Релаксационно-колебательная система электронного зажигания двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в автомобильной технике. Сущность изобретения: система зажигания ДВС включает катушку 1 зажигания, диоды 2,9, блок 3 вольтодобавки, конденсаторы 4, 7, источник 8, транзистор 5, тиристор 6. Включение элементов 6, 7 последовательно и соединение образованной цепи параллельно диоду 2, а также соединение диода 2 между элементами 7 и 1 позволило создать регулируемую длительность непрерывного разряда путем формирования незатухающих колебаний. 1 ил.

Изобретение относится к автомобильной электронике и может быть использовано при предъявлении к двигателям повышенных требований по топливной экономичности и токсичности выхлопа.

Известны две основные схемы электронных систем зажигания транзисторная и тиристорно-конденсаторная [1] Обе схемы содержат устройства для предварительного накопления порции электрической энергии в магнитном поле катушки зажигания или электростатическом поле конденсатора. Кроме того, в обеих схемах имеются цепи для выброса этой порции энергии в виде затухающего разряда в свече зажигания.

Недостатком таких систем зажигания является ограниченность длительности разряда из-за конечного объема накапливаемой порции энергии. При технически приемлемых объемах накопления типичная длительность разряда существующих тиристорно-конденсаторных систем составляет около 0,5 мс, а транзисторных около 1,7 мс. В настоящее время при ужесточении требований к топливной экономичности и токсичности выхлопа этого становится недостаточно. Дело в том, что электрический разряд в свече при соприкосновении с вращающимся (вихревым) объемом топливной смеси формирует начальный фронт пламени, ширина которого пропорциональна длительности разряда. Чем меньше ширина фронта, тем дольше пламя распространяется на весь объем и ниже интенсивность и полнота процесса сгорания, что особенно проявляется при обеднении топливной смеси, а именно концепция "быстрого сгорания бедных смесей" лежит в основе современных представлений о повышении экономичности и экологической чистоты автомобиля (см. Вахошин Л.И. и Сонкин В.И. ЭКО-95. Автомобильная промышленность, 1992, N 4, с. 11-13).

Наиболее близким техническим решением к предложенному является схемное решение, дополняющее тиристорно-конденсаторную систему зажигания транзисторным ключом для подвода энергии от бортовой сети автомобиля к катушке зажигания во время существования разряда в свече с целью замедления процесса его затухания и увеличения за счет этого длительности разряда с 0,5 до 1 мс [2] Это схемное решение позволяет, как и в транзисторной системе зажигания, накапливать в магнитном поле катушки энергию, которую можно использовать для создания второй фазы разряда длительностью 1,7 мс сразу после затухания первой фазы и получения таким образом составного разряда общей длительностью 2,7 мс. По признаку наличия элементов тиристорно-конденсаторной и транзисторной систем зажигания такая система получила название комбинированной. Длительность разряда комбинированной системы можно еще увеличить, если во время существования первой фазы разряда на первичную обмотку катушки зажигания подавать напряжение, большее, чем в бортовой сети автомобиля. Это достигается за счет введения узла вольтодобавки, напряжение которого складывается с напряжением бортовой сети. В лучшей разработке комбинированной системы зажигания с узлом вольтодобавки общая длительность разряда может достигать 5,2 мс (см. Ю.Архипов. Автоматизированный блок зажигания. Радиоежегодник-91. М. Патриот, 1991, с. 99-102).

Основной недостаток такого схемного решения ограниченность длительности разряда, хотя и на большем уровне сохраняется и в комбинированных системах зажигания, поскольку продлить первую фазу разряда сверх времени насыщения магнитного сердечника катушки нельзя, а вторая фаза ограничена по длительности, как в любой транзисторной системе. Поэтому при существующих катушках зажигания предельная длительность непрерывного разряда не может быть больше 6 мс. Получить разряд большей длительности при использовании известных решений можно лишь за счет многократного искрообразования в виде серии отдельных разрядов, разделенных паузами для очередного накопления энергии в конденсаторе (см. Синельников А.Х. Электроника в автомобиле. М. Радио и связь, 1985, с. 50-53). Однако прерывистость разряда создает не сплошной, а рваный фронт пламени, что не обеспечивает наибыстрейшего сгорания топливной смеси.

Целью изобретения является получение сколь угодно большой регулируемой длительности непрерывного разряда путем формирования незатухающих релаксационных колебаний в системе с участием катушки зажигания.

Это достигается тем, что в систему электронного зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащую тиристорно-конденсаторный блок высокого напряжения, включающий тиристор и конденсатор, причем первая, вторая и третья клеммы тиристорно-конденсаторного блока высокого напряжения соединены соответственно с первой, второй клеммой тиристора и первой клеммой конденсатора, вторая клемма которого соединена с второй клеммой тиристора, четвертая клемма тиристорно-конденсаторного блока высокого напряжения соединена с управляющей клеммой тиристора, низковольтный блок вольтодобавки, включающий первую и вторую клеммы, транзисторный ключ, включающий первую, вторую и управляющую клеммы, причем вторая клемма низковольтного блока вольтодобавки соединена с первой клеммой транзисторного ключа, вторая клемма которого соединена с общей шиной, и катушку зажигания, включающую первичную и вторичную обмотки, соединенные последовательно, введены первый и второй диоды, причем первая и вторая клеммы первого диода соединены соответственно с первыми клеммами первичной обмотки катушки зажигания и тиристорно-конденсаторного блока, третьей клеммой тиристорно-конденсаторного блока и первой клеммой низковольтного блока вольтодобавки, первая и вторая клеммы второго диода соединены соответственно с второй клеммой тиристорно-конденсаторного блока и второй клеммой первичной обмотки катушки зажигания.

На чертеже приведена схема предлагаемой системы зажигания.

Она содержит катушку зажигания 1, диод 2, источник напряжения вольтодобавки 3 с фильтрующим конденсатором 4 и транзисторный ключ 5, которые соединены последовательно. Последовательная цепь из тиристора 6 и конденсатора 7 с источником 8 для накопления энергии расположена параллельно диоду 2 между одним из выводов первичной обмотки катушки зажигания 1 и узлом вольтодобавки. При этом второй диод 9 соединяет среднюю точку А тиристорно-конденсаторной цепи с вторым выводом первичной обмотки катушки зажигания 1.

Система зажигания работает следующим образом.

При отпирании транзистора 5 широким импульсом тока базы и тиристора 6 узким импульсом тока управляющего электрода к первичной обмотке катушки 1 прикладывается сумма напряжений бортовой сети, низковольтного вольтодобавочного конденсатора 4 и высоковольтного накопительного конденсатора 7. Во вторичной цепи катушки 1 возникает разряд, типичный для любой тиристорно-конденсаторной системы зажигания. Емкость конденсатора 7 на несколько порядков меньше емкости конденсатора 4, поэтому конденсатор 7 разряжается до нуля через несколько десятков микросекунд, что достаточно для возникновения разряда в свече. Тиристор 6 закрывается из-за спада до нуля анодного тока, вместо него открывается диод 2. После этого ток разряда начинает затухать с некоторой скоростью, определяемой воздействием суммы напряжений бортовой сети и вольтодобавки. Эта фаза разряда продолжается вплоть до принудительного запирания транзистора 5 путем прерывания тока базы. Ширина импульса тока базы выбирается так, чтобы он закончился не позднее момента магнитного насыщения сердечника катушки зажигания, когда ток разряда спадает до нуля (см. Архипов Ю. Автоматизированный блок зажигания. Радиоежегодник 91. М. Патриот, 1991, с. 104). При этом вторая фаза разряда, обусловленная запасенной в магнитном поле катушки энергией, возникает без паузы, т.е. срок разряда скачком изменит направление без прерывания разряда.

С этого момента электромагнитный процесс в предлагаемой системе зажигания начинает отличаться от процесса в известных системах. Эти отличия начинаются с того, что при прерывании транзистором 5 тока в первичной обмотке катушки 1 часть энергии катушки, приходящаяся на эту обмотку, через диоды 2 и 9 переходит в конденсатор 7, практически мгновенно подготавливая его к новому циклу. В известных системах зажигания указанная часть энергии катушки не только рассеивается бесполезно, но и создает опасные перенапряжения на транзисторе, для защиты которого вводят специальную резистивно-конденсаторную цепь (см. Архипов Ю. Автоматизированный блок зажигания. Радиоежегодник 91, М. Патриот, 1991, с. 110). Необходимый уровень напряжения на конденсаторе 7 при зарядке от катушки зажигания обеспечивается за счет нормирования порции энергии, накопленной в катушке во время первой фазы разряда, что зависит от длительности этой фазы, напряжения вольтодобавки и параметров катушки зажигания. Высоковольтный источник накопления 8 с большим внутренним сопротивлением не способен к такому быстрому восстановлению напряжения на конденсаторе 7 и служит в данном случае лишь для некоторой дозарядки с целью компенсации тока утечки конденсатора. Этот источник представляет собой однотактный преобразователь на транзисторе и трансформаторе типа блокинг-генератора (см. Синельников А.Х. Электроника в автомобиле. М. Радио и связь, 1985, с. 41-44).

При приближении к концу второй фазы разряда и размагничивании сердечника катушки вновь открываются транзистор 5 и тиристор 6, чем обеспечивается повторение цикла из двух фаз разряда. Это повторение можно осуществлять много раз подряд, поддерживая непрерывно ток разряда, который лишь периодически изменяет полярность.

Таким образом, в системе зажигания возникают релаксационные колебания, за счет которых во вторичной обмотке катушки зажигания непрерывно выделяется энергия переменного тока. За счет выбора нужного количества циклов из двух фаз разряда, которое изменяется обратно пропорционально частоте вращения коленвала двигателя (прямо пропорционально периоду этого вращения), можно обеспечить охват электрическим разрядом свечи зажигания любого угла поворота коленвала вплоть до конца рабочего хода поршня. Это и позволяет создать наиболее широкий начальный фронт пламени в объеме топливной смеси, что обеспечивает наилучшую эффективность процесса сгорания. При этом переменный ток через свечу зажигания препятствует одностороннему переносу металла с одного электрода свечи на другой, что предотвращает эрозию электродов и не снижает срок службы свечей из-за увеличения длительности разряда.

Формула изобретения

РЕЛАКСАЦИОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая высоковольтную цепь из последовательного соединения тиристора, конденсатора и катушку зажигания, первый вывод первичной обмотки которой соединен с положительным полюсом бортовой сети, а между вторым выводом первичной обмотки и отрицательным полюсом бортовой сети подключены последовательно первый диод, низковольтный источник вольтодобавки и транзисторный ключ, блок управления, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами тиристора и транзистора, отличающаяся тем, что высоковольтная цепь из последовательного соединения тиристора и конденсатора подключена параллельно первому диоду, причем анод тиристора соединен с анодом первого диода, а катод тиристора соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с положительным полюсом бортовой сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1