КОНДЕНСАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ МОДУЛЬ ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СО ВСТРОЕННЫМИ СРЕДСТВАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Конденсаторно-тиристорный модуль зажигания для двигателей внутреннего сгорания со встроенными средствами исследования и контроля функционирования
Полезная модель относится к импульсной технике и технике поджога горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания, и может быть использовано для исследования и контроля функционирования оконечного каскада конденсаторно-тиристорного модуля системы зажигания двигателя внутреннего сгорания.
Конденсаторно-тиристорный модуль зажигания для двигателей внутреннего сгорания со встроенными средствами исследования и контроля функционирования (Фиг. 1), содержащий преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение (4), первый вход которого подключен к первому входу формирователя импульсов (5) и первому зажиму (1) конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для подключения к положительному выводу +E бортовой сети автомобиля, вторые входы преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение (4) и формирователя импульсов (5) соединены с третьим зажимом (3) конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля, первый выход преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение (4) подсоединен к первому входу тиристорного ключа (10), к первой обкладке первого накопительного конденсатора (7) и первой обкладке второго накопительного конденсатора (8), вторая обкладка которого подсоединена к первому входу блока (9) управления мощным режимом, второй вход которого соединен со вторым выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение (4) и через обратно включенный диод (6) со второй обкладкой первого накопительного конденсатора (7) и вторым выходом блока (9) управления мощным режимом, первый и второй выходы формирователя импульсов (5) подключены к первому и второму управляющим входам тиристорного ключа (10), выход которого подсоединен к входу блока (11) увеличения длительности искрового разряда и первому зажиму первичной обмотки катушки зажигания (18). Полезная модель отличается тем, что введенены первый (13), второй (14) и третий (16) образцовые резисторы, причем первые выводы первого (13), второго (14) и третьего (16) образцовых резисторов объединены между собой и соединены с третьим зажимом (3) конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля и первому выходу блока управления мощным режимом (9), управляющий вход которого соединен со вторым (2) (управляющим) зажимом конденсаторно-тиристорного модуля зажигания, второй вывод первого (13) образцового резистора подсоединен к выходу блока (11) увеличения длительности искрового разряда и первому (12) информационному зажиму исследования токовременных параметров первичной цепи, второй вывод второго (14) образцового резистора соединен с анодом диода (6) и вторым (15) информационным зажимом исследования токовременных параметров первичной цепи, второй вывод третьего (16) образцового резистора подключен ко второму зажиму первичной обмотки катушки зажигания (18) и третьему (17) информационному зажиму исследования токовременных параметров первичной цепи.
Кроме того в конденсаторно-тиристорный модуль зажигания (Фиг. 2) введен блок (26) контроля функционирования, первый вход и первый информационный вход которого подключены, соответственно, к третьему зажиму (3) конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля и третьему выходу преобразователя (4) постоянного напряжения в переменное напряжение, второй информационный вход блока (26) контроля функционирования подсоединен к информационному выходу формирователя импульсов (5), а третий информационный вход блока (26) контроля функционирования соединен с первыми обкладкам первого (7) и второго (8) накопительных конденсаторов.
Как вариант, блок контроля функционирования конденсаторно-тиристорного модуля зажигания (Фиг. 3) содержит шесть резисторов, три диода, четыре стабилитрона и три конденсатора, причем первый информационный вход блока (26) контроля функционирования подключен к катоду первого стабилитрона (26-7), анод которого подсоединен через последовательно соединенные первый резистор (26-6) и первый диод (26-5) к катоду второго стабилитрона (26-1), одной из обкладок первого конденсатора (26-2) и через второй резистор (26-4) к аноду первого светодиода (26-3), катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора (26-2), аноду второго стабилитрона (26-1) и к первому входу блок (26) контроля функционирования, второй информационный вход которого подсоединен через последовательно соединенные третий резистор (26-13) и второй диод (26-12) к катоду третьего стабилитрона (26-8), одной из обкладок второго конденсатора (26-9) и через четвертый резистор (26-11) к аноду второго светодиода (26-10), катод которого подключен ко второй обкладке второго конденсатора (26-9), аноду третьего стабилитрона (26-9) и к первому входу блока (26) контроля функционирования, третий информационный вход которого подключен через последовательно соединенные пятый резистор (26-14) и обратно включенный третий диод (26-15) к аноду четвертого стабилитрона (26-17), одной из обкладок третьего конденсатора (26-18) и через шестой резистор (26-16) к катоду третьего светодиода (26-19), анод которого подключен к катоду четвертого стабилитрона (26-17), второй обкладке третьего конденсатора (26-18) и к первому входу блока (26) контроля функционирования.
ФИ содержит независимых пунктов - 1, зависимых - 2, фиг. 1 - фиг. 5
Описание полезной модели
Полезная модель относится к импульсной технике и технике поджога горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания, и может быть использовано для исследования и контроля функционирования оконечного конденсаторно-тиристорный модуля системы зажигания, установленного на двигатель внутреннего сгорания, в т.ч. в процессе его запуска и работе на всех режимах.
Из всех существующих систем зажигания наиболее перспективными являются конденсаторно-тиристорные модули зажигания (КТМЗ), преимущества которых в наибольшей мере проявляются при поджоге обедненных и бедных газовоздушных смесей. КТМЗ обеспечивают надежный поджег и полное сгорание топливовоздушных смесей на всех режимах работы двигателя, т.к. высокое амплитудное значение тока первой индуктивной составляющей искрового разряда, формирующего дуговой разряд, и высокая скорость нарастания вторичного напряжения, позволяющая пробить увеличенный искровой зазор свечи зажигания, форсируют начальный очага горения и снижают вероятность пропусков воспламенения бензиновых и альтернативных видов топлива.
Форсирование начальной фазы, т.е. ускорение развития начального очага горения достигается увеличением межэлектродного зазора свечи зажигания и энергии искрового инициирующего разряда. Очаг горения при этом начинает распространяться от больших начальных объемов, что способствует снижению длительности начальной фазы сгорания и ускоренному распространению фронта пламени.
Амплитуда тока и длительность искрового разряда, характеризующие при прочих равных условиях его энергию, существенно влияет на процессы воспламенения и горения топливовоздушной смеси при пуске и работе, как горячего, так и холодного двигателя, а также на эксплуатационные характеристики двигателя. Допустимыми значениями амплитуды вторичного тока и длительности искрового разряда считается, соответственно, 100-50 мА и 0,2-0,6 мс. При меньших значениях амплитуды вторичного тока и длительности искрового разряда ухудшаются условия пуска двигателя, а большие значения амплитуды вторичного тока и длительности искрового разряда следует применять лишь кратковременно, например, при пуске холодного двигателя на нормальной или на переобогащенной смеси, холостых оборотах (двигателей работающих на компримированном газе) и при резком нажатии на педаль газа (резком увеличении оборотов двигателя), т.к. увеличивается эрозия электродов свечей и уменьшается срок их службы.
В процессе эксплуатации автомобиля основная доля неисправностей, с которыми водителю приходится сталкиваться в пути, ложится на различные системы и агрегаты двигателя. Первоочередная задача, которую водителю приходится решать в этом случае, это задача диагностики неисправности. Опыт показывает, что в подавляющем большинстве случаев отказы в работе двигателя наблюдаются либо в системе питания, либо в системе зажигания. В настоящее время водитель практически не имеет объективных технических средств диагностики неисправного состояния системы зажигания двигателя в пути. При выяснении неисправности двигателя он может ориентироваться только на свой опыт, и схема его действий сводится только к последовательной проверке функционирования основных систем двигателя.
Особенностью предлагаемой полезной модели исследования и контроля процесса искрообразования заключается в фиксации амплитудно-временных параметров токов, протекающих в первичной и вторичной электрических цепях катушки зажигания.
Известна тиристорная система электронного зажигания для двигателей внутреннего сгорания, описанная в [М.П. Брижинев. Стабилизация напряжения преобразователя // Радио. - 1984. - №10. - С. 22, разработанная на базе автор, свидетельства №978294 МКЛ 3 H02M 3/335. Однотактный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения / Брижинев М.П - №3302487/24-07; Заявлено 19.06.81; Опубл. 30.11.82, Бюл. №44 //Открытия. Изобретения. - 1982.- №44, 2.], содержащая преобразователь постоянного напряжения в переменное на базе задающего генератора и импульсного трансформатора, первый вход задающего генератора подключен к первому входу импульсного трансформатора, первому входу формирователя импульсов и первому зажиму для подключения к положительному выводу +E бортовой сети автомобиля, вторые входы задающего генератора и формирователя импульсов соединены с отрицательным -E (общим) зажимом бортовой сети автомобиля, первый, второй и третий выходы задающего генератора подсоединены, соответственно, ко второму, третьему и четвертому входам импульсного трансформатора, первый выход которого подключен к первому входу блока стабилизации преобразователя постоянного напряжения в переменное и через прямо включенный диод к первому входу тиристорного ключа, к первой обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена со вторым выходом импульсного трансформатора, первый и второй выходы формирователя импульсов подключены к первому и второму управляющим входам тиристорного ключа, выход которого подсоединен к первому зажиму первичной обмотки катушки зажигания, второй зажим которой соединен со второй обкладкой накопительного конденсатора.
Недостатком известной системы зажигания является короткая длительность искрового разряда не превышающая 0,3 мс, отсутствие режима увеличение энергии искрового разряда при пуске двигателя, работе на холостых оборотах и контроля ее функционирования.
Наиболее близким к полезной модели является тиристорная система электронного зажигания для двигателей внутреннего сгорания, описанная в [А.С. 1772403 SU, МКИ5 F02F 3/06. Тиристорная система электронного зажигания / Шаронов Г.И., Володин И.М. и др. - №4715444/21; Заявлено 19.05.89; Опубл. 30.10.92 Бюл. №40 // Открытия. Изобретения. - 1992. - №40], в которой исключены первые два из указанных недостатков, содержащая преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение, первый вход которого подключен к первому входу формирователя импульсов и положительному зажиму бортовой сети автомобиля, вторые входы преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение и формирователя импульсов соединены с общим зажимом бортовой сети автомобиля, первый выход преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение подключен к первому входу тиристорного ключа, к первой обкладке первого накопительного конденсатора и первой обкладке второго накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подсоединена к первому входу блока управления мощным режимом, второй вход которого соединен со вторым выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение и через обратно включенный диод со второй обкладкой первого накопительного конденсатора, вторым выходом блока управления мощным режимом, первый и второй выходы формирователя импульсов подключены к первому и второму управляющим входам тиристорного ключа, выход которого подсоединен к входу блока увеличения длительности искрового разряда и первому зажиму первичной обмотки катушки зажигания, второй зажим которой соединен с анодом диода.
Недостатком данной тиристорной системы электронного зажигания, как и предыдущей, является отсутствие возможности для исследования токовременных параметров первичной цепи и, соответственно, процесса формирования искрового разряда на различных режимах работы ДВС и различных альтернативных видах топлива при нормальном и мощном режимах и визуального контроля ее функционирования.
Сущность предлагаемого полезной модели исследования и контроля процесса искрообразования для ДВС заключается в фиксации амплитудно-временных параметров токов, протекающих в первичной и вторичной электрических цепях катушки зажигания, синхронно с запускающими сигналами на формирование искрового разряда с соответствующих выходов микропроцессорного блока управления зажиганием, или электромагнитного датчика, или датчика Холла, или контактного датчика (прерывателя).
Устранить указанные недостатки позволяет конденсаторно-тиристорный модуль зажигания для двигателей внутреннего сгорания со встроенными средствами исследования и контроля функционирования, содержащий преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение, первый вход которого подключен к первому входу формирователя импульсов и первому зажиму конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для подключения к положительному выводу +E бортовой сети автомобиля, вторые входы преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение и формирователя импульсов соединены с третьим зажимом конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля, первый выход преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение подсоединен к первому входу тиристорного ключа, к первой обкладке первого накопительного конденсатора и первой обкладке второго накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подсоединена к первому входу блока управления мощным режимом, второй вход которого соединен со вторым выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение и через обратно включенный диод со второй обкладкой первого накопительного конденсатора и вторым выходом блока управления мощным режимом, первый и второй выходы формирователя импульсов подключены к первому и второму управляющим входам тиристорного ключа, выход которого подсоединен к входу блока увеличения длительности искрового разряда и первому зажиму первичной обмотки катушки зажигания. Полезная модель отличается тем, что введенены первый, второй и третий образцовые резисторы, причем первые выводы первого, второго и третьего образцовых резисторов объединены между собой и соединены с третьим зажимом конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля и первому выходу блока управления мощным режимом, управляющий вход которого соединен со вторым (управляющим) зажимом конденсаторно-тиристорного модуля зажигания, второй вывод первого образцового резистора подсоединен к выходу блока увеличения длительности искрового разряда и первому информационному зажиму исследования токовременных параметров первичной цепи, второй вывод второго образцового резистора соединен с анодом диода и вторым информационным зажимом исследования токовременных параметров первичной цепи, второй вывод третьего образцового резистора подключен ко второму зажиму первичной обмотки катушки зажигания и третьему информационному зажиму исследования токовременных параметров первичной цепи.
Кроме того, как вариант, в конденсаторно-тиристорный модуль зажигания введен блок контроля функционирования, первый вход и первый информационный вход которого подключены, соответственно, к третьему зажиму конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля и третьему выходу преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение, второй информационный вход блока контроля функционирования подсоединен к информационному выходу формирователя импульсов, а третий информационный вход блока контроля функционирования соединен с первыми обкладкам первого и второго накопительных конденсаторов.
Как вариант, блок контроля функционирования конденсаторно-тиристорного модуля зажигания содержит шесть резисторов, три диода, четыре стабилитрона и три конденсатора, причем первый информационный вход блока контроля функционирования подключен к катоду первого стабилитрона, анод которого подсоединен через последовательно соединенные первый резистор и первый диод к катоду второго стабилитрона, одной из обкладок первого конденсатора и через второй резистор к аноду первого светодиода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора, аноду второго стабилитрона и к первому входу блок контроля функционирования, второй информационный вход которого подсоединен через последовательно соединенные третий резистор и второй диод к катоду третьего стабилитрона, одной из обкладок второго конденсатора и через четвертый резистор к аноду второго светодиода, катод которого подключен ко второй обкладке второго конденсатора, аноду третьего стабилитрона и к первому входу блока контроля функционирования, третий информационный вход которого подключен через последовательно соединенные пятый резистор и обратно включенный третий диод к аноду четвертого стабилитрона, одной из обкладок третьего конденсатора и через шестой резистор к катоду третьего светодиода, анод которого подключен к катоду четвертого стабилитрона, второй обкладке третьего конденсатора и к первому входу блока контроля функционирования.
Полезная модель позволяет повысить достоверность исследования и контроля работоспособности оконечного каскада конденсаторно-тиристорного модуля зажигания двигателя внутреннего сгорания на различных альтернативных видах топлива и режимах работы.
Амплитудно-временные параметры КТМЗ определяются резонансными свойствами колебательного контура, состоящего из накопительного конденсатора, первичной обмотки катушки зажигания и магнитосвязанной с ней вторичной обмотки, нагрузкой которой является межэлектродный зазор свечи. Передача энергии во вторичную цепь катушки зажигания, от заряженного до заданного значения напряжения конденсатора осуществляется путем подключения его тиристорным ключом к первичной обмотке катушки зажигания.
На фиг. 1, приведена структурная схема конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для двигателей внутреннего сгорания со встроенными средствами исследования в объеме независимого пункта 1 формулы полезной модели, где 1 - зажим для подключения источника энергии бортовой цепи автомобиля, 2 - зажим для подключения сигнала управления мощным режимом, например, при включении и работе стартера. 3 - зажим, для соединения с общей шиной бортовой сети автомобиля, 4 - преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение, 5 - формирователя импульсов, 6 - диод, 7 - конденсатор (первый), 8 - конденсатор (второй), 9 - блока управления мощным режимом, 10 - тиристорный ключ, 11 - блок увеличения длительности искрового разряда, 12 - первый информационный зажим для исследования токовременных параметров первичной цепи, 13 - первый образцовый резистор для исследования токовременных параметров первичной цепи, 14 - второй образцовый резистор для исследования токовременных параметров первичной цепи, 15 - второй информационный зажим для исследования токовременных параметров первичной цепи, 16 - третий образцовый резистор для исследования токовременных параметров первичной цепи, 17 - второй информационный зажим для исследования токовременных параметров первичной цепи, 18 - катушка зажигания.
На фиг. 2, приведена структурная схема конденсаторно-тиристорного модуля зажигания для двигателей внутреннего сгорания со встроенными средствами исследования (в объеме, изображенном на фиг. 1) и контроля функционирования (26) в объеме независимого пункта 1 и зависимого пункта 2 формулы полезной модели.
На фиг. 3 приведена принципиальная схема конденсаторно-тиристорный модуль зажигания для двигателей внутреннего сгорания со встроенными средствами исследования и контроля функционирования в объеме независимого пункта 1, зависимого пункта 2 и зависимого пункта 3 формулы полезной модели.
На фиг. 4 приведены временные диаграммы работы формирователя импульсов 5 с механическим датчиком (прерывателем) 5-1.
На фиг. 5 (а-к) приведены временные диаграммы работы КТМЗ с момента времени формирования искрового разряда, на которых изображены:
1
- напряжение на первичной W обмотке катушки зажигания 18 в нормальном (а) и в мощном (пусковом) (е) режимах, фиксируемые на первом зажиме первичной обмотки катушки зажигания относительно третьего зажима 3 КТМЗ (общей шины -E);
- токи, протекающие через тринистор 10-1 в нормальном (б) и в мощном (пусковом) (ж) режимах, фиксируемые на втором информационном зажиме 15 относительно зажима 3 КТМЗ (падение напряжения на образцовым резисторе 14 пропорционального току через тринистор 10-1);
- токи, протекающие через диод 11-6, тринистор 11-5 в нормальном (в) и мощном (пусковом) (з) режимах, фиксируемые на первом информационном зажиме 12 относительно зажима 3 КТМЗ (падение напряжения на образцовом резисторе 13 пропорционального току через тринистор 11-5);
1
1
- токи, протекающие в первичной обмотке W катушки зажигания 18 в нормальном (г) и мощном (пусковом) (и) режимах, фиксируемые на третьем информационном зажиме 17 относительно зажима 3 КТМЗ (падение напряжения на образцовом резисторе 16 пропорционального току через первичную обмотку W катушки зажигания 18);
2
- токи, протекающие во вторичной обмотке W катушки зажигания 18 в нормальном (д) и мощном (пусковом) (к) режимах, фиксируются, например, трансформатором тока на высоковольтном выводе катушки зажигания 18.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Преобразователь 4 постоянного напряжения в переменное напряжение представляет собой однотактный обратноходовой стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (ООСПН) в переменное (импульсное) напряжение на базе задающего генератора 19, импульсного трансформатора 20 и диода 25, работа которого, например, подробно описана в [А.Х. Синельников. Электроника в автомобиле. - 3-е изд., перераб. И доп. - М.: Радио и связь, 1986. - 96 с, с ил. - (массовая радиобиблиотека; Вып. 1084. Стр. 42-47)], а стабилизация вторичного напряжения осуществляется блоком 24 стабилизации преобразователя постоянного напряжения в переменное, принцип работы которого подробно описан в [М. Брижинев. Стабилизация напряжения преобразователя // Радио. - 1984. - №10. - С. 22].
Работу конденсаторно-тиристорного модуля зажигания (КТМЗ) рассмотрим, начиная с работы преобразователя 4 постоянного напряжения в переменное напряжение реализующего непрерывное накопление энергии в конденсаторе 7 (и конденсатора 8 в мощном режиме). При подаче напряжения питания +E бортовой сети автомобиля на зажим 3 через обмотку 21 импульсного трансформатора 20, эмиттерный переход транзистора 19-11 и резистор смещения 19-5 начинает течь ток базы транзистора 19-11. В результате чего транзистор 19-11 открывается и почти полное напряжение питания бортовой сети прикладывается к обмотке 21 импульсного трансформатора 20 и через нее начинает протекать линейно нарастающий ток коллектора транзистора 19-11. Магнитодвижущая сила обмотки 21 возбуждает в магнитопроводе магнитный поток. Этот магнитный поток индуцирует в первичной обмотке 21 ЭДС самоиндукции, а в остальных обмотках ЭДС индукции. Сильная положительная обратная связь, осуществляемая обмоткой обратной связи 22 через резистор 19-14, эмиттерный переход транзистора 19-11 и диод 19-13 обуславливает лавинообразный характер нарастания тока базы и такой же характер уменьшения разности потенциалов между коллектором и эмиттером транзистора 19-11. Через некоторый момент времени разница потенциалов между коллектором и эмиттером транзистора снижается до единиц Вольт и транзистор 19-11 переходит в режим насыщения. Во время протекания тока в обмотке 21 происходит накопление энергии в магнитном поле импульсного трансформатора 20. При увеличении тока через обмотку импульсного трансформатора 20 увеличивается падение напряжения на резисторе 19-1 ив момент, когда падение напряжения становится равным примерно 0,65-0,7 В из-за наличия конденсатора 19-2 и резистора 19-3 (т.е. когда потенциал на базе транзистора 19-4 станет на 0,6 В положительнее потенциала эмиттера этого транзистора) транзистор 19-4 открывается и открывается также транзистор 19-8, т.к. начинает течь ток базы транзистора 19-8 через резистор 19-7 и открытый транзистор 19-4. Открытый транзистор 19-8 через диод 19-9 шунтирует базо-эмиттерный переход транзистора 19-11. Транзистор 19-11 начинает закрываться и из-за действия положительной обратной связи происходит лавинообразное снижение и инвертирование базового тока транзистора 19-11 и он закрывается. Ток в первичной обмотке 21 импульсного трансформатора 20 резко прекращается. На этом заканчивается прямой ход работы ООСПН. Диод 25 во время прямого хода закрыт, т.к. к его аноду приложен отрицательный потенциал. После разрыва тока в обмотке 21 импульсного трансформатора 20 начинается обратный ход работы ООСПН. Энергия, накопленная в магнитном поле импульсного трансформатора 20, создает (при обратном ходе работы ООСПН) в его обмотках импульсы напряжения противоположной полярности. Положительный импульс с конца обмотки 23 открывает диод 25 и ток, индуцированный во вторичной обмотке 23 импульсного трансформатора 20, заряжает конденсатор 7. Положительное напряжение с начала обмотки 22 через конденсатор 19-12 прикладывается к базе транзистора 19-11 и запирает его. После окончания действия импульса обратного хода. После «сброса» энергии накопленной в магнитном поле импульсного трансформатора 20 в конденсатор 7 напряжение на обмотках 23 и 22 падает до нуля и через резистор смещения 19-5 и эмиттерный переход транзистора 19-11 начинает протекать ток базы, транзистор 19-11 открывается и происходит новое накопление энергии в магнитном поле импульсного трансформатора 20. Во время работы ООСПН такты заряда конденсатора 7 следуют одни за другим до тех пор, пока напряжение на стабилитронах 24-2 и 24-3 не достигнет порога их открывания, что соответствует, например, напряжению 360 В на накопительном конденсаторе 7. Ток через цепь диод 24-1, стабилитрон 24-2 и стабилитрон 24-3 откроет тринистор 24-6, который закоротит вторичную обмотку 23 трансформатора 20 и сорвет генерацию. Одновременно закрывается диод 25, препятствуя разрядке конденсатора 7 через тринистор 24-6. ООСПН не работает до тех пор, пока энергия, накопленная при прямом ходе в магнитном поле импульсного трансформатора 20, рассеивается в режиме короткого замыкания на индуктивном (реактивном) сопротивлении вторичной обмотки 23 и активных сопротивлениях обмотки 23 и тринистора 24-6, ток через него уменьшается и достигает порога закрывания, по достижении которого он закрывается. ООСПН вновь вступает в работу и накопительный конденсатор 7 заряжается до значения напряжения пробоя стабилитронов 24-2 и 24-3. Ток потребления КТМЗ в отсутствии искрового разряда и в режиме стабилизации вторичного напряжения уменьшается как минимум на порядок. Конденсатор 19-2 и резистор 19-3 служат для надежного срабатывания транзистора 19-4.
Стабилитрон 19-10 применен для защиты силового транзистора 19-11 от ЭДС самоиндукции первичной обмотки 21 импульсного трансформатора 20 на безопасном для него уровне (равном напряжению пробоя стабилитрона 19-10).
В КТМЗ предусмотрено на момент, например, работы стартера, при работе двигателя на холостых оборотах или при резком нажатии педали газа (акселератора) включение мощного (пускового) режима с увеличенной плотностью тока, большей поверхностью и объемом инициирующего разряда (второй конденсатор 8 и блок 9 увеличения мощности искрового разряда), что позволяет надежно запускать двигатель при температуре до -30°C без предварительного подогрева топливовоздушной смеси. Включение мощного (пускового) режима производится подачей стабилизированного тока от бортовой цепи автомобиля на зажим 2, который протекает через светодиод оптотиристора 9-3. Срабатывает оптотиристор и подается положительный потенциал на управляющий электрод тиристора (тринистора) 9-2. Тринистор 9-2 открывается и конденсатор 8 (во время обратного хода ООСПН) через открытый тринистор 9-2 заряжается последовательно или одновременно с конденсатором 7 до напряжения, равного напряжению пробоя стабилитронов 24-2 и 24-3 за вычетом падения напряжения на тринисторе 9-2. Диод 6 исключает разряд заряженного конденсатора 7 на конденсатор 8 в момент включения блок 9 увеличения энергии искрового разряда. В каждом последующем такте формирования искрового разряда при включенном блоке 9 увеличения энергии искрового разряда, заряд и разряд конденсаторов 7 и 8 осуществляется одновременно.
Рассмотрим работу формирователь 5 в момент поступления сигнала с датчика 5-1 момента искрообразования, в качестве которого может быть микропроцессорный блок управления зажиганием, электромагнитный датчик, датчик Холла (питание которых осуществляется от источника энергии бортовой сети автомобиля по линии обозначенной пунктиром) или контактный датчик (прерыватель).
Исходное состояние, например, механического контактного датчика (прерывателя) 5-1 замкнуты: в этом случае по цепи протекает ток от источника энергии бортовой сети +E, зажим 1 КТМЗ, резистор 5-3, диод 5-2, механический датчик (прерыватель) 5-1, зажим 3 КТМЗ для подключения к отрицательному (общему) выводу бортовой сети автомобиля -E. А также, по следующей цепи протекает ток от источника энергии бортовой сети +E, зажим 1 КТМЗ, диод 5-4, резистор 5-5, механический датчик (прерыватель) 5-1, зажим 3 КТМЗ для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля. Данные токи через резистор 5-3, диод 5-2 и диод 5-4, резистор 5-5 формируют в основном необходимый и достаточный ток через контакты механического датчика (прерывателя) 5-1, что позволяет исключить образование окисной пленки на контактах прерывателя. Кроме того: и по следующей цепи протекает ток от источника энергии бортовой сети +E, зажим 1, диод 5-4, резистор 5-8, стабилитрон 5-11, диод 5-2, механический датчик (прерыватель) 5-1, зажим 3 КТМЗ для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля. Конденсатор 5-9 заряжается до напряжения равного по величине напряжению стабилизации стабилитрона 5-11.
0
2
4
1
3
В момент времени t, t, t. (фиг. 4 а), б), в), г). Контакты механического датчика (прерывателя) размыкаются, и к диоду 5-2 прикладывается напряжение конденсатора 5-9 в обратной полярности и диод 5-2 закрывается, а к управляющему электроду тиристора (тринистора) 5-12 это напряжение прикладывается в прямом направлении и он открывается. Напряжение с конденсатора 5-9 прикладывается к катоду диоду 5-2 относительно его анода по цепи: нижняя обкладка конденсатора 5-9 резистор 5-8 (или диод 5-7, при его наличии, например, при использовании тринистора с большим током через управляющий электрод типа КУ201, КУ202), резистор 5-5, катод диода 5-2. К управляющему электроду тринистора 5-12, ток протекает по цепи: нижняя обкладка конденсатора 5-9 резистор 5-8 (или диод 5-7, при его наличии), резистор 5-5, резистор 5-6, управляющий электрод тринистора 5-12, катод тринистора 5-12, верхняя обкладка конденсатора 5-9. Амплитуда напряжения положительного импульса на катоде диода 5-2 и на управляющем электроде тринистора 5-12 определяется сопротивлениями 5-8 (или диодом 5-7), резистором 5-5, резистором 5-6 и напряжением срабатывания управляющего электрода тринистора 5-12 (фиг. 4б). К первичным обмоткам 5-14 и 5-17 импульсных трансформаторов 5-13 и 5-16 прикладывается напряжение заряженного конденсатора 5-9 (фиг. 4в). Конденсатор 5-9 практически мгновенно (100-200 мкс.) разряжается на первичные обмотки 5-14 и 5-17 импульсных трансформаторов 5-13 и 5-16 и на его вторичных обмотках 5-15 и 5-18 формируется импульсы запуска (фиг.4 в) длительностью не менее 50 мкс. Амплитудное значение напряжения и тока запускающего импульса для тиристорного ключа 10 (тринистора 10-1) зависит от емкости конденсатора 5-9, напряжения источника энергии бортовой сети автомобиля или напряжения стабилизации стабилитрона 5-11, коэффициента трансформации первичных 5-14, 5-17 и, соответственно, вторичных обмоток 5-15, 5-18 импульсных трансформаторов 5-13 и 5-16, соответственно, сопротивления нагрузки блока 26 контроля функционирования конденсаторно-тиристорного модуля зажигания и сопротивления цепи запуска тиристорного ключа 10. Дребезг механического датчика (прерывателя) 5-1 при размыкании контактов не влияет на форму, амплитуду и длительность запускающего импульса, т.к. первый же импульс при размыкании контактов прерывателя запускает тринистор 5-12 и в дальнейшем независимо от состояния контактов (дребезга) прерывателя 5-1 тринистор 5-12 остается открытым на все время разряда и перезаряда конденсатора 5-9, за счет остаточной энергии импульсных трансформаторов 5-13 и 5-16. Если даже, продолжается дребезг контактов прерывателя после разряда конденсатора 5-9 и выключения тринистора 5-12, то повторного запуска тринистора 5-12 не произойдет, т.к. конденсатор 5-9 разряжен и остается разряженным до момента замыкания контактов прерывателя 5-1. При замыкании контактов прерывателя 5-1 (момент времени t, t фиг. 4) формируется, из-за дребезга, поэтапный заряд конденсатора 5-9 (фиг. 4в) до заданного значения напряжения (напряжения источника энергии за вычетом падения напряжения на диодах 5-2 и 5-4 или до напряжения стабилизации стабилитрона 5-11 и осуществляется не менее чем за 2 мс (определяется значениями резистора 5-8 и конденсатора 5-9 при максимальном значении напряжения источника энергии бортовой сети автомобиля 13.8-14.4 В). Формирователь импульсов 5 не реагирует на дребезг контактов механического прерывателя 5-1 при замыкании, т.к. напряжение на конденсаторе 5-9 в течение всей длительности дребезга недостаточно для запуска тринистора (фиг. 4в).
При возникновении импульсных помех в бортовой сети автомобиля при замкнутых контактах прерывателя 5-1, запуск формирователя импульсов 5 не происходит, т.к. к управляющему электроду тринистора 5-12 приложено отрицательное (закрывающее) напряжение по величина равное падению напряжения на диоде 5-2.
При возникновении импульсных помех в бортовой сети автомобиля при разомкнутых контактах прерывателя 5-1, запуск формирователя импульсов 5 не происходит, т.к. конденсатор 5-9 разряжен.
1
В момент открытия тринистора 10-1 первичная обмотка катушки зажигания 18 подключается к конденсатору 7 непосредственно, а к конденсатору 8 через диод 9-1. Первичная обмотка W катушки зажигания 18 и накопительные конденсаторы 7 и 8, соединенные между собой через открытый тринистор 10-1, образуют колебательный контур, в котором возникают затухающие колебания.
1
1
1
1
1
1
1
1
2
Конденсатор 7 разряжается (в мощном режиме заряженный конденсатор 8 также разряжается, тем самым увеличивая амплитуду тока в первичной обмотке W катушки зажигания 18) и ток в это время в колебательном контуре через первичную обмотку W катушки зажигания 18 растет (фиг. 5г), и в мощном режиме (фиг. 5и). Скорость нарастания напряжения на первичной обмотке W катушки зажигания определяется временем переключения тиристора 10-1. В момент, когда напряжение на конденсаторах становится равным нулю, ток в колебательном контуре достигает максимального значения (десятки Ампер) (фиг. 5г), и в мощном режиме (фиг. 5и). С этого момента источником энергии является катушка зажигания 18. Напряжение на первичной обмотке W катушки зажигания 18 меняет полярность (из-за появления ЭДС самоиндукции первичной обмотки W катушки зажигания) (фиг. 5а) и в мощном режиме (фиг. 5е), а ток в контуре сохраняет свое первоначальное направление. Происходит перезаряд через открытый тринистор 10-1 конденсатора 7 непосредственно, а конденсатора 8 через диод 9-1. После достижения на этих конденсаторах напряжения обратного знака (определяемого в основном напряжением стабилизации стабилитрона 11-14), пробивается стабилитрон 11-4, который открывает тринистор 11-5 и напряжение обратного знака конденсатора 7 (при мощном режиме и конденсатора 8) прикладывается к тринистору 10-1. Это способствует его быстрому выключению из-за кратковременного протекания тока прямого направления через тринистор 11-5 (фиг. 5в) и в мощном режиме (фиг. 5з) и обратного направления через тринистор 10-1 (фиг. 5б) и в мощном режиме фиг.5 ж) как минимум превышающего величины тока в прямом направлении и вызывает закрытие тринистора 10-1 в течение нескольких микросекунд (тогда как в традиционном режиме работы время закрытия тринистора 10-1 после прекращения тока превышает 150 мкс), что повышает надежность работы КТМЗ. После выключения тринистора 10-1 (через 100 мкс и в мощном режиме через 150 мкс после подачи сигнала на формировании инициирующего разряда) ООСПН включается и начинается заряд конденсатора 7 (в мощном режиме и конденсатора 8) до рабочего напряжения. На время включенного состояния тринистора 10-1 ООСПН не работает, т.к. вторичная обмотка 23 импульсного трансформатора 20 находиться в режиме короткого замыкания. После выключения тринистора 10-1 ток в контуре, включающем катушку зажигания 18, начинает протекать по цепи: второй зажим первичной обмотки W катушки зажигания 18, диод 11-6 тринистор 11-5, первый зажим первичной обмотки W катушки зажигания 18, экспоненциально спадая по величине до значения менее ампера. Во время протекания тока через первичную обмотку W катушки зажигания 18 продолжается трансформация энергии во вторичную обмотку W катушки зажигания 18. Скорость нарастания напряжения во вторичной цепи определяется напряжением на конденсаторе 7, распределенными емкостями вторичной обмотки катушки зажигания 18, высоковольтных проводов, датчика - распределителя, свечи зажигания (не показано). Через 25-30 мкс (после подачи сигнала на формировании инициирующего разряда) вторичное напряжение достигает напряжения пробоя в искровом промежутке свечи зажигания. Формируется емкостная составляющая инициирующего разряда длительностью несколько микросекунд и током десятки и даже сотни ампер (не показана), которая обусловлена разрядом распределенных емкостей (преимущественно емкостью свечи зажигания). После окончания емкостной фазы формируется индуктивная фаза инициирующего разряда длительностью 0,6 мс (рис. 5д) и 0,8 мс (рис. 5к). Максимальное значение тока в искровом промежутке свечи зажигания достигает сотни мА. После закрытия тринистора 10-1 и заряда конденсатора 7 (в мощном режиме и конденсатора 8) до рабочего напряжения система готова к формированию следующего инициирующего разряда.
Поскольку длительность импульсов тока в проводниках первичной цепи КТМЗ составляет доли миллисекунды, то непосредственное наблюдение свечения, какого либо светодиода в течение столь короткого времени будет затруднено. Для нормального восприятия глазом минимальное время свечения индикатора должно составлять приблизительно 15-20 мс.
Схемное решение блока 26 контроля функционирования КТМЗ выбрано таким образом, чтобы обеспечить оптимальное время свечения светодиодов 26-3, 26-10, 26-19 (25 мс) независимо от частоты искрообразования. Это осуществляется применением:
- стабилитронов 26-1, 26-7, 26-8, 26-17 служащих для ограничения напряжения на светодиодах и резисторов 26-4, 26-6, 26-11, 26-13, 26-14, 26-16, предназначенных для ограничения тока через светодиоды;
- конденсаторов 26-2, 26-9, 26-18 служащих для обеспечения оптимального по времени свечения светодиодов 26-3, 26-10, 26-19.
Блок 26 контроля функционирования КТМЗ позволяет контролировать такие параметры как:
- контроль работы ООСПН, а именно преобразователя (4) постоянного напряжения в переменное напряжение на базе задающего генератора 19 и импульсного трансформатора 20;
-контроль сигнала с датчика момента искрообразования 5-1 и работу формирователя запускающих импульсов 5;
- контроль функционирования оконечного каскада КТМЗ двигателя внутреннего сгорания (контроль процесса заряда и разряда конденсаторов 7 и 8, напряжение с которых фиксируется лишь при изменении полярности, т.е. при формировании искрового разряда).
Контроль работы преобразователя 4 постоянного напряжения в переменное напряжение на базе задающего генератора 19 и импульсного трансформатора 20 осуществляется следующим образом. При работе ООСПН, в момент закрытия силового транзистора 19-11, образуется ЭДС самоиндукции первичной обмотки 21 трансформатора 20, составляющая 40-60 В. Это напряжение пробивает стабилитрон 26-7 (напряжение стабилизации которого заведомо выше напряжения питания) и ток протекает по цепи: начало обмотки 21, стабилитрон 26-7, резистор 26-6, диод 26-5, конденсатор 26-2, (заряжая конденсатор до напряжения, равному напряжению пробоя стабилитрона 26-1), зажим 3 КТМЗ для подключения к отрицательному (общему) выводу бортовой сети автомобиля -E.
Также ток протекает по цепи: начало обмотки 21, стабилитрон 26-7, резистор 26-6, диод 26-5, резистор 26-4, светодиод 26-3, зажим 3 КТМЗ для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля.
После исчезновения импульса тока светодиод 26-3 продолжает еще некоторое время (приблизительно 25 мс) светиться, благодаря тому, что конденсатор 26-2 продолжает разряжаться через резистор 26-4 и светодиод 26-3. Если ООСПН исправен и КТМЗ работает в режиме холостого хода (двигатель не работает), то светодиод 26-3 моргает с низкой частотой (от нескольких Гц до десятка Гц). При работе ДВС на холостых оборотах и при увеличении оборотов от холостых до максимальных, частота свечения светодиода 26-3 увеличивается, и моргание становится неразличимым для глаза.
Контроль сигнала с датчика 5-1 момента искрообразования формирователя импульсов 5 осуществляется следующим образом: импульсный сигнал с выходной обмотки 5-18 импульсного трансформатора 5-16 поступает на управляющий вход тиристорного ключа 10, также в этот момент импульсный сигнал с выходной обмотки 5-15 импульсного трансформатора 5-13 относительно зажима 3 КТМЗ поступает на второй информационный вход блока 26 контроля функционирования и, соответственно, через резистор 26-13, диод 26-12, конденсатор 26-9 (заряжая конденсатор 26-9 до напряжения, равному напряжению пробоя стабилитрона 26-8), зажим 3 КТМЗ для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля. Ток через светодиод 26-10 протекает по цепи: импульсный сигнал с выходной обмотки 5-15 импульсного трансформатора 5-13 относительно зажима 3 КТМЗ поступает на второй информационный вход блока 26 контроля функционирования и, соответственно, через резистор 26-13, диод 26-12, резистор 26-11, светодиод 26-10, зажим 3 КТМЗ для подключения к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля. Светодиод 26-10 моргает с низкой частотой (от нескольких Гц до десятка Гц при пуске ДВС) и светиться практически постоянно в диапазоне работы ДВС от холостых оборотов до максимальных.
1
Контроль функционирования КТМЗ во время формирования инициирующего разряда осуществляется следующим образом. При формирования инициирующего разряда (в момент перезаряда накопительных конденсатора 7 и конденсатора 8 (при включении мощного режима) напряжение обратного знака на конденсаторе 7 и конденсаторе 8, величина которого определяется напряжением стабилизации стабилитрона 11-4, прикладывается к третьему информационному входу блока 26 контроля функционирования и, соответственно, через резистор 26-14, диод 26-15, резистор 26-16 к светодиоду 26-19 относительно зажима 3 КТМЗ подключенного к отрицательному -E (общему) выводу бортовой сети автомобиля. Светодиод 26-19 светится только в случае перезаряда конденсаторов 7 и 8 до заданного напряжения обратного знака, т.е. при формировании тока через первичную обмотку W катушки зажигания 18 и, соответственно, при протекании во вторичной обмотке катушки зажигания 18 тока инициирующего разряда.
Результаты моторных испытаний по оценке влияния частоты вращения и нагрузки на ДВС на токовременные параметры индуктивной фазы искрового инициирующего разряда, формируемых данным КТМЗ показали снижение на режимах полных нагрузок не более чем на 10% значений амплитуд токов и длительностей индуктивных фаз разряда от значений тех же параметров на режиме холостого хода. Это объясняется малой зависимостью величин тока во вторичной цепи катушки зажигания от величины вносимого из вторичной в первичную цепь комплексного сопротивления, учитывающего магнитную связь обмоток, сопротивление межэлектродного промежутка свечи, коэффициент трансформации катушки зажигания.
В заявляемой полезной модели достигаются следующие технические результаты:
- формируются с высокой удельной и общей энергией, слабо зависящие от сопротивления межэлектродного промежутка свечи и его изменения, дуговые индуктивные фазы искрового инициирующего разряда;
- улучшаются, за счет форсирования рабочего процесса во времени, экономические и экологические показатели двигателя;
-осуществляется исследование токовременных параметров первичной цепи катушки зажигания, тиристорного ключа, блока увеличения длительности искрового разряда при нормальном и мощном режимах в виде фиксации формы (осциллограмм) падения напряжения на образцовых резисторах;
- осуществляется визуальный контроль работоспособности узлов и блоков КТМЗ, а именно ООСПН, формирователя импульсов и первичной цепи формирования инициирующего разряда во вторичной цепи при включении зажигания, запуске и на всех режимах работы ДВС (от холостых оборотов до максимальных) при поджоге топливовоздушных смесей как бензиновых, так и различных альтернативных видов топлива.
1. М. Брижинев. Стабилизация напряжения преобразователя // Радио. - 1984. - №10. - С. 30-31.
2. Авторское свидетельство №978294 МКЛ 3 H02M 3/335. Однотактный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения / Брижинев М.П - №3302487/24-07; Заявлено 19.06.81; Опубл. 30.11.82, Бюл. №44 // Открытия. Изобретения. - 1982. - №44.
3. А.С. 1772403 SU, МКИ5 F02P 3/06. Тиристорная система электронного зажигания / Шаронов Г.И., Володин И.М. и др. - №4715444/21; Заявлено 19.05.89; Опубл. 30.10.92 Бюл. №40 // Открытия. Изобретения. - 1992. - №40.