УСТРОЙСТВО ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам зажигания для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использована в двигателестроении для оснащения ДВС, либо при дооснащении ДВС эксплуатируемого автомобиля.
В классических устройствах зажигания, преимущественно используемых в автомобилестроении как штатные системы зажигания, для зажигания топливной смеси, в искровом промежутке свечи зажигания формируется один импульс тока (штатный импульс искры зажигания), в котором выделяется энергия, предварительно накопленная в катушке зажигания. При снижении напряжения бортового питания, а также при работе двигателя на обедненной смеси, величина этой энергии оказывается недостаточной для обеспечения надежного зажигания топливной смеси. Это приводит к затрудненному запуску ДВС при низких температурах, а также к пропускам воспламенения смеси на переходных режимах работы двигателя, к неполному сгоранию топлива и соответственно повышенной токсичности выхлопных газов. Известен ряд схемотехнических решений, направленных на повышение надежности и стабильности работы устройств зажигания ДВС за счет увеличения длительности и соответственно энергии искры в свече зажигания.
Так известен способ формирования многоимпульсного режима возбуждения катушки зажигания ДВС (Патент RU №2171392), характеризующийся тем, что в первичной обмотке катушки зажигания, с подключенным к ней дополнительным конденсатором, образующим
с катушкой зажигания резонансный контур, формируется несколько импульсов тока, прерывание которых вызывает импульсы первичного напряжения, трансформируемые катушкой зажигания в высоковольтные импульсы вторичной цепи, первый из которых, формируемый путем прерывания тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания и обеспечивающий пробой искрового промежутка, вызывает начало автоколебательного процесса, создающего многоимпульсный режим возбуждения катушки зажигания, а последующие однополярные импульсы формируются после момента зажигания, путем прерывания тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания при подключении ее к источнику питания для многократного частичного восполнения энергии магнитного поля катушки зажигания с частотой автоколебательного процесса.
Данный способ обеспечивает увеличение энергии искры по сравнению с классической (штатной) системой зажигания, но это увеличение незначительное, т.к. каждый период времени, на которое катушка зажигания подключается к источнику питания, для восполнения энергии магнитного поля, определяется резонансной частотой контура, образованного индуктивностью катушки зажигания и емкостью, подключенной к первичной обмотке катушки зажигания, и составляет десятки микросекунд, что очень мало для эффективного восполнения энергии запасаемой в катушке зажигания. Следует также отметить, что по сравнению с классической (штатной) системой зажигания (без дополнительной емкости), в данной системе емкость, подключенная к первичной обмотке, значительно затягивает фронт нарастания первого импульса зажигания, что приводит к увеличению задержки воспламенения и нестабильности этой задержки, что оказывает негативное влияние на работу двигателя на больших оборотах. Кроме того, из-за дополнительной задержки момента зажигания, при установке данной системы требуется регулировка угла опережения зажигания.
Известна также «Система зажигания ДВС» (Патент RU №2069791), которая содержит катушку зажигания, электронный ключ, емкостной элемент, включенный между выводами первичной обмотки, и блок формирования серии импульсов, вход которого связан с формирователем управляющих сигналов, а выход подключен к входу управления электронного ключа. Катушка зажигания и емкостной элемент образуют колебательный LC-контур, а блок формирования серии двухполярных импульсов выполнен на выходную частоту, равную или в целое число раз меньшую резонансной частоты LC-контура. Система обеспечивает получение в свечах зажигания многоимпульсного разряда, длительность и энергия которого изменяется в зависимости от режима работы двигателя.
Недостатками данной системы зажигания являются: индивидуальная настройка частоты импульсов каждого устройства, связанная с разбросом параметров элементов LC-контура, отсутствие автоматической коррекции частоты импульсов, повышенная эрозия электродов свечи и высокий уровень электромагнитных помех, обусловленные тем, что ток, протекающий через электроды, не является непрерывным, а имеет импульсный характер. Также, существенным недостатком, является необходимость полной замены штатной системы зажигания при установке данной системы на автомобиль, и дополнительная регулировка опережения угла зажигания, что требует высокой квалификации и делает практически невозможной установку данной системы на современные автомобили с микропроцессорным управлением системой зажигания.
Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа заявляемой полезной модели, является техническое решение по патенту RU №2276282 на изобретение «Система зажигания двигателя внутреннего сгорания».
Система зажигания (фиг. 1 в патенте №2276282) включает в себя источник питания, катушку зажигания, емкостной элемент, подключенный параллельно к первичной обмотке катушки зажигания, формирователь управляющих сигналов, электронный ключ, прерыватель, формирователь сигнала обратной связи и логический элемент 2ИЛИ-НЕ, причем источник питания содержит повышающий преобразователь напряжения. В данной системе для обеспечения надежности зажигания топливной смеси вместо одиночного штатного импульса зажигания формируется серия двухполярных импульсов (Iз3 см. Фиг. 5). Система работает следующим образом. После размыкания прерывателя в контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания и параллельным ей емкостным элементом, начинается колебательный процесс. Положительная полуволна напряжения на первичной обмотке запускает формирователь управляющих сигналов, формирующий разрешающий сигнал на втором входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ. После окончания положительной полуволны напряжения, отрицательная полуволна через формирователь сигнала обратной связи и логический элемент 2ИЛИ-НЕ включает электронный ключ, подключающий дополнительный источник напряжения - повышающий преобразователь напряжения, к емкостному элементу, дополнительно заряжая его, при этом в нагрузке формируется отрицательная полуволна тока. По истечении времени, определяемого параметрами формирователя обратной связи, электронный ключ выключается, колебательный процесс в контуре продолжается и формируется следующая положительная полуволна тока зажигания. Основным недостатком данной системы зажигания является влияние параметров колебательного контура и его нагрузки на величину тока в свече зажигания, и, как результат этого, недостаточно высокая надежность зажигания топливной смеси. При изменении параметров колебательного контура, а именно, при изменении параметров нагрузки в процессе работы ДВС, изменении величины емкостного элемента и параметров катушки зажигания - формирователь сигнала обратной связи обеспечивает поддержание резонансного колебательного процесса в контуре, но при этом меняется добротность колебательного контура и соответственно, меняется амплитуда тока в нагрузке. Кроме того, при подключении к штатным системам зажигания, для обеспечения устойчивого колебательного процесса и величины необходимого тока зажигания, требуется настройка системы под конкретную катушку зажигания, т.к. ее параметры определяют параметры колебательного контура. Вследствие подключения емкости непосредственно к первичной обмотке катушки зажигания, при размыкании прерывателя сразу начинается колебательный процесс, при котором форма и амплитуда первого из серии генерируемых импульсов, обеспечивающего пробой искрового промежутка свечи, отличается от штатного импульса зажигания - амплитуда напряжения на свече зажигания снижается, т.е. снижается надежность пробоя искрового промежутка, что приводит к затрудненному пуску двигателя, особенно при низких температурах, когда напряжение бортовой сети при запуске значительно снижается и соответственно снижается амплитуда напряжения на свече зажигания. Кроме того, вследствие затягивания емкостью фронта нарастания напряжения первого из серии генерируемых импульсов зажигания, увеличивается время от момента размыкания прерывателя до момента пробоя искрового промежутка свечи зажигания и соответственно, при установке данной системы, вместе со штатной, требуется дополнительная регулировка угла опережения зажигания в двигателе. В данной системе имеет место несимметричность тока в свече зажигания (Iз3 см. Фиг. 5), т.к. подпитка колебательного контура осуществляется только на отрицательной полуволне и амплитуда положительной полуволны оказывается меньше чем амплитуда отрицательной, что приводит к повышенной эрозии электродов свечи зажигания. Кроме того подключение емкостного элемента, для подпитки контура, к дополнительному источнику повышенного напряжения создает большие импульсные токи в системе и соответственно большой уровень электромагнитных помех. К недостаткам относится также невозможность подключения к современным штатным системам зажигания, использующим в качестве прерывателя электронные ключи, т.к. при подключении повышающего преобразователя напряжения, обеспечивающего незатухающий колебательный процесс, к первичной обмотке катушки зажигания, на выходе прерывателя оказывается отрицательное напряжение более 100 В, которое выведет из строя электронный ключ.
Целью создания предлагаемого устройства зажигания ДВС является повышение надежности зажигания топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания. Это стало возможно за счет сохранения штатного импульса зажигания, добавления к нему серии дополнительных импульсов тока зажигания, и устранения влияния параметров катушки зажигания и ее нагрузки на параметры дополнительной серии импульсов тока зажигания.
Поставленная цель достигается тем что, устройство зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержит источник питания, катушку зажигания, прерыватель, преобразователь напряжения, электронныйключ, формирователь управляющих сигналов, причем преобразователь напряжения выполнен в виде генератора синусоидального тока, в систему зажигания дополнительно введена схема стабилизации тока зажигания, а формирователь управляющих сигналов выполнен с возможностью сдвига во времени начала генерации серии импульсов относительно начала штатного импульса зажигания.
Преобразователь напряжения, выполненный в заявляемом устройстве в виде генератора синусоидального тока, может быть реализован в виде двухтактного резонансного преобразователя, непосредственно в схему которого, с помощью дополнительной вторичной обмотки его трансформаторной катушки, введена схема стабилизации тока зажигания.
Стабилизация выходного тока преобразователя напряжения, реализованного в виде двухтактного резонансного преобразователя, обеспечена путем изменения его рабочей частоты.
В случае выполнения прерывателя в виде электронного ключа, он подключается к первичной обмотке катушки зажигания посредством диода.
В заявляемом устройстве зажигания увеличение энергии искры зажигания топливной смеси, достигается путем добавления серии импульсов тока к штатному импульсу зажигания, в отличие от прототипа, где штатный импульс тока зажигания заменяется серией генерируемых импульсов, амплитуда которых зависит от изменения параметров системы зажигания ДВС и параметров нагрузки.
В заявляемом устройстве серия дополнительных импульсов формируется преобразователем напряжения, выполненным, в отличие от прототипа, в виде генератора синусоидального тока, с дополнительно введенной схемой стабилизации тока, Обе эти меры обеспечивают независимость амплитуды дополнительных импульсов тока зажигания от изменения параметров штатной системы зажигания ДВС и параметров нагрузки.
Отсутствие, в заявляемом устройстве, емкостного элемента, подключенного к первичной обмотке катушки зажигания, позволяет, в отличие от прототипа, сохранить неизменными параметры штатного импульса зажигания классической штатной системы зажигания, а подключение (после пробоя искрового промежутка свечи зажигания штатным импульсом зажигания) к первичной обмотке катушки зажигания преобразователя напряжения, выполненного в виде генератора синусоидального тока, имеющего «бесконечное» выходное сопротивление, позволяет сформировать в свече зажигания серию дополнительных импульсов стабильного синусоидального тока.
Реализация преобразователя напряжения в виде генератора синусоидального тока, в частности в виде двухтактного резонансного преобразователя напряжения, обеспечивает в обмотках катушки зажигания и соответственно в свече зажигания синусоидальный симметричный ток, что позволяет снизить эрозию электродов свечи зажигания, по сравнению с прототипом, а отсутствие импульсных токов, значительно снижает уровень электромагнитных помех.
Кроме того заявляемое устройство зажигания ДВС универсально для использования со штатными системами зажигания ДВС, содержащими не только механические прерыватели но и электронные.
Заявляемое устройство представлено на чертежах:
Фиг. 1. Блок-схема устройства зажигания с механическим прерывателем.
Фиг. 2. Блок-схема устройства зажигания с электронным прерывателем.
Фиг. 3. Принципиальная схема преобразователя напряжения и схемы стабилизации тока зажигания с построением преобразователя напряжения в виде двухтактного резонансного преобразователя.
Фиг. 4. Принципиальная схема возможной реализации формирователя управляющих сигналов.
Фиг. 5. Временные диаграммы тока зажигания в прототипе и в заявляемой системе.
Заявляемое устройство зажигания содержит (см. Фиг. 1), как и прототип, источник питания (1), катушку зажигания (2), прерыватель (3) - входящие в состав штатной классической системы зажигания, к которой без изменения ее работы подключены: преобразователь напряжения (4), который в отличие от прототипа, выполнен как генератор синусоидального тока со схемой стабилизации тока (5) и может быть выполнен в виде двухтактного резонансного преобразователя напряжения, формирователь управляющих сигналов (6) (см. Фиг. 4), электронный ключ (7), свечу зажигания (8).
В случае применения электронного прерывателя (см. Фиг. 2), который, как правило, используется в современных автомобилях, в устройство зажигания между первичной обмоткой катушки зажигания (2) и прерывателем (3) дополнительно введен диод (9).
Преобразователь напряжения может быть выполнен, например, в виде двухтактного резонансного преобразователя напряжения, как представлено на. Фиг 3.
Схема стабилизации тока зажигания может быть выполнена, например, непосредственно в схеме самого двухтактного резонансного преобразователя и введена в схему посредством дополнительной обмотки (10) его трансформатора, как представлено на Фиг. 3.
Схема формирователя управляющих сигналов может быть выполнена с применением логических элементов, например, как представлено на Фиг. 4.
Устройство работает следующим образом.
На первом этапе формирования искры зажигания работают только элементы входящие в штатную классическую систему зажигания: источник питания (1), катушка зажигания (2), в зависимости от исполнения - механический или электронный прерыватель (3), свеча зажигания (8). При размыкании прерывателя (3) на втором выводе первичной обмотки катушки зажигания (2), образуется неизмененный, в отличие от прототипа, положительный импульс (штатный импульс зажигания), который трансформируется в высоковольтный импульс во вторичной обмотке (Uз см. Фиг. 5), обеспечивая пробой искрового промежутка в свече зажигания, в результате которого в свече зажигания возникает ток искры зажигания (Iз1 см. Фиг. 5).
По этому импульсу формирователь управляющих сигналов (6) с задержкой, необходимой для пробоя штатным импульсом зажигания искрового промежутка в свече зажигания, включает преобразователь напряжения (4) и открывает электронный ключ (7), подключая, таким образом, схему преобразователя напряжения (4) к первичной обмотке катушки зажигания.
Преобразователь напряжения, выполненный, в отличие от прототипа, по схеме двухтактного резонансного преобразователя, представляющий собой по сути генератор синусоидального тока, имеет эффективное выходное сопротивление значительно большее, чем эффективное сопротивление его нагрузки - катушки зажигания (2) нагруженной на свечу зажигания (8). В результате, преобразователь напряжения (4) генерирует в первичной обмотке катушки зажигания (2) синусоидальный ток, параметры которого определяются собственными параметрами преобразователя напряжения и, в отличие от прототипа, не зависят от параметров нагрузки преобразователя напряжения. Ток в первичной обмотке катушки зажигания (2) трансформируется в синусоидальный ток во вторичной обмотке и, соответственно, в искровом промежутке свечи зажигания (8) формируется серия симметричных импульсов синусоидального тока (Iз2 см. Фиг. 5). Исходя из принципа работы резонансного преобразователя напряжения - реализованного в данном устройстве, его выходной ток можно регулировать изменением его рабочей частоты. Для обеспечения стабильного тока преобразователя напряжения, независимо от изменения напряжения бортовой сети и температурных уходов параметров компонентов, сигнал с дополнительной обмотки (10) (см. Фиг. 3) трансформатора преобразователя напряжения (4) поступает на схему стабилизации тока (5), которая подстраивает рабочую частоту преобразователя напряжения таким образом, что амплитуда выходного тока преобразователя напряжения и, соответственно, амплитуда тока в свече зажигания, в отличие от прототипа, остается постоянной.
Поясним подробнее работу двухтактного резонансного преобразователя напряжения, возможная принципиальная схема которого приведена на фиг. 3. Он содержит микросхему D1, типа IR2151, используемую для двухтактных преобразователей напряжения. При поступлении с формирователя управляющих сигналов (блок 6 на Фиг…1; 2) разрешающего сигнала на вход управления - вывод 3 микросхемы D1, запускается внутренний тактовый генератор микросхемы D1, частота которого определяется элементами R1, C1. На выходах 5 и 7 микросхемы D1 формируются противофазные сигналы для управления силовыми транзисторами VT1, VT2. Тактовая частота внутреннего тактового генератора выбирается близкой к резонансной частоте колебательного контура, образованного индуктивностью трансформатора Тр1 и емкостью С2. В результате, в цепи, образованной вторичной обмоткой трансформатора Тр1 преобразователя напряжения и емкостью С2, генерируется синусоидальный ток. При прохождении данного тока через диоды VD1, VD2, в точке соединения диодов с емкостью С2, получаются импульсы напряжения близкого к прямоугольному, фронты которых совпадают с переходом синусоидального тока контура через 0. Эти импульсы через резистор R3 и емкость С1 поступают на управляющий вход микросхемы D1, синхронизируя моменты переключения тактового генератора с переходом тока в резонансном контуре через «0»(ноль). В результате производится автоматическая точная настройка частоты тактового генератора на резонансную частоту контура. Напряжение с дополнительной обмотки (10) трансформатора преобразователя напряжения, через резистор R2, суммируется с напряжением на диодах VD1, VD2, в результате чего фронты импульсного напряжения, поступающего на управляющий вход 3 микросхемы D1, сдвигаются во времени относительно моментов перехода через «0» тока в резонансном контуре и соответственно производится расстройка частоты тактового генератора от резонансной частоты контура. Величиной резистора R2 можно регулировать величину расстройки и соответственно амплитуду тока в контуре. При изменении амплитуды тока в контуре, вследствие изменения напряжения питания или параметров элементов схемы, изменяется амплитуда напряжения на дополнительной обмотке (10) трансформатора преобразователя напряжения и соответственно изменяется временной сдвиг фронтов синхронизирующего напряжения на управляющем входе 3 микросхемы D1. Вследствие этого изменяется расстройка частоты внутреннего тактового генератора от резонансной частоты колебательного контура так, что величина тока в контуре остается постоянной.
Подробнее рассмотрим работу формирователя управляющих сигналов, возможная принципиальная схема которого представлена на Фиг. 4. Положительный импульс со второго вывода первичной обмотки катушки зажигания (поз. 2 на Фиг…1; 2), образующийся при размыкании прерывателя (поз. 3 на Фиг…1; 2.), поступает на вход формирователя управляющих сигналов (6), выполненного на логических элементах 2И-НЕ (см. Фиг. 4). На элементах D2B, D2C, R1, C1 собран одновибратор, формирующий импульс управления преобразователем напряжения (поз. 4 на Фиг…1; 2), электронным ключом (поз. 7 на Фиг…1; 2) и задающим длительность серии дополнительных импульсов тока зажигания. Элементы R2, C2 обеспечивают задержку во времени управляющего импульса, необходимую для пробоя искрового промежутка в свече зажигания штатным импульсом зажигания. На элементах D3A, D3B, R3, R4, R5, C3, C4, VT1, собран преобразователь частоты в ток, который изменяет скорость разряда емкости C1 в одновибраторе, формирующем импульс управления (преобразователем напряжения, электронным ключом и задающим длительность серии дополнительных импульсов тока зажигания), и соответственно длительность этого импульса, пропорционально периоду оборотов двигателя, сохраняя постоянный угол зажигания.
Как видим, заявляемое устройство зажигания двигателя внутреннего сгорания во первых, обеспечивает надежное зажигание топливной смеси в двигателе, за счет увеличения энергии искры зажигания добавлением к штатному импульсу зажигания серии стабильных по амплитуде импульсов синусоидального тока, не зависящих от изменения параметров устройства, кроме того, в заявляемом устройстве, по сравнению с прототипом, снижена эрозия электродов свечи зажигания, за счет симметрии импульсов тока, снижен уровень электромагнитных помех, создаваемых устройством зажигания, за счет «мягкого» (при нулевом токе) подключения к катушке зажигания генератора синусоидального тока, а также обеспечено простое подключение заявляемого устройства, без дополнительных регулировок, к любой штатной системе зажигания ДВС, использующей как механический, так и электронный прерыватель.
Заявляемое устройство зажигания двигателя внутреннего сгорания может быть изготовлено с помощью известных освоенных технологических процессов, например таких, как процесс изготовления печатных плат гальванометодом, процессы литья или штамповки корпусных деталей.
В настоящее время закончен этап изготовления и испытаний опытного образца, идет процесс подготовки производства.
Источники принятые во внимание
1. Патент RU №2171392 на изобретение «Способ формирования многоимпульсного режима возбуждения катушки зажигания ДВС» - аналог.
2. Патент RU №2069791 на изобретение «Система зажигания ДВС» - аналог.
3. Патент RU №2276282 на изобретение «Система зажигания двигателя внутреннего сгорания».