CN106536918B

CN106536918B - 用于向内燃机的火花隙供给电能的升压斩波器和点火系统

Info

Publication number: CN106536918B
Application number: CN201580039099.9A
Authority: CN
Inventors: W.施泰因伯格
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2019-01-22
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: BR112017001109A2; DE102014214074A1; EP3169891A1; EP3169891B1; CN106536918A; US20170218911A1; US10626841B2; WO2016008619A1

Abstract

建议了一种升压斩波器以及一种具有升压斩波器的点火系统，所述升压斩波器和所述点火系统能够通过如下面那样所构成的升压斩波器来实现更好的自动化的制造以及减少了的电绝缘措施：‑具有初级线圈（31）和与该初级线圈电隔离的次级线圈（32）的变压器（3），其中‑所述次级线圈（32）被多层地卷绕，并且‑所述初级线圈（31）相对于所述次级线圈（32）同轴地被卷绕到所述次级线圈（32）的最外面的层上面，其中‑所述次级线圈（32）的第一电接头（32a）从所述次级线圈（32）的最里面的层分支出来，其特征在于，‑所述次级线圈（32）的第一电接头（32a）被设立用于与用于所述火花隙的高压接头电连接。

Description

用于向内燃机的火花隙供给电能的升压斩波器和点火系统

技术领域

本发明涉及一种升压斩波器以及一种用于向内燃机的火花隙供给电能的点火系统。尤其本发明涉及一种线圈几何结构，该线圈几何结构用于能够实现变压器的、得到改进的自动化的制造。

背景技术

在现有技术中已知了产生高压的点火系统，借助于所述高压来点燃外源点火的内燃机的能燃烧的混合物。为了能够改进地控制点火火花能量、为了减小电极磨损并且为了获得另外的优点，现有技术建议，将点火线圈与升压斩波器组合起来，其中所述升压斩波器向借助于所述点火线圈产生的点火火花供给电能。所述升压斩波器将输入电压转化为更高的输出电压。在所述升压斩波器的开关的接通阶段中，将能量装载到所述升压斩波器的感应线圈（储存式扼流圈（Speicherdrossel））中。所述能量在开关断开时通过所述升压斩波器的二极管来传输给输出电容器。如果所述开关（例如IGBT或者MOSFET）例如通过脉宽调制来操控，那么所述输出电压就尤其是占空比的函数。这样的储存式扼流圈在现有技术中经常构造为具有一被气隙穿过的铁氧体磁芯的环形磁芯。为了将升压斩波器用在点火系统中，典型地需要大约6kV的输出电压。电子开关（例如IGBT或者MOSFET）通常不能用于这样高的电压。其最大的开关电压处于600V到1000V的范围内。通过将所述储存式扼流圈构造为具有例如1:10或者1/10的变压比的变压器这种方式，可以将所述开关上的电压从大约6kV降低到600V。这样的变压器例如也可以构造为环形磁芯。但是，这方面的缺点对于本领域技术人员来说很明显地在于：

-环形磁芯绕组能够自动化的程度较差。

-线端通常被镀锡并且必须有选择地被钎焊在印刷电路板上。

-例如6kV的输出电压必须相对于铁氧体磁芯绝缘，这一点能比较破费地例如通过注塑包封来实现。

-次级绕组必须相对于初级绕组电绝缘。用于这些电压的导线在市场上几乎不能买到。可用的导线对于在环形磁芯变换器（Ringkernübertrager）中的使用来说具有太大的外直径，所述环形磁芯变换器的体积应该保持尽可能地小。对于所力求达到的结构尺寸来说，初级绕组与次级绕组之间的薄膜绝缘也是不可能实现的。

一种可能的、用于可按照本发明来使用的变压器的结构形式在于多件式的（例如两件式的、三件式的或者四件式的）的壳式磁芯结构，该壳式磁芯结构具有被气隙穿过的铁氧体磁芯。在此将所述初级绕组和次级绕组卷绕到线圈体上，将线端放在接触凹部中并且通过冷接触（例如通过切夹式连接（SKV））来进行接触。与所述印刷电路板的接触可以是钎焊连接或者冷接触、例如柔性插脚（Flexpin）。

但是，对于在现有技术中已知的壳式磁芯-变换器（Schalenkern-Übertragern）来说，前面所提到的、尤其是关于所需要的绝缘的缺点没有消除。

发明内容

本发明通过一种用于向外源点火的内燃机的火花隙供给电能的升压斩波器满足了前面所确定的需求。即使在本发明的范围内为了进行说明而对在点火系统中的使用情况进行描述，所述按照本发明的升压斩波器也可以用在其他的环境中，因而仅应示范性地理解对火花隙及其接头的参照。所述升压斩波器包括一具有初级线圈和次级线圈的变压器。所述次级线圈被多层地卷绕，并且所述初级线圈相对于所述次级线圈同轴地被卷绕到所述次级线圈的最外面的层的上面。所述变压器本身的绕组可以彼此电隔离。所述线圈的导线为此例如可以通过较薄的漆层相互电绝缘。不仅所述次级绕组而且所述初级绕组都分别具有一第一电接头和一第二电接头。所述次级线圈的第一电接头从所述次级线圈的绕组的最里面的层分支出来。所述次级线圈的这个第一电接头按照本发明被设置或者被设立用于与例如用于所述火花隙的高压接头进行电连接。例如在这方面也可以设置与初级电压发生器的次级线圈（例如点火线圈）进行电连接。换句话说，所述次级线圈的相应的电接头布置在绕组底部（也被称为“室底部”）中，通过所述次级线圈的相应的电接头来提供所述点火系统的例如火花隙的电能。通过这种方式所述电接头最大程度地与所述变压器的初级线圈隔开，由此可以将用于对所述第一电接头进行电绝缘的措施减少到最低限度。通过这种方式，本发明能够在变压器的电绝缘措施的情况下实现良好的可自动化性，所述电绝缘措施仅仅最小程度地提高所述变压器的体积。

本发明的优选的改进方案包括：为车载电网侧的输入电压分配了所述次级线圈的第二电接头和/或所述初级线圈的第一电接头；通过能够控制的开关、尤其是IGBT或者MOSFET为电接地、尤其是所述火花隙的与高压接头对置的电位分配了所述初级线圈的第二电接头；所述初级线圈也被多层地卷绕，并且所述初级线圈的第一接头与所述初级线圈的最里面的层电连接，并且所述初级线圈的第二接头与所述初级线圈的最外面的层电连接；所述变压器此外包括一具有基本上旋转对称的基体的线圈体，所述基体具有室底部以及在两侧连接到所述室底部上的室壁，其中所述次级线圈在所述室壁之间被卷绕到所述室底部上，并且所述初级线圈在所述室壁之间被卷绕到所述次级线圈的最外面的层上；所述线圈体此外具有凹部，该凹部用于在空间上固定并且电接触所述线圈的电接头，并且/或者所述次级线圈的第一电接头通过所述基体的室壁相对于所述初级线圈被电绝缘；所述变压器具有在5与30之间、尤其是在7与20之间、优选在8与15之间的变压比；所述初级线圈和所述次级线圈由漆包铜线组成。

优选地，可以将所述次级线圈的第二电接头并且作为替代方案或者补充方案将所述初级线圈的第一电接头分配给车载电网侧的输入电压。尤其所述初级线圈的第一电接头可以从所述初级线圈的绕组上分支出来，该绕组与所述次级线圈具有最小的间距。

换句话说，所提到的绕组可以直接布置在所述次级线圈的最外面的层上。前面所提到的布置结构对具有在运行中最高的电位差的接头的最大距离有利，由此可以进一步减少所述绝缘措施。

所述初级线圈的第二电接头可以通过能够控制的开关来分配给用于所述火花隙的低压接头。所述能够控制的开关例如可以构造为IGBT或者构造为MOSFET。换句话说，所述初级线圈的第二电接头因此可以被分配给所述火花隙的相应的接头，该接头在电方面与所述次级线圈的第一电接头对置。

优选地，所述按照本发明来使用的变压器的初级线圈也可以被多层地卷绕，并且所述初级线圈的第一接头可以从所述初级线圈的最里面的层分支出来。此外，如果所述初级线圈的第二接头从所述初级线圈的最外面的层分支出来，则产生用于所述接头的电位的最大的电气间距。通过这种方式，可以实现所述绕组线相对于彼此最小可能的额外需要的电绝缘。

此外，所述变压器为了能够改进地使其制造自动化而可以包括一线圈体，该线圈体具有优选基本上旋转对称的基体。所述基体优选配备有室底部以及在两侧连接到所述室底部上的室壁，其中所述次级线圈在所述室壁之间直接被卷绕在所述室底部上，并且所述初级线圈在所述室壁之间被卷绕到所述次级线圈的最外面的层上面。一方面在并排地布置所述绕组的情况下通过所述室壁产生得到简化的方向转换。另一方面保证，所述线圈的绕组尽可能紧凑地来布置并且保持所述线圈的绕组尽可能紧凑。尤其所述室壁可以基本上彼此平行地来布置并且基本上构造为环盘状。所述室壁的最里面的边缘由此可以连接到所述基本上空心柱筒状地构成的室底部上。通过这种方式，所述变压器的线圈在三侧被所述线圈体罩住，通过所述线圈体能够额外地实现在环形磁芯中的精确的安置。

在所述线圈体上，可以按照切夹式连接的原理来布置用于在空间上固定接头线的凹部。所述电接头能够实现冷接触（SKV或诸如此类）。特别地，端棒（Klemmschiene）可以如此布置在所述线圈体上，从而将所述次级线圈的第一电接头在所述室底部的区域中从所述线圈体中引出来，并且在所述室壁的外部导引到所述端棒上。通过这种方式，室壁将所述次级线圈的第一电接头与所述变压器的所有绕组隔开。甚至对于所述第一电接头由于未预见的负荷而在其电绝缘方面遭受损害这种情况来说，也通过所述室壁相对于所述变压器的绕组可靠地保持隔离。

所述变压器例如可以具有在1:5与1:20之间、尤其是在1:8与1:15之间、优选是1:10的变压比。所述变压比由所述输出电压和所使用的开关（例如IGBT/MOSFET）的最大的开关电压来确定。通过这种方式，可以在对能够控制的开关没有危险的情况下在所述变压器的初级侧的环路中转换在6kV的范围内的次级侧的电压。

所述线圈体为了支持磁场的引导而能够被放入到铁氧体磁芯或者叠片组中。所述铁氧体磁芯或者所述叠片组例如可以由两个磁芯半体构成，所述两个磁芯半体从相反的侧面被导引到所述线圈体上。例如所述磁芯半体可以彼此镜像对称地构成。在朝向彼此的面上，所述磁芯半体优选具有环状的或者部分环状的、用于接纳所述线圈体的空穴。所述磁芯半体分别以柱筒状的磁芯区段伸入到所述线圈体中。在所述部分地穿过所述线圈体的铁氧体磁芯或者叠片组的区域中，可以规定，所述两个磁芯半体也在完全装配的状态中不相互接触。通过这种方式在所述两个磁芯半体之间产生预定义的气隙。

按照本发明的第二方面，建议一种点火系统，该点火系统具有用于对内燃机的能燃烧的混合物进行外源点火的火花隙，该点火系统包括如结合首次提到的发明方面已经详细描述的那样的升压斩波器。所述升压斩波器用于向在所述火花隙上存在的点火火花供给电能。换句话说，所述点火系统首先借助于初级电压发生器来产生点火火花，借助于所述按照本发明来构成的升压斩波器来向所述点火火花供给电能并且由此在受控制的情况下维持所述点火火花。所述次级线圈的第一电接头例如与所述火花隙的高压接头电连接。根据上述解释，所述初级线圈的第二电接头可以与所述火花隙的低压接头电连接。作为替代方案或者补充方案，所述次级线圈的第二电接头可以被分配给车载电网侧的输入电压，并且作为替代方案或者补充方案，所述初级线圈的第一电接头可以被分配给车载电网侧的输入电压。换句话说，所述最后提到的电接头从所述火花隙的视角来看可以布置在所述变压器的另一边。

为了产生所述升压斩波器的输出电压，所述初级线圈的第二接头可以被设立用于，借助于能够控制的开关（例如形式为IGBT或者MOSFET）与所述火花隙的低压接头电连接。通过所述能够控制的开关来控制所述升压斩波器的频率以及占空比并且由此控制其输出侧的功率发挥。

通过所述变压器的绕组的按照本发明的连接（Verschalten）可以降低用于各个导线的电压负荷。在绕线技术上，可以首先制造具有例如八个层的次级线圈，而后将所述初级线圈直接卷绕到所述次级线圈上。可以额外地将可选的薄膜层送到所述初级线圈与所述次级线圈之间，以用于进一步改进这两个线圈相对于彼此的电绝缘。通过这种方式，将用于所述次级线圈的导线绝缘的电压负荷降低到所述升压斩波器的输出侧的电压除以所述次级绕组的层的数目得到的结果（在实例中：6kV/8=750V）。规格为“等级2”或者更高规格的简单的漆包铜线已经可以持久地对这种电压进行绝缘。随着层数目的提高，可以进一步降低所述导线绝缘的电压负荷。在变压比为例如1:10时，在所述能够控制的开关——该开关在运行中将所述次级线圈与所述火花隙的低压接头连接起来——上的电压降低到600V。对于这种电压来说，可以购得市场上常见的IGBT或者MOSFET。所述初级线圈的第二接头以及所述次级线圈的第一接头得到输入侧的车载电网电压（例如12V）。

优选地，所述次级线圈的两个电接头可以在所述线圈体的外侧面上（在所述室壁的外部）被引出来，而所述初级线圈的电接头则被安置在内侧面上（在所述室壁之间）。对于所述线圈体的对称的构造来说，能够容易地交换所述输出电压的极性以及所述变压器的接线布局/插脚布局。

附图说明

下面参照附图对本发明的实施例进行详细描述。在附图中：

图1是传统的、能够用于升压斩波器的变压器的透视图；

图2是按照本发明的一种实施例的升压斩波器的电路图；

图3是按照本发明的变压器的作为两件式的连接磁芯-变换器（Schaltenkern-Übertrager）来构成的实施例的剖切的图示；

图4a是按照本发明的变压器的一种实施例的透视图；

图4b是在图4a中示出的变压器的分解图；

图5a/b是对所述按照本发明的变压器的线圈的接头的优选的定位进行说明的侧视图；并且

图6是按照本发明的变压器的一种实施例的俯视图。

具体实施方式

图1示出了按照现有技术的变压器3的透视图。注射而成的铁氧体磁芯4包括次级绕组32，该次级绕组的电接头32a在环形磁芯的内侧面上引出来并且其电接头32b在所述环状的铁氧体磁芯4的外侧面上引出来。初级绕组31被卷绕到所述次级绕组上，所述初级绕级的电接头31a在所述铁氧体磁芯4的外侧面上引出来并且其电接头31b在所述铁氧体磁芯4的内侧面上引出来。所述变压器3的所示出的结构形式能够在自动化程度明显较差的情况下来制造。

图2示出了按照本发明的升压斩波器1的电路图，向该升压斩波器的输入侧的端子11、12加载了车载电网电压U_e，以用于在输出侧的端子21、22上提供用于（未示出的）火花隙的输出侧的高压U_a。变压器3被如此集成到所示出的升压斩波器1中，使得其次级线圈32用作用于给输出侧的电容C充电的扼流线圈。在此，二极管D用于防止保存在所述电容C上的电荷通过所述变压器3回流。所述变压器3用于降低在所述开关S上出现的电压。所述变压器3的初级线圈31为此通过一开关S——该开关通过控制单元5来控制——与所述火花隙的低压接头22相连接。明显地，所述初级线圈31的第一电接头31a和所述次级线圈32的第二电接头32b处于与所述输入电压U_e相对应的相同的电位上。但是，对于所述初级线圈31的第二电接头31b和所述次级线圈32的第一电接头32a来说，由于所述变压器3的变压比在运行中会预料到巨大的电位差。所述按照本发明所建议的、结合以下附图来详细描述的绕线草图能够实现一种在额外的电绝缘措施方面具有较小的开销的实施方案。

图3示出了变压器3的剖面图，该变压器的初级线圈31和次级线圈32被放入到线圈体33中，该线圈体又处于铁氧体磁芯4中，所述铁氧体磁芯在由第一壳半体35a和第二壳半体35b组成的情况下对称地构成。明显地，所述壳半体35a、35b的、至少部分地穿过所述线圈体的区域具有一气隙35c，因为在这个区域中所述壳半体35a和35b没有相互接触。所述线圈体33具有在绕线方向上沿着圆形轨道伸展的u形的横截面，在所述线圈体的室底部331上连接了两个彼此平行地布置的室壁332、333。所述次级线圈32的第一层321直接被卷绕到所述室底部331上。从该层321中引出所述次级线圈32的（未示出的）第一电接头。所述次级线圈32的最外面的层32X被连接到所述次级线圈32的（未示出的）第二电接头上。所述初级线圈31的最里面的层311直接被卷绕到所述次级线圈32的最外面的层32X上，所述初级线圈31的（未示出的）第一电接头被连接到所述初级线圈的最里面的层上。所示出的初级线圈31仅仅具有两个层，（未示出的）第二电接头从所述两个层中的最外面的层31X分支出来。

图4a示出了一种按照本发明来构成的变压器3的透视图，该变压器的（未示出的）线圈被包围在铁氧体磁芯4的两个壳半体35a和35b中。在所述铁氧体磁芯4的外部布置了一个凹部334，该凹部具有用于进行外部的电接触的端棒36a、36b、36c、36d。

图4b以分解图示出了在图3a中示出的变压器3，在该分解图中示出了具有凹部334和端棒36a、36b、36c、36d的线圈体33。

图5a示出了变压器3的一种实施例的侧视图，对于该变压器来说能够看出将所述次级线圈32的电接头32a、32b引导到所述端棒36a或者36d上的情况。所述次级线圈32的第一电接头32a通过所述线圈体33的室壁332中的空隙332b从所述次级线圈32的最里面的层在所述室壁332的外部被引导到所述端棒36d上。所述次级线圈32的第二电接头32b通过所述线圈体33的室壁332中的相同的空隙332b被引导到所述端棒36a上。所述初级线圈31的电接头31a、31b从对置的侧面被导引到所述端棒36b、36c上并且与其电连接。

图5b示出了如结合图5a已经描述的那样的变压器3的、旋转了180度的视图。所述线圈体33的、现在布置在最前面的室壁333不具有空隙。所述初级线圈31的电接头31a、31b在所述室壁332、333之间被朝所述凹部334的方向导引并且在那里与所述端棒36b、36c电连接。

图6示出了按照本发明来构成的变压器3的一种实施例的凹部334的俯视图。明显地，所述初级线圈31的电接头31a、31b与所述端棒36b、36c电连接。所述初级线圈的电接头的直径大于所述次级线圈32的电接头32a、32b的直径，所述次级线圈的电接头与外部的端棒36a、36d电连接。

Claims

1.用于向内燃机的火花隙供给电能的升压斩波器（1），该升压斩波器包括：

-具有初级线圈（31）和次级线圈（32）的变压器（3），其中

-所述次级线圈（32）被多层地卷绕，并且

-所述初级线圈（31）相对于所述次级线圈（32）同轴地被卷绕到所述次级线圈（32）的最外面的层（32X）上面，其中

-所述次级线圈（32）的第一电接头（32a）与所述次级线圈（32）的最里面的层（321）电连接，

-所述次级线圈（32）的第一电接头（32a）被设立用于：与用于所述火花隙的高压接头（21）进行电连接，

其特征在于，

- 所述初级线圈（31）和所述次级线圈（32）被包围在铁氧体磁芯（4）的两个壳半体（35a、35b）中，

- 所述变压器（3）此外包括一具有旋转对称的基体的线圈体（33），所述基体具有室底部（331）以及在两侧连接到所述室底部（331）上的室壁（332、333），其中所述次级线圈（32）在所述室壁（332、333）之间被卷绕到所述室底部（331）上，并且所述初级线圈（31）在所述室壁（332、333）之间被卷绕到所述次级线圈（32）的最外面的层（32X）上，

- 所述次级线圈（32）的第一电接头（32a）从该次级线圈（32）的位于室底部（331）内的最里面的层（321）引出来，

- 为车载电网侧的输入电压（U_e）分配了所述次级线圈（32）的第二电接头（32b）和/或所述初级线圈（31）的第一电接头（31a），

- 所述初级线圈（31）的第二电接头（31b）从该初级线圈（31）的最外面的层（31X）分支出来。

2.根据权利要求1所述的升压斩波器（1），其中通过能够控制的开关（S）为电接地分配了所述初级线圈（31）的第二电接头（31b）。

3.根据权利要求1或2所述的升压斩波器（1），其中所述初级线圈（31）也被多层地卷绕，并且所述初级线圈（31）的第一电接头（31a）与所述初级线圈（31）的最里面的层（311）电连接，并且所述初级线圈（31）的第二电接头（31b）与所述初级线圈（31）的最外面的层（31X）电连接。

4.根据权利要求1所述的升压斩波器（1），

-其中所述线圈体（33）此外具有凹部（334），该凹部用于在空间上固定并且电接触所述初级线圈（31）的第一、第二电接头和次级线圈（32）的第一、第二电接头，并且/或者

-其中所述次级线圈（32）的第一电接头（32a）通过所述基体的室壁（332）相对于所述初级线圈（31）被电绝缘。

5.根据权利要求1或2所述的升压斩波器（1），其中所述变压器（3）具有在5与30之间的变压比。

6.根据权利要求1或2所述的升压斩波器（1），其中所述初级线圈（31）和所述次级线圈（32）由漆包铜线组成。

7.根据权利要求2所述的升压斩波器（1），其中所述能够控制的开关（S）是IGBT或者MOSFET。

8.根据权利要求1所述的升压斩波器（1），其中通过能够控制的开关（S）为所述火花隙的与高压接头（21）对置的电位分配了所述初级线圈（31）的第二电接头（31b）。

9.根据权利要求1或2所述的升压斩波器（1），其中所述变压器（3）具有在7与20之间的变压比。

10.根据权利要求1或2所述的升压斩波器（1），其中所述变压器（3）具有在8与15之间的变压比。

11.点火系统，该点火系统具有用于对内燃机的能燃烧的混合物进行外源点火的火花隙，其特征在于

-根据前述权利要求1至10中任一项所述的升压斩波器（1），该升压斩波器用于向在所述火花隙上存在的点火火花供给电能，其中

-所述次级线圈（32）的第一电接头（32a）被连接到所述火花隙的高压接头（21）上。

12.根据权利要求11所述的点火系统，其中所述初级线圈（31）的第二电接头（31b）被设立用于：借助于能够控制的开关（S）与电接地相连接。

13.根据权利要求12所述的点火系统，其中所述能够控制的开关（S）是IGBT或者MOSFET。

14.根据权利要求11所述的点火系统，其中所述初级线圈（31）的第二电接头（31b）被设立用于：借助于能够控制的开关（S）与所述火花隙的与高压接头（21）对置的电位相连接。