[0002] 本
专利申请要求2013年5月3日提交的美国临时申请第61/819,255号的权益，该申请全文以引用方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本公开总体上涉及内燃发动机，并且更具体地讲涉及用于轻型燃烧发动机的点火系统。
背景技术
[0004] 用于轻型燃烧发动机的各种点火系统是本领域已知的，并且用于诸如草地设备和
链锯的各种各样的装置。通常，这些点火系统不具有
蓄电池，相反，它们依赖于拉绳式
反冲起动机和磁电式系统来为点火提供
电能并且操作其它电气装置。由于这样的系统只能产生有限量的电能并且仍达到某些
能量效率和排放目标，需要以尽可能高效的方式在系统中生成和管理电能。
发明内容
[0005] 在至少一些实施中，一种用于轻型燃烧发动机的点火系统包括：充电绕组，其感应电荷；点火放电存储装置，其存储感应的电荷；点火放电
开关，其将存储的电荷放电；微
控制器，其控制点火放电开关；以及功率供给子
电路，其联接到充电绕组和
微控制器两者并且将功率提供至微控制器。功率供给子电路配置成当功率供给子电路上的存储的电荷小于
阈值时允许由充电绕组充电并且当功率供给子电路上的存储的电荷大于该阈值时阻止由充电绕组充电。
[0006] 在至少一些实施中，一种用于轻型燃烧发动机的点火系统包括：充电绕组，其感应电荷；点火放电存储装置，其存储感应的电荷；点火放电开关，其将存储的电荷放电；微控制器，其控制点火放电开关；附加装置；以及功率供给子电路，其联接到充电绕组和附加装置两者并且将功率提供至附加装置。功率供给子电路配置成当功率供给子电路上的存储的电荷小于阈值时允许由充电绕组充电并且当功率供给子电路上的存储的电荷大于该阈值时阻止由充电绕组充电。
[0007] 在至少一些实施中，一种用于操作用于轻型燃烧发动机的点火系统的方法，包括以下步骤：利用充电绕组对点火放电存储装置充电；当功率供给子电路上的存储的电荷小于阈值时，利用充电绕组对为微控制器提供功率的功率供给子电路充电；以及当功率供给子电路上的存储的电荷大于该阈值时阻止利用充电绕组对功率供给子电路充电。
附图说明
[0008] 参照附图将阐述该点火系统的示例性
实施例的以下详细描述，在附图中：
[0009] 图1示出了用于轻型燃烧发动机的电容放电点火(CDI)系统的示例；
[0010] 图2是控制电路的示意图，该控制电路可与图1的CDI系统一起使用；以及[0011] 图3-6是坐标图，绘制了提供至可与图2的控制电路一起使用的功率供给子电路的
电压、
电流和功率，其中，图3和4对应于
现有技术功率供给子电路，图5和6对应于本文所述功率供给子电路。
具体实施方式
[0012] 本文所述方法和系统总体涉及轻型燃烧发动机，其为
汽油动
力的并且包括微控制器电路。如上所述，许多轻型燃烧发动机不具有单独的
蓄电池，相反，这些发动机使用磁电式点火系统来生成、存储并将电能提供至各种装置。由于磁电式点火系统仅可在某个发动机速度下生成有限量的电能，同时仍满足
燃料效率和排放目标，对于这样的系统来说，可能重要的是在能量管理方面尽可能高效地操作。在这种情况下，点火系统设计成减少提供至为对应的微控制器提供功率的某个功率供给子电路和/或由该功率供给子电路使用的电能的量，使得额外的电能可用于其它用途。更具体而言，点火系统确定何时足够的电能已被接收和/或存储在功率供给子电路中，并且作为响应而停止将额外的电能提供至该子电路，从而可由发动机周围的其它装置利用过量的能量。
[0013] 通常，轻型燃烧发动机是单汽缸双循环或四循环汽油动力的内燃发动机。单个
活塞被可滑动地接纳以用于在汽缸中往复运动，并且由拉杆连接到
曲轴，曲轴继而附接到
飞轮。此类发动机通常与电容放电点火(CDI)系统配套使用，电容放电点火系统利用微控制器将高电压点火脉冲供应至
火花塞，以用于点燃发动机
燃烧室中的空气燃料混合物。术语“轻型燃烧发动机”广义地包括所有类型的非机动车燃烧发动机，包括二冲程和
四冲程发动机，其通常用来为诸如下列的装置提供动力：汽油动力的手持动力工具、草地和花园设备、
割草机、剪草机、修边机、链锯、吹
雪机、个人船只、
船舶、雪车、摩托车、全地形车辆等。应当了解，虽然以下描述是在电容放电点火(CDI)系统的背景下进行，但本文所述控制电路和/或功率供给子电路可与许多不同的点火系统一起使用，并且不限于此处所示的特定的一种。
[0014] 参照图1，示出了示例性电容放电点火(CDI)系统10的立体剖视图，该系统与飞轮12相互作用，并且通常包括：点火模
块14；点火引线16，其用于将点火模块电联接到火花塞SP (图2中示出)；和电连接18，其用于将点火模块联接到一个或多个附加的电气装置，例如燃料控制螺线管。飞轮12为加重盘式部件，其联接到曲轴20并因此在发动机的动力下旋转。
通过利用其旋转惯性，飞轮减缓发动机速度中的
波动，以便提供更恒定且平稳的输出。此处所示飞轮12包括朝飞轮的外周边
定位的一对磁极或
磁性元件22。一旦飞轮12旋转，磁性元件22就自旋经过点火模块14中的不同的绕组并与所述绕组以电磁方式相互作用，如本领域所公知的。
[0015] 点火模块14可生成、存储和利用由旋转的磁性元件22感应的电能，以便执行各种功能。根据一个实施例，点火模块14包括叠片30、充电绕组32、一起构成升压
变压器的一次绕组34和二次绕组36、附加绕组38、触发绕组40、点火模块
外壳42、以及控制电路50。叠片30优选地为
铁磁体零件，其由平坦的、可透磁的
层压件的叠堆构成，该层压件通常由
钢或铁制成。叠片可帮助集中或会聚由飞轮上的旋转的磁性元件22形成的变化的磁通。根据此处所示实施例，叠片30具有总体上U形的配置，该配置包括一对腿部60和62。腿部60沿着充电绕组32的中
心轴线对齐，并且腿部62沿着触发绕组40和
升压变压器的中心轴线对齐。附加绕组38位于腿部60上，并且触发绕组40示出在腿部62上；然而，这些绕组或线圈可位于叠片30上的其它地方。当腿部60和62与磁性元件22对齐(这发生在飞轮12的具体旋转
位置)时，形成包括叠片30和磁性元件22的闭环磁通路径。举两种可能性的例子，磁性元件22可被实现为相同磁体的一部分或单独的磁性部件，这些磁性部件联接在一起，以提供穿过飞轮12的单个磁通路径。附加的磁性元件可在围绕飞轮12的周边的其它位置处添加到飞轮12，以提供与点火模块14的额外的电磁相互作用。
[0016] 充电绕组32生成电能，该电能可由点火模块14使用以用于多个不同的目的，举两个例子，包括为点火电容器充电和为
电子处理装置供能。充电绕组32包括线圈架64和绕组66，并且根据一个实施例设计成具有约的相对低的电感和相对低的
电阻，但这不是必要的。
特定绕组或线圈的电气特性通常针对其具体应用而定制。例如，预计产生高电压的充电线圈通常将具有较多
匝的较细规格的线(因此为其提供较高的电感和电阻)，使得它在起动或低发动机速度的其它时期期间能生成足够的电压。反之，设计用于提供高电流的充电线圈通常将具有较少匝的较大规格的线(具有对应的较低电感和电阻)，因为这使得它能够在发动机在节气
门全开时或在其它高发动机速度条件期间运行时更高效地形成高电流。本领域已知的任何合适类型的充电绕组都可在这里使用。
[0017] 触发绕组40为点火模块14提供发动机输入
信号，该信号通常表示发动机的位置和/或速度。根据此处所示的特定实施例，触发绕组40朝叠片腿部62的端部定位，并且邻近升压变压器。然而，它可布置在叠片上的不同位置处。例如，可以将触发绕组和充电绕组布置在叠片的单个腿部上，这与此处所示布置相对。也可以省略触发绕组40，并且可以让点火模块14从充电绕组32或某些其它装置接收发动机
输入信号。
[0018] 升压变压器使用一对紧密联接的绕组34、36，以形成高电压点火脉冲，该脉冲经由点火引线16发送至火花塞SP。类似于上述充电绕组和触发绕组，一次绕组34和二次绕组36围绕叠片30的腿部中的一个，在本例中为腿部62。与任何升压变压器一样，一次绕组34具有比二次绕组36匝数更少的线，二次绕组36具有较多匝的较细规格的线。在一次绕组和二次绕组之间的匝数比以及变压器的其它特性影响高电压并且通常根据使用它们的特定应用来选择，如本领域的技术人员应了解的那样。
[0019] 点火模块外壳42优选地由刚性的塑料、金属或某些其它材料制成，并且设计成围绕和保护点火模块14的部件。点火模块外壳42具有若干开口，其允许叠片腿部60和62、点火引线16和电连接18突出，并且优选地密封以便防止
水分和其它污染物损坏点火模块。应当了解，点火系统10仅仅是能利用点火模块14的电容放电点火(CDI)系统的一个示例，并且除了此处所示那些之外，也可以使用多种其它点火系统和部件。
[0020] 在至少一些实施中，控制电路50被容纳在外壳42内且联接到点火模块14和火花塞SP的部分，使得它可以控制由点火系统10感应、存储和释放的能量。术语“联接”广义地涵盖两个或更多个电气部件、装置、电路等能彼此电气连通的所有方式；这包括但当然不限于：直接电连接和经由中间部件、装置、电路等等的连接。控制电路50可以根据图2所示示例性实施例提供，其中，控制电路联接到充电绕组32、一次点火绕组34、附加绕组38和触发绕组
40并与它们相互作用。根据该特定示例，控制电路50包括点火放电电容器52、点火放电开关
54、微控制器56、功率供给子电路58以及可与控制电路一起使用并且为本领域所知的许多其它电气元件、部件、装置和/或子电路(例如，断路开关和断路开关电路)。
[0021] 点火放电电容器52充当点火系统10的主要能量存储装置。根据图2所示实施例，点火放电存储装置或仅点火放电电容器52在第一
端子处联接到充电绕组32和点火放电开关54并且在第二端子处联接到一次绕组34。点火放电电容器52配置成经由
二极管70接收并存储来自充电绕组32的电能，并且通过包括点火放电开关54和一次绕组34的路径释放所存储的电能。存储在点火放电电容器52上的电能的释放由点火放电开关54的状态控制，如本领域普遍理解那样。
[0022] 点火放电开关54充当点火系统10的主开关装置。点火放电开关54在第一载流端子处联接到点火放电电容器52，在第二载流端子处联接到地线，并且在其栅极处联接到微控制器56的输出。点火放电开关54可提供为
半导体闸
流管，例如，
硅控制器
整流器(SCR)。来自微控制器56的输出的点火触发信号启用点火放电开关54，使得点火放电电容器52能通过开关释放其存储的能量，从而在点火线圈中形成对应的点火脉冲。
[0023] 微控制器56为电子处理装置，该装置执行电子指令，以便实现与轻型燃烧发动机的操作有关的功能。这可包括例如用来实现本文所述方法的电子指令。在一个示例中，微控制器56包括图2所示8引脚处理器；然而，也可以使用任何其它合适的控制器、微控制器、
微处理器和/或其它电子处理装置。引脚1和8联接到功率供给子电路58，功率供给子电路58为微控制器提供一定程度上被调节的功率；引脚2和7联接到触发绕组40并且为微控制器提供表示发动机的速度和/或位置(例如，相对于
上止点的位置)的发动机信号；引脚3和5示出为断开的，但可以联接到其它部件如断路开关；引脚4联接到地线；并且引脚6联接到点火放电开关54的栅极，使得微控制器能提供有时称为正时信号的点火触发信号，以用于启用开关。美国专利第7,546,836号和第7,448,358号提供了可以用点火系统实现微控制器的方式的若干非限制性示例，这两份专利的全部内容以引用方式并入本文中。
[0024] 功率供给子电路58从充电绕组32接收电能，存储电能，并且可以为微控制器56提供经调节的或至少一定程度上经调节的电能。功率供给子电路58在输入端子80处联接到充电绕组32，并且在输出端子82处联接到微控制器56，并且根据图2所示示例包括第一功率供给开关90、功率供给电容器92、功率供给齐纳94、第二功率供给开关96、以及一个或多个功率供给
电阻器98。如下文将更详细解释的，功率供给子电路58设计和配置成减小可归因于为微控制器56提供功率的充电绕组负载的部分，这继而允许更多的电能流至其它装置，例如由附加绕组38提供功率的那些装置。
[0025] 第一功率供给开关90可以是任何合适类型的开关装置如BJT或MOSFET，其在第一载流端子处联接到充电绕组32，在第二载流端子处联接到功率供给电容器92，在基极或栅极端子处联接到第二功率供给开关96。当第一功率供给开关90被启用或处于“接通”状态时，电流被允许从充电绕组32流至功率供给电容器92；当开关90被停用或处于“断开”状态时，电流被阻止从充电绕组32流至电容器92。如上所述，任何合适类型的开关装置都可用于第一功率供给开关90，并且在至少一些实施中，该装置可以设计用于处理显著量的电压，例如在约150V和450V之间。
[0026] 功率供给存储装置或仅功率供给电容器92在正端子处联接到第一功率供给开关90、功率供给齐纳94和微控制器56并且在负端子处联接到地线。功率供给电容器92接收并存储来自充电绕组32的电能，使得它可以以一定程度上经调节和一致的方式为微控制器56提供功率。技术人员应了解，功率供给电容器92的操作参数通常取决于它被用于的具体控制电路的需求；然而，在一个示例中，功率供给电容器具有在约50μF和470μF之间的电容。
[0027] 功率供给齐纳94在
阴极端子处联接到功率供给电容器92，并且在
阳极端子处联接到第二功率供给开关96。功率供给齐纳94布置成：当功率供给电容器92上的电压小于
齐纳二极管的
击穿电压时，在相反方向上不导电(即，从齐纳的阴极到阳极不导电)；并且当电容器电压超过击穿电压时，在相反方向上导电(即，从阴极到阳极导电)。技术人员应了解，具有特定击穿电压的齐纳二极管可以基于对于功率供给子电路58而言为微控制器56合适地提供功率而被视为必要的电能量选择。任何齐纳二极管或其它类似的装置都可以使用，包括但不限于具有在约3V和20V之间的击穿电压的齐纳二极管。
[0028] 第二功率供给开关96在第一载流端子处联接到电阻器98和第一功率供给开关90的基极，在第二载流端子处联接到地线，并且在栅极处联接到功率供给齐纳二极管94。如下文将更详细描述的，第二功率供给开关96布置成使得：当在齐纳二极管94处的电压小于其击穿电压时，第二功率供给开关96保持在停用或“断开”状态；当在齐纳二极管处的电压超过击穿电压时，在第二功率供给开关96的栅极处的电压增加并启用该装置，以使其转向“接通”。同样，可以使用任意数目的不同类型的开关装置，包括硅控制器整流器(SCR)形式的半导体闸流管。根据一个非限制性示例，第二功率供给开关为SCR，并且具有在约2mA和3mA之间的栅极电流速率。
[0029] 功率供给电阻器98在一个端子处联接到充电绕组32和第一功率供给开关90的载流端子之一，并且在另一个端子处联接到第二功率供给开关96的载流端子中的另一个。优选的是，功率供给电阻器98具有足够高的电阻，从而在第二功率供给开关96转向“接通”时通过电阻器建立高电阻、低电流的路径。在一个示例中，功率供给电阻器98具有在约5kW和10kW之间的电阻，但当然也可以使用其它值。
[0030] 在充电循环期间，在充电绕组32中感应的电能可用来对发动机周围的一个或多个装置充电、驱动和/或以其它方式提供功率。例如，当飞轮12旋转经过点火模块14时，朝飞轮的外周边定位的磁性元件22在充电绕组32中感应AC电压。AC电压的正分量可以用来对点火放电电容器52充电，而AC电压的负分量可以提供至功率供给子电路58，功率供给子电路58接着用经调节的DC功率为微控制器56提供功率。功率供给子电路58设计成将从AC电压的负分量获取的电能的量限制或减少到仍然能够为微控制器56充分地提供功率但又节约能量以在系统中的其它地方使用的水平。可以受益于这种节能的装置的一个示例是螺线管，其联接到附加绕组38并且用来控制提供至燃烧室的
空燃比。
[0031] 从在充电绕组32中感应的AC电压的正分量或正部分开始，电流流过二极管70并且为点火放电电容器52充电。只要微控制器56将点火放电开关54保持在“断开”状态，来自充电绕组32的电流就被导向至点火放电电容器52。点火放电电容器52可以在AC电压
波形的整个正部分中或至少在大部分中被充电。当点火系统10该为火花塞SP点火(即，点火正时)时，微控制器56将点火触发信号发送至点火放电开关54，该信号将开关转向“接通”并且形成包括点火放电电容器52和一次点火绕组34的路径。存储在点火放电电容器52上的电能经由该电流路径快速放电，这造成穿过一次点火绕组34的
浪涌电流，并且在点火线圈中形成快速升高的电
磁场。快速升高的
电磁场在二次点火绕组36中感应出高电压点火脉冲，该脉冲传输至火花塞SP并且提供引发燃烧的火花。也可以使用包括回扫技术在内的其它火花点火技术。
[0032] 现在转到在充电绕组32中感应的AC电压的负分量或负部分，电流初始地流过第一功率供给开关90并且对功率供给电容器92充电。只要第二功率供给开关96被转向“断开”，就有一些电流流过功率供给电阻器98并进入功率供给开关90的基极(电流不通过开口96转向)，使得在第一功率供给开关90的基极处的电压将开关偏置到“接通”状态。功率供给电容器92的充电继续，直到达到某个电荷阈值；即，直到在电容器92上积聚的电荷超过功率供给齐纳94的击穿电压。如上所述，齐纳二极管94优选地选择成具有对应于功率供给子电路58的所需电荷水平的某个击穿电压。一些初步测试已表明，大约6V的击穿电压可能是合适的。功率供给电容器92使用积聚的电荷来为微控制器56提供经调节的DC功率。当然，诸如次级电路86的附加电路可以用于减少涟波和/或进一步滤波、平滑滤波和/或以其它方式调节DC功率。
[0033] 一旦功率供给电容器92上的存储的电荷超过功率供给齐纳94的击穿电压，齐纳二极管就变得在相反的偏置方向上导电，从而使出现在第二功率供给开关96的栅极上的电流增加。这将第二功率供给开关96转向“接通”，这形成低电流路径84，低电流路径84流过电阻器98和开关96并将在第一功率供给开关90的基极处的电压降至使该开关转向“断开”的点。在第一功率供给开关90禁用或处于“断开”状态的情况下，功率供给电容器92的附加充电被阻止。此外，功率供给电阻器98优选地显示具有相对高的电阻，使得在AC循环的该负部分期间流过低电流路径84的电流的量为最小(例如，大约50µA)，并且因此限制浪费的电能的量。
第一功率供给开关90将保持“断开”，直到微控制器56从功率供给电容器92提取足够的电能，以将其电压降低至功率供给齐纳94的击穿电压以下，此时，第二功率供给开关96转向“断开”，循环可以自行重复。该布置一定程度上可以模拟低成本滞后方法。
[0034] 因此，代替在AC波形的整个负部分期间对功率供给电容器92充电，功率供给子电路58仅在AC波形的负部分的第一区段对电容器92充电；在第二区段期间，电容器92未被充电。换言之，功率供给子电路58仅对功率供给电容器92充电，直到达到某个电荷阈值，之后，电容器92的额外充电被中断。由于较少电流从充电绕组32流至功率供给子电路58，在绕组和/或电路上的电磁负载减少，从而使更多电能可用于其它绕组和/或其它装置。如果点火系统10中的电能被有效地管理，则系统可以支持在相同磁电路上的点火负载和外部负载(例如，空燃比调节螺线管)两者。
[0035] 技术人员应了解，该布置和方法一定程度上不同于仅利用简单的电流限制电路来削减在任何给定时间允许进入功率供给子电路58的电流的量。这样的方法可以导致不期望的效应，因为由于受限的可用电流，达到工作电压可能较慢，由此造成在点火系统的功能上的不期望的延迟。功率供给子电路58设计成允许较高量的电流迅速流入功率供给电容器92，这更迅速地对功率供给充电，并且使其在比利用简单的电流限制电路所体验的更短的时间内达到足够的DC操作水平。
[0036] 上述点火系统10的潜在优点中的一些可从图3-6中所示坐标图观察到。图3和4中的坐标图示出了此前的点火系统，其中功率供给子电路分别在约3,000rpm的空转速度和约8,000rpm的节气门全开(WOT)速度下操作。图5和6示出了本发明的点火系统，其中功率供给子电路58分别在约3,000rpm的空转速度和约8,000rpm的节气门全开(WOT)速度下操作。在每个坐标图中，图线110表示作为时间的函数的进入功率供给子电路的电流；图线120表示作为时间的函数的进入功率供给子电路的电压；图线130表示作为时间的函数的进入功率供给子电路的总功率；并且图线140是定时基准信号，其显示了作为时间的函数的发动机的转数。如由坐标图所示，进入此前的点火系统的功率供给子电路的功率的平均量在空转时的一次回转中为约0.69W，并且在节气门全开时的一次回转中为约1.45W。相比之下，进入本发明的点火系统的功率供给子电路的功率的平均量在空转时的一次回转中为约0.25W，并且在节气门全开时的一次回转中为约0.35W。就由功率供给子电路使用的平均电功率而言，这转
化成在空转时超过约60%和在WOT时超过约70%的能量节约。除了节约电能之外，点火系统10可能能够使用具有较低功率规格的电气部件。这通常导致对应的成本节约。
[0037] 如上所述，由功率供给子电路58节约或不使用的电能可以被应用到发动机周围的许多不同的装置。这样的装置的一个示例为螺线管，其控制从
化油器供应至燃烧室的气体混合物的空燃比。重新参看图2，附加绕组38可联接到装置88，例如螺线管、附加的微控制器或需要电能的任何其它装置。在负AC电压波形的第一区段期间，充电绕组32为子电路58提供功率，同时附加绕组38为装置88提供功率；然而，在第二区段期间，仅附加绕组38必须为装置88提供功率，因为功率供给电容器92已被转向断开，使得子电路58仅汲取最少的功率。在第二区段期间在充电绕组32上存在较少磁负载，因此存在较多电能可用来为装置88提供功率。在负AC电压的第一和第二区段之间的过渡点可以发生在功率供给电容器92上的电荷超过功率供给齐纳94的击穿电压时。此时，电容器92不再被充电。
[0038] 在非常低的发动机速度(例如，在约1,000–1,500rpm)下，螺线管或其它装置88通常未被启用，并且因此不需要更多能量。在较高发动机速度下，功率供给子电路58可具有足够的存储能量，使得第一功率供给开关90每两次发动机回转仅转向“接通”较短的时间段。在这种情况下，此前被浪费的过量的能量可联接到附加绕组38中以为螺线管88或某个其它装置提供功率。该布置的一个潜在后果是，更多电功率可被引导至外部装置如螺线管88，从而允许它们在甚至更低的发动机速度下被控制。
[0039] 应当了解，此前的段落中描述和在图2的电路示意图中示出的点火系统10(包括功率供给子电路58)仅仅是可以实现的这样的系统的一个示例。当然可以使用电气部件或元件的不同组合或布置来实现该点火系统和/或功率供给子电路。点火系统和/或功率供给子电路不限于本文所公开的具体实施例，因为这些实施例仅仅作为说明性示例而提供。例如，可能的是，功率供给子电路58联接到附加绕组38，附加装置88联接到充电绕组32，或者功率供给子电路58和附加绕组32两者有可能联接到相同绕组，而不是图2所示布置。另一种可能是，功率供给子电路联接到除了微控制器之外的某个附加装置(例如，螺线管等)并为其提供功率。其它示例也是可能的。
[0040] 当然应当理解，上述描述属于本发明的优选的示例性实施例，并且本发明不限于所示的具体实施例。各种变化和
修改对于本领域的技术人员将变得显而易见，并且所有这些变型和修改均意图落在所附
权利要求的精神和范围内。
