CN101410613B - 提高电容性点火系统中火花能量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高电容性点火系统中火花能量的设备，该设备包括至少一个充电线圈(L1)，该充电线圈(L1)通过第一整流器装置(D1)向连接至点火电压变压器的初级线圈的充电电容(C1)充电，以为该初级线圈提供产生火花的能量。该设备的特征在于附加的第二整流器装置(D2)和开关装置(Q2)的布置方式使得该开关装置能够周期性地短路充电线圈并因此当发动机速度低时增加充电电容的电荷。

Description

提高电容性点火系统中火花能量的方法和设备 
技术领域
本发明涉及一种提高火花能量的方法和设备，尤其是在小型的、没有内燃机电池的所谓“电容性放电点火(CDI)”系统中的方法和设备，在该系统中通过发动机和连接至或集成在飞轮中的相关控制电路产生点火电压。 
本发明的实施不需要改变现有发动机的如磁化强度，铁芯等的外部条件。更通常地，可以使用本发明的构思来引起更强的电压产生，尤其是在小型的移动内燃机系统中。 
背景技术
这些方法和设备特别应用于小型的、移动的、由手动启动的内燃机提供动力的装置，比如链锯、剪草机和外置马达等不同类型的辅助装置。尤其当速度低时，比如启动这样的辅助装置时，传统的点火系统难以释放足够的火花能量以确保快速、可靠的启动。 
专利文件US6701896示出一种方法，通过该方法能够延长火花的燃烧时间，以此使得能量增加。但是当速度低时，该方法仅提供小的或者没有提供额外的能量。 
发明内容
本发明的目的是通过根据本发明的构思的极具成本效益的电路，显著地提高火花的可用能量。这尤其适用于低速，比如在当特别强调火花能量低的问题的时候的启动时。 
根据本发明的方法可以利用在已知的传统系统中完全不被注意的能量。参阅比如US6701896和下面的描述，传统的CDI系统具有布置在磁路铁芯上的所谓“充电线圈”，发动机每旋转一圈，该“充电线圈”被激发一次。 
发动机每旋转一圈，该充电线圈上的感生电压就通过整流器向电容器加载一次能量。然后，电容器通过在同一或另一铁芯上的构成变压器初级线圈的另一个线圈循环地放电，并且相关的次级线圈产生火化塞的火花电压。
充电线圈上的电压主要与线圈的匝数和发动机的转速成比例。一方面，人们希望在发动机的速度低时充电线圈的匝数高以引起可接受的充电电压；另一方面，人们希望在发动机的速度高时匝数较低从而不会将电容器暴露于过电压。 
根据本发明的方法和设备给出了比如对于高发动机速度优化充电线圈的匝数的可能性，与此同时，也给出了在发动机的速度较低时电容器保持适当的电荷水平的可能性。 
这可通过向传统电路增加两个相对低成本的部件而实现——即一个附加的整流二极管和一个能短路充电线圈的晶体管。由于在发动机速度低时来自充电线圈的充电脉冲相对较长，所以可以通过将所述晶体管以一定频率打开和关断来使得电容器的充电过程更有效，与此同时，额外的能量被控制来使得电容器的充电电压不会到达有害的水平。 
将来，环境需求可能要求这里讨论类型的小型发动机设置燃料喷射系统代替汽化器。这为监督和控制燃烧提供了更大的可能性，即人们获得了更多的功率、更少的燃料消耗、更清洁的废气等。转换到燃料喷射系统的一个问题是这些系统需要多得多的能量。正如我们所知的，燃料在压缩阶段中被压入汽缸。这通常由需要相当多能量的电动喷射器来完成。由于从重量角度考虑，人们不希望在移动、便携的系统上附加电池，因此与飞轮相关的发电机必须供给该能量。不管人们如何选择来设计这样的发电机，必须优化该发电机以在显著低于对CDI系统的充电电容进行充电的电压的电压下对喷射系统供给大量的能量。通过根据本发明的方法也能处理该问题，即通过根据本发明的方法低电压线圈能对充电电容产生“高电压”。 
根据本发明的方法和设备的另一个优点是能使用现有添加不同乙醇的所谓环境友好燃料(比如E85)，而运行不会受到与传统点火系统一样严重的问题的影响。由于乙醇的蒸发性确实较差因此易燃性比较不好，所以用某种乙醇燃料启动冷发动机所需的点火能量要高于用纯汽油的启动。 
本发明的再一个优点是从下面将明白的所述附加晶体管能用以限制或者完全关断充电功能。这个事实可运用以提供所谓的“一按停”功能：当探测到用来通过晶体管完全短路充电线圈的瞬时揿钮时，会使得没有能量到达充电电容，从而造成发动机的停止。 
充电电容的电压水平同样能通过晶体管控制。比如，控制可以根据下面 的方式执行：当发动机速度低时，附加晶体管将按照示意图2被脉冲以增加充电电压。当速度增加并且比如到达5-6000rpm时，相反的问题出现了——就是充电电容的电压到达了能超过电容额定电压的水平，在这种情况下，可用晶体管来短路充电脉冲的部份并由此将充电电压限制到安全的水平。 
本发明解决了所描述的之前已知的方法的技术问题，并由后面的权利要求所限定。 
附图说明
通过下面参考附图而给出的描述，本发明更进一步的目的、应用及优点将显而易见，在附图中： 
图1示意性地示出实施根据本发明的方法的实例。 
图2a和2c示出在传统电路的两个测试点的波形。 
图2b和2d示出根据本发明的电路中的对应波形。 
具体实施方式
图1以稍微简化的形式示意性地示出了已根据本发明修正的小型发动机的典型CDI系统的电路图。配置有四个常规布置的线圈的铁芯T1由集成在飞轮中的一个或几个磁体磁化，这些磁体当飞轮旋转时将扫过铁芯的末端部分。从常规的观点看，不同的几个磁体能用以提供更大功率的发电机，该发电机除了起点火电压发电机的作用外，也能用于其它用途，如燃料喷射系统或处理链锯上的发热。根据下面的方式，相对的磁体运动在线圈L1-4中感生出电压。 
线圈L1是所谓的充电线圈，在该线圈中感生用以产生火花的电压。线圈L1通过它的一个端点1并通过整流装置D1和D2连接至充电电容C1，充电电容C1中将储存能量直到火花被激发。另一个端点2接地。 
线圈L2是所谓的触发线圈(trigger winding)。该线圈连接在地7和控制单元M1的输入终端IN1之间，并向该输入终端传输有关飞轮位置和速度的信息。应该注意，控制单元M1是仅仅对已知常规控制单元轻微修正后的版本。 
线圈L3构成变压器的初级线圈并且L4构成变压器的次级线圈，用于产 生火化塞SP1的点火电压。 
当点火电压释放至火化塞时，控制单元M1的输出终端OUT1被以常规的方式激发。触发电极连接至输出终端OUT1的开关装置(硅可控整流器)Q1引起对地的电流通路，这导致电容器C1上的电压连接至初级线圈L3。然后，由于在硅可控整流器的正极的测试点TP2的非常高的电压导出，最初在次级线圈L4中产生瞬态电压。紧接着该状态后，变压器中的L3/L4变成阻尼自激振荡，在该阻尼自激振荡中能量经由开关装置Q1和整流器D2，以分流二极管D2的形式，在感应线圈L3和电容器C1之间通过。 
同样可以设想其它的谐振和非谐振电路来产生火花，而不会脱离本发明的范围。 
控制单元M1的输出终端OUT2连接至晶体管Q2的控制输入终端，控制单元M1构成本领域技术人员容易制得的常规控制单元的变体，晶体管Q2的主电极连接在地和整流器装置D1及D3间的公共点之间。因此，晶体管Q2在激发时能够将整流器装置D1及D3间的公共点连接至地，从而短路线圈L1。 
现在，来自控制单元M1的输出终端OUT2的信号布置来使得该信号在周期性地对电容C1进行充电的线圈L1的感生电压的半个周期期间使线圈L1短路。 
在Q2“打开”的周期期间，通过来自飞轮中磁体的感生电流在电路L1/Q2中流通，接着是进行C1充电的Q2“关断”的周期。尤其是在低速当L1中的感生低但持续时间长时，该方法提供了充电C1至大大高于L1中实际感生电压的电压的可能性。 
在常规的CDI系统上实施根据本发明的方法所需的部件仅仅是：附加的整流器装置/二极管D3和晶体管Q2，以及在控制单元M1中驱动输出QUT2的合适的辅助逻辑线路。 
该辅助逻辑线路是基础性的，能由本领域技术人员容易地实现，而且仅仅给控制单元M1增加了可忽略的复杂性。 
晶体管Q2并不必须是如本实例中的MOSFET晶体管，并且整流器装置D1/D3也不是必须精确地按电路图的指示实施——比如可以用完整的整流器桥(rectifier bridge)代替D1，而不会脱离本发明方法的范围。 
图2a和2b分别示出在根据图1的电路图中的测试点TP1、2、3处当发 动机速度是600rpm时电压作为时间的函数。图2a示出常规的充电过程，其中仅使用了一个整流器二极管来充电；图2b示出根据本发明方法的充电。图中同样示出获得的充电电压的测量值，即从136V增加至194V。由于可用能量由W＝C*U2/2给出，本实例使用0.47μF的充电电容使得可用能量由4.3mWs增加至8.8mWs。 
图2c和2d示出与图2a和2b相同的关系，但是速度是1200rpm。通过与上面相同的计算，电压为214V和256V，能量将从10.7mWs增加至15.4mWs。因此，随着速度的增加，可能的能量增益很快地下降。然而，由于再也不必在整个速度范围内优化充电线圈，所以该情形可在整体上得到补偿。实际上，在发动机速度高和低时，都将可以提高能量水平。

Claims (3)

1.一种提高电容性点火系统中火花能量的设备，包括至少一个充电线圈(L1)，所述充电线圈(L1)通过第一整流器装置(D1)向连接至点火电压变压器的初级线圈的充电电容(C1)充电，以为所述初级线圈提供产生火花的能量，特征在于，开关装置(Q2)和第二整流器装置(D3)附加地布置来使得所述开关装置能周期性地短路所述充电线圈(L1)，并且因此在发动机的速度低时增加所述充电电容(C1)的电荷，其中，控制单元(M1)的输出终端连接至所述开关装置(Q2)的控制输入终端，所述开关装置(Q2)的主电极连接在地与所述第一整流器装置(D1)和所述第二整流器装置(D3)间的公共点之间。
2.根据权利要求1所述的设备，特征在于，控制单元(M1)布置来根据所述发动机的速度驱动所述开关装置(Q2)，使得所述充电电容(C1)上的充电电压在全部的速度范围内保持在相对恒定的水平。
3.根据权利要求1或2所述的设备，特征在于，所述开关装置(Q2)布置来能够为了停止所述发动机而引起所述充电线圈(L1)的短路。 
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