按需供能的點(diǎn)火線圈的制作方法

專利名稱：按需供能的點(diǎn)火線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于點(diǎn)火線圈和車輛點(diǎn)火系統(tǒng)的，尤其是關(guān)于內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火線圈的。
隨著微處理器和與之相關(guān)的電子控制技術(shù)的出現(xiàn)，車輛點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的方案經(jīng)歷了大量的改進(jìn)。在這些改進(jìn)當(dāng)中，可燃?xì)怏w的燃燒越充分對(duì)車輛正時(shí)以及點(diǎn)火正時(shí)的控制越好，這對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性的提高，對(duì)于增大廢氣再循環(huán)的比例，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高以及其他性能的改善都起了非常重要的作用。
在點(diǎn)火線圈設(shè)計(jì)方面發(fā)生的變化也是總體改進(jìn)的內(nèi)容之一。對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)火設(shè)備(例如火花塞)使用單獨(dú)的點(diǎn)火線圈，可以更精確地控制每個(gè)燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火特性?？墒?，幾乎沒(méi)有例外，這些點(diǎn)火方案是每個(gè)燃燒過(guò)程有一次點(diǎn)火。除了點(diǎn)火過(guò)程正時(shí)外，燃燒的效率還極大地依賴于燃燒室的設(shè)計(jì)，包括，為了增強(qiáng)點(diǎn)火之前燃?xì)鉁u流的方法和類似技術(shù)。
另外，在同一個(gè)燃燒過(guò)程中，含有“多次放電”裝置的點(diǎn)火方案也進(jìn)行了一定的應(yīng)用。換句話說(shuō)，在每個(gè)燃燒循環(huán)中，使花火塞多次放電，并可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在某一預(yù)定的轉(zhuǎn)速(如1200轉(zhuǎn)/分)下運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大于這一預(yù)定速度時(shí)，點(diǎn)火線圈和點(diǎn)火設(shè)備本身都會(huì)按通常的方式工作，每個(gè)循環(huán)點(diǎn)一次火。
在現(xiàn)有使用“多次放電”方案的點(diǎn)火系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包含有一個(gè)無(wú)分電器電子點(diǎn)火系統(tǒng)(EDIS)，它有兩個(gè)線圈以適應(yīng)給四個(gè)燃燒室中的任何一個(gè)燃燒室分配點(diǎn)火電壓，就如已知的四塔型線圈組件。這種線圈體積很大，有下列特點(diǎn)(1)為了發(fā)動(dòng)機(jī)每一燃燒過(guò)程而對(duì)二缸的每一個(gè)予以點(diǎn)火;(2)在電流通過(guò)火花塞導(dǎo)線時(shí)伴隨著性能損失。多次放電的速度，或者線圈的正時(shí)能力已被注意到是與線圈的大小有關(guān)的，也就是說(shuō)與初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的尺寸、重量和纏繞的匝數(shù)有關(guān)。毫無(wú)疑問(wèn)，用已知的帶有四塔的EDIS系統(tǒng)是不結(jié)合有發(fā)生在燃燒過(guò)程開始階段內(nèi)的多次放電的，直到本發(fā)明出現(xiàn)前，這種方案的重要性沒(méi)有被認(rèn)識(shí)。
本發(fā)明提供了一種點(diǎn)火方案，該方案是可編程序控制的多次放電，并且，以最小能量輸出作單次放電的，借此，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和輕載工況下，每一個(gè)點(diǎn)火線圈將在一定的時(shí)間內(nèi)線圈設(shè)計(jì)所允許的最大次數(shù)多次放電或起孤。這一時(shí)間是指燃燒室內(nèi)的可燃混合氣按照質(zhì)量燃燒率(MFB)燃燒了0-2%的這段時(shí)間。
本發(fā)明提供了一個(gè)可編程序的進(jìn)行多次放電的CPP點(diǎn)火系統(tǒng)。借此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況超過(guò)預(yù)定的范圍時(shí)，就不執(zhí)行多次放電，而只進(jìn)行一次放電，特別是在特定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和特定的發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況時(shí)更是如此。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況處于上面提到的工況之間時(shí)，本發(fā)明的點(diǎn)火方案可以使點(diǎn)火線圈以不同的次數(shù)多次放電，該次數(shù)小于設(shè)計(jì)線圈時(shí)確定的最大放電次數(shù)。放電的次數(shù)是根據(jù)預(yù)先在程序中設(shè)定的方案和當(dāng)時(shí)由傳感器傳感到的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況決定的。預(yù)先在程序中設(shè)定的方案是以完全燃燒為理想條件而定的。
本發(fā)明還有一個(gè)適合于任何內(nèi)燃機(jī)電子無(wú)配電器點(diǎn)火的多次放電的線圈型式的點(diǎn)火系統(tǒng)。其中(1)線圈充電放電的次數(shù)是在運(yùn)行過(guò)程中由連續(xù)感應(yīng)到的一些預(yù)定的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)作動(dòng)態(tài)控制的。(2)多次放電的火花都在某一特定的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，這一時(shí)間可以用燃燒過(guò)程中0-2%的質(zhì)量燃燒率(MFB)來(lái)表示，并且最好是在0.5%之內(nèi)。
本發(fā)明的一個(gè)推薦的實(shí)施例就是將上述的點(diǎn)火方案與每個(gè)火花塞一個(gè)點(diǎn)火線圈(CPP)的點(diǎn)火系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。這樣就可以減小線圈的尺寸，可以獲得能夠快速地進(jìn)行多次放電的組件，它能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)最高可以進(jìn)行8次的放電過(guò)程，也可以在某一預(yù)定和超過(guò)預(yù)定的發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)高速高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下以單次放電能量水平來(lái)點(diǎn)燃可燃混合氣。
本發(fā)明提出一種在多缸、往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的點(diǎn)火方案，其特征是，在各個(gè)燃燒室內(nèi)具有一個(gè)火花點(diǎn)火發(fā)生器，點(diǎn)火線圈組件與各自的火花點(diǎn)火發(fā)生器以導(dǎo)電地相連接，重復(fù)地給火花發(fā)生器送電壓，該電壓足以使火花發(fā)生器以預(yù)定的點(diǎn)火能量放電而引起燃燒室中的燃燒;
控制裝置在任何燃燒的初始階段中，重復(fù)地使點(diǎn)火線圈充電和放電，該初始階段是指發(fā)生在各自的汽缸中的燃燒質(zhì)量燃燒率從0%到大約2%的階段;
所述點(diǎn)火線圈部件具有的一次放電所釋放的點(diǎn)火能量是可以足以用來(lái)使其在怠速和輕載以上的運(yùn)行工況條件下的實(shí)質(zhì)上完全燃燒;
所述點(diǎn)火線圈部件具有足夠的二次充電壓的時(shí)間，足以允許所述線圈能在每個(gè)燃燒的初始階段可以重復(fù)地放電的。
在任何燃燒的初始階段，由所述點(diǎn)火線圈部件所釋放的最大和最小能量等級(jí)之比近似為2∶1，所述最大能量是整個(gè)2-8次放電期間建立的。
所述發(fā)生的點(diǎn)火是一個(gè)點(diǎn)火線圈部件釋放到一個(gè)燃燒室的放電，該點(diǎn)火線圈具有最小一次放電能量至少為11毫焦耳(mJ)，并且是不能滿足怠速工況下實(shí)質(zhì)上的完全燃燒的。
點(diǎn)火線圈部件具有從0.280毫秒(msec)到0.725毫秒(msec)的多次點(diǎn)火速率。
用于在多缸往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的點(diǎn)火方法，其特征是，該方法的過(guò)程是在多缸往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的點(diǎn)火是具有用于對(duì)每個(gè)各自氣缸中的每個(gè)燃燒室的獨(dú)立的火花點(diǎn)火發(fā)生器;每個(gè)相互獨(dú)立的點(diǎn)火線圈部件與各自的火花點(diǎn)火發(fā)生器電連接以使之重復(fù)通以電壓到火花發(fā)生器，該電壓是以使之在各自的燃燒室中形成預(yù)定點(diǎn)火能量的燃燒，所述過(guò)程包含以下步驟(a)至少傳感兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù);
(b)傳感預(yù)定和預(yù)先建立的點(diǎn)火設(shè)備的點(diǎn)火提前角的度數(shù);
(c)決定火花發(fā)生器要求的放電次數(shù);該點(diǎn)火次數(shù)是在所述放電周期過(guò)程中的，是根據(jù)由傳感器獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)而定的傳感點(diǎn)火提前角的度數(shù)決定的;
(d)一個(gè)放電周期的起始是根據(jù)傳感器獲得的預(yù)定點(diǎn)火提前角決定的;
(e)在發(fā)動(dòng)機(jī)的全部運(yùn)行期間，連續(xù)重復(fù)過(guò)程(a)-(d)。
所說(shuō)的點(diǎn)火器的放電次數(shù)，是根據(jù)(a)-(e)條選擇的;
所述步驟中還包括在燃燒過(guò)程的關(guān)鍵階段按所定的放電次數(shù)向燃燒室放電，該關(guān)鍵階段是指發(fā)生0.5%的質(zhì)量燃燒率以內(nèi)的時(shí)期。
所述的步驟還包括對(duì)于特定的燃燒過(guò)程，當(dāng)點(diǎn)火線圈放電時(shí)能夠按照預(yù)定的方案向燃燒室中釋放大約80-100毫焦耳的能量。
所述的步驟中至少要傳感兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和質(zhì)量燃燒率的大小。
也可以是，任何燃燒的初始階段，由所述點(diǎn)火線圈部件所釋放的最大和最小能量等級(jí)之比近似為8∶1。
本發(fā)明的上述目的和其它目的以及其特征優(yōu)點(diǎn)，都可以結(jié)合附圖從下面將詳細(xì)介紹的一個(gè)最佳的應(yīng)用例子中非常容易地看出。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的點(diǎn)火控制系統(tǒng)的示意圖。
圖2a圖示了特定燃燒室內(nèi)每一次火花產(chǎn)生后0.3毫秒(msec)的燃燒過(guò)程。(圖中給出的是初始火焰中心的情形，并且質(zhì)量燃燒率(MFB)小于2%)。
圖2b同圖2a類似，圖中給出的是焰鋒在燃燒室內(nèi)的傳播過(guò)程。圖中給出的焰鋒是初始火花產(chǎn)生以后4.6毫秒時(shí)的焰峰，此時(shí)以質(zhì)量燃燒率表示大約是5～10%。
圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的在0-2%質(zhì)量燃燒率這一時(shí)間內(nèi)采用帶有多次放電的CPP點(diǎn)火系統(tǒng)與傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)火花能量積累隨時(shí)間變化的比較曲線。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的CPP點(diǎn)火系統(tǒng)，由程序預(yù)定控制的多次放電需求隨一定范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化的三維圖。
圖5圖示了一種形態(tài)，其中在點(diǎn)火系統(tǒng)中，用點(diǎn)火線圈的放電次數(shù)表示的可用點(diǎn)火能量的增加，改進(jìn)了大大增加的廢氣再循環(huán)率(EGR)的發(fā)動(dòng)機(jī)完全燃燒的能力。
圖6-11圖示了在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的CPP點(diǎn)火系統(tǒng)的特定的發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得的一系列的關(guān)鍵測(cè)試結(jié)果，以便決定最優(yōu)的控制參數(shù)編程輸入到根據(jù)本發(fā)明的CPP點(diǎn)火系統(tǒng)中。
圖12是與在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的點(diǎn)火控制系統(tǒng)中有效連接裝配的CPP型點(diǎn)火線圈的透視圖。
圖13是圖12所示的點(diǎn)火線圈的分解圖。
圖14表示的僅僅是C型鋼疊成芯、I型鋼疊成芯和塑料絕緣片相結(jié)合的總成的剖面圖。
圖15是圖11與圖12中給出的點(diǎn)火線圈的橫截面剖視圖。
在目前最常用的多缸、往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中，最佳的車輛點(diǎn)火系統(tǒng)與下列特點(diǎn)有關(guān)可以改善燃燒質(zhì)量，尤其是在怠速、輕的部分負(fù)荷減速和在現(xiàn)有水平的廢氣再循環(huán)率(EGR)整個(gè)的大范圍下;
·系統(tǒng)的組裝能力;
·系統(tǒng)重量;
·淤塞的火花塞的點(diǎn)火;
·延長(zhǎng)火花塞電極的壽命;
·降低無(wú)線電頻率干擾;
·系統(tǒng)可靠性;
·系統(tǒng)成本。
早在本發(fā)明研制之時(shí)，我們就認(rèn)識(shí)到點(diǎn)火能(也就是點(diǎn)火線圈的輸出)在特定的燃燒過(guò)程的需求變化很大，是依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況的，特別是轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、廢氣再循環(huán)率，不同點(diǎn)火提前的時(shí)間，在可變點(diǎn)火提前角情況下點(diǎn)火提前范圍、空燃比和平均有效制動(dòng)壓力(BMEP)，特別是運(yùn)行范圍內(nèi)的平均有效制動(dòng)壓力(BMEP)。這就決定了能量需求在8∶1的范圍內(nèi)是變化的，在低速輕載工況下能量需求最大，這種工況以出現(xiàn)不完全燃燒引起火花塞的淤塞而臭名昭著。在高速最低負(fù)荷工況需求最小的能量。因此，如果設(shè)計(jì)點(diǎn)火線圈，在輕載、最大點(diǎn)火提前角、最高的廢氣再循環(huán)率等條件相同的情況下，在低速工況下提供滿足要求的點(diǎn)火能量，那么在高速工況下線圈的成本和重要都要增加。而且由于輸出的能量多，對(duì)火花塞的損害以及火花塞的淤塞情況都要嚴(yán)重。這樣就降低了點(diǎn)火線圈電極的壽命。
我們還認(rèn)識(shí)到，在燃燒過(guò)程中僅有一個(gè)特殊的階段，只有在這個(gè)階段這些增加的點(diǎn)火能量對(duì)于促進(jìn)充分燃燒才是有效的。這個(gè)階段就是火焰在燃燒過(guò)程的初期在燃燒室內(nèi)傳播的階段。
這就進(jìn)一步?jīng)Q定了，如果我們要設(shè)計(jì)一個(gè)基于在發(fā)動(dòng)機(jī)的全部運(yùn)轉(zhuǎn)工況(如高速比較輕的負(fù)載)下都提供最小能量輸出的線圈，那么減小點(diǎn)火線圈，因此就能允許或?qū)е戮€圈具有能在上面提到過(guò)的燃燒過(guò)程開始的一段時(shí)間內(nèi)多次放電的能力。換句話說(shuō)，由于組件的尺寸小了，那么充電之間的時(shí)間就減少了，這樣通過(guò)多次放電，顯著增加的累積的點(diǎn)火能量可以在一個(gè)非常短的有用的時(shí)間階段內(nèi)釋放出來(lái)。
這種點(diǎn)火方案的作用就是進(jìn)一步補(bǔ)充了每個(gè)火花塞一個(gè)點(diǎn)火線圈的點(diǎn)火控制系統(tǒng)，從而允許將點(diǎn)火能量的需求降到最低值，這樣，就允許最小的重量、成本和組裝。
在建立按需供能點(diǎn)火系統(tǒng)的特別設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒數(shù)據(jù)，因此不僅可以建立最大最小能量需求，而且可以建立滿足發(fā)動(dòng)機(jī)每種運(yùn)行工況或組合工況下所需要的特別點(diǎn)火次數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的這些工況已經(jīng)通過(guò)程序輸?shù)搅丝刂葡到y(tǒng)之中。在每一種情況下，全部點(diǎn)火控制系統(tǒng)是相同的，例如，正如圖1所示，本發(fā)明的點(diǎn)火控制系統(tǒng)包括一些發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)的傳感器1a～1d。其中的兩個(gè)傳感器1a和1b分別用來(lái)傳感發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷(負(fù)荷以絕對(duì)壓力表示)，這兩個(gè)傳感器對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)最為重要。其他的傳感器則可以任選，它們?cè)诳梢钥刂贫啻畏烹姺桨傅谋景l(fā)明中是用來(lái)傳感發(fā)動(dòng)機(jī)的其他運(yùn)行參數(shù)的，這些運(yùn)行參數(shù)也要通過(guò)程序編制在點(diǎn)火系統(tǒng)之中。例如，希望用來(lái)傳感發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、空燃比或者可變點(diǎn)火提前角系統(tǒng)中的點(diǎn)火提前角。所有這些參數(shù)都能影響基于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的點(diǎn)火方案，但影響較小。這些傳感器輸出的數(shù)據(jù)都送給了由發(fā)動(dòng)機(jī)電控器(EEC)和中央處理單元(CPU)組成的控制器中。數(shù)字控制信號(hào)根據(jù)預(yù)先編程了設(shè)計(jì)參數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控器(EEC)單元2傳送到點(diǎn)火器3。這一控制信號(hào)，也就是點(diǎn)火提前角的標(biāo)記(SAW)，告訴點(diǎn)火器在燃燒循環(huán)的哪個(gè)位置產(chǎn)生火花。點(diǎn)火器又反過(guò)來(lái)利用控制信號(hào)和它自己的傳感器傳回的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸位置計(jì)算應(yīng)該在什么時(shí)候和哪一個(gè)初始回路需要關(guān)閉，以便給點(diǎn)火線圈4充電。從而保證預(yù)定的最大初始電流在希望的氣缸的壓縮沖程中的希望時(shí)刻產(chǎn)生。當(dāng)初始電流達(dá)到最大時(shí)，點(diǎn)火器就打開初始回路，使線圈讓火花塞產(chǎn)生火花。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(EEC)的控制信號(hào)給點(diǎn)火器指令所希望的放電次數(shù)，不管是需要一次放電還是多次放電。通過(guò)這些信息點(diǎn)火器控制多次放電的速率，也就是控制著點(diǎn)火的時(shí)間和兩次點(diǎn)火之間的(即充電)的時(shí)間間隔。點(diǎn)火器又進(jìn)一步與發(fā)動(dòng)機(jī)電控制器(EEC)通訊，以傳遞是否發(fā)生了滿意的點(diǎn)火，這是通過(guò)點(diǎn)火器或發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷儀(IDM或EDM)來(lái)證實(shí)的。在我們所推薦的實(shí)施例中點(diǎn)火線圈的每一個(gè)都是一個(gè)線圈一個(gè)火花塞(CPP)點(diǎn)火裝置，通過(guò)這些各自獨(dú)立的線圈控制著內(nèi)燃機(jī)中特定燃燒室的火花塞的點(diǎn)火(沒(méi)顯示)。
為了獲得多次放電方案中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，就要考慮填充到燃燒室中的燃油混合氣的燃燒特性。例如，圖2a顯示的是在初始火花放射以后火焰內(nèi)核在火花塞間隙周圍發(fā)展的情形。圖中特別顯示的是發(fā)生0.5%質(zhì)量燃燒率時(shí)火焰內(nèi)核發(fā)展的情形，從圖2b中我們還可以看出，在火焰的焰鋒從火花塞間隙傳播出去以后，火花塞間隙中留下的僅僅是燃燒過(guò)的混合氣體?；鸹ㄈg隙標(biāo)為6，灰色的區(qū)域7是燃燒過(guò)的可燃混合氣體。在火花放電發(fā)生4.3毫秒以后的時(shí)刻，火花塞間隙6都被燃燒過(guò)的可燃混合氣7包圍著，從這一時(shí)刻往后火花塞再放電對(duì)燃燒過(guò)程不會(huì)再有進(jìn)一步的實(shí)質(zhì)性益處。圖2b中所示的情形是超過(guò)2%質(zhì)量燃燒率(MFB)時(shí)的，此時(shí)的質(zhì)量燃燒率大約是5%～10%。盡管火焰?zhèn)鞑サ乃俣群投啻畏烹姷男?，即附加的點(diǎn)火能量是依賴于各種因素變化的如燃燒率、燃油的辛烷值、空燃比以及燃燒室的幾何尺寸和形狀等，但是可以想信以火花塞放電以后發(fā)生不多于2%的質(zhì)量燃燒率(如圖3中所示的4.3毫秒(msec))時(shí)作為多次放電的時(shí)間界限，對(duì)于目前常用的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)滿意了。
圖3給出了根據(jù)本發(fā)明的由程序控制的每個(gè)火花塞一個(gè)點(diǎn)火線圈的多次放電方案與傳統(tǒng)的單次點(diǎn)火方案的點(diǎn)火能量的積累隨時(shí)間變化的過(guò)程的比較曲線。由線a是關(guān)于每個(gè)火花塞一個(gè)點(diǎn)火線圈點(diǎn)火方案系統(tǒng)的，具有0.7725毫秒(msec)的多次放電的時(shí)間間隔，即每次線圈成功的充電和放電之間的時(shí)間是0.7725毫秒(msec)，線圈每一次放電的能量是20毫焦耳(mJ)。曲線b是關(guān)于由程序控制的相同的每個(gè)火花塞一個(gè)點(diǎn)火線圈的多次放電方案的，多次放電的時(shí)間間隙為0.288毫秒。曲折的能量曲線中的每一個(gè)臺(tái)階表示一次放電。這樣，在曲線a中，首次放電釋放了20毫焦耳(mJ)的能量，(這是能夠點(diǎn)燃典型車輛中可燃空氣汽油混合氣所需的最小能量)。在曲線a中，在3.5毫秒(msec)的時(shí)間內(nèi)，放了5次電，共釋放了95毫焦耳的能量。曲線c是用配電器點(diǎn)火系統(tǒng)(EDIS)產(chǎn)品模型實(shí)現(xiàn)的單次點(diǎn)火方案，能為初始回路提供6.5安培的電流。這就是前面提到的四塔型的分電器點(diǎn)火系統(tǒng)(EDIS)。曲線d是關(guān)于相同的具有多次放電點(diǎn)火方案的6.5安培配電器點(diǎn)火系統(tǒng)(EDIS)的。從曲線a和曲線b中的任何一條曲線都可以看在3～4毫秒(msec)的點(diǎn)火或燃燒過(guò)程中，點(diǎn)火系統(tǒng)提供了大約是2.5倍的點(diǎn)火能量。這樣從曲線a中可以看出，應(yīng)用了本發(fā)明，如果維持高速輕載工況所需要的最小能量輸出是20毫焦耳(mJ)，那么維持需要最大點(diǎn)火能量的運(yùn)轉(zhuǎn)工況(如怠速)，就可以期望增加到5個(gè)臺(tái)階的能量。
從曲線d中還可以看出，為點(diǎn)火系統(tǒng)提供相同的由程序控制可以多次放電的程序要比CPP系統(tǒng)有一些優(yōu)點(diǎn)，例如上面提到的四塔型配電器系統(tǒng)(EDIS)或雙塔型配電系統(tǒng)(EDIS)，每一個(gè)雙塔型的線圈要給兩個(gè)相互獨(dú)立的燃燒室或點(diǎn)火設(shè)備提供火花能量。所有上面提到的線圈系統(tǒng)(如每個(gè)火花塞一個(gè)點(diǎn)火線圈系統(tǒng)(CPP)中的線圈、雙塔型線圈、四塔型線圈)都可以做為設(shè)計(jì)的模塊，例如，三個(gè)或四個(gè)雙塔型的線圈可以用電偶合在一個(gè)線圈組中，可以分別為為6缸或8缸發(fā)動(dòng)機(jī)提供點(diǎn)火系統(tǒng)。
圖4是一個(gè)典型的三維等壓線或等容線。這種曲線可以在任何一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中建立。圖中所顯示的曲線僅僅作為圖示，并不是用來(lái)描述某一個(gè)具體的發(fā)動(dòng)機(jī)或者具體的運(yùn)轉(zhuǎn)工況的。它基于MALLARD最小點(diǎn)火能量方程和模型，這是一個(gè)在技術(shù)上很有名的設(shè)計(jì)工具，而且隨后經(jīng)測(cè)功器測(cè)試而得到證實(shí)，這在技術(shù)領(lǐng)域也很有名可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和/或者發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速RPM的增加，完成完全燃燒所需要的多次放電次數(shù)減小，在某些點(diǎn)，僅僅需要單次放電，即不需要多次放電。圖4中表示的工況數(shù)據(jù)隱含著圖5所表示的事實(shí)，即伴隨著燃燒室內(nèi)廢氣再循環(huán)率(EGR)的增加獲得完全燃燒的能力隨火花能量增加而增加，火花能量的增加可以用多次放電的次數(shù)增加表示;在可變控制方案中，我們更愿意利用廢氣再循環(huán)率(EGR)或多次放電的固有的作用，提供如圖1中1a-1d那樣的傳感器來(lái)測(cè)定廢氣再循環(huán)率(EGR)的大小，從而取代有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的編程指令，從而確保傳感器指出ERG水平時(shí)的預(yù)定多次放電次數(shù)。
圖6-9顯示了一些通過(guò)臺(tái)架測(cè)試得到的測(cè)試結(jié)果，也就是測(cè)功器技術(shù)，來(lái)搜集和使用燃燒數(shù)據(jù)去建立多次放電的標(biāo)準(zhǔn)方案。在每一種情況下，使用的都是2.0升排量的四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)相同的發(fā)動(dòng)機(jī)用來(lái)建立了圖3中所示的數(shù)據(jù)。例如，從圖6中就可以決定對(duì)于單次放電能量方案來(lái)說(shuō)，用于操縱在1500轉(zhuǎn)/分(RPM)和部分負(fù)荷具有14.6空燃比的車輛，15毫焦耳(mJ)的火花能量就能提供非常穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。事實(shí)上，任何超過(guò)12毫焦耳(mJ)的火花能量就能提供穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
看看圖7，就可以推斷出在2500轉(zhuǎn)/分(RPM)和部分負(fù)荷具有相同的空燃比14.6∶1時(shí)，一個(gè)最小的大約8毫焦耳(mJ)的火花能量將提供全部性能上的穩(wěn)定性。通過(guò)比較圖6和圖7，就必須選擇一個(gè)8-15毫焦耳(mJ)的最小火花能量作為單次放電的能量來(lái)設(shè)計(jì)CPP點(diǎn)火裝置。一個(gè)15毫焦耳(mJ)的線圈被定為最希望得到的那種能夠用來(lái)一次放電中釋放出足夠的能量在較寬的發(fā)動(dòng)機(jī)速度范圍的高速一端保證點(diǎn)火，借此，可適應(yīng)點(diǎn)火方案大的變化。同時(shí)，考察一下圖3，從曲線a的結(jié)果可以清楚地看到所選的線圈，能夠在每個(gè)燃燒過(guò)程(0-4毫秒(msec))和在非常低的多次放電次數(shù)(5)下相當(dāng)快地多次放電而獲得大量的點(diǎn)火能量(95以上而接近100毫焦耳(mJ))?？紤]圖8的結(jié)果，可以注意到盡管具有高達(dá)25%的廢氣再循環(huán)率(EGR)，具有在充電之間有0.725毫秒(msec)的多次放電時(shí)間的CPP點(diǎn)火線圈系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)偏差平均有效指示壓力(IMEP)(巴(bar))通過(guò)有2-10次放電次數(shù)的多次放電方案性能相當(dāng)好。這幫助證實(shí)了從圖6和圖7中推出的結(jié)論。
再看圖3，還可以推出具有單次放電的20毫焦耳(mJ)的最小能量輸出和具有5次多次放電方案的CPP方案將釋放出最大的積累的火花能量并且容易適應(yīng)具有25%廢氣再循環(huán)率(EGR)的充分燃燒的需要。
看看圖9，可以注意到如圖3中曲線a和曲線b分別所示的那樣具有0.725毫秒(msec)多次放電方案或者0.288毫秒(msec)多次放電方案的CPP點(diǎn)火方案能夠提供盡管有上止點(diǎn)前45°點(diǎn)火提前角的燃燒具有穩(wěn)定性。這大大超過(guò)了具有單次放電方案和由6.5安培功率輸入驅(qū)動(dòng)的EDIS四塔型系統(tǒng)的性能，如圖3中曲線C所示。
非常明顯，這在技術(shù)上是成熟的，通過(guò)使用上面描述的技術(shù)，可以選擇一個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為在不履行多次放電而進(jìn)行單次放電的位置產(chǎn)生最小的能量，在該不履行多次放電而進(jìn)行單次放電的位置操作單次放電點(diǎn)火方案的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)預(yù)定數(shù)值以及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷超過(guò)預(yù)定數(shù)值的發(fā)動(dòng)機(jī)。從這些同樣的曲線，還可以推斷出多次放電的最大次數(shù)來(lái)通過(guò)程序輸入到點(diǎn)火系統(tǒng)中以便可在火花能量對(duì)于促進(jìn)快速和更加有效燃燒有用的燃燒過(guò)程的初始階段的時(shí)間內(nèi)釋放出最有用的點(diǎn)火能量。同樣，正如圖8所示，可以安排或決定在最大的多次放電方案和不履行多次放電方案而執(zhí)行單次放電方案的位置之間選擇多次放電的次數(shù)。圖10清楚地顯示了多次放電方案超過(guò)單次放電方案的優(yōu)點(diǎn)。每一個(gè)線圈，可以是每個(gè)火花塞一個(gè)線圈型的線圈或者四塔型的線圈，證明了具有可以燃燒稀薄的(具有很高的空燃比)燃油混合氣的能力，借此增強(qiáng)了提高燃油經(jīng)濟(jì)性的可能性。圖11又證明了多次放電的程序具有同樣的優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)較高的廢氣再循環(huán)率(EGR)水平的燃燒，這樣就改善了有害氣體的排放。
圖12-15顯示了在與本發(fā)明相連接中非常有用的一個(gè)每個(gè)火花塞一個(gè)線圈的點(diǎn)火設(shè)備。
圖12顯示了整個(gè)點(diǎn)火線圈的總成。該線圈是每個(gè)火花塞一個(gè)線圈型的點(diǎn)火線圈總成安裝并用電導(dǎo)線連接在如虛線所示的典型點(diǎn)火火花塞上。它包括一個(gè)基本上是環(huán)狀的腔室10，其中嵌套著由層狀鋼片壓合成的C型芯100，這樣在它的兩端提供了一個(gè)開放的空隙部分，也就是空氣間隙。在C型芯100兩端的空隙部分有初級(jí)點(diǎn)火線圈和次級(jí)點(diǎn)火線圈總成200和400。初級(jí)點(diǎn)火線圈200含有一個(gè)大體上是I型由鋼片壓合成的芯子(未顯示)沿著初級(jí)點(diǎn)火線圈的軸線方向延伸。
初級(jí)點(diǎn)火線圈包括一對(duì)初始端接腔202和204，在它們中間是無(wú)焊接的，是用彈簧卡在一起，是絕緣設(shè)置終端的。
部分顯示的初級(jí)線圈連接器總成12適合于固定在腔室上，包括在插座部分14中的導(dǎo)線可以以下面將要描述的方式建立初級(jí)和次級(jí)線圈間的電連接。
次級(jí)點(diǎn)火線圈400包括一個(gè)輸入端402和一個(gè)相對(duì)應(yīng)的次級(jí)點(diǎn)火線圈輸出端(在圖12中沒(méi)顯示)位于在次級(jí)點(diǎn)火線圈較低的那端，都在腔室的柄狀部分16的區(qū)域中。與柄狀部16端部滑動(dòng)配合的是一個(gè)柔性的橡膠套18它有一個(gè)用來(lái)安裝柄狀部分16的凸緣20和一個(gè)套筒22以適合以下面描述的方式安裝在火花塞上并建立與火花塞的電導(dǎo)線相連接。
圖13進(jìn)一步圖解了點(diǎn)火線圈總成的部件排列關(guān)系和按模塊組裝在一起的方式。例如，初級(jí)點(diǎn)火線圈子總成200包括一個(gè)具有一個(gè)沿著從縱軸方向纏繞的初級(jí)線圈208的初級(jí)點(diǎn)火線圈206。該點(diǎn)火線圈206包括一個(gè)上部的橫槽形頭部210和低的環(huán)狀筒部212。該點(diǎn)火線圈包括一個(gè)沿縱軸方向從一端延伸到另一端的矩形芯228，它以滑動(dòng)配合方式容納由層狀鋼片壓合而成的芯300。
該點(diǎn)火線圈上部槽形部分包括一對(duì)空開的邊壁214和在另一端的止動(dòng)壁216，該止動(dòng)壁在邊壁之間延伸。
以滑動(dòng)方式容納在初級(jí)點(diǎn)火線圈總成200中的I型芯300包括在一端的下側(cè)有一個(gè)楔面302和在另一端有一個(gè)楔面即斜面304的十字頭308。該工型芯由一系列的層狀鋼片壓合而成。
初級(jí)點(diǎn)火線圈總成200適合安放在環(huán)狀的次級(jí)線圈總成400中。該次級(jí)點(diǎn)火線圈總成包括成一體的次級(jí)端頭402和404。次級(jí)端的環(huán)狀圓柱形的表面上設(shè)有三個(gè)軸線方向的槽406、408、410，其中每一個(gè)槽都開口到環(huán)繞在次級(jí)點(diǎn)火線圈400外表面上兩頭分別與輸入和輸出次級(jí)端部402和404相連的線圈匝環(huán)412處。
其次，塑料絕緣夾102在C型芯100的開口空隙內(nèi)滑動(dòng)。該夾之所以設(shè)計(jì)成這樣的形狀是便于邊壁能貼緊c型芯的外壁，如下面將要描述的所示。舌狀片103從片102的基壁上伸出來(lái)，它設(shè)計(jì)成這樣的形狀，以便沿點(diǎn)火線圈頭部210的寬度方向和壁214的每一個(gè)邊延伸到止動(dòng)壁216，這樣，組裝以后就會(huì)完全蓋住了初級(jí)芯300的頭部即十字頭部分308，正如更清楚地顯示在圖14和圖15中。
其次，C型芯100隨夾102一起從初級(jí)點(diǎn)火線圈上面的槽型頭部的開口端插入，這樣C型芯上端104就會(huì)支承在初級(jí)點(diǎn)火線圈的止動(dòng)壁216上。同時(shí)，工型芯的斜面即傾斜的端部304在初級(jí)點(diǎn)火線圈總成中便與C型芯上相對(duì)應(yīng)的斜面端部106在它的另一端108以線對(duì)線的方式接觸。組裝一直繼續(xù)到I型芯靠著C型芯的止動(dòng)肩110為止。斜面的提高使I型芯300和舌狀片103與C型芯100的另一端部完全接觸，這樣把線圈總成固定在穩(wěn)固的位置，并且借助于舌狀片103穿過(guò)芯100和300而提供了一個(gè)空氣間隙。
其次，芯與初級(jí)和次級(jí)點(diǎn)火線圈子總成滑動(dòng)裝在腔室10中。此后，含有固定彈簧24的套筒總成滑動(dòng)裝在腔室的一端，初級(jí)線圈連接器總成12固在腔室的相反的另一端上，這就完成了線圈總成的裝配，如圖12和13所示。
雖然實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)最好的例子已經(jīng)詳細(xì)描述了。但通過(guò)實(shí)施在下面的權(quán)利要求定義的與本發(fā)明有關(guān)的相，似的技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)很多可能的設(shè)計(jì)和實(shí)施設(shè)備的。
權(quán)利要求
1.在多缸、往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的點(diǎn)火方案，其特征是，在各個(gè)燃燒室內(nèi)具有一個(gè)火花點(diǎn)火發(fā)生器，點(diǎn)火線圈組件與各自的火花點(diǎn)火發(fā)生器以導(dǎo)電地相連接，重復(fù)地給火花發(fā)生器送電壓，該電壓足以使火花發(fā)生器以預(yù)定的點(diǎn)火能量放電而引起燃燒室中的燃燒；控制裝置在任何燃燒的初始階段中，重復(fù)地使點(diǎn)火線圈充電和放電，該初始階段是指發(fā)生在各自的汽缸中的燃燒質(zhì)量燃燒率從0%到大約2%的階段；所述點(diǎn)火線圈部件具有的一次放電所釋放的點(diǎn)火能量是可以足以用來(lái)使其在怠速和輕載以上的運(yùn)行工況條件下的實(shí)質(zhì)上完全燃燒；所述點(diǎn)火線圈部件具有足夠的二次充電壓的時(shí)間，足以允許所述線圈能在每個(gè)燃燒的初始階段可以重復(fù)地放電的。
2.如權(quán)利要求1所述方案，其中，在任何燃燒的初始階段，由所述點(diǎn)火線圈部件所釋放的最大和最小能量等級(jí)之比近似為2∶1，所述最大能量是整個(gè)2-8次放電期間建立的。
3.如權(quán)利要求2所述方案，其中，所述發(fā)生的點(diǎn)火是一個(gè)點(diǎn)火線圈部件釋放到一個(gè)燃燒室的放電，該點(diǎn)火線圈具有最小一次放電能量至少為11毫焦耳(mJ)，并且是不能滿足怠速工況下實(shí)質(zhì)上的完全燃燒的。
4.如權(quán)利要求3所述方案，其中，點(diǎn)火線圈部件具有從0.280毫秒(msec)到0.725毫秒(msec)的多次點(diǎn)火速率。
5.用于在多缸往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的點(diǎn)火方法，其特征是，該方法的過(guò)程是在多缸往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的點(diǎn)火是具有用于對(duì)每個(gè)各自氣缸中的每個(gè)燃燒室的獨(dú)立的火花點(diǎn)火發(fā)生器;點(diǎn)火線圈部件與所述的火花點(diǎn)火發(fā)生器的每一個(gè)電連接以使之重復(fù)通以電壓到該處，該電壓是以使之在各自的燃燒室中形成預(yù)定點(diǎn)火能量的燃燒，所述過(guò)程包含以下步驟(a)至少傳感兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù);(b)傳感預(yù)定和預(yù)先建立的點(diǎn)火設(shè)備的點(diǎn)火提前角的度數(shù);(c)決定火花發(fā)生器要求的放電次數(shù);該點(diǎn)火次數(shù)是在所述放電周期過(guò)程中的，是根據(jù)由傳感器獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)而定的傳感點(diǎn)火提前角的度數(shù)決定的;(d)一個(gè)放電周期的起始是根據(jù)傳感器獲得的預(yù)定點(diǎn)火提前角決定的;(e)在發(fā)動(dòng)機(jī)的全部運(yùn)行期間，連續(xù)重復(fù)過(guò)程(a)-(d)。
6.如權(quán)利要求5所述方法，其中，所說(shuō)的點(diǎn)火器的放電次數(shù)，是根據(jù)(a)-(e)條選擇的;
7.如權(quán)利要求5所述方法，其中，所述步驟中還包括在燃燒過(guò)程的關(guān)鍵階段按所定的放電次數(shù)向燃燒室放電，該關(guān)鍵階段是指發(fā)生0.5%的質(zhì)量燃燒率以內(nèi)的時(shí)期。
8.如權(quán)利要求7所述方法，其中，所述的步驟還包括對(duì)于特定的燃燒過(guò)程，當(dāng)點(diǎn)火線圈放電時(shí)能夠按照預(yù)定的方案向燃燒室中釋放大約80-100毫焦耳的能量。
9.如權(quán)利要求8所述方法，其中，所述的步驟中至少要傳感兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和質(zhì)量燃燒率的大小。
10.如權(quán)利要求5所述方法，其中，在任一放電周期中要求確定的放電次數(shù)是在燃燒過(guò)程初始階段中完成的，也即出現(xiàn)在燃燒室中的空氣-燃料混合物的質(zhì)量燃燒率在0%到2%的過(guò)程中。
11.如權(quán)利要求9所述方法，其中，傳感的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)僅只是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。
12.如權(quán)利要求3所述方法，其中，在任何燃燒的初始階段，由所述點(diǎn)火線圈部件所釋放的最大和最小能量等級(jí)之比近似為8∶1。
全文摘要
按需供能的點(diǎn)火是由程序控制進(jìn)行多次放電，每次放電釋放出最小能量，在怠速和最小負(fù)荷下一次點(diǎn)火可重復(fù)多次放電，充放電是在可燃混合氣的質(zhì)量燃燒率從0％到2％達(dá)一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況在某一范圍內(nèi)時(shí)就只進(jìn)行一次放電，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)工況在(1)怠速和最低負(fù)荷(2)特定轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷之間時(shí)，充放電的次數(shù)要大于1次，但小于設(shè)定的最大放電次數(shù)，充放電的次數(shù)由程序中的方案及實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)決定。
文檔編號(hào)H01T13/44GK1096853SQ9312147
公開日1994年12月28日 申請(qǐng)日期1993年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月15日
發(fā)明者卡爾·魯?shù)婪颉つΩ? 吉廷杰里·辛格, 本杰明·戴維·斯威特 申請(qǐng)人:福特汽車公司