ЗАПАЛЬНАЯ СВЕЧА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК F02P21/04 

Настоящее изобретение относится к способу использования запальной свечи в дизельном двигателе. Настоящее изобретение дополнительно относится к блоку управления запальной свечой для эксплуатации запальной свечи. Настоящее изобретение также относится к способу изготовления блока управления запальной свечой.

Запальная свеча действует как нагревательное устройство, которое используется для подогрева холодного воздуха в дизельном двигателе с целью более эффективного воспламенения топлива. Обычно запальная свеча рассчитана на достижения целевой температуры воспламенения около 1000 градусов Цельсия (°С). Тем не менее, для быстрого и точного достижения целевой температуры на практике желательно регулировать поток электроэнергии, поступающий в запальную свечу.

В изобретении предложен усовершенствованный способ использования или эксплуатации запальной свечи в дизельном двигателе. В дизельном двигателе может использоваться дизельное топливо на основе бензина, синтетическое дизельное топливо или биологическое дизельное топливо. Дизельный двигатель имеет корпус с одной или несколькими камерами сгорания.

Способ включает стадию, на которой используют источник электроэнергии для подачи электрического тока через запальную свечу. Источником электроэнергии может являться аккумуляторная батарея. Измеряют электрический ток. Затем вычисляют напряжение на запальной свече с использованием измеренной величины электрического тока. Напряжение на запальной свече обычно ниже, чем напряжение источника электроэнергии. Это объясняется тем, что из-за сопротивления электропроводки между источником электроэнергии и запальной свечой происходит падение напряжения. Электропроводка включает электрические кабели, соединители и другие детали, которые соединяют источник электроэнергии с запальной свечой.

Затем путем использования вычисленного напряжения регулируют электрический ток через запальную свечу. На стадии регулирования может корректироваться напряжение на запальной свече согласно предварительно заданному рабочему циклу таким образом, чтобы регулировать температуру запальной свечи.

Данный способ обеспечивает быстрое и точное регулирование температуры запальной свечи, поскольку регулируется электрический ток через запальную свечу. Хотя электропроводка вызывает падение напряжения, электрический ток в источнике электроэнергии, в электропроводке и запальной свече остается без изменений за счет их последовательного соединения. Таким образом, способ позволяет точно регулировать нагрев запальной свечи путем регулирования электрического тока. Кроме того, поскольку при нагреве запальной свечи от 20°С до целевой температуры 1000°С в процессе использования ее сопротивление возрастает в три раза, колебания электрического тока будут отражать изменения сопротивления. Таким образом, для регулирования в способе используется электрический ток с тем, чтобы компенсировать влияние колебаний сопротивления запальной свечи и падения напряжения из-за электропроводки.

В способе также может быть предусмотрена стадия измерения величины напряжения на источнике электроэнергии. Величина напряжения может быть преобразована в напряжение запальной свечи согласно математической формуле. Математическая формула в качестве входных величин включает измеренное напряжение источника электроэнергии и величину сопротивления электропроводки.

На стадии измерения может осуществляться измерение напряжения на контрольном сопротивлении схемы управления. Схема управления последовательно установлена между источником электроэнергии и запальной свечой. Электрический ток, который проходит через контрольное сопротивление, также протекает через запальную свечу.

На стадии корректирования может осуществляться широтно-импульсная модуляция потока электроэнергии, поступающего в запальную свечу. Метод широтно-импульсной модуляции может быть запрограммирован в качестве возбудителя запальной свечи и может храниться в полупроводниковой интегральной схеме.

Способ также может включать стадию, на которой используют предварительно заданную величину сопротивления электропроводки для регулирования электрического тока. Сопротивление электропроводки может быть точно измерено и может храниться для вычисления напряжения на запальной свече.

Способ может дополнительно включать стадию, на которой корректируют электрический ток через запальную свечу согласно предварительно заданным величинам напряжения нагрева для нагрева запальной свечи в течение предварительно заданного времени. В результате осуществления стадии корректирования электрического тока происходят колебания напряжения на запальной свече. Величины напряжения нагрева обеспечивают пределы напряжения на запальной свече для получения прилива электрического тока через запальную свечу в течение короткого периода с тем, чтобы температура запальной свечи могла быстро достигнуть высокого уровня без чрезмерного нагрева. Короткий период также известен как период быстрого нагрева. Напряжения нагрева могут представлять собой первое напряжение большей величины и второе напряжение меньшей величины. Короткий период напряжения быстрого нагрева может быть разбит на множество стадий различных напряжений. Например, на запальную свечу может подаваться высокое напряжение 11 вольт в течение 1,5 секунд и затем низкое напряжение 9 вольт в течение 0,5 секунд. Высокое напряжение способно ускорять нагрев запальной свечи.

Может быть предусмотрена стадия корректирования электрического тока через запальную свечу для поддержания заданной температуры запальной свечи. Для обеспечения номинального напряжения на запальной свече регулируют электрический ток. Номинальное напряжение обеспечивает установившийся электрический ток через запальную свечу, когда запальная свеча просто остается теплой. Например, запальная свеча остается теплой, когда автомобиль с дизельным двигателем движется вниз по склону.

В изобретении также предложен способ использования дизельного двигателя. Способ включает стадию впрыска дизельного топлива в дизельный двигатель и стадии любого из упомянутых способов использования запальной свечи. Тем самым может быть повышена эффективность использования топлива дизельным двигателем.

В способе использования запальной свечи может быть предусмотрена стадия диагностирования запальной свечи путем измерения величины электрического тока запальной свечи. Метод диагностирования обеспечивает простое и удобное средство проверки запальной свечи для регулярного технического обслуживания дизельного двигателя.

В изобретении предложен способ изготовления блока управления запальной свечой. Способ включает стадию, на которой измеряют величину электрического сопротивления электропроводки запальной свечи для сохранения в блоке управления запальной свечой. Блок управления запальной свечой способен компенсировать влияние электропроводки и точно регулировать нагрев запальной свечи.

В способе изготовления блока управления запальной свечой может быть предусмотрена стадия измерения величины электрического сопротивления электропроводки. Электропроводка включает проводку между запальной свечой и контрольным сопротивлением. Электропроводка дополнительно соединяет контрольное сопротивление с источником электроэнергии. Поскольку сопротивление проводки влияет на электрический ток через запальную свечу, блок управления запальной свечой может быть запрограммирован компенсировать величину сопротивления проводов.

Способ изготовления может дополнительно включать стадию, на которой измеряют величины электрического сопротивления запальной свечи при различных температурах. Поскольку величины электрического сопротивления меняются с изменением температуры запальной свечи, величины электрического сопротивления могут использоваться в качестве показателей температуры. Следовательно, блок управления запальной свечой способен корректировать электрический ток через запальную свечу в зависимости от температуры путем контроля величин сопротивления. Таким образом, данный способ способен обеспечивать точный электрический ток через запальную свечу путем реагирования на величины электрического сопротивления. Срок службы запальной свечи может быть продлен, и запальной свече может требоваться меньшее техническое обслуживание на протяжении срока службы. На практике соответствующие величины сопротивления и температуры могут быть предварительно загружены в блок управления запальной свечой.

В настоящем изобретении предложен блок управления запальной свечой. Блок управления запальной свечой имеет порт для измерения величины электрического тока через запальную свечу, запоминающее устройство для хранения измеренных величин электрического тока. Запоминающее устройство имеет энергозависимую память и энергонезависимую память.

Блок управления запальной свечой также имеет блок управления для вычисления напряжения запальной свечи с использования хранящихся величин электрического тока и для регулирования электрического тока через запальную свечу с использованием вычисленного напряжения. Блок управления может содержать процессор и вентильный блок управления. Процессор выполняет встроенную компьютерную программу, которая содержит математическую формулу для вычисления электрического тока через запальную свечу.

Блок управления запальной свечой может иметь порт для приема сигналов статуса работы дизельного двигателя. Статус работы двигателя включает температуру корпуса двигателя, положения коленчатого вала и скорость проворачивания коленчатого вала двигателя. Блок управления запальной свечой способен точно корректировать поток электроэнергии, поступающий в запальную свечу, путем компенсации влияния электропроводки и колебаний температуры запальной свечи.

Блок управления запальной свечой может содержать один или несколько полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторов) для широтно-импульсной модуляции. МОП-транзистор используется в качестве электронного переключателя, который регулирует электрический ток через запальную свечу. МОП-транзистор может быть удобно встроен в полупроводниковую интегральную схему для изготовления компактного блока управления запальной свечой. МОП-транзистор также обладает более быстрым срабатыванием, чем реле. В качестве альтернативы блок управления запальной свечой может быть выполнен на основе платы с печатной схемой (ППС). Блок управления запальной свечой может быть дополнительно встроен в блок управления двигателем (БУД).

Блок управления может иметь вентильный блок для широтно-импульсной модуляции электрического тока через запальную свечу. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) электрического тока предусматривает модуляционный рабочий цикл электрического тока. Метод ШИМ может быть запрограммирован и реализован в компактной полупроводниковой интегральной схеме.

Блок управления запальной свечой может дополнительно иметь контрольное сопротивление и транзистор, которые последовательно установлены между источником электроэнергии и запальной свечой. Транзистор представляет собой МОП- транзистор. Контрольное сопротивление и транзистор образуют схему управления, которая может быть выполнена в виде интегральной схемы (ИС). ИС обеспечивает компактное и эффективное средство управления запальной свечой.

Изготовитель может использовать блок управления запальной свечой с питанием от автономного источника электропитания или встроить блок управления запальной свечой в БУД. Как автономный блок управления запальной свечой, так и блок управления запальной свечой, встроенный в БУД, могут быть сконфигурированы на осуществление способа использования запальной свечи. Стадия конфигурирования может осуществляться с использованием электропроводки, программ системы программного обеспечения или сочетания того и другого.

В изобретении предложен дизельный двигатель. Дизельный двигатель имеет запальную свечу, помещающуюся внутри камеры сгорания дизельного двигателя. Дизельный двигатель дополнительно имеет источник электроэнергии и блок управления запальной свечой. Блок управления запальной свечой соединен с запальной свечой и источником электроэнергии. Блок управления запальной свечой служит для регулирования электрического тока через запальную свечу. Блок управления запальной свечой способен принимать быстрые и точные меры управления запальными свечами для обеспечения сгорания топлива.

В изобретении предложена компьютерная программа для выполнения упомянутого способа использования запальной свечи.

На фиг.1 проиллюстрирована блок-схема блока управления запальной свечой для управления четырьмя запальными свечами в четырехцилиндровом дизельном двигателе,

на фиг.2 проиллюстрирована упрощенная схема блока управления запальной свечой, при этом первая запальная свеча расположена внутри корпуса двигателя,

на фиг.3 проиллюстрирована диаграмма напряжений первой запальной свечи, управляемой модулем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) блока управления запальной свечой,

на фиг.4 проиллюстрированы данные испытаний первой запальной свечи, представленные на первой диаграмме,

на фиг.5 проиллюстрированы данные испытаний первой запальной свечи, представленные на второй диаграмме,

на фиг.6 проиллюстрированы данные испытаний первой запальной свечи, представленные на третьей диаграмме, и

на фиг.7 проиллюстрирована блок-схема блока управления запальной свечой.

Далее в описании приведены подробности вариантов осуществления изобретения. Вместе с тем, специалистам в данной области техники понятно, что эти варианты осуществления могут быть реализованы на практике без таких подробностей.

Рассмотрим первый вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.1-7. На фиг.1-7 представлены детали, обозначенные одними и теми же позициями. При необходимости приводится соответствующее описание этих деталей.

На фиг.1 проиллюстрирована блок-схема блока 30 управления запальной свечой для управления четырьмя запальными свечами в четырехцилиндровом дизельном двигателе. Блок 30 управления запальной свечой соединен с БУД (блоком управления двигателем), который не показан. Блок 30 управления запальной свечой преимущественно имеет модуль 40 ШИМ (широтно-импульсной модуляции), который соединен с упомянутыми четырьмя запальными свечами. Этими четырьмя запальными свечами являются первая запальная свеча 32, вторая запальная свеча 34, третья запальная свеча 36 и четвертая запальная свеча 38.

Модуль 40 ШИМ имеет логический блок 42, вентильный блок 44, измерительный блок 46 и программатор 48 режимов. Эти четыре блока 42, 44, 46, 48 соединены друг с другом заданным способом. Каждый из этих четырех блоков 42, 44, 46, 48 также соединен со своими внешними электронными компонентами.

Как показано на фиг.1, первая запальная свеча 32, первое контрольное сопротивление 70, первый МОП-транзистор 62 и аккумуляторная батарея 52 последовательно соединены друг с другом. Первый МОП-транзистор 62 и первое контрольное сопротивление 70 образуют первую схему 71 управления. Первая запальная свеча 32 имеет резистивную нагревательную спираль с двумя концами. Одним из концов является клемма 78 первой запальной свечи для приема подводимой мощности аккумуляторной батареи 52. Другим концом является первая клемма 80 заземления, которая сплавлена с первым корпусом 81 первой запальной свечи 32. Первый корпус 81 виден только на фиг.2.

Первое контрольное сопротивление 70 имеет первую входную клемму 82 и первую выходную клемму 84, расположенные на его противоположных концах. Первая выходная клемма 84 соединена с клеммой 78 первой запальной свечи и с измерительным блоком 46. Первая входная клемма 82 посредством первого МОП-транзистора 62 соединена с аккумуляторной батареей 52. Первая входная клемма 82 также соединена с измерительным блоком 46.

Первым МОП-транзистором 62 является N-канальный МОП-транзистор, который имеет три клеммы. Этими тремя клеммами являются сток 86, вентиль 88 и исток 90. Исток 90 соединен с входной клеммой 80, вентиль 88 соединен с вентильным блоком 44, а сток 86 соединен с аккумуляторной батареей 52.

Подобно первой запальной свече 32 вторая запальная свеча 34, третья запальная свеча 36 и четвертая запальная свеча 38 соответственно соединены с аккумуляторной батареей 52. В частности, вторая запальная свеча 34 имеет клемму 92 второй запальной свечи и вторую 94 клемму заземления. Клемма 92 второй запальной свечи соединена со второй выходной клеммой 96 второго контрольного сопротивления 72. Второй МОП-транзистор 64 и второе контрольное сопротивление 72 образуют вторую схему 73 управления. Вторая входная клемма 98 второго контрольного сопротивления 72 соединена с истоком 100 второго МОП-транзистора 64. Вентиль 102 второго МОП-транзистора 64 соединен с вентильным блоком 44, а исток 104 второго МОП-транзистора 64 соединен с аккумуляторной батареей 52. Как вторая выходная клемма 96, так и вторая входная клемма 98 по отдельности соединены с измерительным блоком 46.

Электрические соединения третьей запальной свечи 36 сходны с соединениями первой запальной свечи 32 и второй запальной свечи 34. Третья запальная свеча 36 имеет клемму 106 третьей запальной свечи 106 и вторую клемму 108 заземления. Клемма 106 третьей запальной свечи соединена с третьей выходной клеммой 110 третьего контрольного сопротивления 74. Третий МОП-транзистор 66 и третье контрольное сопротивление 74 образуют третью схема управления 75. Третья входная клемма 112 третьего контрольного сопротивления 74 соединена с истоком 114 третьего МОП-транзистора 66. Вентиль 116 третьего МОП-транзистора 66 соединен с вентильным блоком 44, а исток 118 третьего МОП-транзистора 66 соединен с аккумуляторной батареей 52. Третья выходная клемма 110 и третья входная клемма 112 по отдельности соединены с измерительным блоком 46.

Электрические соединения четвертой запальной свечи 76 сходны с соединениями первой запальной свечи 32, второй запальной свечи 34 и третьей запальной свечи 36. Четвертая запальная свеча 38 имеет клемму 120 четвертой запальной свечи и четвертую клемму 122 заземления. Клемма 120 четвертой запальной свечи соединена с четвертой выходной клеммой 124 четвертого контрольного сопротивления 76. Четвертое контрольное сопротивление 76 и четвертый МОП-транзистор 68 образуют четвертую схему 77 управления. Четвертая входная клемма 126 четвертого контрольного сопротивления 76 соединена с истоком 128 четвертого МОП-транзистора 68. Вентиль 128 четвертого МОП-транзистора 68 соединен с вентильным блоком 44, а исток 130 четвертого МОП-транзистора 68 соединен с аккумуляторной батареей 52. Измерительный блок 46 по отдельности соединен с четвертой выходной клеммой 120 и с четвертой входной клеммой 126.

Модуль 40 ШИМ соединен с источником напряжения (V_s) входной клеммой 50 напряжения для подачи электроэнергии. Модуль 40 ШИМ также соединен с аккумуляторной батареей 52 клеммой 54 измерения напряжения для контроля величины напряжения аккумуляторной батареи 52. Аккумуляторная батарея 52 имеет положительную выходную клемму 53, соединенную с ее катодом, и отрицательную выходную клемму 55, соединенную с ее анодом. Как показано на фиг.1, отрицательная выходная клемма 55 соединена заземлением (GND) 57. Модуль 40 ШИМ дополнительно соединен с фильтром 59 нижних частот. Модуль 40 ШИМ имеет релейную линию 56 управления, которая соединена с другими элементами БУД.

В частности, логический блок 42 имеет соединенную с БУД линию 58 управления для приема управляющих сигналов. Логический блок 42 также имеет связанную с другими элементами БУД линию 60 диагностики для передачи сигналов диагностики. Вентильный блок 44 и измерительный блок 46 непосредственно соединены с аккумуляторной батареей 52, упомянутыми четырьмя МОП-транзисторами 62, 64, 66, 68, упомянутыми четырьмя контрольными сопротивлениями 70, 72, 74, 76 и упомянутыми четырьмя запальными свечами 32, 34, 36, 38. Эти компоненты показаны в правой части фиг.1. Программатор 48 режимов имеет входную линию 69 для приема сигналов температуры, скорости вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости и других параметров дизельного двигателя.

В контексте настоящего изобретения напряжение или сигнал напряжения может означать величину напряжения, которая описывает разность электрических потенциалов между двумя клеммами или электрический потенциал на одной клемме относительно электрического заземления (GND).

На фиг.2 проиллюстрирована упрощенная схема блока 30 управления запальной свечой, при этом первая запальная свеча 32 расположена внутри корпуса 134 двигателя. В корпусе 134 двигателя помещается камера 136 сгорания, в которую поступает свежий воздух. Первая запальная свеча 32 имеет первую оболочку 138, закрытую первым корпусом 81 первой запальной свечи 32. Первая оболочка 138 помещается в камере 136 сгорания, а первый корпус 81 удерживается корпусом 134 двигателя.

Корпус 134 двигателя имеет четыре камеры сгорания, в которых помещается каждая из четырех запальных свеч 32, 34, 36, 38 соответственно. Эти четыре запальные свечи 32, 34, 36, 38 помещены в четыре камеры сгорания одинаковым способом.

Каждая запальная свеча 32, 34, 36, 38 имеет резистивную нагревательную спираль, которая включает регулирующую спираль и нагревательную спираль для повышения температуры свежего воздуха внутри камеры 136 сгорания. Эти спирали нагревают свежий воздух для воспламенения впрыскиваемого дизельного топлива.

Каждый из четырех МОП-транзисторов 62, 64, 66, 68 действует как электронный переключатель под управлением модуля 40 ШИМ. Электрическое соединение между первым стоком 86 и первым истоком 90 включается или выключается сигналом напряжения на первом вентилем 88, поступающим из вентильного блока 44. Три другие МОП-транзистора 64, 66, 68 действуют подобно первому МОП-транзистору 62.

Четыре контрольные сопротивления 70, 72, 74, 76 подают сигналы напряжения в измерительный блок 46. Эти четыре контрольные сопротивления 70, 72, 74, 76 также ограничивают электрический ток между аккумуляторной батареей 52 и четырьмя запальными свечами 32, 34, 36, 38. Эти четыре контрольные сопротивления 70, 72, 74, 76 действуют сравнимыми способами. Например, первое контрольное сопротивление 70 генерирует первый входной сигнал напряжения на первой входной клемме 82. Первое контрольное сопротивление 70 также подает первый выходной сигнал напряжения на свою первую выходную клемму 84. Первая величина сопротивления первого контрольного сопротивления 70 является предварительно заданной и известной измерительному блоку 46. Аналогичным образом, второе контрольное сопротивление 72 генерирует второй входной сигнал напряжения на второй входной клемме 98. Второе контрольное сопротивление 72 дополнительно подает второй выходной сигнал напряжения на вторую выходную клемму 96. Вторая величина сопротивления второго контрольного сопротивления 72 также является предварительно заданной и известной измерительному блоку 46.

Аккумуляторная батарея 52 служит источником электроэнергии для подачи электрического напряжения и тока на четыре запальные свечи 32, 34, 36, 38. Источник напряжения V_s подает электроэнергию в модуль 40 ШИМ для его работы. Фильтр 59 нижних частот устраняет низкочастотный шум модуля 40 ШИМ. Линия 58 управления обеспечивает доступ из БУД для координирования работы четырех запальных свечей 32, 34, 36, 38. Линия 60 диагностики позволяет БУД проверять ошибки в работе модуля 40 ШИМ. Релейная линия 56 управления является необязательной и служит для регулирования вспомогательной запальной свечи посредством реле.

Модуль 40 ШИМ преимущественно управляет четырьмя запальными свечами 32, 34, 36, 38. В частности, логический блок 42 обеспечивает доступ к линии 58 управления и линии 60 диагностики. Вентильный блок 44 управляет четырьмя вентилями 88, 102, 116, 130 четырех МОП-транзисторов 62, 64, 66, 68 таким образом, чтобы поток электроэнергии из аккумуляторной батареи 52 мог быть перекрыт или включен. Программатор 48 режимов принимает электрические сигналы, отображающие температуру дизельного двигателя, скорость вращения коленчатого вала, температуру охлаждающей жидкости и другие параметры.

Запальные свечи 32, 34, 36, 38 представляют собой запальные свечи низкого напряжения, применимые для управления МОП-транзисторами при напряжении около 5 вольт. При работе согласно схеме ШИМ на запальные свечи 32, 34, 36, 38 поступает номинальное напряжение 5 вольт для быстрого нагрева от комнатной температуры до целевой температуры 1000°С в течение 2 секунд. В отличие от этого для запальной свечи высокого напряжения требуется номинальное напряжение 11 вольт и 5-6 секунд для нагрева до такой же целевой температуры. Запальные свечи 32, 34, 36, 38 также потребляют меньше электроэнергии по сравнению с запальными свечами высокого напряжения. Применение запальных свечей низкого напряжения 32, 34, 36, 38 обеспечивает экономию энергии аккумуляторной батареи, снижение требования к электропроводке и сокращение расхода топлива двигателем.

Модуль 40 ШИМ использует несколько мгновенных величин измерения параметров работы четырех запальных свечей 32, 34, 36, 38. Помимо этого модуль 40 ШИМ сохраняет величины электрического сопротивлений четырех электропроводок. Эти четыре электропроводки соединяют четыре запальные свечи 32, 34, 36, 38 с аккумуляторной батареей 52.

В частности, модуль 40 ШИМ измеряет величину электрического напряжения V_batt аккумуляторной батареи 52 на клемме 54 измерения напряжения. Модуль 40 ШИМ также проверяет первые величины электрического тока I_gp1 первой запальной свечи 32. Первые величины электрического тока I_gp1 могут быть получены путем проверки напряжения на контрольном сопротивлении 70 первой схемы 71 управления. Контрольное сопротивление 70 последовательно установлено между аккумуляторной батареей 52 и первой запальной свечой 32. Величину электрического сопротивления R_w1 первой электропроводки 153, которая соединяет аккумуляторную батарею 52 с первой запальной свечой 32, калибруют и предварительно загружают в модуль 40 ШИМ. Электрическое сопротивление R_w1 первой электропроводки 153 содержит электрические сопротивления первого МОП-транзистора 62, первое контрольное сопротивление 70, первый провод 154 между первым контрольным сопротивлением 70 и первой запальной свечой 32 и другие электрические соединения аккумуляторной батареи 52 с первой запальной свечой 32. Величина электрического сопротивления R_w1 первой электропроводки 153 также известна как предварительно заданное электрическое сопротивление R_w1 электропроводки, которое калибруют путем зарядки первой запальной свечи 32 при номинальном напряжении V_nom. Номинальной температурой является целевая температура 1000°С. Используя эти величины, модуль 40 ШИМ способен вычислять первую величину электрического напряжения V_gp1 первой запальной свечи 32 согласно следующей формуле (1)

$$V_{gp1}=V_{ball}-R_{w1}\times I_{gp1}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(1\right)$$

С помощью этой формулы (1) модуль 40 ШИМ регулирует поток электроэнергии, поступающий в первую запальную свечу 32, путем сравнения первой величины электрического напряжения V_gp1 с предварительно заданной величиной.

Аналогичным образом модуль 40 ШИМ проверяет вторую величину электрического тока I_gp2 второй запальной свечи 34 на второй выходной клемме 96, третью величину электрического тока I_gp3 третьей запальной свечи 36 на третьей выходной клемме 110 и четвертую величину электрического тока I_gp4; четвертой запальной свечи 38 на четвертой выходной клемме 124. Электрические сопротивления второй электропроводки 155, третьей электропроводки 157 и четвертой электропроводки 159 дополнительно калибруют и загружают в модуль 40 ШИМ. Модуль 40 ШИМ вычисляет вторую величина электрического напряжения V_gp2 второй запальной свечи 34, третью величину электрического напряжения V_gp3 третьей запальной свечи 36 и четвертую величину электрического напряжения V_gp4 четвертой запальной свечи 38 согласно формулам (2)-(4)

$$V_{gp2}=V_{ball}-R_{w2}\times I_{gp2}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(2\right)$$

$$V_{gp3}=V_{ball}-R_{w3}\times I_{gp3}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(3\right)$$

$$V_{gp4}=V_{ball}-R_{w4}\times I_{gp4}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(4\right)$$

В формулах (2)-(4) R_w2, R_w3 и R_w4 означают калиброванные величины электрического сопротивления второй электропроводки 155, третьей электропроводки 157 и четвертой электропроводки 159, соответственно. Эти электропроводки представляют собой электрические соединения аккумуляторной батареи 52 с каждой из запальных свечей 34, 36, 38 соответственно.

На фиг.3 проиллюстрирована диаграмма напряжений первой запальной свечи 32, управляемой модулем 40 ШИМ блока 30 управления запальной свечой. Три другие запальные свечи 34, 36, 38 управляются подобно первой свече 32 низкого напряжения.

На фиг.3 представлена диаграмма 140 на основе двухмерной декартовой системы координат, на которой по вертикальной оси 142 отложено напряжение в вольтах, подаваемое на первую запальную свечу 32. По горизонтальной оси 144 диаграммы 140 отложено время в секундах. В процессе работы блок 30 управления запальной свечой предусматривает два периода нагрева первой запальной свечи 32. Эти два периода включают период 146 быстрого нагрева и последующий период 148 подачи номинального напряжения. Период быстрого нагрева также известен как время предварительного накаливания для ускорения первоначального повышения температуры первой запальной свечи 32 для t воспламенения топлива в дизельном двигателе. В период 146 быстрого нагрева на первую запальную свечу 32 в течение 1,5 секунд подают высокое напряжение V_H в 11 вольт, что известно как стадия 150 высокого напряжения. Затем первую запальную свечу 32 в течение 0,5 секунд заряжают низким напряжением V_L в 9 вольт, что известно как стадия 152 низкого напряжения. Немедленно после периода 146 быстрого нагрева следует период 148 подачи номинального напряжения на первую запальную свечу 32, когда на первую запальную свечу 32 в течение длительного времени подают номинальное напряжение V_nom 151 в 7 вольт. Общей длительностью периода 146 быстрого нагрева и периода 148 подачи номинального напряжения является продолжительность прокручивания дизельного двигателя.

Модуль 40 ШИМ управляет остальными запальными свечами 34, 36, 38 подобно тому, как он управляет первой свечей 32 низкого напряжения.

Величины высокого напряжения V_H, низкого напряжения V_L и номинального напряжения V_nom являются действующими напряжениями, a V_gp1, V_gp2, V_gp3, V_gp4 являются максимальными напряжениями на запальных свечах 32, 34, 36, 38. Действующее напряжение отображает напряжение постоянного электрического тока, эквивалентного воздействию подвергнутого широтно-импульсной модуляции прерывистого электрического тока более высокого напряжения.

Действующие напряжения V_H, V_L и V_nom определяют на основании рабочего цикла D согласно следующей формуле (5).

$$D=100\times \frac{T_{on}}{T}=100\times \frac{T_{on}}{T_{on}+T_{off}}=100\times {\left(\frac{V_{t\arg et}}{V_{gp}}\right)}^2\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(5\right)$$

В формуле (5) T_on и Т означают время зарядки и общее время эксплуатации запальной свечи 32, 34, 36, 38. Соответственно, T_off означает время отключения электроэнергии за общий период использования запальной свечи. V_target означает действующие напряжения V_H, V_L и V_nom на фиг.3, a V_gp означает максимальные напряжения на четырех запальных свечах 32, 34, 36, 38 соответственно. Блок 30 управления запальной свечой оценивает рабочий цикл D с целью достижения желаемых действующих целевых напряжений V_target запальной свечи согласно формуле (5).

Способ использования четырех запальных свечи 32, 34, 36, 38 является более быстрым и точным с точки зрения достижения целевой температуры 1000°С на оболочках запальных свечей 32, 34, 36, 38. Например, первая запальная свеча 32 достигает целевой температуры на 1 секунду быстрее, чем в случае использования известных методов при нагреве от комнатной температуры 20°С. В процессе использования первая запальная свеча 32 также способна достигать максимальной температуры в пределах 50°С от целевой температуры.

Способ используется для управления тремя другими запальными свечами 34, 36, 38 подобно управлению первой запальной свечой 32. Таким образом, эти запальные свечи 34, 36, 38 также способны быстро и точно достигать целевой температуры.

Одной из причин более быстрого и точного регулирования нагрева запальных свеч 32, 34, 36, 38 является то, что блок 30 управления запальной свечой вычисляет электрическое напряжение на каждой запальной свече 32, 34, 36, 38 для управления ее работой. В способе непосредственно не используется величина напряжения V_batt аккумуляторной батареи в качестве напряжения, подаваемого на запальные свечи 32, 34, 36, 38. По существу, на запальные свечи 32, 34, 36, 38 не поступает полное выходное напряжение V_batt аккумуляторной батареи из-за электропроводки 153, 155, 157, 159.

В способе обеспечивается точное регулирование температуры и быстрый нагрев запальных свеч 32, 34, 36, 38, поскольку величины электрического сопротивления запальных свеч 32, 34, 36, 38 и электропроводки 153, 155, 155, 157 запальных свечей 32, 34, 36, 38 калибруют и хранят внутри модуля 40 ШИМ. При калибровке учитывается зависимость запальных свечей 32, 34, 36, 38 от температуры. Например, электрические сопротивления запальных свеч 32, 34, 36, 38 измеряют при подаче на них номинального напряжение V_nom.

На фиг.4-6 проиллюстрированы данные испытаний первой запальной свечи 32, представленные на трех диаграммах.

На фиг.4 проиллюстрированы данные испытаний первой запальной свечи 32, представленные на первой диаграмме 162.

По вертикальной оси 168 первой диаграммы 162 отложена температура в градусах Цельсия (°С), а по горизонтальной оси 170 отложено время в секундах (S). Первая температурная кривая 174 отображает температуру первой запальной свечи 32 при нагреве от 0 С с использованием выходного напряжения аккумуляторной батареи 52 в качестве напряжения первой запальной свечи для управления. Вторая температурная кривая 172 отображает температуру первой запальной свечи 32 при нагреве от такой же исходной точки 0°С до целевой температуры 1000°С с использованием напряжения на первой запальной свечи 32 для управления. На первой диаграмме ясно показано, что за счет использования напряжения на первой запальной свече 32 первая запальная свеча 32 достигает целевой температуры на 1 секунду быстрее, что компенсирует влияние сопротивления первой электропроводки 153. Иными словами, нагрев первой запальной свечи 32 ускорен, и для предварительного накаливания согласно первому варианту осуществления требуется меньшее время. Температура первой запальной свечи 32 также поддерживается ближе к целевой температуре 1000°С в пределах менее 50°С.

На фиг.5 проиллюстрированы данные испытаний первой запальной свечи 32, представленные на второй диаграмме 164. По горизонтальной оси 178 второй диаграммы 164 также отложено время в секундах (S). По вертикальной 180 оси второй диаграммы 164 дополнительно отложена процентная доля работы под нагрузкой первой запальной свечи 32. Первая кривая 182 нагрузки отображает процентную долю работы под нагрузкой первой запальной свечи в случае быстрого нагрева с использованием напряжения на первой запальной свече 32 для широтно-импульсной модуляции. Вторая кривая 184 нагрузки отображает процентную долю работы под нагрузкой первой запальной свечи 32 в случае быстрого нагрева с использованием напряжения на аккумуляторной батарее 52 для широтно-импульсной модуляции. На третьей диаграмме показано, что различие между двумя кривыми 182, 184 составляет около 10%.

На фиг.6 проиллюстрированы данные испытаний первой запальной свечи 32, представленные на третьей диаграмме 166. По горизонтальной оси 188 третьей диаграммы 166 отложено время в секундах (S). По вертикальной оси 190 третьей диаграммы 166 отложено напряжение в вольтах. На третьей диаграмме 166 отображены три кривые, включающие первую кривую 192 напряжения, вторую кривую 194 напряжения и третью кривую 196 напряжения. Первая кривая 192 напряжения отображает выходное напряжение аккумуляторной батареи 52, которое является максимальным напряжением, доступным для ШИМ. Первая кривая 192 напряжения не отображает действительное напряжение на запальной свече 32, поскольку первая электропроводка 153 вызывает падение напряжения на участке от аккумуляторной батареи 52 до первой запальной свечи 32. Вторая кривая 194 напряжения отображает максимальное напряжение на первой запальной свече 32 для ШИМ. Это максимальное напряжение является максимальным напряжением на первой запальной свече 32, доступным для достижения заданных действующих напряжений. Третья кривая 196 напряжения отображает действующие напряжения на первой запальной свече 32 при использовании широтно-импульсной модуляции.

На фиг.7 проиллюстрирована блок-схема блока 30 управления запальной свечой. Блок 30 управления запальной свечой представляет собой встроенную полупроводниковую интегральную схему 198, имеющую несколько портов и блоков.

Интегральная схема 198 имеет порт 200 для приема сигналов статуса работы двигателя, включающих сигналы скорость проворачивания коленчатого вала, сигналы температуры двигателя и сигналы положения дроссельной заслонки. Интегральная схема 198 также имеет порт 202 для измерений электрических параметров контрольного сопротивления 70. Электрические параметры включают величины напряжения и величины электрического тока.

Запоминающее устройство 204 имеет ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) для хранения измеренных величин сопротивления первой запальной свечи 32 в зависимости от различных рабочих температур. В запоминающем устройстве 202 также хранятся принимаемые сигналы и измеренные электрические параметры блока 30 управления запальной свечой. В запоминающем устройстве 202 дополнительно хранится компьютерная программа 206, основанная на математической формуле (1) и схеме нагрева, проиллюстрированной на фиг.3.

Блок 208 управления имеет процессор, который выполняет компьютерную программу 206 для регулирования первого МОП-транзистора 62 в соответствии с хранящейся компьютерной программой 206. Блок 208 управления соединен с приемным портом 200, измерительным портом 202 и запоминающим устройством 204. Блок 208 управления модулирует электрический ток, протекающий через первую запальную свечу 32 в соответствии с методом ШИМ.

Согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения блок 30 управления запальной свечой регулирует поток электроэнергии в зависимости от температур запальных свеч 32, 34, 36, 38 в процессе их работы.

Во втором варианте осуществления измерительный блок 46 использует величину входного электрического напряжения V_R1in на первой входной клемме 82. Измерительный блок 46 дополнительно проверяет величину выходного электрического напряжения V_R1out на первой выходной клемме 84. Модуль 40 ШИМ вычисляет первую величины электрического тока I_gp1, который протекает через первую запальную свечу 32, путем деления разности между V_R1in и V_R1out на величину электрического сопротивления R₁ первого контрольного сопротивление 70. Величину электрического сопротивления R₁ измеряют и предварительно загружают в модуль 40 ШИМ. Модуль 40 ШИМ дополнительно использует величину сопротивления R_w1 первого провода 154. Тем самым получают более точное первое электрическое напряжение V_gp1 первой запальной свечи 32 для управления первым МОП-транзистором 62 согласно следующей формуле (6).

$$V{\text{'}}_{gp1}=V_{R1out}-R_{w1}\times \frac{V_{R1in}-V_{R1out}}{R_1}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(6\right)$$

Поскольку сопротивление R₁ первого контрольного сопротивления 70 и первого провода 154 Rw₁ обычно является постоянным, для точного управления модуль 40 ШИМ прослеживает первое выходное напряжение V_R1out которое отображает влияние температуры на первую запальную свечу 32. Первое выходное напряжение V_R1out первого контрольного сопротивления 70 может быть преобразовано в напряжение V_gp1, подаваемое на первую запальную свечу 32, согласно формуле (6). Поскольку нагревательные спирали первой запальной свечи 32 изготовлены из сплава Fr-Cr, их величины сопротивления меняются от 80 мкОм при 20°С до 200 мкОм при 1000°С. Во втором варианте осуществления не используется в качестве постоянной величины сопротивление первой запальной свечи 32, которое способно вызвать ошибку при регулировании.

Аналогичным образом могут быть получены более точные вторые электрические напряжения V'_gp2 второй запальной свечи 34, более точные третьи электрические напряжения V'_gp3 третьей запальной свечи 36 и более точные четвертые электрические напряжения V_gp4 четвертой запальной свечи 38 согласно следующим формулам:

$$V{\text{'}}_{gp2}=V_{R2out}-R_{w2}\times \frac{V_{R2in}-V_{R2out}}{R_2}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(7\right)$$

$$V{\text{'}}_{gp3}=V_{R3out}-R_{w3}\times \frac{V_{R3in}-V_{R3out}}{R_3}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(8\right)$$

$$V{\text{'}}_{gp4}=V_{R4out}-R_{w4}\times \frac{V_{R4in}-V_{R4out}}{R_4}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(9\right)$$

R_w2 в этих формулах означает величину электрического сопротивления второго провода 156. Второй провод 156 соединяет второе контрольное сопротивление 72 и вторую запальную свечу 34. R_w3 означает величину электрического сопротивления третьего провода 158. Третий провод 158 соединяет третье контрольное сопротивление 74 и третью запальную свечу 36. R_w4 означает величину электрического сопротивления четвертого 160. Четвертый провод 160 соединяет четвертое контрольное сопротивление 76 и четвертую запальную свечу 38.

Другие механические конструкции, электрические соединения и методы регулирования во втором варианте осуществления подобны тем, которые описаны со ссылкой на первый вариант осуществления.

Хотя в приведенном выше описании содержится множество подробностей, их следует считать не ограничивающими объем вариантов осуществления, а лишь иллюстрирующими возможные варианты осуществления. В частности, указанные выше преимущества вариантов осуществления следует считать не ограничивающими объем вариантов осуществления, а лишь поясняющими возможные результаты в случае практической реализации описанных вариантов осуществления. Таким образом, объем вариантов осуществления должен определяться формулой изобретения и ее эквивалентами, а не приведенным выше примерами.

Позиции

30 блок управления запальной свечой

32 первая запальная свеча

34 вторая запальная свеча

36 третья запальная свеча

38 четвертая запальная свеча

40 модуль ШИМ

42 логический блок

44 вентильный блок

46 измерительный блок

48 программатор режимов

50 клемма входа напряжения

52 аккумуляторная батарея

53 положительная клемма

54 клемма измерения напряжения

55 отрицательная клемма

56 релейная линия управления

57 заземление

59 фильтр нижних частот

58 линия управления

60 линия диагностики

62 первый МОП-транзистор

64 второй МОП-транзистор

66 третий МОП-транзистор

68 четвертый МОП-транзистор

70 первое контрольное сопротивление

71 первая схема управления

72 второе контрольное сопротивление

73 вторая схема управления

74 третье контрольное сопротивление

75 третья схема управления

76 четвертое контрольное сопротивление

77 четвертая схема управления

78 клемма первой запальной свечи

80 первая клемма заземления

81 первый корпус

82 первая входная клемма

84 первая выходная клемма

86 сток первого МОП-транзистора

88 вентиль первого МОП-транзистора

90 исток первого МОП-транзистора

92 клемма второй запальной свечи

94 вторая клемма заземления

96 вторая выходная клемма

98 вторая входная клемма

100 исток второго МОП-транзистора

102 вентиль второго МОП-транзистора

104 сток второго МОП-транзистора

106 клемма третьей запальной свечи

108 третья клемма заземления

110 третья выходная клемма

112 третья входная клемма

114 исток третьего МОП-транзистора

116 вентиль третьего МОП-транзистора

118 сток третьего МОП-транзистора

120 клемма четвертой запальной свечи

122 четвертая клемма заземления

124 четвертая выходная клемма

126 четвертая входная клемма

128 исток четвертого МОП-транзистора

130 вентиль четвертого МОП-транзистора

132 сток четвертого МОП-транзистора

134 корпус двигателя

136 камера сгорания

138 первая оболочка

140 диаграмма на основе двухмерной декартовой системы координат

142 вертикальная ось

144 горизонтальная ось

146 период быстрого нагрева

148 период подачи номинального напряжения

150 стадия высокого напряжения

151 стадия номинального напряжения

152 стадия низкого напряжения

153 первая электропроводка

154 первый провод

155 вторая электропроводка

156 второй провод

157 третья электропроводка

158 третий провод

159 четвертая электропроводка

160 четвертый провод

162 первая диаграмма

164 вторая диаграмма

166 третья диаграмма

168 вертикальная ось

170 горизонтальная ось

172 вторая температурная кривая

174 первая температурная кривая

176 разность времени

178 горизонтальная ось

180 вертикальная ось

182 первая кривая нагрузки

184 вторая кривая нагрузки

186 разность

188 горизонтальная ось

190 вертикальная ось

192 первая кривая напряжения

194 вторая кривая напряжения

196 третья кривая напряжения

198 встроенная полупроводниковая интегральная схема

200 приемный порт

202 измерительный порт

204 запоминающее устройство

206 компьютерная программа

208 блок управления

Изобретение относится к дизельным двигателям, в частности запальным свечам. Технический результат - возможность точного регулирования тока через запальную свечу. В заявке описан способ использования запальной свечи в дизельном двигателе, включающий первую стадию использования источника электроэнергии для подачи электрического тока через запальную свечу, вторую стадию измерения электрического тока, третью стадию вычисления напряжения на запальной свече с использованием измеренной величины электрического тока и четвертую стадию регулирования электрического тока через запальную свечу с использованием вычисленного напряжения. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ использования запальной свечи (32, 34, 36, 38) в дизельном двигателе (134), в котором:
подают электрический ток через запальную свечу (32, 34, 36, 38),
измеряют электрический ток,
измеряют напряжение источника (52) электроэнергии,
вычисляют напряжение на запальной свече (32, 34, 36, 38) с использованием измеренной величины электрического тока и предварительно заданного электрического сопротивления электропроводки (153, 155, 157, 159), которая соединяет запальную свечу (32, 34, 36, 38) и источник (52) электроэнергии, и
регулируют электрический ток через запальную свечу (32, 34, 36, 38) с использованием вычисленного напряжения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют напряжение на контрольном сопротивлении (70, 72, 74, 76), которое установлено между источником (52) электроэнергии и запальной свечой (32, 34, 36, 38).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при регулировании осуществляют широтно-импульсную модуляцию электрического тока через запальную свечу (32, 34, 36, 38).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно корректируют электрический ток через запальную свечу (32, 34, 36, 38) согласно предварительно заданным величинам (150, 152) напряжения нагрева запальной свечи (32, 34, 36, 38).

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что величины (150, 152) напряжения нагрева включают первое напряжение (150) и второе напряжение (152).

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно корректируют электрический ток через запальную свечу (32, 34, 36, 38) согласно предварительно заданной номинальной величине (151) напряжения для поддержания предварительно заданной температуры запальной свечи (32, 34, 36, 38).

7. Способ использования дизельного двигателя (134), в котором впрыскивают дизельное топливо в дизельный двигатель и который включает способ использования запальной свечи (32, 34, 36, 38) по любому из предшествующих пунктов.

8. Способ изготовления блока (30) управления запальной свечой, в котором измеряют электрическое сопротивление электропроводки, (153, 155, 157, 159), которая служит электрическим соединением между источником (52) электроэнергии и запальной свечой (32, 34, 36, 38), и
сохраняют измеренную величину электрического сопротивления в блоке (30, 34, 36, 38) управления запальной свечой для регулирования электрического тока через запальную свечу (32, 34, 36, 38), измеренная величина электрического сопротивления является предварительно заданным электрическим сопротивлением электропроводки.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что дополнительно измеряют величины электрического сопротивления запальной свечи (32, 34, 36, 38) при различных температурах и
сохраняют измеренные величины электрического сопротивления запальной свечи (32, 34, 36, 38) при различных температурах в блоке (30) управления запальной свечой.

10. Блок (30) управления запальной свечой, имеющий:
порт (202) для измерения величины электрического тока через запальную свечу (32, 34, 36, 38),
запоминающее устройство (204) для хранения измеренной величины электрического тока и
блок (208) управления для вычисления напряжения запальной свечи (32, 34, 36, 38) с использованием хранящейся величины электрического тока и регулирования электрического тока через запальную свечу (32, 34, 36, 38) с использованием вычисленной величины напряжения.

11. Блок (30) управления запальной свечой по п. 10, отличающийся тем, что блок (208) управления имеет вентильный блок (44) для широтно-импульсной модуляции электрического тока через запальную свечу (32, 34, 36, 38).

12. Блок (30) управления запальной свечой по п. 10 или 11, отличающийся тем, что блок (30) управления запальной свечой дополнительно имеет контрольное сопротивление (70, 72, 74, 76) и транзистор (62, 64, 66, 68), которые последовательно установлены между источником (52) электроэнергии и запальной свечой (32, 34, 36, 38).

13. Дизельный двигатель, имеющий:
запальную свечу (32, 34, 36, 38), помещающуюся внутри камеры (136) сгорания дизельного двигателя,
источник (52) электроэнергии, соединенный с запальной свечой (32, 34, 36, 38), и
блок (30) управления запальной свечой по любому из пп. 12-14 для регулирования электрического тока через запальную свечу (32, 34, 36, 38).