СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ СО СДВОЕННОЙ КАТУШКОЙ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к системе зажигания со сдвоенной катушкой, используемой для управления энергией искры, передаваемой свече зажигания в двигателе.
Уровень техники
Системы двигателей могут быть оснащены такими устройствами наддува, как нагнетатели и турбонагнетатели, усиливающие подачу воздуха и повышающие выходную пиковую мощность. За счет повышенной выходной мощности, производимой такими системами двигателей, можно обеспечить эффективную работу свечей зажигания и устойчивое сгорание при помощи вторичного пикового тока при высокой скорости и нагрузке, а также большой продолжительности подачи искры при низкой скорости и нагрузке в условиях бедной и/или разбавленной смеси. Однако вторичные пиковые токи и большая продолжительность подачи искры являются взаимоисключающими характеристиками катушки зажигания, в результате чего система зажигания способна функционировать при одном или нескольких условиях, перечисленных выше, в ущерб другому.
В качестве ближайшего аналога может быть выбрана схема зажигания с двумя катушками, описанная в патенте США №3,760,782, опубл. 25.09.1973.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является уменьшение общего потребления энергии, а также снижение напряжения, воздействующего на детали, что позволяет увеличить срок их службы. Кроме того, снижаются пространственные требования к расположению системы зажигания.
Для устранения описанных недостатков известных решений предложена система зажигания со сдвоенной катушкой, которая включает в себя первую индуктивную катушку зажигания с первой первичной обмоткой и первой вторичной обмоткой, вторую индуктивную катушку зажигания со второй первичной обмоткой и второй вторичной обмоткой, последовательно соединенной с первой вторичной обмоткой, а также диодную схему, содержащую первый диод и второй диод, соединенные между первой вторичной обмоткой и второй вторичной обмоткой.
Система может включать в себя контроллер с инструкциями, хранящимися на запоминающем устройстве для выдачи одной или нескольких команд на замыкание контактов для управления прохождением тока через первую первичную обмотку и вторую первичную обмотку.
Команда на замыкание контактов может быть закодированной, а система может содержать декодер, выполненный с возможностью получать и декодировать закодированные команды контроллера на замыкание контактов.
Система может содержать первый транзистор, непосредственно соединенный с декодером и первой первичной обмоткой, и второй транзистор, непосредственно соединенный с декодером и второй первичной обмоткой.
Первый транзистор и второй транзистор могут представлять собой биполярные транзисторы с изолированным затвором.
Свеча зажигания в системе может быть соединена непосредственно с выходом первой вторичной обмотки.
Первый диод может быть соединен таким образом, чтобы пропускать ток из первой катушки зажигания во вторую катушку зажигания, когда энергия первой катушки опускается до уровня заряда, накопленного во второй катушке зажигания.
Первая и вторая вторичные обмотки могут быть соединены друг с другом последовательно, а первый и второй диод могут быть соединены с выходом первой вторичной обмотки, причем первый диод может быть соединен таким образом, чтобы пропускать ток из первой катушки зажигания во вторую катушку зажигания, когда энергия первой катушки зажигания опускается до уровня заряда, накопленного во второй катушке зажигания.
Таким образом, каждая из двух катушек отвечает за одну из взаимоисключающих характеристик (например, высокий вторичный пиковый ток или большая продолжительность подачи искры), а управляющие диоды объединяют выходную мощность каждой катушки таким образом, что дополнительная энергия искры производилась только тогда, когда этого требует режим эксплуатации.
Полезная модель обладает несколькими преимуществами. Например, обеспечивая большую продолжительность подачи искры только тогда, когда условия работы требуют подачи дополнительной энергии на свечу, можно уменьшить общее потребление энергии по сравнению с системами, в которых большая продолжительность подачи искры поддерживается постоянно. Кроме того, такая конфигурация снижает напряжение, действующее на детали, что позволяет увеличить срок их службы, за счет того, что на управляющие диоды с переключением тока подается гораздо меньшее максимальное напряжение по сравнению с параллельно соединенными диодами, используемыми в системах зажигания со сдвоенной катушкой. Кроме того, меньшее максимальное напряжение делает возможным компактное конструктивное расположение катушки на свече, которая может быть расположена на индивидуальной катушке или катушке самоудерживания, снижая таким образом требования к участку расположения в системе двигателя по сравнению с системами сдвоенных катушек, состоящими из двух катушек на свече, расположенных рядом в одном корпусе или двух разных корпусах.
Вышеуказанные и другие преимущества, а также отличительные признаки предложенного решения явно указаны в следующем подробном описании, которое может быть рассмотрено как отдельно, так и со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое изложение сущности предложенного решения представлено для описания в упрощенной форме ряда выбранных концепций, дальнейшее изложение которых приводится ниже в подробном описании. Краткое раскрытие сущности решения не направлено на определение основных или существенных характеристик полезной модели, объем которой однозначно определяется формулой полезной модели. Кроме того, полезная модель не ограничивается вариантами реализации, устраняющими какой-либо из недостатков, указанных выше или в любой части данного описания.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение двигателя.
На Фиг. 2 показана схема системы зажигания со сдвоенной катушкой, соответствующая полезной модели.
На Фиг. 3 показана подробная схема системы зажигания со сдвоенной катушкой соответствующая полезной модели.
На Фиг. 4 показана блок-схема способа управления катушками зажигания.
На Фиг. 5 и 6 показаны временные диаграммы работы первой и второй катушек зажигания в ответ на закодированную команду на замыкание контактов.
На Фиг. 7 показано конструктивное расположение системы зажигания со сдвоенной катушкой, соответствующей полезной модели.
Осуществление полезной модели
В настоящем документе раскрыта система зажигания со сдвоенной катушкой, имеющая вторичные обмотки, соединенные последовательно через диодную схему переключения тока. Последовательное соединение двух катушек зажигания делает возможным эффективное управление, позволяя осуществлять независимое управление началом периода замыкания контактов, заканчивая его одновременно для всех катушек зажигания одной командой. Благодаря соединению относительно низкоиндуктивной и относительно высокоиндуктивной катушек зажигания итоговая конфигурация обеспечивает вторичные пиковые токи и большую продолжительность подачи искры в зависимости от условий сгорания.
На Фиг. 1 изображена система 100 двигателя транспортного средства. Это может быть дорожное транспортное средство с ведущими колесами, контактирующими с дорожной поверхностью. Система 100 двигателя включает в себя двигатель 10, имеющий несколько цилиндров. На Фиг. 1 подробно показан один цилиндр или камера сгорания. Работой различных компонентов двигателя 10 может управлять электронный контроллер 12. Двигатель 10 содержит камеру сгорания 30 и стенки 32 цилиндра с размещенным в них поршнем 36, соединенным с коленчатым валом 40. Камера сгорания 30 соединена с впускным коллектором 144 и выпускным коллектором 148 с помощью соответствующих впускного клапана 152 и выпускного клапана 154. Управление каждым впускным и выпускным клапаном может осуществляться с помощью впускного кулачка 51 и выпускного кулачка 53. В качестве альтернативы управление одним или несколькими впускными и выпускными клапанами может осуществляться с помощью обмотки клапана и якоря в сборе с электромеханическим управлением. Положение впускного кулачка 51 можно определить с помощью датчика 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 можно определить с помощью датчика 57 выпускного кулачка.
Топливная форсунка 66 показана расположенной таким образом, чтобы впрыскивать топливо прямо в цилиндр 30, что известно специалистам в данной области техники как непосредственный впрыск. В качестве альтернативы топливо может впрыскиваться во впускной канал для обеспечения впрыска топлива во впускные каналы. Топливная форсунка 66 подает жидкое топливо пропорционально ширине импульса сигнала (FPW) от контроллера 12. Топливо подается на топливную форсунку 66 с помощью топливной системы (не показана), включающей в себя топливный бак, топливный насос и топливную рампу. Привод 68 подает рабочий ток на топливную форсунку 66 в соответствии с командами от контроллера 12. Кроме того, впускной коллектор 144 показан соединенным с дросселем 62, который управляет положением дроссельной заслонки 64 для регулирования потока воздуха в цилиндр 30 двигателя. Также может осуществляться регулировка наддувочного воздуха, поступающего из впускной камеры 146 наддува. В некоторых вариантах дроссель 62 можно не использовать, при этом регулировка потока воздуха в двигатель может осуществляться с помощью дросселя (AIS) 82 в единой системе впуска воздуха, соединенной с воздушным впускным каналом 42 и расположенной выше по потоку от камеры 146 наддува.
В некоторых вариантах реализации двигатель 10 может обеспечивать рециркуляцию отработавших газов - EGR. При наличии такой системы рециркулирующие выхлопные газы проходят в систему впуска воздуха двигателя через канал 135 EGR и клапан 138 EGR в участок ниже по потоку от дросселя 82 системы впуска воздуха (AIS) из участка системы выпуска выхлопных газов ниже по потоку от турбины 164. EGR могут быть перемещены из системы выпуска выхлопных газов в систему подачи впускного воздуха при наличии перепада давлений, создающего данный поток. Перепад давлений может быть создан за счет частичного перекрытия дросселя 82 AIS. Управление давлением на входе в компрессор 162 осуществляется при помощи дроссельной заслонки 84. Система AIS может иметь электронное управление, а положение заслонки может быть отрегулировано при помощи дополнительного датчика 88 положения.
Компрессор 162 засасывает воздух из воздушного впускного канала 42 и подает его в камеру 146 наддува. В некоторых примерах в воздушном впускном канале 42 может быть расположена воздушная коробка (не показана) с фильтром. Выхлопные газы вращают турбину 164, соединенную с компрессором 162 с помощью вала 161. Исполнительный механизм 72 перепускной заслонки с вакуумным приводом позволяет направлять выхлопные газы в обход турбины 164, что позволяет управлять давлением наддува при различных условиях работы. В других вариантах реализации исполнительный механизм перепускной заслонки может иметь пневматический или электрический привод. Перепускная заслонка 72 может быть закрыта (или переведена в более закрытое положение) при поступлении запроса на увеличение наддува, например, при нажатии водителем на педаль газа. С помощью закрывания перепускной заслонки можно увеличить давление выхлопных газов на участке выше по потоку от турбины, увеличив скорость вращения турбины и пиковую выходную мощность. Это позволяет повысить давление наддува. Кроме того, можно переместить перепускную заслонку в более закрытое положение, чтобы поддерживать желаемое давление наддува при частично открытом рециркуляционном клапане компрессора. В другом примере перепускная заслонка 72 может быть открыта (или переведена в более открытое положение) при снижении потребности в наддуве, например, при отпускании водителем педали газа. С помощью открывания перепускной заслонки можно снизить давление выхлопных газов, снижая скорость вращения и мощность турбины. Это позволит снизить давление наддува.
Канал 159 рециркуляции вокруг компрессора 162 может быть оснащен рециркуляционным клапаном 158 компрессора (CRV) для того, чтобы воздух мог проходить от выпуска компрессора к впуску компрессора, снижая давление, которое может возникать вокруг компрессора 162. В канале 146 ниже по потоку от компрессора 162 может быть установлен охладитель 157 наддувочного воздуха для охлаждения наддувочного воздуха, поступающего на впуск двигателя. В изображенном примере канал 159 рециркуляции компрессора может быть выполнен с возможностью обеспечивать рециркуляцию охлажденного сжатого воздуха, поступающего с участка, расположенного ниже по потоку от охладителя 157 наддувочного воздуха, к выпуску компрессора. В качестве альтернативы канал 159 рециркуляции компрессора может быть выполнен с возможностью обеспечивать рециркуляцию сжатого воздуха, поступающего с участков, расположенных ниже по потоку от компрессора и выше по потоку от охладителя 157 наддувочного воздуха, к впуску компрессора. Открывание и закрывание CRV 158 может осуществляться с помощью электрического сигнала контроллера 12. CRV 158 может быть выполнен в виде клапана с тремя состояниями: полуоткрытое положение по умолчанию, из которого он может быть переведен в полностью открытое или полностью закрытое положение.
Бесконтактная система зажигания 90 подает искру зажигания в камеру сгорания 30 с помощью свечи зажигания 92 в ответ на сигнал контроллера 12. Система зажигания 90 может включать в себя систему зажигания со сдвоенной обмоткой, в которой два трансформатора в виде катушки зажигания соединены с каждой свечой зажигания двигателя. На Фиг. 2 показан пример системы зажигания 200 со сдвоенной катушкой зажигания, соответствующей вариантам осуществления полезной модели и которая может быть использована в двигателе с Фиг. 1. Первая катушка 202 зажигания может представлять собой низкоиндуктивный трансформатор, выполненный с возможностью подавать вторичный пиковый ток на свечу зажигания 204. В некоторых вариантах на каждый такт цилиндра в конце хода сжатия, в ответ на закодированную команду, поступающую на первичную обмотку 206, может быть замкнута и включена первая катушка 202 зажигания. Первая катушка 202 зажигания включается в случае прекращения или прерывания прохождения тока через первичную обмотку 206, что приводит к исчезновению магнитного потока и прохождению импульса высокого напряжения по вторичной обмотке 212 первой катушки зажигания 202. Вторая катушка зажигания 208 может представлять собой высокоиндуктивный трансформатор, имеющий боле высокую индуктивность по сравнению с первой катушкой 202 зажигания, сконфигурированный таким образом, чтобы генерировать искру большой продолжительности на свече 204 зажигания. Соответственно вторая катушка 208 зажигания замыкается и включается в ответ на закодированную команду на замыкание, поступающую на первичные обмотки 210, увеличивая напряжение первой катушки 202 зажигания в заданных условиях сгорания. Как показано на Фиг. 2, вторичные обмотки 212 и 214 первой и второй катушек зажигания соответственно соединены последовательно диодной схемой, состоящей из управляющих диодов 216 и 218 с переключением тока.
Управляющие диоды 216 и 218 могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы энергия, накопленная второй катушкой зажигания 208 до тех пор, пока ее передача свече зажигания 204 не будет наиболее эффективной для сгорания. Например, диодная схема может быть выполнена таким образом, что энергия, накопленная второй катушкой зажигания 208, передавалась свече зажигания 204, когда ток, проходящий через первую катушку зажигания 202 опускается до уровня, соответствующего и/или равного вторичному пиковому току второй катушки зажигания 208, который определяется по состоянию ее заряда в конце периода замыкания тока через первичную обмотку. Вторая катушка зажигания 208 может быть выполнена таким образом, чтобы по вторичной обмотке 214 проходил пиковый ток, который является частью пикового тока, проходящего по вторичной обмотке 212 первой катушки зажигания 202. Соответственно, когда ток, проходящий через вторичную обмотку 212 опускается до пикового тока вторичной обмотки 214, отрицательное напряжение в месте соединения анодов диодов 216 и 218, показанном как точка В на Фиг. 2, превышает отрицательное напряжение питания, поступившее на первичную обмотку 210, что ведет к прекращению прохождения тока через диод 218. При прекращении прохождения тока через диод 218 энергия вторичной обмотки 214 второй катушки зажигания 208 добавляется к заряду накала свечи зажигания. Соответственно уменьшением уровня энергии, накопленной во второй катушке зажигания 208, можно управлять автоматически с помощью диодной сети без специального сигнала от контроллера.
Как показано на Фиг. 2, точкой A обозначен выход вторичной обмотки 214 второй катушки зажигания 208, точкой B обозначено место соединения анодов диодов 216 и 218, а точкой C обозначен выход вторичной обмотки 212 первой катушки зажигания 202. Во время замыкания контактов напряжение на выходах вторичных обмоток 212 и 214, обозначенных точками A и C, является положительным, а напряжение в месте соединения анодов диодов 216 и 218 - отрицательным. После включения низкоиндуктивной катушки, которой является первая катушка зажигания 202, в точке A сохраняется положительное напряжение, а точка В становится заземлением, а напряжение в точке C изменяется на отрицательное. При снижении уровня тока, проходящего через вторичную обмотку 212, напряжение в точках A, B и C становится отрицательным, так как энергия вторичной обмотки 214 передается свече 204 зажигания. Соответственно, диод 216 может быть выполнен таким образом, чтобы выдерживать максимальное напряжение, равное суммарному расчетному напряжению вторичных обмоток 212 и 214 во время замыкания катушек 202 и 208. Диод 218 может быть выполнен таким образом, чтобы выдерживать максимальное напряжение, равное большему значению из расчетного напряжения вторичной обмотки 212 во время замыкания катушки 202 и максимального расчетного напряжения, ожидаемого на этапе накала свечи зажигания 204.
На Фиг. 1 показан универсальный датчик 126 содержания кислорода в выхлопных газах, соединенный с выпускным коллектором 148 выше по потоку от каталитического нейтрализатора 70. В качестве альтернативы датчик UEGO 126 может быть заменен на бистабильный датчик содержания кислорода в выхлопных газах. В одном варианте нейтрализатор 70 может состоять из нескольких каталитических блоков. В другом варианте может быть использовано несколько устройств снижения токсичности выхлопных газов, при этом каждое из них может состоять из нескольких блоков. Нейтрализатор 70, например, может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Хотя в примере датчик UEGO 126 установлен выше по потоку от турбины 164, в некоторых вариантах он может находиться в выпускном коллекторе ниже по потоку от турбины 164 и выше по потоку от нейтрализатора 70.
Контроллер 12 показан на Фиг. 1 как микрокомпьютер, содержащий: микропроцессорный блок 102 (CPU) порты 104 ввода/вывода (I/O), постоянное запоминающее устройство 106 (ROM), оперативную память 108 (RAM), оперативную энергонезависимую память 110 (RAM) и шину данных. Контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, для выполнения различных функций, необходимых для эксплуатации двигателя 10. В дополнение к ранее рассмотренным сигналам, сюда входят следующие: температуры хладагента двигателя (ECT) от датчика температуры 112, подключенного к рукаву охлаждения 114; позиционный датчик 134, связанный с педалью газа 130 для считывания положения педали газа (PP), регулируемого ногой 132 водителя; сигнал от датчика детонации для определения воспламенения отработавших газов (не показан); значения давления в коллекторе двигателя (MAP) от датчика 121 давления, установленного во впускном коллекторе 144; значения давления наддува от датчика 122 давления, установленного в камере 146 наддува; сигнала положения двигателя от датчика 118 на эффекте Холла, определяющего положение коленчатого вала 40; значения массового расхода, поступающего в двигатель, от датчика 120 (например, термоанемометра); значения положения дросселя от датчика 58. Также контроллер 12 может обрабатывать значения барометрического давления (датчик не показан). В предпочтительном варианте реализации при каждом повороте коленчатого вала датчик 118 положения двигателя генерирует предварительно установленное количество импульсов через равные промежутки времени, с помощью которых можно определить частоту вращения двигателя (RPM, об./мин).
В некоторых вариантах осуществления в гибридных транспортных средствах двигатель может быть соединен с электродвигателем/аккумуляторной системой. В гибридном автомобиле соединение может быть параллельным, последовательным, переключаемым или комбинированным.
Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10 обычно проходит четырехтактный цикл: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Во время впуска обычно выпускной клапан 154 закрывается, а впускной клапан 152 открывается. Воздух поступает в камеру сгорания 30 через впускной коллектор 144, а поршень 36 двигается по направлению к дну цилиндра так, чтобы увеличить объем внутри камеры сгорания 30. Положение, в котором поршень 36 находится рядом с дном цилиндра и в конце своего хода (т.е. когда камера сгорания 30 имеет наибольший объем) обычно называется специалистами в данной области нижней мертвой точкой (HMT). Во время хода сжатия впускной клапан 152 и выпускной клапан 154 закрыты. Поршень 36 двигается по направлению к головке цилиндров, чтобы сжать воздух внутри камеры сгорания 30. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего хода и наиболее близко к головке цилиндров (т.е. когда камера сгорания имеет наименьший объем) обычно называется специалистами в данной области верхней мертвой точкой (BMT). В процессе, здесь и далее обозначаемом «впрыскивание», топливо поступает в камеру сгорания. В процессе, здесь и далее обозначаемом «зажигание», впрыснутое топливо воспламеняют с помощью известных способов зажигания, таких как свеча зажигания 92, что приводит к сгоранию. Во время рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к HMT. Коленчатый вал 40 превращает движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время хода выпуска, выпускной клапан 154 открывается, чтобы выпустить воспламененную смесь воздуха и топлива в выпускной коллектор 148, а поршень возвращается к BMT. Можно отметить, что вышеизложенное приведено только в качестве примера, и распределение по времени открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов может меняться так, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрывание впускного клапана или различные другие варианты.
IGN
IGN
IGN
На Фиг. 3 показана подробная схема системы зажигания 300 со сдвоенной катушкой, которая может быть использована в двигателе, например, в двигателе с Фиг. 1. Система зажигания 300 содержит первую катушку зажигания 302 с конфигурацией, аналогичной конфигурации первой катушки зажигания 202 с Фиг. 2., и вторую катушку зажигания 304 с конфигурацией, аналогичной конфигурации второй катушки зажигания 208 с Фиг.2. Индуктивность первой катушки зажигания 302 может, например, быть ниже, чем индуктивность второй катушки зажигания 304. Выход первой катушки зажигания 302 напрямую подключен к свече зажигания 310. Положительный вход первичных обмоток первой катушки зажигания 302 и второй катушки зажигания 304 соединен с источником напряжения зажигания, обозначенным на Фиг. 3 как +V. Источник V напряжения зажигания может представлять собой, например, аккумулятор или подходящий источник электрического питания. Узел катодного выхода диода 308 может быть подключен к +V, как показано на рисунке, или к заземлению, как катодный выход диода 218 на Фиг. 2. При любой конфигурации положение и направление диодов позволяют диодам управлять прохождением тока, блокируя прохождение тока от вторичной обмотки второй катушки зажигания 304 до тех пор, пока отрицательное напряжение в месте соединения анодов диодов 306 и 308 не превысит отрицательное напряжение источника напряжения.
IGN
Для управления прохождением тока по каждой из двух катушек зажигания 302 и 304 может использоваться закодированная команда 312 на замыкание контактов, используемая для управления замыканием контактов и включением катушек. Закодированная команда 312 допускает использование единого проводника и/или источника сигнала для передачи нескольких команд, различаемых по длительности импульса и/или прочим закодированным характеристикам. Например, импульс первой длительности может означать команду начала периода замыкания контактов первой катушки зажигания, а импульс второй длительности может означать команду начала периода замыкания контактов второй катушки зажигания. Как показано, закодированная команда 312 и V могут быть непосредственно соединены с декодером 314. Декодер 314 также может быть непосредственно соединен с твердотельным устройством, например, транзисторами 316a и 316b, запускающими и прерывающими прохождение тока через первичные обмотки первой и второй катушек 302 зажигания и 304 по закодированной команде 312 на замыкание контактов. Декодер 314 и транзисторы 316a и 316b могут образовывать настраиваемое запускающее устройство для управления замыканием контактов катушек зажигания, содержащее логическую схему декодирования команды на замыкание контактов катушек зажигания.
Декодер 314 может содержать микропроцессор, непосредственно соединенный с запоминающим устройством. Процессор может быть выполнен с возможностью исполнять компьютерные и/или машиночитаемые команды, сохраненные на запоминающем устройстве, для выполнения таких операций, как декодирование и управление длительностью замыкания контактов, описанных в настоящем документе. Декодер 314 может содержать выполняемые команды для проверки команды на замыкание контактов, чтобы определить, нет ли необходимости в изменении статуса команды на замыкание контактов для прохождения тока через первую катушку зажигания и/или вторую катушку зажигания. Например, декодер 314 может обнаруживать передний фронт закодированной команды на замыкание контактов, генерируемой в зависимости от желаемого начала периода замыкания контактов на основании частоты вращения, нагрузки на двигатель и/или прочих параметров. Декодер 314 может находиться в режиме ожидания в течение предварительно установленного времени после обнаружения переднего фронта.
IGN
IGN
По истечении предварительно установленного времени или после обнаружения заднего фронта декодер 314 может определить, был ли импульс кратковременным или длительным. Например, если задний фронт был обнаружен до истечения предварительно установленного времени, декодер 314 определяет, что закодированная команда на замыкание контактов состояла из кратковременного импульса; если задний фронт не был обнаружен до истечения предварительно установленного времени, импульс был длительным. В ответ на кратковременный импульс декодер 314 инициирует прохождение и/или увеличивает величину тока, проходящего через вторую катушку зажигания 304, присоединяя транзистор 316b к источнику +V напряжения. Декодер 314 может быть оснащен, например, переключающим элементом, управляющим соединением между затвором транзистора и источником напряжения. При возникновении длительного импульса декодер 314 инициирует прохождение и/или увеличивает величину тока, проходящего через первую катушку зажигания 302, подключая транзистор 316a к источнику напряжения. После обнаружения заднего фронта длительного импульса декодер 314 останавливает прохождение и/или уменьшает величину тока, проходящего через первую и вторую катушки зажигания, отключая транзисторы 316a и 316b от источника напряжения V. В некоторых вариантах реализации транзисторы 316a и 316b представляют собой биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), обладающие повышенной эффективностью и временем переключения по сравнению с прочими конфигурациями транзисторов. Декодер может включать в себя логический блок с командами и операциями, формируемыми в нем для декодирования закодированных сигналов, описанных в настоящем документе.
На Фиг. 4 изображена блок-схема способа 400 для управления катушками зажигания в конфигурации с Фиг. 2 или 3, и, следовательно, образованием искры в двигателе, аналогичном двигателю с Фиг. 1. Способ 400 может быть выполнен, например, с помощью контроллера 12 с Фиг. 1 и распознан декодером 314 с Фиг. 3. Этап 402 способа 400 дополнительно предусматривает выдачу закодированной команды на замыкание контактов для второй высокоиндуктивной катушки зажигания, например, катушки зажигания 208 с Фиг. 2 и/или второй катушки зажигания 304 с Фиг. 3. Как показано, на этапе 404 закодированная команда на замыкание контактов может содержать кратковременный импульс, поэтому контроллер может выдавать кратковременный импульс, сигнализирующий о начале периода замыкания контактов второй катушки зажигания. Кратковременный импульс, например, может длиться 75 мкс и менее, при этом период замыкания контактов второй катушки зажигания может начинаться после обнаружения заднего фронта кратковременного импульса.
Контакты второй катушки зажигания остаются в замкнутом состоянии только при условиях работы, которые позволяют эффективно использовать увеличенную продолжительность подачи искры, обеспечиваемой второй высокоиндуктивной катушкой зажигания. Например, в условиях высокой частоты вращения и/или высокой нагрузки выхода первой низкоиндуктивной катушки зажигания может быть достаточно для обеспечения надежного сгорания, при этом способ 400 может перейти сразу к этапу 406 без выдачи закодированной команды на начало периода замыкания контактов второй катушки зажигания.
На этапе 406 способ 400 выдает закодированную команду на начало периода замыкания контактов первой низкоиндуктивной катушки зажигания. Первая катушка зажигания может соответствовать, например, первой катушке зажигания 202 с Фиг. 2 и/или первой катушке зажигания 302 с Фиг. 3. Как показано, на этапе 408 закодированная команда на замыкание контактов может содержать длительный импульс, выводимый в качестве сигнала о начале периода замыкания контактов первой катушки зажигания. Длительный импульс может длиться 150 мкс и более и/или иметь любое подходящее значение, превосходящее длительность кратковременного импульса, сигнализирующего о начале периода замыкания контактов второй катушки зажигания. В некоторых вариантах реализации длительный импульс может содержать период подтверждения, поэтому период замыкания контактов первой катушки зажигания начинается не сразу после обнаружения переднего фронта длительного импульса, а по истечении периода подтверждения. Длительность периода подтверждения может превышать длительность кратковременного импульса, таким образом можно отличить длительный импульс от кратковременного импульса до начала периода замыкания контактов первой катушки зажигания.
Во время замыкания контактов, начинающегося по команде, ток проходит через первичные обмотки первой и/или второй катушек зажигания, генерируя магнитный поток. На этапе 410 способ 400 также предусматривает выдачу закодированной команды на окончание периода замыкания контактов, что приводит к включению первой и второй катушек зажигания. Команда об окончании периода замыкания контактов может привести к прекращению подачи длительного импульса, как показано на этапе 412. Например, прохождение тока через первичные обмотки первой и/или второй катушек зажигания может быть прервано или остановлено при обнаружении заднего фронта длительного импульса. Прерывание прохождения тока через первичные обмотки приводит к возникновению импульса высокого напряжения в соответствующих вторичных обмотках катушек зажигания. В некоторых конфигурациях, например, в системах зажигания 200 и/или 300 с Фиг. 2 и 3 соответственно, прямое соединение вторичной обмотки первой катушки зажигания со свечой зажигания позволяет первой катушке зажигания создавать большой вторичный пиковый ток на свече зажигания сразу после прекращения прохождения тока через соответствующую первичную обмотку. Аналогичным образом диодная схема с Фиг. 2 и 3 позволяет второй катушке зажигания накапливать энергию до тех пор, пока ток, проходящий через вторичную обмотку первой катушки зажигания, не опустится до уровня вторичного пикового тока во второй катушке зажигания. Соответственно, для управления включением обеих катушек зажигания с задержкой разряда второй катушки зажигания по сравнению с первой может быть использована единственная команда. Таким образом, вторая катушка зажигания производит дополнительную энергию зажигания, только когда того требуют условия сгорания, без отдельного сигнала включения.
На Фиг. 5 и 6 изображены формы колебаний волны, отражающие работу первой и второй катушек зажигания, описанных в настоящем документе, при поступлении закодированной команды на замыкание контактов, и влияние такой работы на энергию, передаваемую свече зажигания. На показанных графиках оси X соответствуют общей временной шкале, а оси Y - параметру, указанному рядом с соответствующим графиком. Прохождение вторичного тока по катушкам зажигания от свечи зажигания показано в виде положительных значений по оси Y. На Фиг. 5 линии сигналов 500 отображают работу первой и второй катушек зажигания при замыкании контактов и включении только первой катушки зажигания. Схемы линий сигналов 500 можно получить, например, при выполнении этапов 406-412 способа 400 с Фиг. 4.
Схема 502 соответствует закодированной команде на замыкание контактов, получаемой от контроллера, например, от контроллера 12 с Фиг. 1. Линии сигналов 504 и 506 соответствуют первичным и вторичным токам, проходящим через первую катушку зажигания, например, через первую катушку зажигания 202 с Фиг. 2 и/или первую катушку зажигания 302 с Фиг. 3. Линии сигналов 508 и 510 соответствуют первичным и вторичным токам, проходящим через вторую катушку зажигания, например, через вторую катушку зажигания 208 с Фиг. 2 и/или вторую катушку зажигания 304 с Фиг. 3. Линия сигнала 512 соответствует общему выходу на свечу зажигания, аналогичному току, поступающему на свечу зажигания 204 с Фиг. 2 и/или свечу зажигания 310 с Фиг. 3.
В момент времени T1 сигнал закодированной команды на замыкание контактов имеет низкий уровень или соответствует уровня замыкания, в результате чего ток не проходит через обмотки обеих катушек зажигания. Соответственно общий выход на свечу зажигания 512 также равен нулю. В момент времени T2 закодированный сигнал на замыкание контактов продолжается в течение периода времени, обозначаемого передним фронтом и соответствующим отрезком на верхнем уровне, как показано линией сигнала 502. Время T2 может, например, соответствовать пороговому периоду времени после переднего фронта длительного импульса, означающего закодированную команду на замыкание контактов. Пороговый период времени может являться временем подтверждения, используемым для подтверждения команды на замыкание контактов первой катушки зажигания в отличие от кратковременного импульса, помехи и/или прочего сигнала. В некоторых случаях время T2 соответствует периоду длительностью 150 мкс после переднего фронта закодированной команды на замыкание контактов. Соответственно, как показано на схеме 504, ток в первичной обмотке первой катушки зажигания возрастает по истечении порогового периода времени, прошедшего после обнаружения закодированной команды на замыкание контактов. Как описано выше, команда на замыкание контактов второй катушки зажигания выдается в ответ на кратковременный, а не длительный импульс, таким образом, линии сигналов 508 и 510 не изменяются в момент времени T2. Аналогичным образом, повышение тока в первичной обмотке первой катушки зажигания генерирует магнитный поток, но не влияет на ток вторичной обмотки первой катушки зажигания, так как его прохождение блокируется диодами 216 и 218 с Фиг. 2 или диодами 306 и 308 с Фиг. 3., поэтому в момент времени T2 линии сигналов 506 и 512 остаются без изменений.
В момент времени T3 появляется задний фронт закодированной команды на замыкание контактов, как показано линией 502. Так как этот сигнал означает запуск первой катушки зажигания, ток перестает проходить через первичную обмотку, достигая нулевого значения, как показано линией 504. В результате, магнитный потока, генерируемый током, проходящим через первичную обмотку первой катушки зажигания, исчезает, в результате чего в момент времени T3 во вторичной обмотке первой катушки зажигания возникает импульс напряжения и выход пикового тока, показанного линией 506. Так как вторая катушка зажигания не создает магнитного потока, линии 508 и 510 остаются без изменений, а общий выход на свечу зажигания соответствует вторичному току первой катушки зажигания. В момент времени T4 по вторичной обмотке продолжает идти ток, создающий соответствующий выход тока на свечу зажигания. Так как вторая катушка зажигания не влияет на общий выход, на свечу зажигания подается высокий пиковый ток, а продолжительность подачи искры остается малой в соответствии с конфигурацией первой катушки зажигания.
На Фиг. 6 показаны примеры схемы 600 форм волны, соответствующие операциям, при которых контакты второй катушки зажигания замыкаются и она включается, влияя на выход на свечу зажигания. В показанном варианте реализации время T1 соответствует периоду времени непосредственно после образования кратковременного импульса по закодированной команде 602 на замыкание контактов. Время T1 может, например, соответствовать пороговому периоду времени после обнаружения заднего фронта кратковременного импульса. Соответственно пороговый период времени может являться временем подтверждения, используемым для подтверждения команды на замыкание контактов первой катушки зажигания, соответствующей кратковременному импульсу. В ответ на кратковременный импульс и/или по истечении порогового периода времени после заднего фронта кратковременного импульса, прохождение тока 608 через вторую высокоиндуктивную катушку зажигания увеличивается, и начинается период замыкания контактов катушки зажигания. Так как кратковременный импульс означает команду для второй высокоиндуктивной катушки зажигания, а не для первой низкоиндуктивной катушки зажигания, первичные и вторичные токи первой катушки зажигания, показанные на графиках 604 и 606 соответственно, остаются неизменными. Вторая катушка зажигания не была включена, поэтому ток во вторичной обмотке второй катушки зажигания отсутствует, как показано на графике 610. Соответственно общий выход на свечу зажигания 612 остается неизменным.
Время T2 с Фиг. 6 соответствует времени T2 с Фиг. 5, соответствующее началу периода замыкания контактов первой катушки зажигания, показанного линией 604. Так как продолжительный импульс и соответствующий период ожидания начинаются по команде для первой, а не второй катушки зажигания, первичная обмотка второй катушки зажигания остается в замкнутом состоянии, несмотря на обнаружение длительного импульса.
В момент времени T3 обнаруживается задний фронт длительного импульса. Как показано линиями 604 и 608, прохождение тока через первичные обмотки первой и второй катушек зажигания прерывается, так как обе катушки зажигания запускаются одновременно. В результате вторичные токи первой и второй катушек зажигания поднимаются до соответствующего пикового значения. Например, если первая катушка зажигания настроена на высокие пиковые токи, то вторичный ток 606 в катушке 1 в момент T3 может быть сильнее, чем вторичный ток 610 в катушке 2 в момент T3. За счет диодной схемы и последовательного подключения вторичной обмотки с Фиг. 2 и 3, токи вторичной обмотки катушки 1 проходят и через второй диод, например, через диод 308 с Фиг. 3, и вторую катушку зажигания. Соответственно, магнитный поток второй катушки зажигания сохраняется на начальном уровне при замыкании контактов между моментами T3 и T4, так как напряжение во вторичной обмотке второй катушки зажигания практически равно нулю. При этом энергия, накопленная второй катушкой зажигания, не передается свече зажигания, поэтому общий выход на свечу зажигания равен вторичному току первой катушки зажигания.
В момент времени T4 вторичный ток первой катушки зажигания опускается до уровня вторичного пикового тока второй катушки зажигания, как показано в виде одинаковых уровней линий 606 и 610 в момент T4. Соответственно отрицательное напряжение в месте соединения анодов диодов 306 и 308 с Фиг. 3 превышает отрицательное напряжение источника, при этом прохождение тока через диод 308 прекращается. В результате весь ток проходит через обе катушки зажигания, а энергия, накопленная второй катушкой зажигания, добавляется к энергии, передаваемой первой катушкой зажигания свече зажигания. Как показано в момент времени T4 и далее энергия вторичной катушки зажигания замедляет ослабевание выхода на свечу зажигания, увеличивая, тем самым, продолжительность подачи искры по сравнению с длительностью подачи искры, показанной линией 512 с Фиг. 5. Количество и время подачи энергии на свечу зажигания второй катушкой зажигания зависят от накопленного второй катушкой зажигания магнитного потока, что определяется конфигурацией второй катушки зажигания и длительностью периода замыкания контактов. Соответственно, количество и время подачи энергии на свечу зажигания второй катушкой зажигания могут быть отрегулированы путем изменения момента начала замыкания второй катушки зажигания по отношению к моменту начала замыкания контактов и/или окончания замыкания контактов первой катушки зажигания.
На Фиг. 7 показан пример конструктивного расположения 700 одной или более систем зажигания со сдвоенной катушкой, описанных выше. В существующей практике низкоиндуктивные катушки зажигания выполняют в виде тонких и длинных индивидуальных катушек или катушек самоудерживания, предназначенных для установки в трубку гнезда свечи зажигания, ведущую к свече зажигания через крышку распределительного вала или крышку головки цилиндра двигателя. Высокоиндуктивные катушки зажигания могут быть выполнены в виде катушки на свече, похожей на некоторые другие конфигурации трансформаторов. Катушка на свече может быть кубовидной и монтироваться на гнезде свечи зажигания на длинной пружине в резиновом чехле. В системах зажигания со сдвоенной катушкой с параллельным соединением вторичной обмотки максимальная выходная мощность высокоиндуктивной катушки зажигания в исполнении «катушка на свече» слишком высока, чтобы направить ее вдоль индивидуальной катушки зажигания к верхушке свечи зажигания. Вышеописанная система, в которой вторичная обмотка присоединена последовательно, обеспечивают меньшую максимальную выходную мощность, сконцентрированную в верхней части индивидуальной катушки зажигания, что исключает необходимость направлять ее к верхушке свечи зажигания. Например, система зажигания со сдвоенной катушкой и параллельным соединением способна создавать максимальную выходную мощность минус 40000 вольт, а настоящая система обеспечивает максимальный потенциал плюс и минус 1500 вольт в начале периода замыкания контактов и зависит от максимального напряжения в момент накала, когда катушки зажигания производят пиковые токи менее минус 6000 вольт. Более низкий градиент напряжения для конфигурации с последовательным соединением может быть сохранен и изолирован в верхней части индивидуальной катушки зажигания в отличие от конфигурации с параллельным соединением.
Соответственно, в системах с последовательным соединением, например, в системах с Фиг. 2 и/или 3, может использоваться конфигурация, объединяющая катушку на свече и индивидуальную катушку зажигания, что обеспечивает более компактное конструктивное расположение по сравнению с двумя катушками на свече, расположенными в ряд. На Фиг. 7 изображена низкоиндуктивная катушка зажигания 702, имеющая конфигурацию индивидуальной катушки зажигания. Индивидуальная катушка зажигания имеет стержневидный сердечник 704, вокруг которого идет вторичная обмотка 708. Вывод вторичной обмотки 708 на свечу зажигания выполнен в виде пружины 710. Первичная обмотка 706 расположена вокруг вторичной обмотки 708.
Высокоиндуктивная катушка зажигания 712 имеет конфигурацию катушки на свече и расположена над низкоиндуктивной индивидуальной катушкой 702 и/или на ней. Низкоиндуктивная катушка зажигания 702 непосредственно соединена с высокоиндуктивной катушкой зажигания 712 с помощью диодной схемы 714. Диодная схема 714 может состоять, например, из диодов 306 и 308 с Фиг. 3. Высокоиндуктивная катушка зажигания 712 имеет корпус 716, в котором расположена первичная обмотка 718 и вторичная обмотка 720. Настраиваемый привод 722 для управления замыканием контактов обеих катушек зажигания 702 и 712 расположен над высокоиндуктивной катушкой зажигания 712 и/или непосредственно на ней или сбоку от нее. Настраиваемый привод 722 может представлять собой декодер 314 и соответствующие транзисторы 316a и 316b с Фиг. 3.
Вышеописанное конструктивное расположение обеспечивает большой вторичный пиковый ток и эффективное использование пространства гнезда свечи зажигания за счет индивидуальной катушки зажигания, а также большую продолжительность подачи искры за счет катушки на свече, объединенных в одну систему. Таким образом, система зажигания со сдвоенной катушкой с последовательным соединением обеспечивает не только эффективную схему управления и снижение нагрузки на детали, но и делает возможным использование компактного конструктивного расположения, в отличие от системы зажигания со сдвоенной катушкой с параллельным расположением.
Можно отметить, что примеры управляющих и оценочных процедур, приведенные в данном описании, могут быть использованы для различных конфигураций двигателей и/или систем транспортного средства. Конкретные программы, могут включать в себя один или более алгоритмов обработки из любого количества аналитических стратегий, таких как управление событиями, управление прерываниями, многозадачность, многопоточность и подобные. Таким образом, различные шаги, операции или функции могут быть выполнены в приведенной последовательности, параллельно, или в некоторых случаях могут быть исключены. Аналогичным образом, данный порядок обработки не обязательно должен соблюдаться для достижения целей, характеристик или преимуществ, описанных в данном документе, но предоставлен для простоты иллюстрирования и описания. Один или более из приведенных шагов или функций могут выполняться многократно, в зависимости от конкретного используемого алгоритма. Кроме того, описанные действия могут графически представлять программный код для записи на машиночитаемый носитель данных в системе управления двигателем
Следует понимать, что конфигурации и последовательности операций, раскрытые в данном описании, являются примерами, и что эти конкретные варианты выполнения не следует рассматривать как ограничительные, поскольку возможны их различные варианты и модификации. Например, возможно использование описанной технологии для двигателей V6, I-4, I-6, V12, оппозитных двигателей с четырьмя цилиндрами, а также других типов двигателей. Кроме того, описанные выше технологии могут быть использованы вместе с различными конфигурациями систем. Полезная модель включает в себя все новые и неочевидные комбинации или подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные особенности, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем документе.