Конденсаторный модуль зажигания на комплементарных транзисторах

Полезная модель относится к автомобильной электронике, в частности, к конденсаторным системам зажигания, и может быть использована в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания для повышения эффективности поджога и сгорания воздушно-топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания, в том числе в процессе его запуска и работе на всех режимах.
Известен прибор зажигания для двигателя внутреннего сгорания (Пат. US № 5183024 МПК F02P3/08, опубл. 02.02.1993), содержащий импульсный преобразователь напряжени, первый вход которой подключён к первому входу формирователя импульсов и первому зажиму прибора зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения к положительному выводу +Е бортовой сети автомобиля, вторые входы импульсного преобразователя напряжения и формирователя импульсов соединены со вторым зажимом прибора зажигания для двигателя внутреннего сгорания, для подключения к отрицательному –Е (общему) выводу бортовой сети автомобиля, первый выход формирователя импульсов соединён с информационным входом импульсного преобразователя напряжения, первый выход которого подсоединён через диод к первой обкладке накопительного конденсатора и к первому из выходных зажимов прибора зажигания для двигателя внутреннего сгорания, для подключения к одному из выводов первичной обмотки катушки зажигания, второй выходной зажим прибора зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения ко второму из выводов первичной обмотки катушки соединён с выходом ключа, вход которого подсоединен ко второй обкладке накопительного конденсатора, второму выходу импульсного преобразователя напряжения и второму зажиму прибора зажигания для двигателя внутреннего сгорания, второй выход формирователя импульсов подсоединен к управляющему входу ключа.
Недостатком известной системы зажигания является небольшая амплитуда первой индуктивной фазы искрового разряда и короткая длительность искрового разряда, не превышающая 0,3 мс, что отрицательно проявляется при пуске двигателя и работе на холостых оборотах.
Известна многоискровая система зажигания (Пат. US № 7100589 МПК F02P3/06, F02P15/10, опубл. 5.09.2006), содержащая импульсный преобразователь напряжения, первый вход которой подключён к первому входу формирователя импульсов и первому зажиму многоискровой системе зажигания для подключения к положительному выводу +Е бортовой сети автомобиля, вторые входы импульсного преобразователя напряжения и формирователя импульсов соединены со вторым зажимом многоискровой системы зажигания для подключения к отрицательному –Е (общему) выводу бортовой сети автомобиля, первый и второй выходы формирователя импульсов соединёны, соответственно, с информационным входом импульсного преобразоватея напряжения и информационным входом ключа, первый выход импульсного преобразователя напряжения подсоединён через диод к первой обкладке накопительного конденсатора и к первому из выходных зажимов многоискровой системы зажиганпя, для подлючения к одному из выводов первичной обмотки катушки зажигания, второй выходной зажим многоискровой системы зажигания для подлючения ко второму из выводов первичной обмотки катушки зажигания соединен с выходом ключа, вход которого подсоединён ко второй обкладке накопительного конденсатора, второму выходу импульсного преобразователя напряжения и второму зажиму многоискровой системы зажигания.
Недостатком данной системы зажигания является небольшая амплитуда индуктивной фазы многократного искрового разряда, что особенно негативно проявляется при пуске двигателя, работе на холостых оборотах и под нагрузкой.
Наиболее близким к полезной модели является устройство электронного зажигания для двигателей внутреннего сгорания, описанная в (Пат. РФ № 2136954, МПК F02P3/04, опубл. 10.09.1999), в которой исключен первый из указанных недостатков, содержащая импульсный преобразователь напряжения, первый вход которой подключён к первому входу формирователя импульсов и первому зажиму устройства электронного зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения к положительному выводу +Е бортовой сети автомобиля, вторые входы импульсного преобразователя напряжения и формирователя импульсов соединены со вторым зажимом устройства электронного зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения к отрицательному –Е (общему) выводу бортовой сети автомобиля, первый и второй выходы формирователя импульсов соединены, соответственно, с информационным входом импульсного преобразователя напряжения и информационным входом ключа, первый выход импульсного преобразователя напряжения подсоединён через диод к первой обкладке накопительного конденсатора и первому выходному зажиму устройства электронного зажигания для двигателей внутреннего сгорания для подключения к одному из выводов первичной обмотки катушки зажигания, второй выходной зажим устройства электронного зажигания для двигателей внутреннего сгорания для подключения ко второму выводу первичной обмотки катушки зажигания подсоединен к выходу ключа, вход которого подключён ко второй обкладке накопительного конденсатора, второму выходу импульсного преобразователя напряжения и второму зажиму устройства электронного зажигания для двигателя внутреннего сгорания.
Недостатком данной транзисторной системы электронного зажигания, как и предыдущих, является маленькая длительность однополярной индуктивной составляющей искрового разряда, не превышающая 0,6 мс, и, соответственно, низкая надёжность поджога на различных режимах работы двигателей внутреннего сгорания и различных альтернативных видах топлива при нормальном и мощном режимах.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для двигателей внутреннего сгорания с увеличенной длительностью и мощностью искрового разряда.
Технический результат – повышение надёжности поджога воздушно-топливной смеси на различных режимах работы двигателей внутреннего сгорания и различных альтернативных видах топлива при нормальном и мощном режимах.
Технический результат достигается за счет того, что в конденсаторный модуль зажигания на комплементарных транзисторах для двигателей внутреннего сгорания, содержащий импульсный преобразователь напряжения, первый вход которого подключён к первому входу формирователя импульсов и первому зажиму конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения к положительному выводу +Е бортовой сети автомобиля, второй вход импульсного преобразователя напряжения и второй вход формирователя импульсов соединены со вторым зажимом конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения к отрицательному –Е (общему) выводу бортовой сети автомобиля, первый и второй выходы формирователя импульсов соединёны, соответственно, с информационным входом импульсного преобразователя напряжения и первым информационным входом первого ключа, первый выход импульсного преобразователя напряжения подключён к первой обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подсоединена ко второму зажиму конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах и через диод 5 ко второму выходу импульсного преобразователя напряжения, первый и второй выходные зажимы конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения, соответственно, к первому и второму выводов первичной обмотки катушки зажигания, при этом введенен второй ключ, причем первый вход которого соединен с первой обкладкой конденсатора, а выход второго ключа - со вторым информационным входом первого ключа и первым выходным зажимом конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, второй выходной зажим которого подсоединён через вновь введённый диод к выходу первого ключа и информационному входу второго ключа.
Конденсаторный модуль зажигания на комплементарных транзисторах характеризуется тем, что первый ключ содержит n-канальный транзистор, исток которого соединён с анодом стабилитрона, одним из выводов первого резистора и первым входом ключа, выход  которого подсоединён к стоку N-канального транзистора, затвор которого подключён к катоду стабилитрона, второму выводу первого резистора и через второй резистор к первому информационному входу ключа, второй информационный вход которого соединен через диод и третий резистор с затвором N-канального транзистора.
Конденсаторный модуль зажигания на комплементарных транзисторах характеризуется тем, что второй ключ содержит p-канальный транзистор, исток которого соединён с катодом стабилитрона, одним из выводов первого резистора и первым входом ключа, выход которого подсоединён к стоку P-канального транзистора, затвор которого подключён к аноду стабилитрона, второму выводу первого резистора и через второй резистор и диод к информационному входу ключа.
Сущность предлагаемого конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для двигателей внутреннего сгорания заключается в увеличении амплитуды и длительности тока при формировании первой индуктивного фазы искрового разряда путём формирования тока разряда накопительной ёмкости через первичную обмотку катушки зажигания в заданный момент времени, и формирования второй индуктивной фазы искрового разряда обратного направления путём прерывания тока разряда накопительной ёмкости через первичную обмотку катушки зажигания в момент достижения им максимального значения.
Введение второго ключа и его связей с первым ключом, формирователём импульсов и общей шиной позволило организовать два ключа на на двух комплементарных транзисторах, работающих как триггер, которые могут находиться в двух состояниях - открытом или закрытом, что соответствует одновременному протеканию тока или отсутствие тока через транзисторы.
Особенностью данного технического решения конденсаторного модуля зажигания на комплентарных транзисторах является то, что при срабатывания триггера в заданный момент времени по сигналу с формирователя импульсов, происходит резкое возникновение магнитного потока, образованного протеканием тока разряда накопительного конденсатора через первичную обмотку катушки зажигания, что приводит к возникновению ЭДС во вторичной обмотке катушки зажигания, пробою искрового промежутка и формированию вторичного тока первой высокоэнегетической индуктивной фазы искрового разряда. В момент достижения максимального значения тока разряда накопительного конденсатора через первичную обмотку катушки зажигания или минимального значения напряжения на накопительном конденсаторе формируется лавинообразное выключение триггера и, соответственно, исчезновение тока в первичной обмотке катушки зажигания. Резкое изменение магнитного потока, вызванное исчезновением тока в первичной обмоке катушки зажигания наводит во вторичной обмотке катушки зажигания ЭДС противоположного знака относительно ЭДС во вторичной обмотке при включении триггера, что приводит, соответственно, к повторному пробою искрового промежутка свечи зажиганияи и изменению направления вторичного тока второй индуктивной фазы искрового разряда.
Вторая индуктивня фаза вторичного тока искрового разряда, обусловленная только параметрами вторичной цепи катушки зажигания, независимо от параметров разомкнутой первичной цепи, обеспечивает более эффективное поддержание процесса горения воздушно – топливной смеси, т.к. имеет существенно большую продолжительность при меньшей амплитуде тока по сравнению с первой высокоэнергетической индуктивной фазой вторичного тока искрового разряда, но превышает по энергетическим параметрам индуктивную фазу искрового разряда традиционных транзисторных модулей зажигания.
На Фиг. 1 изображена блок-схема конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для двигателей внутреннего сгорания, содержащего первый зажим 1 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения к положительному выводу +Е бортовой сети автомобиля, второй зажим 2 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения к отрицательному -Е (общему) выводу бортовой сети автомобиля, импульсный преобразователь напряжения 3, формирователь импульсов 4, диод 5, накопительный конденсатора 6, первый ключ 7, второй ключ 8, диод 9, выходные зажимы 10 и 11 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для подключения, сответственно, к первому и второму из выводов первичной обмотки 12 катушки зажигания 13 (Фиг.3 и Фиг.4).
На Фиг. 2 изображена структурная схема конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для двигателей внутреннего сгорания, содержащая импульсный преобразователь напряжения 3, первый вход 3-1 которого подключён к первому входу 4-1 формирователя импульсов 4 и первому зажиму 1 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения к положительному выводу +Е бортовой сети автомобиля. Второй вход 3-2 импульсного преобразователя напряжения 3 и второй вход 4-2 формирователя 4 импульсов соединены со вторым зажимом 2 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения к отрицательному –Е выводу бортовой сети автомобиля. Информационный вход 4-5 формирователя импульсов 4 подключается к подвижному контакту механического прерывателя. Первый выход 4-3 и второй выход 4-4 формирователя импульсов 4 соединёны, соответственно с информационным входом 3-3 импульсного преобразователя напряжения 3 и первым информационным входом 7-1 первого ключа 7, первый выход 3-4 импульсного преобразователя напряжения 3 подсоединён к первой обкладке накопительного конденсатора 6, первому входу 8-1 второго ключа 8, выход которого соединён с вторым информационном входом 7-2 первого ключа 7 и с первым выходным зажимом 10. Второй выходной зажим 11 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, подсоединен через диод 9 к информационному входу 8-2 второго ключа 8 и выходу 7-3 ключа 7, вход 7-4 которого соединен со вторым зажимом 2 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, второй обкладкой конденсатора 6 и через диод 5 со вторым выходом 3-5 импульсного преобразователя напряжения 3. К выходам 3-4 и 3-5 импульсного преобразователя напряжения 3 подключена выходная обмотка 3-6 импульсного трансформатора 3-7, входные обмотки 3-8 и 3-9 которого подключены к блоку управления 3-10 импульсного преобразователя напряжения 3.
Диод 9 предотвращает самопроизвольное стабатывание триггера, образованного полевыми комплементарными транзисторами 7-5 и 8-3.
На фиг. 2 показаны также внутренние связи первого 7 и второго 8 ключей.
Первый ключ 7 содержит N-канальный транзистор 7-5, исток которого соединён с одним из выводов первого резистора 7-6, анодом стабилитрона 7-7 и первым входом 7-4 ключа 7, выход 7-3 которого подсоединён к стоку N-канального транзистора 7-5, затвор которого подключён к катоду стабилитрона 7-7, второму выводу первого резистора 7-6 и через второй резистор 7-8 к первому информационному входу 7-1 ключа 7, второй информационный вход 7-2 которого соединён через диод 7-9 и третий резистор 7-10 с затвором N-канального транзистора 7-5.
Второй ключ 8 содержит P-канальный транзистор 8-3, исток которого соединён с катодом стабилитрона 8-4, одним из выводов первого резистора 8-5 и первым входом 8-1 ключа 8, выход 8-6 которого подсоединён к стоку P-канального транзистора 8-3, затвор которого подключён к аноду стабилитрона 8-4, второму выводу первого резистора 8-5 и, через последовательно соединённые второй резистор 8-7 и диод 8-8, к информационному входу 8-2 ключа 8.
На Фиг. 3 и Фиг. 4 приведены принципиальные схемы одновыводной и двухвыводной катушек зажигания, где: 12 и 14, соответственно, первичная и вторичная обмотки катушки зажигания 13, искровой зазор 15 свечи зажигания.
На Фиг. 5 приведена принципиальная схема формирователя импульсов, который управляется, например, от механических контактов прерывателя, но может управляеться также от датчика Холла или от микропроцессорной системы управления зажиганием, с сответствующей синхронизацией от коленчатого (распределительного) вала ДВС.
На Фиг. 6 – Фиг. 9 приведены временные диаграммы работы формирователя импульсов 5 с механическим датчиком (прерывателем).
На Фиг. 6 приведена временная диаграмма напряжения на зажимах механического датчика (прерывателя).
На Фиг. 7 приведена временная диаграмма падения напряжения на конденсаторе 4-13.
На фиг. 8 приведена временная диаграмма напряжения на резисторе 4-12.
На Фиг. 9 приведена временная диаграмма напряжения на зажиме 4-4 относительно зажима 4-2 формирователя импульсов 4, открывающий транзистор 7-5 первого ключа 7. Аналогичный импульс, с выхода 4-3 относительно втрого входа 4-2 формирователя импульсов 4, поступает на первый вход 3-3 импульсного преобразователя напряжения 3 (фиг. 2) и выключает его на время разряда конденсатора 6 через первичную обмотку 12 катушки зажигания 13.
На Фиг. 10 – Фиг. 15 приведены временные диаграммы конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах.
На Фиг. 10 показан запускающий импульс напряжения с выхода 4-4 относительно второго входа 4-2 формирователя импульсов 4.
На Фиг. 11, Фиг. 12 и Фиг. 13 показаны, соответственно, напряжения на конденсаторе 6, на зажиме 10 относительно зажима 11 первичной обмотки 12 и ток через первичную обмотку 12 катушки зажигания 13.
На Фиг. 14, Фиг. 15 показаны, соответственно, падение напряжения и ток искрового разряда в зазоре 15 свечи зажигания (Фиг. 3 и Фиг.4).
0
1
Рассмотрим работу формирователя импульсов, изображенного на Фиг. 5. Исходное состояние: контакты механического датчика (прерывателя) 4-5, подключенного к третьему информационному входу 4-6, замкнуты, и через резистор 4-7 и контакты прерывателя 4-5 от источника энергии бортовой сети +Е протекает ток (фиг. 6, момент времени t). При замкнутых контактах прерывателя 4-5 транзисторы 4-8, 4-9, и 4-10 закрыты, и выходное напряжение формирователя импульсов между контактами 4-4 и 4-2 равно нулю. При размыкании контактов прерывателя 4-5 (фиг. 6, момент времени t) транзистор 4-9 открывается током, протекающим от бортовой сети +Е по цепи: зажим 1 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, зажим 4-1 формирователя импульсов 4, резистор 4-7, резистор 4-11, резистор 4-12 и базо-эмиттерный переход транзистора 4-9, зажим 4-2, общий зажим 2. Конденсатор 4-13 разряжается (фиг. 7) в течение 2 мс, обеспечивая защиту от дребезга контактов прерывателя 4-5 при их размыкании. При этом начинает протекать ток от бортовой сети +Е по цепи: зажим 1 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, зажим 4-1 формирователя импульсов 4, резистор 4-14, базо-эмиттерный переход транзистора 4-8, резистор 4-15 и коллекторно-эмиттерный переход транзистора 4-9, зажим 4-2, общий зажим 2. На резисторе 4-14 возникает напряжение (фиг. 8), которое через дифференцирующую цепь, состоящую из конденсатора 4-16, резистора 4-17 и токоограничительного резистора 4-18 поступает на базу транзистора 4-10, открывая его на короткий промежуток времени. Диод 4-19 служит для разряда конденсатора 4-16 при замыкании контактов прерывателя для подготовки к следующему циклу работы. При открытом транзисторе 4-10 от бортовой сети +Е протекает ток по цепи: зажим 1 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, зажим 4-1 формирователя импульсов 4, коллекторно-эмиттерный переход транзистора 4-10, резисторы 4-20 и 4-21, зажим 4-2, общий зажим 2, причем падение напряжения на резисторе 4-21 является выходным напряжением формирователя импульсов (фиг. 9).
2
При замыкании контактов механического датчика (прерывателя) 4-5 через резистор 4-7 и контакты прерывателя 4-5 от источника энергии бортовой сети +Е протекает ток (фиг. 6, момент времени t) по цепи: зажим 1 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, зажим 4-1 формирователя импульсов 4, резистор 4-7, третий вход 4-6, контакты прерывателя 4-5.
Одновременно конденсатор 4-13 заряжается током, протекающим от бортовой сети +Е по цепи: зажим 1 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, зажим 4-1 формирователя импульсов 4, конденсатор 4-13, диод 4-22, резистор 4-23, третий вход 4-6 и контакты прерывателя 4-5. Заряд конденсатора 4-13 происходит в течение 2 мс, обеспечивая защиту от дребезга контактов прерывателя 4-5 при их замыкании.
Цепь, состоящая из диода 4-24 и резистора 4-25 служит для поддержания открытого состояния транзистора 4-9 в течение времени открытого состояния транзистора 4-10.
Сигнал с выхода 4-3 предназначен для остановки преобразователя напряжения на время разряда накопительного конденсатора.
3
4
При следующем размыкании контактов прерывателя (фиг. 6 – фиг. 9, момент времени t), и их замыкании (фиг. 6 – фиг. 9, момент времени t) описанные процессы повторяются.
Рассмотрим работу конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с использованием временных диаграмм, изображённых на Фиг. 10 - Фиг. 15.
При пуске и работе ДВС контакты механического датчика замыкаются и размыкаются (Фиг. 2), и в момент размыкания механического датчика на входе 4-5 формирователя импульсов 4, на его выходе 4-4 относительно выхода 4-2 формирователя 4 формируется положительный импульс запуска (Фиг. 10), который поступает на первый информационный вход 7-1 относительно первого входа 7-4 первого ключа 7. Полевой транзистор 7-5 открывается и положительный потенциал напряжения с верхней обкладки конденсаторе 6, ранее заряженного от импульсного преобразователя напряжения 3, прикладывается к переходу исток-затвор полевого транзистора 8-3 второго ключа 8, который открывается по цепи: верхняя обкладка конденсатора 6 первый вход 8-1 второго ключа 8, исток - затвор полевого транзистора 8-3, резистор 8-7, диод 8-8, информационный вход 8-2 второго ключа 8, выход 7-3 первого ключа 7, сток - исток полевого транзистора 7-5, первый вход 7-4 первого ключа 7, нижняя обкладка конденсатора 6. После открытия полевого транзистора 8-3 к переходу затвор-исток полевого транзистора 7-5 прикладывается положительный потенциал конденсатора 6 по цепи: первая обкладка конденсатора 6, первый вход 8-1 ключа 8, переход исток-сток полевого транзистора 8-3, выход 8-6 ключа 8, второй информационный вход 7-2 первого ключа 7, диод 7-9, резистор 7-10, затвор-исток полевого транзистора 7-5, первый вход 7-4 первого ключа 7, вторая обкладка конденсатора 6. То есть триггер, составленный из двух ключей 7 и 8 с соответствующими внешними связями, на двух комплементарных полевых транзисторах 7-5 и 8-3 переходит в устойчивое открытое состояние. Конденсатор 6 с первичной обмоткой 12 катушки зажигания 13 образуют колебательный контур, причём ток протекает по цепи: первая обкладка конденсатора 6, ключ 8, первый выходной зажим 10 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, первичная обмотка 12 катушки зажигания 13, второй 11 выходной зажим конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, диод 9, первый ключ 7, вторая обкладка конденсатора 6. При протекании тока через первичную обмотку 12 катушки зажигания 13 формируется в зазоре 15 вторичной цепи искровой разряд, напряжение на зазоре и ток через зазор свечи зажигания имеют, соответственно, вид, показанный на Фиг. 14 и фиг. 15. Напряжение на конденсаторе 6 падает по гармоническому закону косинуса (Фиг. 12), а ток изменяется по гармоническому закону синуса (Фиг. 13). Через половину периода колебательного процесса напряжение на конденсаторе достигает значения, при котором приложенный потенциал к переходам затвор - исток обоих полевых транзисторов не может удержать их открытыми, и триггер на комплементарных транзисторах 8-3 и 7-5 лавинообразно закрывается. При этом ток в первичной обмотке 12 катушки зажигания 13 резко исчезает, а во вторичной обмотке возникает высоковольтный импульс напряжения обратного знака (Фиг. 14), и происходит повторный пробой в искровом зазоре 15 свечи зажигания. Ток (Фиг. 15) через искровой зазор также меняет направление на обратное значение, однако длительность его существенно больше, чем длительность тока в первой фазе разряда, и превышает традиционную длительность искрового разряда транзисторных систем зажигания из-за большего значения тока разрыва.
Таким образом, построение конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах по предложенной схеме обеспечивает увеличенную длительность и мощность искрового разряда, что приводит к повышению надёжности поджога воздушно-топливной смеси на различных режимах работы двигателей внутреннего сгорания и различных альтернативных видах топлива при нормальном и мощном режимах.