СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
IGNITION SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к автомобильной промышленности, в частности к электрооборудованию автомобилей и процессам искрообразования в двигателях внутреннего сгорания, основано на емкостном датчике вращения и может быть использовано в производстве и эксплуатации автомобильной техники для повышения эффективности и надежности работы электрооборудования автомобилей.
Известна система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая свечи зажигания, распределитель, катушку зажигания, источник питания и контактный прерыватель тока [Электрооборудование военной автомобильной техники: учебник / Б.А.Данов, В.Д.Рогачев, Н.П.Шевченко. - Рязань: Воен. автомоб. институт, 2005. - 598 с.].
Работа устройства основана на пропускании тока через первичную обмотку катушки зажигания, прерывании тока первичной обмотки катушки зажигания контактным прерывателем, что создает на первичной обмотке электродвижущую силу самоиндукции. Это напряжение трансформируется катушкой зажигания во вторичную обмотку катушки зажигания с повышением напряжения. Повышенное напряжение со вторичной обмотки поступает на свечи зажигания и создает электрическую искру. Величина тока первичной обмотки обусловливает величину энергии магнитного поля катушки, которая преобразуется в результате прерывания тока в электрическую энергию искры.
Недостатком известного устройства является то, что искрение на контактном прерывателе ограничивает величину тока катушки, а соответственно мощность электрических импульсов, подаваемых на свечи зажигания, а также снижает ресурс работы системы зажигания.
Наиболее близкой к предлагаемой является система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая свечи зажигания, распределитель, катушку зажигания, транзисторный коммутатор, источник питания, магнитоэлектрический датчик электрических импульсов [Данов Б.А. Электронные системы автомобилей. - М.: Транспорт, 1996].
Работа датчика (генератора) импульсов основана на принципе электромагнитной индукции. Управление транзисторным коммутатором осуществляется упомянутым магнитоэлектрическим генератором, который вырабатывает электрические импульсы синхронно с вращением коленчатого вала двигателя. Импульс датчика поступает на базу входного транзистора коммутатора, усиливается и поступает на базу силового транзистора, закрывая его, что прерывает ток первичной обмотки катушки зажигания. Транзисторный коммутатор позволяет без искрения коммутировать токи большей величины и увеличивает мощность искры и ресурс работы системы зажигания.
Недостатком известной системы зажигания является необходимость тока, а соответственно определенной мощности электрических импульсов для управления входным каскадом транзисторного коммутатора, так как каскад построен на биполярном транзисторе. Это обусловливает сложность конструкции датчика, в качестве которого используется магнитоэлектрический генератор с ротором в виде постоянного магнита и с обмотками на статоре, в которых индуцируются электрические импульсы. Сложность конструкции обусловливает высокую стоимость, снижает надежность системы зажигания.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на упрощение конструкции системы зажигания с транзисторным коммутатором, снижение стоимости и повышение надежности ее работы.
Технический результат достигается тем, что система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая свечи зажигания, распределитель напряжения, катушку зажигания, транзисторный коммутатор, источник питания, датчик электрических сигналов, выполненный в виде статора и ротора, при этом ротор механически соединен с распределительным валом двигателя, статор и ротор датчика выполнены с двумя изолированными секторными цилиндрическими пластинами, при этом пластины ротора соединены друг с другом, одна пластина статора соединена с источником питания, а вторая пластина статора соединена с входным каскадом коммутатора и через дополнительное сопротивление с массой, при этом входной каскад коммутатора выполнен на полевом транзисторе.
Отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что статор и ротор датчика содержат по две изолированные секторные цилиндрические пластины, при этом пластины ротора соединены друг с другом, одна пластина статора соединена с источником питания, а вторая пластина статора соединена с входным каскадом коммутатора и через дополнительное сопротивление с массой, при этом входной каскад коммутатора выполнен на полевом транзисторе.
На чертеже представлена функциональная схема системы зажигания двигателя внутреннего сгорания.
Система зажигания двигателя внутреннего сгорания содержит последовательно соединенные датчик 1 электрических импульсов, транзисторный коммутатор 6, катушку зажигания 7, распределитель напряжения 8 и свечи зажигания 9. Датчик 1 выполнен со статором 2 и ротором 3, которые содержат по две изолированные секторные цилиндрические металлические пластины 4 и 5 соответственно. Пластины 5 ротора 3 соединены друг с другом. Одна пластина статора соединена с источником питания бортовой сети, а вторая пластина статора соединена с входным каскадом коммутатора через разделительный конденсатор С1 и через дополнительное сопротивление R1 с «массой». Входной каскад коммутатора 6 выполнен на полевом транзисторе VT с сопротивлением R2 затвора и сопротивлением R3 стока. На входе транзистора VT соединен стабилитрон для защиты транзистора от обратных напряжений на затворе и от повышенных прямых напряжений.
рот
цил
двиг
цил
Транзисторный коммутатор работает следующим образом. Ротор 3 датчика 1, соединенный механически с распределительным валом двигателя через редуктор, вращается с числом оборотов n=k n/2, где k - число цилиндров двигателя;
двиг
пит
датч
датч.
датч
0
0
датч
2
-12
-4
-4
n (об/мин) - число оборотов двигателя. Число «2» отражает то, что за один оборот датчик вырабатывает два импульса. При вращении ротора датчика его пластины 5 оказываются в двух крайних положениях. Они могут быть расположены напротив пластин 4 статора и на 90° повернуты от этого положения. В положении "напротив" пластины статора и ротора образуют два последовательно соединенных конденсатора. В повернутом 90°-ном положении конденсаторы расформированы. При вращении конденсаторы периодически формируются и расформировываются. При формировании конденсаторов, когда взаимная площадь положения "напротив" пластин ротора и статора увеличивается, через них и через сопротивление R1 протекает ток заряда, и на сопротивлении образуется импульс напряжения положительной полярности амплитудой до величины напряжения питания U. Время заряда определяется постоянной времени τ=2.3·R1·С., где С - электрическая емкость датчика. Величина емкости определяется с помощью формулы плоского конденсатора С=εεS/4πd, где ε - относительная диэлектрическая постоянная, ε - диэлектрическая постоянная вакуума, S - площадь пластин конденсатора, d - расстояние между пластинами, или величина зазора "ротор-статор". Полная емкость датчика равна половине емкости одного конденсатора из-за их последовательного расположения. При S=10 см и d=0.1 мм величина С=8.85·10 10·10/12.56·1·10=3.5 пФ. Разными конструкциями пластин датчика можно варьировать величину емкости в широких пределах. Постоянная времени заряда емкости датчика при величине сопротивления R1=1 МОм составляет в среднем порядка 10 мкс. Эту величину можно увеличивать или уменьшать варьированием конструкции датчика и величиной сопротивления цепи датчика. Согласование входного напряжения по величине (с целью ограничения) для управления транзистором дополнительно производится с помощью стабилитрона.
При уходе пластин ротора из положения "напротив" конденсаторы расформировываются и разряжаются. При этом на сопротивлении образуется импульс отрицательной полярности. Таким образом, за один оборот ротора датчика на резисторе R1 образуется два положительных импульса, которые открывают транзистор VT. Отрицательные импульсы, ненужные для управления коммутатором, шунтируются стабилитроном, включенным для отрицательных импульсов в прямом направлении. Переходной конденсатор С1 большой емкости разделяет датчик от коммутатора по постоянному току и защищает полевой транзистор. Так как управление полевым транзистором бестоковое, то при любых величинах емкостей конденсаторов, образованных пластинами ротора и статора, образующиеся импульсы напряжения достаточны для управления транзистором. Потенциальное управление транзистором обусловливает достаточность возможностей датчика для управления.
При открытом транзисторе VT на сопротивлении стока R3 образуется падение напряжения, которое передается в усилительный каскад коммутатора 6, и далее запирается силовой транзистор, прерывая ток катушки зажигания 7. Образующийся импульс напряжения на катушке 7 передается через распределитель напряжения 8 на свечи зажигания 9.
Момент времени положения пластин ротора "напротив" с помощью регуляторов угла опережения зажигания синхронизируется с положением поршня в цилиндре до "верхней мертвой точки".
Для четырехтактного двигателя с четырьмя цилиндрами ротор датчика соединяется с выходом распределительного вала методом прямого замещения индукционного датчика, так как число оборотов распределительного вала в два раза больше числа оборотов коленчатого вала. При восьми цилиндрах необходимо дополнительное техническое согласование частоты вращения ротора датчика с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Это согласование выражается в расположении редуктора с передачей "2" между выходом вала распределителя зажигания и ротором датчика.
Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемое изобретение (система зажигания с емкостным датчиком) является более простым по конструкции датчика, а соответственно более надежным и долговечным благодаря емкостной конструкции датчика, бестоковому управлению коммутатором, благодаря использованию источника питания коммутатора для генерации управляющих сигналов.