Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Для зажигания рабочей смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания используют электрические импульсы напряжением около 30 кВ. Если принять, что суммарная емкость свечи зажигания и подводящего провода составляет около 15 пф, то накопленная перед разрядом энергия будет равна примерно 6,7 мДж. Однако, если учитывать активные сопротивления подводящего провода и гасящего резистора, предназначенного для уменьшения радиопомех, энергия, необходимая для надежного воспламенения смеси, должна быть больше примерно в три аза.
Высокое напряжение налагает жесткие требования на сопротивление утечки свечи зажигания, которое не должно быть меньше 1 МОм. Если же трудно обеспечить такое большое сопротивление, то длительность вырабатываемого импульса должна быть уменьшена до 10 мкс и меньше. Подвод энергии 20 - 40 мДж за время 10 мкс требует импульсной мощности до 400 Вт. Источник питания и ключ должны обеспечивать напряжение и ток, соответствующие этой мощности, причем ограничения на ток могут оказаться наиболее труднопреодолимыми. Например, при напряжении питания 12 В требуется ток 1700 А, что трудновыполнимо. Поэтому в системах зажигания обязательно используется предварительное накопление энергии за сравнительно большое время, чтобы затем выдать ее в импульсе. Требования к коммутационной мощности источника питания при этом снимаются, но требования к ключам остаются.
Классическая система зажигания содержит катушку зажигания, представляющую собой индуктивный накопитель энергии, совмещенный с повышающим трансформатором. Импульс зажигания в такой системе вырабатывается при прерывании тока через первичную обмотку катушки зажигания. Известны также системы зажигания, содержащие индуктивный накопитель энергии, выполненный в виде отдельного элемента, включенного в цепь первичной обмотки повышающего трансформатора. Однако системы с накоплением энергии в индуктивности имеют невысокий КПД, а сами накопители имеют большие мссогабаритные показатели.
Известны также системы зажигания с накоплением энергии в конденсаторе, который при искрообразовании разряжается на первичную обмотку повышающего трансформатора через тиристорный или транзисторный ключ. Однако такие системы зажигания не позволяют достигнуть скоростей коммутации, указанных выше. Предел скорости коммутации в них ограничивается возможностями силового полупроводникового ключа.
Из уровня техники известна также система зажигания, в которой для увеличения скорости коммутации применен насыщающийся дроссель (см. заявку ФРГ 2623612, F 02 P 3/08, 1978). Насыщающийся дроссель действительно может быть использован в качестве быстродействующего сильноточного ключа. Однако в рассматриваемой системе зажигания дроссель включен последовательно с традиционным ключом (контактным или электронным) и ограничение тока этого ключа не может быть преодолено, даже если насыщающийся дроссель способен развить большой ток. Применение дросселя, запасающего энергию, как это предлагается в известном изобретении, требует применения магнитного материала со сравнительно малой магнитной проницаемостью или с диэлектрическим зазором. Это в принципе ограничивает область изменения магнитной индукции от нуля до +Bs, в то время как целесообразно использовать магнитный материал в диапазоне от -Bs до +Bs, что позволяет повысить скорость коммутации и снизить габариты дросселя.
Кроме того, в известном изобретении основная часть энергии выделяется в индуктивной фазе разряда. Существует мнение, что токи в индуктивной фазе разрушают контакты свечи и предпочтительнее заменить энергию индуктивного разряда на последовательность (цуг)импульсов емкостного разряда. Сколько именно разрядов должно быть в емкостной фазе и какова должна быть энергия разрядов, зависит от типа двигателя и режима его работы. Возможность установить оптимальный режим зажигания в известном изобретении ограничена.
Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритного устройства получения напряжения для электроискрового зажигания, обеспечивающего высокую скорость нарастания напряжения во вторичной цепи и требуемую энергию емкостной и индуктивной фаз разряда, а также получение последовательности поджигающих импульсов, обладающих необходимой энергией. Поставленная задача решается путем повышения скорости коммутации тока в первичной цепи выше предела, ограниченного возможностями контактного или электронного ключа.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве получения напряжения для электроискрового зажигания, содержащем повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к схеме формирования импульсов тока, снабженной дросселем с насыщающимся магнитопроводом (магнитным ключом), и управляющий ключ, через который схема формирования соединена с источником питания, схема формирования снабжена коммутирующей емкостью и включенной в цепь ее заряда коммутирующей индуктивностью, при этом первичная обмотка повышающего трансформатора подключена к коммутирующей емкости через рабочую обмотку магнитного ключа, который выполнен с подмагничивающей обмоткой, обеспечивающей насыщение магнитопровода ключа магнитным потоком, направление которого противоположно направлению потока, создаваемого рабочей обмоткой. При таком включении насыщающийся дроссель, именуемый далее магнитном ключом, не служит для накопления энергии, поэтому он может быть взят с максимальной магнитной проницаемостью и смещен перед началом работы в -Bs. Это позволяет обеспечить перепад индукции в 2 Bs со всеми вытекающими преимуществами. Наличие линейной коммутирующей индуктивности и коммутирующего конденсатора между магнитным и электрическим управляющим ключами создает между ними развязку, так что магнитный ключ может развивать любые возможные для него токи, которые не проходят через электрический ключ. Такое включение позволяет получить и другие преимущества, которые будут видны при описании работы устройства.
LC-цепь из последовательно соединенных коммутирующей индуктивности и коммутирующей емкости может быть подключена к источнику питания через управляющий ключ, а повышающий трансформатор выполнен с дополнительной подмагничивающей обмоткой, подключенной к источнику питания и обеспечивающей насыщение магнитопровода повышающего трансформатора магнитным потоком, направление которого противоположно направлению потока, создаваемого первичной обмоткой. Это позволяет использовать для увеличения скорости нарастания тока в первичной обмотке магнитопровод повышающего трансформатора. Подмагничивающие обмотки магнитного ключа и повышающего трансформатора могут быть соединены последовательно, либо подмагничивающая обмотка повышающего трансформатора может быть включена последовательно с коммутирующей индуктивностью в цепь заряда коммутирующей емкости.
При невозможности выполнения повышающего трансформатора с подмагничивающей обмоткой, для увеличения скорости коммутации и количества энергии, накапливаемой в коммутирующей емкости, магнитный ключ снабжают трансформаторной обмоткой, а цепь из последовательно соединенных управляющего ключа, коммутирующей индуктивности, трансформаторной обмотки магнитного ключа и коммутирующей емкости включают между одним из полюсов источника питания и первым выводом первичной обмотки повышающего трансформатора. Второй вывод первичной обмотки при этом соединяют со вторым полюсом источника питания и, через рабочую обмотку дросселя, - с точкой соединения коммутирующей индуктивности с трансформаторной обмоткой магнитного ключа. Устройство при этом может быть снабжено дополнительным ускоряющим каскадом, состоящим из второй коммутирующей емкости и второго магнитного ключа, при этом коммутирующие емкости соединены последовательно и включены между трансформаторной обмоткой первого магнитного ключа и первым выводом первичной обмотки повышающего трансформатора, второй вывод которой подключен к точке соединения емкостей через второй магнитный ключ.
Параллельно коммутирующей емкости, соединенной с первичной обмоткой повышающего трансформатора, может быть подключен обратный диод. При этом сразу за емкостной фазой разряда следует индуктивная, т.е. имеет место только один импульс. Параллельно первичной обмотке повышающего трансформатора подключают шунтирующий резистор, способствующий затуханию колебаний во время переходных процессов, возникающих в схеме.
В соответствии с другим вариантом, устройство получения напряжения для электроискрового зажигания, содержащее повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к схеме формирования импульсов тока, снабженной магнитным ключом, и схему управления, через которую схема формирования соединена с источником питания, отличается тем, что схема формирования снабжена коммутирующей емкостью и двумя магнитосвязанными коммутирующими индуктивностями, магнитный ключ выполнен с подмагничивающей обмоткой и двумя симметричными рабочими обмотками, обеспечивающими его переход из одного насыщающего состояния в другое, а коммутационная схема выполнена в виде двух управляющих ключей, причем к источнику питания подключены две параллельные цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных одной из рабочих обмоток магнитного ключа, коммутирующей индуктивности и управляющего ключа, а коммутирующая емкость, рабочие обмотки магнитного ключа и первичная обмотка повышающего трансформатора образуют замкнутый контур разряда коммутирующей емкости, в цепь заряда которой включена одна коммутирующая индуктивность, а в цепь перезаряда - другая коммутирующая индуктивность. Данный вариант предполагает выполнение устройства получения напряжения по двухтактной схеме, что позволяет уменьшить мощность, расходуемую на подмагничивание ключей. Первые выводы рабочих обмоток магнитного ключа могут быть соединены с общую точку, а последовательно соединенные коммутирующий конденсатор и первичная обмотка повышающего трансформатора включены между вторыми выводами рабочих обмоток магнитного ключа. Для более эффективной работы устройство может быть снабжено дополнительным каскадом, состоящим из второй коммутирующей емкости, включенной последовательно с первой, и второго магнитного ключа, включенного между точкой соединения емкостей и выводом первичной обмотки повышающего трансформатора. Так же как и в однотактной схеме, описанной выше, возможно выполнение повышающего трансформатора с подмагничивающей обмоткой. Его первичная обмотка при этом может быть выполнена со средней точкой, которая подключена к источнику питания, при этом крайние выводы первичной обмотки подключены к параллельным цепям, состоящим из последовательно соединенных одной из рабочих обмоток магнитного ключа, коммутирующей индуктивности и управляющего ключа, а подмагничивающие обмотки магнитного ключа и повышающего трансформатора соединены последовательно и образуют замкнутый контур.
Третий вариант устройства позволяет получать искру, энергия которой стабильна и не зависит от емкости свечи зажигания и величины пробивного напряжения. Данный технический результат достигается тем, что устройство получения напряжения для электроискрового зажигания, содержащее источник импульсов напряжения, повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к свече зажигания, а первичная обмотка соединена последовательно с магнитным ключом, снабжено накопительным и вспомогательным конденсаторами, накопительный конденсатор подключен к источнику импульсов напряжения, вторичная обмотка повышающего трансформатора включена между накопительным конденсатором и свечой зажигания, а вспомогательный конденсатор и магнитный ключ включены в цепь питания первичной обмотки повышающего трансформатора. Цепь из последовательно соединенных вспомогательного конденсатора, первичной обмотки повышающего трансформатора и магнитного ключа может быть подключена параллельно накопительному конденсатору. Возможно выполнение магнитного ключа с трансформаторной обмоткой, включенной последовательно с накопительным конденсатором и образующей с первичной обмоткой повышающего трансформатора и с вспомогательным конденсатором замкнутый контур.
Таким образом, отличительные признаки каждого из описанных вариантов изобретения позволяют решить поставленную задачу.
На чертежах представлены электрические схемы вариантов предлагаемого устройства получения напряжения для электроискрового зажигания.
Фиг. 1 - электрическая схема одноимпульсного устройства, выполненного в соответствии с п. 1 - 3 формулы изобретения; фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работы схемы, представленной на фиг. 1; на фиг. 3 - схема многоимпульсного устройства, выполненного в соответствии с п. 1 - 3 формулы; фиг. 4 - диаграммы, поясняющие работу схемы, представленной на фиг. 3; фиг. 5 - 8 - возможные варианты подключения подмагничивающих обмоток магнитного ключа и повышающего трансформатора; фиг. 9 - диаграммы, поясняющие работу схемы, изображенной на фиг. 5% фиг. 10 - схема устройства получения импульсов, магнитный ключ которого снабжен дополнительной трансформаторной обмоткой (п. 5 формулы изобретения); фиг. 11 - схема устройства с дополнительным ускоряющим каскадом (п. 6 формулы изобретения); фиг. 12 - двухтактная схема устройства с дополнительным ускоряющим каскадом; фиг. 13 - двухтактная схема устройства с повышающим трансформатором, имеющим подмагничивающую обмотку; фиг. 14 - 17 - примеры выполнения устройства, позволяющего стабилизировать энергию искры.
Устройство получения напряжения для электроискрового зажигания согласно варианту, представленному на фиг. 1, содержит повышающий трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к схеме 3 формирования импульсов тока, снабженной дросселем 4 с насыщающимся магнитопроводом (магнитным ключом), и управляющий ключ 5, через который схема 3 формирования соединена с источником питания 6. Схема 3 формирования снабжена коммутирующей емкостью 7 и включенной в цепь ее заряда коммутирующей индуктивностью 8, при этом первичная обмотка 2 повышающего трансформатора подключена к коммутирующей емкости 7 через рабочую обмотку 9 магнитного ключа, который выполнен с подмагничивающей обмоткой 10, обеспечивающей насыщение магнитопровода ключа магнитным потоком, направление которого противоположно направлению потока, создаваемого рабочей обмоткой 9. Вторичная обмотка 11 повышающего трансформатора 1 через контакт распределителя 12 подключена к свече зажигания 13. С помощью конденсаторов 14 и 15 показаны паразитные емкости высоковольтных проводов и свечи зажигания.
Повышающий трансформатор снабжен подмагничивающей обмоткой 15. Подмагничивающие обмотки 10 и 15 магнитного ключа и повышающего трансформатора соединены последовательно и подключены к источнику питания 6 через резистор 16. Параллельно первичной обмотке 2 повышающего трансформатора подключено шунтирующее сопротивление 17. Параллельно коммутирующей емкости 7 подключен обратный диод 18.
Многоимпульсная схема, изображенная на фиг. 3, не содержит обратного диода 18, а транзисторный ключ 5 (для защиты от обратного напряжения) подключен к источнику питания 6 через диод 19. Обмотка подмагничивания трансформатора 1 может представлять собой один виток, который включен в цепь заряда коммутирующего конденсатора 7, как это показано на фиг. 5 - 8. Это эквивалентно включению приведенной к данному витку емкости 20 последовательно с конденсатором 7. Как указано на фиг. 7, коммутирующая емкость может быть разделена на два конденсатора 21 и 22, причем виток подмагничивания включен в цепь заряда только одного из них.
На фиг. 10 представлена схема, согласно которой магнитный ключ 4 снабжен трансформаторной обмоткой 23, а цепь из последовательно соединенных управляющего ключа 5, коммутирующей индуктивности 8, трансформаторной обмотки 23 магнитного ключа и коммутирующей емкости 7 включена между одним из полюсом источника питания 6 и первым выводом первичной обмотки 2 повышающего трансформатора, второй вывод которой соединен со вторым полюсом источника питания 6 и через рабочую обмотку 9 магнитного ключа подключен к точке соединения коммутирующей индуктивности 8 с трансформаторной обмоткой 23. Данная схема, как это указано на фиг. 11, может быть снабжена дополнительным каскадом, состоящим из второй коммутирующей емкости 24 и второго магнитного ключа 25, при этом коммутирующие емкости 7 и 24 соединены последовательно и включены между трансформаторной обмоткой 23 первого магнитного ключа 4 и первым выводом первичной обмотки 2 повышающего трансформатора, второй вывод которой подключен к точке соединения емкостей 7 и 24 через второй магнитный ключ 25. В состав схемы также входит шунтирующий резистор 26, подключенный параллельно второму магнитному ключу 25, и шунтирующий резистор 27, включенный между точкой соединения трансформаторной обмотки 23 с коммутирующей емкостью 7 и вторым выводом первичной обмотки 2 повышающего трансформатора.
В двухтактной схеме устройства, представленной на фиг. 12, съема формирования импульсов тока снабжена коммутирующими емкостями 7 и 24, и двумя магнитосвязанными коммутирующими индуктивностями 8 и 28, магнитный ключ 4 выполнен с двумя симметричными рабочими обмотками 9 и 29, обеспечивающими его переход из одного насыщенного состояния в другое, а коммутационная схема 30 выполнена в виде двух управляющих ключей 31 и 32. Причем к источнику питания подключены две параллельные цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных одной из рабочих обмоток магнитного ключа, коммутирующей индуктивности и управляющего ключа. Первые выводы рабочих обмоток 9 и 29 магнитно ключа соединены в общую точку, а последовательно соединенные коммутирующие конденсаторы 7 и 24 и первичная обмотка 2 повышающего трансформатора включены между вторыми выводами рабочих обмоток. Таким образом, последовательно соединение коммутирующие емкости 7 и 24, рабочие обмотки 9 и 29 магнитного ключа и первичная обмотка 2 повышающего трансформатора образуют замкнутый контур. Схема снабжена вторым магнитным ключом 25 и шунтирующими сопротивлениями 17 и 26, включенными также как в схеме, представленной на фиг. 11, описанной выше. Подмагничивающая обмотка 10 магнитного ключа в данной схеме подключена к источнику питания 6 через резистор 16.
Повышающий трансформатор 1 может быть выполнен с подмагничивающей обмоткой 15, а его первичная обмотка 2 - выполнена со средней точкой, которая подключена к источнику питания, причем крайние выводы первичной обмотки подключены к параллельным цепям, состоящим из последовательно соединенных одной из рабочих обмоток 9 или 29 магнитного ключа, коммутирующей индуктивности 8 или 28 и управляющего ключа 31 или 32, а магнитный ключ снабжен дополнительной обмоткой смещения 33, включенной последовательно с подмагничивающей обмоткой 15 повышающего трансформатора и образующей с ней замкнутый контур (см. фиг. 13). Магнитный ключ может быть также снабжен дополнительной подмагничивающей обмоткой 34, включенной противофазно обмотке 10. Ток через обмотку 34 ограничивается с помощью сопротивления 35. В цепи питания обмоток 10 и 34 включены коммутационные элементы 36 и 37.
Вариант устройства получения напряжения для электроискрового зажигания, представленный на фиг. 14 - 17, содержит источник импульсов напряжения (на фиг. не показан), повышающий трансформатор 1, вторичная обмотка 11 которого подключена к свече зажигания 13, а первичная обмотка 2 - соединена последовательно с магнитным ключом 4, накопительный конденсатор 38, вспомогательный конденсатор 39, и шунтирующие сопротивления 40 и 41, одно из которых подключено параллельно вторичной обмотке повышающего трансформатора, а второе - параллельно рабочей обмотке магнитного ключа 4. Накопительный конденсатор 38 подключен к источнику импульсов напряжения, вторичная обмотка 11 повышающего трансформатора включена между накопительным конденсатором 38 и свечой зажигания 13, а вспомогательный конденсатор 39 и магнитный ключ 4 включены в цепь питания первичной обмотки 2 повышающего трансформатора.
Цепь из последовательно соединенных вспомогательного конденсатора 39, первичной обмотки 2 повышающего трансформатора и магнитного ключа 4 может быть подключена параллельно накопительному конденсатору 38, как это показано на фиг. 14 и 15. Магнитный ключ 4 может быть выполнен с трансформаторной обмоткой 23, при этом рабочая обмотка 9 включена последовательно с накопительным конденсатором 38, а трансформаторная - образует с первичной обмоткой 2 повышающего трансформатора и с вспомогательным конденсатором 39 замкнутый контур (фиг. 16 и 17).
Шунтирующий резистор 41 при этом подключают параллельно трансформаторной обмотке 23.
Схемы, представленные на фиг. 14 - 17 могут быть использованы при размещении повышающего трансформатора 1 непосредственно на свече зажигания 13, то есть для каждой свечи зажигания 13 должен быть предусмотрен отдельный повышающий трансформатор.
Устройство получения напряжения для электроискрового зажигания работает следующим образом.
Перед началом работы трансформатор 1 и магнитный ключ 4 смещаются в состояние -Bs по отношению к рабочему ходу, как это видно из схемы, приведенной на фиг. 1. То есть их магнитопроводы насыщаются до индукции -Bs магнитным потоком, создаваемым обмотками подмагничивания 10 и 15.
При замыкании управляющего ключа 5 напряжение U1 становится равным напряжению E источника питания 6 и коммутирующий конденсатор 7 начинает заряжаться от источника питания 6 через коммутирующую индуктивность 8. Ток I1 через коммутирующую индуктивность 8 нарастает по синусоиде (фиг. 2в), достигает максимума и спадает до нуля. Напряжение U2, приложенное к рабочей обмотке 9 магнитного ключа, увеличивается по косинусоиде (фиг. 2б). Индукция в магнитном ключе 4 нарастает от -Bs через нуль к +Bs в соответствии с вольтсекундной площадью графика изменения напряжения U2. Когда ∫ U2dt достигнет величины 2B S W, где Sc - площадь магнитопровода, W - число витков рабочей обмотки, магнитопровод ключа 4 насыщается и конденсатор 7 соединяется с первичной обмоткой 2 повышающего трансформатора 12 через небольшую индуктивность рабочей обмотки 9. Конденсатор 7 образует с первичной обмоткой 2 LC-контур, постоянная времени которого на порядок меньше, чем постоянная времени контура, образованного конденсатором 7 и коммутирующей индуктивностью 8. В результате напряжение U3 и ток через первичную обмотку 12 (фиг. 2г и 2д) нарастают значительно круче, чем напряжение U2, что позволяет использовать трансформатор 1 меньшего размера и с меньшим числом витков.
На фиг. 2 показан случай, когда магнитный ключ 4 еще не насыщен, в то время как ток I1 достиг нуля, а напряжение U2 - достигло максимума. Если управляющий ключ 5 при этом закрывается, например, если он выполнен на тиристоре, то напряжение U2 достигает 2E, как это показано на фигуре 2б. Такое соотношение времен его понимания работы устройства, фактически же, ив, выгоднее уменьшать вольт-секундную площадь ключа 4 так, его срабатывание происходило в момент равенства тока I1 и даже несколько раньше, несмотря на то, что при этом могут некоторые потери энергии. Обратим внимание, что в приведенном на 2 случае к управляющему ключу 5 прикладывается обратное напряжение, примерно равное -E. Для защиты от обратного напряжения предназначен диод 19 (см. фиг. 3).
Срабатывание магнитного ключа 4 приводит к передаче энергии из емкости 7 в емкость 20 (см. фиг. 3), равную сумме емкостей 14 и 15. Если приведенная к первичной обмотке трансформатора емкость 20 равна емкости конденсатора 7, то передача энергии оказывается полной (напряжение U3 достигает величины 2E, кривая изменения тока I2 представляет собой половину синусоиды, конденсатор 7 полностью разряжается, а конденсатор 20 - заряжается до максимального напряжения. Если напряжение на свече 13 в этот момент оказывается меньше пробивного напряжения, разряд не возникает, и оставшаяся энергия выделяется во время колебательного процесса, возникающего при периодических срабатываниях магнитного ключа. Сопротивление 17 при этом способствует затуханию процесса. Если же происходит разряд в свече, то вся энергия выделяется в емкостной фазе разряда.
Более типичным является случай, когда разряд возникнет при меньшем напряжении. На фиг. 2ж, з, и приведены диаграммы, иллюстрирующие такой случай. При падении напряжения U4, ток I2, уже достигший максимума в синусоиде, снова начинает увеличиваться, и оставшаяся в конденсаторе 7 энергия переходит в индуктивность насыщенного магнитного ключа 4 (фиг. 2з). Напряжение U2 падает с растущей скоростью и в момент максимума тока I2 достигает нуля. Диод 18 не позволяет напряжению U2 стать существенно меньшим нуля, разряд конденсатора 7 прекращается, и ток I2 насыщенного магнитного ключа 4 медленно уменьшается, образуя индуктивную фазу разряда. Следует отметить, что напряжение U4 во время индуктивной фазы не равно нулю. Пунктиром на фиг. 2 ж, з, и показаны кривые изменения напряжений и тока в случае, если пробоя искрового промежутка свечи зажигания не произошло.
После окончания индуктивной фазы разряда следует фаза предсмещения (подмагничивания) магнитного ключа 4 и повышающего трансформатора 1 и подготовка их к следующему циклу. Шунтирующее сопротивление 17 способствует затуханию процессов предсмещения.
Таким образом, ток, протекающий через магнитный ключ 4 и, соответственно, через первичную обмотку 2 повышающего трансформатора, значительно больше, чем ток, протекающий через управляющий ключ 5. Увеличение тока при уменьшении времени его протекания позволяет снизить требования к изоляции высоковольтных цепей. Габариты магнитного ключа 4 уменьшаются за счет использования двойного перепада индукции, а габариты повышающего трансформатора 4 уменьшаются как по той же причине, так и в результате укорочения импульса на его выходе.
На фиг. 3 показан вариант источника получения напряжения, в соответствии с которым конденсатор 7 не шунтирован диодом, вместе с тем обратный диод 19 включен последовательно с ключом 5, предохраняя его от обратного напряжения. На фиг. 4 показаны временные диаграммы, поясняющие работу данной схемы. Как видно из диаграммы, напряжение U2 на конденсаторе 7 становится отрицательным, после чего происходит очередное срабатывание магнитного ключа 4 и в первичной и вторичной обмотках трансформатора 2 возникают импульсы напряжения обратной полярности. На фиг. 4 показан случай, когда последний разряд исчерпывает всю энергию, накопленную в конденсаторе 7, и процесс завершается. Если напряжение на свече в этот момент оказывается меньше пробивного, разряд не возникает и оставшаяся энергия выделяется при периодических срабатываниях магнитного ключа 4. Сопротивление 17 способствует затуханию переходного процесса.
Увеличив энергию в конденсаторе 7 и установив приведенную к первичной обмотке емкость 20 меньше емкости 7, можно добиться множества разрядов в течение одного цикла срабатывания управляющего ключа 5. Каждый раз в свечу зажигания будет передаваться энергия в виде емкостного разряда, индуктивная фаза также имеет место, но только длительность ее мала и энергия незначительна. После переключения магнитного ключа 4 ток его становится близким к нулю и разряд в свече прекращается. Новая подача напряжения при новом срабатывании магнитного ключа 4 вызывает новый емкостной разряд.
Так как магнитный ключ укорачивает импульс, то при равных по амплитуде напряжениях U2 и U3 длительность фронта нарастания последнего будет меньше. Соответственно меньше будет вольт-секундная площадь первичной обмотки трансформатора 1. Если площади магнитопроводов равны, то соответственно меньшим должно быть количество витков. Это приводит к необходимости снижения количества витков обмотки подмагничивания 15 трансформатора 1 с соответствующим повышением тока подмагничивания. Кроме того магнитопровод повышающего трансформатора 1 трудно выполнить замкнутым кольцевым без воздушного зазора. Это резко увеличивает необходимый ток смещения.
На фиг. 5 показан вариант источника с предсмещением магнитопровода повышающего трансформатора 1 током I1. Для этого ток заряда коммутирующего конденсатора 7 пропускают через обмотку подмагничивания 15, представляющую собой, как правило, один виток.
На фиг. 9 показано напряжение U2 на конденсаторе 7, напряжение U3 на первичной обмотке трансформатора 1 и индукция B в магнитопроводе трансформатора. Так как трансформатор 1 выполнен с зазором (естественным), то перед началом работы индукция в нем естественно устанавливается вблизи нулевого значения независимо от характеристики намагничивания магнитного материала. В начале цикла заряда конденсатора 7 индукция B смещается от нулевого значения в отрицательное, не достигая индукции насыщения (фиг. 9в). Затем при насыщении магнитного ключа 4 следует перемагничивание трансформатора 1 в пределах, меньших -Bs и +Bs. Так как конденсатор 7 в схеме на фигуре 5 не шунтирован диодом, то возможны колебания с подачей нескольких импульсов (см. на фиг. 4). При этом виток смещения 15 оказывается включенным последовательно с первичной обмоткой 2 трансформатора и рабочей обмоткой 9 магнитного ключа и принимает участие в колебаниях. На фигуре 6 показан другой вариант источника, где виток смещения в колебаниях не участвует. Оба варианта имеют свои преимущества в разных случаях.
Может оказаться так, что единственный виток смещения оказывается избыточным (например, при укорочении импульса в десять раз вольт-секундная площадь на витке смещения должна быть равна 1/20 от вольт-секундной площади первичной обмотки 2 трансформатора, которая, к примеру, имеет 12 витков, следовательно, для предсмещения требуется 0,6 витка). В этом случае полезен вариант источника, показанный на фиг. 7, где емкость 7 разделена на два конденсатора 21 и 22. Причем для подмагничивания трансформатора 2 используется ток одного из конденсаторов, что позволяет получить нужное смещение при единичном витке. На фиг. 8 показан вариант источника с предсмещением трансформатора 1, согласно которому коммутирующий конденсатор 7 зашунтирован диодом. Как уже рассмотрено выше, при этом после емкостной фазы разряда следует индуктивная фаза, то есть имеет место единственный импульс.
В случае, если повышающий трансформатор 1 не имеет подмагничивающей обмотки (например, он представляет собой стандартное изделие) целесообразно использовать схему, представленную на фиг. 10, 11. В этом случае магнитный ключ 4 выполняет функцию трансформатора (или автотрансформатора). Схема, представленная на фиг. 11, отличается тем, что она содержит дополнительный каскад повышения крутизны нарастания тока в первичной обмотке 2 трансформатора, состоящий из второго коммутирующего конденсатора 24 и второго магнитного ключа 25. Предварительно смещенный магнитный ключ 4 трансформирует ток заряда конденсатора 7 через резистор 26 и обмотку магнитного ключа 25. Так как вольт-секундная площадь ключа 25 существенно меньше, чем ключа 4, то он вскоре насыщается и зарядный ток конденсатора 7 проходит через обмотку насыщенного магнитного ключа. Затем насыщается магнитный ключ 4 и закорачивает заряженный конденсатор 7 на землю, создавая импульс отрицательной полярности. Магнитный ключ 25 выходит из состояния насыщения с индукцией +Bs и переходит к состоянию насыщения с индукцией -Bs. Происходит зарядка следующего коммутирующего конденсатора 24 до отрицательного напряжения через сопротивление 17 и первичную обмотку 2. Затем насыщается магнитный ключ 25, и импульс положительной полярности поступает на первичную обмотку 2 трансформатора 1.
Этот вариант имеет определенные преимущества, так как магнитные ключи могут одновременно трансформировать напряжение. То есть напряжение на конденсаторе 7 может быть больше величины 2E. Прохождение тока заряда коммутирующего конденсатора через последующий магнитный ключ создает достаточное смещение для его подготовки, даже если его магнитопровод выполнен из материала с небольшой магнитной проницаемостью или с неизбежным магнитным зазором, как например у повышающего трансформатора. Но, так как второй ключ 25 насыщается не мгновенно, несколько ухудшается работа ключа 4 и имеет место заряд второго конденсатора 24 с одновременным недозарядом первого конденсатора 7. Кроме того, в схеме возникают затухающие переходные процессы, во время которых некоторая энергия рассеивается в шунтирующих резисторах 17, 26 и 27. Если емкости конденсаторов 7 и 24 выбраны равными, то энергия, поступившая в конденсатор 7, полностью передается в конденсатор 24 и далее - в емкость 20.
Конденсатор 24 может быть зашунтирован обратным диодом 18, в результате чего после пробоя искрового промежутка свечи вся оставшаяся энергия переходит в индуктивность насыщенного магнитного ключа 25 и следует индуктивная фаза разряда. Естественно, что два магнитных ключа могут существенно укоротить импульс, увеличивая соответственно его ток, и длительность индуктивной фазы будет меньшей, чем в ранее рассмотренных случаях, а токи диода 18 (импульсные) могут достигать сотен ампер.
Рассмотрение выше схемы с магнитными ключами-трансформаторами позволяют гибко менять напряжения и длительности фронтов их нарастания, а именно - получать столь короткие длительности, что выходная обмотка повышающего трансформатора на 30 кВ может содержать всего несколько сот или даже десятков витков, то есть трансформатор оказывается дешевым и надежным.
Все рассмотрение одноактные (в смысле работы магнитного ключа 4) схемы после окончания импульса (или серии импульсов) должны быть предсмещены для нового цикла. Время предсмещения зависит от мощности, расходуемой на смещение. Можно полагать, что время, необходимое для предсмещения магнитного ключа, прямо пропорционально времени его работы и обратно пропорционально отношению энергии смещения к рабочей энергии. Например, при времени работы 50 мкс, рабочей энергии 20 мДж и энергии смещения 2 мДж, время предсмещения будет составлять 500 мкс. Уменьшение этого времени требует увеличения мощности, расходуемой на подмагничивание. Однако уже после окончания рабочего хода магнитные ключи находящится в насыщенном состоянии и готовы к немедленному повторению рабочего хода, но для напряжения другой полярности.
На фиг. 12 показан вариант источника, выполненного по двухтактной схеме, содержащей два электронных управляющих ключа 31 и 32. Аналогично однотактной схеме, приведенной на фиг. 11, первичная обмотка 2 повышающего трансформатора 1 подключена к дополнительному коммутирующему конденсатору 24 через второй магнитный ключ 25. Коммутирующая индуктивность и основной магнитный ключ 4 выполнены с двумя обмотками (8, 28 и 9, 29), включенными противофазно. Подмагничивание ключа 4 осуществляется через резистор 16, так же, как и в рассмотренных выше схемах. Работа схемы начинается при замыкании левого управляющего ключа 31. Коммутирующий конденсатор 7 заряжается по цепи: обмотка 29 ключа 4, параллельно соединенные резистор 26 и магнитный ключ 25, коммутирующая индуктивность 8. Далее так же, как и в схеме, приведенной на фиг. 11, осуществляется передача энергии из конденсатора 7 в конденсатор 24, который с вою очередь разряжается на первичную обмотку 2 повышающего трансформатора. После окончания цикла управляющий ключ 31 закрывается, а управляющий ключ 32 открывается и конденсатор 7 перезаряжается через обмотку 9 магнитного ключа 4 и коммутирующую индуктивность 28. Осуществлять предсмещение ключа 4 при этом не требуется, так как полярность прикладываемого к нему напряжения изменяется.
Проблема предсмещения магнитных ключей и трансформатора достаточна сложна. Можно использовать естественную установку индукции в нулевое состояние, если в магнитопроводе имеется зазор. Но в этом случае может быть использована только половина возможного перепада индукции. Предсмещение может быть достаточно эффективно осуществлено током заряда предшествующего конденсатора (см. описание работы схемы, представленной на фиг. 11). Однако в этом случае в схеме возникает колебательный процесс, сопровождающийся беспорядочной коммутаций ключей и потерей энергии, выделяющейся на шунтирующих сопротивлениях. Схемы с предсмещением током заряда коммутирующего конденсатора (фиг. 5 - 8) достаточно эффективны при стабильных емкостях. Емкость коммутирующего конденсатора является стабильной, однако емкость 20 - это паразитная емкость проводов, поэтому она может иметь значительные отклонения. В этом случае величина предсмещения также имеет отклонения.
На фиг. 13 показан вариант источника, выполненного по двухтактной схеме, в котором влияние отклонений емкости 20 значительно снижено. Смещение повышающего трансформатора 2 создается напряжением, снимаемым с дополнительной обмотки смещения 33 магнитного ключа 4. Сопротивление провода выбирается таким, чтобы RC-цепь, образованная им с приведенной емкостью 20, имела постоянную времени, меньшую времени ожидания срабатывания магнитного ключа 4. Это обеспечивает стабильность вольт-секундной площади на обмотке смещения ключа 4. Однако постоянная времени должна быть не настолько мала, чтобы вносить заметные потери при последующей коммутации ключа. В схеме также применены две противофазных обмотки 10 и 34 подмагничивания ключа 4. Эти обмотки коммутируются элементами 36 и 37 так, что двухтактная схема оказывается в любой момент предсмещенной для срабатывания любого из управляющих ключей 31 и 32. То есть серия может содержать любое число импульсов, в том числе и нечетное, в этом случае следующая серия начинается с работы правого по схеме управляющего ключа 32.
Как уже отмечалось выше, энергия разряда накапливается в паразитной емкости свечи зажигания. Теоретические расчеты показывают, что 90% накопленной энергии выделяется в разряде за время, равное примерно 2,5 нс при фронтах в доли наносекунды. Перепад напряжения в 30 кВ за доли наносекунды создает мощные радиопомехи. Для их устранения применяют подводящие проводники с высоким сопротивлением, вследствие чего КПД системы ограничивается на уровне не более 30%. На самом деле КПД оказывается еще ниже, если принять во внимание следующее.
Устройство для получения импульсов зажигания должно гарантировать их амплитуду (например 30 кВ) с учетом запаса на отклонения различных параметров. Однако в действительности пробой может возникнуть при значительно меньшей величине вторичного напряжения. Можно предположить, что при определенных условиях (температуре, частоте вращения двигателя, состоянии разрядного промежутка свечи и т.д.) пробивное напряжение будет равно всего 12 кВ. Это соответствует энергии 1,08 мДж при энергии генерируемого импульса 40 мДж, т. е. КПД оказывается равным всего 2,5%. С этой точки зрения представляется полезной система, в которой энергия искры может быть стабильной несмотря на разброс упомянутых выше параметров (см. схемы, представленные на фиг. 14 - 17). Показанные части устройства должны быть расположены в непосредственной близости от свечи зажигания.
Магнитопроводы магнитного ключа 4 и повышающего трансформатора 1 выполнены с диэлектрическим зазором или из магнитного материала с линейной характеристикой на среднем участке. Шунтирующие сопротивления способствуют установке индукции вблизи нуля перед подачей импульса. Емкость и напряжение заряда накопительного конденсатора 38 выбраны с учетом необходимого для искрообразования количества энергии, причем напряжение, до которого заряжается конденсатор 38, существенно меньше необходимого пробивного напряжения (примерно 2 - 5 кВ). Импульс напряжения такой величины подается на конденсаторы 38 и 39. Когда магнитный ключ 4 насыщается, импульс пробивного напряжения (примерно 30 кВ) генерируется во вторичной обмотке 11 повышающего трансформатора и разрядный промежуток свечи зажигания 13 пробивается. Затем магнитопровод трансформатора 1 насыщается и энергия из конденсатора 38 передается в проводящий разрядный промежуток свечи. Схемы, представленные на фиг. 14, 15, отличаются знаком высоковольтного импульса по отношению к низковольтному. Каждая из них имеет определенные преимущества. При обратном знаке импульса пробивного напряжения разряд накопительного конденсатора следует непосредственно за зарядным импульсом, а при одинаковых знаках - между ними образуется временной интервал в десятые доли микросекунды. Токи и напряжения в соединительном кабеле, показанном пунктиром, находятся в микросекундном интервале времени, а следовательно, радиопомехи невелики.
На фиг. 16 и 17 показан вариант источника, согласно которому магнитный ключ 4 включен по трансформаторной схеме. Трансформируемый зарядный ток конденсатора 39 проходит через первичную обмотку 2 повышающего трансформатора и осуществляет его предсмещение в состояние с индукцией -B. Это позволяет использовать в трансформаторе 1 двойной перепад индукции. В самом же магнитном ключе 4 двойного перепада индукции нет, и для его предустановки требуется магнитопровод с диэлектрическим зазором. Схемы, приведенные на фиг. 16 и 17, также отличаются полярностью импульса заряда по отношению к поджигающему импульсу. Для заряда накопительного конденсатора в схемах, представленных на фиг. 14 - 17, могут быть использованы описанные выше источники импульсов, например схема, представленная на фиг. 13.
Использование: системы зажигания двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: для повышения скорости коммутации тока в первичной цепи повышающего трансформатора 1 выше предела, ограниченного возможностями контактного или электронного ключа, устройство снабжено дросселем 4 с насыщающимся магнитопроводом (магнитным ключом), коммутирующей емкостью 7 и включенной в цепь ее заряда коммутирующей индуктивностью 8. При этом первичная обмотка 2 повышающего трансформатора подключена к коммутирующей емкости через рабочую обмотку 9 магнитного ключа, который выполнен с подмагничивающей обмоткой 10, обеспечивающей насыщение магнитопровода ключа магнитным потоком, направление которого противоположно направлению потока, создаваемого рабочей обмоткой. Устройство получения напряжения может быть выполнено по двухтактной схеме. Предусмотрен вариант выполнения устройства, позволяющий стабилизировать количество энергии, выделяющейся в свече зажигания. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил.
| DE, заявка, 2623612, кл | |||
| Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
