CN1049955C - 内燃机电容点火系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的点火系统，其中包括一组充电装置，至少一组充电装置之一以预定的方式被用于向一组电荷存储装置充电，所安装的电荷存储装置集中地触发火花装置。

Description

内燃机电容点火系统
本发明涉及一种点火系统中产生火花的方法，特别是一种内燃机电容放电点火系统，并且也涉及一种改进的电容放电点火系统。
本发明涉及本申请人于1991年11月15日提出的PCT/Au91/00524中所公开的内容，该PCT申请中的内容在此作为参考。
在发动机工业中，存在一种利用电点火系统以便改进火花点火燃烧发动机的效率和性能的倾向，其借助于使产生的火花具有所希望的特性以点燃空气-燃料混合气。特别是点燃分层进气发动机中稀混合气。
但是，在相当短的时间内可以建立足够的火花电压的电容放电点火系统的情况下，可以发现火花电压所产生的火花典型地只有相当短的持续时间。这种相当短的火花持续时间特性，在具有低电容高电压的电荷存储装置如电容器的电容放电点火系统中更明显。高电压通过点火系统的初级线圈产生一个高的放电电流，以便在点火系统的次级线圈内感应出必需的火花电压，在火花间隙中产生火花。然而，低电容限制了电流持续时间，这样也限制了所生成的火花的持续时间。
由上述现有技术点火系统所提供火花持续时间，对于正常地点燃空气-燃料混合气，尤其是稀混合所太短，这可能产生有害的污染效应并可能出现在所不希望的发动机运行特性。
仅仅增加电荷存储装置或电容器的电容的建议不能显著地延长火花持续时间，而且相反会产生较强烈的火花。另外建议，为了减少放电速率而在初级线路中连接一个电阻，但这将减少放电电流的电流量和用于火花的能量。
而且，为了引发电荷存储装置或电容器中的能量释放而采用称作为可控硅整流器的晶体管将不可避免地会在初级电路中允许在释放期间存储在初级线圈中的能量损失，并且如果希望的话，还可潜在地防止二次的或逆行火花。
本发明的任务是解决上述的一些缺点。
本发明的一个任务是提供一种在内燃机点火系统中，产生改进并延长持续时间的火花的方法。
本发明的另一个任务是提供一种用于内燃机点火系统的改进的充电的方法和装置。
根据本发明的一方面，其提供一种内燃机电容点火系统，包括充电装置(L1，L2)和包含第一电荷存储装置(C1)和第二电荷存储装置(C2)的多个存储装置(C1，C2)，所述的多个存储装置可以由所述的充电装置充电，也可以被放电，用于一起激励点火装置，提供点火火花，所述的点火装置包括一个初级线圈和一个次级线圈，连接到火花间隙(S1)，所述的多个电荷装置(C1，C2)被连接到所述的点火装置的初级线圈，其特征在于所述的充电装置(L1，L2)中的至少一个充电装置(L2)将部分电荷提供到所述的第一和第二存储装置中的至少一个存储装置，并且至少另一个充电装置(L1)将所有电荷提供到个存储装置，并且至少另一个充电装置(L1)将所有电荷提供到所述的第一存储装置(C1)或所述第二存储装置(C2)中的一个存储装置。
本发明还提供了一种在内燃机电容点火系统中从多个充电装置向多个电荷存储装置提供电荷的方法，其特征在于包括下述步骤：
从多个充电装置中的至少一个向第一或者第二存储装置中的至少一个提供部分电荷；
从至少另一个充电装置向所述的第一或第二存储装置提供所有的电荷。
在最佳实施例中，该点火系统是用于内燃机中的。
最好该点火系统至少具有一个充电装置，其布置得为至少两个电荷存储装置提供至少一部分电荷。另外，该点火系统可以包括至少两个布置得为至少一个电荷存储装置提供电荷的充电装置。
最好至少安装一个充电装置，以便为至少一个电荷存储装置提供部分或全部的电荷。
比较方便地是，至少安装一个基本与至少一个单个的电荷存储装置容量相匹配的单个充电装置。最好可以安装基本上与单个电荷存储装置容量相匹配的单个的充电装置。
最好，至少一个电荷存储装置为高电容，而至少另一个电荷存储装置为低电容。
此外，最好点火系统是电容放电点火系统，其中电荷存储装置很方便地被连接到火花装置的初级线圈，该火花装置具有一个连接到火花间隙的次级线圈。
本发明根据需要，在内燃机中可以提供超过约1.5ms的火花持续时间。
本发明起因于以下发现，即火花持续时间可以通过提供多于一个的向多于一个的电荷存储装置提供电荷的充电装置而延长，并且以预定方式在从该组充电装置向该组电荷存储装置传送电荷的过程中，该电荷存储装置能够为延续的火花释放能量。
由于采用两个而不是一个充电线圈并将由此而产生的电流波分成各种不同部分，因此是从充电线圈向电荷存储装置能量的传送为最佳，从而导致了火花持续时间可大约达2ms。
本发明通过相对每个单个电荷存储装置之一良好匹配的每个线圈的驱动能力，寻求最佳使用每个线圈。
在另一方面之内容中，本发明提供一种在点火系统中，从一组充电装置向一组电荷存储装置供给电荷的方法，为了给电荷存储装置充电，该方法包括将电荷从至少一组充电装置之一分配至一组最好是不同容量的电荷存储装置的步骤。
在一最佳实施例中，该方法可以被用于内燃机点火。
最好，至少一个充电装置向至少二个电荷存储装置提供至少部分电荷。另外，至少两个充电装置可以为至少一个电荷存储装置提供电荷。
最好，由充电装置中的至少一个充电装置为至少一个电荷存储装置提供部分或全部电荷。
最好，至少一个充电装置基本上与至少一个所述的电荷存储装置的容量相匹配。各自的充电装置可以基本地与各自的电荷存储装置的容量相匹配。
最好，至少一个电荷存储装置是高电容，而至少另一个电荷存储装置为低电容。
本发明是基于这样的发现即在通过两个充电装置而不是一个充电装置给两个电荷存储装置充电的过程中，而不是采用单一充电装置的充电波形的第一个半部给一个第一个电荷存储装置充电及该充电波形的另外的第二个半部给第二个电荷存储装置充电(一直到第二个电荷存储装置中达到额定电压为止，然后利用充电波形的第二个半部的剩余部分进一步给第一电荷存储装置充电)，通过两个充电装置，一种不平衡充电方法可以被用于给两个电荷存储装置充电。
在最佳之形式中，一电荷储存装置借助于接收大约三个半波期间所充的电荷，该三个半波其中之两个来自于第一充电装置而另一个来自于第二充电装置，并且第二电荷储存装置借助于接收从第二充电装置来的另一个半波而充电。
这尤其导致有能力提供：(a)一种以相对低成本的二极管而不是以如PCT/Au91/00524中公开的较高成本的稳压二极管形式构成的较低成本的绝缘装置，及(b)约超过1.5ms的延长的火花持续时间。
现在参照两个实施例及其附图，对本发明予以说明。然而很清楚，实施例说明和附图只单纯为了说明或举例说明的目的，而对本发明没有任何限制性。
图1为本发明所述一种形式的点火系统的简图；
图2为本发明所述第二种形式的点火系统的简图。
例如用于内燃机的一种双速率电容放电点火系统，一般采用能产生向两个存储装置分配的电流的单一的充电线圈。到目前为止，安装有燃料喷射系统的小型发动机并不要求火花持续时间超过1ms。然而，由于近来对内燃机进行燃烧控制，从而希望在较大功率的小型内燃机中使用电容放电点火系统，从而要求火花持续期超过1.5ms以保持燃烧稳定。
通过采用两个而不是一个充电线圈并将由此而产生的充电波分成不同部分，能量从充电线圈传送到众电荷存储装置或电容器是最佳的，从而使火花持续时间超过2ms。
在已知的电容放电点火系统中的双线圈方案，通常被用于在一个宽的速度范围内保持更恒定的输出驱动能力。在该速度范围内，这里所述的本发明通过将驱动能力与单独电荷存储装置的各自容量的密切匹配而最佳地优化利用每个线圈。最佳实施例的两个线圈的每一个产生一个完整充电波，其中所述的完整的充电波被用于向两个分别与点火线圈初级绕组连接的电荷存储装置充电。
在图1所示的实施例中，一个充电线圈L1选取相对低的阻抗，并能将基本电流输送到一个高容量电容器(存储装置C1)。二极管D4，D1，D2和D3的整流器排列，允许由线圈L1所产生的所有电流被输送到电荷存储装置C1。
另一个充电线圈L2具有高得多的阻抗但相应较高的输出电压。所产生的充电波只有一半被用于对一个较低的电容的电容器(存储装置C2)充分充电使其达到较高电压，而该充电波的另一半改道到存储装置C1(由于它的较高的容量性而限制了该一半电波的线圈输出电压)。三极管D4、D7、D6和D3的整流器排列，允许由线圈L2所产生的电流全部被输送到电荷存储装置C1和C2。二极管D5作为电荷存储装置C1和C2之间的电荷绝缘装置。
低电容电容器C2可以从0.47μF至4.7μF电容范围进行选择。较高电容的电容器C1可以从22μF至680μF电容的范围进行选择。在这些范围之外的电容值可以采用，但是应明确，如果采用，这些值在获得延长火花延续时间或输送中不大可能获得任何的附加好处。
而且发现，电容器C2与C1的比值C1∶C1在1∶20至1∶200范围最佳。
另外，发明在一般的情况下C1选取的电容值越高，可以存储的能量越多，所获得的火花持续时间越长。
在本实施例中，两个充电线圈L1和L2的每一个产生一个与每个放电循环中的至少一个充电循环同相的全波并送到电容器C1和C2，在该系统中每个放电循环，可能存在多于一个的充电循环。
充电中的有效变化在于而不是用单一充电线圈中产生一个半波对存储装置C1进行充电，及用另一个半波为存储装置C2充电(直到达到所述的300V额定电压，然后利用第二个半波进一步给存储装置C1充电)，这时而是利用两个充电线圈中之三个半波对存储装置C1充电而另一个半波给存储装置C7充电。存储绝缘装置D5可以是较低成本的二极管，而不是较高成本的稳压二极管。
通过从一个线圈L2向电容器C1之一改换充电部分，三个半波和一个半波释放能量是可能的。也发现，通过向一个电荷存储装置(即C1)提供三个半波，可以提供具有较高值组分的电荷存储装置。这样可以存储较多的能量，这导致用于提供在火花间隙S1处增加持续时间的火花所需的输送的能量电荷的增加。
作为另一替代方案，也可能用上述类似的方法使一个半波从L1改向至C2。因此在这样的替代方案中，充电线圈L1和L2对电荷存储装置C2提供了三个半波，并且来自L1的单一半波被用于给存储装置充电C1。然而，这种替代方案将要求一个稳压二极管取代图1中的二极管D5，结果避免使用稳压二极管的优点被冲淡了。
图2表示进一步的实施例，其中电荷存储装置C1用来自各自充电线圈L1和L2的分开的半波充电。二极管D4、D1、和D7的整流器排列，允许两个半波向电荷存储装置C1传送。
类似地，另一个电荷存储装置C2也用来自各自的充电线圈L1和L2的分开的半波充电。二极管D2、D3和D6的整流器排列，允许两个半波向电荷存储装置C2传送。
所以在这个实施例中，充电线圈L1和L2的两个充电波分开给存储装置C1和C2充电。对每个向电容器C1和C2放电的放电循环来说两个充电线圈L1和L2的每一个在至少一个充电/放电循环产生一个同相的完整波。虽然充电的顺序不同与图1所示实施例所叙述的顺序，但运行和结构与本发明是一致的。
应注意到对传送到火花间隙S1的充电量有一个限制。这个限制取决于从初级绕组到次级绕组传送能量的点火线圈T1的效率，即将传送到次级绕组中的初级电流的最低变化率。这一现象存在直至电流变化的速率小到不致于在次级绕组中产生感应电流为止，在这点上，按照在此之前的本申请人现有专利申请所述的同样方式开始逆运行。采用是有约470μF电容的大电容电容器，人们发现输送到点火线圈T1初级绕组的电流变化速率接近能完全满足现行发动机要求的性能。另一方面，电流变化速率的效应在于次生或逆行火花比以前的火花具有较高的能量和较长的持续时间。
此外如图1所示，在这样的实施例中，即通过用一个单一晶体(三极)管Q1代替已公开的PCT/AU91/00524中附图2中的开关装置和逆行控制装置的实施例中，可获得明显的增强效应。最好晶体管是一种相应额定值的绝缘门电路双极晶体管(IGBT)。
本发明也可用于存在电容或没有电容的点火系统。也可以用电池组B1，B2，代替电容器C1，C2(如图1和图2所示)作为电荷存储装置。电池组以类似于图1和图2所示实施例的方式，也要求适应于高电压和低电压运行。在这个替代方案中，除了由于采用电池组而不是电容器而必需的一些改变之外，点火系统可以按照技术人员所公知的类似布线。相同或相似的充电方法可以在上述替代型的点火系统中实现。
本发明同样适应于包括有任何所要求的充电线圈，电荷存储装置和电荷存储绝缘装置的元件的系统。因此所述实施例只是一种说明，其他各种变型方案，根据本发明熟练的技术人员是可以产生的将都落在本发明之范围中。

Claims (11)

1.一种内燃机电容点火系统，包括充电装置(L1，L2)和包含第一电荷存储装置(C1)和第二电荷存储装置(C2)的多个存储装置(C1，C2)，所述的多个存储装置可以由所述的充电装置充电，也可以被放电，用于一起激励点火装置，提供点火火花，所述的点火装置包括一个初级线圈和一个次级线圈，连接到火花间隙(S1)，所述的多个电荷装置(C1，C2)被连接到所述的点火装置的初级线圈，其特征在于所述的充电装置(L1，L2)中的至少一个充电装置(L2)将部分电荷提供到所述的第一和第二存储装置中的至少一个存储装置，并且至少另一个充电装置(L1)将所有电荷提供到所述的第一存储装置(C1)或所述第二存储装置(C2)中的一个存储装置。
2.根据权利要求1的内燃机电容点火系统，其特征在于所述的多个电荷存储装置包括不同存储容量的电荷存储装置。
3.根据权利要求1或2的内燃机电容点火系统，其特征在于至少一个充电装置与至少一个电荷存储装置的容量匹配。
4.根据权利要求2的内燃机电容点火系统，其特征在于至少一个电荷存储装置具有高存储容量以及至少另一个电荷存储装置具有低存储容量。
5.根据权利要求1的内燃机电容点火系统，其特征在于所述的系统是电容放电点火系统。
6.根据权利要求1的内燃机电容点火系统，其特征在于所述的多个电荷存储装置为两个，并且两个电荷存储装置的电容量之比在1∶20和1∶200之间。
7.在内燃机电容点火系统中从多个充电装置向多个电荷存储装置提供电荷的方法，其特征在于包括下述步骤：
从多个充电装置中的至少一个向第一或者第二存储装置中的至少一个提供部分电荷；
从至少另一个充电装置向所述的第一或第二存储装置提供所有的电荷。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于所述的第一和第二电荷存储装置具有不同的存储容量。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于至少一个电荷存储装置具有高存储容量以及至少另一个电荷存储装置具有低存储容量。
10.根据权利要求7的方法，其特征在于对电荷存储装置充电的电荷是以不平衡的方式提供的，使得至少一个电荷存储装置接收到比另一个电荷存储装置多的电荷。
11.根据权利要求7到10中的任一种方法，其特征在于至少一个充电装置与至少一个所述的电荷存储装置的容量相匹配。
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