СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02P17/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для контроля процесса горения топлива в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известны (1) системы зажигания ДВС, в которых с целью получения информации о протекании процесса горения топлива в камере сгорания осуществляют измерение ионного тока, протекающего через искровой промежуток разрядника, размещенного в камере сгорания.

За прототип заявляемой системы зажигания взята система зажигания для ДВС, описанная в международной заявке WO 97/13978, публ. 17.04.97, которая включает в себя источник питания, отрицательный полюс которого соединен с массой ДВС, блок управления, разрядник с искровым промежутком, размещенным в камере сгорания, и канал зажигания. Канал зажигания включает в себя электронный ключ, катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками, конденсатор, подключенный параллельно виткам первичной обмотки, диод, включенный последовательно со вторичной обмоткой катушки зажигания, и измерительную цепочку, подключенную параллельно электродам разрядника. Цепочка состоит из включенных последовательно измерительного конденсатора и токоизмерительного резистора. Первый вывод первичной обмотки катушки соединен с положительным полюсом источника питания, а второй вывод соединен через электронный ключ с массой ДВС. Блок управления 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.

Недостатком прототипа является низкая точность при измерении ионного тока на начальном участке измерения непосредственно после окончания искрового разряда.

Данный недостаток связан с наличием затухающих свободных колебаний напряжения, возникающих во вторичной обмотке катушки зажигания в момент окончания искрового разряда. Причиной колебаний служит остаточная энергия зажигания, запасенная в магнитном поле катушки зажигания и не израсходованная полностью в искровом разряде. В свою очередь, данное явление связано с особенностью протекания искрового разряда в камере сгорания ДВС в условиях переменных давления и температуры, а также турбулентности. При измерении ионного тока происходит сложение (суперпозиция) измерительного напряжения и напряжения свободных колебаний, что вызывает неопределенность в результатах измерений, поскольку амплитуда напряжения свободных колебаний является величиной случайной.

Задачей заявляемой системы зажигания является повышение точности измерения ионного тока, протекающего через электроды разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС.

Указанная задача решается в системе зажигания для ДВС, включающей в себя источник питания, блок управления, разрядник с искровым промежутком, размещенным в камере сгорания, и канал зажигания, включающий в себя электронный ключ, катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками, первый конденсатор, подключенный параллельно виткам первичной обмотки, диод, включенный последовательно со вторичной обмоткой катушки зажигания, измерительную цепочку, состоящую из включенных последовательно второго конденсатора и токоизмерительного резистора и подключенную параллельно электродам разрядника, причем блок управления снабжен двумя входами, первый из которых подключен к точке соединения второго конденсатора и токоизмерительного резистора, а второй - к точке соединения первичной обмотки катушки зажигания и электронного ключа, тем, что блок управления дополнительно снабжен таймером для генерирования импульса гашения, а канал зажигания дополнительно снабжен узлом гашения свободных колебаний, причем управляющий вход узла гашения свободных колебаний соединен с выходом таймера. При этом узел гашения свободных колебаний может быть выполнен в виде электронного ключа, замыкающего выводы одной из обмоток катушки зажигания. Узел гашения свободных колебаний может быть также выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных электронного ключа и резистора для рассеивания энергии свободных колебаний.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена схема системы зажигания для измерения ионного тока в искровом промежутке разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения узла гашения свободных колебаний.

На фиг. 3 изображены эпюры напряжений в контрольных точках A, B и C системы зажигания:
UA - напряжение в точке A на выходе блока 1 управления;
UB0, UC0 - напряжение в точках B, C системы зажигания при незадействованном узле гашения свободных колебаний;
UB1, UC1 - напряжение в точках B, C при работе системы зажигания, снабженной узлом гашения свободных колебаний.

Система зажигания (см. фиг. 1) включает в себя источник питания (на схеме нее показан), блок 1 управления, разрядник 2 и канал 3 зажигания. Канал 3 зажигания включает в себя электронный ключ 4, катушку 5 зажигания с первичной и вторичной обмотками, конденсатор 6, подключенный параллельно виткам первичной обмотки, диод 7, подключенный последовательно со вторичной обмоткой катушки 5 зажигания, измерительную цепочку 8, состоящую из соединенных последовательно конденсатора 9 и токоизмерительного резистора 10, и подключенную параллельно электродам разрядника 2. Блок 1 управления снабжен входами 11, 12, первый из которых подключен к точке соединения конденсатора 9 и резистора 10, а второй - к точке соединения первичной обмотки катушки 5 зажигания и ключа 4. Блок 1 управления снабжен также таймером 13. Таймер 13 может быть реализован в блоке 1 программно или аппаратно. Таймер 13, выполненный аппаратно (см. фиг. 1), имеет вход запуска R, вход загрузки D и управляющий выход 14. Канал 3 зажигания дополнительно снабжен узлом 15 гашения свободных колебаний. Управляющий выход 14 таймера 13 соединен со входом управления узла 15 гашения свободных колебаний. Узел 15 может быть выполнен в виде электронного ключа (см. фиг. 2) на транзисторах 16 и 17 и снабжен гасящим резистором 18, предназначенным для поглощения остаточной энергии. Транзистор 17 и гасящий резистор 18 соединены последовательно и подключены параллельно обмотке L катушки зажигания, в качестве которой может выступать одна из обмоток катушки (первичная, вторичная или специальная гасящая обмотка). Резисторы 19, 20 и 21, изображенные на фиг. 2, предназначены для обеспечения рабочего режима электронного ключа.

Система зажигания работает следующим образом.

В исходном состоянии, при включении источника питания на управляющем выходе блока 1 управления (на схеме фиг. 1 не обозначен) и управляющем выходе 14 таймера 13 блока 1 управления устанавливаются уровни напряжения, запирающие электронный ключ 4 и электронный ключ узла 15 соответственно. При этом ток через первичную обмотку катушки 5 зажигания не протекает. В процессе работы системы зажигания на управляющем выходе блока 1 управления, в момент времени t0, см. фиг. 3, определяемый программой управления, устанавливается открывающий уровень напряжения. Электронный ключ 4 замыкается и через первичную обмотку начинает протекать линейно нарастающий ток. Ток, протекающий через первичную обмотку катушки 5 зажигания, вызывает появление связанного с ним нарастающего магнитного потока, в котором происходит накопление энергии зажигания. При достижении требуемой величины тока (момент времени t1), который также определяется программой управления блока 1 управления и соответствует требуемому углу зажигания, происходит закрывание электронного ключа 4. При этом ток в первичной обмотке катушки 5 и вызываемый им магнитный поток спадают до нуля, что по закону индукции вызывает появление ЭДС самоиндукции в первичной и вторичной обмотках катушки 5. Импульс напряжения, формирующийся во вторичной обмотке катушки 5 зажигания, вызывает электрический пробой искрового промежутка разрядника 2 (7-15 кВ), что является начальной стадией формирования искрового разряда. После пробоя в искровом промежутке разрядника 2 возникает тлеющий разряд, а напряжение во вторичной обмотке падает до напряжения горения тлеющего разряда (700-800 В). Это основная стадия искрового разряда, на поддержание которой расходуется запасенная в магнитном поле энергия зажигания. По мере расхода запасенной энергии зажигания и изменении температуры и давления в камере сгорания наступает момент времени t2, при котором остающейся энергии зажигания становится недостаточно для поддержания тлеющего разряда, и искровой разряд переходит в свою последнюю стадию, сопровождающуюся скачкообразным уменьшением тока разряда. Остающаяся энергия, запасенная в магнитном поле катушки 5 зажигания, вызывает появление автоколебания и тока, при которых происходит перекачка энергии из индуктивности первичной обмотки в распределенную емкость вторичной цепи и обратно (интервал времени между моментами времени t2 и t4 на эпюрах UB0 и UC0, соответствующих отсутствию узла 15 гашения свободных колебаний). При этом амплитуда напряжения автоколебаний может достигать нескольких сотен вольт, в зависимости от величины остаточной энергии зажигания. Как известно, остаточная энергия зажигания является случайной величиной, поскольку условия прекращения горения тлеющего разряда от цикла к циклу могут сильно меняться, что является особенностью ДВС с искровым зажиганием. После начала формирования искрового разряда, по истечении определенного времени (интервал времени между t1 и t2 на фиг. 3), достаточного для поджига топливо-воздушной смеси в камере сгорания, блок 1 управления на выходе 14 выставляет уровень напряжения, открывающий электронный ключ узла 15 гашения свободных колебаний, что вызывает закорачивание обмотки L (см. фиг. 2) транзистором 17 и принудительное рассеивание остаточной энергии зажигания на гасящем резисторе 18. При этом автоколебания во вторичной цепи катушки 5 зажигания уже не возникают (см. фиг. 3, эпюры UB1 и UC1). Время принудительного рассеивания энергии (интервал времени между t2 и t3 на фиг. 3) зависит от режима работы ДВС (от нагрузки и оборотов) и определяется программой блока 1 управления, которая загружает таймер 13 через вход D для генерирования соответствующего времени и производит его запуск по входу R. По окончании режима принудительного рассеивания остаточной энергии зажигания система зажигания переходит в режим измерения ионных токов, при котором блок 1 управления производит периодическое кратковременное включение электронного ключа 4 с частотой, близкой к резонансной частоте магнитосвязанных резонансных контуров, образованных емкостями и индуктивностями обмоток катушки 5. При этом во вторичной обмотке катушки 5 зажигания возникают синусоидальные колебания напряжения с периодом T, амплитуда которых зависит от частоты включения электронного ключа 4. Конденсатор 6, см. фиг. 1, необходим для устойчивого возбуждения вышеназванных колебаний. Регулирование амплитуды напряжения осуществляется блоком 1 управления с помощью обратной связи по входу 12. Синусоидальные импульсы во вторичной обмотке катушки 5 через диод 7 и токоизмерительный резистор 10 производят заряд (дозаряд) измерительного конденсатора 9 до некоторой, наперед заданной, величины, определяемой блоком 1 управления при помощи обратной связи 11. Разряд измерительного конденсатора 9 происходит по цепи через токоизмерительный резистор 10 и искровой промежуток разрядника 2, проводимость которого зависит от условий в камере сгорания (от температуры, давления и концентрации ионов). Величина тока заряда определяется степенью разряда измерительного конденсатора 9 за период вышеупомянутых синусоидальных колебаний и пропорциональна интегралу тока разряда за период T. Амплитуда импульсов напряжения, измеряемая блоком 1 на токоизмерительном резисторе 10 во время заряда измерительного конденсатора 9, пропорциональна амплитуде импульсов заряда (дозаряда) конденсатора 9 и, следовательно, проводимости искрового промежутка разрядника 2.

Литература
1. Shigeru Miyata, Yasuo Ito (NGK Spark Plug Co., Ltd), Yuichi Shimasaki (Honda R&D Co., Ltd). Flame Ion Density Measurement Using Spark Plug Voltage Analysis. S A E paper N 930462, 1993.

Изобретение относится к двигателестроению, может быть использовано для контроля процесса горения топлива в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и решает задачу повышения точности измерения ионного тока, протекающего через электроды разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС. Указанная задача решается в системе зажигания для ДВС, снабженной устройством измерения ионного тока, тем, что канал зажигания системы дополнительно снабжен узлом гашения свободных колебаний, возникающих в момент затухания искрового разряда, при этом узел гашения свободных колебаний может быть выполнен в виде электронного ключа, замыкающего выводы одной из обмоток катушки зажигания, узел гашения свободных колебаний может быть также выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных электронного ключа и резистора для рассеивания энергии свободных колебаний, время гашения свободных колебаний задается блоком управления системы зажигания. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Система зажигания для ДВС, включающая в себя источник питания, блок управления, разрядник с искровым промежутком, размещенным в камере сгорания, и канал зажигания, включающий в себя электронный ключ, катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками, первый конденсатор, подключенный параллельно виткам первичной обмотки, измерительную цепочку, подключенную параллельно искровому промежутку разрядника и состоящую из второго конденсатора и токоизмерительного резистора, причем блок управления снабжен двумя входами, первый из которых подключен к точке соединения второго конденсатора и токоизмерительного резистора, а второй - к точке соединения первичной обмотки катушки зажигания и электронного ключа, отличающаяся тем, что блок управления дополнительно снабжен таймером, генерирующим импульс гашения, а канал дополнительно снабжен узлом гашения свободных колебаний, причем управляющий вход узла гашения свободных колебаний соединен с выходом таймера. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что узел гашения свободных колебаний выполнен в виде электронного ключа, подключенного параллельно обмотке катушки зажигания. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что узел гашения представляет собой последовательно соединенные электронный ключ и резистор. 4. Система по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что электронный ключ подключен параллельно виткам первичной обмотки катушки зажигания. 5. Система по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что электронный ключ подключен параллельно виткам вторичной обмотки катушки зажигания.