Система зажигания с накоплением энергии на конденсаторе

 

Использование: в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в частности с электронным конденсаторным устройством зажигания и импульсным накоплением энергии. Сущность: изобретение включает логический блок, шины питания, пороговый датчик тока, полупроводниковый силовой коммутатор, дроссель, диод, накопительный конденсатор, шунтирующий диод, ограничитель тока. Особенностью изобретения является выполнение полупроводникового силового коммутатора, а также новые связи элементов, что позволило повысить КПД системы. 1 ил.

Изобретение относится к системам зажигания для двигателей внутреннего сгорания, в частности к электронным конденсаторным устройствам зажигания с импульсным накоплением энергии.

Известна система зажигания с накоплением энергии на конденсаторе [1], включающая первую (положительную) и вторую (отрицательную) шины питания, импульсный трансформатор, входной логический блок, включенный между первой и второй шинами питания, представляющий собой триггер на транзисторах, пороговый датчик тока (схема стабилизации на транзисторах), накопительные конденсаторы, подключенные к вторичной обмотке импульсного трансформатора, выпрямительный и шунтирующий диоды и полупроводниковый силовой коммутатор, включающий составную транзисторную схему переключения, соединенную с первичной обмоткой импульсного трансформатора, и разрядный тиристор, подключенный к вторичной обмотке импульсного трансформатора.

Недостатком известной системы зажигания является низкий КПД, что обусловлено следующим. Заряд накопительного конденсатора проходит через активное сопротивление вторичной обмотки импульсного трансформатора. Величина этого сопротивления при разумных размерах трансформатора составляет несколько десятков Ом, что обуславливает значительные потери энергии во вторичной обмотке импульсного трансформатора, приводящие к необходимости пропускания большого по величине тока через первичную обмотку импульсного трансформатора для компенсации потерь во вторичной обмотке.

Кроме того, в указанном устройстве имеются потери энергии на составной транзисторной схеме переключения, коммутирующей ток через первичную обмотку импульсного трансформатора.

Известна система зажигания с накоплением энергии на конденсаторе [2], включающая первую и вторую шины питания, одновибратор, регулятор тока, контрольный резистор, дроссель, накопительный конденсатор, три диода, при этом катод первого диода соединен с катодом второго диода, анод второго диода соединен с катодом третьего диода, полупроводниковый силовой коммутатор, содержащий два силовых транзистора. Эмиттер первого транзистора подключен к точке соединения регулятора тока и первого вывода контрольного резистора, второй вывод которого соединен с второй шиной питания. Коллектор первого транзистора подключен к точке соединения дросселя с анодом первого выпрямительного диода, база - с регулятором тока. Эмиттер второго силового транзистора соединен с второй шиной питания, база - с одновибратором. Точка соединения катода первого диода с катодом второго диода является выходом системы зажигания и служит для соединения с первым выводом первичной обмотки катушки зажигания.

Точка соединения анода третьего диода с коллектором второго силового транзистора является вторым выходом системы зажигания и служит для соединения с вторым выводом первичной обмотки катушки зажигания.

Недостатком известной системы зажигания является низкий КПД, что обусловлено необходимостью поддержания постоянного заданного тока через дроссель до момента искрообразования, приводящей к повышенному расходу энергии. Второй транзистор приводит ток разряда от накопительного конденсатора и от дросселя, а также ток через дроссель для повторного заряда конденсатора. Для открытия второго транзистора требуется большой ток, что также снижает КПД.

Кроме того, наблюдается повышенное тепловыделение за счет рассеивания большой мощности на первом транзисторе, работающем в режиме стабилизации тока.

Наиболее близким техническим решением является система зажигания с накоплением энергии на конденсаторе [3] , включающая входной логический блок, подключенный между первой и второй шинами питания, пороговый датчик тока, соединенный с первой шиной питания, вход которого подключен к выходу входного логического блока, а выход - к его входу обратной связи, полупроводниковый силовой коммутатор, содержащий переключающий блок и ограничитель тока.

Полупроводниковый силовой коммутатор подключен к выходу порогового датчика тока. Последний соединен с одним выводом дросселя, другой вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода, катод которого соединен с первой обкладкой накопительного конденсатора.

Вторая обкладка накопительного конденсатора соединена с анодом шунтирующего диода, катод которого подключен к второй шине питания. Между точкой соединения дросселя с анодом выпрямительного диода и второй шиной питания включен пиковый конденсатор.

Точка соединения второй обкладки накопительного конденсатора с анодом шунтирующего диода является выходом системы зажигания и служит для соединения с первичной обмоткой катушки зажигания.

Входной логический блок включает последовательную цепочку из первого резистора и тиристора, включенную между первой и второй шинами питания. Между точкой соединения первого резистора с тиристором и второй шиной питания подключен конденсатор. Точка соединения первого резистора с конденсатором и тиристором является первым входом входного логического блока. Управляющий электрод тиристора подключен к точке соединения второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к второй шине питания, второй вывод третьего резистора подключен к катоду первого диода, анод которого является входом обратной связи входного логического блока.

Параллельно последовательной цепочке из второго и третьего резисторов подключена последовательная цепочка четвертого и пятого резисторов, причем второй вывод четвертого резистора подсоединен к второй шине питания, а второй вывод пятого резистора - к точке соединения второго вывода третьего резистора и катода первого диода.

Анод тиристора соединен с анодом второго диода, катод которого подключен к точке соединения четвертого и пятого резисторов, к которой подключена также база транзистора, эмиттер которого подсоединен к второй шине питания, а коллектор - к шестому резистору, второй вывод которого является выходом входного логического блока.

Пороговый датчик тока включает контрольный резистор, установленный в первую шину питания, транзистор, эмиттер которого подключен к первому выводу контрольного резистора, коллектор является выходом порогового датчика тока, первый и второй последовательно соединенные выпрямительные диоды, при этом анод первого выпрямительного диода подключен к первой шине питания. Параллельно второму выпрямительному диоду подсоединен потенциометр, движок которого соединен с базой транзистора. Между базой транзистора и вторым выводом контрольного резистора подключен конденсатор. Точка соединения первого вывода контрольного резистора и эмиттера транзистора подключена к первому выводу дросселя. Точка соединения катода второго выпрямительного диода с потенциометром является входом порогового датчика тока.

Полупроводниковый силовой коммутатор включает ограничитель тока, в качестве которого используют первый резистор, один вывод которого является входом полупроводникового силового коммутатора, и переключающий блок, в качестве которого используют два силовых транзистора, соединенных по схеме Дарлингтона, с включенными параллельно переходам база-эмиттер которых вторым и третьим резисторами. Коллекторы силовых транзисторов подключены к точке соединения катода выпрямительного диода с первой обкладкой накопительного конденсатора, эмиттер второго транзистора - к второй шине питания системы зажигания.

Недостатком известной системы зажигания является низкий КПД, что обусловлен следующим. Сильноточная цепь разряда накопительного конденсатора и цепь питания дросселя включаются одним силовым элементом, в качестве которого используется схема Дарлингтона, характеризующаяся большим коэффициентом усиления. Дроссель подключается к шине питания через выпрямительный диод, на котором падение напряжения составляет примерно 0,7-0,8 В, и схему Дарлингтона, напряжение насыщения которой составляет около 1 В. Этим обусловлены потери энергии во время протекания линейно возрастающего тока через дроссель.

Кроме того, схема Дарлингтона, пропускающая и ток разряда накопительного конденсатора, и ток через дроссель, рассеивает большую мощность, что требует применения дополнительного теплоотвода для обеспечения нормального температурного режима работы полупроводникового прибора.

Целью изобретения является повышение КПД зажигания.

Цель достигается тем, что в известной системе зажигания с накоплением энергии на конденсаторе, включающей первую и вторую шины питания, входной логический блок, содержащий первый и второй входы, которые соединены соответственно с первой и второй шинами питания, третий вход, который является входом системы зажигания и служит для подачи управляющего сигнала, вход обратной связи и выход, пороговый датчик тока, содержащий первый и второй входы, которые соединены соответственно с первой шиной питания и с выходом входного логического блока, первый выход, который соединен с входом обратной связи входного логического блока, и второй выход, полупроводниковый силовой коммутатор, содержащий ограничитель тока, первый вывод которого является первым входом полупроводникового силового коммутатора, который соединен с первым выходом порогового датчика тока, и переключающий блок, включающий силовой транзистор, эмиттер которого является вторым входом полупроводникового силового коммутатора, который соединен с второй шиной питания и через резистор - с его базой, коллектор силового транзистора переключающего блока является третьим входом полупроводникового силового коммутатора, дроссель, первый вывод которого соединен с вторым выходом порогового датчика тока, а второй вывод соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом шунтирующего диода, выводы которого являются выходами системы зажигания с накоплением энергии на конденсаторе и служат для подключения к первичной обмотке катушки зажигания, в переключающий блок полупроводникового силового коммутатора введена разрядная тиристорная оптопара, анод тиристора которой является четвертым входом полупроводникового силового коммутатора, который соединен с первым выводом накопительного конденсатора, а анод излучателя соединен с вторым выводом ограничителя тока, катод тиристора является выходом полупроводникового силового коммутатора, который соединен с катодом шунтирующего диода, анод которого соединен с первой шиной питания, а катод излучателя соединен с базой силового транзистора переключающего блока полупроводникового силового коммутатора, третий вход полупроводникового силового коммутатора соединен с вторым выводом дросселя.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемой системы зажигания.

Система зажигания с накоплением энергии на конденсаторе содержит входной логический блок 1, первый и второй входы которого подсоединены соответственно к первой 2 (положительной) и второй 3 (отрицательной) шинам питания, пороговый датчик 4 тока, первый вход которого подсоединен к первой шине 2 питания, второй вход и первый выход порогового датчика 4 тока подключены соответственно к выходу и входу обратной связи входного логического блока 1, полупроводниковый силовой коммутатор 5, первый вход которого подключен к первому выходу порогового датчика 4 тока, а второй вход - к второй шине 3 питания, дроссель 6, один вывод которого подключен к второму выходу порогового датчика 4 тока, а второй - к аноду выпрямительного диода 7 и третьему входу полупроводникового силового коммутатора 5, накопительный конденсатор 8, первая обкладка которого соединена с катодом выпрямительного диода 7 и четвертым входом полупроводникового силового коммутатора 5, а вторая - с первой шиной 2 питания, шунтирующий диод 9, анод которого соединен с первой шиной 2 питания, а катод - с выходом полупроводникового силового коммутатора 5.

Полупроводниковый силовой коммутатор 5 содержит ограничитель 10 тока, первый вывод которого является первым входом полупроводникового силового коммутатора 5, и переключающий блок. Переключающий блок содержит силовой транзистор 11, эмиттер и коллектор которого являются соответственно вторым и третьим входами полупроводникового силового коммутатора 5, и разрядную тиристорную оптопару 12, анод излучателя которой подсоединен к второму выводу ограничителя 10 тока, а катод - к базе силового транзистора 11, анод и катод тиристора являются соответственно четвертым входом и выходом полупроводникового силового коммутатора 5. База силового транзистора 11 шунтирована резистором 13.

Третий вход входного логического блока 1 является входом системы зажигания и служит для подачи управляющего сигнала с датчика 14 момента зажигания (механического прерывателя или бесконтактного, основанного на оптическом, индукционном и других принципах, устройства).

Выводы шунтирующего диода 9 являются выходами системы зажигания с накопителем энергии на конденсаторе и служат для подключения к первичной обмотке катушки 15 зажигания.

В качестве ограничителя 10 тока может быть использован либо резистор, как и в устройстве-прототипе, либо стабилизатор тока (например, транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя со стабилизацией напряжения на базе, подсоединенный параллельно делителю напряжения на резисторах), что приводит к некоторому увеличению КПД, так как при использовании резистора его номинал выбирается из того условия, чтобы схема сохраняла работоспособность и при пониженном напряжении источника питания (при пуске двигателя). Тогда при номинальном напряжении источника ток для удержания полупроводникового силового коммутатора 5 в проводящем состоянии будет избыточным, что приводит к дополнительным потерям.

Входной логический блок 1 выполняет функции управления системой зажигания. По дискретному сигналу, который поступает на третий вход с датчика 14 момента зажигания, на выходе входного логического блока 1 формируется сигнал, который поддерживается до тех пор, пока поступает сигнал на его вход обратной связи. В течение этого времени любые изменения сигнала, поступающего на третий вход входного логического блока 1, игнорируются. После снятия сигнала с входа обратной связи входной логический блок 1 подготавливается к началу следующего рабочего цикла изменением состояния сигнала на его третьем входе.

Пороговый датчик 4 тока обеспечивает измерение тока в цепи питания дросселя 6. Дискретный сигнал, который поступает на второй вход порогового датчика 4 тока, переводит его в режим измерения. Изменение состояния сигнала на первом выходе порогового датчика 4 тока происходит в тот момент, когда ток через дроссель 6 достигает заданного уровня.

Работа предлагаемой системы зажигания иллюстрируется на примере системы, в которой в качестве входного логического блока 1 и в качестве порогового датчика 4 тока использованы схемы, аналогичные приведенным в устройстве-прототипе. В качестве датчика 14 момента зажигания использован механический прерыватель.

Работа предлагаемой системы зажигания осуществляется следующим образом.

В начале рабочего цикла, когда контакты прерывателя 14 замкнуты, на выходе входного логического блока 1 и первом выходе порогового датчика 4 тока отсутствуют управляющие сигналы, полупроводниковый силовой коммутатор находится в непроводящем состоянии.

Накопительный конденсатор 8, заряженный в предыдущем цикле до определенного уровня напряжения, хранит потенциальную энергию, поскольку выпрямительный диод 7 смещен в обратном направлении полярностью накопительного конденсатора 8, а тиристор разрядной тиристорной оптопары 12 закрыт. Незначительный ток утечки через переход коллектор-база силового транзистора 11 протекает через резистор 13 к шине 3 питания.

Когда контакты прерывателя 14 размыкаются, появляются сигналы на выходе входного логического блока 1 и на первом выходе порогового датчика 4 тока. Сигнал с первого выхода порогового датчика 4 тока поступает на вход обратной связи входного логического блока 1, обеспечивая поддержание сигнала на его выходе до тех пор, пока ток через дроссель 6 не достигнет заданной величины, даже если контакты прерывателя 14 замкнутся, что имеет место на высоких частотах вращения двигателя. При этом сигнал с первого выхода порогового датчика 4 тока поступает через ограничитель 10 тока к последовательной цепочке, состоящей из излучателя разрядной тиристорной оптопары 12 и перехода база-эмиттер силового транзистора 11. Тогда полупроводниковый силовой коммутатор 5 переходит в проводящее состояние: открывается тиристор разрядной тиристорной оптопары 12, создавая разрядную цепь для накопительного конденсатора 8, и одновременно открывается силовой транзистор 11, создавая условия для накопления энергии в магнитном поле дросселя 6.

Энергия накопительного конденсатора 8 подается к первичной обмотке катушки 15 зажигания. Разрядная цепь накопительного конденсатора 8 проходит от первой, положительной обкладки, через резистор разрядной тиристорной оптопары 12, первичную обмотку катушки 15 зажигания к второй, отрицательной обкладке. Разрядный ток накопительного конденсатора 8 через первичную обмотку катушки 15 зажигания генерирует высокое напряжение во вторичной обмотке катушки 15. После разряда накопительного конденсатора 8, когда напряжение на его обкладках упадет до нуля, а ток в первичной обмотке катушки 15 зажигания достигнет максимального значения, шунтирующий диод 9 открывается и обеспечивает протекание тока самоиндукции через первичную обмотку катушки 15 зажигания, увеличивая продолжительность искры. При этом ток через тиристор разрядной тиристорной оптопары прекращается.

Одновременно с разрядом накопительного конденсатора 8 дроссель 6 через открытый силовой транзистор 11 и пороговый датчик 4 тока подключается к шинам 2, 3 питания. Через дроссель 6 начинает протекать линейно нарастающий ток. Происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя 6.

Когда ток через дроссель 6 достигает заданной величины, сигнал с первого выхода порогового датчика 4 тока прекращается, переводя полупроводниковый силовой коммутатор 5 в непроводящее состояние. Тиристор разрядной тиристорной оптопары 12 закрывается, поскольку к тому моменту, когда гаснет излучатель оптопары 12, ток через тиристор не протекает, так как разряд накопительного конденсатора 8 через первичную обмотку катушки 15 зажигания осуществляется значительно быстрее, чем ток в дросселе 6 достигает заданной величины. Закрывается и силовой транзистор 11, размыкая цепь питания дросселя 6. При этом ток самоиндукции начинает протекать по контуру: дроссель 6 - выпрямительный диод 7 - накопительный конденсатор 8 - пороговый датчик 4 тока. Магнитная энергия дросселя 6 преобразуется в потенциальную энергию накопительного конденсатора 8.

После завершения рабочего цикла и замыкания контактов прерывателя 14 входной логический блок 1 устанавливается в исходное состояние. Размыкание контактов прерывателя будет началом следующего рабочего цикла.

При запуске двигателя, когда посредством ключа зажигания (на схеме не показан) на систему зажигания подается питающее напряжение, в течение первого цикла работы будет происходить только заряд накопительного конденсатора. Искрообразование начинается с второго цикла, и система зажигания продолжает работать в соответствии с рассмотренным выше порядком.

Цель изобретения достигается благодаря тому, что цепи разряда накопительного конденсатора 8 и питания дросселя 6 включаются разными элементами, входящими в состав полупроводникового силового коммутатора.

Тиристор разрядной тиристорной оптопары 12 пропускает значительный по величине (до 8 А в импульсе), но кратковременно действующий ток разряда накопительного конденсатора 8, а силовой транзистор 11 пропускает линейно нарастающий ток через дроссель 6 (амплитудное значение не превышает 2,5 А). Причем управление этими элементами не сопряжено с большим расходом энергии, так как оба элемента открываются небольшим током (около 100 мА), протекающим через излучатель разрядной тиристорной оптопары 12 и переход база-эмиттер силового транзистора 11.

Цепь питания дросселя 6 включается одним силовым транзистором 11, работающим в ключевом режиме, на котором в открытом состоянии падение напряжения составляет всего 0,2-0,3 В. Кроме того, в этой цепи по сравнению с устройством-прототипом отсутствует выпрямительный диод, поэтому снижаются потери во время накопления энергии в магнитном поле дросселя 6.

К преимуществам предлагаемой системы зажигания можно отнести также уменьшение нижнего предела питающего напряжения и увеличение верхнего предела частоты искрообразования за счет предложенного построения цепи питания дросселя 6.

Формула изобретения

СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ С НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ НА КОНДЕНСАТОРЕ, включающая первую и вторую шины питания, входной логический блок, содержащий первый и второй входы, которые соединены соответственно с первой и второй шинами питания, третий вход, который является входом системы зажигания и служит для подачи управляющего сигнала, вход обратной связи, и выход, пороговый датчик тока, содержащий первый и второй входы, которые соединены соответственно с первой шиной питания и с выходом входного логического блока, первый выход который соединен с входом обратной связи входного логического блока, и второй выход, полупроводниковый силовой коммутатор, содержащий ограничитель тока, первый вывод которого является первым входом полупроводникового силового коммутатора, который соединен с первым выходом порогового датчика тока, и переключающий блок, включающий силовой транзистор, эмиттер которого является вторым входом полупроводникового силового коммутатора, который соединен со второй шиной питания и через резистор с его базой, коллектор силового транзистора переключающего блока является третьим входом полупроводникового силового коммутатора, дроссель, первый вывод которого соединен со вторым выходом порогового датчика тока, а второй вывод соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом шунтирующего диода, выводы которого являются выходами системы зажигания с накоплением энергии на конденсаторе и служат для подключения к первичной обмотке катушки зажигания, отличающаяся тем, что в переключающий блок полупроводникового силового коммутатора введена разрядная тиристорная оптопара, анод тиристора которой является четвертым входом полупроводникового силового коммутатора, который соединен с первым выводом накопительного конденсатора, а анод излучателя соединен с вторым выводом ограничителя тока, катод тиристора является выходом полупроводникового силового коммутатора, который соединен с катодом шунтирующего диода, анод которого соединен с первой шиной питания, а катод излучателя соединен с базой силового транзистора переключающего блока полупроводникового силового коммутатора, третий вход полупроводникового силового коммутатора соединен с вторым выводом дросселя.

РИСУНКИ

Рисунок 1