專利名稱：用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛結(jié)構(gòu)，具體涉及用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE)的電子 點(diǎn)火系統(tǒng)。本發(fā)明可以用于火花點(diǎn)火系統(tǒng)中，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫和/ 或高濕度的條件下、以及燃料-空氣混和物的質(zhì)量不高的情況下更穩(wěn)定 地操作。
背景技術(shù)：
已知一種增加火花塞中的火花的等離子體量的設(shè)備(2001年公開 的俄羅斯專利2171909， Int.class7F02P3/04， F02P3/08)。該設(shè)備包括 與緊挨著火花塞的火花間隙并聯(lián)的串聯(lián)LC電路，以消除火花塞的次 級(jí)電路的高電阻線的影響。通過將火花燃燒時(shí)間增加8至10倍，該設(shè) 備將火花量增加了3至4倍，并增強(qiáng)了電離和熱效應(yīng)。這種已知的設(shè) 備解決了火花電流增加的問題，但是將附加的元件引入了該方案。這 種點(diǎn)火系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是由點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組形成的振蕩電路的較 高的波阻抗(p 1MQ)，其容易被電路中的泄露阻抗(leakage impedance)所旁路。可以通過ICE的電子點(diǎn)火的弛張振蕩系統(tǒng)(1996年公布的俄羅斯 專利2054575， Int. Class 7 F02P3/04)來獲得所需要的時(shí)間可控的連續(xù) 放電持續(xù)時(shí)間。將兩個(gè)附加的二極管引入了該ICE點(diǎn)火系統(tǒng)，該ICE 點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火線圈的初級(jí)電路包括高電壓晶閘管-電容器單元、低電 壓增壓器單元、以及晶閘管開關(guān)。第一二極管與由晶閘管和電容器組 成的電路并聯(lián)，并且連接晶閘管陽極和增壓器單元。第二二極管與晶 閘管-電容器電路的中點(diǎn)以及點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組的輸出相連。點(diǎn)火系 統(tǒng)產(chǎn)生馳張振蕩，從而能夠把連續(xù)放電電流支撐所需時(shí)間，并形成寬 的初始火焰前端。該點(diǎn)火系統(tǒng)確保了燃料混和物的有效燃燒，并且改
進(jìn)了燃料消耗效率。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是附加元件的引入。標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有點(diǎn) 火線圈的使用不能解決次級(jí)繞組的振蕩電路的較高的波阻抗P的缺 點(diǎn)。由于火花塞放電間隙被泄漏阻抗所旁路，這降低了發(fā)動(dòng)機(jī)在不利 條件下的操作和啟動(dòng)的可靠性。根據(jù)1998年公開的俄羅斯專利RU 2107184， Int. class 7 F02P3/04 可知，在-不利條件下(特別是在冬季時(shí))，使用ICE的火花點(diǎn)火系統(tǒng) 有助于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。該點(diǎn)火系統(tǒng)包括被包括在點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組 中的串聯(lián)的變壓器、倍壓器、穩(wěn)壓器以及斷路器。在火花塞放電間隙 前的點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組電路中引入了較大的附加的火花間隙。這種 結(jié)構(gòu)降低了不期望的泄漏電流效應(yīng)，使得幾乎全部能量都花費(fèi)在火花 塞中的火花產(chǎn)生。然而，這種結(jié)構(gòu)并未消除電容放電階段(capacitance phase of a discharge),其中放電間隙中的電流能量的主要部分花費(fèi)在 破壞火花塞電極。另一缺點(diǎn)是該方案增加了復(fù)雜度，引入了大量用于 穩(wěn)壓的附加元件，并且額外地腐蝕了附加的火花間隙中的材料。在標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)火系統(tǒng)(例如，參見作者為S.V.Akimov和Yu.P.Chizhov 的"Electrical equipment of automobiles", a manual for higher school, 第188—191頁，"ZaRulem"， 2001)中包含有與所提出的點(diǎn)火系統(tǒng)最 大數(shù)量的公共元件，將該系統(tǒng)選作最接近的對(duì)應(yīng)物(原型)。該原型點(diǎn) 火系統(tǒng)包括電源、開關(guān)、由初級(jí)和次級(jí)繞組以及磁導(dǎo)體組成的點(diǎn)火線 圈、火花間隙、以及該初級(jí)和次級(jí)繞組的電路中的振蕩回路(tank) 和有功電阻(active resistance)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火系統(tǒng)的缺點(diǎn)是其不可靠 的性能。火花塞絕緣體上的煙塵和潮濕以及點(diǎn)火分電器中和高壓線上 的污垢和冷凝物導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)或者點(diǎn)火系統(tǒng)的完全失效。特別是 在冬季的低溫下使用機(jī)動(dòng)車輛時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生這種情況。分析顯示，在典型的點(diǎn)火系統(tǒng)中，當(dāng)在火花塞上產(chǎn)生高電壓并且 放電電流在其中流動(dòng)時(shí)，存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈中的相當(dāng)一部分能量被損耗。 主要的損耗是由于高電壓電路中的泄漏電流。此外，在線圈的磁導(dǎo)體 以及電容放電階段中發(fā)生了嚴(yán)重的感應(yīng)損耗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的問題是，由于通過使由作為點(diǎn)火系統(tǒng)的一部分的 電感和電容所形成的電路的波阻抗P的數(shù)值與火花放電參數(shù)(即擊穿電 壓和放電電流)相匹配而消除"開銷"損耗，從而增大了火花功率和 點(diǎn)火系統(tǒng)的火花產(chǎn)生的可靠性。通過以下事實(shí)來達(dá)到該技術(shù)效果作為原型，所提出的點(diǎn)火方案 包含由初級(jí)和次級(jí)繞組以及磁導(dǎo)體組成的點(diǎn)火線圈、以及包括在點(diǎn)火 線圈的次級(jí)繞組電路中的火花間隙。所開發(fā)的點(diǎn)火系統(tǒng)的新穎性在于，點(diǎn)火線圈被設(shè)計(jì)為在考慮到泄 漏電流的情況下，使由次級(jí)繞組中的電感和有效電容所形成的振蕩電 路的波阻抗P處于以下范圍中其中，U&是用于保證擊穿的放電間隙中的電壓的最小值，Im^是 火花放電的最大允許電流。通過高電壓火花燃燒向低電壓等離子弧放 電模式轉(zhuǎn)變的條件，來限制放電電流的最大值，對(duì)于低電壓等離子弧 放電模式，該弧的主要能量并非花費(fèi)在加熱燃料一空氣混和物，而是 花費(fèi)在破壞火花塞電極。在一種特定情況下，為了消除電容放電階段中的損耗，可以制造 具有增大的雜散磁通的點(diǎn)火線圈的繞組，例如以晶片的形式來制造。在另一特定情況下，為了減少由于渦電流導(dǎo)致的損耗，可以使用 具有低單位損耗的材料來制造點(diǎn)火線圈的磁導(dǎo)體，例如額定頻率為400Hz的變壓器鐵芯。在高電壓產(chǎn)生期間，不受控制的能量損耗與泄漏電流有關(guān)。計(jì)算 表明，具有標(biāo)準(zhǔn)線圈的點(diǎn)火系統(tǒng)的波阻抗p的最典型值總計(jì)大約為1MQ。當(dāng)這種系統(tǒng)中由于泄露阻抗等于波阻抗而出現(xiàn)泄漏電流時(shí)，火花間隙中的電壓大約減少兩倍，這導(dǎo)致了點(diǎn)火系統(tǒng)的故障或者火花能 量的顯著降低。在火花燃燒期間，大量的能量損耗是由于燃料-空氣混和物的熱傳 導(dǎo)，因此在小火花功率的情況下，即使經(jīng)過更長(zhǎng)的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間，燃 料-空氣混和物也可能不能點(diǎn)火。
可以對(duì)所提供的聲明的效果進(jìn)行如下說明?？梢砸噪娐分械碾妷旱男问絹韺懗鲇牲c(diǎn)火系統(tǒng)的次級(jí)繞組電路所 表示的并聯(lián)振蕩電路的波動(dòng)方程的解(1)其中Uamp是電壓的振幅值，CO和t分別是頻率和時(shí)間，L、 C和R,eak是具有常用名稱的電路參數(shù)。在點(diǎn)火線圈的初級(jí)電路中的開關(guān)斷開時(shí)，電壓在時(shí)刻、^ =^7時(shí)針對(duì)R^k = P達(dá)到最大值。此時(shí)火花塞中的點(diǎn)火所必需的條件是Um^ 2 Ubr，其中P vmax^max — 7匪P e (2)根據(jù)等式(2)，對(duì)于保持放電間隙擊穿條件的泄漏阻抗，我們發(fā)現(xiàn)2凡—7'上/ei — 2UnZ^ , (3) 根據(jù)等式(3)，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于泄漏阻抗的最小值的波阻抗是"1,83， (4)max假設(shè)針對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的無故障服務(wù)的可接受的條件關(guān)于最小值增加了1.5倍，則我們發(fā)現(xiàn)，波阻抗p的可允許值的范圍是~7-< Z7 < - (5)J max J max 乂 /考慮到Ubr和Imax的典型值分別總計(jì)為 10—15 kV和 0.3 A，我們 獲得與條件(5)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值p的范圍50< p < 180 m . (5a) 根據(jù)同一等式(3)得到使得點(diǎn)火系統(tǒng)免于故障的泄漏阻抗，可以 看出泄漏阻抗的最小值等于波阻抗，也即R^k-p。


圖1示出了所提出的點(diǎn)火系統(tǒng)的等價(jià)方案。
具體實(shí)施方式
該點(diǎn)火系統(tǒng)包括被包括在點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組電路5中的電源1、有功電阻2、電容器3和換向器4。該點(diǎn)火線圈還包括被設(shè)計(jì)作為 磁芯6的磁導(dǎo)體、以及次級(jí)繞組7，該次級(jí)繞組7的電路包括次級(jí)繞 組7的自感8、根據(jù)初級(jí)電路而計(jì)算的電容9、泄漏阻抗IO、以及火 花塞的放電間隙ll。電源1是電池，電阻2是初級(jí)電路的有功電阻。點(diǎn)火線圈被設(shè)計(jì) 為變換系數(shù)Ka 15-30。因此，獲得了波阻抗p^l00kQ的系統(tǒng)，其與 額定值(4)相對(duì)應(yīng)。點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組5中的最大電壓達(dá)到 1000-1500V，這增加了對(duì)用于換向器4的元件基材(element base)的 選擇的要求?？梢允褂镁哂械蛦挝粨p耗(specific loss)的材料(例如額定工作 頻率為400Hz的變壓器鐵芯)來制造點(diǎn)火線圈的磁芯6。次級(jí)繞組7還可以被設(shè)計(jì)為晶片。在這種情況下，(未經(jīng)磁通量 與初級(jí)繞組相連的)次級(jí)繞組7的自感8限制了火花電流并消除了電 容放電階段中的損耗?；趯?duì)該系統(tǒng)中產(chǎn)生火花所需的特定量的能量進(jìn)行積累的要求， 選擇與工業(yè)設(shè)計(jì)的現(xiàn)有(off-the-shelf)點(diǎn)火線圈相同的線圈參數(shù)。在 特定實(shí)施例的情況下，點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組5的電感總計(jì)為L(zhǎng) 4 mH， 線圈電流I《6-8A，用于保護(hù)電子開關(guān)(換向器4)承受過電壓的電 容器3的電容是Ca0.1 ^F。圖1中所示的所提出的點(diǎn)火系統(tǒng)如下操作。當(dāng)接通點(diǎn)火線圈的初 級(jí)繞組5中的換向器4時(shí)，產(chǎn)生從電源1經(jīng)過該線圈的初級(jí)繞組5和 換向器4的電流。當(dāng)該電流達(dá)到最大允許值時(shí)，線圈中積累了足夠用 于在火花塞中產(chǎn)生火花放電的能量。當(dāng)來自曲軸位置指示器(未示出) 的信號(hào)切斷換向器4時(shí)，初級(jí)繞組5的電流對(duì)電容器3進(jìn)行充電，在 次級(jí)繞組7中感生出高電壓。當(dāng)該電路中達(dá)到足夠用于打破(break)
火花間隙11的電壓時(shí)，發(fā)生擊穿，并引起經(jīng)過該線圈的次級(jí)繞組7 的電流。該電流由點(diǎn)火線圈自身的電流和電容器3的放電電流組成， 針對(duì)點(diǎn)火線圈的次級(jí)電路通過以下公式將其計(jì)算為電容9:C 2 = C！/尺2其中，K是該線圈的次級(jí)繞組7的匝數(shù)與該點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組 5的匝數(shù)之比。使用現(xiàn)代元件基材來制造電子開關(guān)(換向器4)以及具有初級(jí)繞 組5和次級(jí)繞組7的改變的匝數(shù)比的點(diǎn)火線圈產(chǎn)生了如下的點(diǎn)火系統(tǒng) 其具有與條件(5)相對(duì)應(yīng)的較低的波阻抗p 100kQ，對(duì)于泄漏電流較不敏感，并且如果火花放電電流增加到Imax-0.3A則具有顯著提高的火花能量。具有所要求保護(hù)的特性的點(diǎn)火系統(tǒng)用于恒定能量消耗(點(diǎn)火線圈 的恒定最大電流)。由于泄漏阻抗10的數(shù)值幾乎總是大于次級(jí)繞組電 路的波阻抗p，并且不會(huì)被旁路，因此與己知的對(duì)應(yīng)物相比，所獲得 的系統(tǒng)對(duì)于泄漏電流較不敏感，這使得能夠消除"開銷"損耗，從而 解決所提出的問題。根據(jù)這些權(quán)利要求的第二段的點(diǎn)火系統(tǒng)操作的細(xì)節(jié)是，由于與對(duì) 應(yīng)物相比增加了雜散磁通(magnetic stray flux)，從而限制了火花放電 電流，例如，這通過以晶片的形式制造點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組7以消除 電容放電階段中的損耗而實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這些權(quán)利要求的第三段的點(diǎn)火系統(tǒng)操作的細(xì)節(jié)是，在產(chǎn)生高 電壓的期間，由于使用具有低單位損耗的變壓器鐵芯來制造線圈的芯 6，所以明顯減少了能量損耗(磁導(dǎo)體發(fā)熱)。對(duì)根據(jù)第6頁上的特定實(shí)施例的示例而制造的點(diǎn)火系統(tǒng)的測(cè)試確 定了火花塞中的火花產(chǎn)生的高穩(wěn)定性，因此即使在大約十萬公里以后 火花塞仍保持可用?；鸹ㄈ^緣體上的煙灰沉積、汽油、防凍劑的存 在不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定操作。通過所開發(fā)的點(diǎn)火系統(tǒng)所確保的放電能量的增加，導(dǎo)致燃料混合 物的更加充分的燃燒，由此降低了排氣毒性。 工業(yè)應(yīng)用性
所開發(fā)的ICE的點(diǎn)火系統(tǒng)是基于現(xiàn)代元件基材(組件)來制造的。 點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組的匝數(shù)總計(jì)為 2000，由于通常的匝數(shù)處于16000 至40000的范圍之內(nèi)，因此這應(yīng)當(dāng)會(huì)降低其在連續(xù)生產(chǎn)中的成本?，F(xiàn)在，已經(jīng)針對(duì)不同的車輛制造測(cè)試了所開發(fā)的ICE的點(diǎn)火系統(tǒng) 的三個(gè)樣品。該測(cè)試表明了燃料-空氣混合物的高點(diǎn)火效率。所開發(fā)的ICE的點(diǎn)火系統(tǒng)準(zhǔn)備用于大規(guī)模生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1、一種ICE點(diǎn)火系統(tǒng)，包括具有初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的點(diǎn)火線圈、磁導(dǎo)體、以及包括在所述點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組電路中的放電間隙，其特征在于，所述點(diǎn)火線圈被設(shè)計(jì)為在考慮到泄漏電流的情況下使得由所述次級(jí)繞組中的電感和有效電容所形成的振蕩電路的波阻抗ρ處于以下范圍內(nèi)<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mfrac> <mrow><mn>1.4</mn><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>U</mi> <mi>br</mi></msub> </mrow> <msub><mi>I</mi><mi>max</mi> </msub></mfrac><mo>&lt;</mo><mi>&rho;</mi><mo>&lt;</mo><mfrac> <mrow><mn>4.5</mn><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>U</mi> <mi>br</mi></msub> </mrow> <msub><mi>I</mi><mi>max</mi> </msub></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2006800240117C00011.gif" wi="216" he="42" img-content="drawing" img-format="tif"/-->其中Ubr是用于保證擊穿的放電間隙中的電壓的最小值，以及Imax是用于使火花不會(huì)轉(zhuǎn)換為低電壓電弧放電的火花放電的最大允許電流。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ICE點(diǎn)火系統(tǒng)，其特征在于，所述點(diǎn) 火線圈的繞組被設(shè)計(jì)為具有增加的雜散磁通，例如具有晶片的形式。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的點(diǎn)火系統(tǒng)，其特征在于，所述點(diǎn) 火線圈的磁導(dǎo)體由具有低單位損耗的材料制成，例如額定頻率為 400Hz的變壓器鐵芯。
全文摘要
該設(shè)備涉及車輛結(jié)構(gòu)，即內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的火花點(diǎn)火系統(tǒng)。本發(fā)明能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的可靠性，特別是在低溫和高濕度的情況下。該點(diǎn)火系統(tǒng)中的點(diǎn)火線圈被設(shè)計(jì)為在考慮到泄漏電流的情況下使得由次級(jí)繞組中的電感和有效電容所形成的振蕩電路的波阻抗ρ處于以下范圍內(nèi)(見公式)，其中U_br是用于保證擊穿的放電間隙中的電壓的最小值，I_max是用于使火花不會(huì)轉(zhuǎn)換為低電壓電弧放電的火花放電的最大允許電流。在該范圍內(nèi)的波阻抗ρ的值與火花放電的參數(shù)(擊穿電壓和放電電流)相適應(yīng)，這降低了點(diǎn)火系統(tǒng)中的不期望的能量損耗，并提高了火花功率。
文檔編號(hào)F02P3/02GK101213366SQ200680024011
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月5日
發(fā)明者米克海爾·潘特雷莫諾維奇·布里澤涅夫 申請(qǐng)人:范應(yīng)用物理研究院