用于运行内燃机的点火装置的方法和内燃机的用于执行该方法的点火装置

摘要

本发明涉及一种用于运行内燃机的点火装置的方法，该点火装置由下列各项构成：被构造成变压器的点火线圈（ZS）、与点火线圈（ZS）的次级绕组连接的点火塞（ZK）、与点火线圈（ZS）的初级绕组串联的能操控的开关元件（IGBT）以及与点火线圈（ZS）的初级绕组和开关元件（IGBT）的控制输入端连接的控制单元（SE），其中控制单元（SE）根据流经点火线圈（ZS）的初级和次级绕组的电流（I_Prim，I_Sec）和点火线圈（ZS）的初级绕组同开关元件（IGBT）的连接点与供电电压的负接线端子（GND）之间的电压为点火线圈（ZS）提供可调整的供电电压（V

说明书

背景技术

许多年以来，如今被构造成汽油发动机中的串联式点火设备根据线圈放电的简单和可靠的原理工作，也就是说，相应地被设计成变压器的点火线圈在初级侧根据其电感从车载电源电压部分充电直至其饱和范围。在点火时刻，借助于电子电路、例如通过点火IGBT（绝缘栅双极晶体管）中断充电。在次级侧由此形成例如5kV至35kV的电压，所述电压在内燃机的燃烧室中在点火塞的火花间隙中导致飞弧。接着，存储在线圈中的能量在点火等离子体中释放。

在推进性的发动机开发过程中，必须实现消耗节省和排放，在近几年来，消耗节省和排放已经一致地导致点火系统的上升的额外负担并且在未来还将进一步导致该额外负担。对此的示例例如是层燃烧，其中具有高流速的液体燃料组分阻碍了火花放电并且迫使多次重新点火。用于改善发动机效率的升高的燃烧室压力也提高了点火间隙中的抗击穿性并且迫使提高击穿电压，所述击穿电压也对点火塞磨损产生影响。后者在未来高度充电的发动机世代中导致次级侧电压升高到远高于35kV。在点火塞处升高的击穿电压以及变得密集的流动状态在趋势上缩短了火花的燃烧时长，因为存储在线圈中的能量的越来越多的份额必须被提供用于生成和保持火花。在开发新型燃烧方法中的一种非常有前景的趋势是使用多重火花，其中线圈能量以短时间间隔有效地传输到混合物，这提高了点燃安全性。

在当前使用的点火装置中，被构造为具有磁储能能力的变压器的点火线圈首先在初级侧从12V车载电源电压被充电到大致8A的电流。在此，安装在次级侧的截止二极管防止充电阶段期间的不期望的火花形成。在点火时刻，借助于电子开关－例如IGBT－来中断电流。

现在，点火线圈的磁场崩溃在初级侧和次级侧感应生成电压升高。在此，以IGBT的所使用的半导体技术为条件，初级电压被限制到通常400V。但是在次级侧，电压达到显著更高的值，该值首先由变压器的转换比来确定。因此在1：80的常用转换比的情况下，得出32kV的最大次级电压。但是该电压在实际中不能被达到，因为之前已经在点火塞的电极之间进行了随后具有电弧的电压击穿，然后次级电压突然下降到燃弧电压的值。击穿电压的典型值处于5kV至35kV，并且强烈依赖于电极间距、燃烧室压力和气体温度。电弧的燃烧电压处于几kV的范围中。

为了达到击穿电压，必须首先对次级侧电容进行充电－由次级绕组的构造和点火塞造成。在此，对于给定的击穿电压Uz有下式成立：

｛1｝                                                

Ec是为了达到击穿电压所需的能量，Csec是起次级作用的电容。

该能量在常规点火系统中由点火变压器的之前已经相应充电的主电感Lh来提供。  

｛2｝

El是所存储的能量

Lh是变压器的主电感

I是充电电流。

在常规的被构造成点火变压器的点火线圈中，所存储的最大能量为50mJ至130mJ。在击穿以后可用的剩余能量在接下来的电弧阶段被转换成电弧，其中次级电流不断降低。通常为0.5ms至1.5ms的电弧燃烧时长基本上由该剩余能量来确定。

在困难的点燃情况下对更长燃烧时长－以及由此对提高的点火能量－的要求可以通过提高最大储存的能量来满足。但是这造成磁芯的扩大，这导致点火线圈的不期望的扩大。尤其是在直接构造在点火塞管道中的所谓的“线束线圈（Pencil Coils）”的情况下，扩大是不可能的。简单提高点火能量的另一缺陷是与之相伴的点火塞的过量的磨损，因此不再能够实现所期望的寿命。如今的点火系统已经部分地达到了这些极限，使得简单提高点火能量不是技术上合理的方案。

但是已经显示，利用交变电流运行点火塞实现了两到三倍更长的寿命。相应地开发出用于机动车辆的交变电压点火系统。在此，点火线圈被构造成仅具有小储能能力的纯粹变压器。在例如为1：100的技术上合理的转换比的情况下，为了实现例如为20kV的击穿电压需要200V的初级电压，这又需要复杂的和昂贵的电压转换器。大的转换比－从12V车载电源电压到200V点火电源－也降低了电压转换器的效率，这又减小了点火系统的总效率。

尽管使用这样的交变电压点火可以解决燃烧技术的问题，但是出于成本原因，仅适用于高端车辆。因此，迄今为止，必须接受与提高的点火能量相伴的点火塞磨损，或者在串联式发动机处不能实现对点燃关键的运行状态。

发明内容

本发明所基于的任务是在同时显著提高点火塞的寿命的情况下显著改善点火行为。还应当能够尽可能无需附加成本地利用常规点火系统的组件。

该任务根据权利要求1通过一种用于运行内燃机的点火装置的方法来解决，该点火装置由下列各项构成：被构造成变压器的点火线圈、与点火线圈的次级绕组连接的点火塞、与点火线圈的初级绕组串联的能操控的开关元件以及与点火线圈的初级绕组和开关元件的控制输入端连接的控制单元。根据本发明，该控制单元根据流经点火线圈的初级和次级绕组的电流和点火线圈的初级绕组同开关元件的连接点与供电电压的负接线端子之间的电压为点火线圈提供可调整的供电电压并且为开关元件提供操控信号。该方法具有下列流程：

在第一阶段（充电），开关元件由操控信号在第一接通时刻切换为导通的并且在预先给定的点火时刻再次切换为不导通的，

在紧接着的第二阶段（击穿），初级电压或从其中导出的电压与第一阈值相比较，并且在低于第一阈值的情况下由该电压在第二接通时刻将开关元件再次切换为导通的，

在紧接着的第三阶段（电弧），供电电压被调节为使得流经点火线圈的次级绕组的电流大致对应于预先给定的电流，并且流经点火线圈的初级绕组的电流与预先给定的第二阈值相比较，并且在超过第二阈值的情况下，开关元件由该电流在第一关闭时刻再次切换为不导通的，

在紧接着的第四阶段（击穿），流经点火线圈的次级绕组的电流与第三阈值相比较，并且在低于第三阈值的情况下，开关元件由该电流在第三接通时刻再次切换为导通的，

接着，必要时重复第三和第四阶段，直到在开关元件最终被切换为不导通的时刻达到预先给定的燃烧时长为止。

此外，该任务通过根据权利要求5所述的用于内燃机的点火装置来解决。有利的改进方案在从属权利要求中说明。

在此，根据本发明所利用的知识是，在常规点火系统中的点火塞磨损非常显著地受到电弧燃烧阶段期间的最大电流值的高度的影响。大致恒定的直流电流在相同有效值的情况下与具有高的峰值的常规三角形次级电流相比造成显著更小的磨损。如果在燃烧阶段期间，电流的极性一次或多次反转，则磨损进一步降低。

在此，根据本发明的方法和根据本发明的点火装置具有如下特征：

被构造成变压器的点火线圈直到火花的第一次击穿为止常规地运行。在该击穿以后，基本上从变压器的初级侧馈送点火火花。在此，使用可变的供电电压，使得次级侧的电流具有所期望的时间变化曲线。对主电感进行重新充电，以便在火花熄灭时能够快速重新点火。由于用可变的供电电压运行变压器，避免了提前的火花形成（接通火花）。可以在燃烧时长期间调整变压器的充电状态。可以通过将供电电压在达到额定电流时调节到恒定电流来将充电时间和充电能量去耦合。可以使用经成本优化的点火线圈（变压器），所述点火线圈仅能表现对于击穿所需的电压/能量。通过如下方式进行交变电压运行：以交替方式从初级侧的供电电压和存储在点火变压器中的能量中供应火花。由此，点火塞处的电流和电压的极性每次都反转。火花的燃烧时长可以几乎自由地构造。可以在考虑线圈的剩余能量的情况下通过用可用的高压进行快速充电来实现多重火花。可以在IGBT导通的同时在经反变换的电弧电压下通过减小供电电压来主动地关闭火花。减小的次级峰值电流和极性交替的组合现在允许将电弧保持得显著更长，而不限制点火塞的寿命。电弧的更长寿命非常显著地改善了点燃行为。

此外，如果电弧将由于极高的湍流而吹熄或熄灭，则根据优选改进方案的所选实施方式允许自动的重新点火。这又非常显著地提高了点火安全性。

还可以生成多个迅速地彼此相继的点火火花。

根据本发明的方案完全利用现有点火系统的组件，其中由于根据本发明的操控，有利地取消了点火线圈中的截止二极管。

根据本发明的方案还允许显著缩小点火线圈，这对于“线束线圈”而言由于点火塞管道中的狭小的安装空间而特别有利。点火线圈的缩小非常显著地降低了其制造成本。

根据本发明借助于调节来形成点火能量实现了在很大程度上可自由选择的火花时长和可自由选择的火花电流变化曲线。同时，要在点火线圈中储存的能量被减小到这样的值：利用该值仍然保证了相应最大预期的击穿电压的可靠形成。

附图说明

下面借助于附图根据实施例进一步描述本发明。在此，

图1示出了根据本发明的点火装置的原理框图；

图2示出了控制单元的详细电路；以及

图3示出了说明时间关联的流程图。

具体实施方式

根据图1的本发明点火装置包含被构造成电压转换器的可控的供电电压源DC/DC以用于向一个或多个点火线圈ZS供应可变的供电电压V_供电。该供电电压从当前为大致12V的车载电源电压V_bat来供应。该供电电压向一个或多个点火线圈ZS供电，其中有利地不再需要截止二极管。可以使用常规的点火塞ZK，该常规的点火塞ZK与点火线圈ZS的次级绕组连接。点火线圈ZS的初级绕组与大多被构造成IGBT的开关元件串联以用于切换点火线圈ZS。设置有用于检测初级电压以及初级电流和次级电流的装置。

控制单元SE根据所检测到的运行参数借助于电压转换器DC/DC生成可变的供电电压V_供电以及开关元件IGBT的操控信号IGBT_Control。

控制单元SE又由（未示出的）微控制器来控制，该微控制器通过专门的定时输入端实时地预先给定每个点火线圈的点火时刻。通过另一接口－譬如常规SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）－可以在微控制器与控制单元SE之间交换数据。

电压转换器DC/DC从12V车载电源V_bat中生成供电电压V_供电。可以借助于电压转换器DC/DC的控制输入端Ctrl处的控制信号V_Control在例如2至30V的范围中高度动态地控制该供电电压V_供电的值。在此，电压转换器DC/DC可以为分别激活的点火线圈ZS提供所需的充电电流。

作为点火线圈Zs可以使用具有例如1：80转换比的常规类型，但是其中可以放弃在如今常见点火线圈中所需的截止二极管。根据所使用的汽油发动机的气缸数目，例如需要3至8个点火线圈。但是由于根据本发明的方法，可以使用具有显著更小的最大储能的点火线圈。

作为点火塞ZK可以使用常规的类型。其精确构造由在电动机中的使用来确定。

作为开关元件IGBT可以使用具有例如400V的内部限压的常规类型。但是根据所需的充电电流，可以减小其所需的载流能力。

信号V_Prim将借助于由电阻R1和R2构成的分压器被调低的点火线圈ZS的初级电压从高达400V降低到对控制单元SE可用的例如5V的值范围。分压的值在所述示例中为1：80。分压器R1、R2布置在点火线圈ZS的初级绕组和开关元件IGBT的连接点与接地端子0之间。接地端子0与供电电压V_供电的负电势GND连接。

为了测量通过点火线圈ZS的初级绕组的电流，将电阻R3与初级绕组和开关元件IGBT串联。流经电阻R3的充电电流生成表示电流的电压I_Prim。

同样，电阻R4与点火线圈ZS的次级绕组串联。流经该电阻R4的次级电流生成在电阻R4处下降的电压I_Sec。

控制单元SE包括电压转换器DC/DC和控制电路Control。该控制电路检测信号V_Prim、I_Prim和I_Sec并且借助于根据图2的电压比较器Comp1...Comp4将这些信号与阈值或额定值V1...V5相比较。

在由微控制器的输入信号“定时”预先给定的时刻，控制单元SE触发点火过程，其中调节燃烧时长和电弧电流。为此，根据本发明通过控制信号V_Control控制供电电压V_供电或者通过操控信号IGBT_Control接通和关闭开关元件IGBT。控制信号V_Control施加在可以由流程控制ALS控制的开关装置SM的输出端上，并且根据操控要么由调节器电路调节器1要么由流程控制ALS形成。

在具有多个气缸的汽油发动机的情况下，应当相应地设置多个“定时”输入端和多个IGBT_Control输入端。

此外，控制电路Control通过SPI接口与微控制器连接。对此，微控制器可以传输充电电流、燃烧时长、燃烧电流的预先给定值；以及多重火花点火的构造的预先给定值。在反方向上，该控制装置可以向微控制器传输状态和诊断信息。

在控制电路Control中构造的流程控制ALS可以由里面包含软件的微控制器、以及由－由标准逻辑组件构成的－硬件流程控制（状态机）构成。

下面将根据图3进一步阐述根据本发明的方法。在此，该方法包括多个相继的阶段。

1. 线圈电感的充电

在点火开始时－如迄今为止常见的那样－对点火线圈ZS的主电感进行充电。为此，在时刻t1通过来自控制单元SE的操控信号IGBT_Control接通开关元件IGBT。在此，充电电流被作为信号I_Prim检测。由于未使用次级侧的截止二极管，因此必须在充电过程期间将供电电压V_供电在时间上改变为使得在此在次级侧感应生成的电压可靠地保持低于当前的击穿电压。该击穿电压的值基本上由当前的燃烧室压力来给定，该燃烧室压力在压缩冲程期间不断改变。在此重要的是，最迟在时刻t2达到与所期望的储能相对应的充电电流值。在此，稍早一些实现该充电电流值是不重要的，因为可以通过降低供电电压V_供电将该电流保持为恒定。在此，供电电压V_供电被调节到由初级绕组的内阻和充电电流给定的值。附加地还考虑开关元件IGBT处和电流测量电阻R3处的电压损耗。要存储的能量的值可以－基于对以前点火过程的观测或者通过SPI预先给定－在每个充电阶段不同并且被相应地适配。

2.击穿

在预先给定的点火时刻t2－如也迄今为止常见的那样－通过操控信号IGBT_Control关闭开关元件IGBT。由磁场的崩溃驱动，现在点火线圈ZS的初级和次级电压迅速上升。详细地，初级电压－可视作为信号V_Prim－首先显示出非常快速的上升直到在大致400V时由开关元件IGBT使用限压。对此的原因是初级杂散电感的放电。接着，初级侧的电压又下降，直到其再一次上升－现在具有正弦形的电压变化曲线。该电压变化曲线基于经反变换的次级电压。在此，利用谐振振荡过程从点火线圈ZS的主电感和次级侧杂散电感中对由点火塞ZK的电极和次级绕组形成的次级电容进行充电。（在观察时，要考虑连接在中间的理想变压器）。在达到击穿电压时，突然结束正弦形的振荡过程并且初级电压下降到10V至50V的值。该值又由供电电压V_供电和经反变换的次级侧的电弧电压组成。这些细节在图3中未示出。

供电电压V_供电随着击穿阶段开始借助于控制信号V_Contorl快速调整到其例如30V的最大值，这在图3中同样不能详细看出。

3.燃烧阶段（电弧）

一旦初级电压在时刻t3从例如40V下降到预先给定的值以下，就识别到燃烧阶段的开始。从中借助于分压器R1、R2导出的信号V_Prim于是具有例如0.5V的值，并且可以利用第一电压比较器Comp1同第一阈值V1相比较。第一电压比较器Comp1的输出端在低于额定值V1时改变其逻辑状态。该改变用于在时刻t3再次接通开关元件IGBT。由于现在供电电压V_供电再次被调高（30V），因此该供电电压通过点火线圈ZS在次级侧作为例如-2.4kV的高的负电压被传输。由于在该时刻在点火塞ZK的电极之间存在由于电弧被离子化的气体，因此大约在大致为－1kV的电弧电压下进行重新击穿。

由于燃烧电压与经变换的初级电压之间的电压差，非常快地形成负电弧电流。在此，该上升基本上由初级和次级杂散电感和线圈电感处的电压降来确定。在此，借助于电阻R4通过信号I_Sec来检测电弧电流。

如果电弧电流现在被保持为恒定，则在调节器电路调节器1中将该电弧电流与第一额定值V2比较。调节器电路调节器1的输出信号通过相应地由流程控制所操控的开关装置SM作为控制信号V_Control被输送给电压转换器DC/DC，并且现在将供电电压V_供电控制为使得次级电流I_Sec对应于额定值V2。在此，供电电压V_供电开始时采取例如20V的值，该值随着持续的燃烧时长而不断升高。

由于在电流传输到次级侧上的同时，点火线圈ZS的主电感也被充电，因此该主电感的电流不断升高。该电流通过电阻R3处的信号I_Prim被检测并且通过第二电压比较器Comp2与第二额定值V3相比较。如果信号I_Prim由于电流升高而升高到高于第二额定值V3，则在时刻t4通过操控信号IGBT_Control重新关闭开关元件IGBT。

供电电压V_供电再次借助于控制信号V_Control被迅速调节到其例如300V的最大值。

如在2.击穿时所描述的那样，磁场的崩溃现在将次级电压向负方向推进，直到－在大致为＋1kV的电压下利用随后的电弧阶段重新进行击穿。该重新的电弧阶段现在通过之前储存在主电感中的能量被馈送，其中（现在为正的）次级侧电弧电流不断减小。由于重新的击穿在显著更小的电压下进行，因此在此也需要显著更小的能量以用于对次级电容进行充电，并且其余的剩余能量基本上对应于之前存储的能量。

通过信号I_Sec，现在利用第三电压比较器Comp3将次级侧电弧电流同第三阈值V4相比较。如果I_Sec的值降低到第三阈值V4以下，则第三电压比较器Comp3的输出状态改变并且在时刻t5重新接通开关元件IGBT。由此如上所述那样利用负电弧电流进行重新的电弧阶段。

在本发明的一个有利的扩展方案中，可以动态地构造第一阈值V1，由此可以生成可变的燃烧电流谱。例如，电弧电流可以随着燃烧时长的上升而上升，这提高了点燃安全性而不对点火塞磨损产生负面影响。

4.燃烧阶段的结束

负和正燃烧电流的周期性变化可以任意频繁地重复，并且经过预先给定的例如为1ms的燃烧时长才结束。现在，开关元件IGBT被最终关闭。在时刻t6存储在点火线圈ZS中的能量在电弧中仍然下降，接着该电弧熄灭。该点火过程结束。

5.在点火失败时的重新点火

在燃烧阶段，电弧可能熄灭，这例如是由于电极区域中的提高的湍流吹熄造成或者由于将电极用燃料液滴湿润造成。如果这在电弧阶段中在接通开关元件IGBT的情况下进行，则次级电流自动地降低到零并且可以通过观测信号I_Sec被识别。为此目的，通过第四电压比较器Comp4将信号I_Sec与第四阈值V5相比较，并且在低于该阈值V5的情况下通过信号I_Sec关闭开关元件IGBT，然后进行重新的击穿。接着，进行电弧阶段的上述流程。

如果这在主电感的放电阶段期间在开关元件IGBT关闭的情况下进行，则该放电阶段推进次级电压直到进行再次的击穿。如果电弧电流由于能量损失下降到第三阈值V4以下，则开关元件IGBT再次接通并且电弧阶段的流程－如上述那样－重新开始。

因此保证了，在电弧熄灭的情况下进行立即的重新点火。以高的概率不再发生点火失败。

6.多重火花点火

多重点火的流程基本上对应于上述运行阶段。但是与之不同的是，燃烧阶段被大大缩短，譬如与常见的0.5ms至1.5ms相比为0.1ms。但是点火过程以迅速的顺序多次重复。

在进行充电和进行飞弧以后，在所期望的时刻通过降低供电电压V_供电来中断接下来的燃烧阶段（在开关元件IGBT接通的情况下）。在此，该供电电压迅速降低这样的值，该值是充电电流所需的并且可靠地低于电弧的经反变换的燃烧电压。因此，火花自动地熄灭，并且线圈保持为充电的。在预先给定的时刻，现在再次关闭开关元件IGBT，并且利用随后的电弧阶段进行重新的击穿。该过程现在可以根据预先设定多次重复。

利用在此所描述的方法和点火装置，完全满足了开头所提出的全部要求。由于继续使用常规的点火组件和被保持为相对简单的附加电子系统，现在仅仅存在由于现在可能缩小点火线圈而确实招致的小的附加成本。根据本发明的方法在困难的点燃情况、比如在利用乙醇运行的发动机的冷起动时是特别有利的。