CN107430932A - 内燃机用点火线圈 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在高速旋转区域中也能实现高输出且能抑制大型化的内燃机用点火线圈。内燃机用点火线圈具备：配置在一次线圈及二次线圈的内侧的中间铁心；配置在所述一次线圈及所述二次线圈的外侧且与所述中间铁心组合构成闭合磁路的边缘铁心；设置在所述中间铁心与所述边缘铁心之间或设置于所述边缘铁心的一个或多个间隙；以及配置在各所述间隙中的磁铁，各所述磁铁的截面积的总和为所述中间铁心的截面积的3倍以上且7倍不到。

Description

内燃机用点火线圈

技术领域

本发明涉及安装在例如汽车等的内燃机中并向火花塞提供高电压以产生火花放电的内燃机用点火线圈。

背景技术

以往，采用了多种方法以实现内燃机用点火线圈的高效化和增大所产生的电压(例如参照下述专利文献1、2)。

但以往仅仅考虑了点火线圈的峰值性能来进行设计。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特许第2734540号说明书(磁气回路)

专利文献2：日本专利特开2007－103482号公报(磁阻)

发明内容

本发明所要解决的技术问题

近年来，为了提高发动机燃烧效率以满足改善发动机油耗的要求，开发出了涡轮高压缩化(downsizing)的车辆。点火线圈也随之被要求实现高电压和高输出，以在高压缩的情况下能够进行可靠的绝缘破坏和燃烧。

这样的车辆在高速旋转区域以及低电压区域中的压缩比都被设定得较高，从低电压区域到高速旋转区域要求有高输出的点火线圈。

以往的点火线圈采用的方法是在要使能量增大的情况下增加中间铁心的截面积，在高速旋转区域或低电压区域中，增大一次线圈的线径(一次线圈的绕组的线径)从而减小电阻值以使能量增大。

但即使在采用上述方法的情况下，为了改善高转速特性，仍然需要使铁心截面积大幅增加或使一次线圈等的线径增大。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种在高速旋转区域也能实现高输出并能抑制大型化的内燃机用点火线圈。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的内燃机用点火线圈具备：配置在一次线圈及二次线圈的内侧的中间铁心；配置在所述一次线圈及所述二次线圈的外侧且与所述中间铁心组合构成闭合磁路的边缘铁心；设置在所述中间铁心与所述边缘铁心之间或设置于所述边缘铁心的一个或多个间隙；以及配置在各所述间隙中的磁铁，各所述磁铁的截面积的总和为所述中间铁心的截面积的3倍以上且7倍不到。

发明效果

本发明能够提供一种在高速旋转区域中也能实现高输出且能抑制大型化的内燃机用点火线圈。

附图说明

图1是从上方俯视本发明的实施方式1所涉及的内燃机用点火线圈得到的简图。

图2是从斜下方观察图1的内燃机用点火线圈得到的简要立体图。

图3是用于说明本发明的实施方式1所涉及的内燃机用点火线圈的作用的磁气特性图。

图4是从上方俯视本发明的实施方式2所涉及的内燃机用点火线圈得到的简图。

图5是从斜下方观察图4的内燃机用点火线圈得到的简要立体图。

图6是本发明的实施方式3所涉及的内燃机用点火线圈的简要立体图。

图7是图6的内燃机用点火线圈的简要俯视图。

图8是用于说明本发明的实施方式3所涉及的内燃机用点火线圈的作用的磁气特性图。

图9是本发明的实施方式4所涉及的内燃机用点火线圈的简要俯视图。

图10是表示图9的内燃机用点火线圈中的磁铁的磁通的图。

图11是本发明的实施方式5所涉及的内燃机用点火线圈的简要俯视图。

图12是本发明的实施方式6所涉及的内燃机用点火线圈的简要俯视图。

图13是表示没有设置磁铁时的点火线圈的基本磁气特性的磁气特性图。

图14是表示设有磁铁时的点火线圈的基本磁气特性的磁气特性图。

图15是表示磁气特性随着铁心截面积增加而变化的磁气特性图。

图16是用于说明低速旋转区域的峰值时的能量增加的磁气特性图。

图17是用于说明高速旋转区域的峰值时的能量增加的磁气特性图。

图18是用于说明本发明的实施方式1所涉及的内燃机用点火线圈的作用的磁气特性图。

具体实施方式

下面，按照各实施方式使用附图来说明本发明所涉及的内燃机用点火线圈。在各实施方式中，相同或相当部分使用同一标号表示，并省略重复说明。

首先，对本发明的原理及效果进行详细说明。

图13、14是表示点火线圈的基本磁气特性(磁通-磁动势特性)的磁气特性图。点火线圈的能量与图13、14的斜线部分所示的面积成正比。

点火线圈所用的铁心的磁通会在取决于材料固有特性的饱和磁通密度Bmax与中间铁心截面积Sc之积所给出的值达到饱和，从而出现磁饱和。

这种内燃机用点火线圈例如像后述的图1所例示的本发明的内燃机用点火线圈那样，在形成闭合磁路的中间铁心30与边缘铁心40之间的中间铁心30的间隙60中插入了磁铁70，图13示出了没有设置磁铁的点火线圈的磁气特性，图14示出了设有磁铁的点火线圈的磁气特性。

以往，在这种点火线圈中插入磁铁是为了在同一截面积下使中间铁心的能量增加。并且向中间铁心负方向施加反向偏压，通过调整磁阻和磁铁尺寸以使该反向偏压达到负向磁饱和附近。由此，利用一次线圈注入磁通即提供磁动势直至正向达到磁饱和，从而能够防止中间铁心大型化并能实现高输出。

另一方面，在高速旋转区域，在各转速下设定满足下式(1)、(2)的一次线圈的通电时间Ton，实现与该通电时间Ton下的磁动势相应的性能

αc≧∫^Ton ₀(Vc×I1)dt (1)

αd≧∫^Ton ₀(Vce×I1)dt (2)

此处，I1用流过点火线圈一次侧(一次线圈、线圈驱动器)的电流来近似地表达。

I1＝V1/R1{1－exp{－(R1/L1)×Ton}] (3)

αc：一次线圈的电力量规定值

αd：线圈驱动器的电力量规定值

Vc：一次线圈两端电压

Vce：线圈驱动器(点火器＝开关元件)两端电压

V1：提供给一次侧的电压

R1：连接至一次侧的合成电阻(一次线圈电阻、线束电阻等)

L1：一次电感

上式(1)的右边表示一次线圈的损耗，上式(2)的右边表示线圈驱动器的损耗，其示出为了抑制发热，需要变更点火线圈的通电时间Ton以将这些损耗控制在规定值以下。

根据上式(3)，缩短Ton时，I1变小。注入到磁气回路的磁动势用一次电流I1与一次匝数n1之积来表示，因此缩短Ton时，磁动势变小。

在考虑了电动机转速特性的情况下，每单位时间的点火次数与发动机转速成正比地增加，因此在高速旋转区域内，发热量与转速成正比地增加。因此，αc、αd与转速成反比地减少。随着αc、αd的减少，在高速旋转区域内，需要抑制一次线圈的通电时间Ton，如上所述，通电时间Ton的减少将导致一次电流I1变小，从而使注入到铁心的磁动势减少。高速旋转区域内的注入磁通量(磁动势)会随着一次电阻而变化，若通常的点火线圈的一次电阻为0.3Ω～0.7Ω左右，则上述注入磁通量(磁动势)为600AT～800AT左右。因此，只要600AT以上的磁动势下的磁性特性图所给出的面积能够增加，实际使用转速区域中的点火线圈的能量也能够增加。

点火线圈需要根据发动机请求(与转速相应的能量的请求)来确保能量，对每一种转速的请求，需要能够确保取决于每一个转速的磁动势所给出的磁气特性上的面积。

以往，在使高速旋转时的能量增加的情况下采用的方法是通过增加铁心截面积来改善磁气特性，通过增大一次线径(一次线圈的绕组的半径)来抑制功耗从而使最低磁动势增大，但这一方法用于使高速旋转能量增加时存在以下问题。

铁心截面积增加

铁心截面积增加会使磁气特性图如图15那样变化。实线相对于虚线如箭头A所示，示出中间铁心截面积增大后的特性。中间铁心截面积Sc的增加使得Bmax×Sc增加。此时，边缘铁心或磁铁、铁心间隙的截面积与中间铁心截面积的截面积之比是固定的。

在低速旋转区域内，如图16所示，峰值能量即磁动势能达到最大值，与中间铁心截面积成正比增加(ΔSl＝S1－S2+S3)，如图17的高速旋转区域所示，在注入磁动势较小的范围内，能量增加量与图16所示的峰值时的增加量相比减少(ΔSh＝S1’+S3’＜ΔSl)。因此，在注入磁动势较小的高速旋转区域内的性能增加量受限。

另外，随着铁心截面积增加，一次线圈卷绕直径(一次侧线圈在绕线管上卷绕一圈得到的周长)增加，从而使一次线圈的总线长增加，电阻值增加，因此发热量增加。为了避免这种情况发生，需要缩短通电时间，结果将导致高速旋转区域内的注入磁动势减少。因此，性能增加量进一步减少。另外，在为了弥补线长增加而使线径增大的情况下，线圈会大型化。

增大一次线径

通过增大一次线径，一次电阻减小，因此一次线圈两端电压下降，一次线圈的发热量减少。因此，在仅考虑上式(1)的限制的情况下，能够使一次线圈的通电时间Ton增加，从而能够使注入磁通增加。

而关于上式(2)，当上式(3)中一次电阻减少时，为了获得相同的磁动势(＝切断电流)所需的通电时间将减少。因此发热量会稍许减少，从而能够延长通电时间，使得铁心的注入磁动势增加。但是，由于一次电阻减少时的通电时间减少量较小，注入磁通增加量也是较小的值。因此，为了改善高转速特性，需要大幅增加一次线圈的线径。

基于上述理由，现有的设计难以大幅地改善高转速特性，要改善则必须大型化。

实施方式1

下面，示出本发明的实施方式1所涉及的内燃机用点火线圈的具体例。

图1是从上方俯视本发明的实施方式1所涉及的内燃机用点火线圈得到的简图。实施方式1中，如图1所示，包括一次线圈10、二次线圈20、用于和这些一次线圈10及二次线圈20进行磁耦合而配置在一次线圈10的内侧的中间铁心30、与中间铁心30组合构成闭合磁路的边缘铁心40、根据来自ECU(图示被省略)等的驱动信号对一次线圈10的电流进行通断控制的线圈驱动器(点火器)80、以及将这些构成元器件收纳在内的绝缘壳体50，边缘铁心40的一端与中间铁心30的一端抵接，边缘铁心40的另一端与中间铁心30的另一端之间隔着间隙60而相对，间隙60中插入有与间隙60相同尺寸的磁铁70。

更具体而言，中间铁心30上卷绕着一次线圈10，一次线圈10的外侧卷绕着二次线圈20。为了使结构便于理解，将中间铁心30上表面部分的一次线圈10和二次线圈20省略来表示。边缘铁心40具有围绕着卷绕有一次线圈10和二次线圈20的中间铁心30的四周延伸一圈的环形形状。中间铁心30的一端与边缘铁心40内侧的成为边缘铁心40一端的面抵接。中间铁心30的另一端具有沿着中间铁心30中与磁通方向正交的面的截面积变大的形状，而且与边缘铁心40内侧的成为与上述一端相对的另一端的面隔着间隙60相对。间隙60中插入有与间隙60同一尺寸的磁铁70。

图2中示出将图1的内燃机用点火线圈中的一次线圈10和二次线圈20去除后以图1的方向为基准斜向下观察得到的简要立体图(磁气回路图)。

上述例子中，边缘铁心使用O型铁心，但也可以使用C型铁心。

实施方式1的发明中，将磁铁70的截面积Sm设为中间铁心30的截面积Sc的3倍以上。另外，将间隙60的截面积Sg设为与磁铁70的截面积Sm相等或大于磁铁70的截面积Sm，即Sm≤Sg。从而能够施加足够的反向偏压。图3是将Sm/Sc≥3时(实线)与Sm/Sc＜3时(虚线)比较的磁气特性图。由图3可知，通过增大磁铁的截面积Sm(Sm/Sc≥3)，在磁动势AT为正的区域内，磁气特性为负的区域内的磁通饱和点向高磁动势侧偏移。从而，能够在低磁动势区域内增加面积以改善性能。同样，高磁动势区域内的能量(面积)也能够增大而不会使中间铁心30大型化。由于高转速区域内的能量也增加，因此还能根据低转速区域的要求性能来使中间铁心30小型化。

在间隙60和磁铁70各为1个的情况下，将磁铁的截面积Sm设为中间铁心30的截面积Sc的3倍以上。在间隙60和磁铁70有多个的情况下，将磁铁的截面积总和Sm设为中间铁心30的截面积Sc的3倍以上。

另外，相对于上述磁铁的截面积总和Sm的下限，将上限设定为使磁铁的截面积总和Sm为中间铁心30的截面积Sc的7倍不到(Sm/Sc＜7)。7倍以上(Sm/Sc≥7)时，如图18的虚线所示，磁气特性曲线的弯曲位置超过最低磁动势ATL，因此最低磁动势附近的能量将大幅下降。因此，将上限值设为实线所示的Sm/Sc＜7。

本发明中的间隙的截面积(Sg)和磁铁的截面积(Sm)是指各自的与厚度方向正交的面的截面积。中间铁心和边缘铁心的截面积(Sc、Ss)是指沿着与铁心长边方向或铁心中的磁通方向正交的面的截面积(以下相同)。

实施方式2

图4是从上方俯视本发明的实施方式2所涉及的内燃机用点火线圈得到的简图。图5中示出将图4的内燃机用点火线圈中的一次线圈10和二次线圈20去除后以图4的方向为基准斜向下观察得到的简要立体图(磁气回路图)。实施方式2中，如图4所示，将间隙60和磁铁70配置在边缘铁心40内。而且，间隙60和磁铁70也可以像图示那样倾斜配置。其他结构与上述实施方式1的相同。

这样构成的点火线圈由于在边缘铁心40中配置间隙60和磁铁70，因此即使在一次线圈10、二次线圈20的卷绕匝数较少等线圈规格的情况下、或者没有供中间铁心30前端的截面积扩大的空间等的情况下，也能够确保间隙60的截面积62(Sg)和磁铁70的截面积(Sm)。因此，能够容易地调整磁气特性。另外，由于能够在边缘铁心40上对应当确保的磁气特性进行调整，因此能够使中间铁心30、一次线圈10、二次线圈20采用通用组件。

实施方式3

图6是本发明的实施方式3所涉及的内燃机用点火线圈的简要立体图。图7是图6的内燃机用点火线圈的简要俯视图(磁气回路图)。实施方式3中，如图6所示，增大了边缘铁心40的厚度，减小了其宽度。另外，与间隙60的截面积62(Sg)相比，磁铁70的截面积(Sm)更小。换言之，间隙60的截面积(Sg)大于磁铁70的截面积(Sm)。而且，间隙60的未与磁铁70抵接的部分的厚度62a减小，边缘铁心40的截面积(Ss)大于中间铁心30的截面积(Sc)。

当边缘铁心40的截面积(Ss)小于中间铁心30的截面积(Sc)时，边缘铁心40将在中间铁心30发生磁饱和之前磁饱和。因此，在边缘铁心40发生了磁饱和的区域内，磁阻变大，磁气特性的斜率变小。从而，Sc≥Ss时的磁气特性如图8的虚线所示，Sc＜Ss时的磁气特性如图8的实线所示。Sc≥Ss的情况下,磁铁被施加反向偏压时(磁气特性负侧饱和点附近)的面积减少。从而，通过使Sc＜Ss，能够在磁铁被施加反向偏压时使能量增加而不会使边缘铁心40在中间铁心30磁饱和之前发生磁饱和。图8的W表示性能改善部分。

另外，由于边缘铁心40的高度变高，因此能够使厚度方向的长度变长从而确保截面积，由此能够使宽度方向缩小从而实现小型化。另外，使磁铁70的截面积Sm小于间隙60的截面积(Sg)62，使间隙60的未与磁铁70抵接的部分的厚度62a变小。因此，在磁铁70的厚度确保为安装时不会受损的厚度的情况下，通过缩小间隙在磁铁70的非抵接部的厚度62a，也能减小间隙的平均厚度(平均lg)，从而即使减小Sg也能增大Sg/lg。

实施方式4

图9是本发明的实施方式4所涉及的内燃机用点火线圈的简要俯视图(磁气回路图)。图10是表示图9的内燃机用点火线圈中的磁铁的磁通的图(磁气回路图)。实施方式4中，如图9所示，使磁铁70的截面积Sm小于间隙60的截面积Sg，间隙60在磁铁70非抵接部的厚度62b变大。其他结构与实施方式3的相同。

采用上述结构的点火线圈中，由于来自磁铁70的磁通不再横穿中间铁心30形成环路，因此能够高效地将磁铁70的磁通施加在中间铁心30上。

间隙60的厚度62b较大的部分会产生不横穿中间铁心30的磁通，但由于空间距离较长，因此该磁通不易穿过空间从而会减少。

上述结构也能适用于间隙60和磁铁70被设置在中间铁心30上的情况。

实施方式5

图11是本发明的实施方式5所涉及的内燃机用点火线圈的简要俯视图(磁气回路图)。实施方式5中，如图11所示，边缘铁心41、42的侧面设有作为铁心缓冲构件的边缘铁心罩45。磁铁70的一个主面与边缘铁心41抵接，另一个主面隔着边缘铁心罩45与边缘铁心42抵接。其他结构与实施方式2的相同。

采用上述结构的点火线圈中，磁铁70的厚度无需不必要地增厚，也不需要追加新的零部件，就能稳定地确保空气间隙60的厚度(1g)61。上述例子中，磁铁70与边缘铁心41抵接且在边缘铁心42上设置了边缘铁心罩45以确保空气间隙的厚度(1g)61，但也可以利用同样的结构使磁铁70与边缘铁心42侧抵接。而且，通过采用上述设有铁心罩的结构，也可以将间隙60和磁铁70配置在边缘铁心41或42与中间铁心30之间。

实施方式6

图12是本发明的实施方式6所涉及的内燃机用点火线圈的简要俯视图(磁气回路图)。实施方式6中，如图12所示，利用取向性电磁钢板构成边缘铁心40，将与中间铁心30的轴向(磁通方向)正交的方向设为易磁化方向MD，将间隙60和磁铁70配置在边缘铁心40的沿着与中间铁心30的轴向同一方向(平行)延伸的部分。另外，边缘铁心40的沿着易磁化方向MD延伸的部分的宽度变细。其他结构与实施方式2的相同。

采用上述结构的点火线圈中，为了确保间隙60和磁铁70的截面积Sg、Sm较大，使边缘铁心40的沿着与中间铁心30的轴向同一方向延伸的部分的截面积变大。因此，即使在饱和磁通密度较低的方向上，也不会发生磁饱和，另外由于易磁化方向上的饱和磁通密度较大，因此能够使易磁化方向上的宽度变小。

取向性电磁钢板在易磁化方向上的饱和磁通密度Bmax1较大，在与易磁化方向正交的方向上的饱和磁通密度Bmax2较小。为了调整磁阻，需要使间隙截面积和与之成正比的边缘铁心截面积增大，因此，若边缘铁心截面积S1较大，易磁化方向的截面积S2较小，中间铁心30的截面积设为Sc，饱和磁通密度设为Bmax_c，

S1＞Sc＞S2、

Bmax1＞Bmax_c＞Bmax2

则，

S1＊Bmax≒S2＊Bmax”≧Sc＊Bmax_c

从而即使减小S2，边缘铁心40的饱和也不会早于中间铁心30的饱和。上述示例中，仅边缘铁心40使用取向性电磁钢板，但中间铁心也可以使用取向性电磁钢板，这种情况下，也能够实现中间铁心截面积的小型化。

如上所述，本发明中，将磁铁的截面积总和设为中间铁心的截面积的3倍以上7倍不到。

从而，通过利用磁铁施加足够大的反向偏压，能够增加能量而不会使中间铁心(一次线圈的卷绕直径)大型化。另外，由于能量增加，因此也能够根据所要求的性能使中间铁心小型化。

将间隙的截面积设为大于等于磁铁的截面积。

另外，将间隙和磁铁设置在边缘铁心内。

由此，通过在边缘铁心内设置磁铁，能够容易地调整磁阻，还能够变更磁气特性而无需变更中间铁心、一次线圈、二次线圈(能够通用)。

另外，边缘铁心的高度大于中间铁心的高度。

由此，通过使边缘铁心在厚度方向上更高，能够在维持边缘铁心截面积的情况下抑制边缘铁心的宽度(＝抑制点火线圈尺寸变大)并能够调整磁阻。

另外，使边缘铁心的截面积大于中间铁心的截面积。

由此，通过使边缘铁心的截面积大于中间铁心的截面积，能够抑制因边缘铁心的磁饱和造成的磁气特性下降(磁阻增大)，因此在低磁动势区域能够进一步提高性能。

另外，使间隙截面积大于磁铁截面积。

由此，通过使间隙截面积大于磁铁截面积来调整磁气特性，从而能够抑制磁铁大型化并能改善性能。

另外，使间隙中未设置磁铁的部分的厚度变小。

由此，通过变更间隙的一部分厚度来调整磁阻，能够使磁铁的厚度达到能够制造、安装的厚度，并且无需不必要的增厚就能调整磁阻，因此能够抑制磁铁的加工不良、安装不良和大型化。

另外，使间隙的位于点火线圈外侧的部分的厚度变大。

由此，通过增大间隙的外侧来调整磁阻，能够抑制磁铁产生的磁通经由间隙形成短路环路(不横穿中间铁心)，因此能够高效地施加由磁铁产生的反向偏压。

另外，使磁铁厚度小于间隙厚度，并利用铁心缓冲构件确保间隙厚度。

由此，通过使用铁心罩来确保间隙厚度，无需将磁铁不必要地增厚，也无须增加零部件数量就能设定间隙厚度，因此能够避免不必要的成本增加来调整磁阻。

另外，边缘铁心使用取向性电磁钢板，边缘铁心以与中间铁心的轴向垂直的方向作为易磁化方向。

由此，通过在边缘铁心采用取向性电磁钢板，边缘铁心的与中间铁心的轴向垂直的方向作为易磁化方向，能够抑制(缩小)易磁化方向上的边缘铁心宽度，在与中间铁心的轴向平行的方向上能够增大截面积以确保间隙，因此即使在饱和磁通密度较低的方向上也不会发生磁饱和，因此能够使点火线圈在中间铁心的轴向上的尺寸小型化。

本发明并不限于上述各实施方式，这些实施方式的各种可能性的组合也包含在本发明的范围之内。

工业上的实用性

本发明的内燃机用点火线圈能够适用于在各个领域使用的内燃机。

Claims (10)

1.一种内燃机用点火线圈，其特征在于，包括：

配置在一次线圈及二次线圈的内侧的中间铁心；

配置在所述一次线圈及所述二次线圈的外侧且与所述中间铁心组合构成闭合磁路的边缘铁心；

设置在所述中间铁心与所述边缘铁心之间或设置于所述边缘铁心的一个或多个间隙；以及

配置在各所述间隙中的磁铁，

各所述磁铁的截面积的总和为所述中间铁心的截面积的3倍以上且7倍不到。

2.如权利要求1所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述间隙的截面积为所述磁铁的截面积以上。

3.如权利要求1或2所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述间隙和所述磁铁配置在所述边缘铁心内。

4.如权利要求3所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述边缘铁心的高度大于所述中间铁心的高度。

5.如权利要求1至4的任一项所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述边缘铁心的截面积大于所述中间铁心的截面积。

6.如权利要求1至5的任一项所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述间隙的截面积大于所述磁铁的截面积。

7.如权利要求6所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述间隙的未设置所述磁铁的部分的厚度变小。

8.如权利要求1至7的任一项所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述间隙的位于所述点火线圈外侧的部分的厚度变大。

9.如权利要求1至8的任一项所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述磁铁的厚度小于所述间隙的厚度，利用铁心缓冲构件确保所述间隙的厚度。

10.如权利要求3至9的任一项所述的内燃机用点火线圈，其特征在于，

所述边缘铁心使用取向性电磁钢板，所述边缘铁心将与所述中间铁心的轴向垂直的方向作为易磁化方向。