具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步描述。

参见图1，本发明提供一种点火线圈输出能量评估方法的测试系统，包括ECU发动机控制单元1、点火线圈2、电流探头、电压探头5、高速数采模块6、上位机7、试验负载。ECU发动机控制单元1的发动机的负荷和转速信号输出端与高速数采模块6的信号输入端一连接，ECU发动机控制单元1的驱动信号端与点火模块IGBT的门极连接，点火模块IGBT的发射极接地，点火模块IGBT的集电极与点火线圈2的初级线圈的一端连接，点火线圈2的初级线圈的另一端与电瓶正极连接，电流探头一3的测量端设置在点火线圈2与电瓶正极之间的电路上，电流探头一3的电流波形输出端与高速数采模块6的信号输入端二连接，点火线圈2的次级线圈的一端与选择开关10的第一端连接，选择开关10的第二端与试验火花塞8的一端连接，选择开关10的第三端与齐纳二极管9的一端连接，试验火花塞8、齐纳二极管9的另一端接地，电压探头5的测量端设置在点火线圈2与选择开关10的第一端之间的电路上，电压探头5的电压信号输出端与高速数采模块6的信号输入端三连接，点火线圈2的次级线圈的另一端接地，电流探头二4的测量端设置在点火线圈2与接地端之间的电路上，电流探头二4的电流波形输出端与高速数采模块6的信号输入端四连接，上位机7的数据交互端与高速数采模块6的数据交互端连接。

ECU发动机控制单元1通过驱动点火模块IGBT控制点火线圈2进行充电或放电，ECU发动机控制单元1将发动机的负荷和转速信号发送给高速数采模块6。

点火线圈2采用输出能量为80mJ-120mJ线圈，优选为110mJ。输出能量的大小通过调整充电时间调节。采用输出能量冗余的点火线圈的目的是：确保不同发动机外特性，如最大负荷点的工况下，都能可靠点燃混合气，即其输出能量能够满足各类均质燃烧发动机的点火能量需求。

电流探头一3在线记录并监控不同发动机转速下的点火线圈2初级充电电流波形，将采集到的初级充电电流波形发送给高速数采模块6，防止充电电流过载至磁路饱和，试验过程中点火模块过热损坏点火线圈2。

电流探头二4记录不同负载下，点火线圈2的放电电流波形，将采集到的放电电流波形发送给高速数采模块6。电流探头二4的电流测试精度为1mA。

电压探头5记录试验火花塞8两电极间混合气被击穿时的电压，将电压信号发送给高速数采模块6。电压探头5的量程为0-40KV，电压测试精度为0.1KV。高速数采模块6将接收到的信号由模拟量转换为数字量，并输送至上位机7，上位机7对高速数采模块6进行参数设置和控制，对试验负载进行切换控制，对接收到的数据进行存储、分析和计算。高速数采模块6为至少具有5个独立通道的数据采集模块，采样频率可以调节，最高采样频率至少为1MHz ，否则无法记录点火线圈完整的放电波形。

通过选择开关10在第二端与第三端之间切换，实现试验负载在试验火花塞8和齐纳二极管9间切换。

试验火花塞8为经过发动机耐久试验的老化火花塞，老化火花塞的电极间隙及电极的形状能够代表产品使用寿命内极限的老化水平。

齐纳二极管9为测试点火线圈输出能量的负载，试验负载切换至齐纳二极管9时，点火线圈2的输出电压被钳制在稳压电压上，点火线圈2的放电电流波形近似线性并衰减至零。其中，稳压电压一般为1KV。如图7所示，在齐纳二极管负载下，由于放电电压为固定值，其输出的能量决定了点火线圈放电电流峰值I_{sec_max}和放电时长T_duration的大小，这两个指标通常作为点火线圈的设计输入。

本发明是一种点火线圈输出能量评估方法，包括如下步骤：

步骤1，选择需要测试的发动机并将其安装在发动机台架上，发动机能够可靠运行在外特性，如各转速下最大负荷点的工况下，其输出的扭矩能达到设计目标扭矩。在发动机的气缸内安装试验火花塞，一般选择1缸进行安装，试验负载切换至试验火花塞，启动发动机。

步骤2，当发动机水温稳定后，调整发动机的转速至起始转速点，调整发动机的负荷至全负荷，记录一段时间内的点火线圈的放电波形，放电波形数据如图2所示。本例中，发动机水温的名义值为90度，起始转速点为1200rpm，一段时间为2s。

步骤3，上位机根据点火线圈的放电波形计算得到发动机的真实点火能量需求值Edemand，具体如下：

步骤3a，加载不同转速下，点火线圈的放电波形数据簇。点火线圈的放电波形数据簇包括点火线圈初级充电电流放电波形簇、 点火线圈次级放电电流放电波形簇、点火线圈次级放电电压放电波形簇。

步骤3b，选取一个转速，提取该转速下的放电波形数据簇如图2所示。

步骤3c，在该转速下的放电波形数据簇中，提取单次点火循环下的初级充电电流波形、次级放电电压波形和次级放电电流波形，并统计点火循环数。

步骤3d，在单次点火循环过程中，基于混合气击穿电压，识别点火线圈对寄生电容的充电阶段和点火线圈的辉光放电阶段。如图3所示，次级放电电压最小值为混合气击穿电压，当点火线圈次级电压达到最大值后，迅速下降，说明混合气被击穿，点火线圈给次级寄生电容充电结束，电容开始迅速放电。混合气击穿电压前为点火线圈对寄生电容的充电阶段，混合气击穿电压后为点火线圈的辉光放电阶段。

步骤3e，根据次级放电电流波形显示的次级放电电流值I_sec和次级放电电压波形显示的次级放电电压值U_sec，计算不同放电阶段的次级放电功率，并对次级放电功率随时间积分，得到点火线圈输出能量曲线，积分公式为。

步骤3f，基于点火线圈输出能量曲线，计算混合气击穿后的电容放电能量和辉光放电的能量。两阶段所释放的能量在点火线圈输出能量波形下的占比如图4所示

步骤3g，重复步骤3c至3f，计算每次点火循环中的混合气击穿后的电容放电能量E_break，直至计算次数等于点火循环数，则继续进行步骤3h。

步骤3h，如图5所示，对每次点火循环中的电容放电能量E_break进行正态分布的概型拟合，得到其3倍标准差分布值为该转速下的点火能量需求值E_{demand_rpm}。由于该系统适用于均质燃烧发动机的点火能量评估，其中电容放电能量E_break是点火成功的唯一因素，因此，计算得到的电容放电能量E_break就是这次点火过程中发动机所需要的点火能量需求值E_demand。

步骤3i，判断所有转速是否遍历完成，如否则返回步骤3b，如是则继续进行步骤3j。

步骤3j，如图6所示，在不同转速下的点火能量需求值E_{demand_rpm}中，取最大值作为发动机的真实点火能量需求值E_demand。此值用于后续点火线圈外接试验室能量负载：齐纳二极管的参考值。

步骤4，试验负载切换至齐纳二极管，设定点火频率，启动点火开关。本例中，点火频率为25Hz。

步骤5，通过调整点火线圈的充电时间，使在相同充电时间内，点火线圈在齐纳二极管负载下的输出能量E_zener与发动机的真实点火能量需求值E_demand相等，记录此时点火线圈的放电电流波形，并根据点火线圈的放电电流波形获得放电电流峰值I_{sec_max}和放电时长T_duration。一般情况下，点火线圈在齐纳二极管负载下的输出能量E_zener会大于发动机的真实点火能量需求值E_demand，通过降低点火线圈的充电时间，即可使两者相等。

放电电流峰值I_{sec_max}和放电时长T_duration两项指标通常作为点火线圈性能设计的关键参数，基于这两项参数，就可以用于点火线圈内部参数，如匝比、磁路结构的优化设计，在满足发动机真实能量要求的前提下，进行产品优化设计。

本发明设计了点火线圈输出能量评估方法及其测试系统，能够基于当量空燃比均质燃烧发动机，进行实车真实点火能量的评估并通过负载切换，将测试得到的真实能量需求转换为齐纳二极管下相同能量输出下的放电电流峰值I_{sec_max}和放电时长T_duration，后续对点火线圈的优化设计奠定基础。

本发明能够帮助用户评估在研发动机的真实点火能量需求，帮助用户进行产品选型并优化采购成本。针对小型高增压的均质燃烧发动机，本发明能够指导点火线圈的优化设计，使高能点火线圈的精益化设计成为了可能，显著提高了产品在市场上的竞争力。本发明通过在线监测点火放电波形数据和高效的数据分析功能，可以有效分析类似点火线圈爬电、火花塞电极闪络等异常点火现象，帮助用户查找异常点火问题的原因，降低研发及售后投诉事件的处理成本。本发明不但可以检测传统点火线圈的放电波形，也同样适用于先进燃烧发动机点火系统放电波形的检测和分析。