CN101263299B - 用于在高压侧获取测量信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在高压侧获取宽带测量信号、尤其是对应于内燃机火花塞(10)的电极之间离子流的信号的装置。该装置具有三个并联的电流路径，在第一电流路径中至少设置有点火变压器(20)的次级绕组(14)。在第二电流路径中至少设置有由至少两个电极构成的火花塞(10)的火花间隙。在第三电流路径中设置有至少一个测量电阻(Rm)。第三电流路径的末端直接和/或通过二极管(D1)分别与点火变压器(20)的次级绕组(14)的一个端子相连接。

Description

用于在高压侧获取测量信号的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在高压侧获取宽带测量信号、尤其是对应于内燃机火花塞的电极之间离子流的信号的装置。该装置具有至少一个第一电流路径，在该第一电流路径中至少设置有点火变压器的次级绕组，和一个第二电流路径，在该第二电流路径中至少设置有由至少两个电极形成的火花塞的火花间隙。

背景技术

在内燃机中，特别是强制点火式发动机中汽油-空气混合物的燃烧过程由点火火花开始，点火火花由火花塞的两个电极之间所施加的高电压产生。在到达击穿电压时由于电弧放电而在电极之间产生一个电弧，它也被称为点火火花。通过电弧放电，通过在放电时形成的紫外线并通过汽油-空气混合物的燃烧过程完成化学和热力学的电离，并且在燃烧室内产生载流子，它们在电弧过后出现在火花塞的电极之间的区域内。载流子的数量和分布尤其是取决于汽缸中的内压力和燃烧过程。

在燃烧过程中引发一个热力学-化学链式反应，其中除形成离子外还形成所谓的原子团。在化学中具有至少一个不成对电子的原子和分子被称为原子团，它们大都具有高的反应活性。通过这种反应活性形成原子团一般只要很短的时间。通过施加在火花塞电极上的电压，反应过程可作为电流被测量。这种反应过程进行得非常迅速。因此在电极之间产生的离子流包含高频分量。为了得到关于燃烧过程的尽可能详尽的信息，必须获得一个宽带测量信号。在已知的测量装置中分析电路与次级绕组串联设置，使次级绕组作为低通滤波器工作。因此不能得到并分析离子流的所有频率分量。此外在已知的系统中测量电路妨碍了可使用的火花能量。

发明内容

本发明的目的在于给出一种装置，通过它能够以简单的方法获得宽带测量信号，并且所提供的用于产生电弧的能量不会减少或者只有少量减少。

这一任务由具有下述特征的用于在高压侧获取宽带测量信号的装置来完成，其具有三个并联的电流路径，其中在第一电流路径中至少设置有点火变压器的次级绕组，在第二电流路径中至少设置有由至少两个电极构成的火花塞的火花间隙，其中在第三电流路径中设置有至少一个测量电阻，其中第三电流路径的末端通过二极管分别与点火变压器的次级绕组的一个端子相连接，并且其中至少在次级绕组的一个端子与测量电阻之间的区域内，点火变压器的变压器磁芯的至少一段被用作电导体。

通过具有上述特征的装置实现了以下功能：可以给火花塞的电极输送一个相对大的能量用来产生电弧，并且同时在高压侧精确测量离子流和其它高频信号分量。内燃机中不规律的燃料燃烧(也称为爆燃)可以通过此装置在内燃机的整个转速-负荷范围内可靠地被采集，因为可用的测量带宽比燃烧室的声学谐振频率大得多。这样在利用高压侧测量电路时在整个转速-负荷范围内提供足够的能量来引发可靠的燃烧。

如果测量电压例如借助于一个电容器来提供，此电容器借助于点火变压器所产生的高电压被充电，则只有相对较少的能量为产生测量电压而被消耗。为了使测量电流回路与次级绕组去耦，最好使用在已知的电路结构中出现的二极管，它在这里被用来抑制接通脉冲。在抑制接通脉冲时由于初级侧接通供电电压而避免了次级侧的高电压。

本发明的第二个方面涉及另外一种用于在高压侧获取宽带测量信号、尤其是对应于内燃机火花塞的电极之间离子流的信号的装置。该装置具有三个并行的电流路径，其中在第一电流路径中至少设置有点火变压器的次级绕组，在第二电流路径中至少设置有由至少两个电极构成的火花塞的火花间隙。在第三电流路径中设置有至少一个测量电阻。至少在次级绕组端子与测量电阻之间的区域中，点火变压器的变压器磁芯的至少一段被用作电导体。

通过此装置实现了以下功能：可以获得宽带测量信号，而由点火变压器的次级绕组提供的、用于借助火花塞产生电弧的能量不会被测量电路减少或者只有很少量的减少，其中尤其是通过利用变压器磁芯作为电导体可以实现元件的节省空间的结构。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面参照附图所示的优选实施例来进行说明，它们借助专用术语来说明。然而应该指出，本发明的保护范围不受其限制，因为对所示装置的这种改变和其它变型以及本发明的各种其它应用被视为本领域技术人员的目前或将来的专业知识。附图示出本发明的实施例，图中：

图1是一个用于获取内燃机火花塞的电极之间离子流的已知电路结构的电路图；

图2是按照本发明的第一实施方式的用于获取宽带测量信号的电路结构的电路图；

图3是按照本发明的第三实施方式的用于获取宽带测量信号的电路结构的电路图；以及

图4是另一个用于获取测量信号的电路结构的电路图。

具体实施方式

图1示出一种已知的用于借助于火花塞10产生一个被称为点火火花的点火电弧的电路结构的电路图。产生电弧所需的高电压借助于一个变压器20产生。变压器20具有一个初级绕组12和一个次级绕组14，它们通过铁芯13相互磁耦合。初级绕组12的一个端子固定地连接于汽车的电池16的电池电压Ubatt的正极。电池16的负极与汽车的地相连接，地被用作参考电位。一个电子控制单元18产生用于控制由IGBT功率晶体管构成的功率末级的控制脉冲，并且通过一个前接电阻Rz将这个控制脉冲作为控制信号输送给IGBT功率晶体管的控制端(栅极)。

根据该控制信号，IGBT功率晶体管将初级绕组12的第二个端子与地相连接。次级绕组14的第一个端子与火花塞10的高压电极相连接。火花塞10的另一个电极与汽车的地相连接。这两个电极相互间形成一定间距并形成一个火花间隙，在此间隙上借助于由点火变压器20产生的高电压形成电弧。次级绕组14的第二个端子与测量电路22相连接，它包括能量源24和测量电阻Rm。能量源24包括一个电容器C1和一个与电容器C1并联设置的可变电阻ZPD。能量源24、测量电阻Rm、次级绕组14和火花塞10的火花间隙串联连接并通过汽车的地构成一个闭合电流回路。

控制单元18产生一个控制信号，通过此信号IGBT功率晶体管将初级绕组12的第二个端子与地相连接，从而构成一个闭合的电流回路，通过这个电流回路电池电压Ubatt加到初级绕组12上。这样，一个初级电流流过初级绕组12。这个初级电流产生一个磁场，通过该磁场产生一个磁通。在初级电流流过之后形成磁场时由磁场引起的磁通发生改变。磁通的变化在次级绕组14中感生出电压。这个感生电压施加到火花塞10的电极上。如果感生电压足够小，即如果感生电压没有达到所需的火花塞10击穿电压，则不产生点火火花。通过接入的二极管D1避免了在次级绕组14中感生出的电压完全加到火花塞10的电极上，从而在初级绕组12接通时可靠避免了产生点火火花，而这与感生电压的大小无关。

为了产生点火火花，控制单元18如此控制IGBT功率晶体管，使其断开地与初级绕组12之间的连接。由于这种断开，流过初级绕组12的初级电流突然中断，从而由初级电流所产生的磁场被破坏。在点火变压器20的磁路中的磁通从而迅速地相对强烈地变化。磁通的这种变化在次级绕组14中感生出一个高电压，从而使加在火花塞10的电极之间的电压超过火花塞10的击穿电压并引起高压放电。

能量源24的电容器C1也被次级侧感生出的高电压充电，其中电容器C1的充电电压由可变电阻ZPD上的压降决定。此外在施加高电压期间测量电阻Rm和可变电阻ZPD阻碍了次级电流回路中的电流流动，从而使次级电流回路中被提供用来产生电弧的能量明显减小了。

在火花塞10的电极之间的电弧消失之后，能量源24为次级电流回路供电，从而使流过次级绕组14的电流流经火花塞10的电极、汽车的地连接端和测量电阻Rm。借助于在测量电阻Rm上产生的电压降可以获取在火花塞10的电极之间存在的离子流。这里次级电流回路用作测量电流回路。在这个测量电流回路中，变压器20的次级绕组14与测量电阻Rm和火花塞的火花间隙串联设置。通过次级绕组14的电感，存在于火花塞10的电极之间的载流子的短时的、即相对高频的波动、尤其是离子流的波动，不作用在测量电阻Rm上。这样，次级绕组14用作低通滤波器，使得在火花塞10的电极之间只能提供相对窄带的离子流信号。此信号只反映离子流的低频变化。

图2示出按照本发明的第一实施方式的一种电路结构的电路图。相同的元件用相同的附图标记表示。变压器20的初级侧电路与图1所示的电路相同。次级电流回路、即高压电流回路具有三个并联的电流路径，其中在第一电流路径中设置有变压器20的次级绕组14，在第二电流路径中设置有能量源24及由火花塞10的电极构成的火花间隙。在第三电流路径中设置有由三个电阻R1、R2和Rm构成的分压器。点火变压器20的铁芯13用作连接电阻R1和R2的电导体。这样铁芯13构成第三电流路径的一段。此外在第一电流路径中还设置有一个与次级绕组14串联的二极管D1，它阻断由已在对图1的说明中阐述的接通脉冲引起的电流流动。

此外在借助于能量源24在由火花塞10的电极构成的火花间隙以及由电阻R1、R2和Rm构成的分压器所形成的测量电流回路中施加测量电压时，二极管D1阻断第一路径中的电流流动。这样测量电流回路借助于二极管D1从次级绕组14去耦，使得次级绕组14不像图1所示电路结构那样起低通滤波器的作用。

通过由电阻R1和电阻R2与Rm的总电阻所构成的分压器，在将高电压施加到次级电流回路中时，变压器20的铁芯13的电位被调整。电阻R1、R2和Rm之和应≥1兆欧，以减小流经第三电流路径的电流，并给火花塞10提供足以产生电弧的能量。电阻R1、R2和Rm的电阻值之和最好在10兆欧至100兆欧之间的范围内，其中电阻R1的电阻值也可以是0欧姆，如后面对图3的说明所述。借助于由电阻R1和电阻R2与Rm的总电阻构成的分压器，铁芯13的电位可简单地被调整。例如电阻R1和电阻R2与Rm的总电阻被选择成同样大小，使得铁芯13具有一个高压电位，它在现有技术中对应于一个悬浮的铁芯。

特别是在直接插在旋入汽车的汽缸头中的火花塞上的电流互感器的情况下，测量信号通过用作电导体的铁芯13简单地从铁芯13的一端传导到铁芯13的另一端，这样可以实现一个简单的电流互感器结构，而不需要附加的信号导线来将测量信号从电流互感器的一端传导到另一端。

图3示出按照本发明的第二实施方式的电路结构，它类似于图2所示的电路结构。与图2所示电路结构的不同在于，在图3所示电阻结构中没有电阻R1，使得铁芯13基本上具有由次级绕组14产生的高压电位。具体来说，在点火过程中铁芯13具有一个电位，该电位相对于次级绕组14的高压电位降低二极管D1的压降的量，即低0.7伏。在测量过程中，即在点火过程结束之后，铁芯13具有能量源24所产生的测量电压的电位。如前所述，接通脉冲通过次级电流回路中的二极管D1被阻断，从而由接通脉冲在次级绕组14中产生的电压不会加到变压器20的铁芯13上。此外二极管D1起到去耦装置的作用，用于在一个由电压源24产生的电流流经过测量回路期间使由火花间隙10、电压源24和电阻R2以及Rm或R1、R2和Rm构成的测量回路与次级绕组14去耦。这样，通过二极管D1避免了在用测量电压给测量回路供电时电流流过次级绕组14。

测量信号最好通过与次级绕组14并行的路径被传导。由电阻R1和电阻R2及Rm的总电阻构成的分压器的电阻值应选择为如此大，使得铁芯13的电容耦合被保持。代替电阻R1或R2，也可应用一个用作电阻的线圈体或铁芯13的涂层或铁芯13的具有电阻材料的区域，即具有电阻性的涂层，这样可以获得其它结构上的优点。

借助于图2和图3所示的电路结构可以实现：点火变压器20提供＞35mJ的火花能量，并且能够在高压侧测量离子流和其它高频信号分量。在出现爆炸式燃烧时对于活塞的机械运动来说过快的爆燃识别可借助于根据本发明的电路结构利用常规的点火变压器、尤其是电流互感器自动获得。同样用这种常规的点火变压器也能在内燃机的整个转速-负荷范围内为测量电路提供足够的火花能量。为了借助于能量源24产生测量电压，次级回路为给能量源24的电容器C1充电仅损失相对较少的能量。

次级侧的高电压在第三路径中直接通过欧姆分压器R1，R2，Rm或R2，Rm被测量。次级绕组14的电感不在测量回路中，并从而不起低通滤波器的作用。可借助于测量电阻Rm上的电压降所获得的点火火花电压的可测频率分量只受点火变压器20的铁芯13的电容耦合和分压器R1，R2，Rm或R2，Rm的电阻的限制。这样被测信号的带宽也基本上只受点火变压器20的铁芯13的电容耦合和分压器R1，R2，Rm或R2，Rm的电阻的限制。

图2和图3所示电路结构用作测量电路，通过它精确地获取施加在火花塞10的电极之间的火花塞电压的变化过程。这样可以精确地获得燃烧持续时间、燃烧电压、击穿电压和火花塞10的电极之间火花放电前即电弧出现前火花塞电压的上升。

图4示出分析电路的控制的另一实施方式的电路图。不同于图2和图3所示结构的是，在第一电流路径中设置了一个可变电阻VAR1，它在第一电流路径中产生一个附加的电压降。这个电压降使得提供给火花塞10的点火能量减小。此外，尤其是在电流互感器的情况下，测量信号需相对麻烦地经由测量电阻Rm或加在可变电阻VDR1后面的高压电位被引导到电流互感器的连接端区域内。

虽然在附图中和前面的说明中示出并详细说明了优选的实施例，然而它们只是纯粹作为例子，本发明并不局限于这些实施例。应该指出，前面只示出和说明了优选的实施例，目前和将来属于本发明保护范围的所有变化和变型都应当得到保护。

附图标记列表：

10  火花塞

12  初级绕组

13  铁芯

14  次级绕组

16  电池

18  控制单元

20  变压器

22  测量电路

24  能量源/电压源

IGBT  功率晶体管

Rz  前接电阻

Ubatt  电池电压

C1  电容器

ZPD，ZPD1，ZPD3  可变电阻

R1，R2  电阻

Rm  测量电阻

D1  二极管

Claims (24)

1.用于在高压侧获取宽带测量信号的装置，其具有三个并联的电流路径，其中在第一电流路径中至少设置有点火变压器(20)的次级绕组(14)，在第二电流路径中至少设置有由至少两个电极构成的火花塞(10)的火花间隙，其中在第三电流路径中设置有至少一个测量电阻(Rm)，其中第三电流路径的末端通过二极管(D1)分别与点火变压器(20)的次级绕组(14)的一个端子相连接，并且其中至少在次级绕组(14)的一个端子与测量电阻(Rm)之间的区域内，点火变压器(20)的变压器磁芯(13)的至少一段被用作电导体。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置用于获取对应于内燃机火花塞的电极之间离子流的信号。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变压器磁芯(13)是铁芯。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，在次级绕组(14)的端子与第三电流路径的末端之间没有设置可变电阻。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，测量电阻(Rm)上的电压降被用作获取火花塞(10)的电极之间离子流的信号。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，设置有用于获取测量电阻(Rm)上的电压降的分析电路。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，设置有能量源(24)，用于产生获取宽带测量信号所需的能量。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述能量源(24)被设置在第二或第三电流路径中。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述能量源(24)被设置在第二电流路径中，与由火花塞(10)的电极构成的火花间隙相串联。

10.如权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述能量源(24)具有电容器(C1)。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电容器在火花塞(10)的电极上施加高电压的时间间隔内被充电

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，设置有与所述电容器(C1)并联的元件(ZPD)，用于限制该电容器(C1)的充电电压。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，用于限制电容器(C1)的充电电压的元件(ZPD)是可变电阻。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电容器(C1)与火花塞(10)的火花间隙串联设置。

15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述电容器(C1)与火花塞(10)的火花间隙串联设置。

16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二极管(D1)被设置在第一电流路径中，与次级绕组(14)串联，用于在获取宽带测量信号时阻断流过次级绕组(14)的电流。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在第三电流路径中设置有至少一个与所述测量电阻(Rm)串联的第二电阻，该第二电阻与所述测量电阻一起构成了一个分压器。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述测量电阻(Rm)和第二电阻通过点火变压器(20)的变压器磁芯(13)相互导电连接。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第二电阻和次级绕组(14)的高压端子通过点火变压器(20)的变压器磁芯(13)相互导电连接。

20.如权利要求17所述的装置，其特征在于，在第三电流路径中设置有至少一个与所述第二电阻和测量电阻(Rm)串联的第三电阻，其中所述第二电阻和该第三电阻通过点火变压器(20)的变压器磁芯(13)相互导电连接。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述第三电阻被设置在次级绕组(14)的第一端子与点火变压器(20)的变压器磁芯(13)之间，并且所述测量电阻(Rm)和第二电阻被设置在点火变压器(20)的变压器磁芯(13)与次级绕组(14)的第二端子之间。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，次级绕组(14)的第二端子与一个参考电位相连接。

23.如权利要求21或22所述的装置，其特征在于，所述第三电阻和第二电阻及测量电阻(Rm)的总电阻构成一个分压器，通过该分压器确定了点火变压器(20)的变压器磁芯(13)的电位。

24.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二电阻和/或第三电阻和/或测量电阻(Rm)借助于铁芯(13)的外表面上的电阻性涂层而形成。

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