СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТОКА В ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКЕ КАТУШКИ ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02P3/05 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронных системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

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, запасенной 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.

Из уровня техники известны электронные системы зажигания, в которых величина тока разрыва стабилизируется на требуемом уровне путем перевода транзисторного ключа, включенного в цепь питания катушки зажигания, в активное состояние [1] Основной недостаток таких систем заключается в том, что в процессе стабилизации в транзисторном ключе выделяется большая мощность, что в свою очередь приводит к уменьшению КПД системы и снижению ее надежности.

Известен также способ формирования тока через первичную обмотку катушки зажигания, заключающийся в том, что ее подключают к источнику питания с помощью транзисторного ключа и после накопления энергии стабилизируют среднее значение тока путем периодического размыкания данного ключа, при этом ограничивают скорость уменьшения тока шунтированием первичной обмотки элементом с односторонней проводимостью, а при поступлении сигнала зажигания размыкают транзисторный ключ, предотвращая шунтирование первичной обмотки [2] В системе зажигания, реализующей данный способ, элемент с односторонней проводимостью выполнен управляемым, в виде тиристора, который в процессе стабилизации периодически открывают, предотвращая резкое уменьшение тока через первичную обмотку и возникновение искры. Способ формирования тока в первичной обмотке катушки зажигания, описанный в [2] является наиболее близкими по отношению к предлагаемому.

Согласно выбранному за прототип способу первичную обмотку катушки зажигания подключают непосредственно к аккумуляторной батарее, и ток в цепи первичной обмотки нарастает по экспоненциальному закону. То есть, так же как и в классической системе зажигания, имеет место достаточно длительный процесс накопления энергии, что ограничивает частотные характеристики схемы. Для нормального функционирования системы зажигания, реализующей данный способ, в ней должен быть использован стабильный сильноточный источник питания, обеспечивающий необходимую величину тока разрыва. Причем непосредственное питание первичной обмотки катушки зажигания от источника, при учете наличия паразитных индуктивностей в низковольтной цепи, препятствует формированию крутых фронтов переключения транзисторного ключа. Это приводит к нагреву данного ключа и снижению надежности и КПД зажигания.

Изобретение позволяет уменьшить время накопления энергии в катушке зажигания, обеспечить крутые фронты нарастания тока и напряжения в процессе стабилизации энергии и обеспечить стабильное искрообразование на всех режимах работы двигателя. Предлагаемый способ позволяет создать простую, экономичную, экологичную и надежную в работе систему зажигания.

Указанный результат достигается тем, что при формировании тока в первичной обмотке катушки зажигания замыкают цепь ее питания и после накопления энергии, стабилизируют среднее значение тока путем периодического размыкания цепи питания, при этом ограничивают скорость уменьшения тока в первичной обмотке за счет ее шунтирования элементом с односторонней проводимостью, а при получении сигнала зажигания размыкают цепь питания первичной обмотки, предотвращая ее шунтирование, при этом в процессе накопления и стабилизации энергии обеспечивают нарастание тока в первичной обмотке по гармоническому закону путем ее подключения к предварительно заряженному конденсатору, энергия, запасенная в котором больше энергии, накапливаемой в катушке зажигания, причем задают время накопления энергии в катушке зажигания, меньшим одной четвертой периода собственных колебаний LC-контура, образованного первичной обмоткой и конденсатором. Накопительный конденсатор располагают в непосредственной близости от катушки зажигания, что позволяет исключить влияние на процесс нарастания тока паразитных индуктивностей низковольтной цепи. Накопительный конденсатор подбирают таким образом, что он образует с первичной обмоткой LC-контур, в котором могут возникать затухающие колебания тока. Таким образом обеспечивается нарастание тока в первичной обмотке по гармоническому (синусоидальному) закону. Собственная частота колебаний LC-контура выбирается из условия обеспечения полного заряда катушки зажигания во всем диапазоне частот вращения двигателя, в системе зажигания которого применен описываемый способ. За счет того, что в конденсаторе накапливают энергию, большую, чем необходимо передать в катушку зажигания, обеспечивается стабильное искрообразование даже при сильно разряженном источнике питания (аккумуляторной батарее).

Амплитуда пульсации тока в первичной обмотке в процессе стабилизации может быть задана либо путем фиксации интервалов времени, на которые ее отключают от конденсатора, либо путем фиксации значения тока, при котором производят отключение. При этом для обеспечения максимального КПД системы зажигания и уменьшения пульсаций во вторичной цепи катушки зажигания в процессе стабилизации целесообразно подключать конденсатор к первичной обмотке с частотой, кратной собственной частоте контура, образованного индуктивностью рассеивания катушки зажигания и паразитными емкостями вторичной цепи катушки зажигания, причем подключение необходимо производить во время нарастания тока в первичной обмотке. Интервалы времени, на которые первичную обмотку отключают от конденсатора, могут быть кратными полупериоду собственных колебаний контура, образованного индуктивностью рассеивания катушки зажигания и паразитными емкостями вторичной цепи катушки.

Во время стабилизации во вторичной обмотке также возникает колебательный процесс, частота которого определяется собственной частотой условного LC-контура, индуктивность которого равна индуктивности рассеивания катушки зажигания, а емкость паразитным емкостям вторичной цепи катушки зажигания. Так как первичная и вторичная обмотки являются магритосвязанными, то подключение конденсатора во время нарастания тока в первичной обмотке, вызванного колебательным процессом в LC-контуре вторичной цепи, обеспечивается более крутой фронт нарастания тока в первичной обмотке катушки зажигания.

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

Описанный процесс формирования тока реализуется в системе зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащей катушку зажигания 1 с первичной и вторичной обмотками 2 и 3, источник сигналов зажигания, выполненный в виде схемы коммутации 4, представляющей собой транзисторный каскад, через который питается цепь базы прерывающего ключа 5, включенного в цепь питания первичной обмотки 2. Система также содержит схему импульсной стабилизации 6, накопительный конденсатор 7 и стабилизирующий ключ 8, подключенный к выходу схемы стабилизации 6. Стабилизирующий ключ 8 включен последовательно с прерывающим ключом 5 в цепь питания катушки зажигания от накопительного конденсатора 7, подключенного параллельно источнику питания 9, который выполнен в виде аккумуляторной батареи. Датчик тока в первичной обмотке катушки зажигания выполнен в виде измерительного сопротивления 10, подключенного к схеме стабилизации 6 подключен прерыватель 11. Элемент с односторонней проводимостью 12, выполненный в виде высокочастотного диода, подключен к первичной обмотке 2 через прерывающий ключ 5. Для обеспечения формирования тока по требуемому закону емкость накопительного конденсатора 7 выбирают из условия образования с первичной обмоткой LC-контура, в котором могут возникать затухающие электрические колебания. Включение в цепь питания катушки зажигания дополнительного стабилизирующего ключа позволяет разгрузить превышающий ключ и обеспечивает возможность применения для шунтирования первичной обмотки высокочастотного диода.

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

Система зажигания работает следующим образом.

Перед накоплением энергии прерыватель 11 системы зажигания разомкнут, ключи 5 и 88 закрыты, а накопительный конденсатор 7 заряжен до напряжения аккумуляторной батареи 9. При замыкании контакта прерывателя 11 блоки 4 и 6 выдают сигналы, включающие транзисторные ключи 5 и 8. Первичная обмотка 2 катушки зажигания подключается к накопительному конденсатору 7 и ток через нее начинает увеличиваться. Емкость конденсатора 7 такова, что он образует с первичной обмоткой LC-контур, т.е. контур, в котором могут возникать электрические колебания. Следовательно, сопротивление 10 нарастает по гармоническому закону (участок 1 на фиг. 2). Одновременно с накоплением энергии в катушке зажигания заряжается конденсатор 13, представляющий собой паразитную емкость вторичной цепи.

С помощью блока 6 измеряется падение напряжения на сопротивление 10 и при достижении током величины I_max блок 6 запирает транзистор 8, отключая обмотку 2 от конденсатора 7. Ток через первичную обмотку после этого начинает плавно уменьшаться (участок 2 на фиг. 2), т.к. прерывающий ключ 5 остается замкнутым и ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотке 2, приводит к поддержанию тока в замкнутой цепи, состоящей из обмотки 2, ключа 5 и высокочастотного диода 12. В LC-контуре, образованном емкостью 13 и индуктивностью 14 рассеивания катушки зажигания, при размыкании стабилизирующего ключа 8 возникает колебательный процесс, аналогичный процессу, возникающему при искрообразовании.

Через время t_n, которое может быть задано с помощью одновибратора, ток через первичную обмотку снижается до I_min и блок 6 повторно включает ключ 8. Причем t_n выбирают таким образом, что подключают конденсатор к первичной обмотке с частотой обмотке с частотой, кратной собственной частоте контура, образованного индуктивностью рассеивания катушки зажигания и паразитной емкостью 13, а подключение производят во время нарастания тока в первичной обмотке 2. Таким образом через первичную обмотку 2 поддерживается среднее значение тока I_ст, соответствующее количеству энергии, необходимому для создания искры, надежно воспламеняющей рабочую смесь. При размыкании контакта прерывателя 11 блоки 4 и 6 переводят транзисторы 5 и 8 в состояние отсечки. Ток через первичную обмотку 2 в результате этого резко подает (участок 3 на фиг. 2), обеспечивая генерирование во вторичной обмотке высокого напряжения и возникновение искры в разрядном промежутке одной из свечей зажигания.

Использование: электронные системы зажигания двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ заключается в том, что после накопления энергии в катушке зажигания стабилизируют среднее значение тока через первичную обмотку путем периодического размыкания цепи ее питания. Способ отличается тем, что обеспечивают нарастание тока в первичной обмотке по гармоническому закону путем ее подключения к предварительно заряженному конденсатору, энергия, запасенная в котором больше энергии, накапливаемой в катушке зажигания. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования тока в первичной обмотке катушки зажигания, заключающийся в том, что замыкают цепь ее питания и после накопления энергии стабилизируют среднее значение тока путем периодического размыкания цепи питания, при этом ограничивают скорость уменьшения тока в первичной обмотке за счет ее шунтирования элементом с односторонней проводимостью, а при получении сигнала зажигания размыкают цепь питания первичной обмотки, предотвращая ее шунтирование, отличающийся тем, что в процессе накопления и стабилизации энергии обеспечивают нарастание тока в первичной обмотке по гармоническому закону путем ее подключения к предварительно заряженному конденсатору, энергия, запасенная в котором, больше энергии, накапливаемой в катушке зажигания. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе стабилизации задают амплитуду пульсаций тока в первичной обмотке путем фиксации интервалов времени, на которые ее отключают от конденсатора. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе стабилизации задают амплитуду пульсаций тока в первичной обмотке путем фиксации интервалов времени, кратных полупериоду собственных колебаний контура, образованного индуктивностью рассеивания катушки зажигания и паразитными емкостями вторичной цепи катушки зажигания, на которые ее отключают от конденсатора. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе стабилизации задают амплитуду пульсаций тока в первичной обмотке путем фиксации значения тока, при котором ее отключают от конденсатора. 5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что в процессе стабилизации подключают конденсатор к первичной обмотке с частотой, кратной собственной частоте контура, образованного индуктивностью рассеивания катушки зажигания и паразитной емкостью вторичной обмотки, причем подключение производят во время нарастания тока в первичной обмотке.