CN1217085A - 用于火花点火系统的磁性铁芯－线圈组件 - Google Patents

Abstract

一种磁性铁芯－线圈组件,能在一至少有一个燃烧室的火花点火内燃机系统内进行一点火动作。该组件包括一由非晶金属制成的磁性铁芯,它具有一用于低压励磁的原线圈和一用于高压输出并送至一火花塞的副线圈。在励磁之后的一段很短的时间内可在副线圈内产生一高压。该组件能检测燃烧室内的火花点火工况,以控制点火动作。该组件是由若干个子组件构成,这些子组件可以用现有的机器以合理的成本来生产。

Description

用于火花点火系统的磁性铁芯-线圈组件

参考的相关申请

本申请是1996年4月29日提交的申请号为08/639,498的美国专利申请的部分继续申请。

发明背景

1．发明领域

本发明涉及一种用于内燃机的火花点燃系统；更具体地说，涉及这样一种火花点燃系统，它能以一种可商品化生产的方式来改善发动机系统的性能，并减小火花点火变压器内的磁性构件的尺寸。

2．对已有技术的描述

在火花点燃式内燃机中，通常采用一反馈变压器来产生高压，以便产生横跨火花塞间隙的电弧来点燃燃料和空气混合物。点燃火花的正时对于获得最佳的燃料经济性以及散发较少的环境有害气体而言是非常关键的。过迟的点火动作会导致发动机功率和效率的损失。过早的点火动作会引起爆震(经常是称作“爆震(ping或knock)”)，这将导致有害的提前点燃，继而损坏发动机。正确的点火正时取决于发动机速度和负载。为了获得最佳的性能，一台发动机的各个气缸经常需要不同的点火正时。通过为每一火花塞设置一个火花点火变压器，就可以获得各个气缸的不同的点火正时。

为了提高发动机效率并消除因点火正时不正确而带来的某些问题，在一些发动机上配备了微处理器控制的系统，这些系统包括用于探测发动机速度、进气温度和压力、发动机温度、排放气体中的氧含量、以及检测爆震的传感器。爆震传感器实质上是一种机电传感器，其灵敏度不足以检测到覆盖整个发动机速度和负载范围的爆震。用微处理器来确定正确的点火正时并不总是能提供最佳的发动机性能。对“爆震”需要有一个较佳的检测。

在冷发动机最初的运行期间以及在怠速或超怠速的过程中，会产生大量有害的排放气体。研究表明：在发动机的这两个工作阶段，对每次点火动作均采用火花塞的快速多次点火，这样就能减少有害气体的排放。因此，希望有一种能快速充电并能非常迅速放电的火花点火变压器。

在一种线圈点火式火花塞(CPP)的点火配置中，火花点火变压器直接安装在火花塞端子上，无需一高压电线，这样就能获得一种可改善内燃机的火花塞点火正时的方法。美国专利4,846,129(下文中将称作“Noble专利”)中揭示了一个CPP点火配置的例子。火花点火变压器的实际尺寸必须使其能装配在安装了该火花塞的同一发动机管道内。为了实现Noble专利中预期的检验目标，该专利权人揭示了一种利用一铁氧体磁芯的间接方法。理想的是，火花点火变压器的磁性能足以在发动机工作的整个过程中检测燃烧室内的火花塞工况。很清楚，需要一种新型的点火变压器来进行精确的发动机检验。

发动机的缺火现象增大了有害气体的排放。发生在燃烧室中火花塞绝缘体内的很多不具有充足热量的冷起动会导致缺火，这是因为在绝缘体上的积炭而造成的。导电的积炭会使在一次点火动作中所获得的电压增量减小。能使电压极快增大的火花点火变压器可以将因为积炭而造成的缺火现象减至最少。

为了实现成功点火以及Noble所揭示的发动机检验所需的火花点火性能，并同时减少因火花塞积炭所造成的发动机缺火现象，火花点火变压器铁芯材料必须有一定的磁性能，在工作过程中必须不是磁饱和的，并且必须具有较低的磁损耗。兼顾这些所需的特性会使合适铁芯材料来源变得狭窄。考虑到汽车火花点火系统的目标成本，铁芯材料可能的选择包括：硅钢、铁氧体和铁基非晶金属。目前变压器铁芯中常用的传统的硅钢是比较便宜的，但是其磁损耗太高。厚度较薄的、具有较低磁损耗的硅钢又太昂贵。铁氧体不昂贵，但是它们的饱和磁感应强度通常小于0.5T，铁芯的磁感应强度接近零的居里温度是大约200℃。由于火花点火变压器的上限工作温度假定为大约180℃，所以上述的居里温度太低。铁基的非晶金属具有较低的磁损耗和1.5T以上的高饱和磁感应强度，但是它显示出相对较高的磁导率。需要有一种适于实现火花点燃变压器的磁导率水平的铁基非晶金属。采用这种材料，可以制造出一种能满足所需输出条件和实际尺寸要求的环形设计的线圈。火花塞的尺寸要求会对所能采用的结构类型有所限制。绝缘线圈组件通常的尺寸要求是：直径＜25mm，长度小于150mm。还有，这些线圈组件必须连接在火花塞的高压端子和外部接地接头上，并提供足够的绝缘以防止电弧横越。它们还必须具有可使通常位于线圈顶端的原线圈联接高电流的能力。

发明概要

本发明提供了一种用于线圈点燃式火花塞(CPP)火花点火变压器，它能产生一快速的电压升高，并能产生可精确反映点火动作的电压波形的信号。总的来说，该磁性铁芯-线圈组件包括一由铁磁性非晶金属合金制成的磁性铁芯。铁芯-线圈组件具有一用于低压励磁的单个原线圈以及一用于高压输出的副线圈。该组件还具有一副线圈，它包括多个铁芯子组件，这些子组件通过共同的原线圈同时励磁。所述各铁芯子组件适于在励磁时产生附加的且被输送至火花塞的副电压。由于有了上述结构，所述铁芯-线圈组件具有以下能力：(ⅰ)在励磁之后的一段很短的时间内在副线圈中产生一高压；以及(ⅱ)检测燃烧室内的火花点火工况，以便控制点火动作。

更具体地说，铁芯是由一种铁芯损耗和磁导率较低(大约100-500)的非晶铁磁性材料制成。这样的磁特性特别适于在一燃烧周期内快速地点燃火花塞。可以将因积炭造成的发动机缺火现象减至最少。此外，由线圈至火花塞的能量可以高效地传递，从而使放电之后留在铁芯内的能量非常小。低电阻的环形设计(＜100欧姆)使得大部分能量都在火花塞内散发，而不是在副线圈电线内散发。高效地能量传递使得铁芯可以以精确地方式来监视点火动作的波形。当把磁性铁芯材料绕制成具有原线圈和副线圈导线而形成一环形变压器的圆柱体时，与漏磁较大的铁芯相比，其产生的信号可以更精确地反映点火电压的波形。形成一复式环形组件，它借助一受到子组件的感应和其磁性质控制的共同的原线圈，在各子组件内储存能量。当原电流快速下降时，副电压快速升高。各环形子组件两端的副电压快速地升高，并根据系统的总磁通变化将子组件电压与子组件电压相加。这样就能组合若干个通过现有的环形线圈绕制技术绕制的子组件单元，从而获得一具有优良性能的单个组件。由单个较长的环形线圈组成的单个组件用通常的环形线圈绕制机来制造是不方便和不经济的。

本发明的磁性铁芯/线圈组件与电容性放电线圈是兼容的。在一个实施例中，是将一电容器充电至某一电压(通常是300-600伏特)，然后再通过原线圈来放电。该线圈可作为一脉冲变压器，使得副线圈两端的电压与副线圈和原线圈的匝数比相关。对这种应用而言，最佳的匝数比与感应型线圈的最佳匝数比不同。通常原线圈是2-4匝，副线圈是150-250匝。由于铁芯饱和的缘故，输出脉冲是非常短的。借助有效的环形设计以及非晶金属铁芯的高频特性，可以有效地向副线圈传递能量。通常的峰值电流是几个安培，而放电时间小于60微秒。

附图简要说明

通过下面结合附图对本发明的较佳实施例所作的描述，可以更清楚的了解本发明的其它优点。

图1是用来制造本发明之线圈组件的层叠配置的连接方法和各连接件的组装流程图；

图2是用于图1所示之原线圈上的安培匝的副线圈两端输出电压的曲线图；

图3是用于图1所示之组件的一个电容放电系统驱动器上的、在某一给定输入电压下的副线圈两端的输出电压的曲线图。

对较佳实施例的描述

参见图1，磁性的铁芯-线圈组件34包括一由铁磁性非晶金属合金制成的磁性铁芯10。铁芯-线圈组件34具有一用于低电压励磁的单个原线圈36以及一用于高压输出的副线圈20。该铁芯-线圈组件34还具有一包括多个铁芯子组件(环形单元)32的副线圈20，所述各子组件通过共同的原线圈36同时励磁。当各铁芯子组件被励磁时，它们可产生附加的且被输送至火花塞的副电压。由于具有这样的构造，铁芯-线圈组件34具有以下能力：(ⅰ)在励磁之后的一段很短的时间内在副线圈20内产生一高压；以及(ⅱ)检测燃烧室内的火花点火工况，以便控制点火动作。

磁性铁芯10基于一种具有高磁感应强度的非晶金属，包括铁基合金。磁性铁芯有两种形式是比较有名的，它们是间隙式和非间隙式，这两种形式都称作铁芯10。间隙式的铁芯具有在一连续磁路中的不连续的磁性部分。这样一种铁芯10的例子是一具有通常称之为空气间隙的小间隙的环形磁性铁芯。当所需的磁导率大大低于被绕制的磁性铁芯自身的磁导率时，适于采用间隙式结构。磁路的空气间隙部分可减小总的磁导率。非间隙式的铁芯具有类似于空气间隙式的磁导率，但是它是物理连续的，具有类似于一般环形磁性铁芯的结构。非间隙式铁芯10内出现均匀分布的空气间隙产生了术语“分布间隙式铁芯(distributed-gap-core)”。间隙式的和非间隙式的设计在铁芯-线圈组件34中都起作用，只要有效磁导率落在所需范围内，这两种设计就可以互换。采用非间隙式铁芯10是为了证明本发明的标准设计的原理，但本发明并不限于采用非间隙式铁芯的材料。

非间隙式铁芯10是由基于铁合金的非晶金属制成，并且是加工成这样，即：在大约1kHz的频率下测量，其磁导率是在100至500之间。来自于一分布间隙式铁芯的漏磁大大小于来自于一间隙式铁芯的漏磁，这样就能减轻对周围环境造成不良的无线电频率的影响。此外，由于非间隙式铁芯具有闭合的磁路，所以其信噪比大大高于间隙式铁芯，使得非间隙式铁芯特别适于用作检验发动机燃烧过程的信号变压器。采用原线圈36的安匝数小于60、副线圈20的匝数是大约110至160的非间隙式线圈，可以在副线圈20处获得10kV以上的输出电压。电容放电的设计可能会有(但并不限于)150-250匝的副线圈。通常副线圈与原线圈的匝数比是在50-100的范围内。采用＜180的安匝数可以获得超过25Kv的开路输出电压。预先论证过的线圈是由带状的非晶金属材料制成，这些带状金属材料是绕制成若干个直角圆柱形，其内径为12mm，外径为17mm，高度为15.6mm，这些小圆柱体叠置为一个有效圆柱高度为80mm的圆柱体。单个圆柱体的高度可以在大约80mm至10mm的范围内变化，只要总长符合系统的要求即可。无需严格遵守这个例子中的各个尺寸。按照不同的输入和输出需求，可以有很大的设计变化空间。最终构成的直角圆柱形形成了一细长的环形铁芯。铁芯和电线之间的绝缘是借助耐高温的可模制塑料来实现的，这些塑料另外还能用作环形线圈。采用规格较细的导线来绕制要求为110-160匝的副线圈。由于线圈的输出电压可以超过25kV(表示线圈-线圈的电压在200伏特的范围内)，导线不能绕得过多。性能最佳的线圈具有均匀间隔的、覆盖环件的大约180-300度的导线。剩下的60-180度用于原线圈。这种类型线圈的一个缺陷在于，环形线圈的长度/直径比以及用于普通工作的副线圈匝数。绕制这些线圈的夹具需要处理非常细的导线(通常是39号或更高)，在绕制作业的过程中，不能让导线重叠过多，不能损坏导线。普通的环形线圈绕制机(通用型)由于其固有的设计而不能绕制该长度/直径比附近的线圈。基于被推动穿过铁芯而后再围绕其外周的梭子的那种变化型设计需要特别定制。通常，绕制这些线圈是很费时的。因此，虽然这种细长的环形设计的功能很强，但是它很难以具有商业吸引力的、低成本、大批量的方式来进行生产。

有一种变化型的设计将上述的原始设计分解成一个较小的组合结构，其中的各构件可以利用现有的线圈绕制机来进行常规的绕制。所述设计是：用尺寸易处理且基于相同非晶金属的铁芯材料来制作铁芯部分。该设计是这样实现的，即：形成一个可让铁芯10插入其中的绝缘杯体12，并将该子组件30作为一铁芯来处理，将它绕线而成为一环形线圈32。需要有与原始设计相同数量的副线圈匝数14。最终的组件34可以由足够数量(1个或更多)的结构32构成，以便获得一个变化很大的所需输出特性。每隔一个的环形单元32必须是反向绕制的。这样就允许增大输出电压。一个典型的结构34可以包括由一根输出电线24逆时针(ccw)绕制而成的第一环形单元16，所述输出电线24是作为最终的线圈组件34的输出端。第二环形单元18是顺时针(cw)绕制的，并叠置在第一环形单元16的顶部，其间设有一隔离件28以提供足够的绝缘。可以采用一系列从绝缘杯12的顶部向上延伸的垂直杆来代替隔离件28。这些杆件可以装配在形成于绝缘杯12底部的相应的凹槽内。这样就可以产生与隔离件28相同的间隔效果。第二环形单元18的下引线42连接于第一环形单元16的上引线。下一个环形单元22将是逆时针绕制的，并叠置在前两个环形单元16、18的上面，其间带有用于绝缘的隔离件28。第三环形单元的下引线46连接于第二环形单元的上引线44。环形单元32的总数是根据设计标准和实际的尺寸要求来确定的。最后的上引线24形成了铁芯-线圈组件34的另一个输出端。各环形单元32的副线圈14是单独绕制的，覆盖了环形件整个360度中的大约180-300度。各环形单元32是叠置成每个环形单元32的开放的60-180度的区域是垂直对准的。一共同的原线圈36是穿过铁芯-线圈组件34绕制的。这就是所谓叠置式线圈的原理。

围绕原始线圈设计的电压分布类似于一自耦变压器，即在第一匝处是0伏特，而在最后一匝处是满电压。这在该线圈结构的整个高度范围内都是有效的。原线圈与各副线圈保持绝缘，并且位于绕制环形件中间的60-180度的自由区域内。由于在原线圈上采用了低压驱动，所以这些线路基本是低电势的。最高的电压应力发生在最靠近高压输出和原线圈、副线圈与副线圈之间以及副线圈与铁芯之间的各个点上。最高的电场应力点是在环形件内侧沿长度方向的下方，电场在线圈内侧的顶部和底部得以加强。叠置式(stacker concept)的电压分布略有不同。每个铁芯-线圈单元32具有相同的自耦变压器型分布，但是可以将铁芯-线圈组件34的叠置分布按照各环形单元32的数量来分开。如果在叠置的铁芯-线圈组件34内有3个环形单元32，则底部环形单元16的电压是V至2/3V，第二环形单元18的电压是2/3V至1/3V，顶部环形单元22的电压是1/3V至0V。这样的构造减少了高压应力区域。

关于原始线圈设计的另一个问题是输出端通过绝缘体壳体与外界的电容性联接。输出电压的波形具有一短脉冲分量(通常有1-3微秒的脉冲宽度，并具有500 ns上升时间)以及一长得多的低水平输出分量(通常是100-150微秒的脉冲宽度)。短脉冲输出分量通过绝缘体的壁而电容性地联接到外面。通过观察外壳上的电晕现象，就可以注意到自耦变压的作用。由于形成了通过壳体至大地的局部分路，所以电容性联接可以夺取送至火花塞的部分输出。这种效应只有在非常高的电压范围内才会成为问题，因为那时会由于电晕放电而减小装置的开路电压。叠置式的电压分布是不同的，它可以根据接地的结构而将最高电压部分设置在铁芯-线圈组件34的顶部或底部。这种设计的优点在于，可以将高压部分布置在火花塞深处的火花塞凹窝内。对3层式的线圈单元而言，铁芯-线圈组件34顶部的电压最高只有1/3V。对电容放电的实施例可以采用相同的电压分布。

制备若干个由饱和磁感应强度超过1.5T的铁基非晶金属材料构成的、铸态的磁性铁芯。这些铁芯是圆柱形的，其圆柱高度是大约15.6mm，外径和内径分别是大约17mm和12mm。在没有施加外磁场的情况下对铁芯进行热处理。图1是示出三个叠置的铁芯-线圈组件34结构的流程图。这些铁芯10是被插设在耐高温的塑料绝缘杯体12中。在一环形线圈绕制机上对若干个单元30进行加工，顺时针地缠绕110至160匝铜线而形成一副线圈14，并对另一些环形单元逆时针地绕制。第一环形单元16(底部)是用作为系统输出引线的下引线24逆时针绕制的。第二环形单元18是顺时针绕制的，其下引线连接于第一环形单元16的上引线40。第三环形单元22是逆时针绕制的，其下引线46连接于第二环形单元18的上引线44。第三环形单元22的上引线26是作为接地引线。各环形单元16、18、11之间的塑料隔离件是作为电压绝缘件。环形单元32的未绕线区域是垂直对准的。一共同的原线圈36是穿过铁芯-线圈组件34绕制在其未绕线的区域。将铁芯-线圈组件34装在一个其上带有引线孔的耐高温塑料外壳内。接着，用一种可接收的封装化合物对组件进行真空模制，以便形成高压绝缘集成块。封装材料可以有很多类型。封装化合物的基本要求是：具有足够的绝缘强度；能很好地粘附于结构内的所有其它材料；能在循环使用、温度、冲击和振动等严格的环境条件下生存。还希望封装化合物具有较低的介电常数和较低的损耗角正切值。壳体材料应该是可注射模制的、便宜的、具有较低介电常数的较低损耗角正切值、并且在与封装材料相同的环境条件下生存。对原线圈36施加一电流，在大约25至100微秒内快速地达到(但并不限于)60安培的水平。

图2示出了当在一给定的顶端安培匝圈上快速地切断时所获得的电压输出。当在原线圈开关系统上有12伏特的电压的情况下，充电的时间通常＜120微秒。该输出电压具有一大约为1.5微秒的通常较短的脉冲宽度FWHM(脉冲高度一半时的全宽度)以及一持续大约100微秒的较长的低水平脉冲后沿。因此，在磁性的铁芯-线圈组件34中，在小于150微秒的时间间隔内可以重复产生10kV以上的高压。这一特征是实现上述的快速多次点火作用所必须的。此外，副线圈内的电压快速升高会减少因积炭而造成的发动机缺火现象。

这一优点还可以由电容性放电的设计来分享。该系统比每隔70微秒左右多次放电的感应型设计要快。这种类型的系统能以比感应型设计低的分路电阻值来进行工作。图3示出了一可调输人电压的输出电压值。在该图中，一直流-直流转换器使电压从X轴一直升高到几百伏，但是该输出电压值与可调电压成线性关系。

除了具有如上所述的关于火花点火的优点以外，本发明的铁芯组件还可以充当一发动机检验装置。由于本发明的磁性铁芯10具有低漏磁，所以原线圈电压的波形可忠实地反映在累加的各副线圈内发生了什么。在每次快速地磁通变化而导致在副线圈内产生高压的过程中，是在点火过程中对原线圈电压进行分析，以便获得正确的点火特性。将获得的数据送至点火控制系统。因此，本发明的铁芯-线圈组件34可以不采用Noble专利(其中的铁芯是由铁磁材料制成)中需要的那些附加磁性元件。

通过下面的例子可以更完整地理解本发明。其中所述的特定的技术条件、材料、比例以及汇报数据是为了描述的本发明的原理和应用，它们是示范性的，不应该对本发明的保护范围有任何限制。

例子

将宽度为大约15.6mm、厚度为大约20μm一非晶的铁基金属带缠绕到一个加工过的不锈钢芯轴上，并在芯轴的内径和外径上加以点焊而维持一定的公差。芯轴限定了12mm的内径，而外径是选择为17mm。使各铁芯在氮气氛中进行退火处理，温度是430至450℃，热处理时间是2至16小时。将退火处理后的铁芯放到绝缘杯体内，并在一环形线圈绕制机上用细的绝缘铜线绕140匝而成为副线圈。需逆时针和顺时针的绕制各环形单元。将逆时针绕制的环形单元作为底部和顶部单元，将一顺时针绕制的环形单元作为中间单元。在各单元之间添加绝缘隔离件。在环形子组件的没有副线圈的区域缠绕一作为原线圈的由细导线组成的四个匝圈。中间和下部环形单元的引线是相互联接的，中间和上部环形单元的引线也是相互联接的。将组件放到一耐高温塑料壳体内并进行封装。在这种结构下，副电压是原电流和原线圈匝数的函数，其值在图2中示出。

虽然上面已经很详细地描述了本发明，但是应该理解，无需严格地遵循这样的细节描述，本技术领域的熟练人员可以在此基础上作出进一步地改动和变化，但所有这些均应落人所附权利要求限定的保护范围内。

Claims (10)

1．一种用于在至少有一个燃烧室的火花点火内燃机系统内进行点火动作的磁性铁芯-线圈组件，包括：

a．包括一由铁磁性非晶金属合金制成的磁性铁芯，所述铁芯具有一用于低压励磁的原线圈以及一用于高压输出的副线圈；

b．所述副线圈包括包括多个铁芯子组件，这些子组件通过共同的原线圈同时励磁；

c．所述各铁芯子组件适于在被励磁时产生附加的且被输送至火花塞的副电压；

d．所述铁芯-线圈组件具有以下能力：(ⅰ)在励磁之后的一段很短的时间内在副线圈中产生一高压；以及(ⅱ)检测燃烧室内的火花点火工况，以便控制点火动作；以及

e．所述铁芯-线圈组件由一电容性放电系统来驱动，所述系统可在所述副线圈的两端产生高压脉冲。

2．如权利要求1所述的磁性铁芯-线圈组件，其特征在于，所述磁性铁芯是通过对所述铁磁性非晶金属合金进行热处理来制造的。

3．如权利要求1所述的磁性铁芯-线圈组件，其特征在于，所述磁性铁芯包括分段的铁芯。

4．如权利要求1所述的磁性铁芯-线圈组件，其特征在于，所述副线圈内的输出电压可以在小于大约70安培匝的原边电流情况下达到10kV以上，而在75至200安培匝的原边电流情况下在25至150微秒内达到20kV。

5．具有如权利要求1所述的磁性铁芯-线圈组件的电容性放电系统，其特征在于，所述副线圈内的电压可超过10kV，并与电容放电系统驱动器的输入电压成线性关系。

6．如权利要求2所述的磁性铁芯，其特征在于，所述铁磁性非晶金属合金是铁基的，并且还包括：包括镍和钴在内的金属元素；包括硼和碳在内的玻璃形成元素；以及包括硅在内的半金属元素。

7．如权利要求2所述的磁性铁芯-线圈组件，其特征在于，所述磁性铁芯是非间隙式的。

8．如权利要求2所述的磁性铁芯-线圈组件，其特征在于，所述磁性铁芯是间隙式的。

9．如权利要求1所述的磁性铁芯-线圈组件，其特征在于，它包括多个单独的子组件，每个子组件均包括一带有副线圈的环形绕制部分，所述子组件是布置成：当通过所述共同的原线圈驱动时，最终的组件电压是各子组件电压的总和。

10．如权利要求1所述的磁性铁芯-线圈组件，其特征在于，所述组件具有一种自下而上分段步进的内部电压分布，各分段的数量取决于子组件的数量。

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