带有驱动器的点火线圈的制作方法

专利名称：带有驱动器的点火线圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及点火线圈。更具体地说，本发明涉及能够直接连接到单独火花塞输入端上的小型点火线圈。本发明还涉及分配式点火或双点火式点火(dual-fire ignition)。
多年来，利用火花塞和点火线圈来引起燃烧的标准往复式内燃机的设计所采用的燃烧腔形状和火花塞的布置受到需要仅利用强度相对较低的单个短持续时间火花来可靠引起燃烧的严重影响。但是近年来，人们越来越注重燃料的效率、燃烧完全、排气清洁以及降低燃烧循环间的变化性。
因此非常希望将点火线圈尽可能地靠近火花塞的输入端子设置。归根结底，发动机的制造商希望使单独的点火线圈与内燃机的每个火花塞相关联。但是将点火线圈直接与每个火花塞相连的能力已受到点火线圈的尺寸以及车辆的发动机舱内这种点火线圈可能得到的空间的限制。一般来说，在过去，如果点火线圈尺寸非常小，那么它们就会缺少将电池电压转变为足够的火花产生能量而必须的电容。因此需要生产一种带有驱动器的点火线圈，它在尽可能小的包装内具有最大的功率输出。
点火线圈的标准设计是在层状芯的一个腿部上具有一个初级绕组和一个次级绕组。一般来说，初级绕组靠近层状芯缠绕，而次级绕组置于初级绕组之上。这是因为初级绕组的电阻通常较低，因此“匝的平均长度”最低。初级绕组上的次级绕组具有适当的“耦合”和“漏电感”，以形成所需的输出电压、电压上升时间等。
前进(progressive)绕组或“迭绕线圈”是一种旧技术。前进绕组用于点火线圈是近些年的事。这是因为线圈的横进程(windingtraverse)必须是较长，以便(逐层)使电压分布展开。普通的线圈设计会将次级线轴(bobbin)的总横进程(长度)限制在1英寸至1.5英寸。近年来开始采用“笔形线圈”。这种“笔形线圈”设计是直径非常小(通常小于1英寸)并且长度为4至6英寸的点火线圈。这种类型的线圈直接安装在火花塞上，并通常用于其中火花塞放置在圆柱形孔内的顶置气门式发动机上。该圆柱形孔是非常好的容纳点火线圈的地方。该线圈能量通常非常低的(30毫焦或以下)。初级绕组通常缠绕在层状芯上，次级绕组置于初级绕组之上。次级绕组圆直径很小，线圈横进程为3英寸。
这些早期设计缠绕成类似于传统点火线圈设计的“分段式线轴”。但是最近，几家公司已经在这种笔形线圈上采用了前进绕组。前进绕组技术消除了间隔以及因此而来的分段式线轴的凸缘。这种绕组更快，并且消除了凸缘意味着不需要停止或减慢缠绕过程来改变间隔。而且，前进绕组避免了导线在凸缘上挂住而不会落入间隔的底部的问题。这是分段式线轴线圈的主要问题，因为这会形成一个具有整段电压应力的导线回路。通常，在缠绕之后不会看见该回路。因此该线圈可以通过可靠性和质量检测，直到最后在现场操作中发生事故。次级线轴较为简单，因此成本也比分段式线轴低。
前进缠绕的次级线圈的问题在于它们需要2-3英寸的横进程，而不是在层状芯的一个腿部上可以获得1英寸至1.5英寸的横进程。因为这种相对短的横进程，传统的线圈(仅在一个腿部上具有初级线圈和次级线圈)会具有相对较大的轮廓，因此需要较多的材料(尤其是0.05mm次级线圈的高昂成本)，并且每匝具有不必要的大电压应力。
过去，美国已经给许多发明人授予了与这种点火线圈设计有关的多个美国专利。
例如1998年9月15日授予French等人的美国专利第5806504号提出了用于内燃机的点火线路，其中点火线路包括具有用于产生火花的次级线圈以及第一和第二初级线圈的变压器。电容器与第一初级线圈相连，以向该变压器提供高能电容放电电压。电压发生器与第二初级线圈相连，用于产生交变电压。控制电路与电容器和电压发生器相连，用于提供控制信号以使高能电容放电电压向第一初级线圈放电，并为电压发生器提供控制信号以便产生交变(alternative)电压。
1991年3月12日授予K.P.Gokhale的美国专利第4998526号披露了一种交流点火系统。该系统向火花塞的电极施加交流电流，以在该电极处在所需时间段内保持电弧。该电弧电流的幅度可以变化。通过一种DC至AC逆变器来扩大所述交流电流，该逆变器包括具有中心抽头的初级线圈和与火花塞连接的次级线圈的变压器。通过使电容器向中心抽头的初级线圈处的一个绕组部分放电，从而在火花塞处引发电弧。或者，可以将存储在感应器中的能量施加在初级绕组部分上以引发电弧。点火系统由受控的电流源供能，该电流源接受来自例如机动车上电池的直流电压源的输入电能。
1949年2月22日授予Elton C.Hallett的美国专利第2462491号描述了一种点火线圈和滤波器屏蔽组件，它利用完全封闭电气单元某些部分的金属外壳来屏蔽和保护包括内燃机点火系统部分在内的电气单元。
1949年10月18日授予G.L.Lang的美国专利第2485241号描述了一种无线电屏蔽单元，它涉及到用于内燃机的启动单元等的屏蔽装置，尤其涉及用于使这种单元与无线电噪音泄漏相屏蔽的新型改良装置。
1954年4月13日授予W.W.Cushman的美国专利第2675415号描述了一种用于发动机的无线电干扰抑制装置，它涉及防止由于内燃机等的高压点火元件的操作而导致的无线电干扰等的装置。
1958年6月24日授予C.S.Marsen的美国专利第2840622号描述了一种屏蔽点火线圈，该线圈涉及在高压部件例如火花线圈和内燃机点火系统的配电器之间的电连接，并且尤其涉及这些连接的电磁屏蔽以防止由高压电流产生出的无线电干扰。
1962年8月7日授予S.E.Estes的美国专利第3048704号描述了一种线圈罩，该线圈罩涉及对内燃机的电系统进行屏蔽，并且更具体地说涉及用于点火线圈的屏蔽罩。
1970年11月24日授予Dusenberry等人的美国专利第3542006号描述了一种内燃机无线电频率辐射抑制点火系统，该系统将其宽度比当前在内燃机燃料配电器的旋转端子和每个固定端子之间的正常宽度更大的间隙与电视-无线电辐射抑制点火电缆和电阻器型火花塞结合。
1989年10月24日授予A.O.Fitzner的美国专利第4875457号描述了一种用于保护发动机电子器件不受无线电频率干扰的设备和方法，该无线电频率干扰抑制了在封装在金属外壳中的电子控制组件上的RFI效应。
1993年1月26日授予给Koiwa等人的美国专利第5181498号描述了一种用于内燃机的点火设备，该设备能够降低由于布线成相当大的程度而产生的噪音和能耗。
1994年11月1日授予给Kwi-Ju Kim的美国专利第5359981号描述了一种防止从汽油发动机的点火装置传导并传播出电磁波噪音的设备。
1997年4月1日授予给Morita等人的美国专利第5615659号描述了一种用于内燃机的点火设备。
本发明的一个目的在于提供一种能够采用次级前进(迭绕)线圈而没有采用“笔形线圈”结构的点火线圈，因此能够保持常规点火线圈的封闭回路磁路的效率。
本发明的一个目的在于提供一种具有低轮廓(low profile)的点火线圈。
本发明的另一个目的在于提供一种具有驱动器的点火线圈，它所需要的材料量最少。
本发明的另一个目的在于提供一种具有驱动器的点火线圈，其中每匝磁线的平均直径尽可能小。
本发明还有一个目的在于，提供一种具有驱动器的点火线圈，该点火线圈减小了每相邻匝的电压应力。
本发明还有一个目的在于，提供一种具有驱动器的点火线圈，该点火线圈相对便宜并且非常可靠。
从附加的说明书和附属权利要求中可以了解本发明的这些和其它目的和优点。
在本发明中，所述芯部的第一和第二腿部以大体上平行的关系布置。第一和第二腿部在它们之间具有气隙。该气隙可以具有在第一和第二腿部之间设置在其中的磁体。芯部由层状硅钢结构形成。每个腿部具有大体上为非方形的横断面，并且优选的是为大体上圆形的横断面。
第一初级绕组缠绕在第一初级线轴上。第一初级线轴直接设置在第一腿部上面且靠近第一腿部。第二初级绕组缠绕在第二初级线轴上。第二初级线轴直接设置在第二腿部上面且靠近第二腿部。第一初级绕组可以在第一初级线轴上缠绕成单层。第二初级绕组可以在第二初级线轴上缠绕成单层。
第一次级绕组在第一次级线轴上前进缠绕成多层。第一次级线轴直接设置在第一初级绕组上。第二次级绕组在第二次级线轴上前进缠绕成多层。第二次级线轴直接设置在第二初级绕组上。第一和第二次级线轴只在每个端部上具有凸缘并且在它们之间没有凸缘。
在本发明的优选实施方案中，第一和第二初级绕组的每一个在#23规格的磁线的单层中具有大约64匝。第一和第二次级绕组中的每一个是大约12个前进缠绕层布置的约5000匝#42规格磁线。
控制装置与第一和第二初级绕组电连接。控制装置选择地使来自电源的电压传送至第一和第二初级绕组。电源通常为汽车的电池。盒子容纳着在其中成封装关系的芯部、第一和第二初级绕组以及第一和第二次级绕组。火花塞端子在盒子表面处露出。该外壳具有通向用于第一和第二初级绕组的端子的孔道，从而第一和第二初级绕组可以与电源连接。火花塞端子孔道直接设置在内燃机的火花塞的端子上。
在

图1中，盒子12为聚合材料盒子，其中每个组成部件装在里面。火花塞端子20适用于装在火花塞输入端的上面。所述电子组件外壳22适合于与合适的控制器连接以便电子地控制从车辆电池到初级线圈的电力和电压的通道。
在图1中，可以看出，芯部14具有第一腿部24和第二腿部26。第一次级绕组16设置在位于第一腿部24上面的初级绕组上(将在后面进行阐述)。第二次级绕组18设置在位于第二腿部26上面的初级绕组上。在第一腿部24和第二腿部26之间形成有气隙29。磁体31设置在这个气隙29中。磁体31和气隙29使B-H曲线偏转。这使芯部14在更小的芯部层状横断面的情况下也不会出现磁饱和。如在图1中可以看出，腿部24和26相互成平行关系。芯部14由层状硅钢结构形成。
图2显示出图1的装置的横断面视图。可以看出，盒子12围绕着芯部14、腿部24和26及其相关的次级绕组16和18延伸。重要的是，在图2中可以看出，第一次级绕组16围绕着第一初级线轴28延伸。同样，第二次级绕组18围绕着第二次级线轴30延伸。第一初级绕组32围绕着设置在腿部24上面的第一初级线轴34延伸。第二初级绕组36在第二初级线轴38上延伸。第二初级线轴38设置在第二腿部26上。
重要的是，在图2中可以看出，腿部24和26由层状材料形成。层状材料的具体设置使得腿部24和26中的每一个具有大体上为圆形的横断面。这些大致为圆形的腿部的确使得初级次级线轴成为圆形，而不会在盒子12内出现任何浪费的空间。例如，如果将方形腿部设置在圆形线轴中，则会出现空间浪费。腿部24和26中的每一个的大体上为圆形的横断面的确给出了一种具有同等性能的更小的结构。可以很容易通过使用计算机控制的机器来进行逐渐层状冲压来生产出用于形成芯部14和相关腿部24和26的层状结构。
图3显示出本发明系统的示意图。在图3中可以看出，初级绕组32和36串联连接。电源例如车辆电池42通过开关40与初级绕组32和36相互连接。开关40可以具有控制器的性质，这使得开关40能够选择地启动并且使来自电池42的电能传送到初级绕组32和36。在本发明的优选实施方案中，初级绕组32和36每个都在相应线轴34和38上缠绕成一个单层。初级绕组32和36中的每一个在#23规格磁线的单层中可以具有大约64匝。初级绕组32和36被显示出在与芯部14相对的位置上。次级绕组16和18串联连接。在本发明的优选实施方案中，次级绕组16和18在它们的相应线轴28和30上前进地缠绕成多层。具体地说，第一和第二次级绕组16和18中的每一个可以具有布置成大约12层前进缠绕层的5000匝#42规格磁线。由在图3中所示的电路所产生的变压器效应将使得60毫焦的电能输送给火花塞44。增加或减少初级和次级的匝数可以形成各种电能和二级输出电压。由于初级绕组和次级绕组紧密连接，所以能量比普通线圈高25％至30％。
重要的是要注意，使用串联连接的单独初级绕组32和36并且使用串联连接的单独次级绕组16和18使得总次级绕组长度在2至3英寸之间。这还使得这些绕组能够前进地缠绕。初级次级绕组的“匝的平均长度”更短。这样，在设计中就需要更少的磁线。对于次级绕组而言所需要的磁线大约要少50％。与现有技术相比，通常断面的线轴线圈包含大约0.1磅的小规格线(直径为0.0025英寸)。相反，本发明的结构包含0.05磅相同的线，但是输送了60毫焦的能量。
在本发明中，可以与外壳22连接并且在图3中由开关40表示的电子组件可以包含达林顿晶体管或者被称为“IGBT”的专用晶体管。这执行开关40的功能。这代替了标准现有技术点火系统的断路器触点。该电子组件还可以包括用于“箝位”(“clamping”)初级电压的装置以便保护IGBT和其它部件不会受到过电压。控制器可以包含在峰值初级电流高于设计水平的情况下瞬间切断电源的电路。还可以将各种其它保护电路结合进控制器电子器件的设计中。
图4为在次级线轴28上的前进绕组的布置的放大截面图。可以看出，在线轴28上以前进的方式设有总共六层线50。前进绕组的目的在于降低在这些层内或之间尤其是在一层的第一匝和下一层的最后一匝之间的电压。在前进绕组中，这些层以与用沙形成山脉类似的方式成一定角度或倾斜地设置或者通过将板条靠在墙上来设置。具有前进绕组的绕组以一角度缠绕磁线。这是通过向前移动、在连续的层中返回但是对于每个向前和返回层而言具有特定的前进来实现的。前进绕组避免了绕组线轴的多个间格带来的问题。还有，在图4中可以看出，在图4中的七层的高度小于这些线中的每一根直接位于下层线的顶部上的高度。如在图4中所示的线图案52显示出缠绕线50以便实现这种前进缠绕效果的方式。
图5显示出其腿部26暴露的芯部14。可以看出，腿部26具有由层状钢形成的大体上为圆形的横断面。次级线轴28(没有所示的绕组)设置在了另一个腿部24(未示出)上。次级线轴28是一种圆柱形线轴，它在位于线轴的相对端部处的凸缘之间的区域中没有凸缘。这些无凸缘的线轴使得绕组能够更快地出现而不会减速以改变间距。使用无凸缘线轴避免了线悬吊在凸缘上的问题以及不会落在间距的底部上。这样，可以避免出现不合格线圈。初级线圈和相关的线轴位于次级线轴28的内部。芯部14在一个端部处具有气隙29。磁体31设置在气隙29中。
图6显示出其具有设置在腿部26上面的第二初级线轴38以及设置在位于腿部24上面的初级线轴34上的次级线轴28的芯部14。第二初级线轴38紧密靠近位于其下面的腿部26。单层磁线作为一层缠绕在第二初级线轴38上。
图7显示出具有设置在相应腿部24和26上的次级线轴28和30的芯部14。相应的初级线轴34和38位于次级线轴28和30内部。次级线轴28和30每个将容纳大约12层#42(直径为0.0028英寸)磁线。这12层以前进的方式缠绕。
图8显示出一个盒子12，它形成为在初级绕组32和36以及次级绕组16和18上面延伸。盒子12还在芯部14上面延伸。在图8中，火花塞端子开口20使得点火线圈10能够安装在火花塞上。还设有电子组件外壳22，以便使得点火线圈10能够与适当的控制器连接。可以看出，盒子12具有非常低的轮廓以及较轻的重量(220克)。盒子12内的绕组被适当封装以便被保持在安全的位置上并不受正常振动的影响。
可以与点火线圈10连接的电子组件将使得能够正确控制从点火线圈10中输出电荷。该电子组件具有一个电子源触发器，它是用于点火线圈10的信号输入。这个电源触发器来自发动机的控制组件。该电子源触发器“打开”阈值应该小于或等于2.75伏。该电子源触发器“关闭”阈值应该大于或等于1.3伏。磁滞应该不小于0.25伏。输入阻抗应该为10KΩ+10％。电子组件必须将电子源触发器信号设定为电子源触发器低信号。该电子组件电源接地应该与电子源触发器低隔离。电子源触发器低信号的损失不会使电子组件不工作。
电子组件将具有某些输出特性。该电子组件将点火线圈初级电流的最大值限制在12安培数。正常的点火线圈初级电流将为8安培数，并且初级箝压(voltage clamp)为400-600伏。在电子源触发信号保持“打开”直到已经达到电流限制的情况中，电子组件应该立即开始使点火线圈初级电流下降。该电子组件应该能够在-40℃至150℃之间的温度下工作。电池电源电压应该为4.5伏至16伏之间。
在本发明的试验中，从相对小的包装中获得大量的火花能量。在下表1中给出了测试结果。
表1

本发明具有许多优于现有技术的优点。前进绕组降低了层之间的电压。圆形次级线轴使得在用于次级绕组的非常细的磁线上可以出现恒定的电压。缺少凸缘意味着没有回路、没有任何交叉以及恒定速度的缠绕。使用#42规格线来代替#44规格线将导致较少的拉伸和更容易连接。
对于初级绕组使用单层绕线使非常简单且容易实现。由于用于形成铁芯的层状结构覆盖有聚合材料，所以可以避免锈斑。在气隙中使用磁体将使得能够形成小得多的并且更轻的点火线圈。由于层状结构覆盖有PBT聚合物，所以不需要使用玻璃填充的环氧树脂。
本发明的上面内容和说明只是举例说明及其说明性的。在不脱离本发明的真实精神的情况下在附属权利要求的范围内可以在所示的结构中作出各种变化。本发明应该只是由以下权利要求以及其合法的等同方案所限制。
权利要求
1.一种点火线圈，它包括具有第一腿部和第二腿部的芯部；布置在所述第一腿部上的第一初级绕组；布置在所述第二腿部上的第二初级绕组，所述第一初级绕组与所述第二初级绕组串联连接；布置在所述第一初级绕组上的第一次级绕组；布置在所述第二初级绕组上的第二次级绕组，所述第一次级绕组与所述第二次级绕组串联连接；以及与所述第二次级绕组的一个端部电连接的火花塞端子。
2.如权利要求1所述的点火线圈，其特征在于，所述芯部的所述第一和第二腿部以大体上平行的关系布置。
3.如权利要求2所述的点火线圈，其特征在于，所述第一和第二腿部在它们之间具有气隙，所述气隙在所述第一和第二腿部之间具有设置在其中的磁体。
4.如权利要求1所述的点火线圈，其特征在于，所述芯部为层状硅钢结构，所述第一和第二腿部中的每一个具有非方形横断面。
5.如权利要求4所述的点火线圈，其特征在于，所述腿部中每一个具有大体上为圆形的横断面。
6.如权利要求1所述的点火线圈，其特征在于，所述第一初级绕组缠绕在第一初级线轴上，所述第一初级线轴直接设置在所述第一腿部上面且靠近所述第一腿部，所述第二初级绕组缠绕在第二初级线轴上，所述第二初级线轴直接设置在所述第二腿部上面且靠近所述第二腿部。
7.如权利要求6所述的点火线圈，其特征在于，所述第一初级绕组在所述第一初级线轴上缠绕成单层，所述第二初级绕组在所述第二初级线轴上缠绕成单层。
8.如权利要求1所述的点火线圈，其特征在于，所述第一次级绕组以多层前进地缠绕在第一次级线轴上，所述第一次级线轴直接设置在所述第一初级绕组上面，所述第二次级绕组以多层前进地缠绕第二次级线轴上面，所述第二次级线轴直接设置在所述第二初级绕组上。
9.如权利要求8所述的点火线圈，其特征在于，所述第一和第二次级线轴在位于其相对端部处的凸缘之间没有凸缘。
10.如权利要求1所述的点火线圈，其特征在于，所述第一和第二初级绕组中的每一个在#23规格磁线的单层中大约有64匝，所述第一和第二次级绕组中的每一个是以大约12个前进缠绕层布置的#42规格磁线的大约5000匝。
11.如权利要求1所述的点火线圈，还包括与所述第一和第二初级绕组电连接的控制装置，所述控制装置用来选择地使来自电源的电压传送到所述第一和第二初级绕组。
12.如权利要求1所述的点火线圈，还包括容纳所述芯部、所述第一和第二初级绕组以及在其中成封装关系的所述第一和第二次级绕组的盒子，所述火花塞端子在所述盒子的表面处露出，所述盒子具有通向用于所述第一和第二初级绕组端子的孔道，以便所述第一和第二初级绕组可以与电源连接。
13.一种用于车辆的点火系统，它包括电源；火花塞；与所述电源电连接并且与所述火花塞电连接的点火线圈，所述点火线圈包括具有第一腿部和第二腿部的芯部；布置在所述第一腿部上的第一初级绕组；布置在所述第二腿部上的第二初级绕组，所述第一初级绕组与所述第二初级绕组串联连接；布置在所述第一初级绕组上的第一次级绕组；布置在所述第二初级绕组上的第二次级绕组，所述第一次级绕组与所述第二次级绕组串联连接，所述第一和第二初级绕组与所述电源电相互连接，所述第二次级绕组与所述火花塞电连接。
14.如权利要求13所述的系统，还包括与所述第一和第二初级绕组以及所述电源电连接的控制装置，所述控制装置用来选择地使来自所述电源的电压传到所述第一和第二初级绕组。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯部的所述第一和第二腿部以大体上平行的关系布置，所述第一和第二腿部在它们之间具有气隙，所述气隙在所述第一腿部和第二腿部之间具有设置在其中的磁体。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯部为层状钢板结构，每个所述腿部具有大体上为圆形的横断面。
17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一初级绕组缠绕在第一初级线轴上，所述第一初级线轴直接设置在所述第一腿部上面且靠近所述第一腿部，所述第二初级绕组缠绕在第二初级线轴上，所述第二初级线轴直接设置在所述第二腿部上面且靠近所述第二腿部。
18.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一第二绕组以多层前进地缠绕在第一次级线轴上，所述第一次级线轴直接设置在所述第一初级绕组上面，所述第二次级绕组以多层前进地缠绕在第二次级线轴上，所述第二次级线轴直接设置在所述第二初级绕组上面。
19.如权利要求18所述的点火线圈，其特征在于，所述第一和第二次级线轴在位于其相对端部处的凸缘之间没有凸缘。
20.如权利要求13所述的点火线圈，其特征在于，所述电源是具有4.5伏与14伏之间容量的电池，所述第一和第二初级绕组中的每一个在#23规格磁线的单层中大约有64匝，所述第一和第二次级绕组中的每一个具有以约12层前进缠绕层布置的#42规格磁线的大约5000匝。
21.如权利要求13所述的系统，还包括容纳所述芯部、所述第一和第二初级绕组以及在其中成封装关系的所述第一和第二次级绕组的盒子，所述盒子具有在其表面处露出的火花塞端子，所述火花塞具有直接连接在所述火花塞端子孔道内的端子。
全文摘要
一种点火线圈(10)，包括具有第一腿部(24)和第二腿部(26)的芯部(14)；布置在所述第一腿部(24)上的第一初级绕组；布置在所述第二腿部(26)上的第二初级绕组；布置在所述第一初级绕组上的第一次级绕组(16)；布置在所述第二初级绕组上的第二次级绕组(18)；以及与所述第二次级绕组(18)的一个端部电连接的火花塞端子(20)。所述第一初级绕组与所述第二初级绕组串联连接。所述第一次级绕组(16)与所述第二次级绕组(18)串联连接。芯部(14)为层状钢结构。第一和第二次级绕组(16，18)以多层前进地缠绕在相应线轴(34，38)上。
文档编号F02P3/02GK1443278SQ01812978
公开日2003年9月17日 申请日期2001年6月14日 优先权日2000年6月19日
发明者托马斯·C·马尔斯 申请人:托马斯·C·马尔斯