УСТРОЙСТВО ПЛАЗМЕННОГО ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02P15/10 

Изобретение относится к системам электронного зажигания и может быть использовано для двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство системы зажигания [1] содержащее устройство синхронизации зажигания, осциллятор, коммутатор, несколько высоковольтных генераторов, несколько свечей зажигания. Это устройство формирует высоковольтный сигнал зажигания переменного тока, который подается на свечи зажигания в соответствии с сигналами синхронизации. Это устройство не позволяет получить низкий уровень радиопомех, так как выходной высоковольтный сигнал имеет несинусоидальную форму.

Наиболее близким по технической сущности является устройство плазменного зажигания с электронным управлением для двигателей внутреннего сгорания [2] содержащее по одной свече зажигания для каждого цилиндра двигателя, чувствительные элементы для текущего контроля за вращением ведущего вала двигателя, множество катушек, каждая из которых имеет первичную обмотку и вторичную обмотку, которая соединена с соответствующей свечой зажигания, множество высокочастотных генераторов электрического тока, каждый из которых соединен с первичной обмоткой соответствующей катушки, электронные средства управления для возбуждения каждого из высокочастотных генераторов электрического тока в соответствии с фазой горения между электродами, подключенной свечи зажигания, каждая из названных катушек включает в себя вспомогательную обмотку, магнитно соединенную со вторичной обмоткой для создания сигнала соответствующего сопротивлению между электродами подключенной свечи зажигания.

Недостатками такого устройства является высокий уровень радиопомех из-за несинусоидальности формы выходного сигнала и невысокая его надежность.

Цель изобретения повышение надежности и снижения уровня ридиопомех.

Цель достигается тем, что устройство плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания, содержащее датчик оборотов, формирователь импульсов, одновибратор с двумя входами, регулятор опережения с двумя выходами, распределитель импульсов, блок пуска, соединенные между собой последовательно, задающий генератор, блок усиления, состоящий из четырех усилителей, каждый из которых выполнен на двух транзисторах и имеет два входа управления, блок преобразования напряжения, состоящий из четырех трансформаторов, каждый из которых вторичной обмоткой подключен к соответствующей свече зажигания, а первичной обмоткой к выходу одного из усилителей, дополнительно снабжено блоком управления с пятью входными и восьмью выходными выводами, а каждый из усилителей выполнен из последовательно соединенных транзисторов противоположных проводников, причем все первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и каждая из них одним из выводов подключена к точке соединения эмиттеров транзисторов одного из усилителей, коллекторы каждого из транзисторов обратной проводимости подключены к положительному полюсу источника питания, коллекторы транзисторов прямой проводимости к общей шине источника питания, а базы всех транзисторов соединены с выходными выводами блока управления, первые четыре входных вывода которого подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, а пятый к выходу задающего генератора.

Блок управления содержит инвертор, восемь элементов И, четыре элемента ИЛИ-НЕ, четыре элемента ИЛИ, четыре ключевых элемента, первые входы которых соединены с выходами элементов ИЛИ, вторые входы с выходами элементов ИЛИ-НЕ, а третьи и четвертые с шинами питания блока, выходы ключевых элементов соединены соответственно с восемью выходными выводами блока, к первому входному выводу которого подключены входы первого, второго элементов ИЛИ-НЕ и входы первого и четвертого элементов И, выходы которых соединен соответственно со входами первого и второго элементов ИЛИ, ко второму входному выводу вторые входы второго, третьего элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы третьего и шестого элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами второго и третьего элементов ИЛИ, к третьему входному выводу входы третьего, четвертого элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы пятого и восьмого элементов И, выходы которых соединены соответственно с входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, к четвертому входному выводу вторые входы первого, четвертого элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы второго и седьмого элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами первого и четвертого элементов ИЛИ, к пятому входному выводу входы третьего, пятого, седьмого элементов И и второй вход первого элемента И, а через инвертор подключены входы второго, шестого, восьмого элементов и второй вход четвертого элемента И.

В состав предлагаемого устройства входят элементы, имеющиеся в известном решении [3] свечи зажигания, высоковольтные трансформаторы, схемы формирования входных сигналов и их преобразования, но в известном техническом решении нет элементов, позволяющих формировать в первичных обмотках высоковольтных трансформаторов разнополярные сигналы при одной первичной обмотке, позволяющие получить во вторичных обмотках трансформаторов сигналы синусоидальной формы на резонансной частоте, значительно уменьшить амплитуды высших гармонических составляющих сигнала. Для этого в предлагаемом устройстве введены в блок усиления транзисторы прямой проводимости, первичные обмотки трансформаторов включены последовательно, а соединение усилителей и первичных обмоток трансформаторов имеет кольцевую мостовую схему. При этом надежность устройства значительно повышается.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания; на фиг.2 электрическая схема блока управления; на фиг.3 диаграммы сигналов на выходах отдельных элементов.

Приняты следующие обозначения: U_iⁿ напряжения на n-выходе 1-го элемента.

Устройство плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания (фиг.1), содержащее последовательно соединенные датчик оборотов 1, формирователь импульсов 2, одновибратор 3, регулятор опережения 4, распределитель импульсов 5, блок управления 6, блок усиления 7 в составе четырех усилителей, каждый из которых выполнен на двух транзисторах прямой и обратной проводимости, блок преобразования напряжения 8, состоящий из четырех трансформаторов, а также блок пуска 9, задающий генератор 10, второй вход одновибратора 3 соединен со вторым выходом регулятора опережения 4, блок преобразования напряжения 8 четырьмя выходами 11-14 соединен с соответствующими свечами зажигания (не показаны), четырьмя другими выходами 15-18, соединенными вместе, подключен к общей цепи источника питания Е_б, а первыми четырьмя входами 19-22 с соответствующими выходами блока усиления 7, который четырьмя входами 23-26 соединен с источником питания Е_б, все первичные обмотки четырех трансформаторов соединены последовательно и один вывод каждой из них подключен соответственно к четырем входам 19-22 блока преобразования напряжения 8, выходы 27-30 блока усиления 7, подключенные к коллекторам транзисторов 31-34 прямой проводимости, соединены с общей цепью источника питания Еб, а выходы 19-22 подключены к соединенным между собой эмиттерам транзисторов 31-34 и 35-38, входы 39-42 подключены к базам транзисторов 31-34 прямой проводимости, входы 43-46 к базам транзисторов 35-38 обратной проводимости, коллекторы которых соединены соответственно со входами 23-26 блока усиления 7, который входами 39-46 соединен с восьмью выходами блока управления 6, входы 47-50 которого соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов 5, а пятый вход 51 соединен с выходом задающего генератора 10.

Кроме того, блок управления 6 (фиг.2) содержит инвертор 52, восемь 53-60 элементов И, четыре 61-64 элемента ИЛИ-НЕ, четыре 65-68 элемента ИЛИ, четыре 69-72 ключевых элемента, входы которых соединены с выходами элементов ИЛИ 65-68, вторые входы с выходами элементов ИЛИ-НЕ 61-64, а третьи и четвертые с шинами питания блока 6, выходы ключевых элементов 69-72 соединены соответственно с восьмью выходными выводами 43-46, 39-42 блока 6, к первому входному выводу 47 которого подключены входы первого 61, второго 62 элементов ИЛИ-НЕ и входы первого 53 и четвертого 56 элементов И, выходы которых соединены соответственно со входами первого 65 и второго 66 элементов ИЛИ, ко второму входному выводу 48 вторые входы второго 62, третьего 63 элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы третьего 55 и шестого 58 элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами второго 66 и третьего 67 элементов ИЛИ, к третьему входному выводу 49 входы третьего 63, четвертого 64 элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы пятого 57 и восьмого 60 элементов И, выходы которых соединены соответственно с входами третьего 67 и четвертого 68 элементов ИЛИ, к четвертому входному выводу 50 вторые входы первого 61, четвертого 64 элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы второго 54 и седьмого 59 элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами первого 65 и четвертого 68 элементов ИЛИ, к пятому входному выводу 51 входы третьего 55, пятого 57, седьмого 59 элементов И и второй вход первого 53 элемента И, а через инвертор 52 подключены входы второго 54, шестого 58, восьмого 60 элементов И и второй вход четвертого 56 элемента И.

Датчик оборотов 1 предназначен для получения сигналов при каждое его обороте и может представлять собой диск, в котором имеются отверстия (для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя их количество равно 2), смещенных на 180^о друг относительно друга. При этом диск кинематически связан непосредственно с коленчатым валом двигателя. Напротив зоны прохождения отверстий диска устанавливается с одной стороны светоизлучатель, а с другой фотоприемник сигналов.

Формирователь импульсов 2 предназначен для формирования прямоугольных импульсов и может быть выполнен на усилителе-компараторе.

Одновибратор 3 предназначен для получения импульсов определенной длительности и может быть выполнен с использованием аналогово-цифровых элементов.

Регулятор опережения 4 предназначен для получения выходных сигналов, фаза которых пропорциональна частоте входных и может быть выполнен с использованием преобразователя частота-напряжение и элементов цифровой техники.

Распределитель импульсов 5 предназначен для получения четырех последовательностей импульсов из одной входной и может быть выполнен на логических элементах.

Блок пуска 9 предназначен для включения питания, выдачи разрешающего сигнала при пуске устройства, индикации рабочего режима и др. может быть выполнен с использованием коммутирующей аппаратуры, элементов индикации и др.

Задающий генератор 10 предназначен для формирования высокочастотного сигнала и может быть выполнен на логических элементах цифровой техники.

Усилители блока усиления 7 предназначены для усиления входного сигнала по мощности и могут быть реализованы на транзисторах разной проводимости.

Трансформаторы блока преобразования напряжения 8 предназначены для получения высоковольтного напряжения. Они имеют класс изоляции обмоток, соответствующий их напряжению.

Инвертор, элементы И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ блока управления 6 являются стандартными логическими элементами. Ключевые элементы 69-72 предназначены для переключения сигналов со входа элементов на их выход и могут быть реализованы на интегральных микросхемах.

Предлагаемое устройство может быть реализовано для двигателя с любым количеством цилиндров. Для этого соответственно модифицируются распределитель импульсов 5, блок управления 6, блок усиления 7, блок преобразования напряжения 8, а также датчик оборотов 1.

Устройство работает следующим образом.

После подачи питания на устройство (цепи питания на фиг.1 не показаны) и выдачи разрешающего сигнала с блока пуска 9 оно готово к работе. Импульсы датчика оборотов 1 два за каждый оборот являются синхронизирующими для работы устройства, подаются через формирователь импульсов 2 на одновибратор 3, формирователь импульсов 2 обеспечивает увеличение крутизны фронтов импульсов сигнала U₁. Одновибратор 3 обеспечивает формирование импульсов, длительность которых определяется времязадающей RC цепью (не показана). В качестве элемента R используется сопротивление транзистора, включенного во времязадающую цепь. При изменении входного напряжения на одном из электродов этого транзистора сопротивление его изменяется. Это напряжение подается с выхода регулятора опережения 4, который преобразует частоту следования входных импульсов сигнала U₃ в пропорциональное ей напряжение U₄². Для преобразования частоты в напряжение используются стандартные микросхемы.

Импульсы сигнала U₄¹ имеют фазу сигнала, привязанную к заднему фронту импульсов одновибратора 3, т. е. время задержки импульсов U₃ и U₄¹равно длительности импульсов одновибратора, и подаются на распределитель импульсов 5, который обеспечивает разделение входной последовательности импульсов на четыре. Первый импульс входной последовательности подается на первый выход распределителя импульсов 5, второй на второй выход, третий на третий выход, четвертый на четвертый выход и далее цикл повторяется. Для этого используется счетчик-делитель частоты с дешифратором.

Импульсы распределителя импульсов 5 и задающего генератора 10 подаются на блок управления 6, который обеспечивает выдачу импульсов на блок усиления 7 в определенные моменты времени в соответствии с фазами работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания (фиг. 3), а также запирание транзисторов усилителей блока 7 при снятии сигналов распределителя импульсов 5.

Сигналы на выходах элементов 65-68 ИЛИ, т.е. на информационных входах ключевых элементов 69-72, связаны с сигналами на входах 47-51 блока управления 6 (фиг.2), такими зависимостями
а выходы элементов 61-64 ИЛИ-НЕ, т.е. управляющие входы ключевых элементов 69-72 следующими зависимостями:

Ключевые элементы 69-72 имеют характеристики:
ключевой элемент 69
U₆₉¹=U₆₉²=U₆₅ при U₆₁=0
U₆₉=0
U₆₉²=Е₆ при U₆₁=1;
ключевой элемент 70
U₇₀¹=U₇₀²=U₆₆ при U₆₂=0

ключевой элемент 71
U₇₁¹=U₇₁²=U₆₇ при U₆₃=0
при U₆₃= 1
ключевой элемент 72
U₇₂¹=U₇₂²=U₆₈ при U₆₄=0
при U₆₄=1
Как видно из приведенных выражений, импульсы задающего генератора 10 проходят на выходы блока управления 6 при разрешающем сигнале в виде нулевого уровня на управляющих входах ключевых элементов 69-72. Высокочастотные импульсы с выходов 39-46 блока управления 6 подаются на блок усиления 7, который имеет четыре идентичных усилителя мощности, каждый из которых выполнен на транзисторах 31-34 прямой проводимости и транзисторах 35-38 обратной проводимости соответственно. Все транзисторы имеют высокий коэффициент усиления. Такая схема усилителя мощности позволяет усиливать входные сигналы во время всего периода их следования.

Транзисторы усилителей мощности во время нерабочего периода запираются напряжениями О и Е_б, которые подаются через ключевые элементы 69-72 с выходов блока управления 6. Напряжением нулевого уровня запираются транзисторы 35-38 обратной проводимости, а положительным Е_б транзисторы 31-34 прямой проводимости. Порядок включения транзисторов определяется алгоритмом работы цилиндров двигателя (фиг.3). Нагрузкой усилителей мощности являются трансформаторы блока преобразования напряжений 8. Первичные обмотки трансформаторов подсоединены к эмиттерам транзисторов усилителей мощности, а между собой обмотки соединены последовательно, т.е. усилители мощности включены по двухтактной мостовой схеме, при которой напряжение сигнала в первичных обмотках трансформаторов имеет размах двойного значения напряжения источника питания. С выходов 11-14 вторичных обмоток трансформаторов снимается высоковольтное напряжение, которое подается на свечи зажигания, где генерируется и поддерживается электронная плазма, создаваемая пучком лучей высокоскоростных электронов, обладающая высоким нагревательным эффектом. Плазма поддерживается непрерывной на протяжении всего периода рабочего хода поршня, сигналы U₁₁-U₁₄ (фиг.3).

Частота задающего генератора 10 устанавливается из условиях резонанса напряжений в цепях вторичных обмоток трансформаторов блока 8. при этом первая гармоника тока в каждой цепи совпадает по фазе с полярностью напряжения источника питания, которым является ЭДС,подключенной в данное время вторичной обмотки. Использование явления резонанса напряжений позволяет получить на выходе каждого трансформатора напряжение синусоидальной формы с высокой стабильностью при изменении напряжения источника питания. При синусоидальной форме сигнала значения амплитуд его высших гармонических составляющих значительно снижаются.

Предлагаемое устройство позволяет работать с минимальным уровнем радиопомех при высокой стабильности выходного напряжения за счет работы на частоте резонанса напряжений и повысить его надежность.

Экспериментальные исследования предлагаемого устройства, проведенные на опытном образце с использованием автомобиля ВАЗ-2121 на протяжении семи месяцев эксплуатации, показали его высокую надежность и работоспособность, а также то, что предложенное устройство по сравнению с прототипом позволяет повысить стабильность выходного напряжения на 5% при снижении напряжения аккумуляторной батареи автомобиля на 20% от номинального. Снижается уровень радиопомех за счет уменьшения амплитуд высших гармонических составляющих основного выходного сигнала на 48 дБ. Упрощается конструкция устройства и повышается его надежность за счет того, что нет необходимости в блоке гальванической развязки между блоком управления и блоком усиления, так как выходной сигнал усилителей снимается с эмиттерных повторителей, а напряжения на них не превышают значения источника питания. Радиаторы транзисторов прямой проводимости блока усиления могут непосредственно крепиться к корпусу автомобиля, что упрощает конструкцию, снижает габариты и повышает надежность устройства. Упрощается конструкция трансформаторов за счет уменьшения количества витков первичной обмотки в два раза. Использование в устройстве только одного задающего генератора также позволяет упростить конструкцию и повысить его надежность. В общем коэффициент эксплуатационной надежности устройства повышается на 12%

Использование: системы электронного зажигания, для двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: обеспечение низкого уровня радиопомех при высокой надежности достигается за счет введения блока 7 управления с пятью входными и восьмью выходными выводами. Каждый из усилителей блока 7 усиления выполнен из последовательно соединенных транзисторов, противоположных проводимостей, причем все первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно. Устройство содержит также датчик 1 оборотов, формирователь 2 импульсов, одновибратор 3 с двумя входами, регулятор 4 опережения с двумя выходами, распределитель 5 импульсов, блок 9 пуска, соединенные между собой последовательно, задающий генератор 10, блок усиления, состоящий из четырех усилителей, каждый из которых выполнен на двух транзисторах и имеет два входа управления, блок 8 преобразования напряжения, состоящий из четырех трансформаторов, каждый из которых вторичной обмоткой подключен к соответствующей свече зажигания, а первичной обмоткой к выходу одного из усилителей. Блок 6 управления содержит инвертор, восемь элементов И, четыре элемента ИЛИ -НЕ, четыре элемента ИЛИ, четыре ключевых элемента. Соединение усилителей и первичных обмоток трансформаторов в кольцевую мостовую схему, наличие только одного задающего генератора, отсутствие элементов гальванической развязки повышает надежность устройства. Использование явления резонанса напряжений позволяет получить на выходе каждого трансформатора напряжение синусоидальной формы с высокой стабильностью при изменении напряжения источника питания. При синусоидальной форме сигнала значения амплитуд его высших гармонических составляющих значительно уменьшается, что снижает уровень радиопомех. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ПЛАЗМЕННОГО ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее датчик оборотов, формирователь импульсов, одновибратор с двумя входами, регулятор опережения с двумя выходами, распределитель импульсов, блок пуска, соединенные между собой последовательно задающий генератор, блок усиления, состоящий из четырех усилителей, каждый из которых выполнен на двух транзисторах и имеет два входа управления, блок преобразования напряжения, состоящий из четырех трансформаторов, каждый из которых вторичной обмоткой подключен к соответствующей свече зажигания, а первичной обмоткой к выходу одного из усилителей, отличающееся тем, что оно снабжено блоком управления с пятью входными и восемью выходными выводами, а каждый из усилителей выполнен из последовательно соединенных транзисторов противоположных проводимостей, причем все первичные обмотки трансформаторов соедиенены последовательно и каждая из них одним из выводов подключена к точке соединения эмиттеров транзисторов одного из усилителей, коллекторы каждого из транзисторов обратной проводимости подключены к положительному полюсу источника питания, коллекторы транзисторов прямой проводимости к общей шине источника питания, а базы всех транзисторов соединены с выходными выводами блока управления, первые четыре входных вывода которого подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, а пятый к выходу задающего генератора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит инвертор, восемь элементов И, четыре элемента ИЛИ НЕ, четыре элемента ИЛИ, четыре ключевых элемента, первые входы которых соединены с выходами элементов ИЛИ, вторые входы с выходами элементов ИЛИ НЕ, а третьи и четвертые с шинами питания блока, выходы ключевых элементов соединены соответственно с восемью выходными выводами блока, к первому входному выводу которого подключены входы первого, второго элементов ИЛИ НЕ и входы первого и четвертого элементов И, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго элементов ИЛИ, к второму входному выводу вторые входы второго, третьего элементов ИЛИ НЕ и вторые входы третьего и шестого элементов И, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами второго и третьего элементов ИЛИ, к третьему входному выводу входы третьего, четвертого элементов ИЛИ НЕ и вторые входы пятого и восьмого элементов И, выходы которых соединены соответственно с входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, к четвертому входному выводу вторые входы первого, четвертого элементов ИЛИ НЕ и вторые входы второго и седьмого элементов И, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого и четвертого элементов ИЛИ, к пятому входному выводу входы третьего, пятого, седьмого элементов И и второй вход первого элемента И, а через инвертор подключены входы второго, шестого, восьмого элементов И и второй вход четвертого элемента И.