СИСТЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ЗАЖИГАНИЯ С ДВОЙНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ Российский патент 1998 года по МПК F02P3/00 

Изобретение относится к электронике и предназначено для зажигания топлива в двигателях,
Известна система электронного зажигания с двойным импульсным накоплением энергии, содержащая источник питания, датчик импульсов запуска, формирующую часть, тиристорный и транзисторный ключи [1].

В данной известной системе формирующая часть выполнена в виде резистивного ждущего мультивибратора и усилителя тока. Система имеет следующие недостатки:
использование в ней мощного германиевого транзистора в выходном ключе приводит к неустойчивой, нестабильной работе ее при изменении температуры;
для удовлетворительной работы схемы необходима специальная форсированная катушка зажигания, не существующая в промышленности;
накопительный конденсатор разряжается импульсным с изменяющейся частотой напряжением более 100 В по длинным проводам штатной электропроводки автомобиля, при этом через низковольтные источники питания (аккумулятор, генератор) и параллельно им через детали самой схемы и включенные потребители энергии (радиоприемник и др.), что небезопасно для них и создает излишние помехи.

Для устранения указанных недостатков в системе электронного зажигания с двойным импульсным накоплением энергии, содержащей источник питания, датчик импульсов запуска, формирующую часть, тиристорный и транзисторный ключи согласно изобретению формирующая часть включает ждущий мультивибратор, содержащий трансформатор на насыщающемся магнитопроводе и два транзистора разного типа проводимости, при том база входного n-p-n транзистора соединена с датчиком импульсов запуска, а через резистор - с минусовой шиной источника питания и через другой резистор и диод - с концом базовой обмотки трансформатора, другой конец которой и эмиттер входного транзистора соединены с минусовой шиной источника питания, а его коллектор через резистор соединен с выводом первичной обмотки трансформатора, а через другой резистор и диод - с базой второго p-n-p транзистора, коллектор которого соединен с минусовой шиной источника питания, а эмиттер через первичную обмотку трансформатора - с плюсовой шиной источника питания, к которой подсоединены диод и последовательно с ним - первичная обмотка катушки зажигания и транзисторный ключ, коллектор транзистора которого подключен к минусовой шине источника питания, входная его цепь через диод и резистор - к управляющей обмотке трансформатора, а параллельно первичной обмотке катушки зажигания через тиристор тиристорного ключа подключен накопительный конденсатор, параллельно которому через диод подсоединена питающая обмотка трансформатора, а управляющий электрод этого тиристора через конденсатор и диод подсоединен к отпирающей обмотке трансформатора, второй конец которой подсоединен к катоду тиристора.

Ждущий мультивибратор в предлагаемой системе электронного заживания обладает свойством сохранять стабильным коммутируемый ток, изменяя длительность формируемых импульсов в зависимости от изменения напряжения питания, температуры и частоты запуска.

Величина амплитуды положительного выброса напряжения на эмиттере выходного транзистора ждущего мультивибратора зависит только от тока намагничивания магнитопровода трансформатора. Так как при любом напряжении питания, начиная с некоторого его минимума, ток через обмотку увеличивается практически до значения, соответствующего насыщению магнитопровода, амплитуда выброса остается высокостабильной, что является важным фактором, определяющим постоянство выходных параметров схемы.

Длительность формируемого импульса можно определить по формуле

где
B - магнитная индукция насыщения магнитопровода трансформатора;
S - площадь поперечного сечения магнитопровода;
N₁ - количество витков первичной обмотки трансформатора;
U_п - напряжение питания.

Следствием этой формулы является свойство мультивибратора увеличивать длительность формируемых импульсов в зависимости от понижения напряжения питания, сохраняя стабильность прерываемого тока, что обеспечивает постоянство энергии разряда на свечах зажигания. Этому же способствует объединение коллекторной цепи входного транзистора мультивибратора с базовой цепью его выходного транзистора.

В результате совместного действия этих двух факторов искрообразование на свечах сохраняется вплоть до двукратно пониженного напряжения питания (по сравнению с прототипом), то есть до уровня 3 В.

Введение регулирующей цепочки между коллектором входного транзистора и обмоткой трансформатора ограничивает потребляемый устройством ток и обеспечивает достижение мультивибратором способности к синхронизации, то есть режиму автоматического регулирования длительности генерируемых импульсов в зависимости от частоты запускающих импульсов как тиристорной, так и транзисторной фаз (уменьшение длительности τ_и пропорционально росту частоты запуска, и наоборот).

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема системы электронного зажигания.

Система электронного зажигания содержит источник питания 1, датчик 2 импульсов запуска, формирующую часть 3, тиристорный 4 и транзисторный 5 ключи. Формирующая часть 3 включает ждущий мультивибратор, содержащий трансформатор 6 и два разного типа проводимости кремниевых транзистора: входной транзистор 7 типа n-p-n и второй выходной транзистор 8 типа p-n-p. База входного транзистора 7 соединена с датчиком 2 импульсов запуска, в качестве которого может служить например прерыватель тока, а через резистор - с минусовой шиной источника питания 1. Кроме того, через диод 10 и резистор 11 база входного транзистора 7 соединена с базовой обмоткой 12 положительной обратной связи трансформатора 6. Другой конец базовой обмотки 12 и эмиттер транзистора 7 подсоединены к минусовой шине источника питания, а коллектор его через резистор 13 подключен к выводу первичной обмотки 14 трансформатора 6. Кроме того, через цепочку из диода 15 и резистора 16 он подсоединен к базе выходного транзистора 8. Коллектор транзистора 8 подключен к минусовой шине источника питания, а эмиттер через первичную обмотку 14 трансформатора 6 - ко второй (плюсовой) шине источника питания 1. К этой же шине подсоединен разделительный диод 17, а последовательно с ним - первичная обмотка 18 катушки зажигания 19 и эмиттер транзистора 20 транзисторного ключа 5, коллектор которого подключен к минусовой шине источника питания 1. Входная цепь транзисторного ключа 5 через диод 21 и резистор 22 подсоединена к управляющей обмотке 23 трансформатора 6. Параллельно первичной обмотке 18 катушки зажигания 19 через тиристор 24 тиристорного ключа 4 подключен накопительный конденсатор 25, а параллельно ему через диод 26 - питающая обмотка 27 трансформатора 6. Управляющий электрод тиристора 24 через конденсатор 28 и диод 29 подсоединен к отпирающей обмотке 30 трансформатора 6, второй конец которой подсоединен к катоду тиристора 24.

Система зажигания работает следующим образом.

В исходном состоянии все транзисторы заперты, и схема практически не потребляет энергии, накопительный конденсатор 25 разряжен. Положительный импульс от датчика 2 импульсов запуска отпирает входной транзистор 7 мультивибратора и тем самым замыкает цепь тока базы транзистора 8, который также отпирается. Ток от источника питания 1 начинает течь через обмотку 14 трансформатора 6, и транзисторы 7 и 8, формируя отрицательный импульс на эмиттере транзистора 8. При этом с обмотки 12 через резистор 11 и диод 10 к базе транзистора 7 прикладывается напряжение положительной обратной связи, которое поддерживает транзистор 7 (а поэтому и транзистор 8) в открытом состоянии до окончания формирования импульса. Одновременно на других обмотках индуцируются следующие по характеру действия ЭДС: на обмотке 27 - не оказывающая воздействия на схему из-за встречно включенного диода 26; на обмотке 30 - в отпирающей полярности для тиристора 24, но также не оказывающая воздействия по причине незаряженного конденсатора 25; на обмотке 23 - отпирающая транзисторный ключ 5. Ток от источника питания 1 начинает течь через диод 17, обмотку 18 катушки зажигания 19, запасая в ней электромагнитную энергию, и через транзисторный ключ 5.

По истечении некоторого времени τ_и , определяемого указанной формулой, магнитопровод трансформатора 6 входит в насыщение, что прерывает формирование импульса на эмиттере транзистора 8. При этом воздействие обмотки 12 на базу транзистора 7 прекращается, и он закрывается, вследствие чего прерывается ток базы транзистора 8, и он также закрывается, резко прерывая ток через обмотку 14 трансформатора. Запасенная в нем электромагнитная энергия наводит ЭДС самоиндукции: на обмотке 12 - не оказывающую воздействия из-за встречно включенного диода 10; на обмотке 27 - через диод 26 заряжающую накопительный конденсатор 25; на обмотке 30 - не оказывающую воздействия вследствие встречного включения диода 29; на обмотке 23 закрывающую транзистор 20. Краткое время закрытия транзистора 20 обеспечивает резко прерывание тока через первичную обмотку 18 катушки зажигания 19, и запасенная в ней энергия наводит импульс высокого напряжения на ее вторичной обмотке 31, в результате чего на свече зажигания имеет место первый искровой разряд (транзисторной фазы).

При поступлении второго запускающего импульса на базу транзистора 7 происходят аналогичные процессы за исключением того, что ЭДС обмотки 30, отпирая транзистор 24, замыкает цепь разряда накопительного конденсатора 25, заряженного при первом импульсе, через первичную обмотку 18 катушки зажигания 19. Вследствие этого на ее вторичной обмотке 31 наводится высоковольтный импульс, и на следующей свече зажигания имеет место мощный первый искровой разряд (тиристорной фазы), поддерживаемый током практически одновременно открывшегося транзисторного ключа 5. такое состояние в соответствии с ранее приведенной формулой длится до момента насыщения магнитопровода трансформатора 6, с наступлением которого транзисторы закрываются, заканчивая формирование импульса мультивибратора, вследствие чего прекращается искровой разряд тиристорной фазы. По запирании транзисторов вновь следует транзисторная фаза, теперь продлевающая горение на этой же свече. Импульс ее имеет противоположный тиристорной фазе знак, так как наводится убывающим магнитным полем катушки. При поступлении третьего и последующих запускающих импульсов процессы повторяются.

Таким образом, после включения схемы в работу при первом же размыкании контактов прерывателя (импульсе датчика 2) имеет место искровой разряд транзисторной фазы, а начиная со второго размыкания контактов (положительного импульса датчика 2), - двойной мощный разряд - сначала тиристорной, а затем транзисторной фаз.

С увеличением частоты вращения двигателя наступает момент, когда приход переднего фронта импульсов запуска начинает опережать момент окончания формирования импульсов мультивибратора. Начинается режим синхронизации. При этом происходят следующие процессы.

Поступивший импульс запуска запирает диод 10, вследствие чего перестает действовать положительная обратная связь; транзистор 7 закрывается, напряжение на его коллекторе через резистор 13 мгновенно увеличивается, запирая диод 15 в цепи базы транзистора 8, и он также закрывается. С большой скоростью прерывается ток через обмотку 14 трансформатора 6, оканчивается импульс мультивибратора (тиристорная фаза), образуя в его конце большой выброс напряжения, заряжающего накопительный конденсатор. Одновременно прекращается наведение отпирающей ЭДС на обмотке 23, от чего запирается транзисторный ключ 5 и аналогично трансформатору прерывается ток через первичную обмотку 18 катушки зажигания 19; начинает формироваться транзисторная фаза разряда. После ее завершения схема приходит в исходное состояние, когда все транзисторы заперты.

Вследствие того, что формируемый импульс мультивибратора (тиристорная фаза) был прерван импульсом запуска, он имеет меньшую длительность, чем имел бы ее без прерывания; аналогично становится короче и импульс транзисторной фазы (из-за того, что катушка зажигания 19 успела накопить меньшую энергию).

Поступивший очередной импульс запуска отпирает транзистор 7, и процесс повторяются, как было описано при поступлении второго запускающего импульса.

Приход последующего импульса вновь синхронизирует мультивибратор (запирает диод 10, затем запирается диод 15 и т.д.).

Таким образом, импульсы запуска через один то закрывают транзисторы, то вновь их открывают. В результате длительность каждого последующего искрового разряда становится короче. И наоборот, при уменьшении частоты вращения двигателя длительность каждого последующего разряда возрастает.

Использование предлагаемого устройства впервые открывает возможность широкого промышленного применения схемы с двойным импульсным накоплением энергии (так называемой комбинированной) для зажигания топлива в двигателях, воспроизводящей наиболее мощную длительную искру, автоматически регулирующуюся, чем обеспечивает оптимальные условия для более полного сгорания топлива одинаково как на малых, так и на максимально возможных больших и резко меняющихся оборотах и режимах двигателя; обеспечивает легкий пуск двигателя при низких температурах и значительно пониженном напряжении аккумуляторной батареи благодаря стабилизации мощности искры.

Построением схемы с независимой друг от друга работой тиристорного и транзисторного ключей достигается высокая надежность устройства, обеспечивающая неограниченное во времени использование ее при отказе одного из ключей.

Использование: электрооборудование двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: система электронного зажигания содержит источник питания 1, датчик 2 импульсов запуска, ключи тиристорный 4 и транзисторный 5, формирующую часть 3, со ждущим мультивибратором, содержащим трансформатор 6, входной транзистор 7 и выходной транзистор 8. База входного транзистора 7 соединена с датчиком 2 импульса запуска, а через диод 10 и резистор 11 - с базовой обмоткой 12 положительной обратной связи трансформатора 6. Коллектор транзистора 7 через резистор 13 подключен к выводу первичной обмотки 14 трансформатора 6 и через диод 15 и резистор 16 к базе выходного транзистора 8. Коллектор транзистора 8 подключен к минусовой шине источника питания, а эмиттер - к первичной обмотке 14 трансформатора 6. К шине источника питания через разделительный диод 17 и транзистор 20 подключена первичная обмотка 18 катушки зажигания 19. Входная цепь транзисторного ключа 5 через диод 21 и резистор 22 подсоединена к управляющей обмотке 23 трансформатора 6. Параллельно первичной обмотке 18 катушки зажигания 19 через тиристор 24 подключен накопительный конденсатор 25, а параллельно ему через диод 26 - питающая обмотка 27 трансформатора 6. Управляющий электрод тиристора 24 через конденсатор 28 и диод 29 подсоединен к отпирающей обмотке 30 трансформатора 6, второй конец которой подсоединен к катоду тиристора 24. 1 ил.

Система электронного зажигания с двойным импульсным накоплением энергии, содержащая источник питания, датчик импульсов запуска, формирующую часть, тиристорный и транзисторный ключи, отличающаяся тем, что в ней формирующая часть включает ждущий мультивибратор, содержащий трансформатор на насыщающемся магнитопроводе и два транзистора разного типа проводимости, при этом база входного n-p-n-транзистора соединена с датчиком импульсов запуска, а через резистор - с минусовой шиной источника питания и через другой резистор и диод - с концом базовой обмотки трансформатора, другой конец которой и эмиттер входного транзистора соединены с минусовой шиной источника питания, а его коллектор через резистор соединен с выводом первичной обмотки трансформатора, а через другой резистор и диод - с базой второго p-n-p-транзистора, коллектор которого соединен с минусовой шиной источника питания, а эмиттер через первичную обмотку трансформатора - с плюсовой шиной источника питания, к которой подсоединен диод и последовательно с ним - первичная обмотка катушки зажигания и транзисторный ключ, коллектор транзистора которого подключен к минусовой шине источника питания, входная его цепь через диод и резистор - к управляющей обмотке трансформатора, а параллельно первичной обмотке катушки зажигания через тиристор тиристорного ключа подключен накопительный конденсатор, параллельно которому через диод подсоединена питающая обмотка трансформатора, а упраляющий электрод этого тиристора через конденсатор и диод подсоединен к отпирающей обмотке трансформатора, второй конец которой подсоединен к катоду тиристора.