用于内燃发动机的点火系统的制作方法

专利名称：用于内燃发动机的点火系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆结构，具体涉及用于内燃发动机(ICE)的电子 点火系统。本发明可以用于火花点火系统中，从而使发动机在低温和/ 或高湿度的条件下、以及燃料-空气混和物的质量不高的情况下更稳定 地操作。
背景技术：
已知一种增加火花塞中的火花的等离子体量的设备(2001年公开 的俄罗斯专利2171909， Int.class7F02P3/04， F02P3/08)。该设备包括 与紧挨着火花塞的火花间隙并联的串联LC电路，以消除火花塞的次 级电路的高电阻线的影响。通过将火花燃烧时间增加8至10倍，该设 备将火花量增加了3至4倍，并增强了电离和热效应。这种已知的设 备解决了火花电流增加的问题，但是将附加的元件引入了该方案。这 种点火系统的主要缺点是由点火线圈的次级绕组形成的振荡电路的较 高的波阻抗(p 1MQ)，其容易被电路中的泄露阻抗(leakage impedance)所旁路。可以通过ICE的电子点火的弛张振荡系统(1996年公布的俄罗斯 专利2054575， Int. Class 7 F02P3/04)来获得所需要的时间可控的连续 放电持续时间。将两个附加的二极管引入了该ICE点火系统，该ICE 点火系统的点火线圈的初级电路包括高电压晶闸管-电容器单元、低电 压增压器单元、以及晶闸管开关。第一二极管与由晶闸管和电容器组 成的电路并联，并且连接晶闸管阳极和增压器单元。第二二极管与晶 闸管-电容器电路的中点以及点火线圈的初级绕组的输出相连。点火系 统产生驰张振荡，从而能够把连续放电电流支撑所需时间，并形成宽 的初始火焰前端。该点火系统确保了燃料混和物的有效燃烧，并且改
进了燃料消耗效率。该系统的缺点是附加元件的引入。标准的现有点 火线圈的使用不能解决次级绕组的振荡电路的较高的波阻抗P的缺 点。由于火花塞放电间隙被泄漏阻抗所旁路，这降低了发动机在不利 条件下的操作和启动的可靠性。根据1998年公开的俄罗斯专利RU 2107184， Int. class 7 F02P3/04 可知，在-不利条件下(特别是在冬季时)，使用ICE的火花点火系统 有助于启动发动机。该点火系统包括被包括在点火线圈的初级绕组 中的串联的变压器、倍压器、稳压器以及断路器。在火花塞放电间隙 前的点火线圈的次级绕组电路中引入了较大的附加的火花间隙。这种 结构降低了不期望的泄漏电流效应，使得几乎全部能量都花费在火花 塞中的火花产生。然而，这种结构并未消除电容放电阶段(capacitance phase of a discharge),其中放电间隙中的电流能量的主要部分花费在 破坏火花塞电极。另一缺点是该方案增加了复杂度，引入了大量用于 稳压的附加元件，并且额外地腐蚀了附加的火花间隙中的材料。在标准的点火系统(例如，参见作者为S.V.Akimov和Yu.P.Chizhov 的"Electrical equipment of automobiles", a manual for higher school, 第188—191页，"ZaRulem"， 2001)中包含有与所提出的点火系统最 大数量的公共元件，将该系统选作最接近的对应物(原型)。该原型点 火系统包括电源、开关、由初级和次级绕组以及磁导体组成的点火线 圈、火花间隙、以及该初级和次级绕组的电路中的振荡回路(tank) 和有功电阻(active resistance)。这个标准点火系统的缺点是其不可靠 的性能。火花塞绝缘体上的烟尘和潮湿以及点火分电器中和高压线上 的污垢和冷凝物导致了发动机摆动或者点火系统的完全失效。特别是 在冬季的低温下使用机动车辆时经常会发生这种情况。分析显示，在典型的点火系统中，当在火花塞上产生高电压并且 放电电流在其中流动时，存储在点火线圈中的相当一部分能量被损耗。 主要的损耗是由于高电压电路中的泄漏电流。此外，在线圈的磁导体 以及电容放电阶段中发生了严重的感应损耗。
发明内容
本发明所解决的问题是，由于通过使由作为点火系统的一部分的 电感和电容所形成的电路的波阻抗P的数值与火花放电参数(即击穿电 压和放电电流)相匹配而消除"开销"损耗，从而增大了火花功率和 点火系统的火花产生的可靠性。通过以下事实来达到该技术效果作为原型，所提出的点火方案 包含由初级和次级绕组以及磁导体组成的点火线圈、以及包括在点火 线圈的次级绕组电路中的火花间隙。所开发的点火系统的新颖性在于，点火线圈被设计为在考虑到泄 漏电流的情况下，使由次级绕组中的电感和有效电容所形成的振荡电 路的波阻抗P处于以下范围中其中，U&是用于保证击穿的放电间隙中的电压的最小值，Im^是 火花放电的最大允许电流。通过高电压火花燃烧向低电压等离子弧放 电模式转变的条件，来限制放电电流的最大值，对于低电压等离子弧 放电模式，该弧的主要能量并非花费在加热燃料一空气混和物，而是 花费在破坏火花塞电极。在一种特定情况下，为了消除电容放电阶段中的损耗，可以制造 具有增大的杂散磁通的点火线圈的绕组，例如以晶片的形式来制造。在另一特定情况下，为了减少由于涡电流导致的损耗，可以使用 具有低单位损耗的材料来制造点火线圈的磁导体，例如额定频率为400Hz的变压器铁芯。在高电压产生期间，不受控制的能量损耗与泄漏电流有关。计算 表明，具有标准线圈的点火系统的波阻抗p的最典型值总计大约为1MQ。当这种系统中由于泄露阻抗等于波阻抗而出现泄漏电流时，火花间隙中的电压大约减少两倍，这导致了点火系统的故障或者火花能 量的显著降低。在火花燃烧期间，大量的能量损耗是由于燃料-空气混和物的热传 导，因此在小火花功率的情况下，即使经过更长的点火持续时间，燃 料-空气混和物也可能不能点火。
可以对所提供的声明的效果进行如下说明。可以以电路中的电压的形式来写出由点火系统的次级绕组电路所 表示的并联振荡电路的波动方程的解(1)其中Uamp是电压的振幅值，CO和t分别是频率和时间，L、 C和R,eak是具有常用名称的电路参数。在点火线圈的初级电路中的开关断开时，电压在时刻、^ =^7时针对R^k = P达到最大值。此时火花塞中的点火所必需的条件是Um^ 2 Ubr，其中P vmax^max — 7匪P e (2)根据等式(2)，对于保持放电间隙击穿条件的泄漏阻抗，我们发现2凡—7'上/ei — 2UnZ^ , (3) 根据等式(3)，我们发现，对于泄漏阻抗的最小值的波阻抗是"1,83， (4)max假设针对点火系统的无故障服务的可接受的条件关于最小值增加了1.5倍，则我们发现，波阻抗p的可允许值的范围是~7-< Z7 < - (5)J max J max 乂 /考虑到Ubr和Imax的典型值分别总计为 10—15 kV和 0.3 A，我们 获得与条件(5)相对应的数值p的范围50< p < 180 m . (5a) 根据同一等式(3)得到使得点火系统免于故障的泄漏阻抗，可以 看出泄漏阻抗的最小值等于波阻抗，也即R^k-p。


图1示出了所提出的点火系统的等价方案。
具体实施方式
该点火系统包括被包括在点火线圈的初级绕组电路5中的电源1、有功电阻2、电容器3和换向器4。该点火线圈还包括被设计作为 磁芯6的磁导体、以及次级绕组7，该次级绕组7的电路包括次级绕 组7的自感8、根据初级电路而计算的电容9、泄漏阻抗IO、以及火 花塞的放电间隙ll。电源1是电池，电阻2是初级电路的有功电阻。点火线圈被设计 为变换系数Ka 15-30。因此，获得了波阻抗p^l00kQ的系统，其与 额定值(4)相对应。点火线圈的初级绕组5中的最大电压达到 1000-1500V，这增加了对用于换向器4的元件基材(element base)的 选择的要求。可以使用具有低单位损耗(specific loss)的材料(例如额定工作 频率为400Hz的变压器铁芯)来制造点火线圈的磁芯6。次级绕组7还可以被设计为晶片。在这种情况下，(未经磁通量 与初级绕组相连的)次级绕组7的自感8限制了火花电流并消除了电 容放电阶段中的损耗。基于对该系统中产生火花所需的特定量的能量进行积累的要求， 选择与工业设计的现有(off-the-shelf)点火线圈相同的线圈参数。在 特定实施例的情况下，点火线圈的初级绕组5的电感总计为L 4 mH， 线圈电流I《6-8A，用于保护电子开关(换向器4)承受过电压的电 容器3的电容是Ca0.1 ^F。图1中所示的所提出的点火系统如下操作。当接通点火线圈的初 级绕组5中的换向器4时，产生从电源1经过该线圈的初级绕组5和 换向器4的电流。当该电流达到最大允许值时，线圈中积累了足够用 于在火花塞中产生火花放电的能量。当来自曲轴位置指示器(未示出) 的信号切断换向器4时，初级绕组5的电流对电容器3进行充电，在 次级绕组7中感生出高电压。当该电路中达到足够用于打破(break)
火花间隙11的电压时，发生击穿，并引起经过该线圈的次级绕组7 的电流。该电流由点火线圈自身的电流和电容器3的放电电流组成， 针对点火线圈的次级电路通过以下公式将其计算为电容9:C 2 = C！/尺2其中，K是该线圈的次级绕组7的匝数与该点火线圈的初级绕组 5的匝数之比。使用现代元件基材来制造电子开关(换向器4)以及具有初级绕 组5和次级绕组7的改变的匝数比的点火线圈产生了如下的点火系统 其具有与条件(5)相对应的较低的波阻抗p 100kQ，对于泄漏电流较不敏感，并且如果火花放电电流增加到Imax-0.3A则具有显著提高的火花能量。具有所要求保护的特性的点火系统用于恒定能量消耗(点火线圈 的恒定最大电流)。由于泄漏阻抗10的数值几乎总是大于次级绕组电 路的波阻抗p，并且不会被旁路，因此与己知的对应物相比，所获得 的系统对于泄漏电流较不敏感，这使得能够消除"开销"损耗，从而 解决所提出的问题。根据这些权利要求的第二段的点火系统操作的细节是，由于与对 应物相比增加了杂散磁通(magnetic stray flux)，从而限制了火花放电 电流，例如，这通过以晶片的形式制造点火线圈的次级绕组7以消除 电容放电阶段中的损耗而实现。根据这些权利要求的第三段的点火系统操作的细节是，在产生高 电压的期间，由于使用具有低单位损耗的变压器铁芯来制造线圈的芯 6，所以明显减少了能量损耗(磁导体发热)。对根据第6页上的特定实施例的示例而制造的点火系统的测试确 定了火花塞中的火花产生的高稳定性，因此即使在大约十万公里以后 火花塞仍保持可用。火花塞绝缘体上的烟灰沉积、汽油、防冻剂的存 在不会影响发动机的稳定操作。通过所开发的点火系统所确保的放电能量的增加，导致燃料混合 物的更加充分的燃烧，由此降低了排气毒性。 工业应用性
所开发的ICE的点火系统是基于现代元件基材(组件)来制造的。 点火线圈的次级绕组的匝数总计为 2000，由于通常的匝数处于16000 至40000的范围之内，因此这应当会降低其在连续生产中的成本。现在，已经针对不同的车辆制造测试了所开发的ICE的点火系统 的三个样品。该测试表明了燃料-空气混合物的高点火效率。所开发的ICE的点火系统准备用于大规模生产。
权利要求
1、一种ICE点火系统，包括具有初级绕组和次级绕组的点火线圈、磁导体、以及包括在所述点火线圈的次级绕组电路中的放电间隙，其特征在于，所述点火线圈被设计为在考虑到泄漏电流的情况下使得由所述次级绕组中的电感和有效电容所形成的振荡电路的波阻抗ρ处于以下范围内<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mfrac> <mrow><mn>1.4</mn><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>U</mi> <mi>br</mi></msub> </mrow> <msub><mi>I</mi><mi>max</mi> </msub></mfrac><mo>&lt;</mo><mi>&rho;</mi><mo>&lt;</mo><mfrac> <mrow><mn>4.5</mn><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>U</mi> <mi>br</mi></msub> </mrow> <msub><mi>I</mi><mi>max</mi> </msub></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2006800240117C00011.gif" wi="216" he="42" img-content="drawing" img-format="tif"/-->其中Ubr是用于保证击穿的放电间隙中的电压的最小值，以及Imax是用于使火花不会转换为低电压电弧放电的火花放电的最大允许电流。
2、 根据权利要求1所述的ICE点火系统，其特征在于，所述点 火线圈的绕组被设计为具有增加的杂散磁通，例如具有晶片的形式。
3、 根据权利要求1或2所述的点火系统，其特征在于，所述点 火线圈的磁导体由具有低单位损耗的材料制成，例如额定频率为 400Hz的变压器铁芯。
全文摘要
该设备涉及车辆结构，即内燃发动机的火花点火系统。本发明能够提高发动机性能的可靠性，特别是在低温和高湿度的情况下。该点火系统中的点火线圈被设计为在考虑到泄漏电流的情况下使得由次级绕组中的电感和有效电容所形成的振荡电路的波阻抗ρ处于以下范围内(见公式)，其中U_br是用于保证击穿的放电间隙中的电压的最小值，I_max是用于使火花不会转换为低电压电弧放电的火花放电的最大允许电流。在该范围内的波阻抗ρ的值与火花放电的参数(击穿电压和放电电流)相适应，这降低了点火系统中的不期望的能量损耗，并提高了火花功率。
文档编号F02P3/02GK101213366SQ200680024011
公开日2008年7月2日 申请日期2006年4月25日 优先权日2005年5月5日
发明者米克海尔·潘特雷莫诺维奇·布里泽涅夫 申请人:范应用物理研究院