CN101205867A - 用于内燃机的电感点火系统 - Google Patents

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CN101205867A CNA2007103015441A CN200710301544A CN101205867A CN 101205867 A CN101205867 A CN 101205867A CN A2007103015441 A CNA2007103015441 A CN A2007103015441A CN 200710301544 A CN200710301544 A CN 200710301544A CN 101205867 A CN101205867 A CN 101205867A
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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机的电感点火系统。该电感点火系统包括：点火线圈，其包括初级线圈和次级线圈，所述次级线圈将高电压直接供应到安装在所述内燃机的气缸内的火花塞；电子控制单元(ECU)；晶体管，其耦联于所述初级线圈和所述ECU之间；以及限压器，其以与所述晶体管并联的方式耦联于所述初级线圈和所述ECU之间，所述ECU控制所述晶体管而在预定时间中断流过所述点火线圈的初级线圈的电流从而在所述次级线圈内产生输出电压，所述限压器在流过所述初级线圈的电流中断时限制所述初级线圈内的电压，所述次级线圈具有小于10微秒的上升至其输出电压的上升时间，以将所述高电压输送到所述火花塞从而产生火花。

Description

用于内燃机的电感点火系统
技术领域
本发明总体上涉及一种用于内燃机的电感点火系统，并且具体涉及一种用于内燃机的高电压电感点火系统。
背景技术
为可靠地点燃内燃机气缸内的燃料-空气混合物，需要短时间内快速上升的点火电势，并且研究表明长时间的燃烧引弧提供改善的燃料经济性和内燃机空转特性。因为实际点火系统的参数限制，所以没有能提供一种既具有在短时间内快速上升的点火电势又具有长时间的燃烧引弧能力的电感点火系统。例如，传统上不能提供具有短时间内快速上升的点火电势能力的电感类型的点火系统，原因是在一些操作条件过程中会出现过度高的点火线圈初级绕组电位。这些过度高的点火线圈初级绕组电位会损坏点火线圈或点火线圈初级绕组激励电路切换装置。因此，必需设计这样一种点火线圈，其次级绕组与初级绕组匝数之比高到足以防止过度高的初级绕组反射电位。
中断流过点火线圈的初级电流以产生用于通过火花塞点燃引弧所需次级电压的所需电位的电感型点火系统，通常包括用于接通和断开流过点火线圈的初级电流的晶体管。点火线圈具有连接到晶体管集极的初级绕组和连接到火花塞的次级绕组。齐纳二极管连接到晶体管，以保护晶体管不承受过电压。根据齐纳二极管的齐纳电压确定晶体管的击穿电压，该电压依据晶体管的有效耐受电压通常为约350V。这些现有技术的点火系统的点火线圈表现为电压上升到火花塞的点火电压相对较慢。换句话说，该点火线圈的特征为达到火花塞的点火电压的较长电压上升时间。可以认为，如果线圈的次级电压上升得太快，则产生过量的高频能量。随后，这种能量从点火布线通过电磁辐射损耗为无线电波，而不是到达火花塞。因此，电压上升时间应该超过10微秒，传统系统通常具有约40微秒的上升时间。
但是，在内燃机内，火花塞最终因未燃气体的沉积物而污垢不堪，并且达到火花塞的点燃电压的长上升时间增加了失火的风险，因为提供了点火线圈的通过沉积物而泄漏的电压形成时间，从而使得通过火花塞电极侧部的沉积物而不是直接通过火花塞间隙处的火花塞电极产生不良火花、或者间歇火花，这明显负面影响发动机的性能和燃料经济性。如图3所示，次级线圈的用于部分污染有沉积物的火花塞的20微秒量级的电压上升时间，提供了能量通过沉积物泄漏的机会。图3的曲线图以实线示出次级线圈内的令人满意的电压上升时间，并以虚线示出不良电压上升。虚线示出能良泄漏是如何阻止次级线圈中的电压达到其最大值，次级线圈的电压达不到其最大值导致不能点燃火花，从而引起内燃室内失火。不良点火或完全失火增加使火花塞受污的几率，因此加重了所述情形。
因此，需要一种缓解传统电感类型的点火系统的一些缺点并优选地改善发动机的性能和燃料经济性的电感点火系统。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种用于内燃机的电感点火系统，所述电感点火系统包括：点火线圈，其包括初级线圈和次级线圈，次级线圈将高电压直接供应到安装在内燃机的气缸内的火花塞；电子控制单元(ECU)；晶体管，其耦联于初级线圈和ECU之间；以及限压器，其以与晶体管并联的方式耦联于初级线圈和ECU之间。所述ECU控制晶体管，以在预定时间中断流过点火线圈的初级线圈的电流从而在次级线圈内产生输出电压，同时所述限压器在流过初级线圈内的电流中断时限制初级线圈内的电压。所述次级线圈具有小于10微秒的上升至其输出电压的上升时间，以将高电压输送到火花塞从而产生火花。
在另一方面，所述限压器是将初级线圈内的电压限制到至少900V的齐纳二极管。
在还一方面，所述齐纳二极管将初级线圈内的电压限制到至少1000V。
在又一方面，由所述火花塞所产生的火花具有至少1.0毫秒的持续时间。
在另一方面，所述次级线圈具有小于5微秒的上升至其输出电压的上升时间。
在本发明的还一方面，所述次级线圈的输出电压介于0V到50,000V之间。
在本发明的再一方面，所述次级线圈的输出电压介于4,000V到40,000V之间。
本发明的实施方式各自具有上述方面的至少一个，但不一定具有全部方面。
从以下描述、附图和所附权利要求书中可以清楚本发明的实施方式的附加和/或替代性的特征、方面和优点。
附图说明
参照结合附图所做的以下描述，可以更好地理解本发明以及本发明的其他方面和进一步的特征，附图中：
图1是依据本发明的一个实施方式的电感点火系统的电路图；
图2是经历图1的电感点火系统的初级线圈和次级线圈内一个循环的电压进程的曲线图；
图3是现有技术的点火系统的电压进程的曲线图；并且
图4是依据本发明的第二实施方式的电感点火系统的电路图。
具体实施方式
参见图1，示出电感点火系统10。该电感点火系统包括结合于发动机的发动机管理系统内的电子控制单元(ECU)12、点火线圈14以及耦联于点火线圈14和ECU 12之间的点火电路16。点火线圈14包括由铁芯26磁耦联的初级线圈22和次级线圈24。点火电路16包括晶体管18和齐纳二极管形式的限压器20。晶体管18和限压器20并联连接到点火线圈14的初级线圈22。电池28连接到点火线圈14，并且给初级线圈22供应电能。次级线圈24连接到火花塞30。激发弧二极管32设置于次级线圈24和火花塞30之间以防止不需要的点火。在所示实施方式中，限压器20是齐纳二极管，但也可使用诸如比较器电路之类的其它限压装置。晶体管18是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。但是，晶体管18可为简单的双极型晶体管或MOSFET。
操作时，ECU 12在预定时间将电信号发送到晶体管18，以闭合电路并使得在点火线圈14的初级线圈22内产生电流Ip。电流在初级线圈22内增加，从而在点火线圈14内产生磁场，并且通过该过程能量被存储于线圈内。在预定时刻，ECU 12将电信号发送到晶体管18以打开电路，由此切断初级线圈22内的电流Ip。电流切断导致磁场衰减，磁场衰减使得在点火线圈14的初级线圈22和次级线圈24内产生高电压感应。尽管初级线圈22内感应的电压Vp是数百伏特量级的，但因次级线圈的匝数多得多，所以次级线圈24内感应的电压Vs是数千伏特量级的。次级线圈24和初级线圈22之间的匝数之比是40∶1量级的。在直接连接到火花塞30的次级线圈24内所感应的高电压Vs又在火花塞30的电极34和36之间产生火花，并且在火花持续时间增加时，火花电流在电极34和36之间流动，直到火花最终熄灭为止。此时，在充电过程中所存储的能量已经被完全转换。
限压器20通过对容许到达晶体管18的电压Vp进行控制的方式保护晶体管18不承受初级线圈22内所感应的电压Vp的潜在过电压。如果电压Vp超过限压器20的设定限值，则产生流过限压器20的电流，使得电流当前流过初级线圈22，从而减小电压Vp并具有成比例地减小次级线圈24的电压Vs的效应。通常，限压器设定为大约450V电压以保护晶体管不承受过电压。
但是已发现，使所感应的电压Vp达到900V电压、优选地是1000V电压、更优选地是1100V电压，提高了次级线圈24达到在火花塞30的电极34和36处产生火花所需的高电压Vs的速度，并且大大缩短了其上升时间。此外，次级线圈24的Vs上升时间的缩短改善了火花塞间隙处的电离过程，并确保火花的持续时间较长，这有助于点燃存在于燃烧室内的所有空气/燃料混合物。
如图2所示，图2以曲线图形式示出贯穿一个点火循环中的(a)通过初级线圈22的电流Ipr、(b)初级线圈22的电压Vp的进程以及(c)次级线圈24的电压Vs的进程。当闭合初级电流电路时(闭合阶段40)，电流Ipr流过初级线圈，从而在点火线圈14内形成磁场。在点火时刻，使通过初级线圈22的电流Ipr中断，从而使得磁场衰减并在初级线圈22和次级线圈24内引起电压感应。初级线圈22内的电压Vp快速地上升到电压限值Vpmax，该电压限值Vpmax是齐纳二极管20的电压限值并在该示例中设定为1100V。同时，次级线圈24内的电压Vs也快速地上升，直到Vs达到火花塞30的电压要求以电离电极34和36之间的间隙并点燃火花，该电压要求对应Vsmax。当火花出现时，电压Vs降至大约1000V的火花电压，以当火花电流流动时保持火花并随着火花持续时间42增加而减少火花，直到火花最终熄灭为止。该过程的火花持续时间42介于1.0到1.6微秒的范围内。Vsmax依据使用感应点火系统10的内燃机的类型而改变。Vsmax的范围为0V到50,000V之间，并更优选地为4,000V到40,000V之间。
因为齐纳二极管20的电压限值设定在1100V，所以次级线圈24的电压Vs的上升时间相对于现有技术系统得以显著缩短。在这种特定实施方式中，上升时间为约3微秒。将齐纳二极管20的电压限值设定在900V或更大，确保了次级线圈24的电压Vs的上升时间小于10微秒，并优选地小于5微秒，这样基本上防止了导致点火不良或失火的能量泄漏。次级线圈24处的快速电压上升降低了通过电极34和36两侧发生能量泄漏的可能性，从而确保有效的点火。次级线圈24的电压Vs的短上升时间和有效点火的附加益处是使未燃气体最少，并且因为火花塞保持得相对洁净且没有将最终提供能量泄漏路径和引起失火的累积沉积物，所以火花塞的污垢大大减少。
图4示出本发明的第二实施方式，其中由在内燃机工业中也称作双头线圈的单一点火线圈14驱动两个火花塞30和50。如前所述，点火线圈14包括由铁芯26磁耦联的初级线圈22和次级线圈24。在图4所示的实施方式中，次级线圈24连接到两个火花塞30和50。除了直接连接到火花塞30和50的次级线圈24内所感应的高电压Vs在火花塞30的电极34和36之间以及火花塞50的电极54和56之间同时产生第一火花和第二火花之外，电感点火系统60以与前文参照图1所述的电感点火系统10的方式完全相同的方式操作。当火花持续时间增加时，电流在电极34和36以及电极54和56之间流动，直到火花最终熄灭为止。
本领域技术人员可清楚本发明的上述实施方式的改型和改进。前文描述旨在进行示例而非限制。此外，出现在附图上的各种部件的特征的尺寸无意进行限制，并且本文中的部件的尺寸可不同于在本文附图中所绘出的尺寸。因此，本发明的范围仅由后附权利要求书的范围限定。

Claims (14)

1.一种用于内燃机的电感点火系统，包括：
点火线圈，其包括初级线圈和次级线圈，所述次级线圈将高电压直接供应到安装在所述内燃机的气缸内的火花塞；
电子控制单元ECU；
晶体管，其耦联于所述初级线圈和所述ECU之间；以及
限压器，其以与所述晶体管并联的方式耦联于所述初级线圈和所述ECU之间，
所述ECU控制所述晶体管而在预定时间中断流过所述点火线圈的初级线圈的电流从而在所述次级线圈内产生输出电压，
所述限压器在流过所述初级线圈的电流中断时限制所述初级线圈内的电压，
所述次级线圈具有小于10微秒的上升至其输出电压的上升时间，以将所述高电压输送到所述火花塞从而产生火花。
2.如权利要求1所述的电感点火系统，其中所述限压器是将所述初级线圈内的电压限制到至少900V的齐纳二极管。
3.如权利要求2所述的电感点火系统，其中所述齐纳二极管将所述初级线圈内的电压限制到至少1000V。
4.如权利要求3所述的电感点火系统，其中所述齐纳二极管将所述初级线圈内的电压限制到至少1100V。
5.如权利要求1所述的电感点火系统，其中由所述火花塞所产生的所述火花具有至少1.0毫秒的持续时间。
6.如权利要求1所述的电感点火系统，其中所述次级线圈的所述输出电压介于0V到50,000V之间。
7.如权利要求1所述的电感点火系统，其中所述次级线圈的所述输出电压介于4,000V到40,000V之间。
8.如权利要求1所述的电感点火系统，其中所述次级线圈具有小于5微秒的上升至其输出电压的上升时间。
9.如权利要求1所述的电感点火系统，其中所述次级线圈将高电压直接供应到安装在所述内燃机的气缸内的两个火花塞。
10.一种用于内燃机的电感点火系统，包括：
点火线圈，其包括初级线圈和次级线圈，所述次级线圈将高电压直接供应到安装在所述内燃机的气缸内的火花塞；
电子控制单元ECU；
晶体管，其耦联于所述初级线圈和所述ECU之间；以及
齐纳二极管，其以与所述晶体管并联的方式耦联于所述初级线圈和所述ECU之间，
所述ECU控制所述晶体管，以在预定时间中断流过所述点火线圈的初级线圈的电流从而在所述次级线圈内产生输出电压，
所述齐纳二极管在流过所述初级线圈的电流中断时将所述初级线圈内的电压限制到至少900V，
所述次级线圈具有小于10微秒的上升至其输出电压的上升时间，以将所述高电压输送到所述火花塞从而产生火花。
11.如权利要求10所述的电感点火系统，其中所述齐纳二极管将所述初级线圈内的电压限制到至少1000V。
12.如权利要求10所述的电感点火系统，其中所述次级线圈具有小于5微秒的上升至其输出电压的上升时间。
13.如权利要求10所述的电感点火系统，其中由所述火花塞所产生的所述火花具有至少1.0毫秒的持续时间。
14.如权利要求10所述的电感点火系统，其中所述次级线圈将高电压直接供应到安装在所述内燃机的气缸内的两个火花塞。
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