СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВС Российский патент 1998 года по МПК F02P17/00 

Изобретение относится к системам зажигания для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), снабженным устройствами для измерения ионного тока между электродами искрового промежутка в камере сгорания.

Процесс горения топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС сопровождается образованием относительно долгоживущих свободных ионов [1]. Измеряя электрическую проводимость зазора между электродами искрового промежутка, например, свечи зажигания, можно отслеживать развитие горения смеси и изменение давления в камере сгорания ДВС [2].

Известна система зажигания ДВС [3], включающая в себя источник питания, блок управления, электронный ключ, катушку зажигания и свечу зажигания. Система снабжена устройством для измерения ионного тока между электродами свечи зажигания, включающим в себя источник измерительного напряжения, включенный во вторичную цепь катушки зажигания параллельно электродам свечи зажигания, устройство высоковольтной развязки, выполненное в виде высоковольтного резистора и служащее для защиты источника измерительного напряжения от импульсов зажигания, датчик тока, выполненный в виде резистора, фильтр блокировки постоянной составляющей измерительного напряжения и узел обработки сигнала ионного тока.

Достоинством данной системы зажигания является возможность осуществления контроля процесса горения по изменению ионного тока в течение всего рабочего такта в цилиндре ДВС. Это позволяет, например, оптимизировать угол опережения зажигания по пику давления в цилиндре [4].

Недостатком данной системы зажигания является необходимость применения дополнительного источника энергии и устройства высоковольтной развязки [5] и, как следствие, низкая надежность.

За прототип принята система зажигания ДВС [6], которая включает в себя источник питания, первый полюс которого соединен с массой ДВС, блок управления, свечи зажигания, у которых один из электродов соединен с массой ДВС, каналы зажигания, соединяющие блок управления со вторыми (центральными) электродами свечей. Каждый канал содержит электронный ключ и катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками, причем управляющий вывод ключа соединен с выходом блока управления, первый вывод первичной обмотки катушки зажигания соединен со вторым полюсом источника питания, а второй вывод первичной обмотки соединен с массой ДВС через электронный ключ.

Система снабжена устройством для обнаружения пропуска воспламенения, состоящим из диода, включенного между высоковольтным выводом вторичной обмотки катушки зажигания и свечой зажигания, емкостного делителя напряжения, первый из конденсаторов которого выполнен в виде проходного, образованного проводником высокого напряжения, соединяющим вывод диода с центральным электродом свечи зажигания, и обкладкой, окружающей часть этого проводника, а второй включен между обкладкой первого конденсатора и массой ДВС, а также детектора пропуска воспламенения, вход которого подключен к средней точке емкостного делителя напряжения.

Устройство для обнаружения пропуска воспламенения работает следующим образом.

Блок управления вырабатывает сигнал управления электронным ключом, представляющий собой импульс, длительность которого определяет время протекания тока через первичную обмотку катушки зажигания. При выключении электронного ключа во вторичной обмотке катушки зажигания возникает индуктивный выброс напряжения, вызывающий электрический пробой искрового промежутка свечи зажигания. После пробоя сопротивление искрового промежутка резко падает и напряжение на электродах свечи зажигания снижается до напряжения горения тлеющего разряда. Ток тлеющего разряда поддерживается за счет энергии, запасенной в магнитном поле катушки зажигания во время протекания тока через ее первичную обмотку. При снижении тока разряда ниже некоторого порогового значения искра гаснет, а во вторичной обмотке катушки зажигания возникают затухающие свободные колебания тока и напряжения. Амплитуда свободных колебаний может достигать нескольких сотен вольт. Первая полуволна свободных колебаний, проходя через диод, заряжает проходной измерительный конденсатор до некоторого напряжения, после чего начинается его разряд через сопротивление искрового промежутка свечи зажигания. Напряжение на искровом промежутке свечи делится емкостным делителем и поступает на вход детектора пропуска воспламенения. Детектор пропусков воспламенения измеряет время разряда проходного измерительного конденсатора, которое определяется сопротивлением искрового промежутка. Если воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорание произошло, то время разряда измерительной емкости будет значительно меньше времени ее разряда в отсутствии воспламенения, так как наличие свободных ионов в искровом промежутке свечи зажигания, возникающих при сгорании топливовоздушной смеси, резко снижает сопротивление искрового промежутка. Таким образом, путем измерения длительности разряда проходного измерительного конденсатора получают информацию о пропусках воспламенения в цилиндре ДВС.

Данная система зажигания позволяет определить наличие или отсутствие сгорания в камере ДВС и обладает более высокой надежностью, что обусловлено отсутствием дополнительного источника энергии и устройства высоковольтной развязки.

Недостатком описанной системы зажигания является невозможность измерения ионного тока и контроля процесса горения путем анализа формы изменения давления в камере сгорания в течение такта рабочего хода в цилиндре ДВС, что обусловлено однократностью заряда проходного измерительного конденсатора при формировании каждой искры.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей системы зажигания для ДВС путем многократного измерения ионного тока в искровом промежутке в течение всего такта рабочего хода в цилиндре ДВС.

Указанная задача решается тем, что в системе зажигания для ДВС, имеющего по меньшей мере одну камеру сгорания, включающей в себя источник питания, первый полюс которого соединен с массой ДВС, блок управления, искровой промежуток, размещенный в камере сгорания, первый электрод которого соединен с массой ДВС, канал зажигания, включающий в себя электронный ключ, управляющий вывод которого соединен с соответствующим выходом блока управления, диод, катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками, первый вывод первичной обмотки которой соединен со вторым полюсом источника питания, а второй вывод - через электронный ключ - с массой ДВС, первый вывод вторичной обмотки соединен со вторым полюсом источника питания, а второй ее вывод через диод соединен со вторым электродом разрядника, и снабженный измерительным конденсатором, первый электрод которого соединен со вторым электродом искрового промежутка, канал дополнительно снабжен токоизмерительным резистором, подключенным между вторым электродом измерительного конденсатора и массой ДВС, а блок управления дополнительно снабжен двумя входами, первый из которых подключен к точке соединения измерительного конденсатора и токоизмерительного резистора, а второй - к точке соединения первичной обмотки катушки зажигания и электронного ключа. При этом система зажигания может быть снабжена дополнительным конденсатором, подключенным параллельно виткам первичной обмотки катушки зажигания.

Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 представлена схема системы зажигания для ДВС. На фиг. 2 - 6 показаны эпюры напряжений относительно массы ДВС в различных точках схемы, приведенной на фиг. 1. При этом на фиг.2 показана осциллограмма импульсов управления на выходе управления блока 1, на фиг. 3 - осциллограмма напряжения на электронном ключе 4, на фиг. 4 - осциллограмма напряжения на высоковольтном выводе вторичной обмотки катушки зажигания 5, на фиг. 5 - осциллограмма напряжения на первом электроде измерительного конденсатора 7, а на фиг. 6 - осциллограмма напряжения на токоизмерительном резисторе 9.

Система зажигания для ДВС, представленная на фиг. 1, включает в себя источник питания (на фиг. 1 не показан), один полюс которого соединен с массой ДВС, блок управления 1, искровой промежуток 2, канал зажигания 3, соединяющий блок управления с искровым промежутком 2 и содержащий электронный ключ 4, катушку зажигания 5, диод 6, измерительный конденсатор 7, дополнительный конденсатор 8 и токоизмерительный резистор 9. Электронный ключ 4 подключен между первичной обмоткой катушки зажигания 5 и массой ДВС. Выход блока управления 1 соединен с управляющим входом электронного ключа 4. Общая точка соединения первичной и вторичной обмоток соединена со вторым полюсом источника питания. Диод 6 подключен между высоковольтным выводом вторичной обмотки катушки зажигания 5 и вторым электродом искрового промежутка 2, первый электрод которого соединен с массой ДВС. Первый электрод измерительного конденсатора 7 соединен с вторым электродом искрового промежутка 2. Второй электрод измерительного конденсатора 7 соединен с первым выводом токоизмерительного резистора 9, второй вывод которого подключен к массе ДВС. Дополнительный конденсатор 8 подключен параллельно первичной обмотке катушки зажигания 5. Общая точка соединения измерительного конденсатора 7 и токоизмерительного резистора 9 подключена к дополнительному входу 10 блока управления 1. Общая точка соединения первичной обмотки катушки зажигания 5 и ключа 4 подключена к дополнительному входу 11 блока управления 1.

Система зажигания работает следующим образом.

В исходном состоянии, при включении источника питания на выходе управления блока управления 1 устанавливается низкий уровень напряжения. При этом электронный ключ 4 закрыт и ток через первичную обмотку катушки зажигания 5 не протекает.

В момент времени Т1 (фиг. 2) на управляющем выходе блока управления 1 устанавливается высокий уровень напряжения, отпирающий электронный ключ 4. При этом через первичную обмотку начинает протекать нарастающий ток и в магнитном поле катушки зажигания 5 накапливается энергия зажигания. По истечении времени Тн в момент времени Т2 блок управления 1 выключает электронный ключ 4, при этом, в соответствии с законом индукции, во вторичной обмотке катушки зажигания 5 формируется высоковольтный импульс, вызывающий электрический пробой и образование искрового разряда в искровом промежутке 2. По окончании разряда в период времени ТЗ-Т4 блок управления 1 производит периодическое кратковременное включение ключа 4 таким образом, что возбуждает колебания магнитного потока магнитоэлектрической системы катушки зажигания 5. Дополнительный конденсатор 8, включенный параллельно первичной обмотке катушки зажигания 5 необходим для устойчивого возбуждения вышеназванных колебаний. Регулирование амплитуды напряжения осуществляется блоком управления 1 с помощью обратной связи по входу 11. Импульсы напряжения, наведенные во вторичной обмотке, через диод 6 и токоизмерительный резистор 9 производят заряд измерительного конденсатора 7 до некоторой наперед заданной величины, определяемой блоком управления 1 при помощи обратной связи 11. Разряд измерительного конденсатора 7 происходит по цепи через токоизмерительный резистор 9 и искровой промежуток 2. Величина тока разряда, а следовательно, и остаточное напряжение на измерительном конденсаторе 7 в момент дозаряда определяется сопротивлением искрового промежутка, которое зависит от концентрации свободных ионов в камере сгорания. Амплитуда импульсов напряжения, измеряемая блоком управления 1 на токоизмерительном резисторе 9 во время заряда измерительного конденсатора 7, пропорциональна амплитуде импульсов тока дозаряда измерительного конденсатора 7, которая в свою очередь пропорциональна интегралу тока разряда измерительного конденсатора 7 на периоде времени разряда, определяемому интенсивностью процесса сгорания топливной смеси.

Источники информации
1. Andre Saitzkoff, Raymond Remmann, and Thomas Berglind (Lund Institute of Technology), Magnus Glavmo (Mecel). An lonization Equilibrium Analysis of the Spark Plug as an lonization Sensor. S A E paper N 960337 (1996 г.), s. 158.

2. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. Под ред. Д. Хиллиарда, Дж. Спрингера.-М.: Машиностроение, 1988, с. 260.

З. Патент США N 5180984, опубл. 19.01.93.

4. Lars Erifcsson and Lars Nielsen (Linkoping Univ.), Jan Nytomt (Mecel AB). Ignition Control by lonization Current Interpretation. S A E paper N 960045 (1996 г.), s. 74.

5. Shigeru Miyata, Yasuo lto (NGK Spark Plug Co.,Ltd), Yuicyi Shimasaki (Honda R&D Co.,Ltd). Flame Ion Density Measurement Using Spark Plug Voltage Analysis. S A E paper N 930462 (1993 г.), s. 6.

6. Патент США N 5438970, опубл. 08.08.95.

Изобретение относится к электрооборудованию ДВС и позволяет измерять ионный ток между электродами искрового промежутка свечи зажигания двигателя во время горения топливовоздушной смеси. Система зажигания включает в себя источник питания, блок управления, искровой промежуток, размещенный в камере сгорания, канал зажигания, включающий в себя электронный ключ, управляющий вывод которого соединен с выходом блока управления, и катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками. Первый вывод первичной обмотки соединен с полюсом источника питания, второй вывод первичной обмотки соединен через электронный ключ с массой ДВС, а высоковольтный вывод вторичной обмотки соединен через диод со вторым электродом искрового промежутка. Система также содержит измерительный конденсатор, первый электрод которого соединен с центральным электродом разрядника, причем канал зажигания дополнительно снабжен токоизмерительным резистором, подключенным между вторым электродом измерительного конденсатора и массой, а блок управления дополнительно снабжен двумя входами, первый из которых подключен к точке соединения измерительного конденсатора и токоизмерительного резистора, а второй - к точке соединения первичной обмотки катушки зажигания и электронного ключа. При этом параллельно виткам первичной обмотки катушки зажигания может быть дополнительно подключен конденсатор. Таким образом достигается расширение функциональных возможностей системы зажигания. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система зажигания для ДВС, имеющего по меньшей мере одну камеру сгорания, включающая в себя источник питания, первый полюс которого соединен с массой ДВС, блок управления, искровой промежуток, размещенный в камере сгорания, первый электрод которого соединен с массой ДВС, канал зажигания, включающий в себя электронный ключ, управляющий вывод которого соединен с выходом блока управления, диод, катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками, первый вывод первичной обмотки которой соединен с вторым полюсом источника питания, второй вывод через электронный ключ - с массой ДВС, первый вывод вторичной обмотки соединен с вторым полюсом источника питания, а второй вывод через диод - с вторым электродом искрового промежутка, и снабженный измерительным конденсатором, первый электрод которого соединен с вторым электродом искрового промежутка, отличающаяся тем, что канал зажигания дополнительно снабжен токоизмерительным резистором, подключенным между вторым электродом измерительного конденсатора и массой ДВС, а блок управления дополнительно снабжен двумя входами, первый из которых подключен к точке соединения измерительного конденсатора и токоизмерительного резистора, а второй - к точке соединения первичной обмотки катушки зажигания и электронного ключа. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что параллельно виткам первичной обмотки катушки зажигания подключен конденсатор.