СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ С МНОГОКРАТНЫМ ИСКРООБРАЗОВАНИЕМ
MULTIPLE SPARKING IGNITION SYSTEM

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам регулирования параметров искрового разряда в электронных системах зажигания высокой энергии, и может быть использовано для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с высокой степенью сжатия топливной смеси, например, газовых, на транспортных средствах и стационарных энергетических установках с любыми катушками зажигания.
Известна система зажигания с многократным искрообразованием, описанная в патенте РФ «Способ формирования многоимпульсного режима возбуждения катушки зажигания двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления», RU 2171392 C2, Фиг.1 - устройство, которое выбрано в качестве прототипа предлагаемому изобретению как наиболее близкое по технической сущности.
Устройство, осуществляющее данный способ, вариант 1, представленное на фиг.1, содержит источник бортового напряжения питания, формирователь управляющего напряжения, который может быть совмещен с датчиком углового положения коленчатого вала двигателя в зависимости от типа этого датчика, конденсатор, катушку зажигания, искровой промежуток, а также - ключ-генератор с выводами питания, с входным выводом управления, подключенным к выходу формирователя управляющего напряжения, с выходным выводом, образованным открытым коллектором силового транзистора, подключенным к точке соединения обмоток катушки зажигания и конденсатора, содержащий также предварительный усилитель и звено обратной связи.
В процессе работы устройства непосредственно перед моментом зажигания от формирователя, управляемого датчиком положения коленчатого вала двигателя, на вход управления ключа-генератора подается управляющее напряжение низкого уровня; силовой транзистор открыт, через первичную обмотку катушки зажигания протекает ток, и в ней накапливается энергия. В момент зажигания управляющее напряжение высокого уровня от формирователя на входе управления закрывает силовой транзистор. Спад тока в первичной обмотке катушки зажигания и в последовательном колебательном контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания и конденсатором, вызывает развитие колебательного процесса резонанса напряжений, в начале которого ток течет от источника бортового питания через первичную обмотку катушки зажигания в конденсатор, заряжая его. Узел обратной связи в ключе-генераторе поддерживает процесс запирания силового транзистора.
Далее конденсатор начинает разряжаться через первичную обмотку катушки зажигания, вызывая нарастание в ней инверсного тока с направлением от земляной шины к источнику бортового питания. На этом этапе происходит пробой искрового промежутка, а узел обратной связи переводит силовой транзистор в открытое состояние, начиная автоколебательный процесс. Первичная обмотка катушки зажигания оказывается подключенной к источнику бортового питания и в ней начинает нарастать ток от него к земляной шине, частично восполняя потерю энергии магнитного поля катушки зажигания. Через промежуток времени, определяемый длительностью отрицательной полуволны колебания на резонансной частоте колебательного контура и временными характеристиками узла обратной связи, закрывается силовой транзистор, что прерывает ток в первичной обмотке катушки зажигания и формирует на ней дополнительный импульс напряжения, который трансформируется во вторичную цепь и поддерживает ток в искровом промежутке. Далее процесс, являясь автоколебательным, повторяется, при этом энергия в колебательном контуре убывает от импульса к импульсу, обеспечивая формирование на первичной обмотке катушки зажигания ограниченной по длительности пачки затухающих импульсов напряжения.
Применение способа и устройства позволяет:
- производить накопление энергии в катушке зажигания, как до момента зажигания, так и после него, т.е. во время искрового разряда;
- избежать рекомбинации частиц сильно нагретого ионизированного канала между электродами искрового промежутка в течение всего времени искрового процесса;
- повысить мощность и эффективность искрового разряда;
- обеспечить более полное сгорания топливовоздушной смеси, снизить токсичность выхлопа и тепловую напряженность двигателя, сократить время пуска двигателя, получить снижение потерь на коммутирующем устройстве и повысить его надежность;
- использовать применяемую в настоящее время элементную базу для реализации предлагаемого способа и устройства.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- недостаточная энергия искрообразования из-за практического отсутствия отрицательных полуволн напряжения (не более 3,0 B) на первичной обмотке катушки зажигания и быстрое затухание резонансных колебаний ввиду того, что отрицательное напряжение в точке соединения первичной обмотки катушки зажигания и обкладки конденсатора ограничено суммой падений напряжений, смещенных в прямом направлении диода 12, перехода база-коллектор транзистора 14 и перехода база-коллектор силового транзистора 15 (см. Фиг.1 устройства-прототипа), а это, в свою очередь, ухудшает условия для полноценного резонанса напряжений;
- повышенное потребление энергии на резонансной частоте последовательного колебательного контура, свойственное классическому резонансу напряжений;
- сокращение срока службы свечей зажигания из-за однополярного искрового разряда, при котором наблюдается ускоренная электрическая эрозия только одного электрода свечи.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования системы зажигания за счет осуществления многократного искрообразования с сокращенным потреблением энергии от источника бортового напряжения питания при увеличенном сроке службы свечей зажигания.
Указанная задача решается благодаря тому, что в известную систему зажигания, содержащую источник бортового напряжения питания, формирователь управляющего напряжения, который может быть совмещен с датчиком углового положения коленчатого вала двигателя в зависимости от типа этого датчика, конденсатор, катушку зажигания, искровой промежуток, а также - ключ-генератор с выводами питания, с входным выводом управления, подключенным к выходу формирователя управляющего напряжения, с выходным выводом, образованным открытым коллектором силового транзистора, связанным с точкой соединения обмоток катушки зажигания и первой обкладки конденсатора, содержащий также инвертирующий предварительный усилитель и звено обратной связи, причем первый вход предварительного усилителя образует входной вывод ключа-генератора, его второй вход соединен с выходом звена обратной связи, вход которого связан с точкой соединения обмоток катушек зажигания и первой обкладки конденсатора, его выход подключен к базе силового транзистора, согласно изобретению между точкой соединения обмоток катушки зажигания с первой обкладкой конденсатора и выходным выводом ключа-генератора включен дополнительно диод в прямом направлении, вход звена обратной связи образует отдельный вход ключа-генератора и подключен к точке соединения обмоток катушки зажигания, первой обкладки конденсатора и анода дополнительного диода, а вторая обкладка конденсатора подключена к точке соединения первичной обмотки катушки зажигания с положительным выводом источника бортового напряжения питания.
На Фиг.1 приведена функциональная схема устройства.
На Фиг.2 - эпюра напряжения в точке соединения обмоток катушки зажигания и первой обкладки конденсатора.
Устройство содержит: источник 1 бортового напряжения питания, формирователь 2 управляющего напряжения, который может быть совмещен с датчиком 3 углового положения коленчатого вала двигателя в зависимости от типа этого датчика, конденсатор 4, катушку 5 зажигания, искровой промежуток 6, ключ-генератор 7. Ключ-генератор 7 оснащен выводами питания 8 и 9, входным выводом 10 управления, подключенным к выходу формирователя управляющего напряжения, выходным выводом 11, образованным открытым коллектором силового транзистора 12. Ключ-генератор 7 кроме транзистора 12 содержит инвертирующий предварительный усилитель 13 и звено 14 обратной связи, причем первый вход 15 предварительного усилителя 13 образует входной вывод 10 ключа-генератора, его второй вход 16 соединен с выходом 17 звена обратной связи, его выход 18 подключен к базе силового транзистора 12. Между точкой соединения обмоток катушки 5 зажигания с первой обкладки конденсатора 4 и выходным выводом 11 ключа-генератора включен диод 19 в прямом направлении. Вход звена 14 обратной связи образует отдельный вход 20 ключа-генератора 7 и подключен к точке соединения обмоток катушки 5 зажигания, первой обкладки конденсатора 4 и анода дополнительного диода 19. Вторая обкладка конденсатора 4 подключена к точке соединения первичной обмотки катушки 5 зажигания с положительным выводом источника 1 бортового напряжения питания.
В процессе работы устройства, непосредственно перед моментом зажигания, от формирователя 2, управляемого датчиком 3 положения коленчатого вала двигателя, на вход 10 управления ключа-генератора 7 подается управляющее напряжение низкого уровня; силовой транзистор 12 открыт посредством инвертирующего усилителя 13, через первичную обмотку катушки 5 зажигания протекает ток, и в ней накапливается энергия. В момент зажигания управляющее напряжение высокого уровня от формирователя 2 на входе 10 управления ключа-генератора 7 закрывает силовой транзистор 12. Спад тока в первичной обмотке катушки 5 зажигания сопровождается сменой полярности и резким ростом напряжения на обмотках катушки 5. В параллельном колебательном контуре, образованном первичной обмоткой катушки 5 зажигания и конденсатором 4, начинается развитие колебательного процесса резонанса токов, вначале которого ток течет от источника 1 бортового напряжения питания через первичную обмотку катушки 5 зажигания в конденсатор 4, заряжая его до повышенного напряжения. Звено 14 обратной связи в ключе-генераторе 7 поддерживает процесс ускоренного запирания силового транзистора 12.
Далее конденсатор 4 начинает разряжаться через первичную обмотку катушки 5 зажигания, вызывая нарастание в ней инверсного тока с направлением к источнику 1 бортового напряжения питания. После пробоя искрового промежутка 6 узел 14 обратной связи переводит силовой транзистор 12 в открытое состояние, начиная поддержку автоколебательного процесса резонанса токов. В первичной обмотке катушки 5 зажигания начинает нарастать ток по направлению к земляной шине, частично восполняющий потерю активной энергии магнитного поля катушки зажигания 5. Через промежуток времени, определяемый длительностью отрицательной полуволны колебания на резонансной частоте параллельного колебательного контура и временными характеристиками звена 14 обратной связи, закрывается силовой транзистор 12, что прерывает ток в первичной обмотке катушки 5 зажигания и формирует на ней дополнительный импульс напряжения, который трансформируется во вторичную цепь и поддерживает ток в искровом промежутке 6.
Далее процесс, являясь автоколебательным, повторяется. Диод 19 препятствует «срезанию» отрицательных полуволн в процессе резонансных колебаний, что наблюдается в устройстве-прототипе, благодаря чему энергия искрообразования увеличивается вдвое. Однако энергия в колебательном контуре все равно несколько убывает от импульса к импульсу ввиду наличия в цепи потерь на активном сопротивлении. Интенсивность затухания колебаний благодаря полноценной отрицательной полуволне в данном случае намного меньше, чем в устройстве-прототипе, что еще более повышает энергию искрообразования.
При этом полное сопротивление предлагаемой параллельной резонансной цепи на резонансной частоте намного превышает сопротивление последовательного колебательного контура, как в устройстве-прототипе, что позволяет существенно уменьшить потребление энергии от источника 1 бортового напряжения питания.
В предлагаемом устройстве вместо однополярного искрового разряда реализован искровой разряд переменного тока повышенной частоты. В зависимости от типов катушек зажигания и величины емкости конденсатора 4 частота переменного тока разряда может варьироваться от единиц до десятков килогерц. При этом срок службы свечей зажигания существенно увеличивается и тем больше, чем выше частота переменного тока. Это связано со снижением температуры поверхности электродов свечи в месте искрового разряда по мере роста частоты и равномерным распределением электрической эрозии между электродами свечи.
Техническим результатом, который достигается при осуществлении изобретения, является:
- увеличение энергии искрообразования практически вдвое;
- уменьшение потребления энергии от источника бортового напряжения питания;
- продление срока службы свечей зажигания.
При изучении патентной и технической литературы авторы не нашли источника, содержащего признаки, отличающие заявляемое решение. Это позволяет считать его соответствующим критерию «новизна». Несмотря на актуальность проблемы, аналогичное решение с указанным результатом не было предложено ранее, и оно не является очевидным для специалиста, что позволяет считать его соответствующим критерию «изобретательский уровень».
Описанное в качестве примера реализации способа устройство является технически завершенным, выполненным на известной элементной базе и может быть изготовлено промышленным способом.