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的燃燒越充分對車輛正時以及點(diǎn)火正時的控制越好，這對于燃油經(jīng)濟(jì)性的提高，對于增大廢氣再循環(huán)的比例，對于發(fā)動機(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。對于每一個點(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燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火特性。可是，幾乎沒有例外，這些點(diǎn)火方案是每個燃燒過程有一次點(diǎn)火。除了點(diǎn)火過程正時外，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，在同一個燃燒過程中，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，在每個燃燒循環(huán)中，使花火塞多次放電，并可以使發(fā)動機(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)動機(jī)的轉(zhuǎn)速大于這一預(yù)定速度時，點(diǎn)火線圈和點(diǎn)火設(shè)備本身都會按通常的方式工作，每個循環(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)包含有一個無分電器電子點(diǎn)火系統(tǒng)(EDIS)，它有兩個線圈以適應(yīng)給四個燃燒室中的任何一個燃燒室分配點(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)動機(jī)每一燃燒過程而對二缸的每一個予以點(diǎn)火;(2)在電流通過火花塞導(dǎo)線時伴隨著性能損失。多次放電的速度，或者線圈的正時能力已被注意到是與線圈的大小有關(guān)的，也就是說與初級線圈和次級線圈的尺寸、重量和纏繞的匝數(shù)有關(guān)。毫無疑問，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有被認(rèn)識。
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)動機(jī)怠速和輕載工況下，每一個點(diǎn)火線圈將在一定的時間內(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%的這段時間。
本發(fā)明提供了一個可編程序的進(jìn)行多次放電的CPP點(diǎn)火系統(tǒng)。借此，當(dāng)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況超過預(yù)定的范圍時，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)動機(jī)轉(zhuǎn)速和特定的發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況時更是如此。
當(dāng)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況處于上面提到的工況之間時，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)時由傳感器傳感到的發(fā)動機(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)明還有一個適合于任何內(nèi)燃機(jī)電子無配電器點(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)行過程中由連續(xù)感應(yīng)到的一些預(yù)定的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)作動態(tài)控制的。(2)多次放電的火花都在某一特定的時間內(nèi)產(chǎn)生，這一時間可以用燃燒過程中0-2%的質(zhì)量燃燒率(MFB)來表示，并且最好是在0.5%之內(nèi)。
本發(fā)明的一個推薦的實(shí)施例就是將上述的點(diǎn)火方案與每個火花塞一個點(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間內(nèi)最高可以進(jìn)行8次的放電過程，也可以在某一預(yù)定和超過預(yù)定的發(fā)動機(jī)相對高速高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下以單次放電能量水平來點(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，在各個燃燒室內(nèi)具有一個火花點(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間，足以允許所述線圈能在每個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之比近似為2∶1，所述最大能量是整個2-8次放電期間建立的。
所述發(fā)生的點(diǎn)火是一個點(diǎn)火線圈部件釋放到一個燃燒室的放電，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)火是具有用于對每個各自氣缸中的每個燃燒室的獨(dú)立的火花點(diǎn)火發(fā)生器;每個相互獨(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，所述過程包含以下步驟(a)至少傳感兩種發(fā)動機(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程中的，是根據(jù)由傳感器獲得的發(fā)動機(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)動機(jī)的全部運(yùn)行期間，連續(xù)重復(fù)過程(a)-(d)。
所說的點(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)的時期。
所述的步驟還包括對于特定的燃燒過程，當(dāng)點(diǎn)火線圈放電時能夠按照預(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發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)，包括發(fā)動機(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)的傳播過程。圖中給出的焰鋒是初始火花產(chǎn)生以后4.6毫秒時的焰峰，此時以質(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)動機(jī)上獲得的一系列的關(guān)鍵測試結(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;
·延長火花塞電極的壽命;
·降低無線電頻率干擾;
·系統(tǒng)可靠性;
·系統(tǒng)成本。
早在本發(fā)明研制之時，我們就認(rèn)識到點(diǎn)火能(也就是點(diǎn)火線圈的輸出)在特定的燃燒過程的需求變化很大，是依賴于發(fā)動機(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壓力(BMEP)，特別是運(yùn)行范圍內(nèi)的平均有效制動壓力(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)識到，在燃燒過程中僅有一個特殊的階段，只有在這個階段這些增加的點(diǎn)火能量對于促進(jìn)充分燃燒才是有效的。這個階段就是火焰在燃燒過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)一個基于在發(fā)動機(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的燃燒過程開始的一段時間內(nèi)多次放電的能力。換句話說，由于組件的尺寸小了，那么充電之間的時間就減少了，這樣通過多次放電，顯著增加的累積的點(diǎn)火能量可以在一個非常短的有用的時間階段內(nèi)釋放出來。
這種點(diǎn)火方案的作用就是進(jìn)一步補(bǔ)充了每個火花塞一個點(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，建立了發(fā)動機(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)動機(jī)的這些工況已經(jīng)通過程序輸?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)動機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)的傳感器1a～1d。其中的兩個傳感器1a和1b分別用來傳感發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷(負(fù)荷以絕對壓力表示)，這兩個傳感器對本發(fā)明來說最為重要。其他的傳感器則可以任選，它們在可以控制多次放電方案的本發(fā)明中是用來傳感發(fā)動機(jī)的其他運(yùn)行參數(shù)的，這些運(yùn)行參數(shù)也要通過程序編制在點(diǎn)火系統(tǒng)之中。例如，希望用來傳感發(fā)動機(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)字控制信號根據(jù)預(yù)先編程了設(shè)計(jì)參數(shù)的發(fā)動機(jī)電控器(EEC)單元2傳送到點(diǎn)火器3。這一控制信號，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)的哪個位置產(chǎn)生火花。點(diǎn)火器又反過來利用控制信號和它自己的傳感器傳回的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸位置計(jì)算應(yīng)該在什么時候和哪一個初始回路需要關(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刻產(chǎn)生。當(dāng)初始電流達(dá)到最大時，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)動機(jī)控制器(EEC)的控制信號給點(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)火的時間和兩次點(diǎn)火之間的(即充電)的時間間隔。點(diǎn)火器又進(jìn)一步與發(fā)動機(jī)電控制器(EEC)通訊，以傳遞是否發(fā)生了滿意的點(diǎn)火，這是通過點(diǎn)火器或發(fā)動機(jī)故障診斷儀(IDM或EDM)來證實(shí)的。在我們所推薦的實(shí)施例中點(diǎn)火線圈的每一個都是一個線圈一個火花塞(CPP)點(diǎn)火裝置，通過這些各自獨(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的混合氣體?；鸹ㄈg隙標(biāo)為6，灰色的區(qū)域7是燃燒過的可燃混合氣體。在火花放電發(fā)生4.3毫秒以后的時刻，火花塞間隙6都被燃燒過的可燃混合氣7包圍著，從這一時刻往后火花塞再放電對燃燒過程不會再有進(jìn)一步的實(shí)質(zhì)性益處。圖2b中所示的情形是超過2%質(zhì)量燃燒率(MFB)時的，此時的質(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))時作為多次放電的時間界限，對于目前常用的汽車發(fā)動機(jī)來說已經(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火花塞一個點(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)火能量的積累隨時間變化的過程的比較曲線。由線a是關(guān)于每個火花塞一個點(diǎn)火線圈點(diǎn)火方案系統(tǒng)的，具有0.7725毫秒(msec)的多次放電的時間間隔，即每次線圈成功的充電和放電之間的時間是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火花塞一個點(diǎn)火線圈的多次放電方案的，多次放電的時間間隙為0.288毫秒。曲折的能量曲線中的每一個臺階表示一次放電。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個臺階的能量。
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)，每一個雙塔型的線圈要給兩個相互獨(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)(如每個火花塞一個點(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，三個或四個雙塔型的線圈可以用電偶合在一個線圈組中，可以分別為為6缸或8缸發(fā)動機(jī)提供點(diǎn)火系統(tǒng)。
圖4是一個典型的三維等壓線或等容線。這種曲線可以在任何一個發(fā)動機(jī)中建立。圖中所顯示的曲線僅僅作為圖示，并不是用來描述某一個具體的發(fā)動機(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，這是一個在技術(shù)上很有名的設(shè)計(jì)工具，而且隨后經(jīng)測功器測試而得到證實(shí)，這在技術(shù)領(lǐng)域也很有名可以看出，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷和/或者發(fā)動機(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那樣的傳感器來測定廢氣再循環(huán)率(EGR)的大小，從而取代有關(guān)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的編程指令，從而確保傳感器指出ERG水平時的預(yù)定多次放電次數(shù)。
圖6-9顯示了一些通過臺架測試得到的測試結(jié)果，也就是測功器技術(shù)，來搜集和使用燃燒數(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)動機(jī)，這個相同的發(fā)動機(jī)用來建立了圖3中所示的數(shù)據(jù)。例如，從圖6中就可以決定對于單次放電能量方案來說，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，一個最小的大約8毫焦耳(mJ)的火花能量將提供全部性能上的穩(wěn)定性。通過比較圖6和圖7，就必須選擇一個8-15毫焦耳(mJ)的最小火花能量作為單次放電的能量來設(shè)計(jì)CPP點(diǎn)火裝置。一個15毫焦耳(mJ)的線圈被定為最希望得到的那種能夠用來一次放電中釋放出足夠的能量在較寬的發(fā)動機(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，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，能夠在每個燃燒過程(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。這大大超過了具有單次放電方案和由6.5安培功率輸入驅(qū)動的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，通過使用上面描述的技術(shù)，可以選擇一個點(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)動機(jī)和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過預(yù)定數(shù)值以及發(fā)動機(jī)負(fù)荷超過預(yù)定數(shù)值的發(fā)動機(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)來通過程序輸入到點(diǎn)火系統(tǒng)中以便可在火花能量對于促進(jìn)快速和更加有效燃燒有用的燃燒過程的初始階段的時間內(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單次放電方案的優(yōu)點(diǎn)。每一個線圈，可以是每個火花塞一個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每個火花塞一個線圈的點(diǎn)火設(shè)備。
圖12顯示了整個點(diǎn)火線圈的總成。該線圈是每個火花塞一個線圈型的點(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點(diǎn)火線圈和次級點(diǎn)火線圈總成200和400。初級點(diǎn)火線圈200含有一個大體上是I型由鋼片壓合成的芯子(未顯示)沿著初級點(diǎn)火線圈的軸線方向延伸。
初級點(diǎn)火線圈包括一對初始端接腔202和204，在它們中間是無焊接的，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和次級線圈間的電連接。
次級點(diǎn)火線圈400包括一個輸入端402和一個相對應(yīng)的次級點(diǎn)火線圈輸出端(在圖12中沒顯示)位于在次級點(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端部滑動配合的是一個柔性的橡膠套18它有一個用來安裝柄狀部分16的凸緣20和一個套筒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，初級點(diǎn)火線圈子總成200包括一個具有一個沿著從縱軸方向纏繞的初級線圈208的初級點(diǎn)火線圈206。該點(diǎn)火線圈206包括一個上部的橫槽形頭部210和低的環(huán)狀筒部212。該點(diǎn)火線圈包括一個沿縱軸方向從一端延伸到另一端的矩形芯228，它以滑動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空開的邊壁214和在另一端的止動壁216，該止動壁在邊壁之間延伸。
以滑動方式容納在初級點(diǎn)火線圈總成200中的I型芯300包括在一端的下側(cè)有一個楔面302和在另一端有一個楔面即斜面304的十字頭308。該工型芯由一系列的層狀鋼片壓合而成。
初級點(diǎn)火線圈總成200適合安放在環(huán)狀的次級線圈總成400中。該次級點(diǎn)火線圈總成包括成一體的次級端頭402和404。次級端的環(huán)狀圓柱形的表面上設(shè)有三個軸線方向的槽406、408、410，其中每一個槽都開口到環(huán)繞在次級點(diǎn)火線圈400外表面上兩頭分別與輸入和輸出次級端部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。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，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的每一個邊延伸到止動壁216，這樣，組裝以后就會完全蓋住了初級芯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就會支承在初級點(diǎn)火線圈的止動壁216上。同時，工型芯的斜面即傾斜的端部304在初級點(diǎn)火線圈總成中便與C型芯上相對應(yīng)的斜面端部106在它的另一端108以線對線的方式接觸。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穿過芯100和300而提供了一個空氣間隙。
其次，芯與初級和次級點(diǎn)火線圈子總成滑動裝在腔室10中。此后，含有固定彈簧24的套筒總成滑動裝在腔室的一端，初級線圈連接器總成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)明的一個最好的例子已經(jīng)詳細(xì)描述了。但通過實(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，在各個燃燒室內(nèi)具有一個火花點(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間，足以允許所述線圈能在每個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之比近似為2∶1，所述最大能量是整個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)火是一個點(diǎn)火線圈部件釋放到一個燃燒室的放電，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)火是具有用于對每個各自氣缸中的每個燃燒室的獨(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，所述過程包含以下步驟(a)至少傳感兩種發(fā)動機(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程中的，是根據(jù)由傳感器獲得的發(fā)動機(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)動機(jī)的全部運(yùn)行期間，連續(xù)重復(fù)過程(a)-(d)。
6.如權(quán)利要求5所述方法，其中，所說的點(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)的時期。
8.如權(quán)利要求7所述方法，其中，所述的步驟還包括對于特定的燃燒過程，當(dāng)點(diǎn)火線圈放電時能夠按照預(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發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)，包括發(fā)動機(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%的過程中。
11.如權(quán)利要求9所述方法，其中，傳感的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)僅只是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(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)一段時間內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況在某一范圍內(nèi)時就只進(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，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H01T13/44GK1096853SQ9312147
公開日1994年12月28日 申請日期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 申請人:福特汽車公司