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.
Известно устройство зажигания для двигателя внутреннего сгорания (Пат. US № 4688538, МПК F02P 3/08, опубл. 25.07.1987), содержащее импульсный преобразователь напряжения, первый вход которой подключен к первому входу формирователя импульсов и первому зажиму устройства 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 зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения к отрицательному –Е выводу бортовой сети автомобиля, выход формирователя импульсов соединен с информационным входом ключа, вход которого подсоединен к выходу импульсного преобразователя напряжения и первой обкладке конденсатора, вторая обкладка которого подключена к первому выходному зажиму устройства зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения к одному из выводов первичной обмотки катушки зажигания, второй выходной зажим устройства зажигания для подключения ко второму выводу первичной обмотки катушки зажигания соединен с выходом ключа, вторым зажимом устройства зажигания для двигателя внутреннего сгорания, и через диод  - к второму выходу импульсного преобразователя напряжения.
Недостатком известной системы зажигания является небольшая амплитуда двухполярной индуктивной фазы искрового разряда, длительностью не превышающей 0,3 мс, что отрицательно проявляется при пуске двигателя и работе на холостых оборотах.
Известно устройство зажигания для двигателя внутреннего сгорания (Пат. US № 5404859, МПК F02P 3/08, опубл. 11.04.1995), содержащее импульсный преобразователь напряжения, первый вход которой подключен к первому входу формирователя импульсов и первому зажиму устройства 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 зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения к отрицательному –Е выводу бортовой сети автомобиля, первый выход формирователя импульсов соединен с информационным входом ключа и информационным входом импульсного преобразователя напряжения, выход которого подсоединен к первой обкладке конденсатора, вторая обкладка которого подключена к аноду первого диода и первому выходному зажиму устройства зажигания для двигателя внутреннего сгорания, для подключения к одному из выводов первичной обмотки катушки зажигания, второй выходной зажим устройства зажигания для подключения ко второму выводу первичной обмотки катушки зажигания соединен с катодом первого диода и с выходом ключа, вторым зажимом устройства зажигания для двигателя внутреннего сгорания, и через второй диод - к второму выходу импульсного преобразователя напряжения.
Недостатком данной системы зажигания является небольшая амплитуда однополярной индуктивной фазы искрового разряда, длительностью не превышающая 0,6 мс, что отрицательно проявляется при пуске двигателя и работе на холостых оборотах.
Наиболее близким к полезной модели является система зажигания для двигателей внутреннего сгорания (Пат. US № 5074274, МПК F02P3/04, опубл. 21.02.1991), содержащая импульсный преобразователь напряжения, первый вход которой подключен к первому входу формирователя импульсов и первому зажиму системы 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 системы зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения к отрицательному –Е выводу бортовой сети автомобиля, первый выход формирователя импульсов соединен с информационным входом импульсного преобразователя напряжения, первый выход которого подсоединен через первый диод ко входу ключа и к одной из обкладок накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к аноду второго диода и к одному из выходных зажимов системы зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения к одному из выводов первичной обмотки катушки зажигания, второй выходной зажим системы зажигания для двигателя внутреннего сгорания для подключения ко второму из выводов первичной обмотки катушки соединен с катодом второго диода, вторым выходом импульсного преобразователя напряжения, вторым зажимом системы зажигания для двигателя внутреннего сгорания и выходом ключа, управляющий вход которого соединен со вторым выходом формирователя импульсов.
Недостатком данного устройства зажигания для двигателя внутреннего сгорания, как и предыдущих, является маленькая длительность однополярной индуктивной составляющей искрового разряда, не превышающая 0,6 мс, и, соответственно, низкая надежность поджога воздушно-топливной смеси 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 надежности 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 подключен 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 выводу бортовой сети автомобиля, первый и второй выходы формирователя импульсов соединены, соответственно, с информационным входом импульсного преобразователя напряжение и первым информационным входом ключа, первый выход импульсного преобразователя напряжения подключен к первой обкладке накопительного конденсатора, первому входу ключа и третьему выходу формирователя импульсов, первый выходной зажим конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения к одному из выводов первичной обмотки катушки зажигания, второй выходной зажим конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения ко второму из выводов первичной обмотки катушки зажигания, соединен с выходом ключа, вторым зажимом конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах и через обратно включенный диод со вторым выходом импульсного преобразователя напряжения, при этом введен второй ключ, вход которого соединен со второй обкладкой конденсатора, информационный вход второго ключа подсоединен к выходу первого ключа, второй информационноый вход которого подключен к выходу второго ключа к первому выходному зажиму конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах.
Конденсаторный модуль зажигания на комплементарных транзисторах характеризуется тем, что первый ключ содержит N-канальный транзистор, исток которого соединен с анодом стабилитрона, одним из выводов первого резистора и первым входом ключа, выход которого подсоединен к стоку N-канального транзистора, затвор которого подключен 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 соединен с катодом стабилитрона, одним из выводов первого резистора и первым входом ключа, информационный вход которого подсоединен через обратно включенный диод и второй резистор к аноду стабилитрона, второму выводу первого резистора и затвору P-канального транзистора, сток которого соединенен с выходом 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, путем формирования тока разряда накопительной емкости через первичную обмотку катушки зажигания в заданный момент времени, и формирования второй индуктивной фазы искрового разряда обратного направления, путем прерывания тока разряда накопительной емкости через первичную обмотку катушки зажигания в момент достижения им максимального значения.
Введение второго ключа и его связей с первым ключом, формирователем импульсов и общей шиной, позволило организовать триггер на двух комплементарных транзисторах, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях - открытом или закрытом, что соответствует одновременному протеканию тока или отсутствию тока через транзисторы.
Особенностью данного технического решения конденсаторного модуля зажигания на комплементарных 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 высокоэнергетической 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 обмотке 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 зажигания и изменению направления вторичного тока второй индуктивной фазы искрового разряда.
Вторая индуктивная фаза вторичного тока искрового разряда, обусловленная только параметрами вторичной цепи катушки зажигания, независимо от параметров разомкнутой первичной цепи обеспечивает 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 выводу бортовой сети автомобиля, импульсный преобразователь напряжения 3, формирователь импульсов 4, диод 5, накопительный конденсатора 6, первый ключ 7, второй ключ 8, выходные зажимы, соответственно, 9 и 10 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения, соответственно, к первому и второму из выводов первичной обмотки 11 катушки зажигания 12 (Фиг.3 и Фиг. 4).
На Фиг. 2 изображена структурная схема конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для двигателей внутреннего сгорания, содержащий импульсный преобразователь напряжения 3, первый 3-1 вход которого подключен к первому 4-1 входу 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 импульсов 4 соединены со вторым зажимом 2 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для подключения к отрицательному –Е выводу бортовой сети автомобиля. Первый 4-3 и второй 4-4 выходы формирователя импульсов 4 соединены, соответственно, с информационным входом 3-3 импульсного преобразователя напряжения 3 и первым информационным входом 7-1 ключа 7. Первый выход 3-4 импульсного преобразователя напряжения 3 подключен к первой обкладке накопительного конденсатора 6, первому входу 7-2 ключа 7 и третьему выходу 4-5 формирователя ипульсов 4. Первый выходной зажим 9 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения к одному из выводов первичной обмотки катушки зажигания. Второй выходной зажим 10 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, для подключения ко второму из выводов первичной обмотки катушки зажигания соединен с выходом 7-4 ключа 7, вторым зажимом 2 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах и через обратно включенный 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. Вход 8-1 второго ключа 8 соединен со второй обкладкой накопительного конденсатора 6. Информационный вход 8-2 второго ключа 8 подсоединен к выходу 7-4 первого ключа 7, второй информационноый вход 7-3 которого подключен к выходу 8-3 второго ключа 8 и к первому выходному зажиму 9 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах.
На фиг. 2 показаны также внутренние связи первого 7 и второго 8 ключей.
Первый ключ 7 содержит N-канальный транзистор 7-5, исток которого соединен с анодом стабилитрона 7-6, одним из выводов первого резистора 7-7 и первым входом 7-2 ключа 7, выход 7-4 которого подсоединен к стоку N-канального транзистора 7-5, затвор которого подключен к катоду стабилитрона 7-6, второму выводу первого резистора 7-7 и через второй резистор 7-8 - к первому информационному входу 7-1 ключа 7, второй информационный вход 7-3 которого соединен через диод 7-9 и третий резистор 7-10 с затвором N-канального транзистора 7-5.
Второй ключ 8 содержит P-канальный транзистор 8-4, исток которого соединен с катодом стабилитрона 8-5, одним из выводов первого резистора 8-6 и первым входом 8-1 ключа 8, информационный вход 8-2 которого подсоединен через обратно включенный диод 8-8 и второй резистор 8-7 к аноду стабилитрона 8-5, второму выводу первого резистора 8-6 и затвору P-канального транзистора 8-4, сток которого соединен с выходом 8-3 ключа 8.
На Фиг. 3 и Фиг. 4 приведены принципиальные схемы одновыводной и двухвыводной катушек зажигания, где: 11 и 13, соответственно, первичная и вторичная обмотки катушки зажигания 12, искровой зазор 14 свечи зажигания.
На Фиг. 5 приведены принципиальная схемы формирователя импульсов, который управляется, например, от датчика Холла или от микропроцессорний системы управления зажиганием, с сответствующей синхронизацией от коленчатого (распределительного) вала ДВС.
На Фиг. 6 – Фиг. 9 приведены временные диаграммы работы формирователя импульсов 4 с датчиком Холла.
На Фиг. 6 приведена временная диаграмма напряжения на датчике Холла (не показан) на входе 4-6 ключа 4 и, соответственно, на затворе транзистора 4-7.
На Фиг. 7 приведена временная диаграмма падения напряжения на диоде 4-8, подключенного к катоду и управляющему электроду тринистора 4-9, относительно анода диода 4-8, обеспечивающего при протекании тока через диод 4-8 закрывающий потенциал на управляющем электроде триристора 4-9.
На фиг. 8 приведена временная диаграмма напряжения на конденсаторе 4-10 относительно анода диода 4-8.
На Фиг. 9 приведена временная диаграмма напряжения на зажиме 4-4 относительно зажима 4-5 формирователя импульсов 4, формируемого вторичной обмоткой 4-11 импульсного трансформатора 4-12, открывающий транзистор 7-5 первого ключа 7. Положительный импульс, в момент закрытия транзистора 4-7, с выхода 4-3 относительно зажима 4-2 формирователя импульсов 4 поступает на вход 3-3 импульсного преобразователя напряжения 3 и выключает его на время резонансного разряда конденсатора 6 через первичную 11 обмотку катушки 12 зажигания (Фиг. 3 и Фиг. 4).
На Фиг. 10 – Фиг. 15 приведены временные диаграммы работы конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах.
На Фиг. 10 показан запускающий импульс напряжения положительной полярности на входе 7-1 относительно выхода 7-2 с выхода формирователя импульсов 4.
На Фиг. 11, Фиг. 12 и Фиг. 13 показаны, соответственно, напряжения на конденсаторе 6, на выходном зажиме 9 относительно выходного зажима 10 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах и ток через первичную обмотку 11 катушки зажигания 12.
На Фиг. 14, Фиг. 15 показаны, соответственно, падение напряжения и ток искрового разряда в зазоре 14 свечи зажигания (Фиг. 3 и Фиг.4).
Рассмотрим работу формирователя импульсов изображенного на Фиг. 5.
Исходное состояние: транзистор 4-7 открыт и по цепи протекает ток от источника энергии бортовой сети +Е через зажим 1 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах, зажим 4-1 формирователя импульсов 4, резистор 4-13, транзистор 4-7, зажим 4-2, общий зажим 2. А также, по следующей цепи протекает ток от источника энергии бортовой сети +Е: зажим 1, зажим 4-1 формирователя импульсов 4, стабилитрон 4-14, диод 4-8, резистор 4-15 (определяет минимальное время заряда конденсатора 4-10), транзистор 4-7, зажим 4-2, общий зажим 2 конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах. Конденсатор 4-10 заряжается до напряжения по величине равного напряжению стабилизации стабилитрона 4-14.
В момент времени t0, t2, t4 (Фиг. 6) транзистор 4-7 по сигналу цепи управления 4-6 закрывается, и к диоду 4-8 прикладывается напряжение конденсатора 4-10 в обратной полярности, и диод 4-8 закрывается, а к управляющему электроду тиристора 4-9 это напряжение прикладывается в прямом направлении, и он открывается. Напряжение с конденсатора 4-10 прикладывается к катоду диода 4-8 относительно его анода по цепи: верхняя обкладка конденсатора 4-10, резистор 4-13, диод 4-16, катод диода 4-8. Ток через управляющий электрод тринистора 4-9 протекает по цепи: верхняя обкладка конденсатора 4-10, резистор 4-13 (значение сопротивления которого определяет ток управления тиристора 4-9), диод 4-16, управляющий электрод тринистора 4-9, катод тринистора 4-9, нижняя обкладка конденсатора 4-10. Амплитуда напряжения положительного импульса на катоде диода 4-8 и на управляющем электроде тринистора 4-9 определяется напряжением срабатывания управляющего электрода тринистора 4-9. К первичной обмотке 4-17 импульсного трансформатора 4-12 прикладывается напряжение заряженного конденсатора 4-10 (фиг. 8). Конденсатор 4-10 в течение 100-200 мкс разряжается на первичную обмотку 4-17 импульсного трансформатора 4-12 и на вторичной обмотке 4-11 формируется положительный импульс запуска (фиг. 9) длительностью не менее 50 мкс, поступающие на выход 4-4 ключа 4 через диод 4-18.
Амплитудное значение напряжения и тока запускающих импульсов для конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах зависит от емкости конденсатора 4-10, напряжения источника энергии бортовой сети автомобиля, коэффициента трансформации импульсного трансформатора 4-12, напряжения стабилизации стабилитрона 4-14 и сопротивления резистора 4-13 электронного ключа 7.
При включении транзистора 4-7 (Фиг. 6, с момента времени t1, t3), формируется заряд конденсатора 4-10 (фиг. 8) до заданного значения напряжения, т.е. до напряжения стабилизации стабилитрона 4-14, и осуществляется не менее чем за 2 мс при максимальном значении напряжения источника энергии бортовой сети автомобиля (13,8-14,4В). При возникновении импульсных помех в бортовой сети автомобиля при открытом транзисторе 4-7 запуск электронного ключа 4 не происходит, т.к. к управляющему электроду тринистора 4-9 приложено отрицательное (закрывающее) напряжение по величина равное падению напряжения на диоде 4-8.
При возникновении импульсных помех в бортовой сети автомобиля при закрытом состоянии транзистора 4-7, запуск тринистора 4-9 не происходит, т.к. конденсатор 4-10 разряжен. Для устойчивой работы тринистора 4-9 между управляющим электродом и катодом установлен резистор 4-19.
Рассмотрим работу конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с использованием временных диаграмм, изображенных на Фиг. 10 - Фиг. 15.
При пуске и работе ДВС транзистор 4-7 (Фиг. 5) открывается и закрывается, и в момент закрытия транзистора 4-7 на выходе 4-4 относительно выхода 4-5 формирователя 4 формируется положительный импульс запуска (Фиг. 9), который поступает (Фиг. 10) на первый информационный вход 7-1 относительно входа 7-2 первого ключа 7. Полевой транзистор 7-5 открывается, и положительный потенциал напряжения со второй (правой) обкладки конденсатора 6 (ранее заряженного от импульсного преобразователя напряжения 3 со второго выхода 3-5, через диод 5, второй выходной зажим 10, первичную обмотку 11 катушки зажигания 12, первый выходной зажим 9, выход 8-3 второго ключа 8, диод в составе полевого транзистора 8-4 ключа 8, вход 8-1 ключа 8, вторая обкладка конденсатора 6, первая обкладка конденсатора 6, первый выход 3-4 импульсного преобразователя 3, прикладывается к переходу исток-затвор полевого транзистора 8-4 через вход 8-1 второго ключа 8, резистор 8-7, диод 8-8, информационный вход 8-2 ключа 8, выход 7-4 ключа 7, переход исток-сток полевого транзистора 7-5, вход 7-2, ключа 7, левая обкладка конденсатора 6. Ключ 8 открывается, и через первичную обмотку 11 катушки зажигания протекает ток по цепи: правая обкладка конденсатора 6, ключ 8, первый выходной зажим 9, первичная обмотка 11 катушки зажигания 12, второй выходной зажим 10, ключ 7, левая обкладка конденсатора 6. Ток, протекающий через первичную обмотку 11 катушки зажигания 12 (Фиг. 13), формирует нарастающий магнитный поток, что приводит к возникновению ЭДС (Фиг.14) во вторичной обмотке 13 катушки зажигания 12, пробою искрового промежутка 14 и формированию вторичного тока (Фиг.15) первой высокоэнегетической индуктивной фазы искрового разряда.
Таким образом, триггер, составленный из двух ключей 7 и 8 с соответствующими внешними связями на двух комплементарных полевых транзисторах 7-5 и 8-4, переходит в устойчивое открытое состояние. 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 7-5 и 8-4, лавинообразно закрывается. При этом ток в первичной обмотке 11 катушки зажигания 12 резко исчезает, и, соответственно, исчезает магнитный поток в первичной обмотке 11, и во вторичной обмотке 13 возникает высоковольтный импульс напряжения обратного знака (Фиг. 14), происходит повторный пробой в искровом зазоре 14 свечи зажигания. Ток через искровой зазор 14 (Фиг. 15) также меняет направление на обратное, однако длительность его существенно больше, чем длительность тока в первой фазе искрового разряда, и превышает длительность искрового разряда традиционных транзисторных систем зажигания из-за большего значения тока разрыва.
Построение конденсаторного модуля зажигания на комплементарных транзисторах по предложенной схеме обеспечивает увеличенную длительность и мощность искрового разряда, что приводит к повышению надежности поджога воздушно-топливной смеси на различных режимах работы двигателей внутреннего сгорания и различных альтернативных видах топлива при нормальном и мощном режимах.