УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ИОННОГО ТОКА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к двигателестроению, а именно к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси и может быть использовано для измерения ионного тока камере сгорания двигателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Измерение сигнала ионного тока в цилиндрах ДВС используется для диагностики сгорания топливно-воздушной смеси, в том числе для обнаружения угла достижения пика давления в камере сгорания, детонации,  пропусков зажигания, определения качества рабочей смеси и содержания различных компонент в отработавших газах. Также сигнал ионного тока может применяться в качестве сигнала обратной связи в системах электронного управления двигателем для корректировки угла опережения зажигания и цикловой подачи топлива по параметрам сгорания топливной смеси.
Известно устройство для измерения ионного тока (патент РФ 2117819, дата публикации 20.08.1998г.), содержащее управляющее устройство, которое вырабатывает импульсы, поступающие на ключевое устройство, коммутирующее первичную обмотку катушки зажигания, которая генерирует измерительное напряжение во вторичной обмотке, к которой параллельно подключены свеча зажигания и измерительная схема, состоящая из накопительного конденсатора и измерительного резистивного шунта, соединенного с общим проводом системы электроснабжения.
Недостатком таких систем является сложность восстановления истинной АЧХ сигнала ионного тока из-за значительного влияния на сигнал переходных процессов, возникающих при выработке высокого напряжения во вторичной цепи предложенным авторами способом.
Прототипом полезной модели является устройство измерения ионного тока (US 6922057 B2, дата публикации 26.07.2005), в которой введен источник измерительного напряжения в виде отдельного модуля и простое токовое зеркало. При этом измерительное напряжение подают во вторичную цепь зажигания на один из выводов токового зеркала, второй вывод подключают через развязочный резистор в точку соединения низковольтного вывода вторичной обмотки катушки зажигания с защитным диодом, второй вывод которого заземляют. При этом третий вывод токового зеркала заземляют через токоизмерительный резистор, а сигнал ионного тока во вторичной цепи катушки зажигания выявляют как падение напряжения на токоизмерительном резисторе.
Преимуществом прототипа является то, что применение отдельного источника измерительного напряжения и токового зеркала позволяет избежать влияния нестабильности измерительного напряжения (напряжения возбуждения ионного тока) на АЧХ сигнала ионного тока.
Первым недостатком прототипа является влияние электромагнитных параметров вторичной обмотки катушки зажигания на АЧХ и ФЧХ сигнала ионного тока, поскольку в измерительную цепь последовательно включена вторичная обмотка катушки зажигания. Вторым недостатком прототипа является ограниченная функциональность, а именно отсутствие возможности измерения ионного тока в системах зажигания с двухвыводными катушками зажигания (DIS - система зажигания (Double Ignition System)). Таким образом, применение данной измерительной системы ограничено работой совместно с определенным типом систем и катушек зажигания.
Рассмотренные выше схемы предусмотрены для характеристик систем зажигания с однополярными высоковольтными импульсами и не могут быть адаптированы для систем зажигания с одновременным генерированием высоковольтных импульсов различной полярности, например DIS - систем зажигания, в которых применяются катушки зажигания с двумя высоковольтными выводами. При этом во время процесса искрового разряда на одном из высоковольтных выводов катушки зажигания формируется высоковольтный импульс с положительным потенциалом, с одновременным формированием высоковольтного импульса с отрицательным потенциалом на втором высоковольтном выводе катушки зажигания.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств в данной области, а также расширение функциональных возможностей системы измерения ионного тока в камере сгорания ДВС, а именно обеспечение совместимости как с системами зажигания с однополярными импульсами высокого напряжения, так и системами зажигания, производящими высоковольтные импульсы различной полярности одновременно, в том числе системами зажигания с двухвыводными катушками зажигания.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве измерения ионного тока в камере сгорания ДВС, содержащем источник положительного измерительного напряжения, соединенный с одним из выводов токового зеркала на вытекающий ток, токовое зеркало вторым выводом подключается через дополнительно введенную высоковольтную развязочную цепь к центральному электроду первой свечи зажигания, дополнительно введен источник отрицательного  измерительного напряжения, который соединяется с одним из выводов дополнительно введенного токового зеркала на втекающий ток, второй вывод которого через дополнительно введенную вторую высоковольтную развязочную цепь подключается к центральному электроду второй свечи зажигания, при этом третьи выводы обоих токовых зеркал подключаются к первым выводам первых резисторов дополнительно введенных делителей напряжения, второй вывод вторых резисторов которых заземлен, а средние точки которых подключены к первому и второму выводам сумматора напряжений, с третьего вывода которого получают полезный сигнал.
Устройство измерения сигнала ионного тока адаптировано для работы с системой электрического принудительного зажигания ДВС с количеством высоковольтных выводов, отличным от двух, при этом в устройство измерения сигнала ионного тока дополнительно вводятся высоковольтные развязочные цепи по числу высоковольтных выводов катушек зажигания, при этом высоковольтные развязочные цепи одним выводом соединяются со вторым выводом токовых зеркал, а вторым выводом - с электродами зондов.
В устройстве используются токовые зеркала Уилсона с дополнительно введенными в цепь питания резисторами, включенными последовательно между источником измерительного напряжения и эмиттерами транзисторов.
В устройстве используются простые токовые зеркала с дополнительно введенными в цепь питания резисторами, включенными последовательно между источником измерительного напряжения и эмиттерами транзисторов.
В устройстве используются токовые зеркала с коэффициентом отражения тока, отличным от единицы.
В устройстве используются токовые зеркала с переменным коэффициентом отражения тока.
Дополнительно введены защитные элементы сигнальной цепи в виде диодов и разрядника, включенных параллельно входам или выходу сумматора.
Дополнительно введены защитные элементы гальванической развязки измерительных и сигнальных цепей.
В устройстве используется инвертирующий сумматор с коэффициентом суммирования, отличным от единицы, либо с переменным коэффициентом суммирования.
Источники отрицательного и измерительного напряжения выполнены в виде отдельного функционально единого элемента по схеме двуполярного источника питания со средней точкой.
Существо заявляемой полезной модели поясняется чертежом. На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства измерения ионного тока в камере сгорания ДВС, совместимого с системами зажигания с положительным, отрицательными импульсами высокого напряжения, а также производящими одновременно высоковольтные импульсы различной полярности.
Устройство измерения ионного тока содержит последовательно подключенные источник положительного напряжения смещения (1), токовое зеркало на вытекающий ток (2), ограничительный резистор (3), защитный высоковольтный диод (4), первую свечу зажигания (5), диоды (7) и (15), подключенные к высоковольтным выводам двухвыводной катушки зажигания (6), управляемой коммутатором системы зажигания (8), подключенных последовательно источника отрицательного напряжения смещения (10), токового зеркала на втекающий ток (11), ограничительного резистора (12), защитного диода (13), второй свечи зажигания (16), резистивных делителей напряжения на резисторах (17), (18), (19), (20) и сумматора сигналов на операционном усилителе (9), объединяющего сигнальные каналы токовых зеркал (2) и (11).
Предлагаемая система измерения ионного тока работает следующим образом.
Стабилизированный источник положительного высокого напряжения (1) и стабилизированный источник отрицательного высокого напряжения (10) преобразуют напряжение бортовой сети в стабилизированное измерительное положительное напряжение U1 и отрицательное измерительное напряжение U2 возбуждения ионного тока. Измерительные напряжения U1 и U2 подаются на входы токового зеркала на вытекающий ток (2) и токового зеркала на втекающий ток (11) соответственно. После токового зеркала на вытекающий ток (2) и токового зеркала на втекающий ток (11) измерительные напряжения U1 и U2 через ограничительные резисторы (3) и (12), необходимые для ограничения тока на свечу зажигания от источников питания (1) и (10), а также высоковольтные защитные диоды (4) и (13), необходимые для защиты элементов (1), (2), (3), (10), (11), (12) от высоковольтных импульсов зажигания, поступают на первую (5) и вторую (6) свечи зажигания соответственно. При этом диоды (7) и (15) служат для исключения протекания сквозных токов от источников напряжения (1) и (10) через вторичную обмотку катушки зажигания (6) и ограничения амплитуды и длительности колебательных процессов во вторичной цепи зажигания. После подачи высоковольтного импульса зажигания при наличии в цилиндре горящей топливно-воздушной смеси приложенные к свечам (5) и (6) измерительные напряжения U1 и U2 посредством наведенной ЭДС приводят в движение имеющиеся в камере сгорания свободные носители электрического заряда. Вследствие этих процессов в измерительной цепи начинает протекать ионный ток, величина которого преобразуется посредством токовых зеркал (2) и (11) в токовые сигналы Is1 и Is2. Токовые сигналы Is1 и Is2 поступают на резистивные делили напряжения на элементах (17), (18), (19), (20), выполняющих также функцию преобразователей ток-напряжение, после чего сигналы Us1 и Us2 поступают на сумматор сигналов (9), объединяющий сигналы Us1 и Us2 в один канал. Полезный сигнал Us3 снимается с выхода сумматора сигналов (9). Коммутатор системы зажигания (8) и двухвыводная катушка зажигания (6) не являются обязательными элементами устройства измерения ионного тока, а приведены только для пояснения коммутации элементов.
Стоит отметить, что в случае необходимости увеличения числа обслуживаемых устройством измерения ионного тока камер сгорания система может быть масштабирована посредством подключения на входы токовых зеркал в точках А и B схемы приведенной на Фиг.1 дополнительных ограничительных резисторов и защитных диодов, соединенных с центральными электродами свеч зажигания рабочих цилиндров, в которых необходимо производить измерение сигнала ионного тока.
Таким образом, в результате использования предлагаемого технического решения достигается поставленная задача - расширяются функциональные возможности системы измерения ионного тока, обеспечивается совместимость системы не только с системой зажигания, вырабатывающей положительные импульсы зажигания, но и с системой зажигания, вырабатывающей отрицательные импульсы зажигания, а также с системой зажигания, вырабатывающей высоковольтные импульсы различной полярности одновременно, что позволяет использовать предложенную систему измерения сигнала ионного тока для проведения измерений на большинстве эксплуатируемых на сегодняшний день поршневых двигателях внутреннего сгорания.
Возможность получения технического результата при осуществлении предлагаемой полезной модели проверена экспериментально. Для этого предлагаемая система измерения ионного тока была установлена на двигатель, оборудованный системой зажигания с двухвыводной катушкой зажигания (DIS – системой зажигания), производящей импульсы высокого напряжения положительной и отрицательной полярности одновременно. Пример полученных в ходе испытаний осциллограмм приведен на фиг. 2, где положительному сигналу ионного тока соответствует ионизация в камере сгорания цилиндра, смесь в котором поджигается высоковольтным импульсом положительной полярности, и наоборот, отрицательному сигналу ионного тока соответствует ионизация в камере сгорания цилиндра, смесь в котором поджигается высоковольтным импульсом отрицательной полярности.