CN1141665A - 内燃机点火装置 - Google Patents

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Abstract

将火花塞间隙内置于由初级侧压电元件与次级侧压电元件相组合，沿厚度方向设置输入电极而沿长度方向设置输出电极所构成的升压器中。将此火花塞间隙罩向火花塞的一端。在此状态下，当从初级电压发生装置向输入电极施加波形与压电元件的固有谐振频率或其分量波形相同的初级电压时，升压器即因电致伸缩效应从输出电极直接给点火塞以高压的次级电压，于燃烧室内放电间隙间火花放电。由此可使点火装置小型与轻量化，降低制造成本。

Description

内燃机点火装置
本发明涉及小型轻量化的内燃机的点火装置。
在特许(公开)昭63-314366号中示明了，以机械方法压迫压电元件而产生高电压的内燃机点火装置。在特许(公告)昭58--34722号中则示明了将此压电元件与升压线圈串联组合的形式。
在特许(公开)昭62-33408号示明了在火花塞间隙中将特点火线圈整体化的装置。特许(公开)平-143461号中提出有相同的装置，其中在汽缸头上设有一对凸轮轴的顶置双凸轮轴(DOHC)型的发动机内，朝着斜向凸轮轴之间形成的火塞孔中插配火花塞间隙。
此外，在美国专利2461098号中也示明有使点火线圈于火花塞中整体化的装置。
进而在特许(公开)昭60-190672号中，例示了利用点火用电容器的放电，发生次级电压的CDI形式的点火电路。
但是上述采用压电元件的装置必需要有机械的压迫装置，而且必需有配电器和高电压用的高压软线。于是，作为点火装置的整体便大型化和重量化，并且复杂与高价。
在采用点火线圈的情形，同样也无法避免大型化与重量化。此外，在火花塞间隙中整体化的装置除在形式上大型化外还伴随有发热问题，直接安装到构成两轮摩托车用的小型内燃机中时，在布置上有困难。
特别是在将点火线圈整体化的火花寒间隙用于DOHC形式的发动机中时，则限于气阀夹角大的凸轮轴间隔宽的情形，此时由于有点火线圈部分设置在凸轮轴之间，故火花塞间隙不会太多的从凸轮罩突出，但在这种情形下，点火线圈就会暴露于发动机的高温下。
另一方面，当气阀夹角小，凸轮轴的间隔狭时，在凸轮轴之间便不易设置下点火线圈部分，而且火花塞间隙显著地自凸轮罩向外突出，使发动机的布置很困难。
再由于是把压电元件用作点火电路中的升压装置，故需要有特别有利于给压电元件施加初级电压的初级电压发生装置。本发明的目的即在于解决上述种种问题。
为了解决上述问题，本发明的内燃机的点火装置具有下述特征：由施加初级电压使压电元件在电致伸缩效应下发生高压次级电压的压电元件制的变压器构成升压器，同时初级电压发生装置则发生用来使上述压电元件以其固有谐振频率振动的初级电压。
这样，由于能以在初级电压下输出高压次级电压的压电元件制的复压器来构成升压器，于是，虽然采用了压电元件，但不仅是输出即使是输入也能以电气形式实现，故可以不用向来所需的作为输入装置的机械式压迫装置，以及配电器等。
于是，由于能使点火装置的总体小型化和轻量化，故即使是安装到组装于两轮摩托车的小型内燃机内，布局也容易，还由于能用电气形式进行输入，而成为最适于电子控制的结构。
又由于能使升压器整体化到火花塞的间隙内，这样就能使点火装置的总体进一步小型与轻量化，而且能简化结构，同时由于能省除与向来所需的配电器和火花塞相连接的高电压用高压软线，还有降低价格。若进一步用耐热弹性材料制成火花塞间隙，则即使暴露于发动机的高温与振动下，也能有效地保护升压器免受高温与振动的影响。
另一方面，当把此火花塞间隙插入DOHC形式的内燃机内于一对凸轮轴之间形成的火花塞孔内时，还能安装成不从凸轮罩突出到外部的形式。这就是说，根据本发明，由于火花塞间隙充分地小，即便安装到DOHC形式的发动机上，由于不突出到凸轮罩外部，也可以紧凑地收容于其内部。
这样，即使对于气阀夹角小且一对凸轮轴间隔较窄而具有较小孔径的火花塞孔，由于能够充分地插入此孔内安装，故不会约束发动机的布置。
此外，可以把升压器于火花塞内整体化，这样就能省除火花塞间隙，而使点火装置的整体进一步小型化、轻量化和取简单结构。
当由连接到电源上的振荡电路，以及串联于此振荡电路和升压器初级侧之间由点火期间判定电路进行接通/断开的开关元件，共同来构成初级电压发生装置时，就可以使此振荡电路的输出频率与压电元件的固有谐振频率一致。这样，在取CDI方式的周知的点火电路之中，可把既有的振荡电路部分用作为，由PC-DC换能器使电池电源升压而获得预定初级电压的振荡电路。
此外，也可由下述电路来构成初级电压发生装置：使所产生的振荡频率与串接于电源和初级侧之间构成升压器的压电元件固有谐振频率相一致的振荡电路；以及把用来按预定时刻和限定的时间产生振荡的振荡发生信号发送给上述振荡电路的点火时期判定电路。这样，直接通过点火时期判定电路，按预定的时刻和限定的时间使发生的频率与压电元件固有谐振频率相一致的振荡电路进行振荡，就可以简化结构。
还可以使这种初级电压发生装置包括：连接到电源上的点火用电容器；与此点火用电容器并联的升压器；以及设于此点火用电容器的放电电路中，由点火时期判定电路接通/断开的开关元件，根据这一结构，也可以决定点火用电容器放电电路中放电时电压下降波形的时间常数，使此下降波形与压电元件固有谐振频率的分量波形相一致。这样就可以省除振荡电路，而不要求有在振荡电路中的频率稳定度。此外，由于升压器本身也可用作电容器，仅仅是这一部分就可使点火用电容器进一步小型化。还由于能把可控硅用作开关元件，脉冲信号便是以用作点火信号，点火时期判定电路就可原样地使用通常的脉冲电路，从而可以降低成本。
也还可以使初级电压发生装置包括：连接到电源上的点火用电容器；由点火时期判定电路对形成此点火用电容器的放电电路进行接通/断开的开关元件；以及串接于此开关元件和接地端子之间的升压器，根据这一结构，可以决定伴随前述点火用电容器的放电来确定在升压器初级侧产生的初级电压上升波形的时间常数，而使上述电压上升波形同压电元件固有谐振频率的分量波形相一致。这样，与上述的利用衰减的情形相比，利用压电元件的机械振动更为容易。
这种初级电压发生装置还可由与电源相连接用点火时期判定电路进行接通/断开的开关元件，以及并联在此开关元件开/闭两端子间的升压器构成，据此可以决定在开关元件断开时的确定上述两端子间电压上升波形的时间常数，使此电压的上升波形与压电元件的固有谐振频率的分量波形一致。这样，与上述的利用衰减振动的情形相比，利用压电元件的机械振动更为容易。
又还可以由与电源相连接通过点火时间判定电路进行接通/断开的开关元件，以及并联在此开关元件的开/闭两端子间的升压器来构成初级电压发生装置，根据此装置可以决定在开关元件断开时的确定上述两端子间电压上升波形的时间常数，使此电压的上升波形与压电元件固有谐振频率的分量波形一致。这样地来构成电路时，优点在于能够利用惯常采用的蓄电池点火形式电路中的基本结构。在
本发明的附图中：
图1为依据本发明一实施例的示意图；
图2为升压器的示意图；
图3为示明具体应用例的剖面图；
图4为依据另一种形式实施例的示意图；
图5A为初级电压发生装置的第一种类型的电路图；
图5B为上述第一种类型的变形例的电路图；
图6为图5A所示电路中各部分的波形图；
图7为第一种类型的又一种具体形式的电路图；
图8为初级电压发生装置的第二种类型的电路图；
图9为此第二种电路的波形图；
图10为初级电压发生装置的第三种类型的电路图；
图11为此第三种电路的波形图；
图12为初级电压发生装置的第四种类型的电路图；
图13为此第四种电路的波形图。
下面描述用来实施本发明的最佳形式。
首先据图1至3说明火花塞间隙整体化结构的一种形式。图1是作为本发明—实施例的用于两轮摩托车中的点火装置的示意图，此装置包括：与车载蓄电池B等适当电源相连接的初级电压发生装置1，内置有升压器2的火花塞间隙3，以及为此火花塞间隙罩住的周知的传统类型的火花塞4。
升压器2使用作压电元件的周知平板状压电陶瓷元件组成的初级侧压电元件5和次级侧的压电元件6相组合，在初级侧压电元件5中设有输入电极7、8，同时将一输入电极9设于次级侧压电元件6上，由此构成压电元件制的变压器。
输入电极9在火花塞间隙3罩向火花塞4时与火花塞4接通，通过输出电极9的次级电压则在火花塞4的放电间隙之间火花放电。
图2概示了升压器2的结构，在初级侧压电元件5的原向两侧设有输入电极7、8，而在次级侧压电元件6长向端部之中不与初级侧压电元件5接触这一方上设置输出电极9。
上述升压器2构成为，作为初级电压，将初级侧压电元件5和次级侧压电元件6在长向上所确定的固有谐振频率的交变电压加到输入电极7、8之上，通过电致伸缩效应朝长向上产生很强的机械振动，再由输出电极9变换为电，作为高压的次级电压输出。例如相对于12V的初级侧可将次级侧设为10—20KV。
此时，次级电压是由初级侧与次级侧的阻抗比确定，于是通过设定，可使次级侧升压到火花放电的充分高压程度。
这样，初级电压发生装置便是上述这种产生初级电压的装置，它如以后所述能发生具有前述固有谐振频率的交变电压或其分量波形的电压。
图3示明适用于两轮摩托车的DOHC型发动机的具体结构，在汽缸头10的中心部分形成有深的火花塞孔11，此花火塞孔由吸气阀12与排气阀13以及为驱动它们而设置的一对凸轮轴14、15夹住，并由凸轮罩16覆盖。
火花寒间隙3的本体部20是由耐热性弹性绝缘材料构成的筒形件，而在它的一端上形成有凸缘部21。
凸缘部21起到定位作用，当把火花塞间隙3插入火花塞孔11内时，形成于凸缘部21中的沟部22便嵌合向形成于火花塞孔11的上端开口部边缘处的突起部21上。
火花塞孔11的上端开口部虽然是形式在形成于凸轮罩16的凹部16a之中，但凸缘部21位于其近旁，不从凸轮罩16的最大突出部16向外鼓出，因而火花塞3的整体便能收容于凸轮罩16之内。
作为构成本体部20的耐热性弹性绝缘材料，以硅橡胶一类耐热性橡胶材料适当。
在凸缘部21的中央部分安装着火花塞栓23，从这里朝外延伸出电线24，连接到前述初级电压发生装置1上。这种电线即通常的高压软线，采用约100—200V弱电用的电线即可。
在本体部20之内，通过酚醛树脂等适当耐热绝缘性树脂构成的接触件支架25收容升压器2，它的次级侧压电元件6的输出电极9则通过接触件26同设在接触件支架25前端上的间隙电极27相连接。
此间隙电极27同火花塞4的接线端子4a全导通连接，而本体部20的下端部则覆盖住火花塞4的绝缘部4b。
火花塞4在升压器2的次级电压下，使突入到燃烧室18内的中心电极4C和接了电极4d之间形成的放电间隙发生火花放电，点燃着燃烧室18中的燃料。
图中的标号19a为吸气通路，19b为排气通路，19C为气缸体，而19d为活塞。
当按以上所述构成升压器2后，不仅是输出，连输入也能用电气方式。由此就可不用历来所必需的作为机械输入装置的压迫装置以及作为分配机构的配电器等。
此外，由于压电元件构成的升压器的体积较小，轻量，故能整体地设于火花塞间隙3内，而且可以省除以往的高压软线。于是，点火装置的整体可以小型化与轻量化，而且结构简单，价廉。
特别是如图3所示，即使是应用于DOHC形式的发动机中时，由于火花塞间隙3充分地小，不从凸轮罩16内向外突出，而可以紧凑地收容于其内部。
于是，吸气阀12和排气阀13构成的角度也即气门夹角便很小，而一对凸轮轴14、5的间隔也狭，这样即使对于孔径小的火花塞孔11，也能将火花塞基本上是整体地插入其内部进行安装，而不会给发动机的布置带来约束。
此外，火花塞孔11内的火花塞间隙3虽然暴露于发动机的高热与振动环境下，但由于本体部20是用耐热性弹性绝缘材料制成，故能有效地保护升压器2不受高温与振动的影响。
这样，即使是在安装到构成两轮摩托车用的小型内燃机内的情形，也容易布置，而且成为电子控制式的由初级电压发生装置作点火控制的取适当的结构。
图4为火花塞整体化的另一实施例形式的示意图。此种升压器整体型的火花塞4于绝缘部4b内设有与图1具有相同结构的升压器2。升压器2的输入电极7、8经软线24连接到初级电压发生装置上。
升压器2的输出电极9连接到火花塞4的中心电极4c上，由次级电压于中心电极4c和接地电根4d之间形成的放电间隙4e处发生火花放电。
由于也能将升压器2内置于火花塞4内而可以省除火花塞间隙，从而可使点火装置整体进一步小型与轻量化并取简单的结构。
下面说明初级电压发生装置1的电路结构例。图5A为此种电路的第一型，将开关元件32和振荡电路30串接于电池等适当直流电源30和升压器2之间，此开关元件32由点火时期判定电路33进行接通/断开。
振荡电路31调节成产生升压器的固有谐振频率，点火时期判定电路33采用周知的脉冲电路，根据预先安排的定时接通开关元件32。
又如图5B所示，将点火时期判定回路33连接到调整成发生升压器2的固有谐振频率的振荡电路31，当由点火时期判定电路33依安排的定时和限定的时间给振荡电路31以用于发生振荡的信号时，即可取得相同的效果，同时也可使结构更简单。
图6示明了图5A中所示电路各部分的输出波形，图中A所示的振荡电路的输出是前述的高频的交变电压，B所示的是从开关元件32输出的预定时间的接通信号，结果如C所示，初级电压能在开关元件接通时为振荡电路的输出给出，由此得到D中所示的升压的次级输出。
这样，在开关元件32接通期间，由于振荡电路31的输出是作为初级电压施加给升压器2，在此施加时间之内可以得到次级输出，从而火花塞4中的放电时间将增长，而能发生强力的火花点火。
图7是采用可控硅SCR作为开关元件32的上述第一类型进一步具体化的例子，在此情形下将一小型变压器34串接于振荡电路31与升压器2之间，在此小型变压器34的次级侧线圈与接地之间按正向连接可控硅SCR，而把点火时期判定电路33连接到SCR的门上。
上述小型变压器34例如可以是将电源的12V升高到100—200V左右的极小型变压器。此外，为了稳定门电压，将可控硅SCR设置成就近接地。
由可控硅SCR组成的在电源一例的电路部分，在后述的CDI方式中，作为由DC--DC变换器将蓄电池电源升压来获得预定的初级电压的振荡电路，可以沿用现有的电路部分。
图8所示为第二种类型，它是从第一种类型中省除振荡电路，同时组合上通常的电容器无放电形式的电路，将电组R1串接到依正向与电源相连的二极管D上，在电阻R1与接地之间并联地连接有电阻R2、点火用电容器C以及升压器2。可控硅SCR的阳极连接电阻R2，点火时期判定电路33连接到门上，同时使阴极接地。
在升压器2中，将输入电极7连接电阻R1，而把火花塞4连接到输出电极9上。点火用电容器C的充电电路由二极管D、电阻R1和点火用电容器C构成，电阻R1用来使充电过程徐缓。放电电路由点火用电容器C和可控SCR以及电阻R2构成，充电电路与放电电路独立。
此外，由于初级侧压电元件5和次级侧压电元件6分别为电介体，故升压器2具有电容的功能，此升压器2同点火用电容器C一起充放电。
图9示明点火用电容器C的充放电特性，以横轴表时间，以纵轴表示点火用电容器C的电压。从图中看到，充电过程较徐缓，另一方面，通过点火时期判定电路33，可控硅SCR接通时触发器也接通，从此时刻(T0)开始使快速放电。
这样，当把放电电路的时间常数设定成一使此放电时的下降波形与升压器2的固有谐振频率的分量波形相一致时，则同放电时将谐振频率的交流电压加到升压器2的输入电极7、8上的结果相同。另外，放电电路的时间常数取决于点火用电容器C、升压器2与电阻R2。
于是，如图8所示，当充电开始，点火用电容器C与升压器2同时充电，升压器2由于电致伸缩效应而蓄积有应变。然后，通过点火时期判定电路33，当可控硅SCR接通后，使点火用电容器C与升压器2两者充电的电荷便通过电阻R2放电。
此时的升压器2虽然解除了应变，但这种解除属机械振动式的，一面衰减一面收敛。但由于此放电电路的时间常数是使放电波形与升压器2的谐振频率的分量波形相一致的时间常数，故在应变解除时的振动初期中的振幅变得充分地大，假设充电时的应变量为+A，则对于接近-A的应变，在此衰减过程中会使高电压发生于输出电极9上，而能够点火。
另外，从放电开始时到点火时，流过放电电路的电流方向一定。因此，即使把可控硅SCR用作开关元件，直到点火之前也不必担心可控硅SCR换向，而能把较价廉的元件可控硅用作开关元件。
还由于不需要振荡电路，也就不要求振荡电路中的频率稳定度。也还由于可使用可控硅SCR，完全可以用脉冲信号作为点火信号，同时点火时期判定电路33完全可以原样地使用传统的脉冲电路，因此可以廉价。
再者升压器2本身也可用作电容器，因而放电量是点火用电容器C与升压器2各个充电容器量的总和，仅仅是这个方面也可以使点火用电容器小型化。
图10所示为第三种类型，它与图8中的第二种类型相反，变动了可控硅SCR的连接位置。也就是说，代替上例中的电阻R2而是把电阻R3与升压器2并联，进一步把可控硅SCR按正向连接到升压器2与电阻R3的连接部与接地之间，同时使点火时期判定电路33连接到可控硅SCR的门上。电阻R1与R3的值则根据所要求的时间常数适当地确定。
图11是示明点火用电容器C放电时升压器2的初级电压随时间变化的曲线图，以横轴表示时间而以纵轴表示初级电压。
从此图可以看到，在楞控硅SCR处于断开状态下先给点火用电容器C充电，然后接通可控硅SCR，此时从这一成为触发器接通的时刻(T0)开始由点火用电容器C放电，而加到升压器2的输入电极7上的初级电压便急剧上升。
于是，当把此初级电压上升的波形设定成与升压器2的固有谐振频率的分量波形相一致时，就可以从升压器2的输出电极9输出充分高的次级电压点火。
还由于升压器2如前所述具有一种电容器的功能，点火之后的电流产生振荡，而可控硅SCR通过换向自动地断开使放电电路遮断，同时储存于升压器2的输入电极7、8上的电荷即通过电阻R3消耗。
当如上述构成了电路后，就能取得与第二种类型相同的效果，作为利用压电元件的机械振动，要比第二种类型中利用衰减振动的情形容易。
图12所示为采用蓄电池的点火方式，蓄电池B通过线圈L与开关元件(晶体管Tr)连接，再使此晶体管Tr与升压器2并联。
在上述布置下，当晶体管Tr接通时，集电极C与发射极E之间的电位差VEC为零，而当晶体管Tr断开即升到蓄电池的电压VBT。这样的变化如图13所示，其中以横轴表示时间，以纵轴表示上述电位差VEC。
从图13可以看到，当晶体管Tr T断开时，电位差从这一时刻急剧上升，开始向升压器充电，此时的上升波形取决于包含有线圈的蓄电池B所构成的电路和升压器2所确定的时间常数。
于是，使预充电电路的时间常数小的上升的波形，与构成升压器2的压电元件的固有谐振频率的分量波形相一致时，随着晶体管Tr断开致电升差VEC升高时，就能从输出电极9输出高的次级电压。然后，晶体管接通，从这一时刻(T1)开始，升压器2的电荷通过晶体管Tr放电，电位差VEC下降。此时的下降波形也取决于由晶体管Tr的频率与升压器等所确定的时间常数，还取决于向晶体管的基集的输入波形。
于是，通过设定此放电电路的时间常数使相应电平下降得较为缓和时，就能防止升压器2的振荡。而且，即使晶体管Tr中的导通信号上升得较为徐缓，同样也能使升压器2的放电缓慢。
当按以上所述构成电路时，就能取得与第一和第二种类型相同的效果，同时还能有利地采用惯常采用的蓄电池点火形式的电路的基本结构。
如上所述，由于本发明的内燃机的点火装置小型与轻量，特别适合用作汽车与两轮摩托车等内燃机的点火装置。

Claims (10)

1.一种内燃机的点火装置，它通过向升压器施加初级电压而输出高的次级电压使火花塞火花放电，其特征在于：
所述升压器是由施加初级电压使压电元件在电致伸缩效应下产生高压次级电压的压电元件制成的变压器构成。以及初级电压发生装置，产生使上述压电元件以其固有谐振频率振动的初级电压。
2.如权利要求1所述的内燃机点火装置，其特征在于：可使所述升压器朝火花塞间隙内整体化。
3.如权利要求2所述的内燃机点火装置，其特征在于；上述火花塞间隙是由耐热弹性绝缘材料构成。
4.如权利要求2所述的内燃机点火装置，其特征在于：所述火花塞间隙是插入在DOHC形式的内燃机中平行的一对凸轮轴之间所形成的火花塞孔内，且安置不使此火花塞间隙突出到凸轮罩之外。
5.如权利要求1所述的内燃机点火装置，其特征在于：可使所述升压器朝火花塞内整体化。
6.如权利要求1所述的内燃机点火装置，其特征在于，所述初级电压发生装置包括：连接到电源上的振荡电路；串联在振荡电路与升压器初级侧之间，由点火时期判定电路接通/断开的开关元件，以及，使此振荡电路的输出频率与所述压电元件固有谐振频率相一致。
7.如权利要求1所述的内燃机点火装置，其特征在于，此点火装置包括：振荡电路，它串联于电源和升压器初级侧之间，使它所产生的频率与构成升压器的压电元件的固有谐振频率相一致；以及点火时间判定电路，它依预定的定时和限定的时间将起振信号发送给上述振荡电路。
8.如权利要求1所述的内燃机点火装置，其特征在于，此点火装置包括：与电源相接的点火用电容器；与此点火用电容器并联的升压器；由设置于点火用电容器的放电电路中通过点火时期判定电路进行接通/断开的开关元件，同时将决定点火用电容器的放电电路中放电时电压下降波形的时间常数确定成，使此下降波形与所述压电元件的固有谐振频率的分量波形相一致。
9.如权利要求1所述的内燃机点火装置，其特征在于，此点火装置包括：与电源连接的点火用电容器；形成此点火用电容器的放电电路由点火时期判定电路进行接通/断开的开关元件；以及串接在此开关元件与接地部之间的升压器，同时将伴随点火用电容器的放电时决定升压器初级侧产生的初级电压上升波形的时间常数确定成，使此上升波形和所述压电元件的固有谐振频率的分量波形相一致。
10.如权利要求1所述内燃机的点火装置，其特征在于，此点火装置包括有与电源相连接由点火时期判定电路进行接通/断开的开关元件，以及并联在此开关元件的开与关两端子间的长压器，同时将决定开关元件断开时上述两端子间的电压上升波形的时间常数设定成，使此上升波形和所述压电元件的固有谐振频率的分量波形一致。
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