包括具有不同特性的不同感应装置的组合。而且本发明的方法也广泛地相关于电容式传感器的使用，例如但并不限定于2002年5月28日公开的美国专利US6,396,277中所讲述的内容，以确定燃烧时间，本公开对上述美国专利进行了参考引用。此外，尽管讨论了上述装置和方法的示例，但本发明并不限定于这里所提供的实例，本发明的其他的改变由所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种高压线圈式火花塞测试装置，用于产生一表示点火信号的输出信号，包括一感应式传感器，其可以与一高压线圈式火花塞装置相连接，用于检测在点火事件期间该高压线圈式火花塞装置产生的电磁通，并响应于该检测的电磁通产生并输出一电压；与上述感应式传感器电连接的信号处理电路，用于响应于由该感应式传感器响应于所检测的电磁通而输出的电压变化，产生一输出信号。
2.如权利要求1所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述感应式传感器包括开口铁芯感应器和空气芯感应器中的至少一个。
3.如权利要求1所述的高压线圈式火花塞测试装置，包括一承载夹子和磁性元件中的至少一个的壳体，用于将上述感应式传感器连接到上述高压线圈式火花塞装置。
4.如权利要求1所述的高压线圈式火花塞测试装置，包括一承载一偏置件的壳体，用于将上述感应式传感器连接到上述高压线圈式火花塞。
5.如权利要求1所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述信号处理电路包括一RC电路，其与上述感应式传感器并联连接。
6.如权利要求5所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述信号处理电路包括一肖特基二极管，其与上述感应式传感器并联连接。
7.如权利要求5所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述信号处理电路包括一可变电阻。
8.如权利要求5所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述感应式传感器包括一可变感应器。
9.如权利要求6所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述感应式传感器包括一可变感应器。
10.如权利要求1所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述信号处理电路包括多个RC电路，其具有不同组合的电阻和电容，上述多个RC电路通过一切换元件与上述感应式传感器并联连接。
11.如权利要求10所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述切换元件是一多位开关。
12.如权利要求10所述的高压线圈式火花塞测试装置，其特征在于上述切换元件是一数字开关。
13.一种用于确定高压线圈式火花塞点火装置燃烧时间的方法，步骤包括靠近高压线圈式火花塞点火装置的壳体设置一感应式传感器；在包括至少一个点火阶段的期间内，使用该感应式传感器检测由该高压线圈式火花塞点火装置输出的电磁通；并确定燃烧时间，其中确定燃烧时间的步骤包括识别一等效点火线并识别火花线的端点，以及确定上述点火线和火花线的端点之间的时间。
14.一种如权利要求13所述的确定高压线圈式火花塞点火装置燃烧时间的方法，进一步包括对应于检测到的电磁通调节电压。
15.一种如权利要求13所述的确定高压线圈式火花塞点火装置燃烧时间的方法，其特征在于所述设置步骤包括可拆卸地将上述感应式传感器连接到上述高压线圈式火花塞点火装置的壳体外部。
16.一种如权利要求13所述的确定高压线圈式火花塞点火装置燃烧时间的方法，其特征在于所述设置步骤包括将感应式传感器和感应式传感器壳体中的至少一个夹紧到上述高压线圈式火花塞点火装置的壳体上。
17.一种如权利要求13所述的确定高压线圈式火花塞点火装置燃烧时间的方法，其特征在于所述设置步骤包括将感应式传感器和感应式传感器壳体中的至少一个夹紧到一发动机容室组件上。
18.一种如权利要求13所述的确定高压线圈式火花塞点火装置燃烧时间的方法，进一步包括将上述确定的燃烧时间输出至显示装置，打印装置和指示装置中的至少一个。
19.一种如权利要求13所述的确定高压线圈式火花塞点火装置燃烧时间的方法，进一步包括邻近对应的多个高压线圈式火花塞点火装置壳体设置多个感应式传感器的步骤。
20.一种检测与高压线圈式火花塞点火装置相关的问题的方法，包括以下步骤a)邻近一第一高压线圈式火花塞的壳体设置一感应式传感器；b)在包括至少一个点火阶段的期间内，使用该感应式传感器检测由所述高压线圈式火花塞点火装置输出的电磁通；c)识别点火线，火花线和燃烧时间中的至少一个；d)对于第二高压线圈式火花塞，重复步骤a)-c)；并e)比较所识别的关于第一和第二高压线圈式火花塞的对应的点火线，火花线和燃烧时间中的至少一项，来确定其间的相对差值。
21.一种如权利要求20所述的检测与高压线圈式火花塞点火装置相关的问题的方法，其特征在于，步骤e)包括比较所识别的关于第一和第二高压线圈式火花塞的燃烧时间，从而确定其间的相对差值。
22.一种检测与高压线圈式火花塞点火装置相关的问题的方法，包括以下步骤a)邻近一第一高压线圈式火花塞的壳体设置一传感器；b)在包括至少一个点火阶段的期间内，使用该传感器检测由所述高压线圈式火花塞点火装置发出的电磁辐射；c)识别点火线，火花线和燃烧时间中的至少一个；d)对于第二高压线圈式火花塞，重复这些步骤a)-c)；以及e)比较所识别的关于第一和第二高压线圈式火花塞的对应的点火线，火花线和燃烧时间中的至少一项，从而确定其间的相对差值。
23.一种如权利要求22所述的检测与高压线圈式火花塞点火装置相关的问题的方法，其特征在于，步骤e)包括比较所识别的关于第一和第二高压线圈式火花塞的燃烧时间，从而确定其间的相对差值。
全文摘要
一种高压线圈式火花塞测试装置，用于产生一表示点火信号的输出信号。上述测试装置包括一感应式传感器，用于检测在点火期间，高压线圈式火花塞装置产生的电磁通，并产生和输出一相对应的电压，以及与该感应式传感器电连接的信号处理电路，用于产生一响应于上述感应式传感器输出的电压变化的输出信号。一种用于确定高压线圈式火花塞点火装置燃烧时间的方法，包括靠近高压线圈式火花塞点火装置的壳体设置一感应式传感器，在包括至少一个点火阶段的过程中，利用该感应式传感器检测高压线圈式火花塞点火装置输出的电磁通，并通过识别点火线和识别火花线端点来确定燃烧时间，以及确定其间的时间周期。
文档编号H01T13/58GK1522340SQ02813240
公开日2004年8月18日 申请日期2002年7月31日 优先权日2001年7月31日
发明者肯内斯·A·马奎尼, 罗伯特·R·布莱恩特, R 布莱恩特, 肯内斯 A 马奎尼 申请人:斯耐普昂技术有限公司