专利名称：用于火花点火系统的磁芯线圈组合件的制作方法
本申请要求保护1995年10月5日提交的美国临时性申请第60/004,815号的权益。
该发明涉及内燃发动机用的火花点火系统，更具体地涉及能改善发动机系统的性能、和减小火花点火变压器的磁性部件的尺寸的火花点火系统。
在火花点火内燃发动机中，通常使用一个回扫变压器以产生为跨越火花塞的间隙而形成电弧所需的高电压，从而使燃料和空气的混合物点燃。发生点燃火花的定时是严格的，以便获得最佳的燃料节约和有害于环境的气体的低排放。过晚的火花发生导致发动机的功率损失和效率降低。过早的火花发生则导致爆燃，通常称作“爆震(Ping)”或“敲缸(Knock)”它又导致有害的提前点火及随之而来的发动机损伤。正确的火花定时和发动机速度及负载有关。为了得到最优性能，一台发动机的每个汽缸通常需要不同的定时。对每个汽缸的不同的火花定时可以通过为每个火花塞配备一个火花点火变压器而得到。
为了改善发动机效率和减轻不恰当的点燃火花的定时所带来的问题，有些发动机已配备了微处理器控制的系统，它包括检测发动机速度、吸入空气的温度和压力、发动机温度、排放气体的氧含量等的传感器以及用于检测“敲缸”或“爆震”的传感器。敲缸传感器实际上是一个机电变换器，它的灵敏度不足以在发动机的整个速度和负载范围内检测敲缸。微处理器确定的适当的点火火花定时并不总是能提供最优的发动机性能。需要一种更好的对“敲缸”的检测。
在冷却的发动机的起动运行期间和在惰转和离开惰转期间有害气体的尾气排放量会达到大得不成比例的地步。研究已经表明，在发动机的这两种运行情况下，对每次点燃事件采用火花塞的快速多重火花发生可以减少有害尾气的排放。因此，希望有这样的火花点火变压器。它可以非常迅速地充电和放电。
作为一种改善内燃发动机火花点火定时的方法，每个火花塞一个线圈(CPP)的点火装置正在得到人们的接受，在这种方法中火花点火变压器是直接安装在火花塞的一端上的，从而取消了高压电线。CPP点火装置的例子之一是其授权日期为1989年7月11日的美国专利4,846,129号所公开的(此后称为“诺贝尔专利”)。火花点火变压器的物理直径必须和安装火花塞的同一个发动机内室相配合。为了实现在诺贝尔专利中所预见的发动机诊断目标，专利权所有人公开了一种利用铁氧体芯的间接方法。在理想情况下火花点火变压器的磁性能足以在发动机运转的整个过程中检测燃烧室中的火花情况。很清楚，为了精确的发动机诊断需要一种新型的点火变压器。
发动机点火不良增加了有害废气的排放。在燃烧室中对火花塞绝缘子在没有足够加热的情况下频繁的冷起动能够导致点火不良，这是由于在绝缘子上有积碳堆积着的缘故。导电的积碳减少了可用于点火事件的电压增高。能够提供电压极其快速上升的火花点火变压器可以使由积碳结污而引起的点火不良减到最少。
为了实现点火的完美运行和诺贝尔所公开的发动机诊断系统所需的火花点火性能，同时为了减低由于火花塞积碳结污引起的发动机点火不良的发生率，火花点火变压器的铁芯材料必须具有一定的导磁率，在工作时必须不发生磁饱和，并且必须具有低的磁损耗。这些需要的性质组合在一起就缩小了合适的磁芯材料的可用范围。考虑到汽车的火花点火系统的目标成本，可供选择的磁性材料包括硅钢、铁氧体、以及铁基的非晶金属。通常的用于供电变压器铁芯的硅钢价格不贵，但它的磁性损耗太大。具有较低磁性损耗的更薄规格的硅钢则过于昂贵。铁氧体价格不贵，但它们的饱和磁感应通常小于0.5T，它们的居里点温度(即磁芯的磁感应变得近于零的温度)约为200℃。考虑到火花点火变压器的上限工作温度设定为约180℃，上面的那个温度是太低了。铁基的非晶体金属具有低的磁性损耗以及超过1.5T的高饱和磁感应，不过它表现出较高的导磁率。因而，需要一种能够达到适用于火花点火变压器的导磁率水平的铁基非晶金属。
本发明提供一种用于每个火花塞一个线圈(CPP)的火花点火变压器的磁芯，这种变压器能产生快速增长的电压和正确反映点火过程的电压形状的信号。这种磁芯由一种非晶铁磁材料构成，这种材料具有低的磁芯损耗和低导磁率(范围为100到300)。这样的磁性质特别适合于在燃烧循环期间火花塞的快速点火。由于积碳结垢所引起的发动机点火不良可减到最小。此外，从线圈到火花塞的能量转移是以一种高度有效的方式进行的，因此在放电之后留存在线圈之内的能量极少。这种高效的能量转移可以使线圈以一种精确的方式监测点火过程的电压形状。当把磁芯材料卷绕成一个园柱形，并在其上绕制初级和次级绕圈以形成一个环状变压器时，所产生的信号提供的点火电压形状图形比具有更高磁损耗的磁芯所能提供的精确得多。
按照本发明的磁芯是基于一种具有高磁感应的非晶金属，它包括铁基合金。公开了磁芯的两种基本形式。它们是带间隙的和不带间隙的。带间隙的磁芯在磁性连续通路中有一个不连续的磁截口。这种磁芯的一个例子是具有一个通常称作气隙的小缝的环状磁芯。当所需的导磁率比磁芯本身在卷绕时的导磁率低很多时带间隙的结构就被采用。磁路中的气隙部分降低了总的导磁率。不带间隙的磁芯具有和带间隙的磁芯相类似的导磁率，但在物理上是连续的，具有一种典型地在环形磁芯中所见到的相似的结构。在不带间隙的磁芯中看起来好像存在着均匀分布的气隙导致了“分布气隙磁芯”这样的名称。
本发明的带气隙的磁芯具有的总体导磁率在约100到约300之间，这是在约为1千赫的频率下测定的。作为原材料的磁芯材料可以有比100到300这样水平高得多的导磁率，但是通过特殊处理，导磁率可以降低到所需要的范围而不致于对铁基非晶合金的其它所需的品质起不良的影响。在初级的安匝数小于120和次级绕组约为110到160圈的条件下，为火花点火用的输出电压可以达到10千伏以上。
本发明的不带间隙的磁芯是由以铁合金为基础的非晶金属制成的，并经过处理使磁芯的导磁率在频率约为1千赫下测量时为100到300之间。为了通过降低涡流损耗来改善不带间隙的磁芯的效率，绕制并处理较短的柱体然后把它们端对端叠在一起以得到所需数量的磁芯。分布气隙磁芯的漏磁通比带间隙的漏磁通要小得多，从而较少地把所不希望的射频干扰发射到周围环境中去。此外，由于不带间隙的磁芯具有闭合的磁路，其信噪比要比带间隙的磁芯大，使得不带气隙的磁芯特别适合于用作信号变压器来诊断发动机的燃烧过程。在不带间隙的磁芯中在初级安匝数小于120和次级线圈约为110到160圈的情况下，可以达到用于火花点火的次级绕组的输出电压大于10千伏。
在参考了本发明的优选实施例的下面的详细说明和附图后，就可以充分理解本发明并且使得本发明其他的优点也将更加明显，在这些附图中
图1、2和3分别表示当电源接通然后又切断时初级电流的典型增长情况，初级电压是在带开关的接地一侧，而更高电压则在变压器的次级一侧。
制备好由铁基非晶金属构成的磁芯，这种金属在铸造状态下具有超过1.5T的饱和磁感应。磁芯为圆柱形，柱高约为80毫米，外径和内径分别为约17和12毫米。这些磁芯在不加外部磁场的情况下进行热处理。通过沿着园柱体轴线切开磁芯的某些部分以对一部分磁芯引入气隙。在保持总的园柱高度为约80毫米的情况下，某些磁芯被分段成为两段和5段，每段分别具有一个分园柱磁芯高度约40及16毫米。每个磁芯上分别用铜线绕几圈和110到160圈作为初级及次级线圈。磁芯表面覆盖着塑料护套以使线圈不贴近磁芯。然后变压器线圈和磁芯在树脂中经真空浇铸以得到高电压绝缘的整体性。在初级线圈上加一个电流，在25到100微秒内很快地将电流升高到100安的水平。
图1的曲线表示在切断前约85微秒处开始的电流上升情况(图1中相当于t＝-85微秒)。在电流斜坡上升之时跨越初级线圈的电压接近于零，如图2所示。在t＝0时，电流被切断，这导致一个很大的磁通变化，在次级线圈内产生一个大的电压。在初级和次级线圈中的电压形状分别由图2和3中的曲线表示。这些电压的形状可以很容易地用常规类型的示波器来显示。应该注意，次级线圈中的高电压是在很短时间内产生的，一般小于5微秒。因此，在本发明的磁芯中，一个超过10千伏的高电压可以以小于100微秒的时间间隔重复产生。为了实现上面所述的快速多重火花发生动作，这一特性是必需的。此外，在次级绕组中产生的快速的电压增长减少了由积碳结垢所引起的发动机点火不良。
除了上述的和火花点火过程有关的优点以外，本发明的磁芯线圈组合件还用作为发动机诊断设备。由于本发明的磁芯的低磁性损耗，图2的初级电压的形状忠实地反映了如图3中所表示的次级绕组中所发生的一切。在每次火花点火之后，如图2中所示的这样的初级电压被进行分析以便得到正确的点火特性，所得的结果则送到点火系统控制中去。因此本发明的磁芯线圈组合件消除了在诺贝尔专利中所公开的系统所需的另外的磁性元件，在那个专利中磁芯是由铁氧体材料构成的。
提出下面这些例子是为了提供对本发明的更好的理解。为了说明本发明的原理和实践而提出的特定的技术条件、材料、比例和数据是示范性的而不应该把它们看成为对本发明的范围的限制。
例1宽度为约80毫米及厚度为约20微米的非晶铁基带绕在一个加工过的不锈钢型芯上。内径为12毫米是由型芯规定的，而外径则选定为17毫米。完成后的园柱形磁芯的重量为约50到60克。磁芯在氮气的气氛中以430℃到450℃的范围进行热处理，其保温时间从2到16小时。退火后的磁芯用粗线号的绝缘铜线绕2-4圈作为初级线圈，并以细线号的绝缘铜线绕150圈作为次级线圈。磁芯线圈组合件用树脂封装。在这样的配置下，测量出作为初级电流的函数的次级电压如下面的表I所示。
表I初级电流(安匝) 次级电压(千伏)40 4.880 9.0120 12.8160 16.0200 18.8240 20.4280 22.0在初级电流约为120到280安匝时，可以分别得到超过12和22千伏的次级电压。
例2按照例1所给出的过程制备了两个高40毫米的园柱磁芯并把它们边靠边地串起来以形成一个80毫米高的单个磁芯。初级和次级线圈以和例1中的磁芯线圈组合件完全相同的方式绕制。所得到的次级电压和初级电流的关系如下面的表II所示。
表II初级电流(安匝) 次级电压(千伏)
40 4.280 8.4160 14.2240 18.5320 21.6400 23.1在初级电流约为160和400安匝时，可以得到分别超过14和23千伏的次级电压。
例3按照例1的过程制备了5个15.6毫米高的环形磁芯并且组装成一个单独的高度约为80毫米的园柱形磁芯。除了次级线圈为138圈以外，这个磁芯线圈组合件基本上和例1的相同。作为初级电流的函数的次级电压如下面表III所示。
表III初级电流(安匝) 次级电压(千伏)405.48010.2160 17.8240 22.4320 25.6360 26.1在初级电流为约80和360安匝时，所得到的次级电压分别超过10和26千伏。
例4具有例1所给出的尺寸的一个高80毫米的园柱磁芯被制成并在350℃下进行2小时的热处理。在热处理后，通过切掉磁芯的一部分而在沿着园柱的轴线方向引入一个气隙。初级和次级线圈绕在磁芯的金属部分。磁芯线圈组合件的其余部分基本上和例1的相同。初级电流和所得次级电压的关系如下面表IV所示。
表IV初级电流(安匝) 次级电压(千伏)40 4.9
809.6120 14.4160 19.4200 22.5240 26.3260 27.3在初级电流约为120和260安匝时，可以得到分别超过14和27千伏的次级电压。
上面已较为详尽地说明了本发明，应当理解，这些细节并非是必须严格遵守的，熟悉本技术的人可以自己提出另外的改变和修正，这些都是在由所附的权利要求所规定的本发明的范围之内的。
权利要求
1.一种磁芯线圈组合件，在至少具有一个燃烧室的火花点火内燃系统中用于产生一次点火事件，包括一个磁芯，它具有用于低电压激励的初级线圈和用于供馈送到火花塞去的高电压输出的次级线圈，该磁芯线圈组合件具有如下能力(i)在对它进行激励后能在一个短的时间周期内在次级线圈产生一个高电压，以及(ii)检测到燃烧室内的火花点火条件以便控制点火事件。
2.如权利要求1所叙述的磁芯线圈组合件，其特征在于该磁芯是通过对非晶磁性合金进行热处理而制成的。
3.如权利要求1所叙述的磁芯线圈组合件，其特征在于该磁芯由分段的芯子组成。
4.如权利要求1所叙述的磁芯线圈组合件，其特征在于在25到100微秒内，在初级电流小于约120安匝时次级线圈中的输出电压达到高于10千伏，而在初级电流为200到300安匝时可达到超过20千伏。
5.如权利要求2所叙述的磁芯线圈组合计，其特征在于该非晶磁性合金是铁基合金，并且另外还包含金属元素，包括镍和钴，还含有形成玻璃的元素，包括硼和碳，还含有半金属元素，包括硅。
6.如权利要求2所叙述的磁芯线圈组合件，其特征在于该磁芯是不带间隙的。
7.如权利要求2所叙述的磁芯线圈组合件，其特征在于该磁芯是带间隙的。
8.如权利要求6所叙述的磁芯线圈组合件，其特征在于该磁芯是在接近于合金的结晶温度的温度中热处理的，并且是部分结晶的。
9.如权利要求7所叙述的磁芯线圈组合件，其特征在于该磁芯是在低于合金的结晶温度的温度下热处理的，并且在热处理完成后，基本上保持非晶状态。
全文摘要
在至少具有一个燃烧室的火花点火内燃系统中,一种磁芯线圈组合件产生一次点火事件。该组合件含有一个非晶金属的磁芯,磁芯上有用于低电压激励的初级线圈和用于供馈送到火花塞上去的高电压输出的次级线圈。在对它进行激励后在一个短的时间周期内在次级线圈中产生一个高电压。该组合件能检测燃烧室内的火花点火条件以便控制点火事件。
文档编号H01F1/12GK1202976SQ96198511
公开日1998年12月23日 申请日期1996年10月4日 优先权日1995年10月5日
发明者R·哈瑟加瓦, J·思尔盖利斯, D·格里梅斯 申请人:联合讯号公司