ЭЛЕКТРОННЫЙ КОРРЕКТОР СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02P5/145 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к электронным транзисторным системам зажигания с функциями октан-корректора и многократного искрообразования, и может быть использовано для управления зажиганием двигателей внутреннего сгорания.

Известен электронный корректор системы зажигания (авт. св. СССР N 1609243, кл. F 02 P 5/145, 1989), который выбран в качестве прототипа как устройство, наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому. Устройство содержит параметрический стабилизатор напряжения, три диода, конденсатор, два пороговых элемента, блок временной задержки, релаксационный генератор и силовой ключ, подключаемый параллельно штатному прерывателю классической батарейной системы зажигания. Устройство выполняет функции транзисторной системы зажигания, октан-корректора и многократного искрообразования.

Недостатками прототипа являются снижение энергии искрообразования во время запуска двигателя из-за уменьшения напряжения бортовой сети, а также увеличение расхода топлива и выброса вредных веществ из-за неизменной частоты многократного искрообразования во всех режимах работы двигателя. Частота многократного искрообразования выбрана для усредненного режима работы двигателя. Период колебаний релаксационного генератора и их скважность определяются усредненным временем накопления энергии в катушке зажигания и временем искрового разряда. При снижении напряжения бортовой сети, особенно значительном во время запуска двигателя, уменьшается энергия искрообразования, так как уменьшается амплитуда тока в катушке зажигания. Длительность искрового разряда зависит от накопленной в катушке зажигания энергии, давления в цилиндре, температуры и качества смеси, оборотов двигателя и других факторов. Если время, отводимое релаксационным генератором на искровой разряд, больше или меньше действительного времени искрового разряда в данном режиме работы двигателя, суммарное время искровых разрядов в одном такте уменьшается, что увеличивает расход топлива и выброс вредных веществ.

Целью изобретения является повышение энергии искрового разряда, уменьшение расхода топлива и выброса вредных веществ в режиме многократного искрообразования за счет автоматической коррекции времени накопления энергии в катушке зажигания в функции бортового напряжения и оптимизации частоты повторения искрового разряда.

Поставленная цель достигается тем, что в электронном корректоре системы зажигания, содержащем параметрический стабилизатор напряжения, входы которого подключены к первой и второй шинам питания, первый, второй и третий диоды, аноды которых соединены с выходом стабилизатора напряжения, первый конденсатор, первый пороговый элемент с двумя входами и одним выходом, блок временной задержки с двумя входами и двумя выходами, второй пороговый элемент с двумя входами и двумя выходами, релаксационный генератор с двумя входами и одним выходом, силовой ключ с одним входом и двумя выходами, катод первого диода соединен с первым выходом силового ключа, образующем выход устройства, катод второго диода соединен с первым входом блока временной задержки и выходом первого порогового элемента, катод третьего диода соединен с первым в ходом первого порогового устройства и через первый конденсатор - с второй шиной питания, выходы б лока временной задержки соединены с одноименными входами второго порогового элемента, первый выход которого соединен с вторым входом блока временной задержки, а второй выход - с вторым входом релаксационного генератора, выход которого соединен с входом силового ключа, второй выход которого соединен с вторым входом первого порогового элемента, причем релаксационный генератор выполнен на первом логическом элементе 2И-НЕ, первый вход которого соединен с вторым входом генератора через первый резистор и с второй шиной питания через второй конденсатор, и на втором двухвходовом логическом элементе, а также содержит четвертый и пятый диоды, третий конденсатор, второй, третий и четвертый резисторы, согласно изобретению, в схему релаксационного генератора введены третий логический элемент 4ИЛИ-НЕ, транзистор типа n-p-n, четвертый, пятый и шестой конденсаторы, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы, причем первый вход элемента 4ИЛИ-НЕ соединен через второй резистор с первой шиной питания, через третий конденсатор - с второй шиной питания, через четвертый диод - с его выходом и вторым входом второго логического элемента, выполненного как элемент 2ИЛИ; второй вход элемента 4ИЛИ-НЕ соединен через четвертый конденсатор с второй шиной питания, через пятый резистор - с вторым входом генератора и первым входом второго логического элемента, которые соединены также через последовательно включенные пятый конденсатор и третий резистор с базой транзистора, которая также соединена с второй шиной питания через четвертый резистор; третий вход элемента 4ЛИИ-НЕ соединен через пятый диод с катодом третьего диода, через последовательно включенные шестой резистор и включенный в прямом направлении стабилитрон - с первым входом генератора, через седьмой резистор - с второй шиной питания, четвертый вход элемента 4ИЛИ-НЕ соединен с выходом первого логического элемента, первый вход которого также соединен с второй шиной питания через переход коллектор-эмиттер транзистора, а второй вход соединен через восьмой резистор с катодом третьего диода и через шестой конденсатор - с выходом элемента 4ИЛИ-НЕ, а первый вход генератора соединен с первым выходом силового ключа.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства; на фиг.2 - эпюры, поясняющие его работу, где: А - состояние контактов прерывателя, Б - напряжение на выходе параметрического стабилизатора напряжения, В - ток на выходе первого порогового элемента, Г - напряжение на втором выходе блока временной задержки, Д - напряжение на первом выходе блока временной задержки, Е - сигнал на втором выходе второго порогового устройства, Ж - сигнал на первом выходе второго порогового устройства, З - напряжение на втором входе третьего логического элемента 4ИЛИ-НЕ, И - сигнал на выходе третьего логического элемента 4ИЛИ-НЕ, К - напряжение на третьем конденсаторе, Л - напряжение на втором конденсаторе, М - сигнал на выходе первого логического элемента 2И-НЕ, Н - сигнал на выходе второго логического элемента 2ИЛИ, О - напряжение на первичной обмотке катушки зажигания, П - сигнал на третьем входе третьего логического элемента 4ИЛИ-НЕ.

Электронный корректор системы зажигания содержит параметрический стабилизатор 1 напряжения, входы которого подключены к первой и второй шинам питания, блок 2 временной задержки с двумя входами и выходами, силовой ключ 3 с одним входом и двумя выходами, первый выход которого является выходом устройства, первый, второй и третий диоды 4, 5, 6, первый конденсатор 7, первый пороговый элемент 8 с двумя входами и одним выходом, второй пороговый элемент 9 с двумя входами и двумя выходами, релаксационный генератор 10. Аноды диодов 4, 5, 6 подсоединены к выходу стабилизатора 1, катод диода 4 подсоединен к первому входу генератора 10 и к выходу силового ключа 3, катод диода 5 соединен с первым входом блока 2 временной задержки и выходом первого порогового элемента 8, катод диода 6 подсоединен к первому входу первого порогового элемента 8, а через конденсатор 7 - к второй шине питания. Выходы блока 2 соединены с одноименными входами второго порогового элемента 9, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторыми входами блока 2 временной задержки и релаксационного генератора 10, выход которого подключен к входу силового ключа 3, второй выход которого соединен с вторым входом первого порогового элемента 8.

В релаксационном генераторе 10 первый вход первого логического элемента 2И-НЕ 11 соединен через первый резистор 12 с вторым входом генератора 10, с первым входом второго логического элемента 2ИЛИ 13, выход которого образует выход генератора 10, и через пятый резистор 14 - с вторым входом третьего логического элемента 4ИЛИ-НЕ 15, который также соединен с второй шиной питания через четвертый конденсатор 16, а через второй конденсатор 17 и через переход коллектор-эмиттер транзистора 18 - со второй шиной питания. Второй вход элемента 11 соединен через восьмой резистор 19 с катодом диода 6, а через шестой конденсатор 20 - с выходом элемента 15 и вторым входом элемента 13. База транзистора 18 соединена через последовательно включенные пятый конденсатор 21 и третий резистор 22 с вторым входом генератора 10, а через четвертый резистор 23 - с второй шиной питания. Первый вход элемента 15 соединен через второй резистор 24 с первой шиной питания, через четвертый конденсатор 25 - с второй шиной питания, через четвертый диод 26 - с его выходом. Третий вход элемента 14 соединен через пятый диод 27 с катодом диода 6, через последовательно включенные шестой резистор 28 и включенный в прямом направлении стабилитрон 29 - с первым входом генератора 20, через седьмой резистор 30 - с второй шиной питания. Четвертый вход элемента 15 соединен с выходом элемента 11.

Первый пороговый элемент 8 выполнен на p-n-p и n-p-n-транзисторах 31, 32, эмиттер транзистора 31 является первым входом первого порогового элемента 8, коллектор - выходом элемента 8, база транзистора 31 через резистор 33 соединена с его эмиттером, а через резистор 34 - с коллектором транзистора 32, эмиттер которого соединен с второй шиной питания, а база через резистор 35 - с вторым входом элемента 8.

Первый выход блока 2 временной задержки соединен с его первым входом через последовательно включенные диод 36 и резистор 37, параллельно которым подключены последовательно включенные обратный диод 38 и регулируемый резистор 39, с вторым входом - через обратный диод 40, с второй шиной питания - через конденсатор 41. Второй выход блока 2 соединен с его первым входом, подключенным также через резистор 42 к второй шине питания, через обратный диод 43 и параллельно включенные резистор 44 и конденсатор 45 - к второй шине питания.

Второй пороговый элемент 9 выполнен на логическом элементе 2И-НЕ 46, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами элемента 9, и на инверторе 47, выход которого образует первый выход элемента 9. Выход элемента 46 соединен с входом инвертора 47 и образует второй выход элемента 9.

Силовой ключ 3 выполнен на составном транзисторе 48, 49, вход которого подсоединен к выходу предварительного усилителя 50, вход которого является входом силового ключа 3, а точка соединения эмиттера и базы составного транзистора - его вторым выходом, параллельно которому подключен резистор 51. К первому выходу силового ключа 3, образованному коллекторами транзисторов 48, 49, подключены также конденсатор 52, прерыватель 53 и первичная обмотка катушки зажигания 54.

Электронный корректор системы зажигания работает следующим образом.

Если включено напряжение питания, двигатель не работает, а контакты прерывателя 53 разомкнуты, конденсаторы 41 и 45 заряжаются через диоды 5, 38 и 43 от стабилизатора 1. На выходе элемента 46 устанавливается сигнал низкого логического уровня ("ноль"). Такой же сигнал устанавливается на первом входе элемента 11, на его выходе - сигнал высокого логического уровня ("единица"). На выходе элемента 15 устанавливается "ноль". Следовательно, на обоих входах элемента 13 и на его выходе присутствуют "нули", транзисторы силового ключа 3 заперты, а устройство переводится в режим минимального потребления тока.

Если при тех же условиях контакты прерывателя 53 замкнуты, напряжение на выходе стабилизатора 1 равно падению напряжения на диоде 4, конденсаторы 7, 41 и 45 разряжены, а транзисторы 48, 49 силового ключа 3 заперты.

Если двигатель работает, конденсатор 7, заряженный через диод 6 в предыдущем такте, обеспечивает питание логических элементов устройства во время замкнутого состояния контактов прерывателя 53. В конце такта конденсаторы 41 и 45 разряжены, на выходах элементов 46 и 13 присутствуют сигналы "единица". Ток базы транзистора 48 проходит через его коллектор и контакты прерывателя 53 на вторую шину питания, а не через переходы база-эмиттер транзисторов 48, 49, поскольку переход база-коллектор представляет собой одну диодную структуру с прямым падением напряжения около 1,0 В, а два последовательных перехода база-эмиттер - две последовательные диодные структуры с прямым падением напряжения около 2,0 В. Напряжение на эмиттере транзистора 48 равно нулю. Транзисторы 31, 32 заперты. Когда контакты прерывателя 53 размыкаются (фиг.2,А), ток базы транзистора 48 устремляется через переходы база-эмиттер транзисторов 48, 49, отпирая их, ток первичной обмотки катушки 54 зажигания начинает протекать через переход коллектор-эмиттер транзистора 49. Напряжение на выходе стабилизатора 1 возрастает на величину падения на переходе коллектор-эмиттер насыщенного транзистора 49 (фиг.2,Б), на базе которого появляется импульс напряжения с амплитудой около 1 В, отпирающий транзисторы 32 и 31 (фиг.2,В). Конденсатор 45 заряжается через диод 43 и на втором входе элемента 46 устанавливается "единица" (фиг. 2,Г), конденсатор 41 начинает заряжаться через диод 38 и регулируемый резистор 39 (фиг.2,Д). Постоянная времени этой цепи определяет величину задержки момента зажигания. Когда напряжение на конденсаторе 41 достигает уровня переключения элемента 46, на его выходе появляется "ноль" (фиг.2,Е), на выходе элемента 47 - "единица" (фиг.2,Ж), на втором выходе элемента 15 с помощью резистора 14 и конденсатора 16 сигнал "единица" на некоторое небольшое время сохраняется (фиг.2,З), поэтому на выходе элемента 13 устанавливается сигнал "ноль" (фиг.2,Н). При этом конденсатор 41 дозаряжается через диод 40 (фиг.2,Д), силовой ключ 3 и транзисторы 31, 32 запираются. На первичной обмотке катушки 54 зажигания появляется импульс напряжения (фиг.2,О), а в свече зажигания искра. Под действием этого импульса отпирается стабилитрон 29 и на третьем выходе элемента 15 с помощью делителя напряжения на резисторах 28, 30 и ограничивающего диода 27 формируется сигнал "единица" (фиг. 2,П). Стабилитрон 29 выбран таким, чтобы он отпирался при напряжении, большем максимально возможного напряжения на первой шине питания, но меньшем, чем имеется на первичной обмотке катушки 54 во время горения дуги между электродами свечи в процессе индуктивной фазы искрового разряда (т.е. примерно от 18 до 35 В). При этом сигнал "единица" присутствует на третьем входе элемента 15 в течение всего времени искрового разряда. Таким образом, после возникновения разряда сигнал "ноль" поддерживается на выходе элемента 15 в течение всего времени горения дуги между электродами свечи, несмотря на то, что конденсатор 16 разряжен через резистор 14 и выход элемента 46. На первом выходе элемента 15 в это время присутствует "ноль", так как диод 26 открыт, и на четвертом выходе также "ноль", поскольку на первом выходе элемента 11 поддерживается сигнал "единица" на время заряда конденсатора 17 через резистор 12 и выход элемента 46 до уровня переключения элемента 11 (фиг.2,Д). После прекращения горения дуги в свече стабилитрон 29 запирается и сигнал на третьем выходе элемента 15 также принимает нулевое значение (фиг. 2, П), как и на других его входах, и начинается режим многократного искрообразования. На выходе элемента 15 появляется "единица", диод 26 смещается в обратном направлении и конденсатор 25 начинает заряжаться током, проходящим через резистор 24 (фиг.2,К). Одновременно с этим "единица" появляется на выходе элемента 13 (фиг.2,Н), и через первичную обмотку катушки 54 зажигания и силовой ключ 3 начинает протекать ток. Время протекания этого тока, т. е. энергия, накопленная в катушке зажигания, определяется временем заряда конденсатора 25 до напряжения переключения элемента 15. Поскольку это напряжение составляет примерно половину напряжения стабилизатора 1 (около 3 В), а конденсатор 25 заряжается от первой шины питания (от 12 до 15 В), процесс заряда конденсатора 25 практически линейный, и скорость заряда пропорциональна величине напряжения на первой шине питания (фиг.2,К). Благодаря этому величина энергии, накопленной в катушке 54, не зависит от величины бортового напряжения, т.е. обеспечивается повышение энергии искрообразования при низком бортовом напряжении. С другой стороны, при повышенном бортовом напряжении заданный уровень накопления энергии достигается быстрее, т. е. автоматически повышается частота многократного искрообразования. Когда конденсатор 25 заряжается до уровня переключения элемента 15, на его выходе появляется "ноль" (фиг.2,И). Этот отрицательный перепад напряжения, дифференцированный конденсатором 20 и резистором 19, вызывает появление на выходе элемента 11 короткого сигнала "единица" (фиг.2,М). Длительность этого сигнала должна быть достаточной для обеспечения полного разряда конденсатора 25 через диод 26 и выход элемента 15 (фиг.2,К). Одновременно с этим разрядом сигнал "ноль" появляется на выходе элемента 13 (фиг.2,Н), ключ 3 запирается и возникает второй искровой разряд (фиг.2,О). Перед тем как исчезнет сигнал "единица" на выходе элемента 11, элемент 15 блокируется сигналом "единица" по третьему входу через стабилитрон 29 на время горения дуги (фиг.2,П), и следующий цикл работы релаксационного генератора автоматически задерживается до тех пор, пока дуга не погаснет. На всех входах элемента 15 устанавливаются "нули", на его выходе - "единица", конденсатор 25 начинает заряжаться через резистор 24, и далее циклы повторяются, как описано ранее. Таким образом, частота многократного искрообразования автоматически оптимизируется по максимальному суммарному времени искрового разряда в каждом такте. Процесс многократного искрообразования продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе 17, разряжающемся через резистор 12 и выход элемента 46, не понизится до уровня переключения элемента 11 (фиг.2, Л), когда на его выходе устанавливается сигнал "единица" (фиг.2, М), а на выходе элемента 15 - "ноль" (фиг.2,И), после чего возникает последняя искра в "пачке", и процесс многократного искрообразования прекращается. После того как на выходе элемента 46 появляется сигнал "единица", он дифференцируется с помощью конденсатора 21 и резистора 18, кратковременно открывается, полностью разряжая конденсатор 17. Поэтому очередной цикл его заряда всегда начинается с нуля. Как видно из фиг.2,Л, максимальное напряжение, до которого заряжается конденсатор 17, обратно пропорционально частоте вращения вала двигателя, как и время его разряда до уровня переключения элемента 11, что обеспечивает надежное ограничение периода многократного искрообразования таким образом, чтобы угол поворота ротора распределителя не превышал 45^о. Благодаря этому полностью исключается возможность "обратных ударов" при любом состоянии прерывателя. Сигнал "единица" на выходе элемента 46 появляется после очередного замыкания контактов прерывателя 53 (фиг. 2, А) и разряда конденсатора 45 через резистор 44 (фиг.2,Г). При этом на выходе элемента 47 присутствует сигнал "ноль", а транзисторы 31, 32 заперты. Конденсатор 41 начинает разряжаться через диод 36 и резисторы 37, 42 (фиг.2,Д). На малых оборотах двигателя конденсатор 41 до следующего размыкания контактов прерывателя 53 успевает полностью разрядиться (первый такт на фиг.2,Д). По мере увеличения оборотов он не разряжается полностью, поэтому заряд начинается не с нуля, а с некоторого остаточного напряжения, возрастающего с увеличением оборотов. При этом сокращаются время его заряда и задержка момента искрообразования. Начиная с некоторых оборотов, эта задержка убирается совсем, обеспечивая формирование оптимальной характеристики октан-корректора.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом имеет следующее преимущество: в режиме многократного искрообразования благодаря коррекции времени накопления энергии в функции бортового напряжения и заданию паузы между циклами накопления энергии по времени горения дуги в свече частота многократного искрообразования оптимизирована для получения максимального времени искрового разряда в каждом такте, что обеспечивает повышение энергии искрообразования, уменьшение расхода топлива и выброса вредных веществ.

Использование: в импульсной технике, в частности в электронных транзисторных системах с функциями октан-корректора и многократного искрообразования и для управления зажиганием двигателей внутреннего сгорания. Система содержит параметрический стабилизатор напряжения, блок временной задержки, силовой ключ, диоды, конденсатор, пороговые элементы, релаксационный генератор. Особенностью изобретения является выполнение генератора, что позволило повысить энергию искрообразования. 2 ил.

ЭЛЕКТРОННЫЙ КОРРЕКТОР СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ, содержащий параметрический стабилизатор напряжения, входы которого подключены к первой и второй шинам питания, первый, второй и третий диоды, аноды которых соединены с выходом параметрического стабилизатора напряжения, первый конденсатор, первый пороговый элемент с двумя входами и одним выходом, блок временной задержки с двумя выходами и двумя входами, второй пороговый элемент с двумя входами и одним выходом, силовой ключ с одним входом и двумя выходами, катод первого диода соединен с первым выходом силового ключа, который является выходом корректора, катод второго диода соединен с первым входом блока временной задержки и выходом первого порогового элемента, катод третьего диода соединен с первым входом первого порогового элемента и через первый конденсатор - с второй шиной питания, первый и второй выходы блока временной задержки соединены соответственно с первым и вторым входами второго порогового элемента, первый выход которого соединен с вторым входом блока временной задержки, а второй выход - с вторым входом релаксационного генератора, выход которого соединен с входом силового ключа, второй выход которого соединен с вторым входом первого порогового элемента, причем релаксационный генератор выполнен на первом логическом элементе 2И - НЕ, первый вход которого соединен с вторым входом релаксационного генератора через первый резистор, с второй шиной питания - через второй конденсатор, и на втором двухвходовом логическом элементе, а также содержит четвертый и пятый диоды, третий конденсатор, второй, третий и четвертый резисторы, отличающийся тем, что, с целью повышения энергии искрообразования, в релаксационный генератор введены третий логический элемент 4ИЛИ - НЕ, транзистор типа n - p - n, четвертый, пятый и шестой конденсаторы, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы, причем первый вход элемента 4ИЛИ - НЕ соединен через второй резистор с первой шиной питания, через третий конденсатор - с второй шиной питания и через четвертый диод - с его выходом и вторым входом второго логического элемента, который выполнен в виде элемента 2ИЛИ, второй вход через четвертый конденсатор - с второй шиной питания, через пятый резистор - с вторым входом релаксационного генератора и первым входом второго логического элемента 2ИЛИ, которые соединены также через последовательно соединенные пятый конденсатор и третий резистор с базой транзистора, которая соединена с второй шиной питания через четвертый резистор, третий вход через пятый диод - с катодом третьего диода, через последовательные шестой резистор и включенный в прямом направлении стабилитрон - с первым входом релаксационного генератора, через седьмой резистор - с второй шиной питания, четвертый вход - с выходом первого логического элемента 2И - НЕ, первый вход которого соединен с второй шиной питания через переход коллектор - эмиттер транзистора, его второй вход соединен через восьмой резистор с катодом третьего диода и через шестой конденсатор - с выходом элемента 4ИЛИ - НЕ, а первый вход релаксационного генератора соединен с первым выходом силового ключа.