CN86101882A - 内燃机点火线圈装置 - Google Patents

Abstract

在四缸内燃机上装上两个点火线圈单元，每个单元包括一个初级线圈和一个次级线圈。初级线圈绕在由取向型硅钢片制成的中央铁芯上。该铁芯和由非取向型硅钢片制成一个整体的侧面铁芯一起为线圈单元产生的磁通构成闭合磁路。上述闭合磁路中设有一空隙，初级电流由根据点火控制单元提供的门信号工作的晶体管来控制，晶体管上接有和它们反并联的二极管。使用这样的装置可以把电子分配装置中的点火线圈装置小型化，而磁干扰的不良影响则可以被显著抑制掉。

Description

本发明涉及一种内燃机点火线圈装置，具体地说是一种适用于内燃机中电子分配式点火的点火线圈装置。

最近不采用以前普遍采用的机械分配器而实现多缸内燃机的点火已进入实用阶段。在这种点火系统中，一种实现电子分配的功能部件取代了传统的旋转式分配机构，因此为以后描述的方便，这种系统姑且称之为电子分配装置。

在一个典型的电子分配装置（如第58-44707号日本专利公开文件中公开的装置）中，点火线圈装置通常有两个绕向相反的初级线圈和一个与初级线圈磁耦合的次级线圈，它们被用于为一个四缸引擎点火。正如第56-75962号日本专利公开文件所揭示的那样，这些线圈通常用一种合适的合成树脂粘合成一个整体。

每个初级线圈均有功放管与之相连，这些功放管在来自点火控制单元的门信号的作用下轮流进入导通状态。因而交替地为初级线圈提供电流，因此初级线圈中的电流是间断的。每次当初级线圈中的电流被阻断时，次级线圈的两端就会感应出高压。由于两个初级线圈的绕向相互相反，所以次级线圈中在一个初级线圈中的电流阻断时感应出来的高压的极性和在另一个初级线圈中的电流阻流时感应出来的高压的极性也互相相反。也就是其中一个初级线圈中的电流被阻断时，感应出来的高压在次级线圈上的一个端点上呈正极性的话，另一个初级线圈中的电流被阻断时感应出来的高压就在次级线圈的另一端点上呈正极性。

次级线圈的每个端点均有方向相反的两个二极管与之相连，这些二极管通常和线圈部分一起被胶合在一个整体中。第一个二极管的负极和第二个二极管的正极一起接到次级线圈的一个端口上;与此相似，第三个二极管的负极和第四个二极管的正极一起接到次级线圈的另一个端口上，每个二极管余下的电极部通向各自的火花塞。

使用上述装置就可以把点火线圈单元中产生的高压分配给四个气缸。在这种情况下应该注意到：每次在次级线圈中出现高压时，在两个气缸中将同时发生火花放电。但是如果二极管的方向选择得当以及与它们相连的火花塞之间的关系选择得当，可以使两个气缸中发生的火花放电有一个不起作用。

在如上所述的电子分配装置中，在点火线圈单元的高压一侧必须接有二极管。为保证内燃机性能优良，点火线圈通常需产生30千伏以上的高压。工作在这样的高压情况下的二极管都相当昂贵。另一方面，采用多种制造工艺可以使线圈部分的成本大大降低。但总的来说，使用这种昂贵的二极管将使这种点火线圈装置的总造价大幅度上升，从而使降低电子分配装置的每份努力都付之东流。

为了制成价格低廉的电子分配装置，人们曾经考虑过使用两个分开的点火线圈单元。由于线圈部分价格并不贵，经济地制造这种点火线圈单元还是有可能的，但其尺寸就变得相当大了，在内燃机上安装时就会发生问题。相反为了避免安装上的这类问题而把几个线圈单元紧密地装在一起时，就可能在线圈单元之间发生磁场干扰而导致点火的失败。

本发明的目的是提出一种经改进的内燃机点火线圈装置。适合使用上述装置的内燃机具有若干个线圈单元。每个线圈单元都包括一个其初级电流由电池提供的初级线圈和一个与初级线圈磁耦合的次级线圈，次级线圈的两端分别与火花塞相连;此外包括一些中央铁芯（线圈单元就绕在这些中央铁芯上）和一个与中央铁芯磁耦合的侧面铁芯，它和那些中央铁芯一起为每个初级线圈产生的磁通形成闭合的磁路。每个线圈单元还包括一个开关装置，这个装置根据点火控制单元发出的点火信号来控制供给每个初级线圈的电流。

本发明的一个特征是其中的中央铁芯由取向型硅钢片制成，而侧面铁芯则由做成一个整体的非取向型硅钢片制成，另外在每条由中央铁芯和侧面铁芯形成的闭合磁路的某一部分上都设有一个空隙。本发明的另一个特征是为每个初级线圈都提供了可以让电流在其中流通的装置，这个电流是由其它线圈单元中的初级电流被阻断时在初级线圈中感引出的电压所产生的。

根据本发明的描述，线圈单元中插入高磁通密度的取向型硅钢片制成的中央铁芯，可以使得每个线圈单元的尺寸大大减小，这样也就能使整个点火线圈装置的尺寸大大减小。此外，低磁阻的侧面铁芯可以很经济地用非取向型硅钢片做成一个整体来构成。几个线圈单元的紧密安装所引起的互相间磁场干扰的不利影响则由闭合磁路中的空隙和提供给各个初级线圈的电流装置来显著地抑制和避免掉。

图1，是一例使用本发明的说明性的电子分配装置的示意图。

图2，是一张反映一个使用了本发明的一个实施方案的点火线圈装置全貌的草图。

图3，是点火线圈装置沿图2中的Ⅲ-Ⅲ线的纵剖面图。

图4，是点火线圈装置沿图2中的Ⅳ-Ⅳ线的横剖面图。

图5，是图2所示的点火线圈装置中铁芯部分的分解图。

图6，图解地示出了本发明的一个实施方案，包括一个驱动电路以及图2所示的点火线圈装置。

在对本发明的一个实施方案进行详细描述之前，首先对如图1中所示的使用本发明的那种电子分配装置作些描述。另外该图也表示了一个将该类装置应用于四缸内燃机的实例。

如图所示，这种系统中有两个分离的点火线圈单元3A和3B。这两个线圈3A和3B分别有初级线圈3A₁和3B₁和次级线圈2A₂和2B₂。初级线圈2A₁和2B₁的一端都与电池6的一端相连，电池6的另一端接地。

初级线圈2A₁和2B₁的另一端分别与功放管8A和8B相连，来自点火控制单元10的门信号送至功放管8A和8B。次级线圈中的两个端口都直接与相应的气缸中的四个火花塞相连。在上述情况下，次级线圈2A₂的两个端口分别与1号和4号火花塞的一端相连，而次级线圈2B₂的两个端口则分别与2号和4号火花塞的一端相连，所有火花塞的另一端接地。

控制单元10以不同的传感器取得曲柄角度信号，气流信号、冷却水温度信号等等信号，并根据这些信号决定点火时刻和初级电流持续时间。点火信号就是进一步在这些决定了的时刻和宽度上产生的，这样产生的点火信号又根据曲柄角度信号被分割并分配成两个信号。这两个信号分别被送至晶体管8A和8B，作为它们的门控制信号。

在四缸内燃机中，门信号之一是周期为曲柄角度180°的脉冲信号，该信号的脉宽取决于上面提到的点火信号。另一个门信号是同样的脉冲信号，但与上面那个门信号在角柄角度上有180°的相位差，上面提到的功能组件在现有的内燃机电子控制设备中就能找到。因此在图中产生和分配点火信号的功能部件被从内燃机控制设备中分离开来，被标为一个分离的单元，故有关它的进一步描述在此就省略了。

在上面提到的装置中，如果晶体管8A导通，则将有标为I_a的电流在初级线圈2A₁中流动。在某一个曲柄角时，电流I_a被切断，在次级线圈2A₂两端就会有高压V_2a产生，使得1号和4号火花塞发生放电，正象图中弯曲的箭头所表示的那样，在1号和4号气缸里也同时发生放电。然而若在某个曲标角，1号气缸正处于压缩冲程而4号气缸正处于排气冲程，那么只有1号气缸中的放电才发挥作用，使1号缸进入爆炸冲程。在上述点火后曲柄又转动360°时，在1号和4号火花塞上再次同时发生放电，然而这次是1号缸处于排气冲程而4号缸处于压缩冲程，所以这次只有4号缸中的点火是生效的。

就2号和3号火花塞即2号缸和3号缸而言，其中的操作和上面描述的一样，只不过和1号和4号缸的工作情况在曲柄角上相差180°，不断重复这些操作就能实现电子分配的功能。然而从图中可以看出在四缸内燃机中需要2个分离的点火线圈单元。一般情况下，所需点火线圈单元的数量等于内燃机气缸数的一半。

图2根据本发明的一个实施方案概略地画出了一个点火线圈装置。图中的这个装置适用于四缸内燃机。下面结合图3-图5对这个点火线圈装置进行细微的描述。

从附图中可以明显看出，这个点火线圈装置包括两个结构非常相似的点火线圈单元12和14组成，因此下面的描述只针对线圈单元12的结构而言。还有在图4中，只有线圈单元14的截面上为便于看清材料之间的差别而打上了阴影，线圈单元12的截面上的阴影则被省略，这样可以更清楚地看出每个组成部分的参考号码。

线圈单元12有一个初级线圈架18，这个线圈架由热塑性树脂，如含有玻璃纤维的聚对苯二甲酸甲脂制成，上面有一个沿轴向的贯穿的孔。贯穿孔的截面形状是矩形，以便象以后将要描述的那样稳固地装入中央铁芯16。线圈架18由其两端的法兰盘所支撑，初级线圈20套着线圈架装在两端的法兰盘之间。线圈20可以这样绕制：用直径为0.2mm到1.0mm的漆包线在线圈架18上分几层绕制，每层绕几十圈，总共绕100圈到300圈，发明人实验时所用的初级线圈用直径为0.55mm的漆包线绕成，总共绕了约120圈。初级线圈的这些规格随内燃机所需的启动性能而定。初级线圈20的出线端子21与连接端子23相连，这个连接端子23提供了与外部电路的电气连接。

把这样绕好的初级线圈插入次级线圈架22的贯穿孔中。次级线圈架由热塑性树脂，如经改进的含有玻璃纤维的氧化聚苯烯制成。初级线圈20装入后，应该使线圈架18的法兰盘能装配在线圈架22的贯穿孔中。次级线圈架22的外表面上有许多凸缘。绕线槽就由相邻的两个凸缘所限定。这种线圈架称为分段型线圈架。在本实施方案中，总共有14个凸缘形成了13个绕线槽。分段型线圈架22中的每一个绕线槽中都绕有次级线圈24的线圈，所有这些线圈都串联联接。次级线圈24通常可以这样说：用直径为0.03mm到0.1mm的漆包线绕5000圈到10000圈，整个线圈可分为3到15段，段与段之间互相串联连接。发明人在实验中所用的次级线圈是用直径为0.048mm的漆包线绕了9760圈，分为13段，所有线圈段串联后的两个引出端就取作次级线圈24中的输出端26、28。

这样再把装在一起的初、次级线圈装入热塑性树脂制成的外壳30中。次级线圈24和外壳30之间的空隙用绝缘的热固性成型树脂用真空注射的方法来充满，来保证对付次级线圈24的线圈中产生的高压所需的足够的绝缘。另外输出端26和28分别通过导线柱38和40与高压端子34和36相连。这些导线柱和高压端子也用热塑性树脂如聚对苯二甲酸丁脂模压而成，这样线圈单元12和14就构成了。

中央铁芯16由取向型硅钢片的矩形穿孔片层叠而成。取向型硅钢片的一个例子是日本钢铁公司产生的27H，厚度为0.3mm。此外还应注意中央铁芯16中磁通容易通过的方向，也就是中央铁芯的易磁化轴应与初级线圈20产生的磁通方向一致。在发明人的实验中所用的层叠中央铁芯16的截面形状是一个12.5mm×12.5mm的正方形，比初级线圈架18中贯穿孔的尺寸略小一些，从而使中央铁芯能顺利而牢固地插入其中。中央铁芯16在轴向上的长度比线圈单元的长度稍大一些。从而使得中央铁芯16插入初级线圈架18中的贯穿孔时，其两个顶端部分在线圈单元12的两端稍微凸出一些。

另一方面，侧面铁芯42则由非取向型硅钢片（如与上面同一厂家生产的S12，厚度0.35mm）层叠而成。侧面铁芯的结构呈“H”型，由两个侧面部分43、45及一个横跨于它们之间的中央部分44组成。在H型侧面铁芯的侧面部分43、45的内表面，即两个部分互相正对着的面上刻有凹槽46、48。左边的侧面部分43上的凹槽46的大小正好能装进中央铁芯16的顶端;而右边的侧面部分45上的凹槽48的尺寸比前面那个凹槽46的尺寸略大一些，从而在中央铁芯16的另一顶端和侧面部分45之间构成一空隙。在每个空隙中都塞入一层由非磁性材料如纸张或合成树脂构成的垫层50以固定住中央铁芯16。

另外，因为使用了两个线圈单元12、14，在本实施方案中侧面铁芯42是“H”型的，然而更一般地说，侧面铁芯的形状也可以是“梯子”型的。这种铁芯有两个侧面部分和至少一个横跨于两个侧面部分之间的横档部分。在这种情况下，线圈单元放置在侧面部分和横档部分构成的空间中。

把装有线圈单元12和14的中央铁芯16的两端装入凹槽46、48之后，再以上、下两面把由非磁性材料制成的H型底板52、54装到侧面铁芯42上去。因为底板52、54上与侧面铁芯42上的凹槽46、48相对应的位置上并没有开凹槽，因此H型底板52、54的侧面部分压住了中央铁芯突出的顶端，从而防止了线圈单元12、14的上下滑动，参照图5就可以更容易地理解上述安装步骤，图5是这个装置中铁芯部分的分解图。为了图示的简单，方便，图中的一个中央铁芯未装线圈单元，上面的底板52也未画出。

在上述实施方案中，中央铁芯所采用的取向型硅钢片的最大磁通密度通常是非取向型硅钢片的1.3倍，因此如果两个铁芯横截面积相同，那么绕在用这种钢片制成的铁芯上的线圈的匝数可以减少到绕在用非取向型硅钢片制成的铁芯上的线圈匝数的70%左右，而保持感应电压基本相同。反过来说，如果绕在前一铁芯上的线圈和绕在后一铁芯上的线圈匝数相同。那么就算前一铁芯的截面积减少至原来的70%左右，仍有可能在两个次级线圈上获得相同的电压。因此，有了这样一种装置，就有可能制造出小型化、重量轻、性能优异的点火线圈装置。

除此以外，上述实施方案中的侧面铁芯42用非取向型硅钢片制成一个整体。如果只考虑磁通密度，用取向型硅钢片来制造侧面铁芯的方案也是可以考虑的。但这种情况下应该指出的是：由初级线圈20产生的磁通在侧面铁芯42中的侧面部分43、45和中央部分44中的方向是互不相同的，而这三个部分是用来共同形成线圈单元12和14的磁路。穿过中央部分44的磁通方向正好和穿过中央铁芯16的磁流方向相反，而穿过侧面部分的磁通方向和穿过中央部分44的磁通方向成直角。此时穿过这种磁通的侧面铁芯如用取向型硅钢片制成，它就不能制成一个整体。在这种情况下，侧面铁芯必须分割成几件组件，至少要有三个组件：两个组件用于侧面部分43、45，一个组件用于中央部分44。这些铁芯组件应该这样来组成侧面铁芯，就是要使每个组件中磁通容易穿过的方向，即每个组件的易磁化轴，和使用该组件的那个部分（侧面的或是中央的）中的磁通方向相一致。但这样一种装置的结构相当复杂，从而造成制造工艺的复杂化和成本的提高。

但采用上述的结构而不增加任何附加费用也能使点火线圈小型化。顺便提一下，众所周知，多个线圈紧密排布时，它们之间会互相产生磁场干扰。在上述实施方案中，两个线圈单元的磁路存在于一个整体内，并且有公用的部分（即侧面铁芯中的中央部分），因此磁场干扰就很容易发生。也就是当一个线圈单元中初级线圈中的电流被切断时，在另一个线圈单元的次级线圈中感应出了不希望有的电压，而此时这个次级线圈是不应该感应出任何电压的。下面结合图6将对这种现象作更仔细的解释。

图6示出了本发明的实现方案，包括由功放管构成的驱动电路以及如上面描述的点火线圈装置，图中前面图中已画出的同样部件仍用与前面同样的参考号码或字母来表示。在下面结合本图对各部件的功能和操作进行描述时，也将参考图上其余的参考符号。此外，虽然次级线圈2A₂和2B₂的线圈被分别画在中央铁芯16A和16B的外面，但这样画的目的仅仅是为了图示的简洁、明了。

在图6所示的装置中，初级线圈2A₁和2B₁的线圈的绕向是相同的。此外两个线圈的起始端（或终端）合在一起与电池6相连。它们的终端（或起始端）分别与功放管8A和8B相连。因此可以说线圈2A₁和2B₁的结构使得它们各自的初级线圈产生的主磁通在相应的中央铁芯16A和16B中具有相同的方向。亦即在图中的情况下，它们的方向都是自左至右的。而从闭合磁路的观点上看来它们的方向是互相相反的。也就是如果线圈2B₁产生的主磁通沿磁路逆时针流动，如图所示，那么线圈2A₁产生的主磁通就沿磁路顺时针流动，反之亦然。

当来自点火控制单元10的门信号使晶体管8B进入导通状态时，就有电流I_b流过初级线圈2B₁，在中央铁芯16B上就会产生主磁通Φ，所图所示。在中央铁芯16A中由漏磁场会引起一定量的漏磁通Φ′。此时，如电流I_b被切断，主磁通则迅速变化，以致在次级线圈2B₂中就会感应出高压来。这个高压引起与次级线圈2B₂的两端相连的火花塞2号和3号发生火花放电。这是正常的火花放电，因为不管是2号缸和3号缸此时都正处于压缩冲程。

然而与此同时磁通Φ′也迅速变化，在次级线圈2A₂中也感应出了不正常的、不希望有的电压。这个电压被送至1号和4号火花塞，而此时若1号缸正处于爆炸过程，则4号缸正处于进气过程，或者正好相反。结果是在处于进气冲程的那个气缸中由于线圈2A₂不正常的感应电压而引起了不正常的爆炸。

因此，磁流Φ′的数量必须尽可能地减少。为了达到这个目的，在漏磁造成的磁通Φ′的磁路上设有一空隙50A。空隙50A对流过的磁通起到一个磁阻的作用，故磁通Φ′的数量可显著地减小。同样的措施也适用于流过初级线圈2A₁的电流被切断时的情况。为了防止次级线圈2B₂感应出不正常的、不希望有的电压，在中央铁芯16B和侧面铁芯42的侧面部分之间也有一空隙50B。

采用上述的铁芯结构，就有可能大大减轻磁场干扰对点火产生的不良影响。如再采用其他一些必要措施。局面还可进一步改观。本实施方案中的这类必要措施是装了9A和9B两个二极管，它们分别与功放管8A和8B反并联，如图6中所示的那样。这样接的理由如下：上面说过，当电流Ib被切断时，磁通Φ′趋向于减少。而此时线圈2A₁中就会感应出一电压，其电压方向阻止磁通Φ′的变化。这个电压引起一个流过初级线圈2A₁和二极管9A的电流，从而阻止了磁通Φ′的变化。结果使得次级线圈2A₂中几乎感应不出什么电压。当线圈2A₁中的电流被切断时，情况也是这样。

在由本发明者指导的实验中，还在线圈单元2A、2B中的一个线圈单元（工作的那个）把正常的36千伏点火电压送到与正在工作的线圈单元相连的火花塞上时，对送到与不工作的那个线圈单元的次级线圈相连的火花塞上的电压进行了测量。根据实验结果，如只在磁路中设置空隙，与不工作的线圈单元相连的火花塞上的电压约是4.0千伏，这大约是无空隙时的电压的五分之一;如既设置空隙又空装二极管9A及9B，这个电压还将进一步减小。实验中测到的这个电压小到0.8千伏，是只有空隙时的1/5，实际上已是无空隙时的二十五分之一。

在上面提到的实施方案中磁路的空隙用纸张或塑料树脂填充。但如果在空隙中插入一块合适的磁铁，由它产生的磁通对中央铁芯产生的主磁通起反向偏置的作用，因而产生这样的效果：当线圈单元中的初级电流初切断时，主磁通的变化范围变大，因而在线圈单元的次级线圈中的感应电压也增高，既然次级线圈中的感应电压可以用上面提到的磁铁来进一步增高，那么中央磁芯中更小的磁通密度也能在次级线圈两端感应出足够的高压，这个事实意味着线圈单元还可以进一步小型化。

根据到此为止对本发明的描述，一个包含几个线圈单元的点火线圈装置可以做得足够小。而且小型化所固有的磁场干扰的影响在很大程度上能被避免，所以这种小尺寸的点火线圈为整个内燃机的性能优异提供了保证。

Claims (5)

1、一种包含若干个线圈单元的内燃机点火线圈装置，其中每个线圈单元包括：

·一个初级线圈，它的初级电流由电池提供。

。一个次级线圈，它与初级线圈磁耦合，

·次级线圈的两个端口，它们分别和各自的火花塞相连，

·中央铁芯，各个线圈单元都套装在它的外面，

。侧面铁芯，它与中央铁芯磁耦合，并为各个初级线圈产生的磁通形成闭合的磁路。

。开关装置，它根据点火控制单元给出的点火信号控制供给各个初级线圈的初级电流，

其特征在于：

。上述每个中央铁芯均由取向型硅钢片层叠而成，当它装入线圈单元中后，中央铁芯的易磁化轴要与线圈单元的初级线圈产生的磁通方向一致，

·上述的侧面铁芯由非取向型硅钢片层叠成一个整体而成，它通过每个上述的中央铁芯和侧面铁芯构成的磁路上的空隙，与上述每个中央铁芯进行磁耦合。

·当上述每个初级线圈通有初级电流时，由它产生的磁通在中央铁芯中的方向和其它初级线圈产生的磁通在中央铁芯中的方向一致。

2、一种根据权项1的内燃机点火线圈装置，其中每个上述的中央磁芯和上述的侧面磁芯之间形成的上述空隙由非磁性材料填充。

3、一种根据权限1的内燃机点火线圈装置，其中每个上述的中央铁芯和上述的侧面铁芯之间构成的空隙中插入一块磁铁，上述磁铁的插入使得由上述磁铁产生的磁通在中央铁芯中起到对初级线圈产生的磁通反向偏置的作用。

4、一种根据权项1的内燃机点火线圈装置，其中每个上述的线圈单元中的初级线圈均装有一种装置，上述装置用来在其他线圈单元的初级电流被切断时使本线圈单元的初级线圈内感应出来的电压所产生的电流能流过其初级线圈。

5、一种根据权项1的内燃机点火线圈装置，其中的上述侧面铁芯由两个侧面部分和至少一个横跨于上述两个侧面部分之间的横档部分形成梯子形结构，装有中央铁芯的线圈单元装在两个侧面部分和横档部分构成的空间中，以便在中央铁芯的一端和上述侧面铁芯的两个侧面部分中的一个之间形成空隙。

Images