СИСТЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02P3/05 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на транспортных средствах.

В классической системе зажигания при замыкании прерывателя ток через первичную обмотку катушки зажигания возрастает по экспоненциальному закону. В момент размыкания прерывателя во вторичной обмотке генерируется высокое напряжение, величина которого пропорциональна количеству энергии, запасенной в катушке зажигания за время протекания тока. Одним из недостатков классической системы является то, что с увеличением частоты вращения двигателя количество энергии, запасенное в катушке зажигания, уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения двигателя уменьшается время замкнутого состояния контактов прерывателя и соответственно уменьшается величина тока через первичную обмотку катушки зажигания в момент размыкания контактов. Кроме того, величина тока через первичную обмотку катушки зажигания в момент размыкания контактов прерывателя (ток разрыва) зависит от напряжения источника питания, что приводит к снижению мощности искровых разрядов при пуске двигателя, когда источником питания является аккумуляторная батарея. В большинстве серийно выпускаемых в настоящее время электронных систем зажигания реализован такой же, как и в классической системе, способ формирования тока через первичную обмотку катушки зажигания, то есть этим системам присущи те же недостатки.

Известны электронные системы зажигания, в которых ток разрыва стабилизируется на требуемом уровне путем перевода прерывающего транзисторного ключа в активное состояние [1] Основной недостаток таких систем заключается в том, что в процессе стабилизации в прерывающем ключе выделяется большая мощность, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента полезного действия системы и снижению ее надежности.

За прототип принята система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая катушку зажигания, в цепь питания которой включен прерывающий ключ, источник сигналов зажигания, выход которого через схему коммутации соединен со входом управления прерывающего ключа, схему импульсной стабилизации, вход которой подключен к датчику тока в первичной обмотке катушки зажигания, и элемент с односторонней проводимостью6 мунтирующий первичную обмотку [2] В данной системе зажигания элемент с односторонней проводимостью выполнен управляемым, в виде тиристора, который в процессе стабилизации периодически открывается, предотвращая резкое уменьшение тока через первичную обмотку и возникновение искры.

К недостаткам такого технического решения можно отнести то, что при открытии тиристора в процессе стабилизации имеет место достаточно длительный переходный процесс, а следовательно на первичной и вторичной обмотках возникают большие выбросы напряжения. Это может послужить причиной выхода из строя элементов схемы и снижает ее электробезопасность. Кроме того, для запирания тиристора, так же как и для его отпирания требуется некоторое время. Если при поступлении сигнала зажигания тиристор будет открыт (что вполне вероятно, так как время открытого состояния тиристора в процессе стабилизации примерно равно времени его закрытого состояния), это приведет к уменьшению скорости спада тока в первичной обмотке, а следовательно к снижению вторичного напряжения. В выбранной за прототип системе зажигания, как и в классической, первичная обмотка катушки зажигания подключена непосредственно к аккумуляторной батарее, и ток в ней нарастает по экспоненциальному закону. То есть для нормального функционирования системы в ней должен быть использован сильноточный источник питания. Причем из-за наличия паразитных индуктивностей в низковольтной цепи такая система не позволяет обеспечить крутые фронты при переключении прерывающего ключа, что приводит к снижению ее коэффициента полезного действия.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и обеспечение стабильного искрообразования на всех режимах работы двигателя. Предлагаемая система зажигания является простой, экономичной, экологичной и надежной в работе.

Это достигается тем, что система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая катушку зажигания, в цепь питания которой включен первый прерывающий ключ, источник сигналов зажигания, выход которого через первый выход схемы коммутации соединен со входом управления первого прерывающего ключа, схему сравнения, первый вход которой подключен к датчику тока в первичной обмотке катушки зажигания, и элемент с односторонней проводимостью, шунтирующий первичную обмотку, снабжена элементом резонансной зарядки катушки зажигания, выполненным в виде накопительного конденсатора, и вторым стабилизирующим ключом, включенным последовательно с первым прерывающим ключом в цепь питания первичной обмотки от накопительного конденсатора, при этом выход схемы сравнения соединен со вторым входом схемы коммутации, второй выход которой служит для управления второго стабилизирующего ключа, а элемент с односторонней проводимостью подключен к первичной обмотке через первый прерывающий ключ.

Под резонансной зарядкой и стабилизацией тока в катушке зажигания подразумеваются нестационарные процессы, возникающие в LC-контуре, образованном первичной обмоткой и накопительным конденсатором (элементом резонансной зарядки), которые ведут к увеличению энергии в катушке зажигания.

В предлагаемой системе зажигания обеспечивают резонансную зарядку катушки зажигания путем подключения ее первичной обмотки к предварительно заряженному накопительному конденсатору, а во время стабилизации отключают накопительный конденсатор от первичной обмотки дополнительным вторым стабилизирующим ключом, оставляя первый прерывающий ключ, через который к первичной обмотке катушки зажигания подключен элемент с односторонней проводимостью, замкнутым. Амплитуда пульсации тока в первичной обмотке катушки зажигания в процессе стабилизации может быть задана либо путем фиксации времени закрытого состояния второго стабилизирующего ключа, либо путем фиксации значения тока, при котором второй стабилизирующий ключ открывают. Использование при формировании тока в катушке зажигания нестационарных резонансных процессов, возникающих в LC-контуре, образованном первичной обмоткой и накопительным конденсатором, позволяет значительно уменьшить потребляемый системой зажигания ток и запасать в катушке требуемое количество энергии даже при наиболее тяжелых режимах работы системы, в частности при пуске от разряженного аккумулятора в условиях отрицательных температур. Для обеспечения резонансной зарядки емкость накопительного конденсатора выбирают из условия образования с катушкой зажигания LC-контура, в котором должны возникать затухающие электрические колебания. Включение в цепь питания катушки зажигания дополнительного второго стабилизирующего ключа позволяет разгрузить первый прерывающий ключ и обеспечивает возможность применения для шунтирования первичной обмотки высокочастотного диода.

Изобретение может быть реализовано в системе с несколькими катушками зажигания, при этом один второй стабилизирующий ключ может работать на несколько катушек, каждая из которых в момент искрообразования отключается от источника питания с помощью своего первого прерывающего ключа.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы зажигания; на фиг. 2 график изменения тока в первичной обмотке катушки зажигания.

Система зажигания содержит катушку зажигания 8, схему коммутации 4, представляющую собой транзисторный каскад, через который питается цепь базы первого прерывающего ключа 9, схему сравнения 3, элемент резонансной зарядки, выполненный в виде конденсатора 10, второй стабилизирующий ключ 7, подключенный к второму выходу схемы коммутации 4, источник питания, выполненный в виде аккумуляторной батареи 1, датчик тока, выполненный в виде измерительного сопротивления 6, элемент опорного напряжения 2, источник сигналов зажигания, выполненный в виде прерывателя 5, и элемент с односторонней проводимостью, выполненный в виде высокочастотного диода 11.

Система зажигания работает следующим образом. Перед накоплением энергии прерыватель 5 системы зажигания разомкнут, ключи 7 и 9 закрыты, а накопительный конденсатор 10 заряжен до напряжения аккумуляторной батареи 1. При замыкании контакта прерывателя 5 блок 4 выдает сигналы, включающие транзисторные ключи 7 и 9. Первичная обмотка катушки зажигания 8 подключается к накопительному конденсатору 10, и ток через нее начинает увеличиваться. Емкость конденсатора 10 такова, что он образует с первичной обмоткой LC-контур, т.е. контур, в котором должны возникать затухающие электрические колебания. Следовательно, ток через первичную обмотку и через измерительное сопротивление 10 нарастает по гармоническому закону. На фиг. 2 показан процесс изменения тока в первичной обмотке катушки зажигания (участок 1), из которого видно, что используется лишь начальный участок синусоиды (показано пунктиром). С помощью блока 3 измеряется падение напряжения на сопротивление 6 и при достижении током величины I_max блок 3 выдает сигнал на блок 4, который запирает транзистор 7, отключая первичную обмотку катушки зажигания 8 от конденсатора 10. Ток через первичную обмотку после этого начинает плавно уменьшаться (участок 2 на фиг. 2), т.к. первый прерывающий ключ 9 остается замкнутым и ЭДС самоиндукции, возникающая в первичной обмотке, приводит к возникновению тока в замкнутой цепи, состоящей из первичной обмотки катушки зажигания 8, ключей 7 и 9 и высокочастотного диода 11. Через время t_n, которое может быть задано с помощью одновибратора, входящего в состав схемы сравнения 3, ток через первичную обмотку снижается до I_min, и блок 4 повторно включает ключ 7. Таким образом, через первичную обмотку поддерживается среднее значение тока I_ст соответствующее количеству энергии, необходимому для создания искры, надежно воспламеняющей рабочую смесь. При размыкании контакта прерывателя 5 блок 4 переводит транзисторы 7 и 9 в состояние отсечки. Ток через первичную обмотку в результате этого резко падает (участок 3 на фиг. 2), обеспечивая генерирование во вторичной обмотке высокого напряжения и возникновения искры в разрядном промежутке одной из свечей зажигания.

Использование: на транспортных средствах. Сущность изобретения: после накопления энергии в катушке зажигания стабилизируют среднее значение тока через первичную обмотку периодическим размыканием цепи ее питания. При этом обеспечивают резонансную зарядку катушки зажигания путем подключения ее первичной обмотки к предварительно заряженному накопительному конденсатору, а во время стабилизации отключают накопительный конденсатор от первичной обмотки дополнительным вторым стабилизирующим ключом, оставляя первый прерывающий ключ, через который к первичной обмотке подключен элемент с односторонней проводимостью, замкнутым. 2 ил.

Система электронного зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая катушку зажигания, в цепь питания которой включен первый прерывающий ключ, источник сигналов зажигания, выход которого через схему коммутации соединен с входом управления первого прерывающего ключа, схему сравнения, первый вход которой подключен к датчику тока в первичной обмотке катушки зажигания, а второй вход к элементу опорного напряжения, и элемент с односторонней проводимостью, шунтирующий первичную обмотку, отличающаяся тем, что она снабжена элементом "резонансной зарядки" катушки зажигания, выполненным в виде накопительного конденсатора, подключенного параллельно источнику питания, и вторым стабилизирующим ключом, включенным последовательно с первым прерывающим ключом в цепь питания первичной обмотки от накопительного конденсатора, при этом выход схемы сравнения соединен с вторым входом схемы коммутации, второй выход которой подключен к входу управления второго стабилизирующего ключа, а элемент с односторонней проводимостью к первичной обмотке через первый прерывающий ключ.