ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ЗАЖИГАНИЯ С НАНОСЕКУНДНЫМ ФРОНТОМ НА БАЗЕ ДРЕЙФОВЫХ ДИОДОВ С РЕЗКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ (ДДРВ)

Генератор импульсов зажигания с наносекундным фронтом на базе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ)
Устройство относится к автомобилестроению, в первую очередь к конструированию двигателей, а именно бесконтактных высокоэффективных электронных систем зажигания и может быть использована для надежного воспламенения обедненных топливных смесей. Современные индукционные и емкостные системы зажигания на основе мощных транзисторов и тиристоров обеспечивают 5-100 мДж электрической энергии на импульс в диапазоне пикового выходного напряжения 20-30 кВ. Следовательно, для повышения энергетической эффективности работы двигателя необходимо обеспечить высокий уровень приведенного электрического поля разряда, который является определяющим параметром эффективности ионизации топливно-воздушной смеси при ограниченном времени на высоких скоростях вращения двигателя, и, кроме того, обеспечить надежное зажигание и повторяемость разряда в условиях высокого давления, а так же снижения выбросов токсичных компонентов в выхлопных газах.
Устройство не имеет аналогов.
Задача, на которую направленно данное техническое решение, заключается в повышении топливной экономичности двигателя и улучшения экологических показателей его работы.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый генератор импульсов зажигания обеспечивает формирование пачки высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания. Быстронарастающие импульсы обеспечивают значительное перенапряжение на электродах, большую плотность тока в разряде и пиковую мощность порядка 1 МВт, что способствует формированию стабильного высокоэнергетичного разряда.
Генератор импульсов на базе ДДРВ содержит: преобразователь напряжения бортовой сети автомобиля в стабилизированное напряжение +24 В, линейные стабилизаторы +18 В и +5 В для питания цепей управления и драйверов, преобразователь напряжения +24 В в напряжение +160 В … +320 В для питания силовой цепи генератора, микросхемы формирователей импульсов SN74HC123D (U1), драйверы IGBT транзисторов MIC4452YM (U3), силовые IGBT транзисторы IRG4PF50WD (Q1), сборки ДДРВ диодов (D6), повышающий трансформатор на ферритовых сердечниках B64290L0618X087 × 3 шт. (ТR1), катушку индуктивности на каркасе RM14 с ферритовым сердечником B65887E0160R087 (L1), силовые накопительные конденсаторы C3 и C4, диоды (D1-D8), резисторы (R1-R8, RV1), конденсаторы (С1-С2), высоковольтные провода, свечи зажигания. Схема одного канала ДДРВ генератора приведена на фиг. 1.
-3
За счет применения наносекундного импульсного разряда, работа устройства происходит при значительном перенапряжении и высокой плотности тока в разряде. Полученное электрическое поле разряда изменяется в пределах 100 Tд < E/N < 1000 Tд, где Е=U/d - напряженность электрического поля, U - электрическое напряжение (В), d - межэлектродное расстояние (см), N - концентрация молекул в камере сгорания (см), частота разряда (f) определяется соотношением f>U′/d, где U′ - пульсационной составляющей скорости в камере сгорания, это условие обеспечивает повторяемость разряда и зажигания в условиях интенсивного турбулентного движения, надежность системы зажигания обеспечивается использованием в электронной схеме дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ).
Работает устройство следующим образом: система управления по внешнему сигналу запуска создает пачку управляющих импульсов для IGBT транзистора Q1. Длительность внешнего сигнала запуска определяет длительность пачки импульсов, а частота импульсов в пачке (частота заполнения) устанавливается резистором RV1. Питание генератора осуществляется от автомобильной бортовой нестабилизированной сети, допустимый диапазон напряжения питания +9 В … +18 В. Преобразователь MHB75-12S24 обеспечивает формирование стабилизированного выходного напряжения +24 В во всем диапазоне входного первичного напряжения питания. Стабилизированное напряжение +24 В используется для формирования всех остальных необходимых напряжений питания +5 В, +18 В и +160 В … +320 В. Пачка управляющих импульсов необходимой частоты и длительности формируется с помощью одновибраторов U1. Далее импульсы управления подаются на драйвер U3 и на затвор IGBT транзистора Q1. Накопительные конденсаторы C3 на первичной стороне трансформатора за счет резонансного L-C перезаряда заряжаются до удвоенного напряжения +320 В … +640 В, которое блокируется диодом D4. TR1 - это повышающий трансформатор на ферритовых кольцах, с коэффициентом трансформации 1:3, работающий в режиме насыщения сердечника. Первичная обмотка трансформатора состоит из одного витка, вторичная из трех витков высоковольтного провода. Вместе с конденсатором C4 он является звеном магнитного сжатия, и обеспечивает импульсы прямого и обратного тока, необходимые для работы ДДРВ сборки. ДДРВ являются быстрым ключом размыкающего типа. При восстановлении ДДРВ диодов энергия, накопленная в индуктивности вторичной обмотки TR1, перебрасывается в нагрузку, обеспечивая формирование высоковольтного импульса с фронтом нарастания не более нескольких наносекунд.
x
Проведенные эксперименты показывают, что применение ДДРВ генератора вместо традиционных систем зажигания позволяет повысить топливную экономичность до 10%, уменьшить выбросы CO до 8%, NO до 15%.