СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Полезная модель относится к автомобильной промышленности, а именно к электрооборудованию для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания, и может быть использована в производстве и эксплуатации автомобильной техники.
Известна система зажигания рабочей смеси в двигателе автомобиля, содержащая трансформатор зажигания, распределитель напряжения, соединенный с вторичной обмоткой трансформатора, свечи зажигания, соединенные с распределителем напряжения, прерыватель тока первичной обмотки трансформатора, датчик положения поршня в цилиндре двигателя, контактирующий с прерывателем и механически соединенный с валом распределителя напряжения [А.Г.Сергеев, В.Е.Ютт. Диагностирование электрооборудования автомобилей. - М.: Транспорт. - 1987.].
Все перечисленные элементы этого аналога входят и в состав заявляемой полезной модели системы зажигания.
Работа этого аналога основана на формировании высокого электрического напряжения путем прерывания тока в первичной обмотке трансформатора зажигания при разъединении электрических контактов в промежуток времени, когда интенсивность горения рабочей смеси максимальна, то есть после точки максимального сжатия или верхней мертвой точки (ВМТ).
Причиной, препятствующей получению технического результата, обеспечиваемого полезной моделью, в этом аналоге является искрение на контактах при прерывании тока, обусловленное механическим способом его прерывания.
Известна также система зажигания двигателя внутреннего сгорания автомобиля, содержащая трансформатор зажигания, распределитель напряжения, соединенный с вторичной обложкой трансформатора зажигания, свечи зажигания, соединенные с распределителем напряжения, электронный прерыватель тока первичной катушки трансформатора зажигания, датчик положения поршня в цилиндре двигателя, соединенный с прерывателем и механически соединенный с валом распределителя [Данов Б.А., Рогачев В.Д., Электрооборудования автомобилей КамАЗ. - М.: Транспорт. - 1997.].
Все перечисленные элементы этого аналога также входят в состав заявляемой полезной модели системы зажигания.
В этом аналоге прерывание тока осуществляется с помощью транзистора с электронным управлением, что исключает искрение на контактах. Управляющие сигналы поступают от индукционного датчика, механически связанного с коленчатым валом двигателя, что позволяет формировать сигналы для управления транзистором с учетом положения поршня в цилиндре. Длительность промежутка времени от момента подачи управляющего сигнала на транзисторный прерыватель до момента наиболее интенсивного горения рабочей смеси зависит от многих факторов (скорость вращении, состава рабочей смеси, разряжения и т.д.) Поэтому электрическое напряжение на свечи зажигания подается с опережением времени до положения ВМТ. Для совмещения времени наиболее интенсивного горения рабочей смеси (времени детонации) с нужным положением поршня, способным максимально преобразовать энергию горения в механическую энергию, используются механические регуляторы угла опережения зажигания.
Причиной, препятствующей получению технического результата, обеспечиваемого полезной моделью, в этом аналоге является то обстоятельство, что механические регуляторы не позволяют учесть все имеющиеся факторы, существенно влияющие на время возгорания рабочей смеси (развитие искрового заряда). Это существенно ограничивает диапазон рабочих условий работы двигателя в режиме, близком к наиболее экономичному.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является система зажигания автомобиля, защищенная патентом РФ №2306451 кл. F02P 1/00, 2006 г. Она содержит датчик положения поршня в цилиндре с тремя индукционными обмотками, имеющими фазовые углы, соответствующие ВМТ положения поршня в цилиндре, до и после ВМТ, четыре формирователя импульсов, последовательно включенные управляемый элемент задержки, усилитель-формирователь, прерыватель тока, трансформатор зажигания, распределитель высокого напряжения и свечи зажигания, расположенные в цилиндре двигателя, датчик давления, размещенный в цилиндре двигателя, измеритель временного сдвига, первый и второй входы которого через первый и второй формирователи импульсов подключены соответственно к выводам индукционной обмотки с фазой после ВМТ датчиков положения поршня и выходу датчика давления, фазоамплитудный преобразователь «время-напряжение», включенный между выходом измерителя временного сдвига и управляющим входом управляемого элемента задержки, сигнальный вход которого через третий формирователь импульсов подключен к выводам индукционной обмотки с фазой до ВМТ, и синхронизатор, вход которого через четвертый формирователь импульсов подключен к выводам индукционной обмотки с фазой, соответствующей ВМТ, а первый и второй выходы подключены к синхровходам соответственно управляемого элемента задержки и измерителя временного сдвига.
Все перечисленные элементы этого устройства, кроме индукционных обмоток с фазами до ВМТ и ВМТ, третьего и четвертого формирователей импульсов и синхронизатора входят и в заявляемую полезную модель.
Работа системы зажигания автомобиля, защищенной патентом РФ №2306451, основана на формировании трех аппаратных каналов управления зажиганием автомобиля, соответствующих трем положениям поршня в цилиндре, и управлении задержкой импульса индукционной обмотки датчика положения поршня с фазой до ВМТ, поступающего в цепь прерывания тока, таким образом, чтобы импульс детонации датчика давления совпадал с импульсом индукционной обмотки положения поршня с фазой после ВМТ.
Причинами, препятствующими получению технического результата, обеспечиваемого полезной моделью, в описанной системе являются сложность и относительно низкая надежность, обусловленные большим количеством входящих в ее состав элементов.
Технической задачей, на решение которой направлено создание полезной модели, является упрощение и повышение надежности системы.
Технический результат достигается тем, что в известной системе зажигания автомобиля, сигнальный вход управляемого элемента задержки подключен к выходу первого формирователя импульсов, а первый и второй управляющие входы - соответственно к первому и второму выходам измерителя временного сдвига, при этом измеритель временного сдвига содержит генератор тактовых импульсов, два RS-триггера, два элемента ИЛИ, четыре элемента И, регистр, счетчик импульсов и компаратор кодов, а управляемый элемент задержки содержит генератор тактовых импульсов, два счетчика импульсов, один из которых реверсивный, компаратор кодов и элемент ИЛИ.
Для достижения технического результата в известной системе зажигания автомобиля, содержащей датчик положения поршня в цилиндре двигателя, индукционная обмотка которого имеет фазовый угол, соответствующий положению поршня в цилиндре после ВМТ, два формирователя импульсов, последовательно включенные управляемый элемент задержки, усилитель-формирователь, прерыватель тока, трансформатор зажигания, распределитель высокого напряжения и свечи зажигания, расположенные в цилиндре двигателя, датчик давления, размещенный в цилиндре двигателя, измеритель временного сдвига, первый и второй входы которого через первый и второй формирователи импульсов подключены соответственно к выводам индукционной обмотки датчика положения поршня и выходу датчика давления соответственно, в ней сигнальный вход управляемого элемента задержки подключен к выходу первого формирователя импульсов, а первый и второй управляющие входы - соответственно к первому и второму выходам измерителя временного сдвига.
При этом измеритель временного сдвига содержит генератор тактовых импульсов, два RS-триггера, два элемента ИЛИ, два элемента задержки, четыре элемента И, регистр, счетчик импульсов и компаратор кодов, первый вход измерителя подключен к первому входу первого элемента И и R-входу второго триггера, а второй - к первым входам элементов ИЛИ и к первому входу второго элемента И, S-входы первого и второго триггеров подключены к выходам соответственно первого и второго элементов И, вторые входы которых соответственно через первый и второй элементы задержки подключены к инверсным выходам соответственно второго и первого триггеров, первые входы третьего и четвертого элементов И подключены к выходу генератора тактовых импульсов, вторые - к прямым выходам соответственно к первого и второго триггеров, а выходы - соответственно к первому и второму выходам измерителя, сигнальный вход счетчика импульсов подключен к выходу третьего элемента И, вход обнуления - к выходу второго элемента ИЛИ, а выход - к первому входу компаратора кодов, второй вход которого подключен к выходу регистра, а выход - ко вторым входам элементов ИЛИ, при этом R-вход первого триггера подключен к выходу первого элемента ИЛИ.
Кроме того, управляемый элемент задержки содержит генератор тактовых импульсов, два счетчика импульсов, один из которых реверсивный, компаратор кодов и элемент ИЛИ, первый вход элемента ИЛИ является сигнальным входом элемента задержки, второй подключен к выходам компаратора кодов и элемента задержки, а выход - ко входу обнуления счетчика импульсов, счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход - ко второму входу компаратора кодов, первый вход компаратора кодов подключен к выходу реверсивного счетчика импульсов, вычитающий и суммирующий входы которого являются соответственно первым и вторым управляющими входами элемента задержки.
Совокупность вновь введенных связей и особенностей выполнения измерителя временного сдвига и управляемого элемента задержки не является самостоятельным устройством и не следует явным образом из уровня техники. Отсутствуют какие-либо источники информации, в которых она была бы описана самостоятельно или в совокупности с остальными элементами заявляемой системы. Поэтому заявляемую систему зажигания автомобиля следует считать новой.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, на котором приведены:
- на фиг.1 - структурная схема заявляемой полезной модели;
- на фиг.2 - структурная схема измерителя временного сдвига;
- на фиг.3 - структурная схема управляемого элемента задержки;
- на фиг.4 - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу измерителя временного сдвига.
Предлагаемая полезная модель системы зажигания содержит индукционный датчик 1 с магнитным двухполюсным ротором 2, соединенным механически с коленчатым валом двигателя и имеющим однозначные угловые положения, соответствующие угловым положениям коленчатого вала и положениям поршня в цилиндре двигателя. На статоре датчика расположена индукционная обмотка 3. Ее положение соответствует углу максимальной отдачи мощности (8-12 градусов после ВМТ). В состав системы входят также формирователи 4 и 5 импульсов, управляемый элемент 6 задержки, измеритель 7 временного сдвига, усилитель-формирователь 8, прерыватель 9 тока, трансформатор 10 зажигания, распределитель 11 высокого напряжения, свечи 12 зажигания, расположенные в цилиндре 13 двигателя. В первом цилиндре 13 двигателя расположен датчик 14 давления.
Выход индукционной обмотки 3 через формирователь 4 подключен к сигнальному входу элемента 6 задержки. Канал импульсов зажигания содержит последовательно включенные элемент 6, усилитель-формирователь 8, прерыватель 9, трансформатор 10, распределитель 11 и свечи 12, расположенные в цилиндре 13. Выход датчика 14 через формирователь 5 подключен к сигнальному входу измерителя 7. Первый и второй выходы измерителя 7 подключены соответственно к первому и второму управляющим входом элемента 6.
Элемент 6 задержки содержит счетчики 6.1 и 6.2 импульсов, компаратор 6.3 кодов, генератор 6.4 тактовых импульсов и логический элемент ИЛИ 6.5.
Счетчик 6.1 является реверсивным. Его вычитающий и суммирующий входы являются соответственно первым и вторым управляющими входами элемента 6, а выход подключен к первому входу компаратора 6.3. Счетчик 6.2 осуществляет счет импульсов в одном направлении. Его счетный вход подключен к выходу генератора 6.4, вход сброса (обнуления) - к выходу элемента 6.5, а выход - ко второму входу компаратора 6.3, выход которого является выходом элемента 6 и подключен ко второму входу элемента 6.5. Первый вход элемента 6.5 является сигнальным входом элемента 6.
Измеритель 7 временного сдвига содержит два RS-триггера 7.1 и 7.2, счетчик 7.3 импульсов, компаратор 7.4 кодов, регистр 7.5, генератор 7.6 тактовых импульсов, два элемента 7.7 и 7.8 задержки, четыре логических элемента И 7.9, 7.10, 7.11 и 7.12 и два логических элемента ИЛИ 7.13 и 7.14.
Первый вход элемента 7.9 является первым входом измерителя 7 и подключен к R-входу триггера 7.2, второй - через элемент 7.7 подключен к инверсному выходу триггера 7.2, а выход - к S-входу триггера 7.1. Первый вход элемента 7.10 является вторым входом измерителя 7 и подключен к первым входам элементов 7.13 и 7.14, второй - через элемент 7.8 подключен к инверсному выходу триггера 7.1, а выход - к S-входу триггера 7.2. Первый вход элемента 7.11 подключен к выходу генератора 7.6 и к первому входу элемента 7.12, второй - к прямому выходу триггера 7.1, а выход является первым выходом измерителя 7 и подключен к счетному входу счетчика 7.3. Второй вход элемента 7.12 подключен к прямому выходу триггера 7.2, а выход является вторым выходом измерителя 7. Первый и второй входы компаратора 7.4 подключены к выходам счетчика 7.3 и регистра 7.5 соответственно, а выход - ко вторым входам элементов 7.13 и 7.14. R-вход триггера 7.1 и вход обнуления счетчика 7.3 подключены к выходам элементов 7.13 и 7.14 соответственно.
Работа системы зажигания заключается в следующем.
При вращении вала двигателя датчик 1 периодически с периодом Т, соответствующим скорости вращения вала, вырабатывает в обмотке 3 напряжение, из которого формирователь 4 формирует короткие импульсы. Эти импульсы вырабатываются в моменты времени, соответствующие углу максимальной отдачи мощности (порядка 10 градусов после ВМТ). Сформированные импульсы поступают на сигнальный вход управляемого элемента 6 задержки и на первый вход измерителя 7.
В элементе 6 поступившие на его сигнальный вход импульсы задерживаются на время порядка 0,95 Т. Поэтому с каждым импульсом на выходе формирователя 4, начиная со второго, на выходе элемента 6 появляются импульсы управления транзисторным прерывателем 9 тока первичной обмотки трансформатора 10. Они, как и в прототипе, появляются в моменты времени, соответствующие примерно 8 градусов до ВМТ. Далее эти импульсы усиливаются формирователем 8, срабатывает прерыватель 9 тока в цепи трансформатора 10, и с помощью распределителя 11 высокого напряжения и свечей 12 осуществляется зажигание рабочей смеси в цилиндре 13. В процессе горения рабочей смеси срабатывает датчик 14 давления. По сигналу с выхода датчика 14 формирователь 5 вырабатывает короткие импульсы, которые поступают на второй вход измерителя 7. По времени появления эти импульсы несколько опережают соответствующие импульсы формирователя 4, или несколько отстают от них. Элемент 6 задержки и измеритель 7 обеспечивают сведение этого рассогласования к минимуму.
Измеритель 7 определяет величину и знак (опережение или отставание) рассогласования моментов поступления импульсов на его входы. Это осуществляется следующим образом.
Работа измерителя 7 основана на формировании генератором 7.6 тактовых импульсов со стабильной высокой частотой (фиг.4, диаграмма «а»), которые через элементы 7.11 или 7.12, управляемые по вторым входам, поступают на первый или второй выходы измерителя 7 в зависимости от знака рассогласования. В исходном состоянии на прямых выходах обоих триггеров 7.1 и 7.2 имеет место сигнал логического «0» (цепи установки триггеров 7.1 и 7.2 и обнуления счетчика 7.3 на фиг.2 не показаны). Элементы 7.11 и 7.12, вторые (управляющие) входы которых подключены к прямым выходам триггеров 7.1 и 7.2 соответственно, тактовые импульсы генератора 7.6 на выходы измерителя 7 не пропускают.
Входной импульс с первого входа измерителя 7 (фиг.4, диаграмма «б») поступает непосредственно на R-вход триггера 7.2, а через элемент 7.9, открытый по второму входу задержанным элементом 7.7 сигналом единичного уровня с инверсного выхода триггера 7.2, - на S-вход триггера 7.1. Входной импульс со второго входа измерителя 7 (фиг.4, диаграмма «в») поступает через элемент 7.13 на R-вход триггера 7.1, а через элемент 7.10, открытый задержанным элементом 7.8 сигналом единичного уровня с инверсного выхода триггера 7.1, - на S-вход триггера 7.2. Задержка Δt элементов 7.7 и 7.8 минимальна, но достаточна для прохождения входных импульсов через элементы 7.9 и 7.10.
1
2
1
2
1
2
Если сигнал на первый вход измерителя 7 (фиг.4, диаграмма «б») поступает в момент времени t раньше, чем сигнал на его второй вход (фиг.4, диаграмма «в») в момент времени t, то в момент времени t триггер 7.1 перебрасывается, а в момент t возвращается в исходное состояние (фиг.4, диаграмма «г»). Триггер 7.2 при этом своего состояния не изменяет (фиг.4, диаграмма «д»), так как поступление импульса на R-вход его состояния изменить не может, а импульс на S-вход пройти через элемент 7.10 не может, так как он заперт по второму входу на время Δt задержки элемента 7.8. В течение промежутка времени t-t элемент 7.11 открывается по второму входу сигналом единичного уровня с прямого выхода триггера 7.1, и импульсы генератора 7.6 проходят через него на первый выход измерителя 7 (фиг.4, диаграмма «е»).
3
4
3
4
4
3
4
Если же сигнал на второй вход измерителя поступает в момент времени t раньше, чем сигнал на его первый вход в момент времени t, то в момент времени t перебрасывается, а в момент времени t возвращается в исходное состояние триггер 7.2. Триггер 7.1 при этом своего состояния не изменяет, так как входной сигнал на его S-вход в момент времени t пройти через элемент 7.9 не может, так как он заперт по второму входу на время Δt задержки элемента 7.8. В течение промежутка времени t-t элемент 7.12 открывается по второму входу сигналом единичного уровня с прямого выхода триггера 7.2, и импульсы генератора 7.6 проходят через него на второй выход измерителя 7.
Таким образом, измеритель 7 с появлением каждой пары импульсов на своих входах формирует на одном из своих выходов тактовые импульсы, число которых, пропорционально величине временного рассогласования между входными импульсами, а сам выход, на котором формируются тактовые импульсы, определяется знаком этого рассогласования.
Счетчик 7.3, компаратор 7.4, регистр 7.5 и элемент 7.14 обеспечивают предотвращение сбоя работы измерителя 7 в случае отсутствия по каким-либо причинам импульса на его втором входе из-за несрабатывания датчика 14 по каким-либо причинам (например, при первом импульсе формирователя 4 или при низком качестве рабочей смеси).
Каждый из импульсов, поступивших на второй вход измерителя 7, проходит через элемент 7.14 на вход обнуления счетчика 7.3. Последний обнуляется. С каждым перебросом триггера 7.1 и открыванием элемента 7.11 по второму входу тактовые импульсы с первого выхода измерителя 7 начинают поступать на счетный вход счетчика 7.3. Последний осуществляет их подсчет. Результат подсчета с выхода счетчика 7.3 поступает на первый вход компаратора 7.4. В регистре 7.5 записано число, несколько превышающее число тактовых импульсов в максимально большом интервале рассогласования между входными импульсами измерителя 7. Содержимое регистра 7.5 поступает с его выхода на второй вход компаратора 7.4. При наступлении равенства содержимого на его первом и втором входах, свидетельствующем об отсутствии импульса на втором входе измерителя 7, то есть о несрабатывание датчика 14, компаратор 7.4 срабатывает, на его выходе формируется короткий импульс, который через элемент 7.13 поступает на R-вход триггера 7.1, а через элемент 7.14 - на вход обнуления счетчика 7.3. Триггер 7.1 возвращается в исходное состояние, а счетчик 7.3 обнуляется. Измеритель 7 становится готовым к обработке очередной пары импульсов.
Элемент 6 задержки управляется тактовыми импульсами с выходов измерителя 7.
Требуемая задержка задается реверсивным счетчиком 6.1 импульсов. Она определяется содержимым счетчика 6.1, которое поступает с его выхода на первый вход компаратора 6.3 кодов. Вначале она устанавливается максимально возможной, примерно соответствующей периоду Т следования импульсов формирователя 4 (цепь установки начальной задержки на фиг.3 не показана). Для уменьшения требуемой задержки управляющие (тактовые) импульсы должны поступать на первый управляющий вход элемента 6, подключенный к вычитающему входу счетчика 6.1, для увеличения - на второй управляющий вход элемента 6, подключенный к суммирующему входу счетчика 6.1.
Каждый из импульсов формирователя 4, поступивших на сигнальный вход измерителя 6, через элемент 6.5 поступает на вход обнуления счетчика 6.2. Последний обнуляется и начинает подсчет тактовых импульсов высокой эталонной частоты генератора 6.4, поступающих на счетный вход счетчика 6.2. Содержимое счетчика 6.2 с его выхода поступает на второй вход компаратора 6.3. При достижении содержимым счетчика 6.2 уровня содержимого счетчика 6.1 компаратор 6.3 срабатывает, на его выходе формируется короткий импульс, который проходит непосредственно на выход элемента 6, а через элемент 6.5 - на вход обнуления счетчика 6.2. Последний обнуляется.
Далее процесс повторяется.
Таким образом, каждый из импульсов на сигнальном входе элемента 6, задерживается этим элементом на время, определяемое содержимым счетчика 6.1. причем само содержимое счетчика 6.1 приблизительно соответствует 0,95Т. В каждом цикле оно уточняется поступлением импульсов на первый или второй управляющие входы элемента 6. Если импульс формирователя 5 отстает от импульса формирователя 4, управляющие импульсы поступают на первый управляющий вход элемента 6 и вычитающий вход счетчика 6.1, его содержимое уменьшается, в результате чего отставание импульса формирователя 5 от импульса формирователя 4 уменьшается или исчезает. В противном случае управляющие импульсы поступают на второй управляющий вход элемента 6 и суммирующий вход счетчика 6.1, его содержимое увеличивается. При этом уменьшается или исчезает отставание импульса формирователя 4 от импульса формирователя 5. В случае отсутствия рассогласования между моментами поступления импульсов формирователей 4 и 5 отсутствуют и импульсы на обоих управляющих входах элемента 6.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели системы зажигания, как и в системе зажигания автомобиля, защищенной патентом РФ №2306451, обеспечивается совмещение во времени импульса датчика давления и импульса, сформированного из сигнала индукционной обмотки датчика положения поршня, соответствующей положению вала двигателя «после ВМТ». Следовательно, она также, как и система зажигания автомобиля, защищенная патентом РФ №230645, обеспечивает наиболее точную настройку времени зажигания.
Однако, предлагаемая полезная модель системы зажигания значительно проще системы зажигания автомобиля, защищенной патентом РФ №2306451, так как она не содержит в своем составе второй и третьей индукционных обмоток датчика положения поршня, третьего и четвертого формирователей импульсов, фазоамплитудного преобразователя «время - напряжение» и синхронизатора. Управляемый элемент 6 задержки и измеритель 7 временного сдвига в предлагаемой системе, в отличие от прототипа, выполнены чисто цифровыми, что обеспечивает ей, как минимум, не менее высокую, чем в прототипе, точность настройки. Большая простота обеспечивает заявляемой системе более высокую надежность.
Расчет показывает, что наработка на отказ заявляемой системы примерно на 10% выше, чем у системы зажигания автомобиля, защищенной патентом РФ №2306451.
Таким образом, достигаемым в заявляемой полезной модели техническим результатом является упрощение системы и повышение ее надежности.
Предлагаемая система зажигания достаточно легко реализуема. Управляемый элемент 6 задержки и измеритель 7 могут быть выполнены на основе интегральных микросхем серии 530, 533 (см., например, В.Л.Шило. Популярные микросхемы ТТЛ - М: Аргус - 1993). Остальные элементы системы не отличаются от соответствующих элементов системы зажигания автомобиля, защищенной патентом РФ №2306451.