СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02P3/04 F02P5/14 

Изобретение относится к устройствам электрооборудования автомобилей, в частности к системам зажигания для двигателей внутреннего сгорания.

Известна контактная система зажигания (1), применяемая в автомобилях, состоящая из источника электрической энергии, катушки зажигания, прерывателя и распределителя.

Недостатком данной системы является эрозия контактов прерывателя, малый КПД и нестабильность энергии искры, которая при запуске двигателя может уменьшаться во много раз.

Известна транзисторная система зажигания (2), (3), где вместо механического контакта прерывателя применен транзисторный ключ с соответствующей схемой управления.

Данная система позволяет использовать бесконтактные датчики, что исключает эрозию контактов прерывателя, но основные недостатки контактной системы сохраняются.

Известна система зажигания, содержащая источник питания, силовой ключ, диод, первичную и вторичную обмотки катушки зажигания, второй диод и второй ключ, объединяющая транзисторный и тиристорный тип систем зажигания (4).

Недостатком этой системы является то, что искрообразование состоит из двух совершенно независимых фаз, разделенных довольно большим временным промежутком, относительная сложность схемы и нестабильность работы тиристора снижает надежность функционирования системы в целом.

Наиболее близкой является система зажигания (5), относящаяся к классу комбинированных, представляющая собой сочетание тиристорной системы с непрерывным накоплением энергии от однотактного блокинг-генератора и транзисторной с узлом вольт-добавки, рассчитанная на совместную работу с "высокоомной" катушкой зажигания, содержащая также формирователь импульсов зажигания для тиристорной системы и формирователь импульсов для транзисторной системы, реализованных в виде одновибраторов.

Недостатком этой схемы является также наличие составной искры, разделенной достаточно большим промежутком и использование тринистора, вносящего определенную ненадежность.

Целью изобретения является обеспечение полного сгорания горючей смеси и, как следствие, уменьшение токсичности, повышение надежности функционирования и повышение экономичности двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что в систему зажигания, состоящую из преобразователя, включающего схему блокинг-генератора, электронного ключа, первого конденсатора, соединенного отрицательным выводом с выходной клеммой "катушка зажигания", а положительным с анодом первого диода, второго конденсатора, и схемы управления, выход которой соединен с управляющим входом электронного ключа, дополнительно введены третий конденсатор и три диода, при этом аноды второго и третьего диодов и первый вывод третьего конденсатора объединены и подключены к отрицательному выводу первого конденсатора, который положительным выводом подсоединен ко второму выводу первой вторичной обмотки трансформатора блокинг-генератора преобразователя, первый вывод которой подключен к катоду второго диода, катод третьего диода соединен с первым выводом второй вторичной обмотки трансформатора этого блокинг-генератора, второй вывод которой подключен ко второму выводу третьего конденсатора, к первому выводу второго конденсатора, к катоду четвертого диода, анод которого объединен со вторым выводом второго конденсатора и подключен к клемме "масса" источника питания, электронный ключ выполнен по схеме составного транзистора, коллектор которого соединен с катодом первого диода, с катодом четвертого диода и через резистор с входом управления преобразователя, вход управления электронного ключа подключен к базе его первого транзистора, через резистор соединенной с клеммой "масса" и подключен к выходу схемы управления, база второго транзистора электронного ключа и эмиттер его первого транзистора через резистор вместе с эмиттером второго транзистора соединены с клеммой "масса", а схема управления, состоящая из триггера Шмидта, дополнительно содержит три резистора, пятый и шестой диоды и конденсатор, своим входом подключена к клемме "прерыватель", при этом первый из резисторов одним выводом соединен с катодами пятого и шестого диодов и первым выводом третьего резистора, анод пятого диода подключен к базе первого транзистора триггера Шмидта, анод шестого диода соединен с вторым выводом первого резистора и с первым выводом входного конденсатора, который вторым выводом подключен к первому выводу второго резистора и входу схемы управления, второй вывод второго резистора через резистор фильтра соединен с клеммой "плюс" источника питания, второй вывод третьего резистора соединен с клеммой "масса".

С целью повышения КПД и получения стабилизированного выходного напряжения введены в преобразователь, включающий схему блокинг-генератора, два транзистора, два диода, стабилитрон и семь резисторов, катод первого диода подключен к базе транзистора блокинг-генератора, а анод - к коллектору первого транзистора, эмиттер которого соединен с клеммой "плюс" источника питания и с одним выводом первого резистора, вторым выводом подключенного к базе первого транзистора и к первому выводу второго резистора, который вторым выводом соединен с коллектором второго транзистора, к базе которого подключены анод стабилитрона и первый вывод третьего резистора, катод стабилитрона соединен с первыми выводами четвертого, пятого и шестого резисторов, вторые выводы третьего и пятого резисторов и эмиттер второго транзистора подключены к клемме "масса", второй вывод четвертого резистора подключен к аноду первого диода, а второй вывод шестого резистора соединен с управляющим входом преобразователя, а седьмой резистор и второй диод включены параллельно, при этом катод второго диода соединен с токоограничивающим резистором обмотки возбуждения блокинг-генератора, а анод - с базой его транзистора.

Использование одного транзисторного ключа для коммутации всех цепей позволяет исключить тиристор как наиболее ненадежное звено и упростить схему в целом.

Новым по сравнению с прототипом является введение в систему третьего конденсатора и трех диодов, при этом аноды второго и третьего диодов и первый вывод третьего конденсатора объединены и подключены к отрицательному выводу первого конденсатора, который положительным выводом подсоединен ко второму выводу первой вторичной обмотки трансформатора блокинг-генератора преобразователя, первый вывод которой подключен к катоду второго диода, катод третьего диода соединен с первым выводом второй вторичной обмотки трансформатора этого блокинг-генератора, второй вывод которой подключен ко второму выводу третьего конденсаторы, к первому выводу второго конденсатора, к катоду четвертого диода, анод которого объединен со вторым выводом второго конденсатора и подключен к клемме "масса" источника питания, электронный ключ выполнен по схеме составного транзистора, коллектор которого соединен с катодом первого диода, с катодом четвертого диода и через резистор со входом управления преобразователя, вход управления электронного ключа подключен к базе его первого транзистора, через резистор соединенной с клеммой "масса" и подключен к выходу схемы управления, база второго транзистора электронного ключа и эмиттер его первого транзистора через резистор вместе с эмиттером второго транзистора соединены с клеммой "масса", а схема управления, состоящая из триггера Шмидта, содержит три резистора, пятый и шестой диоды и конденсатор, своим входом подключена к клемме "прерыватель", при этом первый из резисторов одним выводом соединен с катодами пятого и шестого диодов, с первым выводом третьего резистора, анод пятого диода подключен к базе первого транзистора триггера Шмидта, анод шестого диода соединен с вторым выводом первого резистора и с первым выводом входного конденсатора, который вторым выводом подключен к первому выводу второго резистора и входу схемы управления, второй вывод второго резистора через резистор фильтра соединен с клеммой "плюс" источника питания, второй вывод третьего резистора соединен с клеммой "масса".

Указанная совокупность существенных признаков, характеризующая изобретение, не известна для существующего уровня техники. Доказательством данного факта может служить то, что в ходе проведенных исследований не обнаружено техническое решение, характеризующееся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения.

Это обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".

Указанный комплекс существенных признаков не может быть представлен как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков, которая направлена на достижение технического результата. Учитывая изложенное, можно сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "изобретательский уровень".

В связи с тем, что заявляемое техническое решение достаточно подробно раскрыто в виде технической реализации, представленной на чертеже в виде принципиальной электрической схемы устройства, то есть, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств, и то, что описание содержит достаточно убедительные доказательства способности обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, можно сделать вывод о соответствии требованию промышленной применимости.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема заявляемого устройства;
на фиг. 2 (а, б) - временная диаграмма работы системы.

Система зажигания (фиг. 1) состоит из преобразователя 1, включающего схему 2 блокинг-генератора, электронного ключа 3, первого 4 конденсатора, соединенного отрицательным выводом с выходной клеммой "катушка зажигания", а положительным с первым 5 диодом, второго конденсатора 6 и схему 7 управления, выход 9 которой соединен с управляющим входом электронного ключа 3, третьего 10 конденсатора и трех 11, 12, 13 диодов, при этом аноды второго 11 и третьего 12 диодов и первый вывод третьего 10 конденсатора объединены и подключены к отрицательному выводу первого 4 конденсатора, который положительным выводом подсоединен ко второму выводу первой вторичной обмотки трансформатора Тр1 блокинг-генератора 2 преобразователя 1, первый вывод которой подключен к катоду второго 11 диода, катод третьего 12 диода соединен с первым выводом второй вторичной обмотки трансформатора Тр1 этого блокинг-генератора, второй вывод которой подключен ко второму выводу третьего 10 конденсатора, к первому выводу второго 6 конденсатора, к катоду четвертого 13 диода, анод которого объединен со вторым выводом второго 6 конденсатора и подключены к клемме "масса" источника питания, электронный ключ 3 выполнен по схеме составного транзистора, коллектор которого соединен с катодом первого 5 диода, с катодом четвертого 13 диода и через резистор R_п к входу управления преобразователя 1, вход управления электронного ключа 3 соединен с базой его первого VT5 транзистора и подключен к выходу схемы управления 7, база второго VT4 транзистора электронного ключа 3 и эмиттер его первого VT5 транзистора через резистор R₁₀ соединены с клеммой "масса", а схема управления, состоящая из триггера 8 Шмидта, трех 14, 15, 34 резисторов, пятого 16 и шестого 17 диодов, конденсатора 19 своим входом 18 подключена к клемме "прерыватель", при этом первый 14 из резисторов одним выводом соединен с катодами пятого 16 и шестого 17 диодов с первым выводом третьего 34 резистора, анод пятого 16 диода подключен к базе первого VT1 транзистора триггера Шмидта, анод шестого 17 диода соединен с вторым выводом первого 14 резистора и с первым выводом входного 19 конденсатора, который вторым выводом подключен к первому выводу второго 15 резистора и входу 18 схемы управления, второй вывод второго 15 резистора через резистор фильтра R_ф соединен с клеммой "плюс" источника питания, второй вывод третьего резистора 34 соединен с клеммой "масса".

Преобразователь 1 состоит из схемы 2 блокинг-генератора, двух 20, 21 транзисторов, двух 22, 23 диодов, стабилитрона 24 и семи 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 резисторов, катод первого 22 диода подключен к базе транзистора блокинг-генератора 2, а анод к коллектору первого 20 транзистора, эмиттер которого соединен с клеммой "плюс" источника питания и с одним выводом первого 25 резистора, вторым выводом подключенного к базе первого 20 транзистора и к первому выводу второго 26 резистора, который вторым выводом соединен с коллектором второго 21 транзистора, к базе которого подключены анод стабилитрона 24 и первый вывод третьего 27 резистора, катод 24 стабилитрона соединен с первыми выводами четвертого 28, пятого 29 и шестого 30 резисторов, вторые выводы третьего 27 и пятого 29 резисторов и эмиттер второго 21 транзистора объединены и подключены к клемме "масса", второй вывод четвертого 28 резистора подключен к аноду диода 22, а второй вывод шестого 30 резистора соединен с управляющим 32 входом преобразователя 1, седьмой 32 резистор и второй диод 23 включены параллельно, при этом катод второго 23 диода соединен с токоограничивающим резистором обмотки возбуждения блокинг-генератора 2, а анод с базой его транзистора.

Система зажигания работает следующим образом.

При включении питания преобразователь 1 заряжает первый 4 и третий 10 конденсаторы, при поступлении импульсов с датчика-прерывателя система 7 управления вырабатывает сигнал, открывающий электронный ключ 3 на определенное время, в момент открывания электронного ключа 3 третий 10 конденсатор разряжается через источник питания на первичную обмотку катушки зажигания, индуцируя на вторичной обмотке импульс высокого напряжения (искру), по мере разряда третьего 10 конденсатора напряжение на нем падает и как только оно становится меньше значения напряжения первого 4 конденсатора, то и он, т.е. первый 4 конденсатор, начинает разряжаться, поддерживая ток в первичной обмотке катушки зажигания, искровой разряд в это время поддерживается за счет тока самоиндукции катушки зажигания; через определенное время электронный ключ 3 закрывается, резкое прерывание тока через первичную обмотку катушки зажигания приводит к еще одному импульсу тока самоиндукции во вторичной обмотке, но противоположного знака, после закрывания электронного ключа 3 преобразователь 1 вновь заряжает первый 4 и третий 10 конденсаторы до первоначального значения, таким образом система готова к следующему циклу.

Описанный процесс поясняется графиками токов и напряжений в ключевых точках схемы (фиг. 2), где U - напряжение на электронном ключе 3, а 1 - ток через вторичную обмотку катушки зажигания.

Этап I - электронный ключ 3 закрыт, преобразователь 1 заряжает конденсаторы 4 и 10, напряжение заряда стабилизировано, после окончания заряда напряжение колеблется возле определенного значения U, при этом процесс регулирования напряжения на конденсаторах 4 и 10 виден в виде "пилы" на графике.

Этап II - электронный ключ 3 открыт, работа преобразователя прерывается, конденсаторы 4 и 10 разряжаются, при этом при разряде конденсатора 10 возникает импульс тока во вторичной обмотке, разряд конденсатора 4 сопровождается плавным снижением тока вторичной обмотки и в это время катушка зажигания накапливает энергию самоиндукции (ток через первичную обмотку растет).

Этап III - электронный ключ закрывается, возникающий при этом импульс напряжения самоиндукции хорошо виден на фиг. 2а) в виде острого пика. Ток через вторичную обмотку катушки зажигания меняет знак и возрастает по абсолютному значению, далее возникает колебательный процесс в контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания вторым 6 конденсатором, через некоторое время процесс затухает, конденсаторы 10 и 4 оказываются заряженными напряжением самоиндукции до 0,3 - 0,5 значения первоначального напряжения, работа преобразователя возобновляется и конденсаторы 10 и 4 заряжаются до номинального значения.

Схема 7 управления содержит схему 8 триггера Шмидта, которая работает с гистерезисом около 0,8 V для помехозащищенности системы, дополнительно питание этой схемы осуществляется через помехоподавляющий фильтр R_ф C_ф. Дополнительно введенные схемные элементы позволяют реализовать в схеме 7 управления времязадающие цепи без применения активных элементов, вырабатывающие импульсы, длительность которых зависит от частоты следования, так при замкнутых контактах прерывателя входной конденсатор 10 заряжается через контакты прерывателя, резистор 14, диод 16 и эмиттерный переход первого транзистора T₁ триггера Шмидта, транзистор открыт и напряжение на выходе схемы 7 управления отсутствует, при разрывании контактов прерывателя входной конденсатор 19 разряжается через резистор 15, диод 17 и резистор 34, к диоду 16 приложено обратное напряжение и транзистор T₁ триггера Шмидта 8 закрыт на время разряда конденсатора, на выходе схемы формируется управляющий импульс; очевидно, что длительность разряда конденсатора 19 тем больше, чем больше время его предшествующего заряда, чем и достигается зависимость длительности импульсов от частоты.

Преобразователь 1 работает в основном в стандартном режиме блокинг-генератора, т. е. в режиме усиления, преобразования и формирования коротких импульсов с крутыми фронтами, в данной схеме осуществляется формирование мощных импульсов, заряжающих конденсаторы 4 и 10, с переводом в ждущий режим при достижении заданного напряжения, реализация режима автоматического регулирования выходного напряжения преобразователя 1 осуществляется введением стабилизационного каскада, состоящего из двух 20, 21 транзисторов, диода 22, стабилизатора 24 и резисторов с одновременным повышением КПД за счет введения в обратную связь параллельно соединенных диода 23 и резистора 31.

Примером конкретной реализации может быть выбран вариант, использующий доступные и серийно выпускаемые элементы электроники, так в качестве электронного ключа 3 может быть использовано соединение транзисторов КТ 8127А и КТ 872В, схема блокинг-генератора может быть реализована на базе транзистора КТ 837Ф, а схема триггера Шмидта - на транзисторах КТ 816, в качестве диодов рекомендуется использовать диоды типа КД 521 и КД 226 Д.

Предлагаемая система зажигания обладает рядом преимуществ, так, данное схемное решение позволяет получить искру с повышенной энергией и длительностью, при этом энергия искры и длительность не зависят от внешних случайных факторов, а изменяются так, чтобы обеспечить оптимальную работу двигателя, в частности гарантируя мощное искрообразование при запуске, ведь специфика работы двигателя внутреннего сгорания диктует (при малых оборотах при частоте от 0 до ≈ 40 Гц) желательность наличия искры повышенной длительности и энергии, что дает "мягкую" работу двигателя, снижает детонацию, уменьшает расход топлива и токсичность выхлопа. При возрастании оборотов двигателя энергия искры и ее длительность могут быть уменьшены, так как сказывается уменьшение давления в камере сгорания, остаточная ионизация в искровом промежутке, повышенная температура и т.д.; увеличение скорости нарастания напряжения в искровом промежутке в несколько раз делает систему малочувствительной к ухудшению изоляции высоковольтной части за счет нагара, замасливания свечей зажигания, высокой влажности воздуха.

Источники информации
1. С.М. Круглов. Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей. - М.: Высшая школа, 1991, с. 72, 73.

2. Там же, с. 79 - 81.

3. В.А. Вершигора, А.П. Игнатов и др. Автомобиль ВАЗ-2108 "Спутник". Устройство и ремонт. - М.: Транспорт, 1987.

4. Авторское свидетельство СССР N 977846, F 02 P 3/04, 1982/
5. Ю. Архипов. Полуавтоматический блок зажигания. Журнал "Радио" N 1, 1990, с. 31 - 34; N 2, 1990, с. 39 - 42 (прототип).

6. Расчет импульсных устройств на полупроводниковых приборах. / Под редакцией Т.М. Агаханяна. - М.: Советское радио, 1975, с. 220, рис. 5.17; с. 276, рис. 7.1б.

Изобретение относится к устройствам электрооборудования автомобилей, в частности к системам зажигания для двигателей внутреннего сгорания, и позволяет в необходимый момент времени получить искру с повышенной энергией и длительностью и тем самым обеспечить оптимальность режима работы двигателя автомобиля. С целью повышения надежности функционирования и упрощения в устройство, состоящее из преобразователя, включающего схему блокинг-генератора, электронного ключа, двух конденсаторов, диода и схемы управления, введены третий конденсатор, три диода, а схема управления дополнительно содержит два диода и три резистора и конденсатор, объединенные соответствующей совокупностью связей. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Система зажигания, состоящая из преобразователя, включающего схему блокинг-генератора, электронного ключа, первого конденсатора, соединенного отрицательным выводом с выходной клеммой "катушка зажигания", а положительным с анодом первого диода, второго конденсатора, и схемы управления, выход которой соединен с управляющим входом электронного ключа, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены третий конденсатор и три диода, при этом аноды второго и третьего диодов и первый вывод третьего конденсатора объединены и подключены к отрицательному выводу первого конденсатора, который положительным выводом подсоединен ко второму выводу первой вторичной обмотки трансформатора блокинг-генератора преобразователя, первый вывод которой подключен к катоду второго диода, катод третьего диода соединен с первым выводом второй вторичной обмотки трансформатора этого блокинг-генератора, второй вывод которой подключен к второму выводу третьего конденсатора и к первому выводу второго конденсатора, в катоду четвертого диода, анод которого объединен со вторым выводом второго конденсатора и подключен к клемме "масса" источника питания, электронный ключ выполнен по схеме составного транзистора, коллектор которого соединен с катодом первого диода, с катодом четвертого диода и через резистор со входом управления преобразователя, вход управления электронного ключа подключен к базе его первого транзистора, через резистор соединенной с клеммой "масса", и подключен к выходу схемы управления, база второго транзистора электронного ключа и эмиттер его первого транзистора через резистор вместе с эмиттером второго транзистора соединены с клеммой "масса", а схема управления, состоящая из триггера Шмидта, дополнительно содержит три резистора, пятый и шестой диоды и конденсатор, своим входом подключена к клемме "прерыватель", при этом первый из резисторов одним выводом соединен с катодами пятого и шестого диодов и с первым выводом третьего резистора, анод пятого диода подключен к базе первого транзистора триггера Шмидта, анод шестого диода соединен с вторым выводом первого резистора и с первым выводом входного конденсатора, который вторым выводом подключен к первому выводу второго резистора и входу схемы управления, второй вывод второго резистора через резистор фильтра соединен с клеммой "плюс" источника питания, второй вывод третьего резистора соединен с клеммой "масса". 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что преобразователь, включающий схему блокинг-генератора, дополнительно содержит два транзистора, два диода, стабилитрон и семь резисторов, катод первого диода подключен к базе транзистора блокинг-генератора, а анод - к коллектору первого транзистора, эмиттер которого соединен с клеммой "плюс" источника питания и с одним выводом первого резистора, вторым выводом подключенного к базе первого транзистора и к первому выводу второго резистора, который вторым выводом соединен с коллектором второго транзистора, к базе которого подключены анод стабилитрона первый вывод третьего резистора, катод стабилитрона соединен с первыми выводами четвертого, пятого и шестого резисторов, вторые выводы третьего и пятого резисторов и эмиттер второго транзистора подключены к клемме "масса", второй вывод четвертого резистора подключен к аноду первого диода, а второй вывод шестого резистора соединен с управляющим входом преобразователя, седьмой резистор и второй диод включены параллельно, при этом катод второго диода соединен с токоограничивающим резистором обмотки возбуждения блокинг-генератора, а анод с базой его транзистора.