УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ИОННОГО ТОКА В СИСТЕМЕ РАДИОЧАСТОТНОГО ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE TO CHANGE ION CURRENT IN SYSTEM OF RADIO FREQUENCY IGNITION FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Настоящее изобретение относится к области резонансного радиочастотного зажигания для двигателя внутреннего сгорания. В частности, оно касается устройства, выполненного с возможностью измерения тока ионизации газов в цилиндрах двигателя.
Измерение тока ионизации газов в цилиндрах двигателя обычно осуществляют после завершения зажигания и впоследствии используют для диагностики, касающейся хода горения, например, для обнаружения угла, соответствующего максимуму давления в камере сгорания, детонации или для идентификации перебоев горения.
Известны схемы измерения ионного тока для классической системы зажигания, работа которой состоит в поляризации смеси воздух/топливо, присутствующей в камере сгорания, после генерирования искры между электродами свечи зажигания, чтобы измерить ток, получаемый в результате распространения пламени.
Однако эти схемы предусмотрены для характеристик классического зажигания и сами по себе не могут быть адаптированы для систем зажигания с генерированием плазмы, в которых применяют свечи зажигания типа радиочастотных свечей-катушек (ВМЕ), что подробно описано в следующих патентных заявках, поданных на имя заявителя: FR 03-10766, FR 03-10767 и FR-03-10768.
Действительно, специфические особенности радиочастотного зажигания предопределяют различные императивные условия для измерения тока в результате горения.
Прежде всего, сигнал управления зажиганием наводит большие токи, которые отличаются по амплитуде более чем на 120 дБ по отношению к ионному току, связанному с горением горючей смеси. Поскольку измерение этого тока производят после завершения зажигания, происходит временное ослепление, во время которого схема измерения не может считывать слабый ток.
Кроме того, поскольку схема измерения входит в состав системы зажигания, то необходимо, чтобы ее присутствие не приводило к значительному снижению производительности системы зажигания.
Наконец, этот тип радиочастотного зажигания позволяет получать разряды двух типов, разветвленную искру и шнуровую дугу, которые напрямую влияют на систему зажигания. Поэтому трудно гарантировать независимость измерения ионного тока от типа генерируемого разряда.
Настоящее изобретение призвано предложить устройство измерения ионного тока в системе радиочастотного зажигания, отвечающее вышеуказанным условиям, в частности, позволяющее максимально сократить период маскирования измерения и обеспечивающее независимость измерения относительно типа генерируемого разряда.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является устройство радиочастотного зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащее схему питания, содержащую трансформатор, вторичная обмотка которого соединена, по меньшей мере, с резонатором, имеющим резонансную частоту, превышающую 1 МГц, и содержащим два электрода, выполненные с возможностью генерирования искры для инициирования воспламенения горючей смеси в цилиндре двигателя в ответ на команду зажигания, отличающееся тем, что содержит:
- измерительный конденсатор, последовательно подключенный между вторичной обмоткой трансформатора и резонатором,
- схему измерения тока на контактах указанного измерительного конденсатора, при этом указанный ток представляет собой электрическую характеристику протекания горения,
- защитную схему, подключенную между измерительным конденсатором и схемой измерения, выполненную с возможностью предохранения времени считывания измерения указанного тока от электрических влияний, сопутствующих команде зажигания.
Согласно варианту выполнения, измерительный конденсатор последовательно подключают между вторичной обмоткой трансформатора и резонатором на уровне провода заземления трансформатора и резонатора.
Предпочтительно устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит средства поляризации горючей смеси, выполненные с возможностью приложения напряжения поляризации между электродом резонатора и массой двигателя.
Согласно варианту выполнения, защитная схема содержит диодный мостик, поляризуемый резисторами при напряжении питания, пропорциональном напряжению поляризации.
Предпочтительно схема измерения содержит преобразователь ток-напряжение, выполненный при помощи операционного усилителя.
Согласно варианту выполнения, операционный усилитель содержит неинвертирующий вход, связанный с напряжением поляризации, и инвертирующий вход, связанный с контактом измерительного конденсатора через защитную схему.
Предпочтительно преобразователь ток-напряжение содержит резистор отрицательной обратной связи и конденсатор отрицательной обратной связи, соединенный параллельно с резистором отрицательной обратной связи.
Предпочтительно входное сопротивление преобразователя ток-напряжение, по меньшей мере, в сто раз ниже, чем сопротивление измерительного конденсатора.
Согласно варианту выполнения, первичную обмотку трансформатора соединяют, с одной стороны, с промежуточным напряжением питания и, с другой стороны, со стоком, по меньшей мере, одного транзисторного прерывателя, управляемого командным сигналом, при этом транзисторный прерыватель подает напряжение питания на контакты первичной обмотки с частотой, определяемой командным сигналом.
Предпочтительно трансформатор имеет переменный коэффициент трансформации.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схема резонатора, моделирующая радиочастотную свечу-катушку с генерированием плазмы;
фиг.2 - известная схема питания, позволяющая подавать переменное напряжение в радиочастотном диапазоне на контакты свечи-катушки, показанной на фиг.1;
фиг.3 - вариант схемы, показанной на фиг.2;
фиг.4 - схема питания в соответствии с настоящим изобретением, выполненная с возможностью измерения ионного тока и напряжения на контактах электродов свечи во время подачи команды на зажигание;
фиг.5 - вариант выполнения схемы измерения ионного тока;
фиг.5-1 - первая версия варианта выполнения, показанного на фиг.5;
фиг.5-2 - вторая версия варианта выполнения, показанного на фиг.5.
c
Свеча-катушка, применяемая в рамках управляемого радиочастотного зажигания, является электрическим эквивалентом резонатора 1 (см. фиг.1), резонансная частота F которого превышает 1 МГц и, как правило, близка к 5 МГц. Резонатор содержит последовательно соединенные резистор Rs, катушку индуктивности Ls и конденсатор, обозначенный Cs. Электроды зажигания 11 и 12 свечи-катушки соединены с контактами конденсатора Cs резонатора, обеспечивая генерирование многошнуровых разрядов для инициирования воспламенения смеси в камерах сгорания двигателя при подаче питания на резонатор.
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>с</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msup><mi>п</mi><mrow><msqrt><mrow><mi>L</mi><mi>s</mi><mo>∗</mo><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msqrt></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
Действительно, когда на резонатор подают высокое напряжение с его резонансной частотой
амплитуда на контактах конденсатора Cs усиливается таким образом, чтобы многошнуровые разряды распространялись между электродами на расстояниях порядка сантиметра с высоким давлением и при пиковых напряжениях, превышающих 20 кВ.
В этом случае говорят о разветвленных искрах, поскольку они предполагают одновременное генерирование, по меньшей мере, нескольких линий или путей ионизации в данном объеме, причем их разветвления являются всенаправленными.
Это приложение для радиочастотного зажигания требует использования схемы питания, способной генерировать импульсы напряжения, как правило, порядка 100 не, которые могут достигать амплитуд порядка 1 кВ, на частоте, очень близкой к резонансной частоте резонатора генерирования плазмы радиочастотной свечи-катушки.
На фиг.2 схематично показана такая схема 2 питания. В схеме питания радиочастотной свечи-катушки классически применяют монтажную схему, называемую «силовым усилителем псевдо класса Е». Эта монтажная схема позволяет создавать импульсы напряжения с вышеуказанными характеристиками.
Эта монтажная схема содержит источник промежуточного постоянного напряжения Vinter, которое может меняться от 0 до 250 В, силовой полевой МОП-транзистор М и параллельную резонирующую схему 4, содержащую катушку Lp, параллельно соединенную с конденсатором Ср. Транзистор М используют как прерыватель для управления переключениями на контактах параллельной резонирующей схемы и резонатора 1 генерирования плазмы, предназначенного для подключения к выходному интерфейсу OUT схемы питания.
На своем затворе транзистор М управляется логическим командным сигналом V1, поступающим от каскада 3 управления, с частотой, которая должна быть установлена по существу по резонансной частоте резонатора 1.
inter
Промежуточное постоянное напряжение питания V предпочтительно поступает от источника высокого напряжения, как правило, от преобразователя постоянный ток/постоянный ток.
inter
Таким образом, в области своей резонансной частоты параллельный резонатор 4 преобразует промежуточное постоянное напряжения питания V в усиленное периодическое напряжение, соответствующее напряжению питания, умноженному на коэффициент повышения напряжения параллельного резонатора, и подаваемое на выходной интерфейс схемы питания на уровне стока транзисторного прерывателя М.
При этом транзисторный прерыватель М направляет усиленное напряжение питания на выход питания на частоте, определяемой командным сигналом V1, которую следует сделать максимально близкой к резонансной частоте свечи-катушки, чтобы генерировать высокое напряжение на контактах электродов свечи-катушки, необходимое для развития и поддержания многошнурового разряда.
Таким образом, транзистор коммутирует сильные токи с частотой примерно 5 МГц и с напряжением сток-исток, которое может достигать 1 кВ.
M
inter
inier
Согласно версии, показанной на фиг.3, параллельную катушку Lp заменили трансформатором Т, имеющим коэффициент трансформации в пределах от 1 до 5. Первичная обмотка L трансформатора соединена, с одной стороны, с источником промежуточного напряжения питания V и, с другой стороны, со стоком транзисторного прерывателя М, управляющего подачей промежуточного напряжения V на контакты первичной обмотки с частотой, определяемой командным сигналом V1.
N
Вторичная обмотка L трансформатора соединена, с одной стороны, с массой через провод 6 заземления, который выполнен с возможностью соединения со свечой-катушкой. Таким образом, резонатор 1 свечи-катушки, соединенной с контактами вторичной обмотки при помощи соединительных проводов 5 и 6, из которых один провод 6 является заземляющим, получает питание от вторичной обмотки трансформатора.
Адаптация коэффициента трансформации позволяет уменьшить напряжение сток-исток транзистора. Понижение напряжения на первичной обмотке приводит, тем не менее, к повышению тока, проходящего через транзистор. Это повышение можно компенсировать, например, за счет установки двух параллельно соединенных транзисторов, управляемых одним каскадом 3 управления.
ION
Во время зажигания необходимо, чтобы разветвленная искра развивалась объемно, чтобы обеспечивать оптимальное воспламенение и оптимальную работу двигателя. Для данного приложения наличие горения символизируется переменным сопротивлением R между контактами конденсатора CS.
Сигнал ионизации, характеризующий развитие горения, имеет амплитуду в пределах от 0.1 мкА до 1 мкА в зависимости от условий камеры сгорания (температура, давление, состав смеси и т.д.). Следовательно, необходимо измерить сигнал с отношением амплитуд, которое может достигать 120 дБ относительно сигнала зажигания.
S
S
S
Сигнал ионизации является низкочастотным сигналом, и дискретизация по 100 кГц позволяет извлечь из него максимум полезной информации. В случае радиочастотного зажигания резонатором с генерированием плазмы RLC управляют на частоте, превышающей 1 МГц, и, как правило, составляющей от 4 МГц до 6 МГц. Таким образом, используют частотное отклонение примерно в две декады, которое можно применить для компенсации разности уровней амплитуды.
Осуществление измерения ионного тока требует использования такого компонента, который не ухудшает энергетической эффективности зажигания.
MES
Предлагаемое для этого решение показано на фиг.4 и состоит в последовательном подключении измерительного конденсатора C между вторичной обмоткой трансформатора Т и резонатором 1 на заземляющем проводе 6. Таким образом, предпочтительно измерительный конденсатор устанавливают в схеме в месте, где разность потенциала относительно массы является максимальной низкой.
Конденсатор емкостью в десяток нанофарад позволяет избежать помех в системе зажигания и в то же время сохранить возможность низкочастотного измерения ионного тока.
ION
Таким образом, основной интерес выбора этого измерительного компонента связан с его поведением на радиочастоте. Действительно, на высоких частотах, как известно, эквивалентная высокочастотная схема конденсатора содержит последовательный резонатор. Однако резонатор имеет сопротивление, которое меняется в зависимости от частоты сигнала, поступающего на его вход, и является минимальным на резонансной частоте резонатора. Эта характеристика изменения сопротивления резонатора в зависимости от частоты позволяет конденсатору иметь очень низкое сопротивление вблизи резонансной частоты зажигания и более высокое сопротивление в частотном диапазоне, используемом для сигнала ионизации (F<15кГц). Таким образом, измерительный конденсатор выбирают таким образом, чтобы он имел более низкое сопротивление в частотном диапазоне, используемом для сигнала управления зажиганием. Это позволяет минимизировать напряжение на контактах измерительного конденсатора, чтобы защитить схему измерения, что будет описано ниже со ссылками на фиг.5.
polar
Не показанный источник постоянного напряжения, выдающий напряжение V, предусмотрен для поляризации высоковольтного электрода свечи-катушки, подключенной на выходе схемы питания относительно головки блок двигателя, что позволяет поляризовать горючую смесь после завершения зажигания.
ION
Действительно, ток ионизации I, характеризующий горение, является сигналом, измеряемым после завершения зажигания, то есть после формирования искры. Следовательно, кроме всего прочего, его амплитуда зависит от напряжения поляризации, подаваемого между электродом свечи-катушки и массой двигателя.
Напряжение поляризации является однополярным и, как правило, составляет от 1 В до 100 В. При этом говорят о положительной поляризации, когда высоковольтный электрод поляризуют по потенциалу, превышающему потенциал массы двигателя.
Вместе с тем, можно осуществлять отрицательную поляризацию горючей смеси. В этом случае потенциал центрального электрода свечи меньше потенциала массы двигателя. В этом случае, как правило, напряжение поляризации составляет от -100 В до -1 B.
ION
MES
s
Схема 40 измерения ионного тока I на контактах конденсатора C для получения электрической характеристики развития горения, описана со ссылками на фиг.5. Как показано на этой фигуре, схема 40 измерения выполнена в виде преобразователя ток-напряжение, выполненного с возможностью выдачи напряжения V на выходе, пропорционального току на входе.
R
Преобразователь содержит операционный усилитель MN1 и резистор R отрицательной обратной связи.
polar
MES
Операционный усилитель MN1 содержит неинвертирующий вход (+), соединенный с напряжением поляризации V, и инвертирующий вход (-), соединенный с контактом конденсатора C через защитную схему 30, выполненную с возможностью защиты времени считывания измерения от влияния формирования искры, что будет более подробно описано ниже.
R
Резистор R устанавливают между инвертирующим входом (-) и выходом операционного усилителя MN1.
polar
R
В версии выполнения, показанной на фиг.5bis, в случае, когда горючую смесь подвергают отрицательной поляризации, неинвертирующий вход (+) соединяют с напряжением отрицательной поляризации V, и инвертирующий вход (-) соединяют с контактом измерительного конденсатора через защитную схему 30, тогда как резистор R подключают между инвертирующим входом (-) и выходом операционного усилителя MN1.
polar
Согласно другой версии, показанной на фиг.5ter, можно также выбирать любую поляризацию горючей смеси с напряжением поляризации V, отвечающим условию:
EE
polar
CC
EE
CC
V<V<V при V<0 и V>0
Такая монтажная схема ток/напряжение может точно измерять очень слабые токи.
e
osc
MES
R
R
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>E</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Вход операционного усилителя эквивалентен катушке индуктивности со значением L. Это приводит к появлению псевдопериодических колебаний с частотой F, превышающей 100 кГц, после завершения зажигания, которые связаны со схемой, образованной входным резистором с сопротивлением
преобразователя ток-напряжение и измерительным конденсатором C, и которые сокращают время снижения насыщения измерительной схемы. Следовательно, необходимо добавить конденсатор C отрицательной обратной связи параллельно с резистором R отрицательной обратной связи, чтобы ослабить эти колебания. Поэтому выбирают конденсатор с емкостью, отвечающий условию:
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></mrow></msub><mo>></mo><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>R</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac><mo>></mo><mn>100</mn><mtext> кГц</mtext></mrow>
Таким образом, емкостью отрицательной обратной связи можно пренебречь для полезного частотного диапазона измеряемого сигнала, характеризующего развитие горения (как правило, меньше 100 кГц), и одновременно оптимизировать время снижения насыщения схемы измерения.
S
ION
Кроме того, необходимо правильно выбрать сопротивление отрицательной обратной связи, чтобы напряжение V на выходе схемы измерения было пропорционально току I, связанному с горением.
MES
E
MES
MES
ION
Как правило, измерительный конденсатор C заряжается во время фазы генерирования искры. Необходимо, чтобы входное сопротивление Z преобразователя ток-напряжение было низким (как минимум, в 100 раз ниже) по сравнению с сопротивлением Z измерительного конденсатора. Это условие гарантирует, что именно преобразователь ток-напряжение, а не измерительный конденсатор выдает ток, характеризующий ход горения. Иначе говоря, необходимо, чтобы сопротивление конденсатора C было выше по сравнению с входным сопротивлением усилителя, чтобы весь ионный ток I оказался в усилителе MN1.
Известно, что преобразователь имеет входное сопротивление, соответствующее следующему отношению:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>E</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mi>G</mi></mfrac></mrow>
,
где G является собственным коэффициентом усиления операционного усилителя.
При этом:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>R</mi><mi>R</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><msub><mi>R</mi><mi>R</mi></msub></mrow>
Для всех частот ниже 100 кГц должно проверяться следующее отношение:
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>M</mi><mi>E</mi><mi>S</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>G</mi><mo>></mo><mi>α</mi></mrow>
,
где α≥100
Таким образом, при соблюдении вышеуказанных условий получают:
S
R
ION
POLAR
V=R·I+V
ION
Далее рассмотрим более подробно защитную схему 30, позволяющую избегать влияний зажигания и выполняющую функцию защиты от ослепления описанной выше схемы 40 измерения. Благодаря ей, считывание измерения тока I, характеризующего развитие горения, можно осуществлять независимо от эффектов формирования искры.
Действительно, полезную информацию о горении можно извлечь из ионного сигнала сразу после завершения зажигания.
Однако, как было указано выше, сильные токи, индуцируемые сигналом управления зажиганием, которые имеют отклонение амплитуды примерно в 120 дБ относительно тока, характеризующего горение, или период маскирования, во время которого невозможно осуществлять считывание слабого тока.
Поэтому, чтобы максимально избавиться от эффектов, связанных с управлением зажиганием, предусматривают подключение защитной схемы 30 между измерительным конденсатором и преобразователем ток-напряжение, образующими схему 40 измерения. Действительно, преобразователь ток-напряжение должен сохранять наилучшую динамику и предпочтительно иметь время понижения насыщения менее 300 мкс, чтобы обеспечивать надежное измерение горения в максимальном режиме.
H
B
ALIM
POLAR
Защитная схема 30 содержит диодный мостик 31, поляризуемый резисторами R и R при напряжении питания V, предпочтительно близком к напряжению поляризации V.
D
Эта архитектура является стабильной и не мешает измерению, если ток поляризации I, циркулирующий в диодах защитной схемы, является большим по сравнению с током, выдаваемым преобразователем.
Можно проверить, чтобы:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>D</mi></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>A</mi><mi>L</mi><mi>I</mi><mi>M</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>d</mi><mi>y</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>H</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mtext> и </mtext><msub><mi>r</mi><mrow><mi>d</mi><mi>y</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>40</mn><mo>×</mo><msub><mi>I</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
dyn
где R является динамичным сопротивлением диода.
Следовательно:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>D</mi></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>A</mi><mi>L</mi><mi>I</mi><mi>M</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>20</mn></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>H</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
B
H
то есть при VALIM=12В и R=R=1 кОм получаем:
D
IONmax
I=3 мА>I=500 мА.
B
H
Это уравнение позволяет найти хороший компромисс между стабильностью монтажной схемы и средним потреблением защитной схемы. Как правило, резисторы R и R могут иметь значение сопротивления в пределах от 100 Ом до 50 кОм и могут иметь разное сопротивление.
POLAR
Таким образом, оптимальное значение поляризации V получают при помощи:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>P</mi><mi>O</mi><mi>L</mi><mi>A</mi><mi>R</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>H</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>H</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>A</mi><mi>L</mi><mi>I</mi><mi>M</mi></mrow></msub></mrow>
POLAR
ALIM
Напряжение V можно, например, получить из напряжения V при помощи хорошо известной резистивной схемы-делителя.
Таким образом, защитная схема 30 играет двойную роль. Она позволяет поддерживать небольшое время понижения насыщения схемы измерения при любых условиях генерирования искры. Кроме того, она обеспечивает надежность схемы измерения при каждом типе искры, которую может генерировать резонансная система зажигания.