CПОCОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИОННОГО ТОКА СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ С РЕЗОНАНСНОЙ СТРУКТУРОЙ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ION CURRENT MEASUREMENT METHOD FOR IGNITION PLUG WITH RESONANCE STRUCTURE AND RESPECTIVE MEASUREMENT DEVICE

Настоящее изобретение в целом относится к измерению ионного тока свечи зажигания, в частности свечи зажигания с резонансной структурой, предназначенной для автомобильных систем зажигания.
В частности, изобретение относится к так называемым «радиочастотным» системам зажигания, содержащим свечи зажигания с резонансной структурой типа многоискровых свеч зажигания или ВМЕ.
Эти системы зажигания, использующие переменные токи, описаны, например, во французских патентных заявках FR 2859830, FR 2589869, FR 2859831, поданных на имя заявителя.
В конце цикла сжатия свеча зажигания должна создать электрическую дугу, энергии которой достаточно для инициирования процесса воспламенения газовой смеси, содержащейся в камере сгорания двигателя.
Эта электрическая дуга соответствует ионизации газовой смеси, находящейся между электродами свечи зажигания, соответственно положительным центральным электродом и массовым электродом.
Однако во время горения смеси после генерирования свечой зажигания искры может произойти распространение фронта пламени. Он может отбросить часть смеси в сторону стенок цилиндра и головки поршня.
Повышение давления и температуры происходит настолько интенсивно, что топливо может остаться прижатым к стенкам, достичь своей точки самовоспламенения и воспламениться в нескольких местах.
В результате происходят микровзрывы, вызывающие вибрации в акустическом диапазоне частот (примерно от 5 до 10 кГц). Эти вибрации являются очень интенсивными и могут быстро создать горячие точки, которые еще больше усугубляют проблему. Серия микровзрывов вырывает или расплавляет небольшое количество металла на головке поршня и/или на стенках цилиндра, что со временем может привести к разрушению поршня и стенок цилиндра.
Появление этих детонационных явлений можно обнаружить, измерив ионный ток, то есть ток, проходящий через свечу зажигания. Действительно, ионный ток проявляется в свече зажигания таким образом, как если бы к контактам электродов временно подключили сопротивление (в первом приближении).
Для этого средства измерения или датчики должны обладать способностью работать в очень узкой полосе пропускания, например порядка 7 кГц.
Настоящее изобретение направлено на создание средства измерения тока поляризации для свечей зажигания с резонансными структурами.
Другой целью изобретения является создание средств измерения, достаточно точных для работы в требуемой узкой частотной полосе пропускания.
В этой связи объектом настоящего изобретения является способ измерения ионного тока свечи зажигания с резонансной структурой, которой оборудована автомобильная система зажигания, в котором во время фазы зажигания на указанную свечу зажигания подают напряжение, создаваемое при помощи предварительно заряженного конденсатора переменной емкости.
Согласно изобретению указанный ионный ток измеряют между указанным конденсатором переменной емкости и массой, периодически между двумя фазами зажигания, после поляризации свечи зажигания.
Иначе говоря, вместо измерения ионного тока на уровне свечи зажигания, что потребовалось бы сделать для решения поставленной проблемы, этот ионный ток измеряют непосредственно на уровне конденсатора переменной емкости, питающего свечу зажигания в ходе своей разрядки.
Следовательно, неточность измерения сводится к минимуму.
Согласно варианту осуществления указанный ионный ток измеряют при помощи средств измерения, подключаемых между указанным конденсатором переменной емкости и массой и замыкаемых накоротко во время фаз зажигания.
Иначе говоря, средства измерения подключают только между двумя фазами зажигания.
Согласно другому варианту осуществления ионный ток измеряют в конце фазы затухания, во время которой ток, проходящий через свечу зажигания, постепенно понижается.
Другим объектом изобретения является устройство для измерения ионного тока свечи зажигания с резонансной структурой, которой оборудована автомобильная система зажигания, при этом указанную свечу зажигания соединяют с генератором, содержащим конденсатор переменной емкости.
Согласно изобретению указанный генератор дополнительно содержит средства поляризации, выполненные с возможностью поляризации свечи зажигания, подключенные между генератором и свечой зажигания, и средства измерения ионного тока свечи зажигания, подключенные между конденсатором переменной емкости и массой.
Таким образом, поскольку средства измерения подсоединены между конденсатором переменной емкости и массой, а не напрямую к контактам свечи зажигания, можно выбрать сопротивление поляризации свечи зажигания с низким значением, адаптированным к силе ионного тока, которая, как правило, меньше 1 мА, и к конкретной частотной полосе, например частотной полосе, в которой наблюдаются детонационные явления.
Предпочтительно устройство может дополнительно содержать управляемые средства короткого замыкания, выполненные с возможностью замыкания накоротко средств измерения.
Например, средства измерения могут содержать измерительное сопротивление.
Согласно варианту выполнения средства короткого замыкания могут содержать транзистор короткого замыкания, подсоединенный между конденсатором переменной емкости и массой и управляемый генератором напряжения короткого замыкания, и источник питания поляризации, подсоединенный между измерительным сопротивлением и массой и выполненный с возможностью поляризации указанного транзистора короткого замыкания.
Согласно варианту выполнения источник питания поляризации может содержать, с одной стороны, сопротивление питания и локальный источник питания, соединенные последовательно, и, с другой стороны, конденсатор питания, соединенный параллельно с сопротивлением питания и с локальным источником питания между измерительным сопротивлением и массой.
Другие преимущества и признаки настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта выполнения, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вариант выполнения изобретения;
фиг.2 - более подробная схема варианта выполнения изобретения;
фиг.3 - более подробный вид модуля согласно варианту выполнения изобретения;
фиг.4 - хронограмма различных этапов варианта выполнения изобретения;
фиг.5 и 6 - варианты выполнения другого блока изобретения.
На фиг.1 общей позицией SYS обозначена система зажигания для автомобиля, содержащая свечу зажигания BR с резонансной структурой, хорошо известную специалистам и описанную, например, во французских патентных заявках FR 2859830, FR 2589869, FR 2859831, поданных на имя заявителя.
Через свечу зажигания BR проходит ионный ток Ii.
В частности, как схематично показано на фиг.1, свеча зажигания BR содержит резонансный узел RSI (называемый свечой зажигания - катушкой), содержащий катушку индуктивности L1 и конденсатор С1, который в этом примере содержит узел: цоколь 1 - керамика 2 - центральный электрод 3.
Свеча зажигания BR соединена с генератором GEN, выполненным с возможностью генерирования напряжения, называемого «промежуточным напряжением», с высоким значением. Это высокое напряжение подается через центральный электрод 3 конденсатора С1. При прохождении тока между центральным электродом 3 и массовым электродом 4 возникает электрическая дуга, генерирующая искру 5.
Свеча зажигания BR соединена с генератором GEN через ступень DHT, называемую «блоком высокого напряжения», последовательно соединенную со средствами развязки MDEC. Средства поляризации MPOL свечи зажигания параллельно соединены с блоком высокого напряжения DHT и со средствами развязки MDEC.
Генератор GEN содержит средства измерения MMES, выполненные с возможностью измерения ионного тока Ii, протекающего в свече зажигания BR.
На фиг.2 более детально показан вариант выполнения блоков системы SYS в соответствии с настоящим изобретением.
Генератор GEN может быть выполнен с помощью монтажной схемы повышения напряжения типа «бустера», как ее называют специалисты.
Генератор GEN содержит источник питания Vbat, в данном случае на 12 В, выполненный с возможностью подзарядки катушки BRES, называемой «резервуаром», соединенной первым контактом b1 с источником питания Vbat. Зарядка катушки BRES управляется транзистором M1, подсоединенным между другим контактом b2 катушки BRES и массой. Транзистор M1 управляется генератором напряжения GM1.
Катушка-резервуар BRES разряжается в часть схемы, соединенную с ее контактом b2, через выпрямительный диод DR при напряжении, превышающем напряжение в 12 В, выдаваемое источником питания Vbat. Это относительно высокое напряжение называют «промежуточным напряжением» Vint. Оно составляет порядка сотни вольт. Чтобы сохранять по существу постоянное значение этого промежуточного напряжения Vint, генератор GEN содержит так называемый «балластный» конденсатор Cb, соединенный с выходом выпрямительного диода DR.
Генератор GEN соединен с блоком высокого напряжения DHT, питаемым промежуточным напряжением Vint и управляемым средствами управления МСОМ при помощи сигнала управления Scom.
Сигнал управления Scom непосредственно участвует в реализации генерирования искр свечой зажигания BR.
На фиг.3 показан пример выполнения блока высокого напряжения DHT.
Он содержит узел, образованный катушкой L2 и конденсатором С2, соединенными параллельно, и принимающий на входе промежуточное напряжение Vint.
На выходе узел L2-C2 соединен с транзистором управления М5, получающим на своем электроде управления сигнал управления Scom.
Сигнал управления Scom соответствует периодически генерируемой серии импульсов.
Таким образом, при каждой серии импульсов транзистор М5 заряжает катушку L2, которая резонирует с конденсатором С2 и резонансным узлом RS1, производя импульсы высокого напряжения на собственной частоте катушки BR.
Когда резонансный узел RS1 возбуждается на собственной частоте и показатель добротности является высоким (например, превышает 40), на контактах конденсатора С1 появляется сверхвысокое напряжение. При этом на центральном электроде свечи зажигания BR, который является одним из контактов конденсатора С1, возникает сверхвысокое напряжение, приводящее к появлению искры.
Вернемся к фиг.2.
Возбуждение, создаваемое блоком высокого напряжения DHT, передается на резонансную структуру RS1 свечи зажигания BR через средства развязки MDEC, в данном случае конденсатор развязки Cd.
Конденсатор развязки Cd препятствует непрерывной связи между промежуточным напряжением Vint и центральным электродом 3 свечи зажигания. Это прерывание связи позволяет избежать электрических ударов или поражения током человека.
Кроме того, если начинается разряд типа «электрической дуги», он может привести к быстрому разрушению электродов, в частности центрального электрода 3. Действительно, если искра с достаточно высокой удельной проводимостью возникает между центральным электродом и массой, сопровождающее ее падение напряжения может достичь значения ниже промежуточного напряжения Vint. Все заряды, накопленные в конденсаторе Cd, в этом случае передаются в связь, создаваемую искрой. Эта передача зарядов происходит с сильными токами, которые могут повредить центральный электрод 3.
Функцией конденсатора развязки Cd является недопущение подобной передачи зарядов.
В варианте, генератор может быть трансформатором, в виде повышающего трансформатора, который препятствует передаче постоянного тока. В этом случае отпадает необходимость в использовании конденсатора развязки.
Чтобы обеспечить возможность измерения ионного тока, используют средства поляризации MPOL для сохранения преимущественно положительной поляризации после генерирования искры на центральном электроде 3 свечи зажигания BR.
Классически средства поляризации MPOL могут быть выполнены в виде сопротивления Rpol, подсоединенного между выходом выпрямительного диода DR, подающего промежуточное напряжение Vint, и выходом средства развязки MDEC, в данном случае конденсатора Cd.
Простым решением для измерения ионного тока в этом случае было бы подсоединение к контактам сопротивления поляризации Rpol схемы, выполненной с возможностью деления значения напряжения, преобразования поделенного таким образом значения напряжения в ток и затем измерения этого тока.
Эти хорошо известные специалистам классические схемы можно реализовать при помощи дифференциального усилителя с дискретным транзистором или в виде операционного усилителя, или при помощи схемы, использующей отражатели тока. Однако эти схемы, содержащие делитель напряжения, снижают точность, необходимую для измерения очень слабого ионного тока.
В отличие от этих решений согласно настоящему изобретению предлагается использовать сопротивление поляризации с низким значением сопротивления, чтобы сохранить максимальную точность во время измерения ионного тока, при этом средства измерения подключены не к контактам сопротивления поляризации Rpol, а между конденсатором Cb и массой внутри генератора GEN.
Эти средства измерения MMES содержат измерительное сопротивление Rm и измерительный контакт Bm, на котором измеряют ионный ток.
Кроме того, эти средства измерения MMES взаимодействуют со средствами короткого замыкания МСС, содержащими прерыватель INT, соединенный параллельно с измерительным сопротивлением Rm, причем этом прерыватель INT управляется генератором короткого замыкания GCC.
Предпочтительно прерыватель является быстродействующим и имеет очень низкое полное сопротивление.
На фиг.4 показаны различные этапы варианта осуществления изобретения во время периода Т.
В момент t0 транзистор M1 становится пропускающим и позволяет произвести зарядку конденсатора Cb.
В момент t1 сигнал управления Scom приводит в действие транзистор М5 при помощи импульсного сигнала управления (частота импульсов составляет, например, 5 МГц), и начинается собственно фаза зажигания и генерирование искры свечой зажигания BR. В момент t2 сигнал управления снова становится неактивным.
Во время фазы затухания (между t2 и t3) ток зажигания (имеющий большую амплитуду) естественным образом и постепенно снижается в свече зажигания BR за счет присутствия паразитных сопротивлений.
Между моментами t0 и t3 средства короткого замыкания являются активными и замыкают накоротко измерительное сопротивление. Следовательно, конденсатор Cb оказывается подключенным между выпрямительным диодом DR и массой.
В момент t3 транзистор М2 деактивирует средства короткого замыкания, и конденсатор Cb разряжается через измерительное сопротивление Rm. Ток разрядки конденсатора Cb соответствует ионному току, который проходит через сопротивление Rpol, в свече зажигания BR и затем в топливной смеси.
Значение ионного тока измеряют при этом на уровне измерительного контакта Bm.
Фаза измерения завершается в момент t4, а в момент t5 начинается другой цикл зарядки, зажигания и измерения.
На фиг.5 показан вариант выполнения прерывателя INT. В этом примере управляемый прерыватель выполнен в виде транзистора, в данном случае типа МОП-транзистора М2, электрод управления которого соединен с генератором GCC. Чтобы воспрепятствовать диодному эффекту МОП-транзистора М2, производят поляризацию при помощи источника питания поляризации Apol, подключенного между измерительным сопротивлением Rm и массой.
На фиг.6 показан вариант выполнения этого источника питания поляризации Apol.
В этом примере источник питания поляризации Apol содержит конденсатор Cal, соединенный с локальным источником питания Aloe через сопротивление питания Ral. Локальный источник питания Aloe может представлять собой, например, батарею или элемент питания напряжением 5 В.
Специалисту несложно определить параметры используемых компонентов, чтобы узнать напряжение Val на контактах конденсатора Cal. Из этого значения напряжения Val выводят ионный ток Ii при помощи соотношения:
Ii=(Напряжение_Apol-Напряжение_Bm)/Rm
Таким образом, изобретение позволяет измерять ионный ток очень точно и в четко определенном частотном диапазоне, например, соответствующем обнаружению детонационных явлений.