CN107605636A - 一种发动机用一体化高能点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于发动机的一体化高能点火系统，既可用于活塞发动机也可用于涡轮喷气发动机，主要包括输入插座、驱动电路、点火功率开关器件、点火变压器和升压转换电路以及输出插座，上述部件集成在PCB板上；输入插座和外部电源及控制信号相连，驱动电路、点火功率开关器件和点火变压器相连；点火变压器磁路设置了初始反向磁场偏置，点火变压器次级和高压输出一体集成，输出直接接火花塞，实现点火输出。本发明的点火系统可以使初级充电电流增加，点火能量增加；点火功率开关器件击穿钳位电压升高，放电延迟时间缩短；升压变换升高充电电压，充电时间缩短，点火循环周期缩短，点火持续时间长，显著改善发动机燃烧性能，提高发动机性能指标。

Description

一种发动机用一体化高能点火系统

技术领域

本发明属于发动机点火系统相关技术领域，尤其是涉及发动机点火系统中的点火线圈及其驱动电路，一种既可用于活塞发动机点火系统也可用于涡轮喷气发动机点火系统的一体化高能点火系统。

背景技术

发动机点火系统直接决定了发动机的起动和性能指标，属于发动机的核心部件。当前的发动机点火系统主要包括两种方式，一种是电容放电点火，一种是电感放电点火。其中，电容放电点火系统的优点是次级放电电流上升时间快，放电延迟时间短，即使火花塞带有脏污也能迅速击穿放电，特别适合要求良好起动性能的发动机中使用，比如高速小排量摩托车发动机以及涡轮喷气发动机等。电容放电点火系统的缺点是放电持续时间短，不利于发动机燃烧性能改善，排放性能较差，不能较好的满足当前的排放法规。电感放电点火系统则和电容放电点火系统基本相反，次级放电电流上升时间慢，放电延迟时间长，但放电持续时间长，对改善发动机燃烧非常有利。由于这个原因，电感放电点火系统在汽车上应用最为广泛，基本上占绝对主导地位。当前，随着汽车发动机缸内直喷技术以及航空活塞发动机航空重油的应用，对于高点火能量和长持续放电时间的点火系统需求更为强烈。因此，实现两种放电点火系统的优点结合，得到一种既能提高点火能量，缩短放电延迟时间；又可增加放电持续时间，改善发动机混合气燃烧性能的点火系统具有非常重要的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于发动机点火的一体化高能点火系统，结合了电容和电感放电点火方式的优点，点火能量大，点火持续时间长，在保证发动机点火可靠性的前提下，改善发动机燃烧，降低发动机排放。

本发明完整的技术方案包括：一种一体化高能点火系统，包括输入插座、驱动电路、点火功率开关器件、点火变压器、点火升压系统、输出插座与PCB板，其特征在于，所述的输入插座、驱动电路、点火功率开关器件、点火变压器、点火升压系统、输出插座集成于PCB板上，对外只有电源输入接口、控制信号接口以及点火输出接口；所述输入插座连接外部电源及点火控制信号；所述驱动电路、点火功率开关器件、点火变压器和升点火压变换电路相连，实现功率放大和升压变换；所述点火变压器的次级和高压输出集成为一体，高压输出通过输出插座直接接火花塞，实现点火输出；

所述的点火升压系统采用变频升压方式。

所述的点火升压系统包括点火充电控制器，点火充电线圈，点火充电开关管，以及点火充电二极管和点火充电输出电容，初级线圈中，点火充电控制器依次连接电源电压，输入端充电线圈和点火充电开关管，点火充电控制器检测输入电压计算得到初级线圈通电时间后，通过输出驱动脉冲到点火充电开关管实现对点火充电线圈的初级线圈充电；次级线圈中，点火充电二极管连接点火充电输出电容，点火充电输出电容的输出电压反馈给控制器，控制器计算初级线圈断电后，次级线圈对点火充电输出电容的放电时间，次级线圈通过点火充电二极管10进行放电，实现对点火充电输出电容11的充电。

所述的点火充电输出电容的目标控制电压为48V。

所述的点火系统变压器包括铁芯、点火变压器初级线圈和点火变压器次级线圈，点火变压器初级线圈产生点火变压器正向充电磁场，所述的点火变压器次级线圈所缠绕的铁芯中设置有点火变压器永磁体，点火变压器次级线圈产生点火变压器反向磁场。

所述变压器匝数为1:40；所述永磁体为钐钴永磁体。

所述的点火功率开关器件包括第一点火功率开关串联IGBT和第一体二极管，第二点火功率开关串联IGBT和第二体二极管，800V耐压击穿的二极管；所述的第一点火功率开关串联IGBT和第二点火功率开关串联IGBT串联，并与所述的800V耐压击穿的二极管并联。

采用电平转换电路转换输入电源和升压电源的电平。

采用所述的一体化高能点火系统进行点火的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)点火输入控制信号发出控制脉冲，通过电平转换电路，点火升压系统升压后的高压电源对点火变压器初级线圈进行充电；

2)充电时间达到后，点火输入控制信号关闭，通过电平转换电路，点火升压系统升压后的高电压被切断，点火变压器初级线圈迅速上升至800V击穿电压；

3)由于点火变压器匝数比为1:40左右，其次级电压上升至32000V左右，并开始击穿放电，点火过程开始，直到点火功能完成，时间在300～500微秒左右；

4)点火升压系统高压部分开始充电，在下次点火控制信号到来之前，完成对点火升压系统升压电容的高压电源充电。

所述的点火升压系统控制方法为：

控制器检测输入电源电压Vi，根据充电线圈的初级电感值以及峰值电流限制值，由公式计算得到点火充电线圈的初级线圈通电时间，输出驱动脉冲到点火充电开关管对点火充电线圈的初级线圈充电；

点火充电线圈的初级线圈充电结束后，点火充电控制器检测点火充电输出电容的输出电压Vo；，根据点火充电线圈初级线圈和次级线圈匝数比计算点火充电线圈初级线圈断电后，次级线圈对点火充电输出电容的放电时间，公式为

点火充电线圈次级线圈通过点火充电二极管进行放电，从而实现对点火充电输出电容11的充电；充电时间到达后，点火充电控制器重复上面过程，继续对点火充电输出电容的充电过程，直到达到目标控制电压。

所述的点火系统变压器变压方法为：

点火变压器初级线圈产生的点火变压器正向充电磁场和点火变压器永磁体产生的点火变压器反向磁场方向相反，变压器初级通电产生的正向磁场克服反向磁路形成正向磁路，即点火变压器初级通电需要产生的磁通密度等于正向饱和磁通密度与永磁体产生的磁通密度之和，变压器初级线圈通电的电流增加。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1.DCDC升压系统。一般情况下，点火系统都是12V电源输入，采用电感放电点火方式时，需要对变压器初级进行充电，这个时间一般在5ms左右，而发动机为两冲程方式时，发动机转速可以达到10000转以上，这样导致整个点火系统充电时间占整个发动机循环时间比例太大，不能有充裕的放电时间、复位时间以及点火线圈冷却时间，也即是说采用低压电源对变压器初级线圈进行充电是不能满足高速两冲程特别是重油燃料发动机使用要求的。因此，为了解决上述问题，必须采用较高电压对初级线圈充电，这也是本发明专利第一个关键部分。此处的DCDC升压变换和一般电源设计中的稳压直流升压变换也是不一样的，本发明的DCDC升压变换的目标是满足变压器初级线圈的脉冲峰值电流要求，因此等效于DCDC升压变换中的输出电容在两次点火时间间隔内能重新恢复目标电压值，对于稳压和纹波却没有特别要求。

2、反向磁偏置的变压器。本发明采用反向磁偏置变压器的主要目的即是增加点火系统的点火能量。通过在变压器硅钢片芯体中嵌入一段永磁体，实现变压器硅钢片内磁路的初始反向偏置。这种变压器结构除了可以避免变压器芯体的磁饱和现象以外，更重要的是增加了点火系统的点火能量，从而保证发动机点火系统的可靠运转。变压器通电时，所产生的磁场和永磁体产生的磁场是相反，为了克服永磁体产生的磁场，加到线圈上的电流必须增加，由于线圈存储的能量为故点火能量大大增加。由于变压器具有初始磁路偏置，充电电流必须按照一定的方向，因此本发明专利的变压器初级引线必须有正负标识，这是和传统点火线圈完全不一样的。

3、高钳位击穿电压的功率开关器件。当前，传统的电感放电点火系统初级线圈击穿电压一般在400～450左右，随着缸内直喷以及稀薄燃烧技术的应用，在变压器初级和次级匝数比一定(一般为1：40)的情况下，这个击穿放电电压比较低，难以满足使用要求。因此，为了提高变压器次级放电电压，初级击穿电压必须提高。本发明专利通过功率开关器件和高击穿稳压二极管的组合实现了高钳位击穿电压的功率开关器件，钳位电压在800V左右。由于钳位击穿电压提高，放电延迟时间大大缩短，放电击穿电压大大提高，弥补了电感放电点火系统最大的缺点。

通过以上关键部分的集成，本发明专利实现了电感放电点火系统具备电容放电点火系统的特点，放电点火电压提高，放电时间延迟缩短，对稀薄燃烧和火花塞脏污具有较好的适应性；同时电感放电点火系统本身的放电火花持续时间长，发动机混合气燃烧性能大大改善的优点继续保留；除了上面的特点外，该发明专利还通过系统高度集成，避免了点火系统的高压部分外露，提高了系统安全性，电磁辐射干扰也大大降低。

附图说明

图1是本发明点火系统的结构示意图；

图2是本发明点火系统DCDC升压变换示意图；

图3是本发明点火系统变压器结构示意图；

图4是本发明点火系统和传统点火系统初级线圈充电电流波形对比图；

图5是本发明点火系统的高击穿点火功率开关结构示意图。

图中：1-输入插座，2-驱动电路，3-点火功率开关器件，4-点火变压器，5-点火升压系统，6-输出插座；7-点火充电控制器，8-点火充电线圈，9-点火充电开关管，10-点火充电二极管，11-点火充电输出电容；12-点火变压器初级线圈，13-点火变压器次级线圈，14-点火变压器永磁体，15-点火变压器正向充电磁场，16-点火变压器反向磁场；17-第一点火功率开关串联IGBT，18-第二点火功率开关串联IGBT，19-第二点火功率开关串联IGBT体二极管，20-第一点火功率开关串联IGBT体二极管，21-800V齐纳击穿二极管；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如附图1所示。本发明的一体化高能点火系统，将输入插座1、驱动电路2、点火功率开关器件3、点火变压器4、点火升压系统5以及输出插座6集成于PCB板，即印刷电路板上，实现控制电路和放电电路一体化，使发动机点火系统更加紧凑。所述输入插座1连接外部电源及点火控制信号；所述驱动电路2、点火功率开关器件3、点火变压器4和升点火压变换电路5相连，实现功率放大和升压变换；所述点火变压器4的次级和高压输出集成在一体，高压输出通过输出插座6直接接火花塞，实现点火输出。

本发明的DCDC升压系统结构示意图如图2所示，包括点火充电控制器7，点火充电线圈8，点火充电开关管9，以及点火充电二极管10和点火充电输出电容11，点火充电控制器7依次连接电源电压Vi，输入端充电线圈8和点火充电开关管9，并通过输出驱动脉冲到点火充电开关管9实现对点火充电线圈8的初级线圈充电；次级线圈中，点火充电二极管10连接点火充电输出电容11，点火充电输出电容11的输出电压Vo反馈给控制器。

一般情况下，发动机点火系统都是12V电源输入，采用电感放电点火方式时，需要对变压器初级进行充电，这个时间一般在5ms左右，而发动机为两冲程方式时，发动机转速可以达到10000转以上，这样导致整个点火系统充电时间占整个发动机循环时间比例太大，不能有充裕的放电时间、复位时间以及点火线圈冷却时间，也即是说采用低压电源对变压器初级线圈进行充电是不能满足高速两冲程特别是重油燃料发动机使用要求的。因此，为了解决上述问题，必须采用较高电压对初级线圈充电，这也是本发明第一个关键发明点，此处的DCDC升压变换和一般电源设计中的稳压直流升压变换不同，本发明的DCDC升压变换的目标是满足变压器初级线圈的脉冲峰值电流要求，因此等效于DCDC升压变换中的输出电容在两次点火时间间隔内能重新恢复目标电压值，对于稳压和纹波却没有特别要求。

与传统的定频PWM调节方式不同，本发明专利采用的DCDC升压变换采用的是变频升压方式，主要的原因是随着输出电容的充电电压越来越大，充电线圈的放电时间越来越短，也即是为了实现充电系统的效率最高和速度最快，必须对放电时间进行控制，这全部工作由点火充电控制器7的控制方法实现，具体控制方法如下：

控制器检测输入电源电压Vi(一般为12V)，根据充电线圈8的初级电感值以及峰值电流限制值，由公式计算得到点火充电线圈8的初级线圈通电时间，输出驱动脉冲到点火充电开关管9对点火充电线圈8的初级线圈充电；

点火充电线圈8的初级线圈充电结束后，点火充电控制器7检测点火充电输出电容11的输出电压Vo；，根据点火充电线圈8初级线圈和次级线圈匝数比计算点火充电线圈8初级线圈断电后，次级线圈对点火充电输出电容11的放电时间，公式为

点火充电线圈8次级线圈通过点火充电二极管10进行放电，从而实现对点火充电输出电容11的充电。充电时间到达后，点火充电控制器7重复上面过程，继续对点火充电输出电容11的充电过程，直到达到目标控制电压48V。

该充电算法是变频高速的电容充电方法，可以满足发动机10000转左右的工作转速要求，也即在6ms之内实现对输出电容11的恢复充电。

图3是本发明点火系统变压器结构示意图；采用的变压器带有磁路预偏置，匝数比一般在1:40左右，包括点火变压器初级线圈12，点火变压器次级线圈13，点火变压器次级线圈13中设置有点火变压器永磁体14，点火变压器初级线圈12产生点火变压器正向充电磁场15，点火变压器次级线圈13产生点火变压器反向磁场16；

采用的变压器结构上和传统的硅钢片芯不同的是，本发明专利在磁路中加入了永磁体，考虑到点火线圈的温度范围，本发明专利采用的永磁体为高温特性较好的钐钴永磁体，保证了高温条件下磁性材料不退磁的关键特性。

相比传统点火系统，点火变压器初级线圈12需要有正负方向的区别，原因是点火变压器初级线圈12产生的点火变压器正向充电磁场15需要和点火变压器永磁体14产生的点火变压器反向磁场16方向相反，点火变压器次级线圈13则是单端和地线相连，另外一端直接通过导线联结至火花塞进行击穿放电。由于反向磁路16的加入，变压器初级通电产生的正向磁场15必须首先克服反向磁路才能形成正向磁路，这样对于同样的正向磁路饱和磁通密度来讲，点火变压器初级通电需要产生的磁通密度必须等于正向饱和磁通密度与永磁体产生的磁通密度之和，这样显然变压器初级线圈12通电的电流必须增加，从而根据线圈储能的公式因此变压器初级线圈12存储的能量增加，这是本发明专利点火系统点火能量增加的关键。同时，还可以得到充电过程中磁路不容易饱和的好处，这可以从附图4上看的出来。图中，下方曲线为传统点火系统初级线圈充电电流波形，上方曲线为本发明点火系统初级线圈充电电流波形。附图4比较清晰的说明了，传统点火系统的电流很快达到饱和值，在后续的电流增加过程中，电感存储能量不再增加，发热量大大增加，对于点火系统的稳定性和可靠性带来很大影响。本发明专利能较好的解决这个问题，由于需要克服反向偏置的磁场，因此硅钢片中的磁通不同饱和，电流基本上按照线性上升，点火能量增加，发热量反而没有显著增加。

图5是本发明点火系统的高钳位击穿电压的点火功率开关结构示意图。如图所示，包括第一点火功率开关串联IGBT(绝缘栅双极型晶体管)17，第二点火功率开关串联IGBT(绝缘栅双极型晶体管)18，第一点火功率开关串联IGBT体二极管20，第二点火功率开关串联IGBT体二极管19，和800V齐纳击穿二极管21；

本发明专利为了实现电感放电点火系统和电容放电点火系统的优点兼顾，针对传统电感放电点火系统的变压器初级击穿电压一般为400V的特点，提高了击穿电压到800V左右。根据电感充放电公式可以明确击穿电压的提高，带来两个好处，一是减少了初级放电延迟时间，达到电容放电点火系统的快速放电效果，二是提高了次级放电击穿电压，提高了点火系统的点火能力，便于实现脏污和稀薄燃烧环境的应用，特别是对于重油系统的燃烧非常有利。本发明专利的高击穿电压功率开关，采用两个IGBT串联，同时和一个高齐纳击穿二极管并联实现，整个功率开关由第一17和第二点火功率开关串联IGBT 18组成，两个IGBT的体二极管分别为19和20，两者击穿电压均为400～450V左右，为了保证可靠重复击穿放电，在以上两个IGBT串联的基础上，外部并联一个800V耐压击穿的二极管21，保护两个IGBT不会因过压而破坏。

除了上面的三个部分外，为了实现点火系统的高度集成一体化，对于输入电源和升压电源的电平转换，采用了电平转换电路。电平转换电路的主要作用是实现输入控制信号到功率开关器件前的电平转换和功率放大。该部分实施可以通过常规电平转换电路实现，没有特殊要求。

以上电路和器件全部集成到一块PCB电路板上，对外只有电源输入接口、控制信号接口以及点火输出接口，因此整个系统可以实现高压部分不暴露在外，这对于点火系统的电磁兼容性是非常重要的，同时这样也能提高系统的稳定性和可靠性。

整体上，本发明专利的一体化高能点火系统，兼顾了电感放电和电容放电点火的优点，集成度高，是发动机满足稀薄燃烧和重油应用的关键。

本发明点火系统的整个工作过程如下：

点火输入控制信号发出控制脉冲，通过电平转换电路，DCDC升压后的高压电源48V对变压器线圈初级进行充电；

充电时间达到后，点火输入控制信号关闭，通过电平转换电路，DCDC升压后的高电压48V被切断，变压器初级线圈迅速上升至800V击穿电压；

由于变压器匝数比为1:40左右，次级电压上升至32000V左右，次级开始击穿放电，点火过程开始，直到点火功能完成，时间在300～500微秒左右；

DCDC高压部分开始充电，在下次点火控制信号到来之前，完成对DCDC升压电容的48V充电；

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种一体化高能点火系统，包括输入插座、驱动电路、点火功率开关器件、点火变压器、点火升压系统、输出插座与PCB板，其特征在于，所述的输入插座、驱动电路、点火功率开关器件、点火变压器、点火升压系统、输出插座集成于PCB板上，对外只有电源输入接口、控制信号接口以及点火输出接口；所述输入插座连接外部电源及点火控制信号；所述驱动电路、点火功率开关器件、点火变压器和升点火压变换电路相连，实现功率放大和升压变换；所述点火变压器的次级和高压输出集成为一体，高压输出通过输出插座直接接火花塞，实现点火输出；

所述的点火升压系统采用变频升压方式。

2.权利要求1所述的一体化高能点火系统，其特征在于，所述的点火升压系统包括点火充电控制器，点火充电线圈，点火充电开关管，以及点火充电二极管和点火充电输出电容，初级线圈中，点火充电控制器依次连接电源电压，输入端充电线圈和点火充电开关管，点火充电控制器检测输入电压计算得到初级线圈通电时间后，通过输出驱动脉冲到点火充电开关管实现对点火充电线圈的初级线圈充电；次级线圈中，点火充电二极管连接点火充电输出电容，点火充电输出电容的输出电压反馈给控制器，控制器计算初级线圈断电后，次级线圈对点火充电输出电容的放电时间，次级线圈通过点火充电二极管进行放电，实现对点火充电输出电容的充电。

3.权利要求2所述的一体化高能点火系统，其特征在于，所述的点火充电输出电容的目标控制电压为48V。

4.权利要求1所述的一体化高能点火系统，其特征在于，所述的点火系统变压器包括铁芯、点火变压器初级线圈和点火变压器次级线圈，点火变压器初级线圈产生点火变压器正向充电磁场，所述的点火变压器次级线圈所缠绕的铁芯中设置有点火变压器永磁体，点火变压器次级线圈产生点火变压器反向磁场。

5.权利要求4所述的一体化高能点火系统，其特征在于，所述变压器匝数为1:40；所述永磁体为钐钴永磁体。

6.权利要求1所述的一体化高能点火系统，其特征在于，所述的点火功率开关器件包括第一点火功率开关串联IGBT和第一体二极管，第二点火功率开关串联IGBT和第二体二极管，800V耐压击穿的二极管；所述的第一点火功率开关串联IGBT和第二点火功率开关串联IGBT串联，并与所述的800V耐压击穿的二极管并联。

7.权利要求1所述的一体化高能点火系统，其特征在于，采用电平转换电路转换输入电源和升压电源的电平。

8.采用权利要求1-7任一项所述的一体化高能点火系统进行点火的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)点火输入控制信号发出控制脉冲，通过电平转换电路，点火升压系统升压后的高压电源对点火变压器初级线圈进行充电；

2)充电时间达到后，点火输入控制信号关闭，通过电平转换电路，点火升压系统升压后的高电压被切断，点火变压器初级线圈迅速上升至800V击穿电压；

3)由于点火变压器匝数比为1:40左右，其次级电压上升至32000V左右，并开始击穿放电，点火过程开始，直到点火功能完成，时间在300～500微秒左右；

4)点火升压系统高压部分开始充电，在下次点火控制信号到来之前，完成对点火升压系统升压电容的高压电源充电。

9.权利要求8所述的一体化高能点火系统进行点火的方法，其特征在于，所述的点火升压系统控制方法为：

控制器检测输入电源电压Vi，根据充电线圈的初级电感值以及峰值电流限制值，由公式计算得到点火充电线圈的初级线圈通电时间，输出驱动脉冲到点火充电开关管对点火充电线圈的初级线圈充电；

点火充电线圈的初级线圈充电结束后，点火充电控制器检测点火充电输出电容的输出电压Vo；，根据点火充电线圈初级线圈和次级线圈匝数比计算点火充电线圈初级线圈断电后，次级线圈对点火充电输出电容的放电时间，公式为

点火充电线圈次级线圈通过点火充电二极管进行放电，从而实现对点火充电输出电容11的充电；充电时间到达后，点火充电控制器重复上面过程，继续对点火充电输出电容的充电过程，直到达到目标控制电压。

10.权利要求8所述的一体化高能点火系统进行点火的方法，其特征在于，所述的点火系统变压器变压方法为：

点火变压器初级线圈产生的点火变压器正向充电磁场和点火变压器永磁体产生的点火变压器反向磁场方向相反，变压器初级通电产生的正向磁场克服反向磁路形成正向磁路，即点火变压器初级通电需要产生的磁通密度等于正向饱和磁通密度与永磁体产生的磁通密度之和，变压器初级线圈通电的电流增加。