Способ создания искрового разряда в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания и устройство формирования импульсов тока для системы зажигания

 

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси, а именно к устройствам систем зажигания. Для создания искры на первичную обмотку катушки зажигания подают напряжение, формируют управляющий импульс фиксированной минимальной длительности, задний фронт которого соответствует по времени оптимальному моменту искрообразования, формируют импульс тока в первичной обмотке катушки зажигания, вызывая высоковольтный импульс напряжения на вторичной обмотке катушки зажигания, который подают на свечу зажигания, при этом в момент искрообразования производят разрыв цепи первичной обмотки для протекания тока обратного направления, что позволяет уменьшить длительность импульса. Устройство формирования импульсов тока содержит регулируемый одновибратор, на вход которого подается сигнал от датчика Холла распределителя зажигания, схему выделения разности импульса, на входы которой подаются сигнал от датчика Холла, сигнал от одновибратора и сигнал от стартера, блок управления силовым транзистором, на вход которого подается сигнал от схемы выделения разности импульсов, силовой транзистор, диод, подключенный катодом к коллектору силового транзистора, анодом - к массе автомобиля, диод, катодом подключенный к коллектору транзистора, анодом - к первичной обмотке катушки зажигания. Изобретение обеспечивает улучшение искрообразования на высоких оборотах ДВС за счет улучшения частотных свойств катушки зажигания. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси, а именно к устройствам систем зажигания.

Классическая система зажигания содержит катушку зажигания, представляющую собой индуктивный накопитель энергии, совмещенный с повышающим трансформатором, источник питания, включатель зажигания, прерыватель-распределитель, конденсатор, свечи зажигания, провода низкого и высокого напряжения. Импульс зажигания в такой системе вырабатывается при прерывании тока через первичную обмотку катушки зажигания. Однако системы с накоплением энергии в индуктивности имеют невысокий КПД. Кроме того, такая система имеет частотные ограничения, что затрудняет процесс искрообразования при работе двигателя на высоких оборотах (К. С. Шестопалов, С.Ф.Демиховский "Легковые автомобили", Москва, Патриот, 1995 г.).

Известен способ создания искровых разрядов в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС), при котором на первичную обмотку катушки зажигания подают напряжение и формируют в первичной обмотке импульс тока заданной амплитуды. Напряжение устанавливают таким, чтобы время нарастания тока в первичной обмотке до достижения заданной амплитуды было существенно меньше времени сгорания порции рабочей смеси. Устанавливают момент начала формирования импульса тока, совпадающий с моментом поступления пускового импульса зажигания, момент начала формирования каждого последующего импульса тока устанавливают совпадающим с моментом окончания высоковольтного импульса напряжения во вторичной обмотке, вызванного предыдущим импульсом тока в первичной обмотке, и завершают формирование каждого импульса тока путем его прерывания в момент достижения заданной амплитуды, ограничивая при этом скорость изменения тока (патент РФ 2020258, опубл. 30.09.94 г. Бюл. N 18).

Длительность импульса в указанном способе сокращается за счет подачи импульса большего напряжения, чем напряжение пускового импульса, в результате чего ток в первичной обмотке катушки зажигания достигает заданной амплитуды за более короткий отрезок времени.

Целью изобретения является улучшение искрообразования на высоких оборотах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) за счет улучшения частотных свойств катушки зажигания.

Предельные значения оборотов ДВС ограничиваются в том числе возможностью своевременной подачи импульса зажигания необходимой амплитуды, что в свою очередь существенно зависит от частотных свойств катушки зажигания и длительности подаваемых импульсов.

Рассмотрим процесс изменения намагниченности сердечника КЗ в процессе работы системы зажигания. При прохождении импульса зажигания по первичной обмотке КЗ сердечник известным образом намагничивается до величины насыщения J1m, определяемой свойствами его материала, в момент прохождения заднего фронта импульса ток в первичной обмотке КЗ падает до нуля, при этом намагниченность сердечника падает до величины остаточной намагниченности J2r в связи с явлением гистерезиса, свойственным ферромагнетикам. Во время падения тока до нуля в первичной обмотке КЗ во вторичной обмотке КЗ известным образом растет напряжение, по достижении величины пробоя происходит искровой разряд, вызывающий протекание тока по цепи вторичной обмотки КЗ. После затухания колебаний во вторичной обмотке намагниченность сердечника до величины - J1. Падение тока во вторичной обмотке порождает известным образом протекание тока самоиндукции в первичной обмотке, т.к. из-за наличия защитного диода цепь первичной обмотки является замкнутой для протекания "обратного" тока, что в свою очередь известным образом намагничивает сердечник до величины - (J₁+ΔJ). Таким образом на момент прохождения переднего фронта следующего импульса зажигания по цепи первичной обмотки КЗ сердечник имеет величину намагниченности, равную -(J₁+ΔJ).

Индуктивность первичной обмотки катушки зажигания, помещенной в изменяемый магнитный поток сердечника КЗ не является постоянной величиной, а представляет собой функцию от магнитной проницаемости сердечника μ.

Теперь рассмотрим процесс нарастания тока в первичной обмотке КЗ при подаче очередного импульса зажигания на первичную обмотку. Сердечник к моменту прохождения переднего фронта импульса имеет намагниченность, равную -(J₁+ΔJ), поэтому в течение времени τ₁+Δτ ток в цепи первичной обмотки будет нарастать не по синусоидальному закону, а будет иметь более пологий угол. В момент времени, равный τ₁+Δτ, намагниченность сердечника становится равной нулю и нарастание тока идет более быстрым темпом. И далее в момент времени τ₂ ток выходит на величину насыщения, необходимую для создания напряжения пробоя во вторичной обмотке при прохождении заднего фронта управляющего импульса. Предельно малая длительность управляющего импульса, которая и определяет максимально возможные обороты ДВС, равна сумме τ₁+τ₂.

В предлагаемом способе поставленная цель достигается за счет того, что для создания искры на первичную обмотку катушки зажигания подают напряжение, формируют управляющий импульс фиксированной минимальной длительности, задний фронт которого соответствует по времени оптимальному моменту искрообразования для эффективного поджига смеси, формируют импульс тока в первичной обмотке катушки зажигания, вызывая высоковольтный импульс напряжения на вторичной обмотке катушки зажигания, который подают на свечу зажигания, при этом в момент искрообразования производят разрыв цепи первичной обмотки КЗ для протекания тока обратного направления что позволяет уменьшить длительность импульса.

Установка устройства формирования импульсов тока в систему зажигания позволяет достичь цели изобретения за счет того, что оно содержит регулируемый одновибратор, на вход которого подается сигнал от датчика Холла распределителя зажигания, схему выделения разности импульса на вход 1, которой подается сигнал от датчика Холла, на вход 2 сигнал от одновибратора, на вход 3 подается сигнал от стартера, блок управления силовым транзистором, на вход которого подается сигнал от схемы выделения разности импульсов, силовой транзистор, диод Д1, подключенный катодом к коллектору силового транзистора анодом к массе автомобиля, диод Д2, катодом подключенным к коллектору транзистора анодом к первичной обмотке катушки зажигания.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. На фиг. 2 а) представлен импульс от датчика Холла; б) представлен импульс от датчика Холла, сдвинутый по времени в сторону опережения на величину Т, подаваемый на вход схемы выделения разности импульсов; в) импульс на выходе одновибратора, подаваемый на второй вход схемы выделения разности импульсов; г) импульс на выходе схемы выделения разности импульсов. На фиг. 3 представлен график нарастания тока в первичной обмотке катушки зажигания.

Для осуществления способа необходимо определить длительность минимально возможного импульса Т для конкретного ДВС и дополнительно отрегулировать угол опережения зажигания. Это можно сделать, например, следующим образом.

В цепь первичной обмотки КЗ устанавливают устройство разрыва цепи для протекания тока "обратного" направления (в качестве него может использоваться, например, диод, подключаемый в "обратном" направлении для протекания тока "обратного" направления), имитируют любым известным способом максимальные обороты двигателя и измеряют длительность импульса Т от датчика Холла распределителя зажигания.

После определения длительности импульса Т угол опережения зажигания на холостых оборотах выставляют дополнительно к установленному Т_ст на величину, соответствующую опережению зажигания на время Т. Суммарный угол опережения зажигания будет соответствовать времени Т_ст + Т.

После произведенных настроек способ осуществляется следующим образом.

Во время поступления сигнала зажигания подают на первичную обмотку катушки напряжение на фиксированный интервал времени Т, не зависящий от оборотов двигателя, и обеспечивающий своей длительностью нарастание тока до максимального значения в первичной обмотке. При этом для оптимальной работы интервал времени выбирается исходя из условия, что он должен быть не меньше суммы τ₁+τ₂ и не больше суммы 2×τ₁+τ₂, где τ₁ - время за которое происходит изменение намагниченности сердечника, остающейся после затухания колебаний вторичной обмотки, а τ₂ - время за которое происходит нарастание тока в первичной обмотке до максимального значения. Затем размыкают цепь для протекания тока в первичной обмотке катушки зажигания в "прямом" и "обратном" направлении. Размыкание цепи для протекания тока в "прямом" направлении известным образом приводит к нарастанию напряжения во вторичной обмотке вплоть до пробоя искровой дугой на свече зажигания. Отключают цепь первичной обмотки для протекания тока в "обратном" направлении.

Система зажигания содержит источник питания 1, ключ зажигания 2, катушку зажигания 3 с первичной обмоткой 4 и вторичной обмоткой 5, распределитель 6 и свечи 7. Формирование тока через катушку 3 осуществляется с помощью устройства формирования импульсов тока для системы зажигания 8.

Устройство формирования импульсов тока 8 содержит регулируемый одновибратор 9, на вход которого подается сигнал от датчика Холла распределителя зажигания, схему выделения разности импульса 10, на вход 1 которой подается сигнал от датчика Холла, на вход 2 - сигнал от одновибратора, на вход 3 подается сигнал от стартера, блок управления силовым транзистором 11, на вход которого подается сигнал от схемы выделения разности импульсов, силовой транзистор 12, диод Д1, подключенный катодом к коллектору силового транзистора анодом к массе автомобиля, диод Д2, катодом подключенный к коллектору транзистора, анодом - к первичной обмотке катушки зажигания.

Длительность добавленного импульса на регулируемом одновибраторе устанавливают равную Т. Для оптимального режима работы схемы длительность должна быть не меньше суммы τ₁+τ₂ и не больше суммы 2×τ₁+τ₂, где τ₁ - время, за которое происходит изменение намагниченности сердечника, остающейся после затухания колебаний вторичной обмотки, а τ₂ - время, за которое происходит нарастание тока в первичной обмотке до максимального значения (фиг. 4).

Устройство формирования импульсов тока, установленное в систему зажигания, работает следующим образом. При замыкании контактов замка зажигания 2 напряжение от источника питания 1 поступает на вход устройства формирования импульсов тока 8, импульс от датчика Холла распределителя зажигания, длительностью τ₃ (фиг. 3 а), поступает на вход одновибратора 9 и на вход 1 схемы выделения разности импульсов 10, на вход 2 схемы 10 поступает импульс от выхода одновибратора 9, на вход 3 поступает сигнал от стартера и при наличии сигнала на выход схемы 10 проходит импульс с выхода одновибратора 9. Это делается для того, чтобы при пуске двигателя обеспечить длительный управляющий импульс. При работающем двигателе на вход блока управления транзисторным ключом 11 поступает импульс длительностью Т. Импульс длительностью Т поступает на базу силового транзистора 12, передний фронт импульса открывает транзистор 12 и ток протекает через первичную обмотку 4 катушки зажигания 3 диод Д2 и переход коллектор-эмиттер транзисторного ключа. За время управляющего импульса Т ток в цепи достигает максимального значения Imax (фиг.4). Проходящий через первичную обмотку 4 ток создает сильное магнитное поле, которое намагничивает сердечник 4^* в "прямом" направлении. По заднему фронту управляющего импульса, который соответствует заднему фронту импульса датчика Холла распределителя зажигания (без учета описанных регулировок), закрывается силовой транзистор 12, ток резко уменьшается, вызывая известным образом нарастание напряжения во вторичной обмотке 5 до наступления искрового пробоя на свече зажигания 7, происходит резкое падение тока во вторичной обмотке 5, известным образом это падение тока стремится вызвать протекание тока в первичной обмотке 4 в "обратном" направлении по цепи Д1 R_{вн акб} (внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи), но наличие в цепи диода Д2, которое может быть препятствует протеканию по цепи тока обратного направления и исключает его влияние на перемагничивание сердечника в "обратном" направлении, что в свою очередь не будет препятствовать нарастанию тока во время прохождения следующего импульса от силового транзистора 12.

Осуществление данного способа при помощи данного устройства позволяет улучшить частотные характеристики катушки зажигания, а также позволяет снизить энергопотребление.

Формула изобретения

1. Способ создания искрового разряда в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, при котором на первичную обмотку катушки зажигания подают напряжение, формируют в первичной обмотке в соответствии с управляющим импульсом зажигания импульс тока, вызывая во вторичной обмотке высоковольтный импульс напряжения, который подают, по меньшей мере, на одну свечу зажигания для формирования разрядов в камере сгорания, отличающийся тем, что управляющий импульс имеет фиксированную длительность, а задний фронт управляющего импульса по времени соответствует заднему фронту импульса датчика Холла распределителя зажигания, при этом обеспечивают отсутствие протекания тока обратной полярности в первичной обмотке катушки зажигания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность управляющего фиксированного по времени импульса напряжения не меньше суммы τ1+τ2 и не больше суммы 2×τ1+τ2 где τ1 - время, за которое происходит изменение намагниченности сердечника, остающейся после затухания колебаний вторичной обмотки, а τ2 - время, за которое происходит нарастание тока в первичной обмотке до максимального значения.

3. Устройство формирования импульсов тока для системы зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащее блок управления силовым транзистором, силовой транзистор, первый диод, включенный параллельно переходу коллектор - эммитер транзистора в обратном направлении, мультивибратор, вход которого соединен с контактом для подключения к датчику Холла распределителя зажигания, контакты для подсоединения к источнику питания и "массе" автомобиля, выход для подключения к первичной обмотке катушки зажигания, отличающееся тем, что содержит дополнительно второй диод, катодом соединенный с коллектором транзистора, а анодом - с выходом для подключения первичной обмотки катушки зажигания, схему выделения разности импульсов, один вход которой соединен с выходом мультивибратора, второй вход соединен с контактом для подключения к датчику Холла, третий вход соединен с контактом для подключения стартера, а выход соединен с входом блока управления силовым транзистором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3