СИСТЕМА ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЗАЖИГАНИЯ ЕМКОСТНЫМ РАЗРЯДОМ
SYSTEM FOR POWER GENERATION IN IGNITION SYSTEM WITH CAPACITIVE DISCHARGE

Область техники
Настоящее изобретение относятся к системе и способу генерации энергии/мощности в системе зажигания емкостным разрядом, при этом указанная система содержит по меньшей мере одну зарядную обмотку, которая с помощью маховика заряжает через первое выпрямительное устройство зарядный конденсатор, соединенный с первичной обмоткой трансформатора напряжения зажигания для подачи в нее энергии для генерации искры с помощью вторичной обмотки этого трансформатора.
Уровень техники
В настоящее время известны и широко представлены на рынке различные типы систем зажигания, например емкостные или индуктивные. В большинстве таких систем зажигания используется техническое решение, в котором предусмотрена батарея питания, см., например, патенты США №№6557537 и 6082344. В некоторых применениях системы батарея может подвергаться сильному воздействию со стороны окружающей среды, например влажности и температуры, ухудшающему ее характеристики и/или надежность. Кроме того, при использование технических решений с применением батарей нужно учитывать такие аспекты, как стоимость, воздействие на экологию и срок службы.
Известны системы зажигания, в которых батареи не используются. Однако все эти известные системы имеют один или несколько недостатков, связанных с тем, что из-за исключения батарей приходится принимать компромиссные решения в отношении функциональных возможностей системы. Известно, что вместо батареи можно использовать отдельный небольшой генератор, однако это увеличивает стоимость системы. Известны другие технические решения (см., например, ЕР 0727578), где используется индуктивная система зажигания, в которой энергию (вместо батареи) берут из первичной обмотки с целью управления временем зажигания, то есть опережением зажигания, но при этом не обеспечиваются желательные функциональные возможности. Кроме того, сама схема управления довольно сложная и недостаточно гибкая.
Краткое описание изобретения
Целью изобретения является создание улучшенной системы для генерации энергии/мощности в системе зажигания емкостным разрядом. Эта цель достигается в системе, описанной в п.1 формулы изобретения.
Согласно изобретению, предложено очень гибкое и экономически эффективное решение, которое обеспечивает такие же функциональные возможности, что и система, снабженная батареей, и в то же время не имеет недостатков, свойственных системам с батареями. Следует отметить, что это решение не исключает возможность использования батареи, но имеет важное техническое преимущество в том, что можно обойтись без батареи.
Дополнительные преимущества и особенности изобретения будут понятны из его подробного описания.
Описание чертежей
Ниже изобретение описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, где:
на фиг.1 показано подключение блока управления напряжением/коммутации согласно изобретению в типичной системе зажигания емкостным разрядом, при этом показано несколько вариантов запуска,
на фиг.2 подробно показан первый вариант выполнения блока управления напряжением/коммутации, изображенного на фиг.1, и
на фиг.3 подробно показан второй вариант выполнения блока управления напряжением/коммутации, изображенного на фиг.1.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показана упрощенная типичная система зажигания емкостным разрядом с блоком 10 управления напряжением/коммутации согласно изобретению.
Ниже дано краткое описание типичной системы зажигания емкостным разрядом, используемой в этом примере. Система зажигания емкостным разрядом содержит железный сердечник Т1 с четырьмя традиционно расположенными обмотками L, Т, Р и S, которые намагничиваются одним или несколькими магнитами, встроенными в маховик и при его вращении проходящими мимо конца железного сердечника Т1. Вариант с несколькими магнитами можно использовать для создания (с общей точки зрения) более мощного генератора, который, помимо того что является генератором напряжения зажигания, также может использоваться для других целей, например в системах впрыска топлива или для регулировки нагрева в цепных пилах. Перемещение магнитов относительно обмоток L, Т, Р и S индуцирует в них напряжение следующим образом.
В так называемой зарядной обмотке L индуцируется напряжение, которое используется для генерации искры. Зарядная обмотка L одним концом 1 соединена через выпрямительное устройство D1 с зарядным конденсатором С1, энергия в котором хранится до тех пор, пока не будет получена искра, и с тиристором Q1. Другой конец 2 обмотки L заземлен.
Так называемая пусковая обмотка Т соединена первым концом 7 с землей, а вторым концом 8 - со входом In11 блока М1 управления зажиганием и выдает на этот вход информацию о положении и скорости вращения маховика, а также предпочтительно подает энергию в блок М1 управления, например в его процессор. Блок М1 управления может представлять собой слегка модифицированную версию известного традиционного блока управления.
Третья обмотка Р является первичной обмоткой трансформатора 30, предназначенного для генерации напряжения зажигания в запальной свече SP1, а четвертая обмотка S является вторичной обмоткой этого трансформатора 30. Конец 4 третьей обмотки Р и конец 5 четвертой обмотки S соединены с землей.
Когда на запальную свечу нужно подать напряжение зажигания, на выходе Out11 блока М1 управления известным образом формируется сигнал. Коммутационное устройство (тиристор) Q1, пусковой электрод которого соединен с выходом Out11, создает путь для протекания тока на землю, в результате чего напряжение на конденсаторе С1 подается на первичную обмотку Р. Благодаря очень высокому значению производной напряжения в соединительной точке 12 на аноде тиристора Q1 во вторичной обмотке S сначала генерируется переходное напряжение. Затем трансформатор 30 переходит в режим затухающих автоколебаний, при котором происходит передача энергии между катушкой Р индуктивности и конденсатором С1 через коммутирующее устройство Q1.
Представленное выше описание является упрощенным и специалист может предложить другие схемы генерации искры, как резонансные, так и нерезонансные, в пределах объема изобретения.
Согласно изобретению, имеется блок 10 управления напряжением/коммутации, который управляет выводом мощности с первичной обмотки Р на свой выход Out21. Мощность на выходе Out21 блока 10 может использоваться для работы устройства (например, датчика и/или соленоида), расположенного вне системы зажигания. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, блок 10 управления напряжением/коммутации имеет два входа ln21 и ln22 и один выход Out21. Первый вход ln22 соединен с выходом ln12 блока М1 управления зажиганием, а второй вход ln21 соединен с конденсатором С1 и концом 3 первичной обмотки Р через соединительную точку 11. Важная особенность блока 10 коммутации состоит в том, что переключение (в выключенное состояние) выполняется только во время части полного оборота маховика и таким образом, что блок 10 коммутации находится в выключенном состоянии в течение желательного времени (например 100 мкс), чтобы не мешать генерации искры. Следовательно, сигнал, поступающий на вход ln21 или ln22, или на оба входа ln21 и ln22 инициирует блок 10 коммутации или воздействует на него с целью выключения во время части оборота маховика до инициирования искры блоком (М1) управления или в связи с инициированием искры блоком (М1) управления, чтобы исключить отрицательное влияние на указанную генерацию искры. Остальное время блок 10 находится в своем "режиме включения" и на выходе Out21 выдается мощность приблизительно 0,5-2 Вт при скорости вращения маховика всего 2000 оборотов в минуту.
Необязательное соединение 9 между блоком М1 управления зажиганием и блоком 10 управления напряжением/коммутации обеспечивает обратную связь и информацию о величине заряда/нагрузки зарядного конденсатора 14, показанного на фиг.2. Кроме того, соединение 9 может быть использовано для изменения частоты коммутации и т.д. в зависимости от числа оборотов в минуту.
Работа блока 10 коммутации, показанного на фиг.1 и 2, заключается в том, что управление коммутацией осуществляется в соответствии с информацией, содержащейся в сигналах, поступающих на входы ln21 и ln22 вместе или по отдельности, в зависимости от конкретных требований/пожеланий. Например, если система может запускаться любым входным сигналом и на входе ln22 имеется сигнал из блока М1 управления зажиганием, соответствующий информации из его микропроцессора, то устройство 19 управления коммутацией осуществляет выключение на короткий промежуток времени до того как блок М1 управления зажиганием открывает тиристор Q1, в результате чего через первичную обмотку Р начинает протекать ток и в запальной свече SP1 генерируется искра. Вскоре после окончания искры блок М1 управления зажиганием снова закрывает тиристор Q1, а также активирует устройство 19 управления коммутацией для установки в режим включения.
На фиг.2 изображен первый вариант выполнения блока 10 управления напряжением/коммутации напряжения, показанного на фиг.1, в качестве одного из возможных вариантов блока 10. Блок 10 управления напряжением/коммутации содержит устройство 19 управления коммутацией, диод 13, коммутирующий элемент 15 и зарядный конденсатор 14. Анод диода 13 соединен со входом ln21, а катод соединен с первым соединителем 16 коммутирующего элемента 15.
Второй соединитель 18 коммутирующего элемента 15 соединен с выходом Out21 и с зарядным конденсатором 14.
Устройство 19 управления коммутацией, управляющее переключением блока 10 управления напряжением/коммутации, соединено с соединителем 17 коммутирующего элемента 15 и входом ln22. Специалисту очевидно, что коммутирующий элемент 15 может включать различные компоненты, доступные на рынке, например тиристор, симистор и т.д. Назначение устройства 19 управления коммутацией заключается в том, чтобы выключать коммутирующий элемент 15 на желательный период времени (например, заранее установленный в центральном процессоре блока М1 управления), например на 100 мкс, начиная с момента генерации искры или непосредственно перед генерацией искры. В этом варианте выполнения сигналы коммутации на входе ln22 управляются программным обеспечением и/или аппаратными средствами, а также центральным процессором блока М1 управления зажиганием, что обычно предполагает сигналы ТТЛ, например импульсный сигнал на входе ln21 в несколько микросекунд до инициирования искры для установки коммутирующего элемента 15 в режим выключения, и продолжительностью приблизительно 100 мкс для возврата в режим генерации мощности. Назначение зарядного конденсатора 14, включенного между выходом Out21 и землей, состоит в стабилизации выходного напряжения на выходе Out21, чтобы подавать энергию во внешнее устройство, когда коммутирующий элемент 15 выключен.
На фиг.3 более подробно показан второй возможный вариант выполнения блока 10 коммутации, изображенного на фиг.1. Блок 10 коммутации содержит симистор, тиристор или другой подходящий коммутирующий элемент 21, блок 25 обнаружения инициирования искры, конденсатор 14 и устройство 19 управления коммутацией. Один из силовых выводов 22 симистора 21 соединен со входом ln21 (к которому на фиг.2 подключен диод 13), а второй силовой вывод 23 соединен с выходом Out21. Конденсатор 14, включенный между выходом Out21 и землей, стабилизирует выходное напряжение на выходе Out21, то есть выдает мощность, когда блок 10 управления/коммутации находится в режиме выключения. Устройство 19 управление коммутацией, управляющее переключением блока 10 коммутации, соединено с затвором 24 симистора 21 (который соответствует коммутирующему элементу 15 на фиг.2). Блок 25 обнаружения инициирования искры, встроенный в устройство 19 управления коммутацией, через соединитель S21 соединен со входом ln21, что означает, что блок 10 управления напряжением/коммутации связан с системой зажигания емкостным разрядом только через вход ln21.
Работа блока 10 коммутации, показанного на фиг.3, заключается в том, что управление коммутацией осуществляется на основе информации, содержащейся во входных сигналах на входе ln21, определяемых переходным напряжением (амплитудой и/или формой импульса) на первичной обмотке Р, возникающих при инициировании генерации искры. Блок 25 обнаруживает инициирование искры и генерирует сигнал, поступающий в устройство 19 управления коммутацией, в результате чего оно немедленно выключает блок 10 управления напряжением/коммутации. В этом варианте выполнения коммутирующий элемент представляет собой симистор 21, который выключается на определенный промежуток времени, например на 80-120 мкс. Благодаря наличию блока 25 обнаружения в этом варианте сигнал выключения генерируется не до начала генерации искры, а спустя короткий промежуток времени (например, ≤5 мкс) после начала генерации искры. Соответственно, специфический период времени, соответствующий режиму выключения, начинается сразу после инициирования генерации искры. Когда генерация искры заканчивается, блок 10 управления напряжением/коммутации переключается обратно в режим генерации мощности.
Очевидно, что в других известных системах зажигания емкостным разрядом для генерации искры может оказаться предпочтительным управление коммутацией в соответствии с амплитудой или формой импульса в первичной обмотке Р, где сигналы и ток обусловлены магнитными свойствами проходящего маховика. Например, обнаружение отрицательного импульса на первичной обмотке Р можно использовать для немедленного прерывания, то есть немедленного выключения блока 10 управления напряжением/коммутации, или, если желательно, для его выключения с заданной задержкой или упреждением. Таким образом, благодаря тому, что блок 10 управления допускает гибкую установку разнообразных (желательных) параметров запуска, обеспечивается очень гибкое средство управления.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, предназначенных для использования, прежде всего, в небольших двигателях (например, в цепных пилах), элементы системы согласно изобретению могут быть выбраны в широком диапазоне для обеспечения предусмотренных изобретением функциональных возможностей. Однако имеются некоторые базовые требования, например зарядная обмотка L должна быть достаточно мощной для генерации необходимой энергии, то есть энергии в диапазоне 1-15 мВт.
Таким образом, одним из преимуществ блока 10 коммутации согласно изобретению является возможность использовать первичную обмотку для генерации электроэнергии, причем это очень мало влияет на характеристики системы зажигания емкостным разрядом, то есть на генерацию искры, время горения, напряжение зажигания, энергию и пиковую мощность. Генерируемая энергия/мощность может использоваться для питания внутренних или внешних устройств, например датчиков и соленоидов.
Изобретение не ограничено описанными выше вариантами его осуществления и допускает изменения в пределах объема формулы изобретения. Например, специалисту очевидно, что к выходу Out21 могут быть подключены несколько внешних устройств и что при большем числе оборотов в минуту, когда генерируется более высокая выходная мощность, можно подключить дополнительное внешнее устройство, например измеритель количества топливной смеси, устройство для зарядки аккумулятора, датчики или другие маломощные устройства. Кроме того, специалисту очевидно, что в пределах объема, определяемого формулой изобретения, возможны другие его модификации, например к первичной обмотке можно подключить последовательно дополнительную обмотку (или нескольких обмоток) для получения желательного напряжения.
Независимо от варианта осуществления изобретения блок 10 коммутации может также использоваться для ограничения выходной мощности. Это может быть реализовано в виде устройства управления напряжением, которое регулирует выходное напряжение путем включения или выключения блока 10 коммутации в ответ на изменение нагрузки и скорости вращения двигателя.