Система зажигания двигателя внутреннего сгорания и катушка зажигания

 

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси, в частности к системам зажигания. Для повышения надежности работы системы зажигания и расширения функциональных возможностей катушки зажигания в системе зажигания, содержащей катушку зажигания с первичной обмоткой, подключенной к источнику питания через ключевой элемент, и вторичной обмоткой, подключенной к свече зажигания, цепь ограничения импульсных перенапряжений выполнена в виде дополнительной обмотки катушки зажигания, имеющей сильную магнитную связь с первичной обмоткой и подключенной через диод к источнику питания, а первичная и вторичная обмотки катушки размещены на разных стержнях разрезного магнитопровода. Изобретение повышает надежность работы системы зажигания. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

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

В наиболее распространенных в настоящее время системах зажигания с накоплением энергии в индуктивности высокое напряжение вырабатывается при прерывании тока, протекающего через первичную обмотку катушки зажигания. В момент прерывания тока в низковольтной цепи генерируется импульс перенапряжения, величина которого пропорциональна скорости уменьшения тока. В классической системе зажигания это вызывает подгорание контактов прерывателя, а в электронной может стать причиной выхода из строя силового транзисторного ключа.

Известна также электронная система зажигания, в которой пробой искрового промежутка свечи происходит при замкнутой цепи первичной обмотки катушки зажигания, во время протекания в ней тока. Система может работать в многоискровом режиме, либо в режиме поддержания длительного непрерывного разряда с свече зажигания. Это осуществляется за счет многократного переключения силового транзисторного ключа в цепи питания первичной обмотки катушки зажигания (патент РФ 2020258, кл. F 02 P 3/04, 1994 г.). Также, как и в системе с накоплением энергии в индуктивности, в первичной обмотке катушки зажигания возникает ЭДС самоиндукции, являющаяся причиной возникновения импульсов перенапряжения на транзисторном ключе.

Для ограничения величины импульсов перенапряжения параллельно ключевому элементу, как правило, подключают конденсатор. Это позволяет снизить скорость падения тока в первичной обмотке катушки зажигания. Однако необходимо учитывать, что конденсатор малой емкости не дает ощутимого уменьшения импульса перенапряжения, а конденсатор большой емкости, разряжаясь через ключ, является причиной его перегрузки по току. Кроме того, уменьшение скорости падения тока в первичной обмотке приводит, соответственно, к уменьшению амплитуды и скорости нарастания вторичного напряжения, что отрицательно сказывается на надежности искрообразования.

Задачей изобретения является повышение надежности работы системы зажигания.

Поставленная задача решается путем того, что в системе зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащей катушку зажигания, первичная обмотка которой подключена к источнику питания через ключевой элемент, а вторичная обмотка соединена со свечой зажигания, цепь ограничения импульсных перенапряжений на ключевом элементе выполнена в виде дополнительной обмотки катушки зажигания, имеющей сильную магнитную связь с первичной обмоткой и подключенной через диод к источнику питания.

Это позволяет ограничить величину напряжения на ключевом элементе на требуемом уровне, не создавая в нем дополнительной токовой нагрузки. Максимальная величина напряжения V_к на переходе коллектор-эмиттер транзисторного ключа в такой системе может быть определена по формуле: V_к = V_п + K_д (V_п + V_д), где V_п - напряжение на выходе источника питания; K_д - коэффициент трансформации между первичной и дополнительной обмотками; V_д - падение напряжения на диоде.

В предлагаемой системе зажигания при прерывании тока через первичную обмотку катушки напряжение во вторичной обмотке нарастает практически мгновенно, что позволяет снизить отрицательное влияние нагара на свече зажигания на надежность искрообразования.

С технологической точки зрения целесообразно, чтобы число витков дополнительной обмотки катушки зажигания было равно числу витков ее первичной обмотки.

Для реализации описанной системы может быть использована катушка зажигания с ленточным стержневым разрезным магнитопроводом (свидетельство на полезную модель РФ 2274 кл. F 02 P 3/00, 1996). Катушка имеет малые габариты и вес, является технологичной в производстве и позволяет осуществлять коммутацию тока с высокой частотой.

К недостаткам известной катушки зажигания можно отнести то, что первичная и вторичная обмотки в ней выполнены концентрическими и размещены на одном стержне. Это ограничивает возможность применения катушки в системе зажигания с пробоем искрового промежутка при замкнутой цепи первичной обмотки во время протекания через нее тока (см. патент РФ 2020258). При выполнении первичной и вторичной обмоток концентрическими индуктивность рассеяния между ними очень мала и скорость нарастания тока во вторичной цепи после пробоя искрового промежутка практически не ограничена.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей катушки зажигания.

Поставленная задача решается путем того, что в катушке зажигания с ленточным стержневым разрезным магнитопроводом первичная и вторичная обмотки размещены на разных стержнях магнитопровода, причем катушка снабжена дополнительной обмоткой, имеющей сильную магнитную связь с первичной обмоткой.

Размещение обмоток на разных стержнях магнитопровода дает возможность задавать фиксированную величину индуктивности рассеяния между обмотками и ограничивать скорость нарастания тока во вторичной обмотке. Наличие дополнительной обмотки, имеющей сильную магнитную связь с первичной обмоткой, позволяет использовать катушку зажигания для ограничения импульсов перенапряжения на силовом ключе системы зажигания. Для осуществления магнитной связи с минимальной индукцией рассеяния (сильной магнитной связи) целесообразно наматывать первичную и дополнительную обмотки одновременно, двумя изолированными проводниками (то есть выполнять бифилярную обмотку).

Преимуществом предлагаемой катушки зажигания с разнесенными первичной и вторичной обмотками является также то, что она может быть снабжена диагностической обмоткой, имеющей сильную магнитную связь со вторичной обмоткой. Диагностическая обмотка является понижающей и может быть использована в системах зажигания с контролем воспламенения смеси в цилиндре двигателя. Вторичную и диагностическую обмотки целесообразно выполнять концентрическими (то есть в виде двух цилиндрических катушек, размещенных одна в другой).

На фиг.1 представлена упрощенная электрическая схема предлагаемой системы зажигания.

На фиг.2 - графики изменения напряжения на выводах транзисторного ключа.

На фиг.3 - эскиз магнитной цепи катушки зажигания.

Система зажигания содержит источник питания 1, катушку зажигания 2 с первичной обмоткой 3, вторичной обмоткой 4 и дополнительной обмоткой 5, которая подключена к источнику питания через диод 6. В цепь питания первичной обмотки 3 включен транзистор 7. К вторичной обмотке через распределитель 8 подключены свечи зажигания 9.

Катушка зажигания 2 содержит ленточный разрезной стержневой магнитопровод 10. На одном из стержней магнитопровода размещена бифилярная обмотка 11, выполненная двумя изолированными проводами 12 и 13. Один провод образует первичную обмотку 3, а другой - дополнительную обмотку 5. На втором стержне размещена вторичная обмотка 4, выполненная проводом 14 и диагностическая обмотка, выполненная проводом 15.

Система зажигания работает следующим образом.

До тех пор, пока транзистор 7 закрыт, напряжение U_к на его коллекторе равно напряжению E на выходе источника питания.

В момент времени t1 транзистор 7 открывается управляющим импульсом, поступающим на его база-эмиттерный переход и ток протекает через первичную обмотку 3 катушки зажигания. В дополнительной обмотке 5 при этом генерируется напряжение, которое суммируется с напряжением на выходе источника питания и прикладывается к диоду 6 в обратном направлении. При запирании транзисторного ключа 7 (момент времени t2) напряжение на его коллекторе становится равным 2E. Таким образом процесс повторяется до тех пор, пока в базу транзисторного ключа 7 поступают управляющие импульсы. При запирании транзистора 7 через дополнительную обмотку 3 и диод 5 протекает ток, и запасенная в катушке зажигания энергия рекуперируется в источник питания 1.

Во время переключения транзистора 7 во вторичной обмотке 4 генерируется напряжение, поступающее на одну из свечей зажигания 9. В понижающей диагностической обмотке 15 (на фиг.1 не показана) при этом также возникает сигнал, аналогичный сигналу во вторичной обмотке.

Формула изобретения

1. Система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая катушку зажигания, первичная обмотка которой подключена к источнику питания через ключевой элемент, а вторичная обмотка соединена со свечой зажигания, и цепь ограничения импульсных перенапряжений на ключевом элементе, отличающаяся тем, что цепь ограничения импульсных перенапряжений выполнена в виде дополнительной обмотки катушки зажигания, имеющей сильную магнитную связь с первичной обмоткой и подключенной через диод к источнику питания.

2. Система зажигания по п.1, отличающаяся тем, что число витков дополнительной обмотки равно числу витков первичной обмотки.

3. Катушка зажигания, содержащая обмотки, размещенные на ленточном стержневом разрезном магнитопроводе, отличающаяся тем, что первичная и вторичная обмотки размещены на разных стержнях магнитопровода, причем катушка снабжена дополнительной обмоткой, имеющей сильную магнитную связь с первичной обмоткой.

4. Катушка зажигания по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена бифилярной обмоткой, состоящей из двух изолированных проводников, один из которых образует первичную обмотку, а другой - дополнительную обмотку.

5. Катушка зажигания по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена диагностической обмоткой, имеющей сильную магнитную связь со вторичной обмоткой.

6. Катушка зажигания по п.5, отличающаяся тем, что вторичная и диагностическая обмотки выполнены концентрическими.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3