技术领域
[0001] 本
发明一般地涉及用于
内燃机的点火系统，并且更特别地涉及包括具有两个初级绕组的点火
变压器的点火系统。
背景技术
[0002] 如公知的，往复式
发动机中的
汽油的燃烧需要火焰启动装置，一般被称为点火系统。点火系统包括两个主要部件：
[0004] 点火线圈或变压器。
[0005] 火花塞代表经由其点火面到达其自身火焰中心的直接
接口以及代表进入到
燃烧室的独立的
电子馈通。点火变压器的任务是提供合适形态的
能量以启动燃烧。这平常被分为两个连续且不同的阶段。
[0006] 第一阶段将
电能存储于变压器的感应器中，并且下一个阶段释放之前存储的能量。该转变本身在火花塞点火面处产生足够的过
电压，这允许启动
电介质击穿并由此显著地改变这种
电网负荷的电属性。因为负荷的改变，在提供火花时，剩余的存储能量经历经历耗尽成为电介质击穿。这样最终产生期望的冲击波、根式以及热量，以及由此，如果很好地被可燃的汽油混合物所包围，火焰中心则将因此启动燃烧。
[0007] 为了在贫乏的汽油混合物的情况下进行操作，由于所存储的能量与负荷互作用的典型排放属性，一般的点火系统失效(或者限制贫乏操作)。变压器的剩余的存储能量耗尽为点火，其自身与燃烧室中的其环境剧烈互相作用，产生不可预料的负荷情况。相应地，递送不可预料的热量，特别是在不利的时间和不期望的
位置处。这因此趋于导致燃烧压
力的统计分散，这促成不利的发动机排放以及不可控制性，也称为为燃烧的不
稳定性。
[0008] 在某个特定程度上，这种故障是由变压器的能量耗尽，从而递送的电能崩塌成火花所引起的。
[0009] 对此的传统解决方案是仅仅增加变压器中存储的能量的量。市场上有许多更高能的线圈并有助于解决该问题。
[0010] 其他技术方案是多电荷点火(MCI)系统。MCI系统仅仅基于前述两个连续的不同的阶段的多次重复。变压器包括一个
磁性耦合到一个次级绕组的初级绕组。对于一个燃烧事件，初级绕组被反复地激励和去激励以产生火花系列。这些系统随着时间对于燃烧循环中的一个燃烧事件产生若干单独的火花。优点是在更长的时间内处理了更多的热量，但不是连续的。在大部分适合的可燃混合物存在的同时，当火花-热量未出现时仍存在燃烧事件。这耦合导致在时间很紧的稳定燃烧情况，其中最小的干扰产生增加的压力分散轨迹并从而导致不稳定的贫乏操作状况。
[0011] EP2325476公开了一种多电荷点火系统，其包括交替操作以维持燃烧状态的两个变压器。
[0012] EP2141352描述了一种具有双重初级线圈的点火系统，其中初级绕组交替地被激励和去激励，该第一初级绕组被激励而第二初级绕组被去激励，等，由此在第一初级绕组产生的
电弧和第二初级绕组产生的电弧之间连续地循环是可能的。然而，该系统的现实问题是次级绕组中
电流的交替极性，这阻止在从次级绕组
端子导向火花塞的线路中使用
二极管。没有这样的二极管，就不可能阻止所谓的“提前”火花，这通常发生在初级线圈切换到电源以启动充电阶段的时刻。提前火花的发生在低发动机压力的不期望的定时处触发点火。
[0013] US3,280,809公开了一种复杂设计的点火系统，特征是变压器具有3个初级绕组和1个次级绕组。燃烧阶段由在两个初级绕组之间被交替操纵而被维持，并且产生交替的输出电流。
[0014] 发明的目的
[0015] 本发明的目的是提供改善的点火系统，其能够操作连续的燃烧。
发明内容
[0016] 该目的是通过如
权利要求1要求保护的点火系统而实现的。
[0017] 根据本发明的点火系统具有次级绕组，该次级绕组具有一对耦合到间隔
电极的输出端；以及一对初级绕组(LP1，LP2)，其感应地耦合到次级绕组(LSEC)。
[0018] 应该理解到，该点火系统设计为对于给定的点火事件，借助控制
电路来产生通过次级绕组的电流，该控制电路被配置为在初始阶段首先对第一初始绕组(LP1)进行激励和去激励以建立跨过所述间隔电极(初始阶段)的第一电弧，并且在次级绕组中的电流达到或下降到低于预定的电流
阈值时，在第二阶段，反复地对次级绕组(LP2)进行激励和去激励以建立进入到跨过间隔电极的现有电弧中的多个次级电流脉冲，从而维持燃烧状态。这种操作模式允许按照时间顺序产生电流脉冲，使得第二状态可以被无限维持。因此，在不需要新的电介质击穿的情况下，可获得延长的燃烧阶段。
[0019] 该操作模式的进一步的优点是在输出处产生单极电流；通过次级绕组的电流在初始阶段和第二阶段具有相同的极性。
[0020] LP 1/LSEC对提供了充电和点火事件的初始燃烧。LP2/LSEC对在第二阶段是活动的，其根据次级绕组中的电流(当阈值条件被满足时)而触发，并提供持续的燃烧阶段，从而产生持续的火花。因此第二阶段在初始电弧期间启动，并且优选地将功率尖峰推至后者中以便将能量的脉动供应提供到燃烧过程中。此外，如果来自于LP1/LSEC对的能量被耗尽，则燃烧过程持续。这是可能的，因为在一个单次电流脉冲后的短时间段内的电极间隔之间存在足够的余辉。换句话说，本发明利用了现有的余辉来提供持续燃烧。
[0021] 总之，建议了一种有效的点火系统，其提供具有可靠且简单的设计的单极电流，仅需要一个具有耦合到一个次级绕组的两个初级绕组的变压器。
[0022] 通过与EP2141352的点火系统对比，本发明的点火系统因此被配置并且操作使得转移到次级绕组的能量导致进入到火化塞的单极电流和跨过火化塞电极的单极电压。这样使得将与次级线圈和火花塞
串联的二极管用于阻止提前点火成为可能。
[0023] 另一个值得注意的与EP2141352的系统的不同在于，在本发明中，第一初级绕组在初始阶段期间对于每个燃烧循环(针对各自的点火事件)仅被操作一次，以便产生第一电弧。在该电弧产生已产生以及次级电流满足次级电流阈值后，能量被进一步仅借助第二初级绕组(被多次操作)而被转移到次级绕组。这与EP2141352的系统形成对比，所述系统总是操作在两个初级绕组之间的切换，该两个初始绕组在点火事件中被严格交替地使用。
[0024] 可通过与次级绕组串联的电流测量分流器来获得电流测量值。
[0025] 优选地，次级绕组与第二初级绕组的
匝比大于150，更优选地在200到500之间。次级绕组与第一初级绕组的匝比可以在50-200的范围内。
[0026] 第二初级绕组的反复激励和去激励(第二阶段)有利地由脉冲宽度调制(PWM)
信号来驱动，其当次级电流的阈值条件被满足时被启用。这允许变压器以及相关联的电气设备内的热量损耗的减小。
[0027] 每个PWM的关闭时间优选地被最小化以在不需要新的电介质击穿的情况下允许持续的燃烧阶段，从而产生持续的火花。相反地，每个开启时间优选地被延长以最大化在可接受的效率下到次级绕组中的能量转移。
[0028] 在实践中，开启时间可以在5-500μs之间变化和/或关闭时间可以在5-50μs之间变化。如果需要，PWM的开启和关闭次数在一个单次火花事件中可以变化。
[0029] 初级绕组的激励和去激励通常通过关闭/开启由控制电路操作的各自
开关装置(例如IGBT或类似的开关器件)来实现。后者在反向电流下可选地由串联安装的二极管而被保护。
[0030] 这些以及其他优选的
实施例记载于后附的
从属权利要求2-15中。
[0031] 根据本发明的另外一个方面，在权利要求16和从属权利要求17和18中提出了为内燃机提供点火的方法。
附图说明
[0032] 现在将通过举例的方式，参考附图来描述本发明，其中：
[0033] 图1：是本点火系统的实施例的电子示意图；
[0034] 图2：是示出了开关SW1和SW2的操作的逻辑图；
[0035] 图3：是在一个点火事件期间次级绕组中的电流的描迹图；
[0036] 图4：示出了在点火事件期间点火线圈的3个绕组中的
电池电流和电流轨迹。
具体实施方式
[0037] 参照图1，在电子示意图中示出本点火系统10的优选实施例，该点火系统10包括双初级绕组点火变压器12或点火线圈，作用于火花塞14中的一组间隔电极14a和14b，比如可以与内燃机的一个燃烧
气缸相关联(未示出)。
[0038] 除了表示为LP1和LP2的两个初级绕组之外，点火线圈12还包括次级绕组LSEC和共同磁耦接K1；这三个绕组被磁耦合。
[0039] 系统10如此配置使得第一和第二初级绕组LP1，LP2的两端可以以交替的方式通过开关SW1，SW2切换到共同接地，例如
汽车的底盘接地。开关SW1和SW2可均采用IGBT的形式(
绝缘栅双极晶体管)或其他合适的
半导体开关器件。
[0040] 优选地，次级绕组LSEC与第二初级绕组LP2的匝比大于150；也即是说，对于第二初级绕组LP2上的一匝，存在大约次级LSEC上的150匝。对于LP1，系统优选地被如此设计使得LP1/LSEC的到单次火花中的递送能量类似于现有的，传统的火花点火系统或多火花点火系统。实践中，次级绕组LSEC与第二初级绕组LP1的匝比可以在50-200之间。
[0041] 然而优选地，匝比LSEC/LP2在200-500的范围内，并且高于匝比LSEC/LP1。
[0042] 如本领域技术人员将了解到的，这样的匝比适合采用传统的12-14V的直流电源的操作。在更高的电压处操作(如例如可能在混合动力车辆上)将允许匝比减小。
[0043] 在针对延长燃烧应用的本实施例中，假设了：次级绕组LSEC的低压端以传统的方式被耦合到汽车的共同接地或底盘接地。在对于
等离子体感应的未点火探测的应用中，低压端可例如通过调谐共振网络(未示出)耦合到接地，该调谐共振网络适于探测表示气缸中的燃烧室的次级绕组中特定
频率内容。
[0044] 次级点火绕组LSEC的高压端转而通过传统方式连接到火花塞14中的间隔电极对的一个电极14a。火花塞14的另外一个电极同样也传统地借助火花塞到发动机
块的
螺纹啮合而耦合到共同接地，。
[0045] 线圈抽头16将两个初级绕组LP1和LP2分开并允许它们耦合到共同激励电位，例如标称12V或14V汽车电子系统中的传统汽车系统电压，在图1中表示为电池18的正电压。
[0046] 可以注意到两个初级绕组LP1和LP2优选地在同一个方向上缠绕，如图1所指示的。
中心抽头16连同相同方向的缠绕模式产生了通过磁路的期望磁极。实际上，LP1/LSEC和LP2/LSEC的缠绕方向以及电连接被如此实现使得从两个初级绕组转移到LSEC中的能量导致了进入火花塞的单极电流和跨过火花塞电极的单极电压。
[0047] 电流感应器感测可以借助小
电阻(分流器)RS来完成，其在将次级LSEC连接到共同接地的线路中被串联布置。跨过分流器RS的电压是通过次级绕组LSEC的电流ISEC的函数。该电压经由线路21被馈送到控制电路29以用于控制的目的，如下面所解释的。
[0048] 该充电电流由电子控制电路20监视，电子控制电路20根据本点火过程控制开关SW1，SW2的状态。对于传统的发动机的操作，控制电路20可以响应于所谓的“电子火花定时”(EST)以经由开关SW1和SW2来协调初级绕组LP1和LP2的控制以便提供期望的火花。
[0049] 对于本领域技术人员所知的，EST信号响应于用于控制发动机功能的公知的发动机参数(除了点火功能之外还包括发动机加
燃料、废气排放和诊断)，而提供例如来自传统
微处理器发动机控制单元的传统点火定时控制信息。容易理解EST信号可相对于气缸冲程
角度而设置停留间隔和火花定时。这种基于微处理器的
控制器也传统地与电子传输控制功能进行集成以完成对动力系控制的集成方法。替换地，包括点火正时的一些功能可以从中心发动机控制器被卸载并并入到点火系统中。在这样的后面的情况下，EST信号以及其他点火
控制信号(尤其是适合情况下的气缸选择信号)可通过单独的点火系统来实现。
[0050] 现在更具体地参见本实施例，控制电路20被配置为提供下述操作程序来执行内燃机的一个汽缸的一个燃烧循环所需的点火事件。一个点火事件(或循环)通过向第一初级绕组LP1充电开始。LP1/LSEC对代表传统的点火，并通过关闭开关SW1提供变压器12中的第一、初始阶段存储能量，使得电流能够流出电池(图2中示出了SW1的开启状态)。如上所解释的，第一初级绕组LP1的激励和该充电/停留的期限的各自点火事件的开始优选地基于传统的EST。当通过第一初始绕组LP1的预定
停留时间到期时，其中的电流被中断以引起跨过间隔电极的第一电弧的启动。实际上，通过释放(开启)开关SW1，启动了向电介质击穿的转变，这引起来自次级绕组LSEC的能量的耗尽。
[0051] 当来自于次级LSEC的能量耗尽时，控制电路20借助跨过分流器RS的电压来监测次级电流ISEC。一旦次级电流ISEC下降到低于阈值ISEC_TH时，控制电路20操作第二阶段，其包括反复对第二初级绕组LP2激励和去激励。为此，控制电路20触发了脉冲宽度调试开关序列，其相应地将激活了SW2，如图2所示。因此，第二初级绕组LP2与来自于电池的电流一起被馈送，并且在输出电路处根据LP2和LSEC的匝比来感应电压。SW2的开关时间顺序有利地被如此设置使得关闭时间足够短以维持从开关SW2的关闭状态到开启状态的火花。在实践中，关闭时间可以在5到50μs之间。开关SW2的开启时间优选地被如此设置使得可接受的有效电能转移发生于从LP1到LSEC并进入到火花塞14。该开启时间可以在5到500μs之间变化。在这个第二阶段中，能量被进一步的推入初始电弧且甚至是此之后；因此，ISEC_TH优选地为非零。如果需要，开关的次数可以在单个点火事件期间动态变化，例如以随着能量的分布而变化。
[0052] 可能注意到在SW2的关闭期间，通过联于火花塞的充电输出电路电容24(次级绕组LSEC的自然电容性行为)的存在，以及通过残留空间电荷和瞬时余辉来维持火花自身。由此关闭时间优选地被设置为短于余辉。SW2的激活优选地被专用的使能信号(EN)来限制。
[0053] 如图2所示，第二阶段的PWM可以通过控制电路20中产生的使能信号(EN)来调节(当满足阈值条件ISEC_TH时)。第二阶段优选地具有校准长度(例如所映射的相对于发动机燃烧模式)。在第二阶段结束处，控制电路20删除PWM使能信号EN，其标记了各个燃烧循环的点火事件的结束。这个使能信号EN限制了电气装置和变压器12中的
散热并且确定了通过LP2和LSEC的该升压的开始和停止(第二阶段)。
[0054] 本点火事件的原理因此在图2中总结，其中可以容易地看出对于一个点火循环(对应于一个燃烧事件所需的火花)，点火时间包括初始阶段，在初始阶段期间初级绕组仅经过一次充电/放电，然后是第二阶段(当ISEC上的阈值满足时启动)，在第二阶段期间第二绕组经历多个充电/放电循环。如上文解释，该初始阶段被设计为在
电击穿之后立即提供火花。在第二阶段中，思想是将能量转移到次级绕组LSEC以维持燃烧阶段。在SW2的开启期间转移能量，即当电流实际流经次级绕组时。
[0055] 应该理解到本系统(如上文解释地操作)提供单极电流ISEC以允许连续的燃烧阶段。在图3中示出了该单极次级电流ISEC所得到的形状。人们将认识到由第一初级LP1到次级绕组LSEC(初始阶段)产生的一般衰减电流放电特性，与由第二阶段(始于第二尖峰)中开关SW2的PWM激活所产生的次级绕组LP2相
叠加。应该注意到，如上所解释的，第二阶段的电流尖峰对应于开关SW2的开启次数，一在图3的例子中，在t＝2ms持续燃料阶段开始且在大约t＝3ms(使能信号EN结束)处火花停止。整个点火事件的总时长可以一般地被该点火系统散发热损的能力所限制。
[0056] 图4示出了本点火程序的另外一个例子，其具有在电池IBatt中、在第一初级绕组ILP1中、在第二初级绕组ILP2中和在次级绕组ISEC中的电流轨迹。这里再一次的，人们能容易地认出单极电流与借助第二初级绕组ILP2被迫进入到次级绕组LSEC中的能量的叠加，以及延长的燃烧阶段。
[0057] 输出电路有利地被保护以免被与次级LSEC串联的二极管22提前点火。在该输出中的这样的二极管22的使用由于输出电流ISEC是单极的而成为可能。
[0058] 另外一个可能保护措施是使用二极管D1和D2(图1)以便阻止反向电流。由于变压器12的磁耦接K，在不仅到LSEC中还到相反初级中的各个转移期间感应相当大的电流，产生了附加的损失以及进一步会产生通过
半导体开关SW1和SW2的反向电流。这样的反向电流能够借助串联二极管D1和D2而被阻止，同时保持现有的开关。替换地，具有固有反向阻止属性的开关元件可用于开关SW1和SW2。
[0059] 如将了解到的，当Lp1中的存储能量因为第一电弧而放电，而开关SW2在后面的第二阶段开启时，磁路由以相反方向由线圈Lp2充电，此时由点火火花代表的电负荷不的电阻性不断变高。根据情况，存在一种
风险，即后续的SW2的关断将会以相反的方向在二极管22上产生高电压并且该二极管22反向穿透。
[0060] 为了保护高压二极管，控制单元优选地被配置为在磁路被完全放完电之前关断SW2(并从而中断流经Lp2的电流)。变压器中的存储能量的指示为次级电流或任何参数功能或其的指示，例如二极管处的电压。在实践中，可以对次级电流进行监测，且当其达到称之为安全阈值的最小关断值时，关断SW2。并且然后结束点火事件。对于传统的二极管，该安全阈值可以例如在0-+15毫安的范围内，优选为在0-10毫安之间。
[0061] 在图1的电子设计的上下文中，在变压器中的存储能量
水平的另外一个指示符可以是IGBT开关SW2的集电极电压。
[0062] 作为进一步可能的实施方式，可以对变压器的输入和输出能量进行计算，并且在低于安全能量阈值时断开开关SW2。
