СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02P3/04 

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 2019726, F 02 Р 3/00, Бюл. 17, 1994 г.). Эта система содержит переключатель, два электронных ключа, устройство управления этими ключами, выполненное на элементе 2ИЛИ-НЕ и имеющая два входа и один выход, один из которых является входом системы зажигания, два накопительных конденсатора, обратный диод, катушку зажигания и пять резисторов.

Положительный выходной вывод преобразователя постоянного напряжения соединен со 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 соединен 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, обязательную настройку на заниженное значение амплитуды импульсов в начале пачки из-за опасности превышения ее допустимых значений для элементов схемы, в связи с чем пробой искрового промежутка от первых импульсов в пачке может и не произойти, при этом зажигание окажется более поздним, чем требуется;
- невысокую надежность из-за низкой помехоустойчивости устройства управления электронными ключами в момент пробоя искрового промежутка;
- 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 запуске 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 системе 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. 2115016, Бюл. 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 за счет повышения помехоустойчивости устройства управления электронным ключом.

Этот результат достигается благодаря тому, что система зажигания содержит: преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, дроссель, электронный ключ (ЭК) с сигнальным и управляющим входами и одним выходом, катушку зажигания, устройство управления электронным ключом (УУЭК) с двумя входами - сигнальным и управляющим и первым и вторым выходами, устройство включения электронного ключа (УВЭК) с двумя входами и одним двухполюсным выходом и конденсатор. Сигнальный вход УУЭК является входом системы зажигания.

Выход преобразователя постоянного напряжения соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора и одним выводом дросселя, другой вывод которого соединен со входом ЭК и одним полюсом выхода УВЭК, второй полюс выхода УВЭК соединен с управляющим входом ЭК. Выход ЭК соединен с одним выводом второго накопительного конденсатора и одним выводом первичной обмотки зажигания. Точка соединения этих выводов является выходом управляющего сигнала системы зажигания и соединена с управляющим входом УУЭК. Один из выводов вторичной обмотки катушки зажигания является выходом системы зажигания. Первый выход УУЭК соединен с одним входом УВЭК, а второй выход УУЭК соединен с другим входом УВЭК, к которому присоединен один вывод конденсатора, второй вывод которого соединен с минусовой шиной источника питания (с общей шиной). Другие выводы накопительных конденсаторов и общий вывод преобразователя постоянного напряжения присоединены к минусовой шине источника питания (к общей шине), а другие выводы обмоток катушки зажигания присоединены к минусовой или плюсовой шинам источника питания.

Устройство управления электронным ключом (УУЭК) содержит два одновибратора, элементы 2ИЛИ, 2И-НЕ и НЕ. Вход первого одновибратора соединен с сигнальным входом УУЭК и одним входом элемента 2И-НЕ, вход второго одновибратора соединен с выходом ЭК (выходом управляющего сигнала) и входом элемента НЕ. Выход первого одновибратора соединен с одним входом элемента 2ИЛИ, выход второго одновибратора соединен с другим входом элемента 2ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом элемента 2И-НЕ. Выход элемента 2И-НЕ является первым выходом УУЭК. Выход элемента НЕ является вторым выходом УУЭК.

Отличительными признаками изобретения являются: устройство включения электронного ключа (УВЭК) и конденсатор, причем один вход УВЭК соединен с первым выходом УУЭК, а другой вход УВЭК соединен со вторым выходом УУЭК и одним выводом конденсатора, другой вывод которого соединен с минусовой шиной источника питания (с общей шиной), кроме того, один полюс выхода УВЭК соединен с сигнальным входом ЭК и вторым выводом дросселя, а другой полюс выхода УВЭК соединен с управляющим входом ЭК, кроме того, выход ЭК соединен с одним выводом второго накопительного конденсатора, одним выводом первичной обмотки зажигания и управляющим входом УУЭК.

Отличительные признаки исключают возможность повторного включения электронного ключа (ЭК) в момент пробоя искрового промежутка, что предотвращает отказ или сбой системы зажигания и тем самым повышает ее надежность.

Конструкция системы зажигания и ее работа поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена электрическая схема системы зажигания согласно изобретению.

На фиг.2 приведена возможная электрическая схема УВЭК.

На фигурах введены следующие обозначения:
1 - преобразователь постоянного напряжения;
2 - первый накопительный конденсатор;
3 - дроссель;
4 - электронный ключ - тиристор (ЭК);
5 - второй накопительный конденсатор;
6 - устройство управления электронным ключом (УУЭК);
7 - катушка зажигания;
8 - устройство включения электронного ключа (УВЭК);
9 - конденсатор;
10 - первый одновибратор;
11 - второй одновибратор;
12 - элемент НЕ;
13 - элемент 2ИЛИ;
14 - элемент 2И-НЕ;
R - резистор;
U - тиристорный оптрон.

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 минусовой шиной источника питания (с общей шиной). Вход преобразователя 1 соединен с выходом первичного источника электропитания, например аккумулятора.

В качестве накопительного конденсатора 2 может быть использован, например, конденсатор типа К 50-27-450 В-100 мкФ, а в качестве накопительного конденсатора 5 может быть использован конденсатор типа К 73-17-630В-1,0 мкФ.

Дроссель 3 может быть выполнен в виде катушки индуктивности на разомкнутом магнитном сердечнике.

В качестве электронного ключа может быть применен тиристор, например, типа КУ221А.

УУЭК 6 может быть выполнено по схеме фиг.1 (поз. 6).

В качестве катушки зажигания 7 может быть применена любая серийно выпускаемая катушка зажигания, например Б-116.

В качестве устройства 8 включения электронного ключа может быть применен тиристорный оптрон U типа АОУ103В (фиг.2).

В качестве конденсатора 9 может быть применен керамический конденсатор типа КМ-5-30В-68Н.

Одновибраторы 10 и 11 могут быть выполнены по известным схемам на микросхеме К561ЛА7, при этом на входе одновибратора 11 должна быть ограничительная цепочка из стабилитрона и резистора, в связи с высоким уровнем сигнала, поступающего на его вход с выхода электронного ключа (на схеме не показана).

Элемент НЕ 12 может быть выполнен на микросхеме К561ЛА7.

В качестве элемента 2ИЛИ 13 может быть применена микросхема К561ЛС2.

В качестве элемента 2И-НЕ 14 может быть применена микросхема К561ЛА7.

Источником питания может служить аккумуляторная батарея, заряжаемая от электрогенератора автомашины.

Система зажигания по изобретению может быть выполнена по электрической схеме фиг.1 и содержит: преобразователь 1 постоянного напряжения, два накопительных конденсатора 2 и 5, дроссель 3, электронный ключ-тиристор (ЭК) 4 с сигнальным и управляющим входами и одним выходом, катушку 7 зажигания, устройство управления электронным ключом (УУЭК) 6 с двумя входами - сигнальным и управляющим и первым и вторым выходами, устройство включения электронного ключа (УВЭК) 8 с двумя входами и одним двухполюсным выходом и конденсатор 9.

Выход преобразователя 1 постоянного напряжения соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора 2 и одним выводом дросселя 3, другой вывод которого соединен со входом ЭК 4 и одним полюсом выхода УВЭК 8. Выход ЭК 4 соединен с одним выводом второго накопительного конденсатора 5 и одним выводом первичной обмотки зажигания. Точка соединения этих выводов является выходом управляющего сигнала системы зажигания и соединена с управляющим входом УУЭК 6. Первый выход УУЭК 6 соединен с одним входом УВЭК 8, а второй выход УУЭК 8 соединен с другим входом УВЭК 6, к которому одним выводом присоединен конденсатор 9, второй вывод которого соединен с минусовой шиной источника питания (с общей шиной). Второй полюс выхода УВЭК 8 соединен с управляющим входом ЭК 4. Другие выводы накопительных конденсаторов 2 и 5 и общий вывод преобразователя 1 постоянного напряжения присоединены к минусовой шине источника питания (к общей шине), а другие выводы обмоток катушки 7 зажигания присоединены к минусовой или плюсовой шинам источника питания. Один из выводов вторичной обмотки катушки 7 зажигания является выходом системы зажигания.

Устройство управления электронным ключом (УУЭК) содержит два одновибратора 10 и 11, элементы: НЕ 12, 2ИЛИ 13, 2И-НЕ 14. Вход одновибратора 10 соединен с сигнальным входом УУЭК 6 и одним входом элемента 2И-НЕ 14, вход другого одновибратора 11 соединен с выходом ЭК 4 (выходом управляющего сигнала) и входом элемента НЕ 12. Выход первого одновибратора 10 соединен с одним входом элемента 2ИЛИ 13, выход второго одновибратора 11 соединен с другим входом элемента 2ИЛИ 13, выход которого соединен со вторым входом элемента 2И-НЕ 14. Выход элемента 2И-НЕ является первым выходом УУЭК 8. Выход элемента НЕ 12 является вторым выходом УУЭК 6.

Система зажигания работает следующим образом (фиг.1). При включении электропитания преобразователь 1 заряжает накопительный конденсатор 2 до номинального напряжения. Напряжения на втором накопительном конденсаторе 5 пока еще нет. В связи с этим на выходе элемента НЕ 12 имеется напряжение логическая "1", которое заряжает конденсатор 9. После поступления сигнала на сигнальный вход УУЭК 6 запускается одновибратор 10, импульс с выхода которого через элемент 2ИЛИ 13 формирует на выходе элемента 2И-НЕ 14 импульс напряжения логический "0". При этом при разряде конденсатора 9 через УВЭК 8 на выходе последнего возникает сигнал, открывающий электронный ключ 4. Второй накопительный конденсатор 5 заряжается от конденсатора 2 через дроссель 3, ограничивающий ток через ключ 4. Емкость конденсатора 2 выбрана много больше емкости конденсатора 5. По мере заряда конденсатора 5 уменьшающийся ток через дроссель 3 вызывает возникновение ЭДС самоиндукции, которая заряжает конденсатор 5 до напряжения большего, чем напряжение на конденсаторе 2, и при прекращении тока через дроссель напряжение на выходе ключа 4 становится больше, чем на его входе. При этом ЭК 4 закрывается. Длительность процесса зарядки конденсатора 5 определяется параметрами колебательного контура (его постоянной времени), образованного индуктивностью дросселя 3, конденсаторами 2 и 5 и индуктивностью обмотки катушки 7 зажигания. В том случае, когда индуктивность дросселя 3 много меньше индуктивности первичной обмотки катушки 7 зажигания, время зарядки второго накопительного конденсатора 5 определяется постоянной времени τ цепи, образованной индуктивностью дросселя 3 и емкостью последовательно соединенных конденсаторов 2 и 5. Это время рассчитывается по формуле

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

Например, при L=10 мкГн и С=1 мкФ, τ =10 мкс.

Пробой искрового промежутка высоким напряжением, возникающим на вторичной обмотке катушки 7 зажигания, происходит через 10-15 мкс после подачи напряжения на первичную обмотку катушки 7 зажигания. После закрытия ключа 4 источником тока для катушки 7 зажигания конденсатор 5 становится заряженным, начинается колебательный процесс в контуре, образованном конденсатором 5 и первичной обмоткой катушки 7 зажигания. Напряжение на конденсаторе 5, пройдя через нулевое и отрицательное значения и отдав часть энергии на искру, вновь становится положительным и запускает одновибратор 10, импульс на выходе которого через элемент 2ИЛИ 13 формирует на входе элемента 2И-НЕ 14 импульс напряжения логический "0". Конденсатор 9 к этому моменту снова заряжен выходным током элемента НЕ 12, в момент когда напряжение на конденсаторе 5 во время колебательного процесса было отрицательным, а на выходе элемента НЕ 12 соответственно положительным. При этом конденсатор 9 вновь разряжается через устройство 8 включения электронного ключа, на выходе которого возникает импульс, открывающий ЭК 4. Происходит зарядка конденсатора 5 и процесс повторяется до тех пор, пока на сигнальном входе устройства управления 6 присутствует сигнал с напряжением логическая "1". Таким образом, введенный в схему системы зажигания конденсатор 9, зарядка которого происходит после пробоев искрового промежутка, исключает возможность выдачи импульса открывания ЭК 4 от помех во время пробоя искровых промежутков из-за отсутствия в это время напряжения питания УВЭК 8.

Система зажигания по изобретению обладает максимальной частотой искрообразования в пачке импульсов из-за отсутствия пауз в протекании тока через первичную обмотку катушки 7 зажигания, высокой помехоустойчивостью из-за отсутствия напряжения питания устройства 8 включения электронного ключа во время пробоя искровых промежутков, автоматическим адаптированием к любой штатной катушке зажигания, взаимозаменяемостью с существующими системами зажигания, так как допускает подключение обмоток катушки зажигания как к минусовой, так и плюсовой шинам электропитания.

Изобретение относится к конденсаторным системам зажигания с непрерывно-импульсным накоплением энергии для двигателя внутреннего сгорания и может быть использовано на транспортных средствах и энергетических установках с любыми типами катушек зажигания и содержит преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, дроссель, электронный ключ (ЭК) с сигнальным и управляющим входами и одним выходом, катушку зажигания, устройство управления электронным ключом (УУЭК) с двумя входами - сигнальным и управляющим и двумя выходами, устройство включения электронного ключа (УВЭК) с двумя входами и одним двухполюсным выходом и конденсатор. Устройство управления электронным ключом содержит два одновибратора, элементы 2ИЛИ, 2И-НЕ и НЕ, выход элемента 2И-НЕ является первым выходом УУЭК, а выход элемента НЕ является вторым выходом УУЭК. Электронный ключ системы зажигания выполнен на тиристоре. Техническим результатом изобретения является увеличение надежности работы системы зажигания за счет повышения помехоустойчивости устройства управления электронным ключом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система зажигания, содержащая преобразователь постоянного напряжения, два накопительных конденсатора, дроссель, электронный ключ (ЭК) с сигнальным и управляющим входами и одним выходом, катушку зажигания, устройство управления электронным ключом (УУЭК) с двумя входами - сигнальным и управляющим и первым и вторым выходами, причем выход преобразователя постоянного напряжения соединен с одним выводом первого накопительного конденсатора и одним выводом дросселя, второй вывод которого соединен со входом электронного ключа, кроме того, один вывод второго накопительного конденсатора соединен с одним выводом первичной обмотки катушки зажигания и управляющим входом УУЭК, другие выводы накопительных конденсаторов и общий вывод преобразователя постоянного напряжения присоединены к минусовой шине источника питания (общей шине), а другие выводы обмоток катушки зажигания присоединены к минусовой или плюсовой шинам источника питания, отличающаяся тем, что в нее введены устройство включения электронного ключа (УВЭК) с двумя входами и одним двухполюсным выходом и конденсатор, причем один вход УВЭК соединен с первым выходом УУЭК, а другой вход УВЭК соединен со вторым выходом УУЭК и одним выводом конденсатора, другой вывод которого соединен с минусовой шиной источника питания (с общей шиной), кроме того, один полюс выхода УВЭК соединен с сигнальным входом ЭК и вторым выводом дросселя, а другой полюс выхода УВЭК соединен с управляющим входом ЭК, кроме того, выход ЭК соединен с одним выводом второго накопительного конденсатора, одним выводом первичной обмотки зажигания и управляющим входом УУЭК. 2. Система зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что устройство управления электронным ключом (УУЭК) содержит два одновибратора, элементы 2ИЛИ, 2И-НЕ и НЕ, причем вход первого одновибратора соединен с сигнальным входом УУЭК и одним входом элемента 2И-НЕ, вход второго одновибратора соединен с выходом ЭК и входом элемента НЕ, кроме того, выход первого одновибратора соединен с одним входом элемента 2ИЛИ, выход второго одновибратора соединен с другим входом элемента 2ИЛИ, выход которого соединен с другим входом элемента 2И-НЕ, выход элемента 2И-НЕ является первым выходом УУЭК, а выход элемента НЕ является вторым выходом УУЭК. 3. Система зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что электронный ключ выполнен на тиристоре.