MXPA98002619A - Unidad de bobina-nucleo magnetico para sistemas con encendido por chispa - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una unidad de núcleo magnético-bobina que genera el encendido en un sistema de combustión interna con encendido por chispa que tiene por lo menos una cámara de combustión. La unidad consiste en un núcleo magnético de metal amorfo que tiene una bobina primaria de voltaje bajo para la excitación y una bobina secundaria para que una salida de voltaje elevado sea alimentada a una bujía de encendido. En la bobina secundaria se genera un alto voltaje en un intervalo de tiempo muy corto, después de la excitación deésta. La unidad detecta las condiciones de encendido por chispa en la cámara de combustión para controlar el encendido.

Description

. UNIDAD DE BOBINA CON NÚCLEO MAGNÉTICO PARA SISTEMAS CON ENCENDIDO POR CHISPA Antecedentes de la invención Referencia a las solicitudes relacionadas Esta solicitud reclama el beneficio de la Solicitud Provisional de los Estados Unidos No. 60/004,815, presentada el 5 de octubre de 1995. 1. Campo de la invención: Esta invención se refiere a los sistemas con encendido por chispa para motores de combustible interna; y más particularmente, a un sistema con encendido por chispa que mejora el funcionamiento del sistema del motor y reduce el tamaño de los componentes magnéticos en el transformador para el encendido por chispa. 2. Descripción de la técnica anterior En un motor de combustión interna con encendido por chispa, un transformador de retroceso se utiliza comúnmente para generar el alto voltaje necesario para crear un arco a través de un espacio de la bujia que quema la mezcla de combustible y aire. La regulación de este suceso de encendido es crucial para mejorar la economia del combustible y reducir la emisión de gases ambientalmente peligrosos. Un chispazo demasiado retrasado origina pérdida de potencia del motor y pérdida de eficiencia. Un chispazo demasiado pronto origina detonación, con frecuencia conocida como "explosión" o "autoencendido" que, a su vez, puede dar origen a preencendido perjudicial y el posterior daño del motor. La regulación correcta de la chispa depende de la velocidad y carga del motor. Cada cilindro de un motor suele necesitar diferente regulación para su funcionamiento óptimo. La regulación diferente de la chispa para cada cilindro se puede obtener proporcionando un transformador de encendido a cada bujia. Para mejorar la eficiencia del motor y resolver algunos de los problemas asociados con la regulación inadecuada del encendido, algunos motores han sido equipados con sistemas controlados por microprocesador que incluye detectores para la velocidad del motor, la temperatura y presión del aire de admisión, la temperatura del motor, el contenido de oxigeno en la salida de gases y detectores para detectar la "explosión" o "autoencendido". Un detector del autoencendido es esencialmente un transductor electromecánico cuya sensibilidad no es suficiente para detectar el autoencendido en todo el rango de velocidad y carga del motor. La determinación del microprocesador respecto a la regulación adecuada del encendido no siempre proporciona un funcionamiento óptimo del motor. Es necesario un mejor detector del "autoencendido" . Una cantidad desproporcionadamente mayor de emisión de escape de gases peligrosos se crea durante el funcionamiento inicial de un motor frió y durante el funcionamiento en marcha lenta y no en marcha lenta. Los estudios han mostrado que el multichispazo rápido de la bujia para cada encendido durante estos dos regímenes de funcionamiento del motor reduce las emisiones de los gases peligrosos. Por consiguiente, es deseable tener un transformador de encendido que pueda ser cargado y descargado con mucha rapidez. Una disposición de encendido bobina-por-bujia (CPP) en el que el transformador de encendido se instala directamente a la terminal de la bujia, eliminando un alambre de alto voltaje, está teniendo aceptación como método para mejorar la regulación del encendido por chispa de los motores de combustión interna. Un ejemplo de un ar egftO de encendido CPP es el que se describe en la Patente Estadounidense No 4,846,129 con fecha del 11 de julio de 1989 (en adelante "la patente de Noble") . El diámetro fisico del transformador para el encendido por chispa debe ajustarse en el mismo tubo del motor en el que se instala la bujia. Para lograr los objetivos de diagnostico del motor previstos en la patente de Noble, el titular de la patente describe un método indirecto que utiliza un núcleo de ferrita. En teoría, el funcionamiento magnético del transformador para el encendido por chispa es suficiente durante el funcionamiento del motor para detectar el estado de encendido en la cámara de combustión. Como se puede ver, es necesario un nuevo tipo de transformador de encendido para el diagnóstico preciso del motor. El motor que falla en el encendido aumenta las emisiones de gases peligrosos. Numerosos arranques en frió sin calentamiento adecuado en el aislador de la bujia, en la cámara de combustión, puede ocasionar fallas en el encendido, debido al depósito de hollín en el aislador. El hollín, o negro de humo eléctricamente conductivo, reduce el incremento en el voltaje disponible para que suceda una chispa. Un transformador para encendido por chispa que proporcione un aumento extremadamente rápido en el voltaje puede reducir al minimo las fallas en el encendido debidas a la incrustación del hollín. Para lograr el funcionamiento del encendido por chispa, necesario para el funcionamiento satisfactorio del sistema de encendido y para el diagnóstico del motor descrito por Noble y, al mismo tiempo, reducir la incidencia de fallas en el encendido del motor debidas a la incrustación de hollín en la bujia, el material del núcleo del transformador para el encendido por chispa debe tener cierta permeabilidad magnética, no debe saturarse magnéticamente durante el funcionamiento y debe tener poca pérdida magnética. La combinación de estas propiedades necesarias hace más estrecha la disponibilidad de materiales adecuados para el núcleo. Considerando el costo objetivo de un sistema automotriz de encendido por chispa, los candidatos posibles para el material del núcleo incluye acero al silicio, ferrita y metal amorfo a base de hierro. El acero al silicio, convencional, que se utiliza de manera rutinaria en núcleos para transformadores de utilidad es poco costoso, pero su pérdida magnética es demasiado alta. El acero al silicio de calibre más delgado, con menor perdida magnética, es demasiado costoso. Las ferritas son poco costosas, pero sus inducciones de saturación o inducciones magnéticas máximas normalmente son menores de 0.5 T y las temperaturas Curie, a las cuales la inducción magnética del núcleo se vuelve más cerca de 0, son de casi de 200°C. Esta temperatura es demasiado baja considerando que la temperatura operante más elevada del transformador para el encendido por chispa se supone alrededor de 180°C. El metal amorfo a base de hierro tiene pérdida magnética baja e inducción de saturación elevada que excede 1.5 T, no obstante muestra permeabilidad relativamente alta. Es necesario un metal amorfo a base de hierro capaz de alcanzar un nivel de permeabilidad magnética adecuado para un transformador de encendido por chispa.

Compendio de la invención La presente invención proporciona un núcleo magnético para un transformador de encendido por chispa bobina por bujia (CPP) que genera un aumento rápido de voltaje y una señal que representa con precisión el perfil de voltaje del suceso de encendido. El núcleo se compone de un material ferromagnético amorfo que presenta poca pérdida del núcleo y baja permeabilidad (en el rango desde aproximadamente 100 a 300) . Estas propiedades magnéticas son especialmente adecuadas para el encendido rápido de la bujia durante un ciclo de combustión. Las fallas en el encendido del motor debidas a la incrustación de hollin se reducen. Además, la transferencia de energía desde la bobina hasta la bujia se lleva a cabo en una forma altamente eficiente con el resultado de que muy poca energía permanece dentro del núcleo después de la descarga. Esta transferencia de energía altamente eficiente permite al núcleo monitorear en una forma precisa el perfil de voltaje del suceso de encendido. Cuando el material del núcleo magnético se enrolla en un cilindro en el que el enrollado del alambre primario y secundario se disponen para formar un transformador en forma de toroide, la señal que se genera proporciona una imagen mucho más precisa del perfil del voltaje de encendido del que producen los núcleos que presentan pérdidas magnéticas superiores. El núcleo magnético, de acuerdo con la presente invención, se basa en un metal amorfo con una inducción magnética superior, que incluye aleaciones a base de hierro. Se describen dos formas básicas de un núcleo. Estas son con intersticios y sin intersticios. El núcleo con intersticios tiene una sección magnética discontinua en una trayectoria magnéticamente continua. Un ejemplo de este núcleo es un núcleo magnético en forma de toroide que tiene una separación pequeña comúnmente conocida como un espacio de aire. La configuración con intersticios se adopta cuando la permeabilidad necesaria es considerablemente inferior a la permeabilidad propia del núcleo como bobina. La parte del espacio de aire de la trayectoria magnética reduce la permeabilidad general. El núcleo sin intersticios tiene una permeabilidad magnética semejante a la de un núcleo con intersticios-aire, pero es físicamente continuo, con una estructura semejante a la que comúnmente se encuentra en un núcleo magnético en forma de toroide. La presencia evidente de un espacio de aire uniformemente distribuido dentro de un núcleo sin intersticios da origen al término "núcleo con intersticios distribuidos".

El núcleo con intersticios de la presente invención tiene una permeabilidad magnética total entre aproximadamente 100 y aproximadamente 300 cuando se mide a una frecuencia de cerca de 1 kHz. La materia prima del núcleo puede tener una permeabilidad mucho mayor que el nivel 100-300 pero, mediante un proceso especial, la permeabilidad se puede reducir al rango deseado sin afectar de manera adversa las otras cualidades necesarias de la aleación amorfa a base de hierro. Un voltaje de salida mayor que 10 kV para el encendido por chispa se logra con menos de 120 vueltas por amperio del devanado primario y aproximadamente 110 a 160 vueltas del devanado secundario. El núcleo cerrado o sin intersticios de la presente invención se hace de un metal amorfo a base de aleaciones de hierro y se procesa de manera que la permeabilidad magnética del núcleo se encuentre entre 100 y 300 cuando se mide a una frecuencia de aproximadamente 1 kHz. Para mejorar la eficiencia de los núcleo sin intersticios reduciendo la pérdida por corriente turbulenta se devanan cilindros más cortos que se procesan y apilan extremo a extremo para obtener la cantidad deseada del núcleo magnético. El flujo de dispersión de un núcleo con intersticios distribuidos es mucho menor que de un núcleo con intersticios, emanando menos interferencia de radio frecuencia no deseable a los alrededores. Además, debido a la trayectoria magnética cerrada asociada con un núcleo sin intersticios, la relación señal a ruido es mayor que la de un núcleo con intersticios, haciendo al núcleo sin intersticios especialmente muy adecuado para el uso como un transformador de señales para diagnosticar los procesos de combustión del motor. Un voltaje de salida de la bobina secundaria mayor de 10 kV para el encendido por chispa se logra mediante un núcleo sin intersticios con menos de 120 vueltas por amperio del devanado primario y cerca de 110 a 160 vueltas del devanado secundario.

Breve descripción del dibujo La invención se comprenderá con mayor amplitud y otras ventajas serán evidentes cuando se haga referencia a la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas de la invención y los dibujos anexos, en los cuales: Las figuras 1, 2 y 3 muestran un aumento común en la corriente primaria cuando la energía se enciende y luego se apaga, estando el voltaje primario en el lado conectado a tierra y el voltaje superior estando en el lado secundario del transformador, respectivamente.

Descripción de las modalidades preferidas Se prepararon núcleos magnéticos compuestos de un metal amorfo a base de hierro, que tienen una inducción de saturación que excede 1.5 T en el estado tosco de fundición. Los núcleos tenian una forma cilindrica con una altura del cilindro de aproximadamente 80 mm diámetro externo e interno de aproximadamente 17 y 12 mm, respectivamente. Estos núcleos fueron t¿rmotratados sin aplicación de campos externos. Los espacios de aire fueron introducidos en algunos de los núcleos cortando alguna parte de los núcleos a lo largo del eje del cilindro. Al mantener la altura total del cilindro a aproximadamente 80 mm, algunos núcleos fueron segmentados en 2 y 5 secciones, teniendo cada sección una altura del núcleo subcilindrico de aproximadamente 40 y 16 mm, respectivamente. Varias vueltas y de 110 a 160 vueltas de bobinas de cobre fueron aplicadas a cada uno de los núcleos como bobina primaria y secundaria, respectivamente. Se colocó cubierta de plástico sobre el núcleo, de manera que los alambres no estuvieran cerca del núcleo. La distribución de los alambres y el núcleo del transformador fueron entonces colados en una cámara de vació en resina epoxi para la integridad bioeléctrica del voltaje alto. Una corriente fue aplicada en la bobina primaria, acumulándose rápidamente dentro de aproximadamente 25 a 100 µseg hasta un nivel que excedía 100 amperios. La curva de la Figura 1 indica la acumulación de la corriente empezando en aproximadamente 85 µsegundos de la interrupción (que corresponde a t = -8.5 µseg en la Figura 1) . Durante el ascenso de la curva de la corriente, el voltaje a través de la bobina primaria es cerca de 0 como se muestra en la Figura 2. En t = 0 la corriente primaria se corta, lo cual da como resultado un gran cambio de flujo magnético generando un voltaje grande en la bobina secundaria. Los perfiles de voltaje en las bobinas primaria y secundaria se representan por las curvas en las Figuras 2 y 3, respectivamente. Estos perfiles de voltaje se muestran fácilmente utilizando un osciloscopio de tipo convencional. Se debe señalar que el voltaje elevado en la bobina secundaria se genera dentro de un periodo de tiempo corto, por lo común menos de 5 µsegundos. De esta manera, en los núcleos magnéticos de la presente invención, un voltaje elevado, que exceda 10 kV, se puede generar repetidamente en intervalos de tiempo de menos de 100 µsegundos. Esta característica es necesaria para lograr la rápida acción de chispazo múltiple ya mencionada. Además, la rápida elevación del voltaje producida en la bobina secundaria reduce las fallas en el encendido del motor resultantes de la incrustación de hollin. Además de las ventajas relacionadas con el suceso de encendido con chispa ya descritas, la unidad núcleo-bobina de la presente invención sirve como un dispositivo de diagnostico del motor. Debido a la poca pérdida magnética del núcleo magnético de la presente invención, el perfil de voltaje primario de la Figura 2 manifiesta fielmente lo que se está llevando a cabo en la bobina secundaria como se representa en la Figura 3. Después de cada encendido por chispa, el voltaje primario, como se muestra en la Figura 2, se analiza para las características del encendido adecuadas, y los datos resultantes entonces se alimentan al control del sistema de encendido. La presente unidad núcleo-bobina de esta manera elimina el elemento magnético adicional necesario en el sistema descrito en la patente de Noble, en donde el núcleo se compone de un material de ferrita. Los siguientes ejemplos se presentan para proporcionar una compresión más completa de la invención. Las condiciones técnicas especificas, materiales, proporciones y datos reportados, establecidos para ilustrar los principios y práctica de la invención, son ejemplos y no se deben de considerar como limitantes del alcance de la invención.

Ejemplo 1 Una cinta a base de hierro amorfo con una amplitud de aproximadamente 80 mm y un espesor de aproximadamente 20 µ fue enrollada en un mandril de acero inoxidable maquinado. El diámetro interno de 12 mm fue establecido para el mandril y el diámetro externo fue seleccionado de 17 m. El núcleo cilindrico acabado pesaba aproximadamente 50-60 gramos. Los núcleos fueron templados en una atmosfera de nitrógeno en el rango de 430 a 450°C con tiempos de mantenimiento en el horno desde 2 a 16 horas. Los núcleos templados fueron enrollados con 2-4 vueltas de alambre de cobre aislado calibre grueso como la bobina primaria y con 150 vueltas de cobre aislado calibre delgado como la bobina secundaria. La unidad núcleo-bobina fue encapsulada en epoxi. Con esta configuración, el voltaje secundario fue medido como función de la corriente primaria, y se establece a continuación en la Tabla 1.

Tabla I Corriente primaria Voltaje secundario (kV) (vueltas por amperio) 40 4.8 80 9.0 120 12.8 160 16.0 200 18.8 240 20.4 280 22.0 Los voltajes secundarios que exceden 12 y 22 kV se obtuvieren ccn corrientes primarias de aproximadamente 120 y 280 vueltas por amperio, respectivamente.

Ejemplo 2 Dos núcleos cilindricos de 40 mm de altura fueron preparados siguiendo el proceso que se muestra en el Ejemplo 1 y se colocaron lado a lado para formar un solo núcleo magnético de 80 mm de altura. Las bobinas primaria y secundaria fueron enrolladas de manera idéntica a la unidad núcleo-bobina del Ejemplo 1. El voltaje secundario en comparación con la corriente primaria obtenidos se establecen a continuación en la Tabla II: Tabla II Corriente primaria Voltaje secundario (kV) (vueltas por amperio 40 4.2 80 8.4 160 14.2 240 18.5 320 21.6 400 23.1 Los voltajes secundarios que exceden 14 y 23 kV fueron logrados con corrientes primarias de aproximadamente 160 y 400 vueltas por amperio, respectivamente.

Cinco núcleos toroidales de 15.6 mm de altura fueron preparados siguiendo el proceso del Ejemplo 1 y fueron ensamblados para formar un sólo núcleo cilindrico de aproximadamente 80 mm de altura. La unidad núcleo-bobina fue =ubstancialmente idéntica a la del Ejemplo 1, excepto que la bobina secundaria tubo 138 vueltas. El voltaje secundario como función de la corriente primaria se establece a continuación en la Tabla III: Tabla III Corriente primaria Voltaje secundario (kV) (vueltas por amperio) 40 5 . 4 80 10 160 17 . 8 240 . 4 320 . 6 360 26.1 Los voltajes secundarios que exceden 10 y 26 kV fueron logrados con corrientes primarias de aproximadamente 80 y 360 vueltas por amperio, respectivamente.

Ejemplo 4 Un núcleo cilindrico de 80 mm de altura con la dimensión que se da en el Ejemplo 1 fue preparado y termotratado a 350°C durante 2 horas. Después del termotratamiento se introdujo un espacio de aire a lo largo del eje del cilindro cortando parte del núcleo. Las bobinas primaria y secundaria fueron enrolladas en la sección metálica del núcleo. El resto de la unidad núcleo-bobina fue substancialmente idéntico al del Ejemplo 1. El voltaje secundario comparado con la corriente primaria resultante se establece a continuación en la Tabla IV: Tabla IV rorriente primaria Voltaje secundario (kV) (vueltas por amperio) 40 4.9 30 9.6 120 14.4 160 19.4 200 22.5 240 26.3 260 27.3 lü Los voltajes secundarios que exceden 14 y 27 kV fueron logrados con corrientes primarias de aproximadamente 120 y 260 vueltas por amperio, respectivamente. Habiendo así descrito la invención en el más 15 completo detalle, se comprenderá que no es necesario adnerirse estrictamente a estos detalles sino que otros cambios y modificaciones pueden ocurrirse a los expertos en la t cnica, estando todos dentro del alcance de la invención como se define por las reivindicaciones anexas.

Claims (1)

REIVINDICACIONES

1. Una unidad núcleo magnético-bobina, para generar _U? suceso de encendido en un sistema de combustión interna uc encendido ^r chispa, que tiene por lo menos una c mara de combustión, que comprende un núcleo magnético con una bobina primaria para excitación del voltaje bajo y una Lobina Secundaria para que una salida de voltaje elevado sea acimentada a una bujía, teniendo esta unidad nucléobobina la capacidad de (i) generar un alto voltaje en la bobina secundaria dentro de un periodo de tiempo corto después de la excitación de ésta, (ii) detectar los estados e encendido por chispa en la cámara de combustión para controlar el suceso de encendido. . La unidad núcleo magnético-bobina, como se menciona en la reivindicación 1, en donde el núcleo magnético se fabrica ter otratando una aleación magnética amorfa. o. La unidad núcleo magnetico-bobma, co o se menciona en la reivindicación 1, en donde el núcleo magnético consiste en núcleos segmentados. 4. La unidad n cleo magnetice-bobina, como se r c \ na en la reivindicación 1, en donde el voltaje de ociiia de una bobina secundaria alcanza mas de 10 kV ccn ^ a corriente primaria de menos de aproximadamente 120 vueltas por amperio y más de 20 kV con una corriente primaria de 200 a 300 vueltas por amperio, dentro de 25 a 100 µsegundos. 5. El núcleo magnético, como se menciona en la reivindicación 2, en donde la aleación magnética amorfa es a Lase de nierro y además comprende elementos metálicos que incluye niquel y cobalto, elementos formadores de vidrio que incluye boro y carbono y elementos semimetálicos que incluye el silicio. 6. La unidad núcleo magnetico-bobina, como se menciona en la reivindicación 2, en donde el núcleo magnético es sin intersticios. 7. La unidad núcleo magnético-bobina, como se menciona en la reivindicación 2, en donde el núcleo magnético es con intersticios. 3. La unidad núcleo magnético-bobina, como se menciona en ia reivindicación 6, en donde el núcleo magnético es termotratado a una temperatura cercana a la temperatura de cristalización de la aleación y se cristaliza parcialmente. 9. La unidad núcleo magnético-bobina, como se menciona en la reivindicación 7, en donde el núcleo m gn tizo es ter otrat ado abajo de la temperatura de cristalización de la aleación, y al terminar el termo-tratamiento, continúa principalmente en estado amorfo.