ТИРИСТОРНО-ПЛАЗМЕННАЯ СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02P15/10 

Изобретение относится к системам плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано для воспламенения обедненных топливных смесей.

Для эффективного воспламенения рабочей смеси желательно использовать импульс с большой скоростью нарастания напряжения (тока). В то же время этот импульс должен иметь достаточно большую длительность для эффективного дожигания воспламененной смеси. Эти требования противоречивы, поскольку широкий импульс практически не может иметь крутых фронтов, а импульс с крутыми фронтами не может быть широким. Это связано с невозможностью снизить отношение индуктивности обмоток высоковольтной катушки к индуктивности рассеяния и уменьшить паразитные емкости высоковольтных цепей ниже определенного уровня.

Известно также, что для эффективного воспламенения рабочей смеси целесообразно ее ионизировать перед поджигом [1]. Поскольку степень ионизации определяется величиной ионизирующего напряжения и длительностью процесса предионизации, а величина ионизирующего напряжения ограничена, целесообразно увеличить время ионизации при одновременном снижении ионизирующего напряжения.

Известна комбинированная система плазменного зажигания, обеспечивающая предыонизацию рабочей смеси в искровом промежутке путем подачи на электроды свечей высокого напряжения во время, предшествующее появлению основного поджигающего импульса [2].

Недостатком этой системы является отсутствие дожигающего напряжения на электродах свечи после основного импульса, что отрицательно сказывается на полноте сгорания рабочей смеси и на концентрации вредных компонентов в выхлопных газах.

Известна также комбинированная система плазменного зажигания, обеспечивающая и предыонизацию рабочей смеси, и дожигание ее по окончании основного импульса [3].

Недостатком этой системы является сложность схемы, определяющаяся наличием двух самостоятельных систем зажигания (искрового и плазменного).

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является система плазменного зажигания [4]. Она содержит блок управления, включающий прерыватель, формирователь импульсов и ключ напряжения, преобразователь напряжения, блок накопления, тиристорный ключ искрообразования, восстановительный элемент, катушку зажигания, распределитель, группу свечей зажигания. В системе [4], в отличие от других известных аналогов, преодолены упомянутые выше недостатки.

Однако система [4] имеет следующие принципиальные недостатки:
1) наличие высокого напряжения (около 3000 В) на средней точке обмоток катушки зажигания, на всех цепях тиристорного ключа и на выходных цепях формирователя импульсов, что связано с необходимостью гальванической развязки между указанными цепями и общей шиной и сильно усложняет схему и конструкцию заявляемого устройства;
2) громоздкая конструкция катушки зажигания (в частности ее магнитопровода) из-за протекания через ее первичную обмотку постоянной составляющей;
3) схема и конструкция дополнительно усложнены из-за наличия восстановительного элемента и ключа напряжения.

Все это является причиной больших аппаратурных затрат при создании системы плазменного зажигания по патенту [4].

Целью настоящего изобретения является минимизация аппаратурных затрат.

Предлагаемая тиристорно-плазменная система зажигания для двигателей внутреннего сгорания содержит катушку зажигания, первая клемма вторичной обмотки которой соединена через распределитель с первыми клеммами группы свечей, вторые клеммы которых соединены с общей шиной, сдвоенный преобразователь напряжения, первый из выходных источников которого подключен одним полюсом к аноду тиристорного ключа и к последовательно включенным накопительному конденсатору и первой клемме первичной обмотки катушки зажигания, а второй выходной источник вторым полюсом подключен к общей шине, и формирователь импульсов, подключенный входом к контакту прерывателя, а выходом - к управляющему входу тиристорного ключа.

Поставленная цель достигается тем, что второй полюс первого выходного источника, вторая клемма первичной обмотки катушки зажигания и второй вывод тиристорного ключа подключены к общей шине, а вторая клемма вторичной обмотки катушки зажигания подключена к первому полюсу второго выходного источника преобразования напряжения.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается новым включением основных элементов схемы (катушка зажигания, тиристорный ключ, сдвоенный преобразователь напряжения), а также отсутствием восстановительного элемента и ключа напряжения. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Вновь введенная совокупность признаков существенна, так как позволяет минимизировать схему и конструкцию тиристорно-плазменной системы зажигания благодаря разделению первичной и вторичной обмоток катушки зажигания; использованию одного накопительного конденсатора, подключенного непосредственно к первичной обмотке катушки зажигания; подключению тиристорного ключа одним выводом к общей шине; использованию формирователя импульсов только с одним выходом (для управления тиристором) с подключением его второго вывода через прерыватель к общей шине. При этом оказались ненужными восстановительный элемент и ключ напряжения, а также снята постоянная составляющая с первичной обмотки катушки зажигания. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "существенные отличия". Заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как оно для специалистов явным образом не следует из уровня техники. В то же время заявляемое техническое решение "промышленно применимо", так как оно рассчитано на самое широкое использование в автомобилестроении, судо- и авиастроении, а также на всех видах транспорта, где используют двигатели внутреннего сгорания.

На чертеже приведена структурная схема заявляемого устройства. Первая клемма вторичной обмотки катушки зажигания 1 через распределитель 2 соединена с первыми клеммами группы 3 свечей, у которых вторые клеммы соединены с общей шиной. Вход сдвоенного преобразователя 4 напряжения соединен с источником ±14 В постоянного тока. Первый полюс первого выхода 5 преобразователя соединен с анодом тиристорного ключа 6 и последовательно включенным накопительным конденсатором 7 и первой клеммой первичной обмотки катушки зажигания, у которой вторая клемма соединена с общей шиной. Второй полюс первого выхода преобразователя и другой вывод (катод) тиристорного ключа соединены с общей шиной. Управляющий вход тиристорного ключа соединен с выходом формирователя 8 импульсов, у которого вход соединен с контактом прерывателя 9. Вторая клемма вторичной обмотки катушки соединена с первым полюсом второго выхода 10 преобразователя, у которого второй полюс соединен с общей шиной.

Практическая реализация заявляемого устройства осуществляется следующим образом. В качестве элементов 1, 2, 3 и 9 использованы типовые катушки зажигания, распределитель, группа свечей и прерыватель, имеющиеся в любом двигателе внутреннего сгорания (например, в автомобильном). В качестве элемента 6 использован, в частности, тиристор Т106-10, а в качестве элемента 7 - конденсатор типа К73-17-0,47 мкФ.

В качестве блока 4 может быть использован, например, преобразователь напряжения, приведенный на рис. 1 стр. 11 книги [5], в котором на трансформаторе Т1 введена дополнительная обмотка со схемой умножения (для получения 3500 В). А в качестве элемента 4 может быть использован формирователь импульсов на том же рис. 1 книги [5], включающий в себя резисторы R5, R6 и конденсаторы C2 и C.

Заявленная тиристорно-плазменная система зажигания для двигателей внутреннего сгорания работает следующим образом. В исходном состоянии, когда зажигание включено, один из четырех контактов распределителя 2 (возьмем, к примеру, четырехтактный двигатель) замкнут так же, как и контакт прерывателя 9, с выхода 10 преобразователя 4 на одну из свеч группы 3 через вторичную обмотку катушки 1 и распределитель 2 поступает высоковольтное напряжение, недостаточное для пробоя искрового промежутка, но вполне достаточное для ионизации этого промежутка и его окрестностей. Одновременно происходит заряд конденсатора 7 через первичную обмотку катушки 1. В момент размыкания контактов прерывателя 9 через формирователь 8 открывается тиристор 6 и конденсатор 7 разряжается на первичную обмотку катушки зажигания 1. При этом на вторичной обмотке развивается напряжение, достаточное для пробоя искрового промежутка свечи. Поскольку искровой промежуток до этого момента был ионизирован, величина пробивного напряжения существенно ниже, чем в типовой системе зажигания. После окончания действия импульса на первичной обмотке катушки 1 (длительность этого импульса лимитируется временем разряда конденсатора 7) на искровом промежутке, в отличие от обычного случая, остается напряжение дополнительного выхода 10 преобразователя 4, недостаточное для пробоя искрового промежутка, но вполне достаточное для поддержания горения рабочей смеси. В момент размыкания контакта в распределителе 2 напряжение на контактах свечи исчезает и начинается заряд конденсатора 7, поскольку тиристор 6 закрыт обратной полуволной основного поджигающего импульса катушки, как в обычных тиристорных системах зажигания. После замыкания распределителем 2 очередного контакта соответствующая свеча подключается к высоковольтному напряжению на выходе 10 преобразователя 4 через вторичную обмотку катушки 1 и процесс повторяется.

Технико-экономическая эффективность заявляемого устройства состоит в минимизации аппаратурных затрат тиристорно-плазменной системы зажигания путем принципиально нового подхода к построению схемы, при котором не требуется гальваническая развязка между ее основными элементами и общей шиной, отсутствует постоянная составляющая в первичной обмотке катушки зажигания и не требуется восстановительный элемент и ключ напряжения.

Источники информации
1. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль (пер. с чешск.). - М.: Машиностроение, 1987, стр. 199.

2. Описание изобретения к патенту SU N 1838665. Н.В. Чистихин. Комбинированная система электронного зажигания. Б.И. N 32, 1993.

3. Описание изобретения к патенту RU N 2019727. О.И. Исаков. Комбинированная система плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания. Б. И. N 17, 1994.

4. Описание изобретения к патенту RU N 2000465. В.Д. Герасичкин, В.Д. Домнин, В. М. Пузеев. Система плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания. БИ N 33 - 36, 1993.

5. Синельников А.Х. Электронные приборы для автомобилей. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 11.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: система содержит катушку зажигания, первая клемма вторичной обмотки которой соединена через распределитель с первыми клеммами группы свечей, вторые клеммы которых соединены с общей шиной, сдвоенный преобразователь напряжения, первый из выходных источников которого подключен одним полюсом к аноду тиристорного ключа и к последовательно включенным накопительному конденсатору и первой клемме первичной обмотки катушки зажигания, а второй выходной источник вторым полюсом подключен к общей шине, и формирователь импульсов, подключенный входом к контакту прерывателя, а выходом - к управляющему входу тиристорного ключа. Для минимизации аппаратурных затрат второй полюс первого выходного источника, вторая клемма первичной обмотки катушки зажигания и второй вывод тиристорного ключа подключены к общей шине, а вторая клемма вторичной обмотки катушки зажигания подключена к первому полюсу второго выходного источника преобразователя напряжения. 1 ил.

Тиристорно-плазменная система зажигания для двигателей внутреннего сгорания, содержащая катушку зажигания, первая клемма вторичной обмотки которой соединена через распределитель с первыми клеммами группы свечей, вторые клеммы которых соединены с общей шиной, сдвоенный преобразователь напряжения, первый из выходных источников которого подключен одним полюсом к аноду тиристорного ключа и к последовательно включенным накопительному конденсатору и первой клемме первичной обмотки катушки зажигания, а второй выходной источник вторым полюсом подключен к общей шине, и формирователь импульсов, подключенный входом к контакту прерывателя, а выходом - к управляющему входу тиристорного ключа, отличающаяся тем, что второй полюс первого выходного источника, вторая клемма первичной обмотки катушки зажигания и второй вывод тиристорного ключа подключены к общей шине, а вторая клемма вторичной обмотки катушки зажигания подключена к первому полюсу второго выходного источника преобразователя напряжения.