专利名称：具有电容放电系统和磁化铁芯线圈组件的火花点火系统的制作方法
相关申请的相互参照本申请是于1997年1月27日申请的序号为08/790,339的美国申请的部分继续申请，而后者又是于1996年4月29日申请的序号为08/639,498的部分继续申请。
技术领域：
本发明涉及本发明涉及内燃机的火花点火系统，尤其涉及一种包含一电容放电系统和一磁化铁芯组的火花点火系统，它改善了发动机系统的性能，并以可大批生产的方式缩小了火花点火变压器中的磁化部件的尺寸。
2．现有技术说明在火花点火内燃机中，通常采用一反馈(flyback)互感器来产生为形成跨越火花塞间隙的电弧并引起点火即点燃发动机气缸内的燃料和空气混合物所需的高电压。该点火火花的定时对于获得最佳的燃料经济性和低排放的环境有害气体是至关重要的。火花太晚导致发动机功率与效率损失。正确的火花定时取决于发动机转速的负荷。发动机各气缸相应于最佳性能常常要求不同的定时。通过对各火花塞提供一火花点火互感器可获得各缸的不同的火花定时。
为改善发动机效率并减轻与不适当的点火火花定时有关的某些问题，一些发动机已装备了微处理机控制系统，它包含发动机转速、进气温度和压力、发动机温度、排气氧含量等传感器以及检测“声脉冲”或“爆震”的一些传感器。
在冷发动机的起始运转期间和在怠速与偏离怠速期间形成了不成比例的大量有害气体排放。研究表明，在发动机运转的这两个工况期间每次点火时为火花塞提供迅速的多火花能减少有害废气排放。因此，希望具有一快速循环火花点火系统。
发动机不点火增加了有害废气排放。在燃烧室内的火花塞绝缘体中没有充足热量的情况下，由于积炭沉积在绝缘体上许多冷起动能导致不点火。这种导电的积炭降低了可用于产生电火花的电压。一种产生极块电压升高的火花点火互感器能使因积炭阻碍的不点火减至最少。
一种线圈-火花塞(coil-per-spark plug，简称CPP)点火装置，其中火花点火互感器直接安装在火花塞电极上，它省去了普通发动机中线圈和花塞之间的高压线，作为改善内燃机火花点燃定时的一种方法获得接受。在授与Noble的美国专利No.4,846,129(以下称Noble专利)中公开了CPP点火装置的一个实例。火花点火互感器的实际直径必须与装有火花塞的发动机火花塞孔配合。为了达到Noble专利中预计的发动机诊断目标，该专利公开了一种采用铁涂氧铁芯的间接方法。理想的情况是，在发动机整个操作范围内，火花点火互感器的磁性能足以判断燃烧室内点火状况。
为了获得为成功地操作由Noble公开的点火和发动机诊断系统同时减少由于火花塞积炭阻碍的发动机不点火发生率所需的火花点火性能，火花点火互感器的铁芯材料(ⅰ)必须具有一定的磁导率；(ⅱ)必须具有低的磁损。在电容放电(CD)系统中，极的上升时间和迅速的能量传递是至关重要的。这些所需性质的结合使适当的铁芯材料的可用性变窄。考虑到汽车火花点火系统的目标价格，可能的铁芯材料的炭选物包括硅钢，铁涂氧和铁基非晶体金属。日常用于整体互感铁芯中的普通硅钢是不贵的，但其磁损太大。具有低磁损的较薄的量硅钢太昂贵。铁涂氧不贵，但其饱和感应通常小于0.5泰斯拉(T)，而铁芯磁感应接近于零时的居里温度近于200℃。考虑到火花点火互感器的上工作温度假定约180℃，该温度嫌太低。铁基非晶体金属具有低的磁损和超过1.5T的高饱和感应。然而，它显示出较高的磁导率。需要一种能达到适于火花点火互感器磁导率值的铁基非晶体金属。采用这种材料，能构成一种符合所需输出规格和实际尺寸极限的环形结构线圈。火花塞孔的各种尺寸要求限制了能被采用的构形的类型。绝缘线圈组件的一般尺寸要求是直径小于25毫米长度短于150毫米。这些线圈组件还必须连接到火花塞的高压极和外接地连接件上，并形成充分的绝缘，以防止自线至发动机其它部件的飞弧。该外接地连接件可通过自发动机体的回路来形成，为在普通的线圈-火花塞系统中那样。还必须要有使大电流接通到通常处于线圈顶部的初级线圈绕组的能力。
发明概述本发明提供一种内燃机火花点火系统，它具有一电容放电(CD)系统，连接于线圈火花塞(CCP)的磁铁芯线圈组件。该火花点火系统连接于火花塞，并被构形成能产生一个跨越火花塞间隙的点火，即火花。该CD系统包含一电容器(通常处在约1至2微法之间)，由直流-直流变换器的输出电压充电，该变换器将12伏直流电池组的输出电压升压到大约在300至600伏直流电压之间。随后利用可控硅整流器(SCR)作为开关经该磁铁芯线圈的初级线圈使电容器迅速放电。SCR的工作由控制火花点火系统点火的电流控制。该磁力线圈组件用作一脉冲互感器，这样，跨越其次级线圈的电压跟次级与初级匝数比有关。对于本发明，次级和初级线圈之间的最佳匝数比不同于感应线圈系统。较为传统的高性能电容放电线圈具有一30匝初级线圈和一2,500匝次数线圈。峰值次级电流约为1安培，放电时间约140微秒。通常，该C-D系统的铁芯线圈组件的初级线圈处于2-4匝之间，而次级线圈处于150-250匝之间。峰值次级电流约3安培，放电时间约60微秒。定义为流经次级绕组和火花塞电弧的电流的输出脉冲宽度和经初级线圈的蓄电电容器放电时间相同。这种铁芯线圈组件的放电时间由于铁芯饱和会很短。非晶体金属铁芯的有效环形结构和高频特性有效地将能量传递到铁芯线圈组件的次级线圈上。进入火花塞的一般的峰值放电电流处在数安培范围内，而放电时一般在60微秒以下。磁铁芯线圈组件的较低的实际电阻允许火花塞间隙放电与该铁芯线圈组件有良好阻抗匹配。
总的来说，本发明的磁性铁芯线圈组件包括一个由铁磁非晶体金属合金组成的磁铁芯，由于该铁芯材料的导磁率，它以低磁损失与较少的初级与次级线圈绕组耦合。该铁芯线圈组件具有单个连接于该C-D系统作电压激磁的初级线圈和一作高压输出的次级线圈。该次线线圈包括若干铁芯线圈子装件，每一子装件具有一非晶体金属铁芯和一线圈。这些铁芯线圈子装件的线圈沿顺时针方向和逆时间方向交替地绕制，使相邻线圈不沿相同方向绕制。该铁芯线圈的交替线圈绕制为次级线圈提供了高压输出，它是由每一铁芯线圈子装件产生的电压总和。当该C-D系统的主蓄电电容器放电时，该铁芯线圈组件用作一脉冲互感器按照该铁芯线圈组件次级和初级线圈的匝数比，将该C-D系统的电压输出升压(即升压约300和600伏直流电压之间)。由本发明的铁芯线圈组件产生的输出电压可超过30千伏(KV)。初级和次级线圈绕组的较少的匝数提供了一种具有比现有技术感应铁芯线圈组件较低电阻和电感的铁芯线圈组件。结果，当与现有技术铁芯线圈组件相比时，部分由于该C-D系统的与该铁芯线圈组件总体结构有关的主蓄电电容器的迅速放电时间，本发明提供了改进的多起弧性能。
更具体地说，该铁芯线圈组件的铁芯由非晶体铁磁材料组成，它表现出低的铁芯损失和导磁率(范围自约100至500)。这种磁性特别适于在燃烧循环内火花塞迅速点火。由于积炭粘污的发动机不点火减至最少。此外，自线圈至火花塞能量转移是以高效率方式完成的。普通环形铁芯结构的低的次级电阻(一般小于50欧姆)提供了比普通的现有技术CD系统高数倍的次级峰值电流，并允许大部分能量消散在火花中，而不是在该铁芯线圈组件的次级绕组中。这些跨越多个铁芯线圈子装件形成的各次级电压基于该系统的总磁通量的变化而迅速增加，并将一个子装件的电压叠加到另一子装件上。这允许组合几个经由现有环形线圈绕制技术绕制的铁芯线圈子装件来获得多方面的适应性，以产生一种具有优越性能的单个组件。结果，本发明的铁芯线圈组件比具有单个次级线圈的铁芯线圈组件构造便宜，工作更加有效和可靠。
附图简述由参照本发明的优先实施例的下列详细说明和各附图时，会更充分地理解本发明，而本发明的其它优点会变得更加明显，在所有几张附图中，相同的标号标识类似的构件，其中
图1是按本发明构形的在内燃机火花塞内产生点火的具有连接于一磁铁芯线圈组件的电容放电系统的火花点火系统的方块图；图2描绘图1的铁芯线圈组件，它具有一个由3个堆叠的铁芯线圈子装件组成的次级线圈；图3A-3D描绘利用一带间隙的非晶体金属合金铁芯生产图2的铁芯线圈组件的装配程序；图4A-4D描绘利用一不带间隙的非晶体金属合金铁芯生产图2的铁芯线圈组件的装配程序；图5是一条描绘跨越次级线圈的输出电压对从图1的火花点火系统的电容放电系统到铁芯线圈组件的给定的输入电压的曲线。
优先实施例详述本发明针对在内燃机气缸中产生点火的火花点火系统。该火花点火系统由连接于一磁铁芯线圈组件以产生一个被反馈到火花塞的高压输出的一个电容放电(CD)系统组成。在CD系统内的主蓄电电容器充电到一个处于约300至600伏直流电压之间的电压。该电容器然后经该铁芯线圈组件的初级绕组放电，它用作一脉冲互感器，在次级线圈内迅速感生一电压，其大小与初级和次级线圈之间的匝数比有关。由本发明的铁芯线圈组件产生的输出电压可超过30千瓦(KV)。数量少的初级和次级线圈绕组(即匝数)为构成比现有技术感应铁芯线圈组件的电阻和电感低的铁芯线圈组件创造了条件。结果，当与现有技术铁芯线圈组件相比时，由于跟铁芯线圈组件总体结构有关的CD系统的主蓄电电容器的迅速放电时间，本发明提供了改进的多起弧性能。该CD系统的放电时间的范围从约60微秒到约200微秒。初级和次级线圈的铁芯的环形结构和高频性能特点能以有效的方式将能量自初级线圈转移到次级线圈上。
现在详细参照各附图。图1是由连于磁铁芯线圈组件34的电容放电(CD)系统200组成的并按本发明构形来在内燃机气缸(未示)内的火花塞120中产生点火的火花点火系统100的方块图。该CD系统200包含一个直流-直流电压变换器230，它自一般为12伏电池组的电源110提高到大约300至600伏直流电压之间。自变换器230的输出电压(即300至600伏直流电压)经一第一两极管260对主蓄电电容器250充电。该蓄电电容器250是一个额定值在约1至2微法拉之间的陶瓷电容器。该蓄电电容器250最好充电到该变换器230的输出电压(即在约300至600伏直流电压之间)。电容器250的放电受可控硅整流器(SCR)242控制，后者又按照由SCR触发器240自逻辑电路220接收到的逻辑信号受SCR触发器240的控制。逻辑电路220连接于电源110，它接收由其处理过的点火信号输入222，以控制SCR触发器240点火信号通常由一耦合线圈(未示)和一回旋磁阻器(spinning reluctor)(未示)产生。该磁阻器像一回旋齿轮，并为同它是一运动磁铁产生电压。当该齿轮的齿移近该耦合线圈时，在该线圈中感生一正电压，当该磁阻器移离该线圈时，便感生一负电压。磁阻器和耦合线圈的位置确定了点火时间。该磁阻器还可配置在曲轴上。齿轮并不是唯一的方法，一块带孔的板会有同样的效果。当蓄电电容器250完全充电时，SCR 242受SCR触发器240作动，蓄电电容器250便经SCR 242放电，使电流流入铁芯线圈组件34的初级线圈36(参看例如图2)。由来自蓄电电容器250的电流在初级线圈中产生的电压按照初级线圈36和次级线圈20之间的匝数比从初级线圈的电压升高到次级线圈的电压。跨越次级线圈20产生的电压被反馈到火花塞120，从而在火花塞120上产生一点火。一第二两极管280跨接于CD系统200的输出端，以阻止相反极性的电压信号自铁芯线圈组件34反馈到CD系统200。CD系统200的放电时间由CD系统200内放电路径和铁芯线圈组件34的初级线圈36的电容、电感和电阻确定。CD系统200的放电时间的范围从约60微秒至约200微秒，并至少部分地决定了本发明的多起弧频率。通常，选择电容器250具有极低的电阻特性(即低的等效串联电阻ESR)。该主电感来自铁芯线圈34的初级线圈36。CD系统200内的主电阻源是铁芯线圈组件34的初级线圈36中的金属丝导线和金属丝以及蓄电电容器250的ESR。
下面参照图2，本发明的磁铁芯线圈组件34包含一个公用的连于CD系统200供电压激磁的初级线圈36和一个连于火花塞120供产生高压输出的次级线圈20。次级线圈20包括若干大约普通环形铁芯线圈子装件32，它们分别具有一个由铁磁非晶体金属合金组成的磁铁芯10和一个绕于其周围的次级线圈16、18和22。铁芯线圈子装件32的次级线圈16、18和22彼此串联，并按顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向交替绕制，因此相邻堆叠的子装件32并不沿相同方向绕制。这些铁芯线圈子装件32由CD系统200经公用的初级线圈36共同供电，而当这样供电时，产生附加的次级电压，这些附加的次级电压被附加地和集中地反馈到火花塞120上，作为次第线圈20的单个高压输出。通常，将次级线圈20这排布置，使供给火花塞120中心电极的高压输出是负的。
磁铁芯10最好由具有高磁感应的非晶体金属合金包含铁基合金构成。提出了铁芯10的基本结构形式。它们是带间隙的(如见图3A-3D)和不带间隙的(如见图4A-4D)；两者在本文中均被称作铁芯10。带间隙的铁芯10沿一条连续的磁路具有一个沿圆周不连续的磁区。这种铁芯10的一个例子是带小槽缝8的环形磁铁芯，槽缝8沿铁芯10的专度延伸，在现有技术中被称之为气隙。槽缝8的宽度通常处在千分之几英寸数量级。槽缝8相对于初级和次级线圈36、20的位置是结构选择的常规的事情。当铁芯10所需的导磁率显著低于绕制状态的导磁率时，采用带间隙的构形，因为磁路的气隙部分降低了总的铁芯导磁率。不带间隙的铁芯10的导磁率类同于经后处理方法，诸如时间-温度退火得到的气隙铁芯10的导磁率，但它实际上是连续的，具有类同于在一般的环形磁铁芯中所看到的结构。按照本发明，可采用带间隙和不带间隙两种构形。这样，只要有效的铁芯导磁率处在所希望的范围内，两者是可互换的。因此，应当理解，本文针对不带间隙铁芯10的讨论同样适用于带间隙铁芯10；不带间隙的铁芯10通过本发明的非晶体金属合金铁芯10的非限制性说明例子来加以讨论。选择了不带间隙的铁芯10，以证明该模块设计的原理，然而该设计并不限于不带间隙的铁芯材料的应用。
铁芯10由基于铁合金的非晶体金属合金制成，并这样构成，使铁芯的导磁率当以约1千赫的频率测量时处在100和500之间。为通过减少电涡流损失来改善不带间隙的铁芯10的效率，绕制了较短的铁芯圆柱形，并经处理，端对端的堆叠，以得到所需量的磁铁芯。不带间隙的铁芯10的漏磁通小于带间隙的铁芯10，较少对周围环境发出不希望的无线电频率干扰。图1中所示的铁芯线圈组件34，作为非限制性的例子，具有一个具有约150和200之间的绕组匝数的次级线圈20。次级线圈20对初级线圈36的匝数比一般处于50-100范围内。由于铁芯线圈组件34作为脉冲互感器工作，因此在初级线圈36内储存的能量极少，它能迅速地被传输到次级线圈20上，为了工作需要一主能量源，即图1中所示的CD系统200的蓄电电容器250。蓄电电容器250一般额定时处于约1和2微法拉之间，在放电之前通常被充电到约300至600伏直流电压之间。充电一般经直流-直流电压变换器230完成的，它将电池组名义电压110(一般约12伏直流电压)变换到所希望的300-600伏。CD系统200的放电路径是从蓄电电容器250经用作开关的一SCR 242到铁芯线圈组件34的初级线圈36，而后回到电容器250。CD系统的放电时间自放60微秒到约200微秒。
在本发明的铁芯线圈组件中，磁铁芯10可以是饱和的。自初级线圈36到次级线圈20的电压上升是由初级和次级线圈匝数比所决定的，该匝数比通常处于50-100，即次级线圈20的电压比初级线圈36的电压约高出50-100倍。次级线圈20的低电阻值允许有极大的峰值电流值，一般大小约3安培在点火过程中流入火花塞120，并通过火花塞间隙。这一大的电流值，远高于普通线圈的0.1安培，引起由火花塞120产生的灼热火花，它又为内燃机气缸中的良好燃烧创造条件。由于铁芯线圈组件34的输出阻抗低，一般低于50欧姆，而次级线圈20内的电压上升处在亚微秒范围内，因此本发明的铁芯线圈组件34即使跨越一结污的火花塞也能驱动极低阻抗的负载，并通常能供给接近全输出电压。对于按本发明构形的火花点火系统，超过30千伏(KV)的开路电压是可能的。
按照本发明，磁铁芯由带状非晶体金属材料组成，它被绕制成内侧或内径12毫米、外侧或外径17毫米、高15.6毫米的直角圆柱体。这些铁芯然后被堆叠，形成有效高度接近80毫米。每个圆柱体的高度可从单个高度近80毫米到10毫米变化，只要总的圆柱体高度满足系统要求。不需要完全遵守本例中所采用的尺寸。这是因为根据输入和输出要求，其结构空间有大的变化。最终构成的直角圆柱体使铁芯形成为细长的普通环形铁芯。铁芯和线圈绕组之间的绝缘通过采用耐高温模制塑料来达到的，后者兼作绕组结构，便于普通环形铁芯的绕制。采用标准的细金属丝来将次级线圈20绕成所希望的120-200匝。最佳性能的线圈使金属线沿普通环形铁芯10圆周的大致180-300°平均间隔。其余的60-180°被用来绕制初级线圈36(参见如图3C和4C)。这种结构型式的缺点之一是环形铁芯10的纵横比和为一般操作所需的次级匝数。需要一种绕制这些线圈的夹具，以操作极细的金属丝(一般为39号或更高)，不使这些金属丝明显地重叠，并在绕制工作期间不使金属线析断。普通环形绕制机器由于它们固有的结构而不能绕制接近该纵横比的线圈。基于被推过该铁芯然后被带到该外周的梭子的交替结构是需要的，且须被定制生产。通常，绕制这些线圈的时间是很长的。细长的环形线圈结构，尽管是有作用的，然而难于以商业上吸引人的是足够低的成本来大量生产。
下面参照图3A-3D和4A-4D。现在详细讨论本发明的铁芯线圈组件34的构造和装配。虽然下面的讨论是针对图4A-4D中所示的不带间隙的铁芯10的构形，然而应当理解，这种讨论也适用于图3A-3D中所示的带间隙的铁芯10的构形。次级线圈20由若干铁芯线圈子装件32组成，它们分别具有一非晶体金属合金铁芯10，目次级线圈总的用标号14(图4C)来标记，更详细地说用标号16、18、22(图4D)来标记。制备的由在铸件状态下饱和磁感超过1.5泰斯拉(T)的铁基非晶体金属合金组成的磁铁芯10。这些铁芯具有普通圆柱结构，柱高约15.6毫米，外径和内径分别约为17和12毫米。这些铁芯10在没有施加外部磁场的情况下进行热处理。次级线圈20最好由若干层叠的铁芯线圈子装件34组成，它们分别具有一个铁芯10。这些铁芯线圈子装件34将次级线圈20分为一种较小的部件等级结构，利用现有的线圈绕制机能将它绕制。本发明采用相同基础非晶体金属铁芯材料，将其尺寸和形状做得能利用普通的商业上可买得到的线圈绕制机。这是通过成形一绝缘杯12来实现的，将绝缘杯12的尺寸和形状做得能接纳一铁芯10，它们共同构成一子装件30(见如图4B)，后者可被绕制成一普通环形铁芯线圈子装件32(见如图4C)。每一次级线圈16、18、22包括和具有一非分段或整体铁芯的一般现有技术次级线圈相同数量的绕组。图4D中所示的最终铁芯线圈组件34包括一层叠的串联连接的铁芯线圈子装件32，以构成被构形来产生所希望的输出特性的次级线圈20。然后将初级线圈36绕在这些层叠的铁芯线圈子装件32的周围。然而，和具有一整体铁芯的现有技术次级线圈相反，包括本发明的次级线圈20的铁芯线圈子装件32是沿顺时针和逆时针方向交替绕制的，这样，相邻层叠的子装件32并不沿同一方向绕制。除了便于铁芯线圈子装件32的线圈16、18、22之间的电连接外，这种绕线构形允许各铁芯线圈子装件32的输出电压叠加。普通的次级线圈20包括按逆时针方向绕制的并具有作为连接于火花塞120的第一输出引线的导线或输出线24的一第一或底部次级线圈16。为便于讨论，将具有导线24的铁芯线圈组件34的端底称作底部，因为它通常安装在该顶部，且被连接到火花塞120的中心极上。将铁芯线圈34的相反端(具有导线26，如下面详线讨论的)称作顶部，因为初级线圈36通常在该端可进入。第二或中间次级线圈18按和底部次级线圈16相反的方向，即按顺时针方向绕制，并以间隔垫28层叠在底部次级线圈16的顶部，以便在其间构成充分的绝缘。或者，用自绝缘杯12的顶部向上伸出的直立杆130(参见如图4B)来代替间隔热28。这些杆130以类同于由间隔垫28产生的间隔作用的方式在相对铁芯线圈子装件32之间产生间隔作用。中间次级线圈18的下端导线42连于底部次级线圈16的上端导线40。第三或顶部次级线圈22按逆时针方向绕制，并以间隔垫层叠在中间次级线圈18的顶部，以便在其间构成绝缘。顶部次级线圈22的下端导线46连于中间次线线圈18的上端导线44。铁芯线圈子装件32的总数由设计规范和实际尺寸要求来确定。这样，图4A-4D中所示的具有三个铁芯线圈子装件32并在本文中详细说明的铁芯线圈组件34的次级线圈20构成了本发明的优先实施例的非限制性示例性实例。本发明的次级线圈20或可包括或多或少的由设计规范、实际尺寸要求和其它因素确定铁芯线圈子装件32。最终的上端导线26自顶部次级线圈22构成铁芯线圈34的第二输出引线。通常，导线24连于火花塞的中心极，并处于负电位，而导线26的为铁芯线圈组件34提供电流回路。
铁芯线圈组件32的次级线圈16、18、22被单独绕制，以覆盖在环形铁芯10圆周的约180-300°之间，如图4C所示。将铁芯线圈子装件32这样层叠，使图4C中所示的包括各铁芯10圆周的大约60-180°之间范围的非绕线区沿垂直方向对齐。在铁芯线圈子装件32的未被次级线圈16、18、22覆盖的区域内绕制一公用的初级线圈36，它包括铁芯10圆周的大约60-180°之间的范围。在本文中将这种构形称之为堆积原理成构形。然后将图4D中所示的组装后的铁芯线圈组件装在高温塑料壳件(未示)内，其上制有孔，输出导线24,26和初级线圈导线可通过这些孔。然后将该组件在一可接受的罐装绝缘混合物中真空铸造，以获得高压绝缘。有许多其它种类的罐装材料。对罐装绝缘混合物的基本要求是它具有足够的绝缘强度，它能很好地粘附于该构件内的所有其它物质，它能经受得住循环、温度、冲击和振动等各种严格的环境要求。同时希望该罐装绝缘混合物具有低介电常数和低损直线区。该壳体材料应能模注的便宜的，具有低介电常数和低损直线区，并能经受住与罐装绝缘复合物同样的环境条件。
现有技术整体或非分段铁芯线圈的电压分配类似于自耦变压器的电压分配，次级线圈的第一匝为零电压，而最后一匝为全电压。该电压分配实际上沿线圈结构的整个高度，从而在最后一匝或其附近产生电压应力。该初级线圈和次级线圈绝缘，并处在无次级线圈绕组的60-180°中心附近。该初级线圈绕组由于在初级线圈上所使用的低压激励基本上处于低电位。
如在图2中所表示的，本发明的铁芯线圈组件34的电压分配与此不同，是其优点。每个单独的铁芯线圈子装件32具有相同的自耦变压器式的电压分配，但由于铁芯线圈组件34的次级线圈20的层叠分布，次级线圈20的高压输出被铁芯线圈子装件32的数目所分割。例如，若次级线圈20包括三个铁芯线圈子装件32，如图2中所示，则跨越第一或底部次级线圈16的电压范围将从导线24处的大约V，即次级线圈20的高压输出的全电压值到导线40处的2/3 V。同样，跨越第二或中间线圈18的电压范围将从导线42处的约2/3 V到导线44处的约1/3 V。最后，跨越第三或顶部次级线圈22的电压范围将从导线46处的约1/3 V到导线26处的约零V。跨越第一次级线圈16、18、22的电压沿该次线绕组大致线性变化，即自第一线圈绕组到最后线圈绕组，从导线24处的V变化到导线26处的0V，其中导线26被标注零状。这种构形缩小了由次级线圈20的铁芯线圈子装件32的次级线圈16、18和22所遭受的高压应力的区域。
本发明的CD系统200比现有技术电感结构块，允许每隔70微秒左右具有多起弧能力。该种系统能以比电感结构低的分流电阻值工作。对于范围自大约6伏直流到大约1 6伏直流的输入电压，主蓄电电容器250的放电时间范围自大约25微秒到大约58微秒。图5的资料是相对于具有三匝初级线圈绕组和190匝次级线圈绕组的，该次级线圈包括三个铁芯线圈子装件32。
图5以曲线表示次级线圈20的输出电压对范围自大约0至约18伏直流的可调输入电压。在本发明的CD系统200内设置的直流一直流变换器230将电压自图5的X轴线上升高到约300至600伏直流之间。虽然相对于图5X轴线有电压值变化，然而，本发明的火花点火系统100的输入与输出电压之间基本上是线性的，因而图5的曲线是那种关系的精确表示。
为对本发明更完整的理解，举出下面的实例。为说明本发明的原理和实践所提出的具体技术条件、材料、比例和发表的数据是示例性的而不应被认为是限制本发明范围的。
例子将宽度约15.6毫米厚度约20微米的非晶体铁基带材绕于机加工的不锈钢心棒和焊于内侧或内径和外侧或外径的部位，以保持间隙。内径12毫米由铁芯确定，外径选为17毫米。精加工的圆柱铁芯重约10克。这些铁芯在430°至450℃的氮气中进行退火，保温时间自大约2至16小时。将退火的铁芯安装在绝缘杯内，并在环形绕线机上绕以190匝细号绝缘铜线作为次级线圈。绕制逆时针(ccw)和顺时针(cw)两单元。ccw绕制方向用于底部和顶部铁芯线圈组件，而cw绕制方向用于中间组件。在相邻的铁芯线圈组件之间加有绝缘间隔垫。将构成初级线圈的三匝低号金属线(比次级线圈绕组低的号码低)绕制在没有次级线圈次组的区域内的层叠环形铁芯上。将中间和底部铁芯线圈子装件的导线连接在一起，如同中间的顶部子装件导线那样。将铁芯线圈组件置于高温塑料壳体内，被罐装。就这种构形而言，测得次级电压为CD系统内直流一直流变换器输入电压的函数，并以曲线表示在图5中。
在比较充分和详尽说明本发明后，应当理解，这种详尽无须被炭格遵守，而对于熟悉该技术的人们，他们可以建议进一步的变更和修改，所有这些变更和修改均落在由附加的以利要求书限定的本发明的范围内。
权利要求
1．一种用以在具有至少一个燃烧室的内燃机中产生点火的火花点火系统，包括a．一种电容放电系统，用以以预定的频率重复地产生一预定的电压；b．一种连接于所述电容放电系统用于接收所述预定电压的铁芯线圈组件，所述铁芯线圈具有一个由铁磁非晶体金属合金组成的磁铁芯，所述铁芯线圈组件还包括ⅰ)一个围绕所述磁铁芯绕制并连接于所述电容放电系统供电压励磁的初级线圈；ⅱ)一个围绕所述磁铁芯绕制并适于由所级线圈励磁和自所述铁芯线圈组件产生一高输出电压的次级线圈；c．所述次级线圈包括若干彼此串联的层叠铁芯线圈子装件，后者响应所述初级线圈的电压励磁被同时激磁，每一所述铁芯线圈子装件包括一环形绕制区，将一线圈以预定的方向绕制在其间；d．所述铁芯线圈子装件，当被所述初级线圈同时激磁时，产生叠加的次级电压，被集中地供给一火花塞，以在内燃机中发生点火。
2．一种按权利要求1所述的火花点火系统，其特征在于所述电容放电系统还包括a)一个电压变换器，具有一个用以接收一直流电压输入的输入端和一个输出端，所述电压变换器将所述直流压电输入变换到所述预定的电压，变在所述电压变换器输出端上产生所述预定电压；b)一个连于所述电压变换器输出端的主蓄电电容器，它适于充电到大致等于所述预定电压的电压值；c)连接在所述主蓄电电容器和所述铁芯线圈的初级线圈之间的连接装置，用以有选择地将所述主蓄电电容器连接到所述铁芯线圈组件的初级线圈上；d)用以控制所述连接装置的装置；e)所述主蓄电电容器在所述主蓄电电容器连接到所述初级线圈的所述预定时间周期内经所述铁芯线圈组件的初级线圈放电。
3．按权利要求1所述火花点火系统，其特征在于所述预定电压范围自大约300至600伏电流。
4．按权利要求2所述火花点火系统，其特征在于所述连接装置是一可控硅整流器(SCR)。
5．按权利要求2所述火花点火系统，其特征在于所述预定放电时间自大约30微秒到大约200微秒。
6．按权利要求2所述火花点火系统，其特征在于所述预定放电时间约60微秒。
7．按权利要求1所述火花点火系统，其特征在于所述相邻铁芯线圈子装件的预定方向在顺时针和逆时针方向之间交替，使相邻层叠铁芯线圈子装件不沿同一预定方向绕制。
8．按权利要求1所述火花点火系统，其特征在于所述磁铁芯是一经热处理的铁磁非晶体金属合金。
9．按权利要求1所述火花点火系统，其特征在于所述磁铁芯包括若干分段铁芯。
10．按权利要求1所述火花点火系统，其特征在于所述次级线圈内的电压可超过10KV，且与由所述电容放电系统产生的所述预定电压成线性关系。
11．按权利要求8所述火花点火系统，其特征在于所述铁磁非晶体金属合金是铁基，还包括包含镍和钴的金属元素，包含硼和碳的玻璃组成元素，以及包含硅的半金属元素。
12．按权利要求9所述火花点火系统，其特征在于所述磁铁芯沿圆周是连续的。
13．按权利要求8所述火花点火系统，其特征在于所述磁铁芯沿圆周不连续的。
14．按权利要求11所述火花点火系统，其特征在于所述磁铁芯在接近该合的结晶温度下经热处理并部分结晶化的铁磁非晶体合金。
15．按权利要求12所述火花点火系统，其特征在于所述磁铁芯是在低于该合金的结晶温度下经热处理并在完成热处理后基本保持在非晶体状态下的铁磁非晶体合金。
16．按权利要求1所述火花点火系统，其特征在于所述次级线圈具有内部电压分配，从底部到顶部分段上升，分段的数目由包括所述次级线圈的铁芯线圈子装件的数目决定。
全文摘要
一种内燃机火花点火系统,具有一个连于一线圈—火花塞(CCP)磁铁芯—线圈组件的电容放电(CD)系统。该火花点火系统连于一火花塞,适于激发一点火,其中跨越火花塞间隙产生一火花。该火花点火系统包含一个具有一非晶体金属磁铁芯的磁铁芯一线圈组件、一个初级线圈和一个将其高电压输出馈给火花塞的次级线圈。该CD系统利用SCR作为开关经磁铁芯一线圈组件的初级线圈充电和迅速放电,SCR的操作由控制火花点火系统发火的电路控制。该磁铁芯-线圈组件用作一脉冲互感器,因此,跨越其次级线圈的电压与次级对初级的匝数比有关。
文档编号F02P3/02GK1312947SQ99809600
公开日2001年9月12日 申请日期1999年6月11日 优先权日1998年6月11日
发明者W·R·拉波波尔特, P·A·帕帕尼斯托尔 申请人:联合讯号公司