Способ формирования тока в катушке зажигания двигателя внутреннего сгорания и коммутатор для его осуществления

 

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси. Способ заключается в том, что при поступлении сигнала зажигания подают на первичную обмотку катушки зажигания напряжение питания путем ее подключения к заряженному накопительному конденсатору через транзисторный ключ, контролируют мгновенное значение тока в первичной обмотке и разрывают цепь ее питания при увеличении тока до заданного амплитудного значения, обеспечивают протекание импульса тока обратной полярности и снова замыкают цепь питания в момент времени, когда восстанавливается первоначальное направление тока. Устройство контроля тока в первичной обмотке содержит два трансформатора тока, первичные обмотки которых включены последовательно в цепь заряда накопительного конденсатора, а вторичные обмотки включены в схему управления транзисторным ключом, причем один трансформатор рассчитан на работу в режиме линейного преобразования тока, а другой - на работу в режиме нуль-индикатора, магнитопровод которого перемагничивается из одного насыщенного состояния в другое. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси.

Классическая система зажигания содержит катушку зажигания, представляющую собой индуктивный накопитель энергии, совмещенный с повышающим трансформатором. Импульс зажигания в такой системе вырабатывается при прерывании тока через первичную обмотку катушки зажигания. Однако системы с накоплением энергии в индуктивности имеют невысокий КПД, а сами накопители имеют большие массогабаритные показатели. Кроме того, количества энергии, накапливаемой в катушке зажигания, зачастую недостаточно для обеспечения надежного воспламенения рабочей смеси при запуске двигателя, а также при поступлении в цилиндры бедной смеси. Это приводит к затрудненному пуску при низких температурах, пропускам воспламенения смеси на переходных режимах работы двигателя и является причиной увеличения токсичности выхлопных газов.

Известны также системы зажигания с накоплением энергии в конденсаторе, который при искрообразовании разряжается на первичную обмотку повышающего трансформатора через тиристорный или транзисторный ключ. В таких системах, как и в описанных выше, надежность воспламенения смеси зависит от количества энергии, запасенной в накопителе, которое, в зависимости от режима и условий работы двигателя может быть либо недостаточным, либо избыточным.

Известен способ формирования искровых разрядов в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что напряжение, подаваемое на первичную обмотку катушки зажигания устанавливают таким, чтобы время нарастания импульса тока в первичной обмотке было существенно меньше времени сгорания смеси в цилиндре двигателя, причем формирование импульса завершают в момент достижения током заданной амплитуды [1]. Система для реализации способа содержит повышающий преобразователь напряжения, силовой транзисторный ключ, схему управления транзисторным ключом, подключенную к датчику сигналов зажигания, и конденсатор для ограничения скорости уменьшения тока в первичной обмотке катушки зажигания.

Данный способ обеспечивает независимость энергии искрового разряда и времени протекания тока в первичной обмотке катушки зажигания от частоты вращения двигателя, уменьшение потребления энергии от бортовой сети, более эффективное воспламенение рабочей смеси и более полное ее сгорание.

К недостаткам способа относится то, что амплитуда тока в первичной обмотке задается путем фиксации промежутков времени, на которые открывается транзисторный ключ. Это приводит к тому, что при изменении некоторых параметров системы зажигания в процессе ее работы (например, емкости вторичной цепи или напряжения на выходе преобразователя) изменяется также и амплитуда тока через первичную обмотку катушки зажигания. Кроме того, упомянутая выше система зажигания рассчитывается только на использование в ней определенных элементов с заданными параметрами. В частности, невозможно поменять катушку зажигания, не перестраивая генератор импульсов тока базы транзисторного ключа.

Задачей изобретения является разработка способа формирования тока в катушке зажигания, при котором обеспечивается эффективное воспламенение смеси вне зависимости от изменения скорости нарастания тока в первичной обмотке, а также разработка универсального транзисторного коммутатора, который может быть использован в системе зажигания практически любого автомобильного двигателя.

Поставленная задача решается путем того, что реализуется способ формирования тока в катушке зажигания двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что во время поступления сигнала зажигания подают на первичную обмотку катушки напряжение питания, обеспечивающее нарастание в ней тока до заданной амплитуды, за время, значительно меньшее времени сгорания смеси в цилиндре двигателя, причем амплитуду тока задают из условия получения во вторичной обмотке импульса напряжения, большего напряжения пробоя искрового промежутка свечи зажигания, и разрывают цепь питания первичной обмотки, ограничивая скорость изменения тока, при этом контролируют мгновенное значение тока в первичной обмотке и разрывают цепь ее питания при увеличении тока до заданного амплитудного значения, обеспечивают протекание импульса тока обратной полярности и снова замыкают цепь питания в момент времени, когда восстанавливается первоначальное направление тока.

Высокая скорость нарастания тока в первичной обмотке (время нарастания тока до амплитудного значения примерно на порядок меньше времени сгорания смеси в цилиндре двигателя) позволяет осуществлять пробой искрового промежутка свечи при замкнутой цепи питания катушки зажигания. При этом обеспечивается также высокая скорость нарастания напряжения во вторичной цепи, что позволяет уменьшить шунтирующее действие нагара на свече зажигания. Размыкание цепи питания осуществляется именно при том значении тока, которое необходимо для надежного воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Напряжение питания может быть подано на катушку зажигания путем ее подключения к заряженному накопительному конденсатору, при этом целесообразно контролировать значение тока в первичной обмотке косвенно по величине тока, протекающего через конденсатор.

Указанный способ реализуется с помощью коммутатора, содержащего повышающий преобразователь напряжения с накопительным конденсатором на выходе, силовой транзисторный ключ, выводы для включения первичной обмотки катушки зажигания между выходом преобразователя напряжения и транзисторным ключом, схему управления транзисторным ключом с входом для подключения к датчику сигналов зажигания, средство ограничения скорости уменьшения тока в первичной обмотке катушки зажигания, выполненное в виде конденсатора, подключенного к транзисторному ключу, и выводы для соединения с источником питания, причем преобразователь выполнен на выходное напряжение, обеспечивающее нарастание тока в первичной обмотке до заданной амплитуды, за время, значительно меньшее времени сгорания смеси в цилиндре двигателя, а коммутатор снабжен устройством контроля тока в первичной обмотке катушки зажигания, подключенным к схеме управления, которая выполнена с возможностью запирания ключа при увеличении упомянутого тока до заданного амплитудного значения и повторного его отпирания в момент времени, когда восстанавливается первоначальное направление тока.

Благодаря устройству контроля тока данный коммутатор обеспечивает надежное и эффективное искрообразование при работе практически с любой катушкой зажигания. Причем при его установке в какую-либо серийно выпускаемую систему зажигания нет необходимости менять угол опережения зажигания, так как коммутатор обеспечивает высокую скорость нарастания тока и искрообразование в свече начинается практически одновременно с началом сигнала с соответствующего датчика. При этом длительность искры не определяется количеством накопленной энергии, а устанавливается такой, какая необходима для эффективного сгорания рабочей смеси. При использовании предлагаемого коммутатора возможна работа системы зажигания как в режиме генерации одиночных импульсов поджига рабочей смеси, так и в режиме длительного непрерывного искрообразования. Кроме того, ограничение тока с помощью устройства контроля дает возможность предотвратить выход из строя силового транзисторного ключа, в частности при коротком замыкании вторичной обмотки. Это существенно повышает надежность схемы.

Контроль значения тока в первичной обмотке целесообразно осуществлять с помощью двух трансформаторов тока, первичные обмотки которых включены последовательно в цепь заряда накопительного конденсатора, а вторичные обмотки включены в схему управления транзисторным ключом, причем один трансформатор рассчитан на работу в режиме линейного преобразования тока, а другой - на работу в режиме нуль-индикатора, магнитопровод которого перемагничивается из одного насыщенного состояния в другое.

На фиг. 1 представлена электрическая схема системы зажигания двигателя внутреннего сгорания с транзисторным коммутатором; на фиг.2 - график, поясняющий сущность способа.

Система зажигания содержит аккумуляторную батарею 1, катушку 2 зажигания с первичной обмоткой 3 и вторичной обмоткой 4, распределитель 5 и свечи 6 зажигания. Формирование тока через катушку 2 зажигания осуществляется с помощью коммутатора 7. Между аккумуляторной батареей 1 и коммутатором 7 включен контакт 8 замка зажигания. К транзисторному коммутатору 7 подключен также датчик 9 сигналов зажигания, который представляет собой контакт прерывателя или любой другой известный датчик.

Коммутатор 7 содержит повышающий преобразователь 10 напряжения с накопительным конденсатором 11 на выходе, силовой транзисторный ключ 12, выводы 13 и 14 для включения первичной обмотки 3 катушки зажигания между выходом преобразователя 10 напряжения и транзисторным ключом 12, схему управления транзисторным ключом с входом 15 для подключения к датчику 9 сигналов зажигания, средство ограничения скорости уменьшения тока в первичной обмотке катушки зажигания, выполненное в виде конденсатора 16, подключенного параллельно транзисторному ключу 12, и вывод 17 для соединения с источником питания. Коммутатор снабжен устройством контроля тока в первичной обмотке катушки зажигания, содержащим два трансформатора тока 18 и 19, первичные обмотки которых 20 и 21 включены последовательно в цепь заряда накопительного конденсатора 11, а вторичные обмотки 22 и 23 г включены в схему управления транзисторным ключом. Трансформатор 18, с помощью которого контролируется мгновенное значение тока через первичную обмотку 3, рассчитан на работу в линейном режиме (т. е. его сердечник в процессе работы не насыщается). Трансформатор 19, с помощью которого контролируется изменение направления тока через первичную обмотку 3, рассчитан на работу в режиме перемагничивания из одного насыщенного состояния в другое. Сердечник трансформатора 19 перемагничивается в моменты времени, когда ток через первичную обмотку 3 становится близким к нулю.

Схема управления транзисторным ключом может иметь различное исполнение. Основу схемы, представленной на фиг. 1, составляет триггер на дискретных транзисторах 24 и 25, имеющих положительную коллекторно-базовую обратную связь. В базовую цепь транзистора 24 включен транзистор 26, управление которым осуществляется с помощью вторичной обмотки 22 трансформатора тока 18. База транзистора 24 через диод 27 подключена также к вторичной обмотке 23 трансформатора 19. Токи в транзисторах 24-26 ограничиваются резисторами 28-33. Параллельно вторичной обмотке 22 трансформатора 18 включен подстроечный резистор 34. К коллектору транзистора 25 через резистор 35 подключена база транзистора 36, шунтирующего база-эмиттерный переход силового транзистора 12. Ток базы силового транзистора 12 задается резистором 37, включенным в коллекторную цепь управляющего транзистора 38, между базой и эмиттером которого включен резистор 39.

На входе коммутатора имеется каскад, состоящий из схемы 40 формирования управляющих импульсов (V_упр. на фиг.2) и транзистора 41 с резистором 42 в цепи базы. Схема 40 может представлять собой одновибратор, вход которого подключен к датчику 9 сигналов зажигания. Коллектор транзистора 41 через резистор 43 подключен к базе транзистора 38. Силовой транзистор 12 зашунтирован защитным диодом 44.

Система зажигания работает следующим образом.

При замыкании контакта 8 замка зажигания напряжение с аккумуляторной батареи 1 поступает на преобразователь 10 напряжения и на триггер, выполненный на транзисторах 24 и 25. Транзистор 25 при этом открывается, а транзистор 24 закрывается. Накопительный конденсатор 11 заряжается через преобразователь 10 до напряжения, превышающего напряжение на аккумуляторной батарее. В процессе заряда конденсатора 11 ток, протекающий через обмотку 21 трансформатора 19, насыщает его магнитопровод. Ток, протекающий по обмотке 20 трансформатора 17, вызывает появление в обмотке 22 ЭДС прикладываемой к переходу база-эмиттер транзистора 26 в обратном направлении. Силовой транзисторный ключ 12 закрыт.

При поступлении сигнала зажигания с датчика 9 одновибратор 40 формирует импульс управляющего напряжения V_упр.(фиг.2), который открывает транзисторы 41 и 38. При этом открывается также силовой транзистор 12 и к первичной обмотке 3 катушки зажигания прикладывается выходное напряжение преобразователя 10 (момент времени t1 и на фиг.2). Ток I1 через первичную обмотку нарастает по синусоидальному закону и происходит заряд емкости C2 вторичной цепи системы зажигания. Следует отметить, что емкость C2 не является самостоятельным конструктивным элементом схемы, а представляет собой суммарную емкость вторичной обмотки катушки зажигания, проводов и свечи зажигания.

В момент времени t2 происходит пробой искрового промежутка соответствующей свечи 6 зажигания, и ток I1 в первичной обмотке нарастает по линейному закону до амплитудного значения I_макс.. В момент времени t3 ЭДС во вторичной обмотке 22 трансформатора тока 18 становится достаточной для отпирания транзистора 26. При этом транзистор 24 переходит в состояние насыщения, а транзистор 25 - в состояние отсечки. Ток начинает протекать через резистор 35 и база-эмиттерный переход транзистора 36. Последний открывается и шунтирует база-эмиттерный переход силового транзистора 12, который переходит в состояние отсечки. Цепь питания первичной обмотки 3 катушки зажигания разрывается и ток I1 через нее уменьшается. Скорость уменьшения тока ограничивается с помощью конденсатора 16.

После заряда конденсатора 16 через первичную обмотку 3 протекает импульс тока I1 противоположного направления (ток заряда конденсатора 11). Когда потенциал эмиттера силового транзистора 12 становится больше потенциала его коллектора, диод 44 открывается и предотвращает выход транзистора 12 из строя.

В момент перехода тока через ноль сердечник трансформатора 19 перемагничивается и импульс отрицательной полярности через диод 27 поступает на базу транзистора 24, который переходит в состояние отсечки. Это приводит к отпиранию транзистора 25 и запиранию транзистора 36. Силовой транзистор 12 снова открывается, и ток в первичной обмотке 3 нарастает по линейному закону до значения I_макс Сердечник трансформатора 19 каждый раз перемагничивается в момент перехода тока через нулевое значение. Однако из-за наличия диода 27 в цепи вторичной обмотки 23 на базу транзистора 24 поступает запирающий импульс тока только при нарастании тока в первичной обмотке от -I_макс до I_макс.

Процесс поддержания непрерывного тока в первичной обмотке происходит до тех пор, пока потенциал на выходе одновибратора 40 не станет равным нулю (момент времени t5 на фиг.2). В свече зажигания во время искрообразования протекает непрерывный переменный ток, форма которого близка к форме тока в первичной обмотке.

После окончания импульса управляющего напряжения транзисторы 41 и 38 запираются и силовой транзистор 12 переходит в состояние отсечки. Изменение состояния триггера на транзисторах 24 и 25 при отсутствии импульса управляющего напряжения не влияет на состояние транзистора 12.

Формула изобретения

1. Способ формирования тока в катушке зажигания двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при поступлении сигнала зажигания подают на первичную обмотку катушки напряжение питания, обеспечивающее нарастание в ней тока до заданной амплитуды за время, меньшее времени сгорания смеси в цилиндре двигателя, причем амплитуду тока задают из условия получения во вторичной обмотке импульса напряжения, большего напряжения пробоя искрового промежутка свечи зажигания, и разрывают цепь питания первичной обмотки, ограничивая скорость изменения тока, отличающийся тем, что контролируют мгновенное значение тока в первичной обмотке и разрывают цепь ее питания при увеличении тока до заданного амплитудного значения, обеспечивают протекание импульса тока обратной полярности и снова замыкают цепь питания в момент времени, когда восстанавливается первоначальное направление тока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напряжение питания подают на катушку зажигания путем ее подключения к заряженному накопительному конденсатору и контролируют значение тока в первичной обмотке косвенно, по величине тока, протекающего через конденсатор.

3. Коммутатор системы зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащий повышающий преобразователь напряжения с накопительным конденсатором на выходе, силовой транзисторный ключ, выводы для включения первичной обмотки катушки зажигания между выходом преобразователя напряжения и транзисторным ключом, схему управления транзисторным ключом с входом для подключения к датчику сигналов зажигания, средство ограничения скорости уменьшения тока в первичной обмотке катушки зажигания, выполненное в виде конденсатора, подключенного к транзисторному ключу, и выводы для соединения с источником питания, причем преобразователь выполнен на выходное напряжение, обеспечивающее нарастание тока в первичной обмотке до заданной амплитуды за время, меньшее времени сгорания смеси в цилиндре двигателя, отличающийся тем, что он снабжен устройством контроля тока в первичной обмотке катушки зажигания, подключенным к схеме управления, которая выполнена с возможностью запирания ключа при увеличении упомянутого тока до заданного амплитудного значения и повторного его отпирания в момент времени, когда после протекания импульса тока обратной полярности восстанавливается первоначальное направление тока.

4. Коммутатор по п.3, отличающийся тем, что устройство контроля тока в первичной обмотке содержит два трансформатора тока, первичные обмотки которых включены последовательно в цепь заряда накопительного конденсатора, а вторичные обмотки включены в схему управления транзисторным ключом, причем один трансформатор рассчитан на работу в режиме линейного преобразования тока, а другой - на работу в режиме нуль-индикатора, магнитопровод которого перемагничивается из одного насыщенного состояния в другое.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2