СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02P3/08 

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 (Россия, патент N 2019726, F 02 P 3/00, БИ N 17, 1994 г.). Эта система содержит переключатель, два электронных ключа, устройство управления этими ключами, выполненное на элементе 2 ИЛИ-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 выходным 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 устройства 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:
- не взаимозаменяемость с выпускаемыми промышленностью системами зажигания.

Эти недостатки обусловлены тем, что эта схема 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. Не взаимозаменяемость 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.

Также известна система зажигания (RU, пат. N 2115016, БИ N 19 от 10.07.98 г.), которая принята за прототип изобретения. Эта система 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 ключами, одним выводом второго накопительного конденсатора, катодом обратного диода и входом второго электронного ключа. Выход этого ключа соединен с третьим входом 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.

Недостатками прототипа является сложность конструкции (электрической схемы), низкий КПД, из-за потерь на втором силовом ключе и обратном диоде и недостаточная энергия искры из-за пауз (во время переписи напряжения с первого накопительного конденсатора на второй) в протекании тока в первичной обмотке катушки зажигания.

Техническим результатом изобретения является устранение недостатков аналога и прототипа и увеличение надежности работы системы зажигания.

Этот результат достигается благодаря тому, что система зажигания содержит преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, дроссель, электронный ключ, устройство управления электронным ключом с двумя входами - сигнальным и управляющим и одним выходом и катушку зажигания. Выход преобразователя постоянного напряжения соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора и одним выводом дросселя, другой вывод которого соединен со входом электронного ключа. Выход электронного ключа соединен с управляющим входом устройства управления электронным ключом, одним выводом второго накопительного конденсатора и одним выводом первичной обмотки катушки зажигания. Один из выводов вторичной обмотки катушки зажигания является выходом системы зажигания. Выход устройства управления электронным ключом соединен с его управляющим входом. Другие выводы накопительных конденсаторов и общий вывод преобразователя постоянного напряжения присоединены к минусу источника питания (общей шине), а другие выводы обмоток катушки зажигания присоединены либо к минусу либо к плюсу источника питания.

Устройство управления электронным ключом содержит два одновибратора, резистор, стабилитрон, элемент 2И и элемент 2ИЛИ. Сигнальный вход устройства управления электронным ключом соединен со входом первого одновибратора и одним входом элемента 2И. Выход первого одновибратора соединен с одним входом элемента 2ИЛИ, выход которого является выходом устройства управления электронным Ключом. Второй вход элемента 2И соединен с катодом стабилитрона и одним выводом резистора, второй вывод которого является управляющим входом устройства управления электронным ключом. Анод стабилитрона соединен с общей шиной. Выход элемента 2И соединен со входом второго одновибратора, выход которого соединен со вторым входом элемента 2ИЛИ.

Отличительными признаками изобретения являются соединение одного вывода первичной обмотки катушки зажигания с выводом второго накопительного конденсатора, к которому присоединены выход электронного ключа и управляющий вход управляющего устройства) а другие выводы обмоток катушки зажигания присоединены либо к минусу, либо к плюсу источника питания.

Конструкция системы зажигания и ее работа поясняются чертежом.

На чертеже приведена возможная электрическая схема системы зажигания согласно изобретению, на которой введены следующие обозначения:
1 - преобразователь постоянного напряжения;
2 - первый накопительный конденсатор;
3 - дроссель;
4 - электронный ключ;
5 - второй накопительный конденсатор;
6 - устройство управления электронным ключом;
7 - катушка зажигания;
8 - резистор;
9 - стабилитрон;
10 - первый одновибратор;
11 - второй одновибратор;
12 - элемент 2И;
13 - элемент 2ИЛИ;
Преобразователь 1 может быть выполнен по схеме преобразователя низкого постоянного напряжения в более высокое постоянное напряжение по известным схемам, у которого входной и выходной минусовые выводы соединены между собой и образуют общий вывод преобразователя, соединенного с массой. Вход преобразователя 1 соединен с выходом первичного источника электропитания, например, аккумулятора.

В качестве накопительного конденсаторов 2 может быть применен, например, конденсатор типа К50-27-450В-100 мкФ, а в качестве накопительного 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.

Электронный ключ 4 может быть выполнен по схеме прототипа с входом и выходом и управляющим входом (фиг. 1, поз. 4).

Устройство 6 управления электронным ключом 4 может быть собрано по схеме чертежа описания изобретения.

Катушка 7 имеет первичную (с малым числом витком) и вторичную (с большим числом витков) обмотки, вторые выводы которых соединены и образуют общий вывод, соединенный с массой.

В качестве катушки зажигания может быть применена, например, катушка зажигания типа Б-116, выпускаемая промышленностью для автомобиля "Волга".

В качестве стабилитрона 9 может быть применен, например, стабилитрон КС147А.

Одновибраторы 10 и 11 могут быть выполнены, например, на микросхеме типа К155АП.

Элемент 12 2И может быть выполнен, например, на микросхеме типа К155ЛИ1.

Элемент 13 2ИЛИ может быть выполнен, например, на микросхеме типа К155ЛЛ1.

Источником питания (на чертеже не показан) может служить аккумуляторная батарея, которая сама заряжается от электрогенератора.

Система зажигания может быть выполнена по схеме, которая изображена на чертеже, и содержит: преобразователь 1 постоянного напряжения, два накопительных конденсатора 2 и 5, дроссель 3, электронный ключ 4, устройство 6 управления электронным ключом с двумя входами - сигнальным и управляющим и одним выходом и катушку 7 зажигания. Выход преобразователя 1 постоянного напряжения соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора 2 и одним выводом дросселя 3, другой вывод которого соединен со входом электронного ключа 4. Выход электронного ключа 4 соединен с управляющим входом устройства 6 управления электронным ключом, одним выводом второго накопительного конденсатора 5 и одним выводом первичной обмотки катушки 7 зажигания. Один из выводов вторичной обмотки катушки 7 зажигания является выходом системы зажигания. Выход устройство управления 6 электронным ключом соединен с его управляющим входом. Выход устройства управления электронным ключом соединен с его управляющим входом. Вторые выводы накопительных конденсаторов 2 и 5, вторые выводы обмоток катушки 7 зажигания и общий вывод преобразователя 1 постоянного напряжения присоединены к минусу источника питания (общей шине).

Устройство 6 управления электронным ключом содержит: резистор 8, стабилитрон 9, два одновибратора 10 и 11, элемент 12 2И и элемент 13 2ИЛИ. Сигнальный вход устройства 6 управления электронным ключом 4 соединен со входом первого одновибратора 10 и одним входом элемента 12 2И. Выход первого одновибратора 10 соединен с одним входом элемента 13 2ИЛИ, выход которого является выходом устройством управления электронным ключом. Второй вход элемента 12 2И соединен с катодом стабилитрона 9 и одним выводом 8, второй вывод элемента 2И является управляющим входом устройства управления электронным ключом. Анод стабилитрона 9 соединен с общей шиной системы зажигания. Выход элемента 12 2И соединен со входом второго одновибратора 11, выход которого соединен со вторым входом элемента 13 2ИЛИ.

Система зажигания работает следующим образом.

При включении электропитания преобразователь 1 постоянного напряжения заряжает накопительный конденсатор 2 до напряжения на своем выходе. После поступления импульса сигнала на вход устройства управления 6 системы зажигания, например, с выхода трамблера двигателя внутреннего сгорания, на выходе одновибратора 10 формируется импульс напряжения, который через элемент 13 2ИЛИ открывает электронный ключ 4. Второй накопительный конденсатор 5 заряжается от первого накопительного конденсатора 2 током, протекающим через дроссель 3. Длительность процесса зарядки конденсатора 5 определяется параметрами колебательного контура (постоянной времени), образованного дросселем 3, конденсаторами 2 и 5 и первичной обмотки катушки 7 зажигания. В том случае, когда индуктивность дросселя много меньше индуктивности первичной обмотки зажигания, время зарядки второго накопительного конденсатора определяется постоянной времени цепи, образованной индуктивностью дросселя и емкостью конденсаторов 2 и 5. Длительность τ импульсов одновибраторов 10 и 11 выбирается такой, чтобы обеспечить зарядку накопительного конденсатора 5 от накопительного конденсатора 2 через открытый ключ 4 и определяется по формуле:

где L - индуктивность дросселя 3;
C - емкость последовательно соединенных конденсаторов 2 и 5.

Например, при L = 20 мкГн и C = 1 мкФ, τ = 14 мкс.

После окончания импульса сигнала на управляющем входе электронного ключа 4 ключ закрывается, при этом на конденсаторе 5 максимальное положительное напряжение. Источником тока для катушки зажигания становится конденсатор 5. Начинается колебательный процесс в контуре, образованном конденсатором 5 и первичной обмоткой катушки зажигания 7. В момент времени, когда катушка зажигания отдавая энергию, перезаряжает конденсатор 5 напряжение на нем вновь становится положительным, на втором входе элемента 12 2И появляется напряжение - логическая "1", а поскольку в это время еще действует управляющий сигнал на его первом входе, то сигнал с выхода элемента 12 2И запускает одновибратор 10. Импульс с выхода одновибратора 10 через элемент 13 2ИЛИ включает ключ 4 и происходит дозарядка конденсатора 5.

По окончании импульса сигнала на выходе одновибратора 11 ключ 4 закрывается, зарядка конденсатора 5 прекращается и процесс повторяется до тех пор, пока присутствует сигнал на входе системы зажигания.

Система зажигания по изобретению, обладает максимальной частотой искрообразования и автоматически адаптируется к любой штатной катушке зажигания любого автомобиля, причем вторые выводы обмоток катушки зажигания могут быть подключены либо к положительному выводу источника питания, либо к его минусу (общей шине).

Система предназначена для двигателей внутреннего сгорания. Система зажигания содержит преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, дроссель, электронный ключ, устройство управления электронным ключом с двумя входами - сигнальным и управляющим и одним выходом и катушку зажигания. Выход преобразователя постоянного напряжения соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора и одним выводом дросселя, другой вывод которого соединен со входом электронного ключа. Выход электронного ключа соединен с управляющим входом устройства управления электронным ключом, одним выводом второго накопительного конденсатора и одним выводом первичной обмотки катушки зажигания. Один из выводов вторичной обмотки катушки зажигания является выходом системы зажигания. Выход устройства управления электронным ключом соединен с его управляющим входом. Вторые выводы накопительных конденсаторов и общий вывод преобразователя постоянного напряжения присоединены к минусу источника питания (общий шине). Вторые выводы обмоток катушки зажигания присоединены либо к плюсу, либо к минусу источника питания. Система зажигания по изобретению, обладает максимальной частотой искрообразования и автоматически адаптируется к любой штатной катушке зажигания любого автомобиля. Число комплектующих элементов в системе зажигания сведено к минимуму, что обеспечивает ее надежную работу. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Система зажигания, содержащая преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, дроссель, электронный ключ, устройство управления электронным ключом с двумя входами - сигнальным и управляющим и одним выходом и катушку зажигания, причем выход преобразователя постоянного напряжения соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора и одним выводом дросселя, другой вывод которого соединен со входом электронного ключа, выход которого соединен с управляющим входом устройства управления электронным ключом и одним выводом второго накопительного конденсатора, кроме того, выход устройства управления электронным ключом соединен с его управляющим входом, другие выводы накопительных конденсаторов и общий вывод преобразователя постоянного напряжения присоединены к минусу источника питания (общей шине), отличающаяся тем, что один вывод первичной обмотки катушки зажигания соединен с выводом второго накопительного конденсатора, к которому присоединены выход электронного ключа и управляющий вход управляющего устройства, а другие выводы обмоток катушки зажигания присоединены либо к минусу, либо к плюсу источника питания. 2. Система зажигания по п.1, отличающаяся тем, что устройство управления электронным ключом содержит два одновибратора, резистор, стабилитрон, элемент 2И и элементы 2ИЛИ, причем сигнальный вход устройства управления электронным ключом соединен со входом первого одновибратора и одним входом элемента 2И, выход первого одновибратора соединен с одним входом элемента 2ИЛИ, выход которого является выходом устройства управления электронным ключом, кроме того, второй вход элемента 2И соединен с катодом стабилитрона и одним выводом резистора, второй вывод которого является управляющим входом устройства управления электронным ключом, анод стабилитрона соединен с общей шиной, выход элемента 2И соединен со входом второго одновибратора, выход которого соединен со вторым входом элемента 2ИЛИ.