СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОИМПУЛЬСНОГО РЕЖИМА ВОЗБУЖДЕНИЯ КАТУШКИ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02P3/08 F02P15/10 

Использование: в двигателестроении.

Известен способ создания искровых разрядов в камере сгорания ДВС путем формирования нескольких дополнительных импульсов тока с параметрами первого в первичной обмотке катушки зажигания, приводящих к дополнительным искровым разрядам в искровом промежутке, причем момент начала формирования каждого дополнительного импульса тока совпадает с моментом окончания высоковольтного импульса напряжения на вторичной обмотке катушки зажигания, вызванного предыдущим импульсом тока в первичной обмотке катушки зажигания.

Известный способ имеет следующие недостатки:
- получение нескольких искровых разрядов в цикле сжатия порции рабочей смеси возможно только при исчезновении сильно нагретого ионизированного канала, возникающего между электродами искрового промежутка во время электрического разряда, что приводит к ухудшению воспламеняемости и сгорания рабочей смеси на режимах частичных нагрузок;
- начало формирования первого импульса тока в первичной обмотке катушки зажигания после получения сигнала от датчика положения коленчатого вала, соответствующего моменту зажигания, приводит к необходимости применения вторичного источника постоянного тока повышенного напряжения для питания системы зажигания, что делает ее несовместимой с применяемой в настоящее время элементной базой электрооборудования автомобилей и других изделий, в которых используются ДВС.

Известна система зажигания, функционирующая путем подачи на вход электронного ключа серии управляющих импульсов с частотой, равной или в целое число раз меньшей резонансной частоты LC-контура, образованного катушкой зажигания и емкостным элементом.

Недостатком технических решений данной системы зажигания является невозможность обеспечения кратности выходной частоты блока формирования серии импульсов и резонансной частоты колебательного контура во всех реальных режимах работы двигателя и при изменении условий во вторичной цепи из-за наличия отдельного формирования серии импульсов, не учитывающего эти изменения.

Целью изобретения является повышение эффективности воспламенения топливовоздушной смеси.

Поставленная цель достигается тем, что в первичной обмотке катушки зажигания формируется несколько импульсов тока, прерывание которых вызывает импульсы первичного напряжения, трансформируемые катушкой зажигания в высоковольтные импульсы вторичной цепи, первый из которых, формируемый путем прерывания тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания до сигнала от датчика углового положения коленчатого вала двигателя, соответствующего моменту зажигания, обеспечивающий пробой искрового промежутка и образование плазменного канала, вызывает начало автоколебательного процесса, создающего многоимпульсный режим возбуждения катушки зажигания, а последующие формируются после момента зажигания путем прерывания тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания при подключении ее к источнику питания для многократного частичного восполнения энергии магнитного поля катушки зажигания с частотой автоколебательного процесса в интервалы времени, когда направление тока в ней, вызванного автоколебательным процессом, совпадает с направлением тока от источника питания, увеличивая энергию искрового процесса и создавая в плазменном канале значительные импульсные токи, что приводит к расширению фронта воспламенения топливовоздушной смеси и более полному ее сгоранию, причем данный способ возбуждения катушки зажигания позволяет питать ее от моноимпульсного повышающего преобразователя бортового питания после окончания первого и при формировании второго и последующих импульсов, что дополнительно увеличивает энергию искры за счет увеличения количества импульсов тока и их амплитуды во время автоколебательного процесса.

Пример устройства, осуществляющего данный способ, вариант 1, представлен на фиг. 1. На фиг. 2 представлен пример варианта 2 с применением интегральной транзисторной структуры, в которой обратная связь реализуется за счет накопления заряда, что не требует внешних элементов. На фиг. 3 представлен пример варианта 3 с использованием известных коммутаторов для накопления энергии в катушке зажигания до момента зажигания и первичного прерывания в ней тока в момент зажигания и отдельного узла для формирования второго и последующих импульсов на первичной обмотке катушки зажигания. На фиг. 4 представлен пример варианта 4 с питанием катушки зажигания и ключа-генератора после окончания первого и формирования второго и последующих импульсов от моноимпульсного повышающего преобразователя. На фиг. 5 показаны диаграммы токов и напряжений на ключе-генераторе. На фиг. 6 показаны диаграммы токов и напряжений для устройства варианта 4 с моноимпульсным повышающим преобразователем бортового питания.

Устройство, осуществляющее данный способ вариант 1, представленное на фиг. 1, содержит источник бортового питания 1, формирователь управляющего напряжения 2, который может быть совмещен с датчиком углового положения коленчатого вала двигателя 6 в зависимости от типа этого датчика, ключ-генератор 3 с обратной связью 7, имеющий выводы 21, 22, 23 и 24, катушку зажигания 4, конденсатор 8, искровой промежуток 5.

Устройство работает следующим образом.

До момента зажигания от формирователя 2, управляемого датчиком положения коленчатого вала двигателя 6, на вход 21 ключа-генератора 3 подается низкий уровень управляющего напряжения; транзистор 14 закрыт, транзистор 15 открыт, через первичную обмотку катушки зажигания 4 протекает ток, и в катушке зажигания 4 накапливается энергия. В момент зажигания высокий уровень управляющего напряжения от формирователя 2 на входе 21 открывает транзистор 14, закрывая транзистор 15. Начинается спад тока в первичной обмотке катушки зажигания 4 и в колебательном контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания 4 и конденсатором 8, развивается резонансный колебательный процесс, в начале которого ток течет от источника бортового питания 1 через первичную обмотку катушки зажигания 4 в конденсатор 8, заряжая его до напряжения, амплитуда которого определяется параметрами колебательного контура и величиной тока, протекающего через катушку зажигания 4 к моменту зажигания, а так же в конденсатор 20 через диод 18 и резистор 19 обратной связи 7, поддерживая процесс включения транзистора 14 через резистор 17.

Резисторы 9, 10, 11 задают начальное смещение транзистора 14, а резистор 13 задает включающий ток базы транзистора 15. Далее конденсатор 8 начинает разряжаться через первичную обмотку катушки зажигания 4, вызывая нарастание в ней инверсного тока с направлением от земляной шины к источнику бортового питания 1. На этом этапе происходит пробой искрового промежутка 5, а на левом (по схеме) выводе конденсатора 20 появляется отрицательное напряжение, которое по цепи: диод 16, резистор 11 обратной связи 7 закрывает транзистор 14 ключа-генератора 3, переводя транзистор 15 в открытое состояние и начиная автоколебательный процесс в ключе-генераторе 3. Диод 12 ограничивает отрицательный потенциал на базе транзистора 14 на безопасном уровне после его запирания.

Первичная обмотка катушки зажигания 4 оказывается подключенной к источнику бортового питания 1 и в ней начинает нарастать ток от него к земляной шине, частично восполняя энергию магнитного поля катушки зажигания 4. Через промежуток времени, определяемый длительностью отрицательной полуволны колебания на резонансной частоте колебательного контура и временными характеристиками цепи обратной связи 7, транзистор 14 открывается, закрывая транзистор 15, что прерывает ток в первичной обмотке катушки зажигания 4 и формирует на ней дополнительный импульс напряжения, который трансформируется во вторичную цепь и поддерживает ток в искровом промежутке. Далее процесс, являясь автоколебательным, повторяется, при этом энергия в колебательном контуре убывает от импульса к импульсу, обеспечивая формирование на первичной обмотке катушки зажигания 4 ограниченной по длительности пачки импульсов напряжения.

Устройство вариант 2 фиг. 2 отличается от варианта 1 тем, что цепь обратной связи в ключе-генераторе 3 реализуется интегральной транзисторной структурой 25, в которой обратная связь возникает за счет накопления заряда в инверсном режиме при появлении отрицательного напряжения на ее коллекторе и протекании через нее инверсного тока, вызванного резонансным колебательным процессом в колебательном контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания 4 и конденсатором 8, в направлении от земляной шины к источнику питания 1, который (ток) обеспечивает накопление заряда, препятствующего на время его рассасывания переходу транзисторной структуры в закрытое состояние, когда напряжение на коллекторе станет положительным, что обеспечивает поддержание автоколебательного процесса с частичным восполнением энергии в катушке зажигания 4. Резистор 25 выполняет функции резисторов 10, 11 варианта 1.

Устройство вариант 3 фиг. 3 отличается от вариантов 1 и 2 тем, что прерывание тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания 4 до сигнала от формирователя управляющего напряжения 2, осуществляет коммутатор 27, а формирование второго и последующих импульсов напряжения на первичной обмотке катушки зажигания 4 осуществляется ключ-генератор 3, выполненный согласно варианту 1 или варианту 2.

Устройство вариант 4 фиг. 4 отличается от вариантов 1, 2, 3 тем, что питание ключа-генератора 3 и катушки зажигания 4 после окончания первого и при формировании второго и последующих импульсов напряжения на ее первичной обмотке осуществляется от моноимпульсного повышающего преобразователя бортового питания, содержащего коммутатор 30, катушку индуктивности 32, развязывающие диоды 29 и 23, конденсатор 28, устанавливающий необходимую длительность выходного импульса преобразователя.

Устройство работает следующим образом.

До момента зажигания коммутаторы 27 и 30 открыты и в первичной обмотке катушки зажигания 4 через диод 29 и в катушке индуктивности 32 текут токи и в обеих катушках происходит накопление энергии от источника бортового питания 1. В момент зажигания оба коммутатора размыкают соответствующие цепи, источник бортового питания 1 отключается от катушки зажигания 4 и от катушки индуктивности 32.

Дальнейшая работа коммутатора 27, ключа-генератора 3 и катушки зажигания 4 с конденсатором 8 не отличается от варианта 3 за исключением того, что после пробоя искрового промежутка 5 восполнение энергии в катушке зажигания 4 происходит от конденсатора 28, заряжаемого через развязывающий диод 33 током, протекавшим в катушке индуктивности 32 до выключения коммутатора 30. Получаемое на конденсаторе 28 напряжение превышает напряжение бортового питания, что обеспечивает восполнение энергии в катушке зажигания 4 во время автоколебательного процесса, создающего многоимпульсный режим возбуждения ее, импульсными токами, большими, чем при питании непосредственно от источника бортового питания. Штриховый линией показано подключение ключа-генератора 3 без использования отдельного коммутатора 25.

Применение способа и устройства позволяет:
- производить накопление энергии в катушке зажигания как до момента зажигания, так и после него, т.е. во время искрового разряда;
- избежать исчезновения сильного нагретого ионизированного канала между электродами искрового промежутка в течение всего времени искрового процесса;
- повысить мощность и эффективность искрового разряда;
- обеспечить более полное сгорания топливовоздушной смеси, снизить токсичность выхлопа и тепловую напряженность двигателя, сократить время пуска двигателя, получить снижение потерь на коммутирующем устройстве и повысить его надежность;
- использовать применяемую в настоящее время элементарную базу для реализации предлагаемого способа и устройства.

Способ заключается в том, что в первичной обмотке катушки зажигания формируется ограниченная по длительности пачка импульсов тока. Первый импульс обеспечивает пробой искрового промежутка и вызывает начало колебательного процесса, создающего многоимпульсный режим. Последующие импульсы вызывают дополнительную активизацию электрического разряда и более полное сгорание топливовоздушной смеси и формируются с частотой автоколебательного процесса в интервалы времени, когда направление тока в первичной обмотке, вызванное автоколебательным процессом, совпадает с направлением тока от источника питания. Устройство для осуществления способа содержит источник питания, формирователь управляющего сигнала, катушку зажигания, искровой промежуток, конденсатор и ключ-генератор с цепью обратной связи, которая обеспечивает существование в нем автоколебательного процесса. Для увеличения энергии искры питание катушки зажигания при формировании второго и последующих импульсов осуществляется от моноимпульсного повышающего преобразователя бортового питания. Изобретение позволяет повысить эффективность воспламенения топливовоздушной смеси. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ формирования многоимпульсного режима возбуждения катушки зажигания двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что в первичной обмотке катушки зажигания формируется ограниченная по длительности пачка импульсов тока, прерывание которых вызывает импульсы первичного напряжения, трансформируемые катушкой зажигания в высоковольтные импульсы вторичной цепи, отличающийся тем, что первый импульс, формируемый путем прерывания тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания до сигнала от датчика углового положения коленчатого вала двигателя, соответствующего моменту зажигания, и обеспечивающий пробой искрового промежутка, вызывает начало автоколебательного процесса, создающего многоимпульсный режим возбуждения катушки зажигания, а последующие, вызывающие дополнительную активизацию электрического разряда и более полное сгорание топливовоздушной смеси, формируются после момента зажигания путем прерывания тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания при подключении ее к источнику питания для многократного частичного восполнения энергии магнитного поля катушки зажигания с частотой автоколебательного процесса в интервалы времени, когда направление тока в ней, вызванного автоколебательным процессом, совпадает с направлением тока от источника питания. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для увеличения энергии искры питание катушки зажигания при формировании второго и последующих импульсов осуществляется от моноимпульсного повышающего преобразователя бортового питания. 3. Устройство для формирования многоимпульсного режима возбуждения катушки зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащее источник питания, катушку зажигания, электронный ключ-генератор, коммутирующий ток в первичной обмотке катушки зажигания, конденсатор, включенный между точкой соединения электронного ключа-генератора и первичной обмоткой и земляной шиной источника питания и образующий с первичной обмоткой катушки зажигания колебательный контур, формирователь управляющего сигнала, отличающееся тем, что дополнительно содержит цепь обратной связи, которая после сигнала от датчика углового положения коленчатого вала двигателя, соответствующего моменту зажигания, обеспечивает существование автоколебательного процесса в ключе-генераторе, включая его в моменты времени, когда направление тока в первичной обмотке катушки зажигания от колебательного процесса совпадает с направлением тока от источника питания. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что цепь обратной связи реализуется в коммутирующей ток в первичной обмотке катушки зажигания интегральной ключевой транзисторной структурой за счет накопления заряда в инверсном режиме при протекании через нее инверсного тока, вызываемого резонансным колебательным процессом в колебательном контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания и конденсатором. 5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что дополнительно содержит коммутатор, осуществляющий формирование первого импульса напряжения на первичной обмотке катушки зажигания путем прерывания тока, протекающего в ней до сигнала от датчика углового положения коленчатого вала двигателя, соответствующего моменту зажигания, а формирование второго и последующих импульсов напряжения осуществляет отдельный ключ-генератор. 6. Устройство по одному из пп.3-5, отличающееся тем, что для питания ключа-генератора и катушки зажигания при формировании второго и последующих импульсов дополнительно содержит моноимпульсный повышающий преобразователь бортового питания, в состав которого входит коммутатор, управляемый сигналом датчика положения коленчатого вала двигателя, катушка индуктивности, включенная между выходом коммутатора и источником бортового питания, диод развязки, включенный между выходом коммутатора и выводом первичной обмотки катушки зажигания, соединенным через второй развязывающий диод с источником бортового питания, конденсатор, включенный между точкой соединения развязывающих диодов с выводом первичной обмотки катушки зажигания и земляной шиной.