CN103745816B - 一种大能量点火线圈 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种大能量点火线圈，初级线圈和次级线圈均缠绕在铁芯上，这三者构成了一个变压器。在初级线圈回路上具有受ECU控制的开关。火花塞的一个电极接次级线圈的一端，火花塞的另一个电极接地。车载电源通过直流升压器为初级线圈供电，所述直流升压器将车载电源输出的直流电压提升后输出。次级线圈的另一端或者接直流升压器或者通过反向连接的二极管接地。电流维持装置与次级线圈和火花塞的串联支路相并联，其在火花塞导通后工作以维持火花塞持续导通。本申请的点火线圈可以任意调节火花塞的导通时间，从而可以提高点火能量；还采用了较高电压来接通初级线圈，从而提升了能量转换效率。

Description

一种大能量点火线圈
技术领域
本申请涉及一种内燃机车辆使用的点火线圈。
背景技术
请参阅图1a，这是一种现有的点火线圈。车载电源1通常是额定电压在8～16V之间的低压直流电源，用来为初级线圈21供电。车载电源1和初级线圈2构成了初级线圈回路，在该初级线圈回路上具有受ECU（电子控制单元）控制的开关3。次级线圈22一端接地，另一端接火花塞4的一个电极，火花塞4的另一个电极接地。次级线圈22和火花塞4构成了次级线圈回路。初级线圈21和次级线圈22均缠绕在铁芯23上，这三者构成了一个变压器2。
图1a所示的点火线圈也可以变形为图1b的形式，此时的次级线圈22一端接车载电源1，另一端接火花塞4的一个电极，火花塞4的另一个电极接地。车载电源1、次级线圈22和火花塞4构成了次级线圈回路。
所述点火线圈由ECU控制工作。工作时，ECU驱使开关3闭合，车载电源1接通初级线圈21。此时，通过初级线圈的电流（即初级电流）将从零增长到一个稳定值，该稳定值由车载电源1的电压值和初级线圈21的电阻值所决定。随着初级电流增长，初级线圈21产生的电磁能量存储在铁芯23中。当初级电流达到一定值（该一定值≤稳定值）时，ECU驱使开关3瞬间断开，初级线圈回路的电场突变造成了初级线圈21的磁场迅速衰减，从而在次级线圈22的两端感应出高压电动势。该高压电动势击穿火花塞4的两个电极之间的空隙（称为火花塞4导通），产生电弧以点火。
现有的点火线圈工作时次级线圈22的两端感应出高压电动势从而在次级线圈回路上的放电能量（称为点火能量）普遍为30～40mJ。而随着缸内直喷、涡轮增压技术在内燃机车辆上的广泛应用，点火线圈的能量需求已达到90mJ，部分高端产品要求达到110mJ。现有的点火线圈无法提供这么大的点火能量。为提升点火能量，现有的点火线圈通常从延长初级线圈的充电时间、优化磁路设计、更改磁芯结构三个方面着手改进。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种大能量的点火线圈，不采用常规的能量提升手段，而是直接调节火花塞的导通时间（即火花塞的两个电极之间的空隙被击穿的持续时间），从而增大点火线圈的点火能量。
为解决上述技术问题，本申请大能量点火线圈是：初级线圈和次级线圈均缠绕在铁芯上，这三者构成了一个变压器；在初级线圈回路上具有受ECU控制的开关；火花塞的一个电极接次级线圈的一端，火花塞的另一个电极接地；
车载电源通过直流升压器为初级线圈供电，所述直流升压器将车载电源输出的直流电压提升后输出；次级线圈的另一端或者接直流升压器或者通过反向连接的二极管接地；电流维持装置的一端连接次级线圈未与火花塞相连的一端，电流维持装置的另一端接地，其在火花塞导通后工作以维持火花塞持续导通。
本申请的点火线圈可以任意调节火花塞的导通时间，从而可将点火能量提高到400mJ以上；还采用了较高电压来接通初级线圈，从而提升了能量转换效率。
附图说明
图1a是一种现有的点火线圈的结构示意图；
图1b是图1a的一种变形结构；
图2a～图2d是本申请的点火线圈的四个实施例的结构示意图；
图3是本申请的点火线圈中的电流维持装置的结构示意图。
图中附图标记说明：
1为车载电源；2为变压器；21为初级线圈；22为次级线圈；23为铁芯；3为开关；4为火花塞；5为直流升压器；6为蓄电池；7为电流维持装置；71为电流反馈单元；72为控制单元；73为直流升压单元；74为开关单元；8为二极管。
具体实施方式
请参阅图1a和图1b，点火线圈的点火能量值其中T为次级线圈22在次级线圈回路上的放电时间，uISK-OUT是次级线圈22连接火花塞4的那一端的对地压降值，iOUT是通过次级线圈的电流（即次级电流）值。
本申请的大能量点火线圈中，次级线圈22在次级线圈回路上放电可以分为两个阶段：第一阶段是初级线圈21的能量耦合到次级线圈22上使火花塞4导通，该第一阶段从0时刻到T1时刻，长度为T1。第二阶段是电流维持装置7提供的能量使火花塞4导通，该第二阶段从T1时刻到T1+T时刻，长度为T2。T=T1+T2。因此，本申请的大能量点火线圈的点火能量值其中Q1表示在第一阶段内次级线圈22的放电能量值，Q2表示在第二阶段内次级线圈22的放电能量值，UISK是火花塞4导通时次级线圈22连接火花塞4的那一端的对地压降值，IISK是火花塞4导通时的次级电流值。
现有的点火线圈中，T=T1，T2=0。其点火能量Q取决于Q1，也就是取决于开关3断开瞬间的初级电流IP的大小。
本申请的点火线圈提升点火能量的原理是：在T1时刻到T时刻之间将IISK维持不变或更高，使火花塞4保持导通。这样通过延长T2，便可以增大Q2，最终增大Q。
从能量转换的角度分析，点火线圈的能量损耗主要在三个方面：初级线圈的电阻损耗能量、电磁耦合的磁路损耗和次级线圈的电阻损耗能量。请参阅图1a和图1b，点火线圈工作时存储在铁芯23中的电磁能量其中L表示初级线圈回路中的电感值，由初级线圈21的电感值和次级线圈22耦合到初级线圈回路中的电感值共两部分组成；IP表示断开开关3瞬间的初级电流值。
通过初级线圈的暂态电流值其中E表示车载电源1的电压值，R表示初级线圈21的电阻值。
初级线圈21的电阻损耗能量值其中K表示初级线圈21的充电时间，即暂态初级电流i从0增长到IP的时间。
由上式可得，当断开开关3瞬间的初级电流IP一定时，如果能缩短初级线圈21的充电时间T，就能降低初级线圈的电阻损耗能量。而提升车载电源1的电压E，就是提升初级线圈21的充电电压，将有效缩短初级线圈21的充电时间，最终降低初级线圈21的电阻损耗能量。
本申请的点火线圈提升能量转换效率的原理是：采用了比车载电源1的电压值更大的电压来接通初级线圈21，从而可缩短初级线圈21的充电时间，最终降低初级线圈21的电阻损耗能量，提高点火线圈的能量转换效率。
请参阅图2a，这是本申请的点火线圈的第一实施例。车载电源1通常是额定电压在8～16V之间的低压直流电源，其通过直流升压器5为初级线圈21供电。直流升压器5用于将车载电源1输出的直流电压提升后再输出，例如是将16V电压提升为48V后输出。车载电源1、直流升压器5和初级线圈2构成了初级线圈回路，在该初级线圈回路上还具有受ECU控制的开关3。次级线圈22的一端通过反向连接的二极管8接地，另一端接火花塞4的一个电极，火花塞4的另一个电极接地。次级线圈22、二极管8和火花塞4构成了次级线圈回路。电流维持装置7的一端连接次级线圈22未连接火花塞4的一端，电流维持装置7的另一端接地。换而言之，电流维持装置7与串联的次级线圈22和火花塞4的支路相并联。初级线圈21和次级线圈22均缠绕在铁芯23上，这三者构成了一个变压器2。
请参阅图2b，这是本申请的点火线圈的第二实施例。其与第一实施例的区别仅在于：首先，次级线圈22的一端接直流升压器5，另一端接火花塞4的一个电极，火花塞4的另一个电极接地。其次，省略二极管8。此时车载电源1、直流升压器5、次级线圈22和火花塞4构成了次级线圈回路。
本申请的点火线圈的第一、二实施例的工作原理与现有的点火线圈区别有二：
第一，由直流升压器5将车载电源1的输出电压提升后再接通初级线圈21，因而可缩短初级线圈21的充电时间，最终降低初级线圈21的电阻损耗能量，提高点火线圈的能量转换效率。
第二，在火花塞4导通的时候，ECU驱动电流维持装置7工作，由电流维持装置7输出电压维持次级电流保持不变或更高，从而维持次级电流不变或更高，以便使火花塞4持续导通。
请参阅图2c，这是本申请的点火线圈的第三实施例。其与第一实施例的区别仅在于：在直流升压器5和初级线圈21之间增加了蓄电池6，蓄电池6的额定电压大于车载电源1的额定电压。例如，蓄电池6的额定电压为48V，容量为3Ah以上。或者，蓄电池6也可被替换为一个电容、或多个并联的电容。此时，车载电源1、直流升压器5、蓄电池6和初级线圈2构成了初级线圈回路。
请参阅图2d，这是本申请的点火线圈的第四实施例。其与第三实施例的区别仅在于：首先，次级线圈22的一端接蓄电池6，另一端接火花塞4的一个电极，火花塞4的另一个电极接地。其次，省略二极管8。此时车载电源1、直流升压器5、蓄电池6、次级线圈22和火花塞4构成了次级线圈回路。
本申请的点火线圈的第三、四实施例的工作原理与第一、二实施例基本相同，只是由直流升压器5将车载电源1的输出电压提升后为蓄电池6充电，蓄电池6再接通初级线圈21。所述直流升压器5实时检测蓄电池6的电压。当蓄电池6的电压低于某一电压阀值（通常设为0.83倍的额定电压以上）时，直流升压器5将车载电源1的输出电压升压后对蓄电池6进行充电。当蓄电池6的电压等于或高于其额定电压时，直流升压器5停止工作。例如，蓄电池6的额定电压为48V。当蓄电池6的电压下降到44V时，直流升压器5工作对蓄电池6进行充电。当蓄电池6的电压高于54V时，直流升压器5停止工作。
现有的点火线圈中，次级电流仅在火花塞4导通的一瞬间不为0。本申请的点火线圈中，通过电流维持装置7使次级电流不为0可以保持任意长的时间。
请参阅图3，所述电流维持装置7包括：
——电流反馈单元71，采集次级电流值，优选为采集次级线圈22未连接火花塞4的那一端（A点）的电流值，再将所采集的次级电流值传递给控制单元72。
如果次级电流值为0，表明此时火花塞4未导通。如果次级电流值不为0，表明此时火花塞4导通。
——控制单元72，受到ECU的控制。ECU向控制单元72传递火花塞4的导通时间值。一旦控制单元72检测到次级电流值小于阈值，则驱使开关单元74闭合，直至达到ECU指定的火花塞4的导通时间值，控制单元72再驱使开关单元74断开。
如果没有电流维持装置7，那么次级电流值的变化规律为：火花塞4未导通时，次级电流值为0。火花塞4导通后，次级电流值从一个最大值逐渐降低至0，一旦降低为0则表明火花塞4重新变为未导通。所述阈值设置为大于0且小于或等于所述次级电流最大值。
——直流升压单元73，将车载电源1输出的低电压提升为高电压。所述直流升压单元73例如是4.5～18V转1000V的直流升压器。
——开关单元74，受到控制单元72的控制。所述开关单元74例如为三极管、MOS晶体管等开关器件。开关单元74与直流升压单元73串联后，该串联支路的一端连接次级线圈22未与火花塞4连接的一端（A电），该串联支路的另一端接地。换而言之，该串联支路再与次级线圈22和火花塞4的串联支路相并联。当开关单元74闭合时，直流升压单元73输出的电压传递给次级线圈22和火花塞4的串联支路的两端以维持次级电流不变或更高。当开关单元74断开时，直流升压单元73输出的电压不向外传递。
与现有的点火线圈相比，本申请的点火线圈可以任意调节火花塞4的导通时间，从而可以提高点火能量，例如可将点火能量提升为400mJ以上。此外本申请的点火线圈还采用了比车载电源1的电压值更大的直流升压器5或蓄电池6来接通初级线圈21，从而降低初级线圈21的电阻损耗能量，进一步提升能量转换效率。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大能量点火线圈，初级线圈和次级线圈均缠绕在铁芯上，这三者构成了一个变压器；在初级线圈回路上具有受ECU控制的开关；火花塞的一个电极接次级线圈的一端，火花塞的另一个电极接地；其特征是，车载电源通过直流升压器为初级线圈供电，所述直流升压器将车载电源输出的直流电压提升后输出；次级线圈的另一端接直流升压器；电流维持装置的一端连接次级线圈未与火花塞相连的一端，电流维持装置的另一端接地，其在火花塞导通后工作以维持火花塞持续导通。
2.根据权利要求1所述的大能量点火线圈，其特征是，在直流升压器和初级线圈之间增加蓄电池，蓄电池的额定电压大于车载电源的额定电压；车载电源通过直流升压器为蓄电池充电，蓄电池再为初级线圈供电；次级线圈的另一端接地或接蓄电池；
或者，所述蓄电池更换为一个电容；
或者，所述蓄电池更换为多个并联的电容。
3.根据权利要求2所述的大能量点火线圈，其特征是，直流升压器用于在蓄电池的电压低于电压阀值时，将车载电源的输出电压升压后对蓄电池充电；当蓄电池的电压等于或高于其额定电压时，直流升压器停止工作；
所述电压阀值大于或等于0.83倍的其额定电压。
4.根据权利要求2所述的大能量点火线圈，其特征是，车载电源的额定电压在8～16V之间，蓄电池的额定电压为48V。
5.根据权利要求2所述的大能量点火线圈，其特征是，蓄电池的容量为3Ah以上。
6.根据权利要求1或2所述的大能量点火线圈，其特征是，所述电流维持装置包括：
——电流反馈单元，采集通过次级线圈的次级电流值，并传递给控制单元；
——控制单元，接收ECU传递的火花塞导通时间值；一旦检测到次级电流值小于阈值，则控制单元驱使开关单元闭合，直至达到ECU指定的火花塞导通时间值，控制单元再驱使开关单元断开；所述阈值大于0且小于或等于次级电流最大值；
——直流升压单元，将车载电源输出的直流电压提升后输出；
——开关单元，受到控制单元的控制；开关单元与直流升压单元串联后，该串联支路再与次级线圈和火花塞的串联支路相并联；当开关单元闭合时，将直流升压单元输出的电压传递给次级线圈和火花塞的串联支路两端。
7.根据权利要求6所述的大能量点火线圈，其特征是，电流反馈单元采集次级线圈未与火花塞连接的那一端的次级电流值。
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