Устройство управления двигателем внутреннего сгорания

Полезная модель относится к автомобильной электронике, в частности, к системам зажигания, и может быть использована в устройствахуправления двигателей внутреннего сгорания для определения аварийных состояний системы зажигания.
Известно устройство управления свечой зажигания и электронной системой зажигания с открытой вторичной защитой (Патент США № 9470202, МПК F02P 3/05, F02P 9/00, F02P 3/055, F02P 17/12, опубл. 18.10.2016), содержащий устройство управления, электрический трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки, свечу зажигания, твердотельный переключатель, подключенный к электрическому трансформатору, питающийся от генератора электрического напряжения (аккумулятора), измерительный модуль, в состав которого входят модуль обнаружения напряжения, модуль определения времени и модуль сравнения с источником опорного напряжения.
Недостатком известного устройства управления свечой зажигания и электронной системой зажигания с открытой вторичной защитой является недостаточная точность определения длительности высоковольтного импульса системы зажигания из-за зависимости опорного напряжения в модуле сравнения от напряжения аккумулятора.
Известно устройство зажигания для двигателя внутреннего сгорания (Патент США № 7644707, МПК F02P 3/05, опубл. 12.01.2010), содержащий преобразователь постоянного тока, конденсатор, подключенный параллельно его выходу,  катушку зажигания, управляемый переключатель, коммутирующий ток через катушку зажигания, свечу зажигания, шунт для измерения тока через свечу зажигания, устройство измерения вторичного тока, устройство измерения вторичного напряжения, устройство оценки тока с учетом его полярности и устройство оценки амплитуды тока, устройство управления, устройство оценки высокого напряжения, устройство контроля и измеритель тока первичной цепи катушки зажигания.
Недостатком данного устройства зажигания для двигателя внутреннего сгорания является высокая сложность устройства, и необходимость введения шунта для измерения тока во вторичную цепь, что не всегда возможно реализовать в современных катушках зажигания.
Наиболее близким к полезной модели является устройство управления двигателем внутреннего сгорания (Патент США № 9726140, МПК F02P 17/12, F02P 11/06, опубл. 08.08.2017), содержащий блок управления, катушку зажигания, ключевой элемент, коммутирующий ток через первичную обмотку катушки зажигания, свечу зажигания, присоединенную к вторичной обмотке катушки зажигания, резисторы, образующие делитель напряжения и присоединенные к первичной обмотке катушки зажигания, резисторы, образующие делитель напряжения и присоединенные к положительному выводу бортовой системы электропитания, компаратор напряжения, конденсатор, резистор и диод, через которые происходит зарядка конденсатора и транзисторный ключ, предназначенный для разрядки конденсатора, и управляемый блоком управления.
Недостатком данного устройства управления двигателем внутреннего сгорания является недостаточная точность определения длительности высоковольтного импульса системы зажигания из-за наличия остаточного напряжения транзисторного ключа.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании устройства управления и контроля процесса формирования искрового разряда для поджога воздушно-топливной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания за счет определения токо-временных параметров искрового разряда, путем контроля длительности высоковольтного импульса, трансформируемого в первичную цепь катушки зажигания при протекании тока во вторичной цепи.
Технический результат - повышение надежности работы двигателя внутреннего сгорания путем улучшения точности контроля поджога воздушно-топливной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания при помощи измерения параметров высоковольтного импульса, трансформируемого в первичную цепь катушки зажигания при протекании тока во вторичной цепи.
Технический результат достигается за счет того, что устройство управления двигателем внутреннего сгорания, содержащее блок управления, первый выход которого подключен к управляющему входу ключевого элемента, коммутирующего ток, протекающий от положительного вывода бортовой системы электропитания через первичную обмотку катушки зажигания на общую шину бортовой сети автомобиля, свечу зажигания, центральный электрод которой присоединен к первому выводу вторичной обмотки катушки зажигания, а боковой электрод - к второму выводу вторичной обмотки катушки зажигания и общей шине бортовой сети автомобиля, резисторы, образующие делитель напряжения, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выхода ключевого элемента и первичной обмотки катушки зажигания, второй вывод делителя напряжения подключен к общей шине бортовой сети автомобиля, при этом дополнительно содержит формирователь импульсов, первый вход которого подсоединен к точке соединения резисторов делителя напряжения, а второй вход формирователя импульсов соединен с выходом источника опорного напряжения, выход формирователя импульса подсоединен к первому входу первой схемы совпадения и к входу R триггера, выход первой схемы совпадения соединен с первым входом микроконтроллера, вход S триггера соединен с выходом блока управления, выход триггера соединен с первым входом второй схемы совпадения, второй вход первой схемы совпадения и второй вход второй схемы совпадения соединены с выходом генератора, а выход второй схемы совпадения соединен с вторым входом микроконтроллера, а его выход подсоединен к входу блока управления.
Сущность предлагаемого устройства управления и контроля процесса формирования искрового разряда для поджога воздушно-топливной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания заключается в измерении длительности промежутка времени с момента запирания ключевого элемента до пробоя искрового промежутка свечи зажигания, и измерения длительности высоковольтного импульса напряжения, трансформируемого в первичную цепь катушки зажигания, для обнаружения пропусков искровых разрядов в свече зажигания.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства управления двигателем внутреннего сгорания, содержащего блок управления 1, выход которого соединен с входом ключевого элемента 2 и входом S (установка в состояние логической единицы) триггера 3. Между выходом ключевого элемента 2 и положительным выводом бортовой системы электропитания +Е включена первичная обмотка 4 катушки зажигания 5, ее вторичная обмотка 6 соединена со свечой зажигания 7. Между точкой соединения выхода ключевого элемента 2 с первичной обмоткой 3 катушки зажигания 4 и общей шиной бортовой сети автомобиля -Е подключены последовательно соединенные резисторы 8 и 9, образующие делитель напряжения, а точка соединения резисторов 8 и 9 подключена к первому входу формирователя импульсов 10, а к второму входу формирователя импульсов 10 подключен источник опорного напряжения 11. Выход формирователя импульсов 10 соединен с первым входом первой схемы совпадения 12 и с входом R (установка в состояние логического нуля) триггера 3, выход триггера 3 подключен к первому входу второй схемы совпадения 13, а к второму входу первой схемы совпадения 12 и к второму входу второй схемы совпадения 13 подключен генератор импульсов 14. Выход первой схемы совпадения 12 подключен к первому входу микроконтроллера 15, выход второй схемы совпадения 13 подключен к второму входу микроконтроллера 15, а выход микроконтроллера 15 - к входу блока управления 1.
На фиг. 2 приведена временная диаграмма напряжения на выходе блока управления 1.
На фиг. 3 приведена временная диаграмма напряжения высоковольтного импульса, трансформируемого в первичную цепь 4 катушки зажигания 5 при протекании тока во вторичной цепи 6 катушки зажигания 5 и свече зажигания 7.
ОП
На фиг. 4 приведена временная диаграмма напряжения на первом входе формирователя импульсов 10, и уровень выходного напряжения источника опорного напряжения 11 (U) на втором входе формирователя импульсов 10.
На фиг. 5 приведена временная диаграмма напряжения на выходе триггера 3 и на первом входе второй схемы совпадения 13.
На фиг. 6 приведена временная диаграмма напряжения на выходе первой схемы совпадения 12 и на первом входе микроконтроллера 15.
На фиг. 7 приведена временная диаграмма напряжения на выходе генератора импульсов 14, на втором входе первой схемы совпадения 12 и на втором входе второй схемы совпадения 13.
На фиг. 8 приведена временная диаграмма напряжения на выходе второй схемы совпадения 13 и на втором входе микроконтроллера 15.
На фиг. 9 приведена временная диаграмма напряжения на выходе формирователя импульсов 10, на первом входе первой схемы совпадения 12 и на входе R (установка в состояние логического нуля) триггера 3.
0
Устройство работает следующим образом. Ключевой элемент 2 открывается и закрывается по сигналу с блока управления 1 (фиг. 2). В момент закрывания ключевого элемента 2 прерывается ток, протекающий от положительного вывода бортовой системы электропитания +Е через первичную обмотку 4 катушки зажигания 5, и одновременно сигналом с блока управления 1 триггер 3 в момент времени t (фиг. 2) переводится в состояние логической единицы, разрешая прохождение импульсов от генератора 14 через вторую схему совпадения 13 на второй вход микроконтроллера 15. После запирания ключевого элемента 2 на первичной обмотке 4, и на вторичной обмотке 6 катушки зажигания 5 (фиг. 1) появляется высоковольтный импульс напряжения (фиг. 3), и в свече зажигания 7 возникает искровой разряд.
ОП
При протекании тока во вторичной цепи через зазор в свече зажигания 7 в первичной обмотке 4 катушки зажигания 5 формируется напряжение, пропорциональное высоковольтному напряжению вторичной обмотки 6,  и поступающее на делитель напряжения, образованный резисторами 8 и 9. Амплитуда импульса напряжения на первичной обмотке 4 катушки зажигания 5 уменьшается при помощи делителя напряжения на резисторах 8 и 9, и с точки соединения резисторов 8 и 9 подается на первый вход формирователя импульсов 10, а на его второй вход подается напряжение U от источника опорного напряжения 11 (фиг. 1 и фиг. 4).
0
1
1
На выходе триггера 3 формируется импульс напряжения длительностью t - t (фиг. 5), пропорциональный интервалу времени с момента подачи сигнала на запирание ключевого элемента 2 до момента пробоя искрового промежутка в свече зажигания 7. Триггер 3 переключается в исходное состояние фронтом импульса с выхода формирователя импульсов 10 (фиг. 6, момент времени t), который приходит на вход R триггера 3, при этом выход триггера 3 устанавливается в состояние логического нуля.
1
2
В период времени t - t амплитуда импульса на первом входе формирователя импульсов 10 превышает напряжение источника опорного напряжения 11 (фиг. 4), и в течение этого времени на выходе формирователя импульсов 10 появляется импульс напряжения (фиг. 6), который подается на первый вход первой схемы совпадения 12, а на ее второй вход подается последовательность импульсов от генератора импульсов 14 (фиг. 7).
0
1
0
1
На выход второй схемы совпадения 13 проходят импульсы от генератора импульсов 14 только в течение времени t - t (фиг. 8), и поступают на второй вход микроконтроллера 15, который подсчитывает количество импульсов, поступивших на его второй вход, и которое пропорционально интервалу времени t - t, т.е. длительности интервала времени с момента закрывания ключевого элемента 2 до момента появления наведенного высоковольтного импульса напряжения в первичной обмотке 4 катушки зажигания 5.
1
2
Импульсы с выхода первой схемы совпадения 12 (фиг. 9) поступают на первый вход микроконтроллера 15, который подсчитывает количество импульсов, поступивших на его первый вход, и которое пропорционально интервалу времени t - t , т.е. длительности высоковольтного импульса напряжения в первичной обмотке 4 катушки зажигания 5.
0
1
Отклонение длительности интервала времени t - t (фиг. 8) от нормального диапазона значений в меньшую или большую сторону означает, что пробоя искрового промежутка свечи зажигания 7 не произошло, и микроконтроллер 15 подает сигнал об ошибке в блок управления 1, который отключает цилиндр двигателя внутреннего сгорания путем запрета подачи управляющего импульса на ключевой элемент 2, а также отключает подачу топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания для образования воздушно-топливной смеси путем прекращения подачи сигналов управления форсункой (на фиг. 1 не показано).
1
2
При отклонении длительности трансформируемого в первичную обмотку 4 высоковольтного импульса вторичной обмотки 6 t - t (фиг. 9) в первичной обмотке 4 катушки зажигания 5 от нормального диапазона значений, возникающего из-за неисправности катушки зажигания 5 или свечи зажигания 7, блок управления 1 также отключает цилиндр двигателя внутреннего сгорания путем запрета подачи управляющего импульса на ключевой элемент 2, а также отключает подачу топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания для образования воздушно-топливной смеси путем прекращения подачи сигналов управления форсункой (на фиг. 1 не показано).
Таким образом, построение устройства управления и контроля процесса формирования искрового разряда для поджога воздушно-топливной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания по предложенной схеме обеспечивает повышение надежности работы двигателя внутреннего сгорания путем отключения подачи топлива в цилиндре с неисправной катушкой зажигания, неисправной свечой зажигания или из-за неоптимального соотношения воздуха и топлива, что исключает вероятность выброса несгоревших углеводородов и отравления каталитического нейтрализатора.