СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ АВТОМОБИЛЯ Российский патент 2011 года по МПК F02P5/06 F02P5/15 

Изобретение относится к автомобильной промышленности, а именно к электрооборудованию для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в производстве и эксплуатации автомобильной техники.

Известна система зажигания рабочей смеси в двигателе автомобиля, содержащая трансформатор зажигания, распределитель напряжения, соединенный с вторичной обмоткой трансформатора, свечи зажигания, соединенные с распределителем напряжения, прерыватель тока первичной обмотки трансформатора, датчик положения поршня в цилиндре двигателя, контактирующий с прерывателем и механически соединенный с валом распределителя напряжения [А.Г.Сергеев, В.Е.Ютт. Диагностирование электрооборудования автомобилей. - М.: Транспорт. - 1987].

Все перечисленные элементы этого аналога входят и в состав заявляемой системы зажигания.

Работа этого аналога основана на формировании высокого электрического напряжения путем прерывания тока в первичной обмотке трансформатора зажигания при разъединении электрических контактов в промежуток времени, когда интенсивность горения рабочей смеси максимальна, то есть после точки максимального сжатия или верхней мертвой точки (ВМТ).

Недостатком этого аналога является искрение на контактах при прерывании тока, обусловленное механическим способом его прерывания.

Известна также система зажигания двигателя внутреннего сгорания автомобиля, содержащая трансформатор зажигания, распределитель напряжения, соединенный с вторичной обложкой трансформатора зажигания, свечи зажигания, соединенные с распределителем напряжения, электронный прерыватель тока первичной катушки трансформатора зажигания, датчик положения поршня в цилиндре двигателя, соединенный с прерывателем и механически соединенный с валом распределителя [Данов Б.А., Рогачев В.Д. Электрооборудования автомобилей КамАЗ. - М.: Транспорт. - 1997].

Все перечисленные элементы этого аналога также входят в состав заявляемой системы зажигания.

В этом аналоге прерывание тока осуществляется с помощью транзистора с электронным управлением, что исключает искрение на контактах. Управляющие сигналы поступают от индукционного датчика, механически связанного с коленчатым валом двигателя, что позволяет формировать сигналы для управления транзистором с учетом положения поршня в цилиндре. Длительность промежутка времени от момента подачи управляющего сигнала на транзисторный прерыватель до момента наиболее интенсивного горения рабочей смеси зависит от многих факторов (скорость вращении, состава рабочей смеси, разряжения и т.д.) Поэтому электрическое напряжение на свечи зажигания подается с опережением времени до положения ВМТ. Для совмещения времени наиболее интенсивного горения рабочей смеси (времени детонации) с нужным положением поршня, способным максимально преобразовать энергию горения в механическую энергию, используются механические регуляторы угла опережения зажигания.

Недостатком этого аналога является то, что механические регуляторы не позволяют учесть все имеющиеся факторы, существенно влияющие на время возгорания рабочей смеси (развитие искрового заряда). Это существенно ограничивает диапазон рабочих условий работы двигателя в режиме, близком к наиболее экономичному.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой (прототипом) является система зажигания автомобиля, защищенная патентом РФ №2306451, кл. F02P 1/00, 2006 г. Она содержит датчик положения поршня в цилиндре с тремя индукционными обмотками, имеющими фазовые углы, соответствующие ВМТ положения поршня в цилиндре, до и после ВМТ, четыре формирователя импульсов, последовательно включенные управляемый элемент задержки, усилитель-формирователь, прерыватель тока, трансформатор зажигания, распределитель высокого напряжения и свечи зажигания, расположенные в цилиндре двигателя, датчик давления, размещенный в цилиндре двигателя, измеритель временного сдвига, первый и второй входы которого через первый и второй формирователи импульсов подключены соответственно к выводам индукционной обмотки с фазой после ВМТ датчиков положения поршня и выходу датчика давления, фазоамплитудный преобразователь «время-напряжение», включенный между выходом измерителя временного сдвига и управляющим входом управляемого элемента задержки, сигнальный вход которого через третий формирователь импульсов подключен к выводам индукционной обмотки с фазой до ВМТ, и синхронизатор, вход которого через четвертый формирователь импульсов подключен к выводам индукционной обмотки с фазой, соответствующей ВМТ, а первый и второй выходы подключены к синхровходам соответственно управляемого элемента задержки и измерителя временного сдвига.

Все перечисленные элементы прототипа, кроме датчика давления и индукционных обмоток с фазами ВМТ и после ВМТ, второго, третьего и четвертого формирователей импульсов, синхронизатора и измерителя временного сдвига входят и в заявляемую систему.

Работа прототипа основана на формировании трех аппаратных каналов управления зажиганием автомобиля, соответствующих трем положениям поршня в цилиндре, и управлении задержкой импульса индукционной обмотки датчика положения поршня с фазой до ВМТ, поступающего в цепь прерывания тока, таким образом, чтобы импульс детонации датчика давления совпадал с импульсом индукционной обмотки положения поршня с фазой после ВМТ.

Недостатками прототипа являются сложность и относительно низкая надежность, обусловленные большим количеством входящих в его состав элементов.

Кроме того, в случае изменения скорости автомобиля в широких пределах система работает неустойчиво. В этих условиях она может оказаться в таком режиме, что при текущей скорости разнос во времени импульса датчика давления с импульсом обмотки с фазой после ВМТ может оказаться настолько значительным, что не сможет быть определен измерителем временного сдвига, либо импульс давления вообще не будет вырабатываться. А режима поиска оптимальной или близкой к таковой задержки управляемого элемента задержки в системе не предусмотрено.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение системы и повышение ее надежности и устойчивости.

Решение указанной задачи достигается тем, что в известную систему зажигания автомобиля, содержащую датчик положения поршня в цилиндре двигателя, индукционная обмотка которого имеет фазовый угол, соответствующий положению поршня в цилиндре до ВМТ, формирователь импульсов, подключенный к выводам индукционной обмотки, и последовательно включенные с ним управляемый элемент задержки, усилитель-формирователь, прерыватель тока, трансформатор зажигания, распределитель высокого напряжения и свечи зажигания, расположенные в цилиндре двигателя, введены генератор тактовых импульсов эталонной частоты, счетчик импульсов, регистр памяти, элемент фиксированной задержки и безынерционный нелинейный преобразователь, счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты, вход обнуления - к входу элемента фиксированной задержки, а выход - к информационному входу регистра памяти, вход записи которого подключен к выходу формирователя импульсов и входу элемента фиксированной задержки, вход безынерционного нелинейного преобразователя подключен к выходу регистра памяти, а выход - к управляющему входу управляемого элемента задержки, при этом элемент управляемой задержки содержит генератор тактовых импульсов эталонной частоты, логический элемент ИЛИ, счетчик импульсов и компаратор кодов, первый вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, второй является управляющим входом элемента задержки, а выход является выходом элемента задержки и подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход элемента ИЛИ является сигнальным входом элемента задержки, а выход подключен ко входу обнуления счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов.

Совокупность вновь введенных элементов и связей и особенность выполнения управляемого элемента задержки не является самостоятельным устройством и не следует явным образом из уровня техники. Отсутствуют какие-либо источники информации, в которых она была описана самостоятельно или в совокупности с остальными элементами заявленной системы. Это позволяет считать заявляемую систему зажигания новой и имеющей изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:

- на фиг.1 - структурная схема заявляемой системы;

- на фиг.2 - структурная схема управляемого элемента задержки;

- на фиг.3 - график зависимости времени опережения зажигания от периода оборота коленвала.

Предлагаемая система зажигания содержит индукционный датчик 1 с магнитным двухполюсным ротором 2, соединенным механически с коленчатым валом (KB) двигателя и имеющим однозначные угловые положения, соответствующие угловым положениям KB и положениям поршня в цилиндре двигателя. На статоре датчика расположена индукционная обмотка 3. Ее положение соответствует углу порядка 60 градусов до ВМТ. В состав системы входят также формирователь 4 импульсов, управляемый элемент 5 задержки, усилитель-формирователь 6, прерыватель 7 тока, трансформатор 8 зажигания, распределитель 9 высокого напряжения, свечи 10 зажигания, расположенные в цилиндре 11 двигателя, генератор 12 тактовых импульсов эталонной частоты, счетчик 13 импульсов, элемент 14 фиксированной задержки, регистр 15 памяти и безынерционный нелинейный преобразователь 16.

Выход индукционной обмотки 3 через формирователь 4 подключен к сигнальному входу элемента 5, входу элемента 14 и входу записи регистра 15. Канал импульсов зажигания содержит последовательно включенные элемент 5, усилитель-формирователь 6, прерыватель 7, трансформатор 8, распределитель 9 и свечи 10. Вход обнуления счетчика 13 подключен к выходу элемента 14, счетный вход - к выходу генератора 12, а выход - к сигнальному входу регистра, выход которого через преобразователь 16 подключен к управляющему входу элемента 5.

Элемент 5 задержки содержит генератор 5.1 тактовых импульсов эталонной стабильной частоты, во много раз превышающей частоту следования импульсов формирователя 4, элемент 5.2 ИЛИ, счетчик 5.3 импульсов и компаратор 5.4 кодов. Счетный вход счетчика 5.3 подключен к выходу генератора 5.1, вход обнуления - к выходу элемента 5.2, а выход - к первому входу компаратора 5.4, второй вход которого является управляющим входом элемента 5. Выход компаратора 5.4 является выходом элемента 5 и подключен к первому входу элемента 5.2, второй вход которого является сигнальным входом элемента 5.

Работа системы зажигания заключается в следующем.

При вращении KB двигателя датчик 1 периодически с периодом Т, соответствующим угловой скорости , вырабатывает в обмотке 3 напряжение, из которого формирователь 4 формирует короткие импульсы. Эти импульсы вырабатываются в моменты времени, предшествующие предельно раннему зажиганию. Сформированные импульсы поступают непосредственно на сигнальный вход элемента 5 задержки и на вход записи регистра 15, а через элемент 14 - на вход обнуления счетчика 13. Содержимое счетчика 13 переписывается в регистр 15. Задержка элемента 14 достаточна для осуществления этой перезаписи, поэтому после ее окончания счетчик обнуляется. На его счетный вход с выхода генератора 12 поступают импульсы стабильной эталонной частоты, во много раз превышающей максимально возможную частоту следования импульсов формирователя 4. Счетчик начинает подсчет этих импульсов. К моменту поступления нового импульса формирователя 4 его содержимое становится равным отношению периода Т к периоду следования импульсов генератора 12. С поступлением нового импульса вновь осуществляется перезапись содержимого счетчика 13 в регистр 15 и последующее обнуление счетчика. Далее процесс повторяется.

Таким образом, в установившемся режиме в регистре 15 формируется число, пропорциональное периоду Т, то есть обратно пропорциональное угловой скорости ω KB.

Импульсы формирователя 4 выполняют роль синхроимпульсов. Интенсивность горения рабочей смеси и вообще сама возможность ее зажигания в значительной степени зависит от времени τ опережения зажигания, т.е. от промежутка времени между импульсом формирователя 4 и моментом искрообразования. Этот промежуток времени в сою очередь существенно зависит от угловой скорости KB, а следовательно, и от периода Т следования импульсов формирователя 4. Следует отметить, что каждому значению периода Т следует свое оптимальное время τ опережения зажигания, обеспечивающее максимальное давление в цилиндре. На фиг.3 приведен типовой график зависимости этого времени от периода Т. Конкретный вид этой зависимости для каждого двигателя свой. Нелинейный преобразователь 16 реализует эту зависимость. В результате с его выхода на управляющий вход элемента 5 поступает код управления, под действием которого поступивший на сигнальный вход этого элемента импульс задерживается в нем на время τ, соответствующее требуемому опережению зажигания.

Это осуществляется следующим образом.

Входной импульс с сигнального входа через элемент 5.2 ИЛИ поступает на вход обнуления счетчика 5.3. Последний обнуляется. На его счетный вход с выхода генератора 5.1 поступают импульсы стабильной эталонной частоты, во много раз превышающей максимально возможную частоту следования импульсов формирователя 4. Содержимое счетчика 5.3 линейно нарастает. Оно с его выхода поступает на первый вход компаратора 5.4, на второй вход которого с выхода преобразователя 16 поступает код числа, соответствующего требуемой задержке τ. В момент уравнивания кодов на входах компаратора 5.4, то есть по прошествии с момента поступления импульса на сигнальный вход элемента 5 компаратор 5.4 срабатывает. На выходе элемента 5 формируется короткий импульс, который через элемент 5.2 проходит на вход обнуления счетчика 5.3. С новым импульсом формирователя 4 процесс повторяется в общем случае уже для нового значения кода управления с выхода преобразователя 16.

Таким образом, по прошествии с момента появления каждого импульса на сигнальном входе элемента 5 соответствующего промежутка времени τ появляется импульс управления транзисторным прерывателем 7 тока первичной обмотки трансформатора 8.

Далее, как и в системе-прототипе, эти импульсы усиливаются формирователем 6, срабатывает прерыватель 7 тока в цепи трансформатора 8, и с помощью распределителя 9 высокого напряжения и свечей 10 осуществляется зажигание рабочей смеси в цилиндре 11.

Таким образом, в предлагаемой системе зажигания, как и в системе-прототипе, обеспечивается искрообразование в моменты времени, обеспечивающие максимальное давление в цилиндре двигателя. Однако в заявляемой системе угловая скорость KB может изменяться в достаточно широких пределах, так система адаптируется к фактической скорости KB и изменяет время опережения зажигания в соответствии с изменением угловой скорости KB. Это обстоятельство делает систему более устойчивой, чем аналоги и прототип.

Нетрудно видеть, что заявляемая система значительно проще прототипа, так как она не содержит в своем составе датчика давления, второй и третьей индукционных обмоток, второго, третьего и четвертого формирователей импульсов, синхронизатора и измерителя временного сдвига. Большая простота и более высокая устойчивость в работе обеспечивает системе более высокую надежность. Расчет показывает, что наработка на отказ предлагаемой системы примерно на 15% выше, чем у системы-прототипа.

Предлагаемая система зажигания достаточно легко реализуема. Вновь введенные элементы могут быть выполнены на основе интегральных микросхем серий 530, 533 [см., например, В.Л.Шило. Популярные микросхемы ТТЛ. - М.: Аргус - 1993]. Остальные элементы системы не отличаются от соответствующих элементов системы-прототипа.

Изобретение относится к электрооборудованию для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в производстве и эксплуатации автомобильной техники. Система зажигания автомобиля содержит: датчик положения (1) поршня в цилиндре (11), формирователь импульсов (4), управляемый элемент задержки (5), усилитель-формирователь (6), прерыватель тока (7), трансформатор зажигания (8), распределитель высокого напряжения (9) и свечи зажигания (10), включенные последовательно, а также генератор тактовых импульсов эталонной частоты (12), счетчик импульсов (13), регистр памяти (15), элемент фиксированной задержки (14) и безынерционный нелинейный преобразователь (16). Счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты (12), вход обнуления - к входу элемента фиксированной задержки (14), а выход - к информационному входу регистра памяти (15). Вход записи регистра памяти (15) подключен к выходу формирователя импульсов (4) и входу элемента фиксированной задержки (14). Вход безынерционного нелинейного преобразователя (16) подключен к выходу регистра памяти (15), а выход - к управляющему входу управляемого элемента задержки (5). Управляемый элемент задержки (5) содержит генератор тактовых импульсов эталонной частоты (5.1), логический элемент ИЛИ (5.2), счетчик импульсов (5.4) и компаратор кодов (5.4). Первый вход компаратора кодов (5.4) соединен с выходом счетчика импульсов (5.3), второй является управляющим входом элемента задержки (5), а выход является выходом элемента задержки (5) и подключен к первому входу элемента ИЛИ (5.2). Второй вход элемента ИЛИ (5.2) является сигнальным входом элемента задержки (5), а выход подключен к входу обнуления счетчика импульсов (5.3). Счетный вход счетчика импульсов (5.3) подключен к выходу генератора тактовых импульсов (5.1). Технической результат заключается в повышении надежности работы системы при изменении угла опережения зажигания для различных угловых скоростей коленчатого вала. 3 ил.

Система зажигания автомобиля, содержащая датчик положения поршня в цилиндре двигателя, индукционная обмотка которого имеет фазовый угол, соответствующий положению поршня в цилиндре до ВМТ, формирователь импульсов, подключенный к выводам индукционной обмотки, и последовательно включенные с ним управляемый элемент задержки, усилитель-формирователь, прерыватель тока, трансформатор зажигания, распределитель высокого напряжения и свечи зажигания, расположенные в цилиндре двигателя, отличающаяся тем, что в нее введены генератор тактовых импульсов эталонной частоты, счетчик импульсов, регистр памяти, элемент фиксированной задержки и безынерционный нелинейный преобразователь, счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты, вход обнуления - к входу элемента фиксированной задержки, а выход - к информационному входу регистра памяти, вход записи которого подключен к выходу формирователя импульсов и входу элемента фиксированной задержки, вход безынерционного нелинейного преобразователя подключен к выходу регистра памяти, а выход - к управляющему входу управляемого элемента задержки, при этом элемент управляемой задержки содержит генератор тактовых импульсов эталонной частоты, логический элемент ИЛИ, счетчик импульсов и компаратор кодов, первый вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, второй является управляющим входом элемента задержки, а выход является выходом элемента задержки и подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход элемента ИЛИ является сигнальным входом элемента задержки, а выход подключен ко входу обнуления счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов.