СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02P3/00 

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время одним из путей повышения экологических показателей двигателей транспортных средств является их перевод на газообразное топливо. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные на предприятиях России, свидетельствуют о целесообразности создания газового двигателя с наддувом, работающего на значительно обедненной газо-воздушной смеси.

Для поджига рабочей смеси в цилиндрах газовых двигателей может быть использована традиционная система зажигания с накоплением энергии в индуктивности (см. , например, патент Российской Федерации N 2072440, кл. F 02 P 3/00, 1997 г.). Однако, известно, что энергия искрового разряда в такой системе, как правило, недостаточна для обеспечения надежного воспламенения рабочей смеси при запуске двигателя, а также при поступлении в цилиндры бедной смеси. Это приводит к затрудненному запуску при низких температурах, пропускам воспламенения смеси на переходных режимах работы двигателя и является причиной увеличения токсичности выхлопных газов.

Все упомянутые недостатки классической системы зажигания особенно сильно проявляются в двигателях, работающих на газе. Для надежного поджига рабочей смеси в таких двигателях требуется более высокое пробивное напряжение, большая мощность и длительность искры. Содержание водяного пара в камере сгорания газового двигателя при пуске заметно выше, чем в бензиновом двигателе, и традиционные контактные и бесконтактные системы зажигания с накоплением энергии в индуктивности не могут обеспечить необходимую при таких условиях скорость нарастания напряжения на свечах зажигания.

Для увеличения энергии искрового разряда и его длительности может быть использована система зажигания с двойным искрообразованием, по существу совмещающая в себе системы с накоплением энергии в индуктивности и в емкости (см. заявку PCT N 93/12339, кл. F 02 P 3/00, 1993 г.).

Недостатком данной системы является то, что время разряда не может регулироваться и практически не зависит от частоты вращения двигателя и других режимных параметров. Функциональные возможности системы недостаточны для обеспечения эффективного воспламенения рабочей смеси на всех режимах работы двигателя, особенно при его запуске. Описанная в заявке PCT 93/12339 система "двойного искрообразования" не может быть использована для регистрации пропусков воспламенения смеси в цилиндрах двигателя.

Задачей изобретения является повышение надежности и эффективности работы системы зажигания газового двигателя и расширение ее функциональных возможностей.

Поставленная задача решается путем того, что система зажигания газового двигателя внутреннего сгорания, содержащая блок управления, вход которого подключен к устройству формирования сигнала положения коленчатого вала двигателя, по меньшей мере, одну катушку зажигания, и коммутатор, включенный между блоком управления и катушкой зажигания и снабженный повышающим преобразователем напряжения с накопительным конденсатором на выходе и, по меньшей мере, одним силовым транзисторным ключом, выполнена с возможностью генерации пакетов импульсов управления силовым транзисторным ключом, через который первичная обмотка катушки зажигания соединена с выходом преобразователя напряжения, а параллельно первичной обмотке подключен емкостной элемент, образующий с ней колебательный LC-контур, причем длительность пакета импульсов автоматически регулируется в зависимости от частоты вращения двигателя таким образом, что продолжительность поджига смеси в каждом из цилиндров составляет 20-50 градусов поворота коленчатого вала на всех частотах вращения двигателя.

Длительность разряда в свече зажигания в предлагаемой системе определяется длительностью пакета импульсов, подаваемых на транзисторный ключ, а мощность разряда - напряжением на выходе преобразователя и длительностью самих импульсов. Это дает широкие возможности регулировки параметров разряда в зависимости от режимных параметров работы двигателя. С помощью предлагаемой системы в свече зажигания может быть получен как длительный непрерывный разряд, так и серия разрядов, каждый из которых имеет емкостную составляющую. Как известно, емкостной разряд эффективнее воспламеняет однородную, полностью газифицированную смесь (см. Опарин И.М. и др. "Электронные системы зажигания", М., Машиностроение, 1987 г., стр. 80). То есть, возможность получения серии емкостных разрядов особенно важна для газовых двигателей.

Указанная выше продолжительность подачи поджигающих импульсов (20-50 градусов поворота коленчатого вала) является достаточной для обеспечения надежного воспламенения обедненной смеси в газовом двигателе с наддувом при любой частоте его вращения.

С помощью емкостного элемента, подключенного параллельно первичной обмотке катушки зажигания, обеспечивается необходимая длительность колебаний тока в последней, а также безопасный режим работы транзисторного ключа. За счет питания катушки зажигания от повышающего преобразователя напряжения обеспечивается высокая скорость нарастания тока в первичной обмотке, а следовательно, высокая скорость нарастания напряжения во вторичной обмотке.

Целесообразно выполнять блок управления на базе микропроцессора, с помощью которого осуществляется регулирование длительности пакетов импульсов управления транзисторным ключом и угла опережения зажигания, и снабжать его встроенным датчиком давления-разряжения, соединенным с помощью гибкого шланга с впускным коллектором двигателя. Это позволяет более точно регулировать момент начала поджига смеси в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя и практически исключить асинхронизм искрообразования, а следовательно, уменьшить токсичность выхлопных газов. Кроме того, это позволяет выполнять систему зажигания без традиционного прерывателя-распределителя и, следовательно, упростить адаптацию к работе на газовом топливе многоцилиндрового дизельного двигателя. Это объясняется тем, что при таком выполнении системы зажигания для адаптации не требуется установки на дизельный двигатель специального редуктора, необходимого для привода прерывателя-распределителя.

Целесообразно выполнять систему зажигания многоканальной, с возможностью разогрева свечей зажигания перед запуском двигателя, при этом количество катушек зажигания может быть или равно или вдвое меньше числа цилиндров в двигателе, количество транзисторных ключей в коммутаторе, соединенных с выходом схемы генерации пакета импульсов, равно количеству катушек зажигания, а коммутатор дополнительно снабжен распределителем импульсов управления силовыми транзисторными ключами и двумя разделительными диодами, один из которых включен между выходом преобразователя напряжения и точкой соединения первичных обмоток катушек зажигания, а другой - между аккумуляторной батареей и упомянутой точкой соединения.

Выполнение системы зажигания без высоковольтного распределителя позволяет повысить ее взрывобезопасность, что особенно важно для газовых двигателей. Предварительный прогрев свечей зажигания перед пуском необходим для предотвращения осаждения на поверхности изолятора паров воды, образующихся при первой вспышке.

Система может быть снабжена устройством регистрации пропусков воспламенения газа в цилиндрах двигателя, включающим по меньшей мере одну цепь из последовательно соединенных индуктивного датчика тока в высоковольтной цепи и выпрямительного диода и схему обработки сигнала с датчика. Конструктивное объединение системы зажигания и устройства регистрации пропусков воспламенения позволяет иметь на автомобиле многофункциональную систему, способную изменять параметры искрового разряда в зависимости от режима работы двигателя, надежно воспламенять бедные смеси на всех режимах работы, снизить токсичность выхлопных газов, выявлять пропуски воспламенения смеси (в том числе одиночные) и идентифицировать их по цилиндрам, в которых они возникают.

На чертеже представлена схема системы зажигания четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, выполненная в соответствии с формулой изобретения. Аналогично может быть выполнена система зажигания для двигателя с большим или меньшим числом цилиндров. В приведенном ниже примере выполнения системы могут быть применены серийно выпускаемые двухвыводные катушки зажигания, однако, возможно также использование изобретения для создания системы с индивидуальными для каждого цилиндра малогабаритными катушками зажигания.

Система зажигания газового двигателя внутреннего сгорания содержит микропроцессорный блок управления 1, катушки зажигания 2, 3 и коммутатор 4, включенный между блоком управления 1 и катушками зажигания. Коммутатор снабжен генератором импульсов 5, соединенным с входами силовых транзисторных ключей 6 и 7 через распределитель импульсов (мультиплексор) 8. Первичные обмотки 9 и 10 катушек зажигания подключены к преобразователю напряжения 11 с накопительным конденсатором 12 на выходе. Параллельно первичным обмоткам 9 и 10 подключены конденсаторы 13 и 14, образующие с ними колебательные LC-контуры. К вторичным обмоткам 15 и 16 катушек зажигания подключены свечи зажигания 17.

Блок управления 1 выполнен на базе микроконтроллера и снабжен встроенным датчиком 18 давления-разряжения, соединенным с помощью гибкого шланга с впускным коллектором двигателя. К входу блока 1 подключено устройство 19 формирования сигнала положения коленчатого вала, выполненное в виде датчика угловых импульсов.

Система зажигания выполнена с возможностью разогрева свечей зажигания перед запуском двигателя, для чего коммутатор дополнительно снабжен двумя разделительными диодами 20 и 21, один из которых включен между выходом преобразователя напряжения 11 и точкой соединения первичных обмоток 9 и 10 катушек зажигания, а другой - между входом коммутатора, предназначенным для соединения с аккумуляторной батареей 22, и упомянутой точкой соединения первичных обмоток. Для разогрева свечей зажигания коммутатор снабжен также дополнительным генератором импульсов 23 и двумя разделительными диодами 24 и 25. Свечи зажигания 17 при этом должны быть снабжены помехоподавительными резисторами. Между аккумуляторной батареей 22 и коммутатором 4 включен контакт 26 замка зажигания.

Система зажигания снабжена устройством регистрации пропусков воспламенения газа в цилиндрах двигателя, включающим цепи из последовательно соединенных индуктивных датчиков 27-30 тока в высоковольтных цепях, выпрямительных диодов 31-34 и схемы 35 обработки сигнала. Индуктивные датчики тока представляют собой обмотки, охватывающие высоковольтные провода, подключенные к свечам зажигания. В состав схемы 35 обработки сигнала входят интегратор 36, пороговый дискриминатор 37 и нормализатор 38 длительности и амплитуды импульсов. Интегратор 34 представляет собой параллельно соединенные конденсатор и разрядный резистор (на чертеже не показаны). Выход нормализатора 36 и управляющий вход соответствующего транзисторного ключа 7 коммутатора подключены к входам схемы 39 сравнения, выход которой соединен с блоком управления 1. На чертеже показано, каким образом обрабатывается сигнал с одного индуктивного датчика 27. Сигналы с остальных датчиков обрабатываются аналогично. Схема 35 обработки сигнала может быть выполнена иначе, например, она может быть составной частью микропроцессорного блока 1.

Для включения режима прогрева свечей зажигания к входу микропроцессорного блока 1 подключен кнопочный выключатель 40.

Система зажигания работает следующим образом.

При вращающемся двигателе контакт 26 замка зажигания замкнут, преобразователь напряжения 11 работает и заряжает конденсатор 12. Сигнал на начало искрообразования с выхода микропроцессорного блока управления 1 поступает на вход генератора импульсов 5 и запускает его. Одновременно на управляющий вход мультиплексора 8 с блока управления 1 поступает сигнал, несущий информацию о том, в каком цилиндре должно осуществляться искрообразование. В результате выход генератора 5 соединяется с управляющим входом одного из транзисторных ключей 6 или 7. На выходе генератора 5 формируются импульсы, длительность которых определяет величину тока через катушку зажигания. Количество формируемых импульсов зависит от частоты вращения двигателя и задается блоком управления 1.

Каждое отпирание транзисторного ключа 6 или 7 приводит к возникновению в соответствующем LC-контуре, образованном первичной обмоткой 9 или 10 и конденсатором 13 или 14, затухающего колебательного процесса. В момент открытия ключа ток через первичную обмотку соответствующей катушки зажигания резко возрастает и во вторичной обмотке генерируется высокое напряжение, пробивающее искровой промежуток свечи зажигания (емкостная фаза разряда). Далее, ток в свече зажигания затухает, изменяясь по синусоидальному закону (индуктивная фаза разряда).

Интервал между импульсами, формируемыми генератором 5, устанавливают достаточным для того, чтобы колебательный процесс, вызванный однократным отпиранием транзисторного ключа, затух и сопротивление разрядного промежутка восстановилось.

В случае, если смесь не воспламенилась от первого разряда, во втором разряде, так же как и в первом, будет присутствовать емкостная составляющая. То есть будет иметь место бросок тока во вторичной цепи катушки зажигания. Емкостные составляющие будут присутствовать во всех разрядах до тех пор, пока смесь не воспламенится. После воспламенения смеси температура и давление в камере сгорания резко возрастают, а сопротивление разрядного промежутка падает. Таким образом, искровые разряды, проскакивающие через свечу после воспламенения смеси, не будут иметь емкостных составляющих. Однако, эти разряды будут способствовать более полному сгоранию смеси и одновременно позволят установить факт ее воспламенения.

Ток во вторичной обмотке катушки зажигания регистрируется с помощью индуктивного датчика 27, охватывающего высоковольтный провод. Напряжение, индуктируемое в датчике 27, выпрямляется с помощью диода 31 и поступает на интегратор 36, расширяющий длительность импульса, получаемого во время емкостной фазы разряда и снижающего амплитуду этого импульса. Это необходимо, так как емкостная фаза длится очень короткий промежуток времени (единицы микросекунд).

Импульсы с выхода интегратора 36 поступают на пороговый (амплитудный) дискриминатор 37, выделяющий из них только те, которые могут быть созданы током, протекающим во время емкостной фазы разряда (ток емкостной фазы разряда на несколько порядков превышает ток индуктивной фазы). Далее, серия импульсов, количество которых равно числу разрядов, имеющих емкостные составляющие, поступает на вход схемы 38. На выходе схемы 38 формируются нормализованные импульсы, длительность которых равна длительности импульсов, поступающих на вход электронного ключа 7, а амплитуда соответствует допустимому входному напряжению схемы 39 сравнения.

Таким образом, на один вход схемы 39 сравнения поступают импульсы с генератора 5, а на другой - импульсы, количество которых равно числу разрядов, имеющих емкостные составляющие. В случае, если количество импульсов на обоих входах схемы 39 сравнения равно, на ее выходе формируется сигнал пропуска воспламенения. Этот сигнал поступает на вход блока 1 и может быть использован для индикации факта отсутствия воспламенения, а также для отключения подачи топлива в цилиндр, в котором смесь не воспламенилась.

Длительность процесса искрообразования в каждом из цилиндров, так же как и угол опережения зажигания, задается микропроцессорным блоком 1.

Перед запуском двигателя в холодную погоду после включения замка зажигания нажимают кнопку 40. При этом микропроцессорный блок управления 1 формирует сигнал, запускающий генератор импульсов 23, и сигнал, блокирующий работу преобразователя напряжения 11. Одновременно, на управляющие входы мультиплексора 8, с микропроцессорного блока поступает сигнал подключения к генератору 23 обоих транзисторных ключей 6, 7, на которые в течение 1-1,5 минут непрерывно подаются управляющие импульсы, длительность которых существенно больше длительности импульсов, вырабатываемых генератором 5. Транзисторные ключи 6, 7 срабатывают и на все свечи зажигания 17 поступает напряжение, под воздействием которого осуществляется их прогрев. Питание катушек зажигания 2 и 3 в режиме прогрева свечей осуществляется непосредственно от аккумуляторной батареи 22 через диод 21.

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания. Система зажигания газового двигателя внутреннего сгорания содержит блок управления, вход которого подключен к устройству формирования сигнала положения коленчатого вала двигателя, по меньшей мере одну катушку зажигания и коммутатор, включенный между блоком управления и катушкой зажигания и снабженный повышающим преобразователем напряжения с накопительным конденсатором на выходе и, по меньшей мере, одним силовым транзисторным ключом, и отличается тем, что она выполнена с возможностью генерации пакетов импульсов управления силовым транзисторным ключом, через который первичная обмотка катушки зажигания соединена с выходом преобразователя напряжения, а параллельно первичной обмотке подключен емкостной элемент, образующий с ней колебательный LC-контур, причем длительность пакета импульсов автоматически регулируется в зависимости от частоты вращения двигателя таким образом, что продолжительность поджига смеси в каждом из цилиндров составляет 20-50^o поворота коленчатого вала на всех частотах вращения двигателя. Изобретение позволяет повысить надежность и эффективность работы системы зажигания. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система зажигания газового двигателя внутреннего сгорания, содержащая блок управления, вход которого подключен к устройству формирования сигнала положения коленчатого вала двигателя, по меньшей мере, одну катушку зажигания и коммутатор, включенный между блоком управления и катушкой зажигания и снабженный повышающим преобразователем напряжения с накопительным конденсатором на выходе и, по меньшей мере, одним силовым транзисторным ключом, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью генерации пакетов импульсов управления силовым транзисторным ключом, через который первичная обмотка катушки зажигания соединена с выходом преобразователя напряжения, а параллельно первичной обмотке подключен емкостный элемент, образующий с ней колебательный LC-контур, причем длительность пакетов импульсов автоматически регулируется в зависимости от частоты вращения двигателя таким образом, что продолжительность поджига смеси в каждом из цилиндров составляет 20 - 50^o поворота коленчатого вала на всех частотах вращения двигателя. 2. Система зажигания по п.1, отличающаяся тем, что блок управления выполнен на базе микропроцессора, с помощью которого осуществляется регулирование длительности пакетов импульсов и угла опережения зажигания. 3. Система зажигания по п.2, отличающаяся тем, что блок управления снабжен встроенным датчиком давления-разрежения, соединенным с помощью гибкого шланга с впускным коллектором двигателя. 4. Система зажигания по одному из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она выполнена многоканальной с возможностью разогрева свечей зажигания перед запуском двигателя, при этом количество катушек зажигания равно или вдвое меньше числа цилиндров в двигателе, количество транзисторных ключей в коммутаторе, соединенных с выходом схемы генерации пакета импульсов, равно количеству катушек зажигания, а коммутатор дополнительно снабжен распределителем импульсов управления силовыми транзисторными ключами и двумя разделительными диодами, один из которых включен между выходом преобразователя напряжения и точкой соединения первичных обмоток катушек зажигания, а другой - между аккумуляторной батареей и упомянутой точкой соединения. 5. Система зажигания по одному из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что она снабжена устройством регистрации пропусков воспламенения газа в цилиндрах двигателя, включающем, по меньшей мере, одну цепь из последовательно соединенных индуктивного датчика тока в высоковольтной цепи и выпрямительного диода и схему обработки сигнала с датчика.