CN101939534B - 用于电容性放电点火系统中的能量支持的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在电容性放电点火系统中产生能量/电力的方法和系统，所述系统包括至少一个充电绕组(L)，其通过飞轮并且经由第一整流器器件(D1)对连接到点火变压器(30)的初级绕组(P)的充电电容器(C1)进行充电，以便为所述初级绕组(P)提供用于经由所述变压器(30)的次级绕组(S)产生火花的能量，其中布置电压控制/开关单元(10)以使得能够从所述初级绕组(P)输出能量(Out21)。

Description

用于电容性放电点火系统中的能量支持的系统
技术领域
本发明涉及一种用于在CDI系统中产生能量/电力的系统以及方法，所述系统包括至少一个充电绕组，其通过飞轮并且经由第一整流器器件对连接到点火变压器的初级绕组的充电电容器进行充电，以便为所述初级绕组提供用于经由所述变压器的次级绕组产生火花的能量。
背景技术
如今，已知并且在市场上普遍使用多种类型的点火系统，诸如电容性或者电感性解决方案。这些点火系统中的大多数具有包括某种电池支持的解决方案，例如US 6 557 537以及US 6 082 344，其在某些应用中可能由于例如湿度和温度的环境原因而受到强烈影响，于是具有关于性能和/或可靠性的严重的后果。在使用电池支持的解决方案时，还要考虑成本、环境以及寿命方面。
已知不使用电池支持的点火系统，并且其也在市场上可以得到。然而，这样的已知的系统确实全部表现出一个或者多个缺陷，所述一个或者多个缺陷似乎是由于为了能够除去电池支持而接受关于功能的折衷而引起的。已知代替电池支持而使用单独的小型发电机，然而其呈现诸如额外的成本之类的一些缺陷。还已知其它解决方案，例如EP 0727578，其说明了一种电感性点火系统，其中(代替电池)从初级绕组取得电力，以控制点火定时，即控制火花提前(spark advance)，而不提供任何其它可能期望的功能。另外，这样控制电路相当复杂并且相当不灵活。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在CDI系统中产生能量/电力的改进的系统，其是通过如权利要求1限定的系统而实现的。
由于本发明，实现了一种非常灵活并且成本高效的解决方案，其可以带来与电池供电的系统大约相同类型的功能，但同时消除与电池支持的系统有关的缺陷。应注意：该解决方案不阻止使用电池支持，但是明显地提供可以免除电池支持的重要的技术优点。
本发明的其它优点和方面将从以下的详细描述中显而易见。
附图说明
下面将参照附图更详细地表述本发明，附图中：
图1示出了呈现在其中描绘了若干触发选择对象(alternative)的典型的CDI系统中集成的、根据本发明的电压控制/开关单元的示意连线图，
图2更详细地示出了图1中描述的根据本发明的电压控制/开关单元的实施例的、图1中描绘的第一选择对象。
图3更详细地示出了图1中描述的根据本发明的电压控制/开关单元的实施例的、图1中描绘的第二选择对象。
具体实施方式
图1示出了由集成在稍微简化的形式的典型CDI系统中的、根据本发明的电压控制/开关单元10组成的示意连线图。
以下是在此示例中使用的典型的CDI系统的简要描述。该CDI系统包括配备有四个常规地布置的绕组L、T、P和S的铁心T1，所述绕组L、T、P和S通过集成在飞轮中的一个或者若干个磁铁而磁化，所述一个或者若干个磁铁在飞轮旋转时将扫过铁心T1的端部分。具有若干个磁铁的变型可被用于提供(从总的观点看)更强的发电机，其除了作为点火电压产生器的功能之外，还可被用于其它目的，例如燃料喷射系统或者链锯上的手柄(handle)加热。根据下文，相对磁铁移动在绕组L、T、P和S中感生电压。
在所谓的充电绕组L中，这样感生了用于火花产生的电压。充电绕组L经由其端点之一1经由整流器器件D1连接到充电电容器C1，在充电电容器C1中将存储能量，直到火花将被激活为止，并且充电绕组L还经由其端点之一1经由整流器器件D1连接到闸流晶体管(thyristor)Q1。绕组L的另一端点2接地。
所谓的触发绕组T以第一端点7接地，并且以第二端点8连接到点火控制单元M1的输入端子In11，并且向此输入端子传递关于飞轮的位置和速度的信息以及优选地还有关于对控制单元M1(例如对其处理器)的电力供应的信息。可以注意到：控制单元M1可以包括仅略微修改的版本的已知的、常规的控制单元。
第三绕组P组成变压器30的初级绕组，第四绕组S组成变压器30的次级绕组，以便为火花塞SP1产生点火电压。第三绕组P的端点4以及第四绕组S的端点5接地。
在常规方式中，在点火电压应当被传递到火花塞时，控制单元M1上的输出端子Out11被激活。其触发电极连接到输出端子Out11的开关器件(闸流晶体管)Q1建立到地的电流路径，其导致电容器C1上的电压连接到初级绕组P。初始地，由于位于闸流晶体管Q1的阳极的连接点12中的非常高的电压微分，在次级绕组S中产生电压瞬变。紧接其后，变压器30中的状态改变为衰减自振荡，其中能量通过开关器件Q1在电感器P和电容器C1之间传送。
上面的描述是简化的，并且对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的范围的情况下，预见其它的用于火花产生的谐振以及非谐振电路是显而易见的。
根据本发明，存在电压控制/开关单元10，其控制在Out21处从初级绕组P的电力输出，该电力可被用于驱动点火系统外部的设备(例如传感器和/或螺线管)。在图1所示的实施例中，示出电压控制/开关单元10具有两个输入端子In21和In22以及一个输出端子Out21。第一输入端子In22连接到点火控制单元M1上的输出端子In12，并且第二输入端子In21经由连接点11连接到电容器C1以及初级绕组P的端部3。开关单元10是重要的，因为仅在飞轮的完整旋转的一部分期间、并且以在期望时间段(例如100μs)中关断开关单元10从而不干扰产生火花的方式，执行开关(到关断模式)。因此，到In121或者In22的信号、或者到端子In21和In22两者的信号一起启动或者影响开关单元10以在所述控制单元(M1)启动所述火花之前或者与所述控制单元(M1)启动所述火花相联系而在飞轮的旋转的一部分期间关断，从而不负面地影响所述火花的产生。在其余时间，单元10处于其“导通模式”，由此在低至2000rpm的飞轮速度的情况下在Out21处获得大约0.5-2W的输出。
连接点火控制M1和电压控制/开关单元10的可选连接9使能反馈以及关于图2所描述的充电电容器14的充电/负载电平的信息，并且还可以利用连接9以改变rpm上的开关频率等。
根据本发明的并且在图1和图2中描述的开关单元10的操作和方法使得取决于特定需要/期望、通过来自输入端子In21和In22上的输入信号(一起或者单独)的信息来管理/控制开关。例如，如果将系统设置为通过任何输入信号触发，并且从点火控制单元M1向输入端子In22提供有输入信号，则基于来自其中的微处理器的信息，开关控制19将被控制为在对于这种应用的、在点火控制单元M1将控制闸流晶体管Q1的导通(其开始通过初级绕组P的电流流动并且在SP1中产生火花)之前的短时间段中关断。在火花终止不久之后，控制单元M1将再次关断闸流晶体管Q1，并且还激活开关控制19以将其设置为导通模式。
图2更具体地示出了作为触发/控制电压控制/开关单元10的选择之一的、在图1中指示的根据本发明的电压控制/开关单元10的第一实施例。示出电压控制/开关单元10包括开关控制19、二极管13、开关元件15以及充电电容器14。二极管13的阳极侧连接到输入端子In21，阴极侧连接到开关元件15的第一连接器16。开关元件15的第二连接器18连接到输出端子Out21并且连接到充电电容器14。
控制电压控制/开关单元10的开关的开关控制19连接到开关元件15的连接器17并且连接到输入端子In22。对于本领域技术人员而言，开关元件15可以包括在市场上可以得到的多种组件(例如闸流晶体管、三端双向可控硅开关元件(Triac)等)是显而易见的。开关控制19的目的是控制开关元件15在产生火花的开始时或者紧接在产生火花之前在期望的(例如在控制单元M1的CPU中预设的)时间段(例如100μS)期间关断。在此实施例中，通过点火控制M1中的软件和/或硬件以及CPU来控制开关信号In22，其通常意味着在火花启动之前的几μS的在In21处的常规的TTL信号(例如脉冲信号)使开关元件15处于关断模式，并且在大约100μS的持续时间后使开关元件15切换回电力产生模式。连接在输出端子Out21与地之间的充电电容器14的目的是稳定来自端子Out21的输出，以在开关元件15关断时向外部设备提供能量。
图3更详细地示出了作为选择之一的图1描绘的根据本发明的开关单元10的第二实施例。开关单元10包括三端双向可控硅开关元件或者闸流晶体管或者其它适当的开关元件21、火花启动检测单元25、电容器14、以及开关控制19。其中，三端双向可控硅开关元件21的一个电源端子22连接到输入端子In21(其对应于图2中的二极管13)，第二电源端子23连接到输出端子Out21。连接在输出端子Out21与地之间的电容器14正在稳定输出端子Out21的输出电压，即在控制/开关单元10的关断模式期间供应电力。控制开关单元10的开关的开关控制19连接到三端双向可控硅开关元件21(其对应于图2中的开关元件15)的栅极24。集成在开关控制19中的火花启动检测单元25经由连接S21连接到输入端子In21，其意味着：根据此示例，电压控制/开关单元10仅经由连接In21连接到CDI系统。
图3中所示的开关单元10的操作和方法使得通过来自输入端子In21上的输入信号的信息来管理/控制开关，所述信息是由在通过火花启动检测单元25检测到的启动火花产生时造成的初级绕组P中的电压瞬变(幅度和/或脉冲形式)给出的，火花启动检测单元25继而产生到开关控制19的信号，由此开关控制19立即关断电压控制/开关单元10。在此实施例中开关元件的核心是三端双向可控硅开关元件21，其在某一时间段期间(例如80-120μS的范围中)关断。在此实施例中，由于使用检测单元25，在开始产生火花之前不产生关断的信号，而是在开始之后的短的时间(例如≤5μS)产生关断的信号。因此，处于关断模式的特定时间段紧接着启动火花产生之后开始。在火花的产生结束时，电压控制/开关单元10被切换回电力产生模式。
显而易见的是：与其它已知的火花产生CDI系统一致，开关可以优选地通过初级绕组P的幅度或脉冲形式控制，其中通过经过的飞轮的磁化产生信号和电流流动。因此，例如在初级绕组P上检测到负脉冲可被用于造成电压控制/开关单元10的立即中断、即立即关断，或者在期望时可以具有预设的延迟或者提前(premature)的触发。因此，由于可以以很多种(期望的)触发参数灵活地设置控制单元10的事实，实现了非常灵活的控制手段。
在意图主要与小型引擎(例如链锯)相联系而使用的优选实施例中，可以在宽范围内选择根据本发明的系统的组件，以提供本发明所意图的功能。然而，存在一些基本要求，例如，存在足够强以产生所需能量(即，在1-15mW的范围内)的充电绕组L。
总而言之，根据本发明的开关单元10的一个优点是利用初级绕组来产生电力的能力，并且同时对于CDI系统的性能(即，火花产生、以及关于燃烧时间、点火电压、能量和峰值功率)具有非常低的影响。所产生的能量/电力可被用于对内部或者外部的单元(例如传感器、螺线管)供电。
本发明不限于上面描述的实施例，而是可以在所附权利要求的范围内变化。例如，本领域技术人员认识到：可以将若干外部单元连接到Out21，以及例如在产生更高的输出的更高的rpm，Out21可被布置用于连接其它的外部设备，例如燃料混合物测量计、电池充电、传感器、或者其它小型的需要电力的设备。另外，本领域技术人员认识到：可以在保护范围内做出许多其它的显而易见的修改，例如使用与初级绕组串联的另一(或者若干个)绕组来实现期望的电压。
与实施例的形式无关，开关单元10也可被用于限制输出电力。这可以被实施为电压控制设备，所述电压控制设备然后将作为对于输出负载和引擎rpm两者的变化的反应而通过开关单元10导通/关断来调节输出电压。

Claims (15)

1.一种用于在电容性放电点火系统中产生能量的系统，所述系统包括至少一个充电绕组(L)，其通过飞轮并且经由第一整流器器件(D1)对连接到点火变压器(30)的初级绕组(P)的充电电容器(C1)进行充电，以便为所述初级绕组(P)提供用于经由所述变压器(30)的次级绕组(S)产生火花的能量，其特征在于，布置电压控制/开关单元(10)以使得能够从所述初级绕组(P)输出能量(Out21)并且还在飞轮的每次旋转中的有限的时间段期间中断能量的输出(Out21)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，从所述初级绕组(P)向至少一个外部设备提供能量。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述外部设备包括以下中的至少一个：
a)CPU单元，
b)螺线管，
c)传感器。
4.根据权利要求2或3中的任一项所述的系统，其特征在于，存在控制所述电压控制/开关单元(10)的点火控制单元(M1)。
5.根据前面的权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统不具有电池支持。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压控制/开关单元(10)被控制以通过被激活来供应所述能量，并且其特征在于控制激活以仅在所产生的火花的持续时间中维持激活。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，存在控制所述电压控制/开关单元(10)的点火控制单元(M1)，所述电压控制/开关单元(10)通过来自所述点火控制单元(M1)的第一信号(In22)而被直接控制。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电压控制/开关单元(10)通过与来自初级绕组(P)的电压瞬变有关的第二信号(In21)而被间接控制。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电压控制/开关单元(10)包括整流组件(13；21)，所述整流组件(13；21)为整流器二极管(13)或者三端双向可控硅开关元件(21)的形式。
10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，负载(14)连接到来自所述电压控制/开关单元(10)的输出(Out21)。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述负载(14)是能量供应组件。
12.一种用于控制根据权利要求1至11中的任一项所述的系统的方法，其特征在于，在启动所述火花之前、或者在启动所述火花之后不久，在与火花产生相联系的短时间段期间，使所述电压控制/开关单元(10)关断。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用闸流晶体管(Q1)来启动通过所述初级绕组(P)的电流流动，所述电流继而产生火花。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用来自初级绕组(P)的脉冲(IN21)去激活所述电压控制/开关单元(10)。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，连接点火控制单元(M1)和电压控制/开关单元(10)的连接(9)，其使能反馈。
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