СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02P3/08 F02P3/00 

Изобретение относится к конденсаторным системам зажигания с непрерывно-импульсным накоплением энергии для двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано на транспортных средствах и энергетических установках с любыми типами катушек зажигания.

Известна универсальная тиристорная система зажигания [2]. Эта система содержит два электронных ключа, блок управления электронным ключом, преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, обратный диод, резистор и катушку зажигания.

Блок управления электронными ключами содержит включенные последовательно релаксационный генератор и формирователь импульсов. Вход релаксационного генератора является управляющим входом системы зажигания. К положительному выходу преобразователя постоянного напряжения через токоограничивающий резистор подключены катод обратного диода, один вывод первого электронного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, который является выходом блока управления электронными ключами, и первый накопительный конденсатор, второй вывод которого соединен через первичную обмотку катушки зажигания с минусом источника питания, к которому также подключен второй вывод первого электронного ключа, анод обратного диода и, через второй электронный ключ, отрицательный выходной вывод преобразователя постоянного напряжения. Выход вторичной обмотки зажигания является выходом системы зажигания.

Эта система зажигания имеет недостатки:
- малая частота и энергия многократного искрообразования;
- сложная схема стабилизации преобразователя.

Также известна универсальная тиристорная система зажигания, принятая за прототип изобретения [1]. Эта система содержит переключатель, два электронных ключа, устройство управления этими ключами, выполненное на элементе 2ИЛИ-НЕ и имеющая два входа и один выход, один из которых является входом системы зажигания, два накопительных конденсатора, два электронных ключа, обратный диод, катушку зажигания и пять резисторов.

Положительный выходной вывод преобразователя постоянного напряжения соединен с входом питания второго электронного ключа и через последовательные первые размыкающие контакты сдвоенного переключателя и четвертый резистор, параллельно которым подключен токоограничивающий резистор, с точкой соединения обратного диода. Первый вывод первого электронного ключа и первого вывода второго накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен через последовательные первичную обмотку катушки зажигания и пятый резистор с минусом источника питания, вторым выводом первого электронного ключа, анодом обратного диода и через второй электронный ключ с отрицательным выводом преобразователя. Управляющие входы электронных ключей соединены с выходом устройства управления электронными ключами. Вторичная обмотка катушки зажигания является выходом системы зажигания.

Эта система имеет недостатки:
- сложность стабилизации напряжения преобразователя из-за отрыва его минусового выхода от общей шины;
- нестабильную, нарастающую амплитуду импульсов в пачке, что уменьшает среднюю энергию в пачке импульсов;
- наличие сквозных токов при переключении электронных ключей, токоограничивающих резисторов и резистора датчика тока, которые снижают КПД системы зажигания;
- невзаимозаменяемость с выпускаемыми промышленностью системами зажигания.

Эти недостатки обусловлены тем, что схема прототипа является умножителем напряжения, из-за чего амплитуда импульса в начале пачки импульсов равна напряжению на выходе преобразователя постоянного напряжения, амплитуда второго импульса - сумме напряжений на преобразователе и остаточного напряжения первого импульса после отдачи части его энергии в искру, амплитуда третьего импульса равна сумме напряжений на преобразователе и остаточного напряжения второго импульса после отдачи части его энергии в искру и т.д. Таким образом амплитуда в пачке будет зависеть, как от зазора в свече зажигания, так как с увеличением зазора расходуется больше энергии на искрообразование, так и от температурных условий при заводке холодного двигателя, изменяющих эквивалентный зазор в свече зажигания. Сквозные токи при переключении ключей возникают из-за того, что необходимо время для запирания ключей, а в прототипе отсутствуют элементы, определяющие моменты окончания запирания ключей. Невзаимозаменяемость с уже существующими системами зажигания обусловлена особенностями подключения катушки зажигания, поскольку в существующих системах зажигания один из выводов первичной обмотки катушки зажигания подключен к первичному источнику питания - аккумулятору или к общей шине.

Техническим результатом изобретения является устранение недостатков прототипа и унифицированность системы зажигания.

Этот результат достигается благодаря тому, что система зажигания содержит преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, дроссель, два электронных ключа, устройство управления электронными ключами, которое имеет четыре входных вывода и два выходных, обратный диод и катушку зажигания.

Выход преобразователя постоянного напряжения соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора и одним выводом дросселя, второй вывод которого соединен с первым входом устройства управления ключами и входом первого электронного ключа, выход которого соединен со вторым входом устройства управления электронными ключами, одним выводом второго накопительного конденсатора, катодом обратного диода и входом второго электронного ключа. Выход этого ключа соединен с третьим блоком управления электронными ключами, анодом обратного диода и одним выводом первичной обмотки катушки зажигания, выход вторичной обмотки которой является выходом системы зажигания. Вторые выводы накопительных конденсаторов, обмоток катушки зажигания и общий вывод преобразователя присоединены к общей шине. Четвертый вход устройства управления электронными ключами является входом системы зажигания.

Устройство управления электронными ключами содержит одновибратор, элементы 2И и 2ИЛИ, два оптоэлектронных переключателя, конденсатор и диод.

Первый входной вывод устройства управления ключами соединен с катодным выводом входного диода первого оптоэлектронного переключателя, вывод анода которого подключен ко второму входному выводу устройства управления электронными ключами и одному из выводов конденсатора, второй вывод которого соединен с катодом диода и анодным выводом входного диода второго оптоэлектронного переключателя, катодный вывод которого соединен с анодом диода и третьим входным выводом устройства управления электронными ключами. Один из входов элемента 2И и вход одновибратора соединены с четвертым входным выводом устройства управления электронными ключами, при этом второй вход элемента 2И подключен к выходному выводу второго оптоэлектронного переключателя, выход элемента 2И - к одному входу элемента 2ИЛИ, выход одновибратора - к другому входу элемента 2ИЛИ, выход которого соединен с первым выходным выводом устройства управления электронными ключами, а выходной вывод первого оптоэлектронного переключателя - со вторым выходным выводом устройства управления электронными ключами.

Отличительными признаками изобретения являются дроссель, особая форма выполнения устройства управления электронными ключами и электрические связи, обусловленные введением дросселя и особой формой выполнения устройства управления.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема системы зажигания согласно изобретению; на фиг. 2 - эпюры напряжений во времени, поясняющие работу системы зажигания, где 2а - эпюра напряжения на первичной обмотке катушки зажигания предложенной системы; 2б - эпюра напряжения на первичной обмотке катушки зажигания прототипа.

На фиг. 1 введены обозначения: 1 - преобразователь постоянного напряжения (ППН); 2 - первый накопительный конденсатор (ПНК); 3 - дроссель (Др); 4 - первый электронный ключ (ПЭК); 5 - второй накопительный конденсатор (ВНК); 6 - второй электронный ключ (ВЭК); 7 - устройство управления электронными переключателями (УУП); 8 - обратный диод (ОД); 9 - катушка зажигания (КЗ); 10 - первый оптоэлектронный переключатель (ПОЭП); 11 - второй оптоэлектронный переключатель (ВОЭП); 12 - конденсатор (К); 13 - диод (Д); 14 - одновибратор (ОВ); 15 - элемент 2И (2И); 16 - элемент 2ИЛИ (ИЛИ).

Преобразователь 1 выполнен по схеме преобразователя низкого постоянного напряжения в более высокое по известным схемам, у которого входной и выходной минусовые выводы соединены между собой и образуют общий вывод преобразователя. Вход преобразователя 1 соединен с выходом первичного источника электропитания, например аккумулятора.

В качестве накопительного конденсатора 2 может быть применен, например, конденсатор типа К50-27-450В-100 мкФ, а в качестве конденсатора 5 может быть применен конденсатор типа К73-17-630В-1,0 мкФ.

Дроссель 3 может быть выполнен на разомкнутом магнитном сердечнике с катушкой индуктивности.

Электронные ключи 4 и 6 могут быть выполнены по схеме прототипа (фиг.1 поз. 3 и 6).

Устройство 7 управления электронными ключами 4 и 6 может быть собрано по схеме фиг. 1.

В качестве обратного диода 8 может быть применен диод типа КД258В.

Катушка 9 имеет первичную и вторичную обмотки, вторые выводы которых соединены и образуют общий вывод. В качестве катушки зажигания может быть применена, например, катушка зажигания типа Б-116, выпускаемая промышленностью для автомобиля "Волга".

Оптоэлектронные переключатели 10 и 11 могут быть выполнены на микросхеме типа К 249ЛП.1
В качестве конденсатора 12 может быть применен конденсатор типа К17-630В-0,01 мкФ.

В качестве диода 13 может быть применен диод типа КД258В.

Одновибратор 14 может быть выполнен, например, на микросхеме типа К155АГ1.

Элемент 15 2И может быть выполнен, например, на микросхеме типа К155ЛИ1.

Элемент 16 2ИЛИ может быть выполнен, например, на микросхеме типа К155ЛЛ1.

Система зажигания содержит преобразователь 1 постоянного напряжения, два накопительных конденсатора 2 и 5, дроссель 3, два электронных ключа 4 и 6, устройство 7 управления электронными ключами, обратный диод 8 и катушку зажигания 9.

Выход преобразователя постоянного напряжения 1 соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора 2 и одним выводом дросселя 3, второй вывод которого соединен с первым входом устройства 7 управления ключами и входом первого электронного ключа 4, выход которого соединен со вторым входом устройства управления электронными ключами, одним выводом второго накопительного конденсатора 5, катодом обратного диода 8 и входом второго электронного ключа 6. Выход этого ключа соединен с третьим входом блока управления электронными ключами, анодом обратного диода и первым выводом первичной обмотки катушки зажигания 9, выход вторичной обмотки которой является выходом системы зажигания. Вторые выводы накопительных конденсаторов 2 и 5, общие выводы катушки 9 зажигания и преобразователя присоединены к общей шине. Четвертый вход устройства управления электронными ключами является входом системы зажигания, на который подается сигнал, например, с контроллера системы зажигания.

Устройство управления электронными ключами имеет четыре входных и два выходных управляющих вывода и содержит: два оптоэлектронных переключателя 10 и 11, конденсатор 12, диод 13, одновибратор 14, элемент 15 2И и элемент 16 2ИЛИ.

Первый входной вывод устройства 7 управления ключами соединен с катодным выводом входного диода первого оптоэлектронного переключателя 10, вывод анода которого подключен ко второму входному выводу устройства управления электронными ключами и одному из выводов конденсатора 12, второй вывод которого соединен с катодом диода 13 и анодным выводом конденсатора 12, второй вывод которого соединен с катодом диода 13 и анодным выводом входного диода второго оптоэлектронного переключателя 11, катодный вывод которого соединен с анодом диода и третьим входным выводом устройства управления электронными ключами. Один из входов элемента 2И 15 и вход одновибратора 14 соединены с четвертым входным выводом устройства управления электронными ключами, при этом второй вход элемента 2И подключен к выходному выводу второго оптоэлектронного переключателя 11, выход элемента 2И - к одному входу элемента 2ИЛИ 16, выход одновибратора 14 - к другому входу элемента 2ИЛИ, выход которого соединен с первым выходным выводом устройства 7 управления электронными ключами, а выходной вывод первого оптоэлектронного переключателя 10 - со вторым выходным выводом устройства управления электронными ключами.

Система зажигания работает следующим образом.

При включении электропитания на четвертом входе управляющего устройства управления электронными ключами 7 устанавливается низкий уровень, преобразователь 1 напряжения заряжает накопительный конденсатор 2 до напряжения на его выходе. Ключи 4 и 6 разомкнуты, так как на выходах оптоэлектронных переключателей 10 и 11 и четвертом входе устройства управления 7 напряжение низкого уровня (нулевое). После поступления сигнала на вход системы зажигания (четвертый вход устройства управления электронными ключами), например, с контроллера системы зажигания, на выходе одновибратора 14 формируется импульс напряжения, который через элемент 16 2ИЛИ открывает электронный ключ 4, и через дроссель 3, ограничивающий ток через ключ, происходит заряд конденсатора 5 от напряжения на конденсаторе 2. Емкость конденсатора 2 выбрана много больше емкости конденсатора 5. По мере заряда конденсатора 5 уменьшающийся ток через дроссель 3 вызывает возникновение ЭДС самоиндукции, заряжающей конденсатор 5 до напряжения несколько большего, чем напряжение на конденсаторе 2, и при прекращении через дроссель 3 тока напряжение на выходе ключа 4 становится больше, чем на его входе. Ключ 4 закрывается, и через входной диод оптоэлектронного переключателя 11 проходит импульс тока, выравнивающий напряжение на конденсаторах 2 и 5. На выходе этого оптоэлектронного переключателя возникает импульс напряжения, открывающий электронный ключ 6. Конденсатор 5 начинает колебательный разряд через первичную обмотку катушки зажигания 9. В первый момент времени все напряжение на конденсатор 5 приложено к первичной обмотке катушки 9, а затем по мере увеличения тока в обмотке это напряжение уменьшается и становится равным нулю, когда ток в обмотке достигнет максимума. Под действием электромагнитной энергии, накопленной в катушке зажигания, конденсатор 5 начинает перезаряжаться через обратный диод 8, и когда ток в цепи становится равным нулю, конденсатор 5 начинает колебательный разряд через конденсатор 12, входной диод оптоэлектронного переключателя 11 и первичную обмотку катушки зажигания. Емкость конденсатора 12 выбрана много меньше емкости конденсатора 5. На выходе оптоэлектронного переключателя 11 возникает импульс напряжения, поступающий на вход элемента 15 2И, на втором входе которого в это время присутствует напряжение высокого уровня - входной сигнал системы зажигания. Сигнал с его выхода через элемент 16 2ИЛИ открывает ключ 4, и процесс повторяется до тех пор, пока на входе системы зажигания не появится сигнал низкого уровня, при этом блокируется прохождение сигнала, возникающего на выходе оптоэлектронного переключателя 11, и электронный ключ 4 остается закрытым. Сигнал на выходе оптоэлектронного переключателя 10 не возникает, ключ 6 также остается закрытым и процесс искрообразования прекращается до появления на входе системы зажигания сигнала высокого уровня. Таким образом, момент и длительность искрообразования определяются входным сигналом системы зажигания. Диод 13 предназначен для разряда конденсатора 12 в паузах между импульсами.

Система зажигания по изобретению, как и прототип, обладает максимальной частотой искрообразования и автоматически адаптируется к катушке зажигания любой индуктивности. Кроме того, предложенная система зажигания имеет следующие преимущества:
- имеет большую энергию многократного искрообразования за счет постоянства амплитуды импульсов в пачке, в то время как в прототипе она имеет нарастающий характер с малого уровня;
- имеет более высокую вероятность воспламенения горючей смеси от первого импульса в пачке, поскольку его амплитуда максимальна и примерно равна амплитудам остальных импульсов;
- имеет более высокую вероятность воспламенения горючей смеси от каждого последующего импульса в пачке как за счет стабильности их амплитуд, так и за счет более высокой крутизны фронтов импульсов высокого напряжения, что делает систему менее чувствительной к загрязнению свечей зажигания, в то время как в прототипе высокую крутизну имеет только первый импульс в пачке, имеющий наименьшую амплитуду;
- имеет более высокий КПД за счет отсутствия сквозных токов через ключи при их переключении и отсутствии токоограничивающего резистора и резистора датчика тока. В прототипе резистор, используемый в качестве датчика тока, не может быть выбран с малым сопротивлением из-за работы устройства в условиях сильных электрических и магнитных полей, приводящий к появлению помех, вызывающих ложные срабатывания системы зажигания:
- из-за возможности подключения второго вывода катушки зажигания либо к источнику электропитания, либо к корпусу система является взаимозаменяемой с системами зажигания, выпускаемыми промышленностью;
- данная система зажигания позволяет использовать преобразователь постоянного напряжения с общим выводом, из-за чего упрощается схема его стабилизации.

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано для поджига рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания. Система зажигания содержит преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, дроссель, два электронных ключа, устройство управления электронными ключами, которое имеет четыре входных вывода и два выходных, обратный диод и катушку зажигания. Выход преобразователя постоянного напряжения соединен с первым накопительным конденсатором и общим выводом дросселя, второй вывод которого соединен с первым входом устройства управления ключами и входом первого электронного ключа, выход которого соединен со вторым входом устройства управления электронными ключами, одним выводом второго накопительного конденсатора, катодом обратного диода и входом второго электронного ключа. Выход этого ключа соединен с третьим входом блока управления электронными ключами, анодом обратного диода и одним выводом первичной обмотки катушки зажигания, выход вторичной обмотки которой является выходом системы зажигания. Изобретение позволяет повысить эффективность работы системы и использовать в ней любые типы катушек зажигания. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Система зажигания, содержащая преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, выход первого из которых соединен с выходом преобразователя постоянного напряжения, два электронных ключа, обратный диод, катод которого подключен к входу второго электронного ключа, а анод - к его выходу, устройство управления электронными ключами с двумя входными и одним выходным выводами, один из входов которого является входом системы зажигания, и катушку зажигания, выход вторичной обмотки которой является выходом системы зажигания, отличающаяся тем, что в нее введен дроссель и два входных и один выходной вывод устройства управления электронными ключами, причем один из выводов дросселя подключен к точке соединения выхода преобразователя постоянного напряжения и одного из выводов первого накопительного конденсатора, второй вывод дросселя соединен с входом первого электронного ключа и первым входным выводом устройства управления электронными ключами, а выход первого электронного ключа соединен с одним из выводов второго накопительного конденсатора, вторым входным выводом устройства управления электронными ключами и общей точкой соединения входа второго электронного ключа и катода обратного диода, общая точка соединения анода обратного диода и выхода второго электронного ключа соединены с третьим входным выводом устройства управления электронными ключами и с одним из выводов первичной обмотки катушки зажигания, кроме того, вторые выводы накопительных конденсаторов, общий вывод преобразователя постоянного напряжения и общий вывод катушки зажигания соединены с общей шиной, а первый и второй выходные выводы устройства управления электронными ключами подключены к управляющим входам первого и второго электронных ключей соответственно, причем четвертый вход устройства управления электронными ключами является входным выводом системы зажигания. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство управления ключами содержит два оптоэлектронных переключателя, конденсатор, диод, одновибратор, элементы 2И и 2ИЛИ, причем первый входной вывод устройства управления электронными ключами соединен с катодным выводом входного диода первого оптоэлектронного переключателя, вывод анода которого подключен к второму выводу устройства управления электронными ключами и одному из выводов конденсатора, второй вывод которого соединен с катодом диода и анодным выводом входного диода второго оптоэлектронного переключателя, катодный вывод которого и анод диода подключены к третьему входному выводу устройства управления электронными ключами, один из входов элемента 2И и вход одновибратора соединены с четвертым входным выводом устройства управления ключами, при этом второй вход элемента 2И подключен к выходному выводу второго оптоэлектронного переключателя, выход элемента 2И подключен к одному входу элемента 2ИЛИ, выход одновибратора - к другому входу элемента 2ИЛИ, выход которого соединен с первым выходным выводом устройства управления электронными ключами, а выходной вывод первого оптоэлектронного переключателя - с вторым выходным выводом устройства управления электронными ключами.