Система зажигания двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, в частности системам зажигания двигателя внутреннего сгорания, а именно к устройствам регулирования параметров искрового разряда, и может быть использовано совместно как с системой зажигания высокой энергии, так и с классической батарейной системой зажигания. Изобретение позволяет усовершенствовать систему зажигания двигателя внутреннего сгорания, повысить эффективность, надежность, быстродействие и экономичность, упростить систему. Система зажигания двигателя внутреннего сгорания содержит источник питания и катушку зажигания, первый вывод первичной обмотки которой подключен к выходу источника питания, а второй - к первому выводу емкостного элемента, распределитель, свечи зажигания, формирователь управляющих сигналов и электронный ключ. В систему введены дополнительно прерыватель, формирователь сигнала обратной связи и логический элемент 2ИЛИ-НЕ. Источник питания оснащен двумя дополнительными выходами, из которых первый соединен с минусом источника питания через электронный ключ, а второй вместе с первым выводом формирователя сигнала обратной связи - с входом формирователя управляющих сигналов и первым выводом прерывателя. Второй вывод прерывателя соединен с минусом источника питания, с точкой соединения второго вывода первичной обмотки катушки зажигания и первого вывода емкостного элемента. Второй вывод емкостного элемента подключен к минусу источника питания. Первый вход элемента 2ИЛИ-НЕ соединен со вторым выводом формирователя сигнала обратной связи, его второй вход - с выходом формирователя управляющих сигналов, а его выход - с управляющим входом электронного ключа. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам зажигания двигателя внутреннего сгорания, а именно к устройствам регулирования параметров искрового разряда, и может быть использовано совместно как с системой зажигания высокой энергии, так и с классической батарейной системой зажигания.
Известен способ зажигания топливно-воздушной смеси и система зажигания для его осуществления, согласно которому топливно-воздушную смесь воспламеняют путем подачи высокочастотных импульсов напряжения на электроды, подключенные к вторичной обмотке катушки зажигания, причем частоту импульсов напряжения изменяют в зависимости от величины тока во вторичной обмотке катушки зажигания, а система зажигания содержит источник тока и подключенные к нему последовательно первичную обмотку катушки зажигания и электронный ключ, ко входу управления которого подключены последовательно формирователь сигнала момента зажигания и генератор импульсов, вход управления частоты которого подключен через формирователь сигнала обратной связи по току в катушке зажигания к точке соединения первичной обмотки катушки зажигания и электронного ключа (см. патент РФ №2004835, опубл. 15.12.1993).
Недостатком указанного способа и устройства является то, что они не обеспечивают достаточно полного сгорания топлива и снижения уровня токсичности продуктов сгорания из-за низкой частоты и энергии искрообразования. Частота повторения искр ограничена необходимостью обеспечения в каждом такте генератора импульсов достаточного времени для накопления энергии в первичной обмотке катушки зажигания, а энергия искрообразования снижена за счет недостаточной частоты повторения искр, пауз между искрами и не использования отрицательных полуволн напряжения на первичной обмотке катушки зажигания.
Известна также система зажигания ДВС, которая содержит источник питания с аккумуляторной батареей, ключом зажигания, повышающим преобразователем напряжения и емкостным накопителем, катушку зажигания с подключенным к ее первичной обмотке параллельно емкостным элементам, распределитель и свечи зажигания, а также формирователь управляющих сигналов, блок формирования серии импульсов с одновибратором, автогенератором и преобразователем «частота-напряжение» и электронный ключ. Эта система обеспечивает более полное сгорание топлива и снижение токсичности выхлопных газов благодаря более высокой энергии и частоте искр зажигания переменного тока (см. патент РФ №2069791, опубл. 27.11.1996). Данная система наиболее близка к заявляемой по технической сути и принята в качестве прототипа.
Недостатками системы являются:
- недостаточно полное сгорание топлива и высокая токсичность выхлопных газов из-за отсутствия автоматической коррекции частоты импульсов зажигания в процессе горения топливно-воздушной смеси;
- низкая надежность, т.к. при установке системы на автомобиль требуется полная переделка штатной системы и возврат к ней в случае отказа предложенной системы требует значительных усилий и определенного уровня квалификации;
- сложность, определяемая наличием специального блока формирования серии импульсов с одновибратором, автогенератором и преобразователем «частота-напряжение» и выполнением повышающего преобразователя напряжения регулируемым;
- низкое быстродействие принудительной коррекции параметров серии искр из-за наличия в каналах управления преобразователя «частота-напряжение»;
- большое потребление энергии, связанное с тем, что система не только поддерживает колебательный процесс в катушке зажигания с емкостным элементом, но и должна инициировать первый пробой межэлектродного промежутка в свечах в каждой серии, а поскольку катушка зажигания работает в режимах прямой трансформации как в обычной - тиристорной системе зажигания, повышающий преобразователь напряжения должен иметь большое выходное напряжение (не менее 300 В) и, следовательно, обладает низким КПД;
- сложность регулировки, связанная с необходимостью точной установки частоты автогенератора;
- избыточная эрозия свечей и высокий уровень электромагнитных помех из-за однополярного характера тока в свечах зажигания и большого уровня емкостных составляющих разряда, снижение которого системе по прототипу невозможно без уменьшения энергии искрообразования ввиду быстрого затухания индуктивных составляющих, расположенных в паузах между емкостными составляющими.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования системы зажигания двигателя внутреннего за счет подпитки колебательного контура, образованного емкостным элементом и катушкой зажигания от повышающего преобразователя напряжения во время отрицательных полуволн напряжения, обеспечить высокую частоту искр и энергию искрообразования при автоматической коррекции частоты импульсов зажигания в процессе горения топливно-воздушной смеси, увеличение быстродействия, снижение уровня электромагнитных помех, уменьшение эрозии свечей и, как результат, создание эффективной, надежной, простой, быстродействующей, экономичной, не требующей регулировки системы зажигания ДВС, обеспечивающей более полное сгорание топлива и снижение уровня токсичности продуктов сгорания.
Поставленная задача решается тем, что в известную систему зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащую источник питания и катушку зажигания, первый вывод первичной обмотки которой подключен к выходу источника питания, а второй - к первому выводу емкостного элемента, распределитель, свечи зажигания, формирователь управляющих сигналов и электронный ключ, согласно заявленному изобретению в систему введены дополнительно прерыватель, формирователь сигнала обратной связи и логический элемент 2ИЛИ-НЕ, причем источник питания оснащен двумя дополнительными выходами, из которых первый соединен с минусом источника питания через электронный ключ, а второй вместе с первым выводом формирователя сигнала обратной связи - с входом формирователя управляющих сигналов и первым выводом прерывателя, второй вывод которого соединен с минусом источника питания, с точкой соединения второго вывода первичной обмотки катушки зажигания и первого вывода емкостного элемента, второй вывод которого подключен к минусу источника питания, первый вход элемента 2ИЛИ-НЕ соединен со вторым выводом формирователя сигнала обратной связи, его второй вход - с выходом формирователя управляющих сигналов, а его выход - с управляющим входом электронного ключа.
Источник питания может быть выполнен с тремя входами в виде соединенных последовательно аккумуляторной батареи, ключа зажигания и повышающего преобразователя напряжения с емкостным накопителем энергии, причем минус аккумуляторной батареи является минусом источника питания, точка соединения ключа зажигания и входа повышающего преобразователя напряжения образует выход источника питания, выходы повышающего преобразователя гальванически отсоединены от аккумуляторной батареи, его положительный выход образует первый дополнительный выход источника питания, а отрицательный - второй дополнительный выход источника питания.
Формирователь сигнала обратной связи может быть выполнен, например, в виде соединенных последовательно резистора и конденсатора. Формирователь управляющих сигналов может содержать соединенные последовательно устройство подавления "дребезга" контактов прерывателя и устройство углового ограничения длительности искрового разряда.
Устройство подавления "дребезга" контактов прерывателя может содержать логический элемент НЕ, вход которого подключен через первый резистор ко входному выводу устройства, а его выход соединен через обратный диод с выходным выводом устройства, подключенным также через второй резистор с выходом источника питания, а через конденсатор - с минусом источника питания.
Устройство углового ограничения длительности искрового разряда может содержать RS-триггер, выполненный на двух логических элементах 2И-НЕ, вход установки которого соединен через первый конденсатор с входным выводом устройства и через первый резистор - с выходом источника питания, а его вход сброса - с выходом операционного усилителя и через второй конденсатор - с инвертирующим входом операционного усилителя, который подключен также через цепочку, состоящую из соединенных последовательно обратного первого диода и второго резистора, параллельно которой подключена цепочка из последовательных прямого диода и третьего резистора, с инвертирующим выходом RS-триггера, неинвертирующий выход которого является выходом устройства, а на неинвертирующий вход операционного усилителя подается напряжение смещения.
На фиг.1 приведена функциональная схема системы зажигания ДВС.
На фиг.2 - принципиальная схема формирования управляющих сигналов системы зажигания.
На фиг.3 - эпюры напряжений, поясняющие работу формирователя управляющих сигналов, где:
А - состояние контактов прерывателя на входе формирователя управляющих сигналов и на входе устройства подавления «дребезга» контактов;
Б - напряжение на выходе логического элемента НЕ устройства подавления «дребезга» контактов;
В - напряжение на выходе устройства подавления «дребезга» контактов;
Г - сигналы на выходе устройства RS-триггера;
Д - сигнал на инвертирующем выходе RS-триггера;
Е - напряжение на входе сброса RS-триггера;
Ж - сигнал на выходе формирователя управляющих сигналов.
Система зажигания (фиг.1) содержит источник 1 питания с тремя выходами, катушку 2 зажигания с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, распределитель 5 зажигания, свечи 6 зажигания, электронный ключ 7, логический элемент 8 2ИЛИ-НЕ, формирователь 9 сигнала обратной связи, емкостной элемент 10, прерыватель 11 и формирователь 12 управляющих сигналов. Выход источника 1 питания соединен с первым выводом первичной обмотки 3 катушки зажигания 2, его первый дополнительный выход соединен через электронный ключ 7, управляющий вход которого соединен с выходом элемента 8 2ИЛИ-НЕ, с минусом источника питания.
Второй дополнительный выход источника 1 питания соединен со вторым выводом первичной обмотки 3 катушки 2 зажигания непосредственно, с минусом источника 1 питания через параллельные емкостной элемент 10 и прерыватель 11, с первым входом элемента 8 2ИЛИ-НЕ через формирователь 9 и со вторым входом элемента 8 2ИЛИ-НЕ - через формирователь 12. В системе зажигания источник 1 питания содержит соединенные последовательно аккумуляторную батарею 13, минус которой является минусом источника 1 питания, ключ 14 зажигания и повышающий преобразователь 15 напряжения с емкостным накопителем 16 энергии и с гальванической развязкой от аккумуляторной батареи. Точка соединения ключа 14 зажигания и входа преобразователя 16 образует выход источника 1 питания, положительный выход преобразователя 15 образует первый дополнительный выход источника 1 питания, а отрицательный выход - второй дополнительный выход источника 1 питания.
Формирователь 12 управляющих сигналов системы зажигания содержит соединенные последовательно устройство 17 подавления «дребезга» контактов прерывателя и устройство 18 углового ограничения длительности искрового разряда.
В процессе работы системы зажигания (фиг.2) высокочастотный колебательный процесс искрообразования начинается после размыкания контактов прерывателя 11. При этом формирователь 12 устанавливает сигнал низкого логического уровня на втором входе элемента 8 2ИЛИ-НЕ на тот период времени, который определяет продолжительность пачки искр в каждом такте искрообразования. Сигнал обратной связи во время отрицательной полуволны напряжения на обмотке 3 катушки зажигания 2 поступает через формирователь 9 на первый вход элемента 8 2ИЛИ-НЕ, после чего электронный ключ 7 открывается.
Конденсатор 16 источника питания 1, заряженный до повышающего напряжения (более 100 В), оказывается включенным последовательно с аккумуляторной батареей 13 и обмоткой 3 катушки 2 зажигания. Это суммарное напряжение перезаряжает конденсатор 10 и форсирует реверс тока в обмотке 3 катушки 2. Колебательный контур, образованный конденсатором 10 и катушкой 2, получает подпитку энергией, вследствие чего ток в обмотке 3 в прямом направлении существенно возрастает в сравнении со значениями, которые имеют место в случае затухания колебаний в контуре без подпитки. Когда отрицательная полуволна напряжения на обмотке 3 проходит через нулевое значение и становится положительной, на выходе формирователя 9 появляется сигнал низкого логического уровня, и ключ 8 замыкается, прерывая ток в прямом направлении через обмотку 3. Далее колебательный незатухающий процесс повторяется за отрезок времени, когда формирователь 12 поддерживает сигнал низкого логического уровня на другом входе элемента 8.
Формирователь 12 управляющих сигналов (фиг.2) зажигания содержит последовательно соединенное устройство 17 подавления «дребезга» контактов прерывателя и устройство 18 углового ограничения длительности искрового разряда. Во время размыкания контактов прерывателя 11 на входе элемента 20 НЕ появляется сигнал высокого логического уровня (фиг.3.А), а на его выходе - низкого (фиг.3.Б). Конденсатор 23 разряжается через диод 21 и выход элемента 20 (фиг.3.В).
В случае появления «дребезга» контактов прерывателя 11 конденсатор 23 разряжается уже при первом появлении короткого сигнала низкого логического уровня на выходе элемента 20. Задержка заряда конденсатора 23 благодаря присутствию резистора 22 в цепи его заряда обеспечивает поддержку конденсатора 23 в разряженном состоянии во время «дребезга» контактов и при их замыкании.
Цепочка R26 С25 дифференцирует напряжение на конденсаторе 23 (фиг.3.В) и формирует короткие сигналы установки на входе RS-триггера 24 (фиг.3.Г). На инвертирующем выходе триггера 24 появляется сигнал высокого логического уровня (фиг.3.Д), на его инвертирующем выходе и выходе формирователя 12 - низкого (фиг.3.Ж). Напряжение на выходе операционного усилителя 27, включенного по схеме интегратора, линейно уменьшается до уровня сброса триггера 24 (фиг.3.Е), после чего он снова переключается (фиг.3.Е). Сигналы на его выходах реверсируются (фиг.3.Д,Ж), а напряжение на выходе усилителя 27 линейно увеличивается до поступления следующего сигнала установки. Далее процесс повторяется. Благодаря выбору асимметрии цепочка заряда (диод 29, резистор 30) и разряда (диод 31, резистор 32) конденсатора 28 можно установить любую угловую длительность выходного сигнала низкого логического уровня на выходе формирователя 12 в диапазоне от 0 до 45° угла поворота распределителя 5, которая поддерживается с высокой точностью в широком диапазоне частот вращения.
Система обеспечивает более полное сгорание топлива и снижение токсичности выхлопных газов благодаря автоматическому заданию частоты импульсов зажигания в зависимости от изменения параметров топливно-воздушной смеси в процессе ее сгорания. В результате взаимодействия плазмы топлива, которая горит в электромагнитном поле вокруг электродов свечей зажигания, изменяются частотные характеристики обмоток катушки зажигания и соответственно резонансная частота колебательного контура, образованного индуктивностью первичной обмотки катушки зажигания и приведенной к ней вторичной и емкостным элементом.
В системе предусмотрено не жесткое задание частоты колебаний, а осуществляется организация незатухающих автоколебаний в колебательном контуре, индуктивность которого непосредственно корригируется процессом горения топливно-воздушной смеси.
Система зажигания повышает надежность системы ДВС, т.к. для ее установки не предусматривается демонтаж штатной системы зажигания, и она полностью сохраняется.
Система подключается к штатной с помощью 4-х проводов, при этом в штатной системе необходимо сделать только одно разъединение. Поэтому в случае отказа предложенной системы она будет продублирована штатной системой, переделать которую не составит труда.
Предлагаемая система зажигания существенно проще устройства-прототипа, поскольку в ее схеме отсутствует блок формирования серии импульсов, содержащей одновибратор, автогенератор и преобразователь «частота-напряжение», вместо которого введены три простых элемента: электронный ключ (или прерыватель), формирователь сигнала обратной связи и логический элемент 2ИЛИ-НЕ. Кроме того, дополнительное упрощение достигнуто за счет выполнения повышающего преобразователя напряжения нерегулируемым, поскольку его мощность невелика.
Быстродействие предложенной системы существенно повышено, т.к. быстрота коррекции частоты устанавливается только быстротой изменения концентрации плазмы около электродов свечей, а преобразователь «частота-напряжение» отсутствует.
Система зажигания требует значительно меньшей энергии, т.к. энергия повышающего преобразователя напряжения не расходуется на инициацию первичного пробоя, а расходуется только на поддержание автоколебаний. Поскольку фаза импульсов подкачки энергии в колебательный контур устанавливается автоматически, ошибка в фазе исключена и нет необходимости создавать запас энергии на случай «ухода» фазы или ошибки принудительного задания частоты, как в устройстве-прототипе. Кроме того, т.к. повышенное напряжение в предлагаемой системе существенно снижено (не более 100 В), КПД повышающего преобразователя больше, а потребление энергии меньше. Система не требует совсем никакой первоначальной регулировки частоты, т.к. частота многократного искрообразования устанавливается оптимальной автоматически.
В предложенной системе эрозия свечей и уровень электромагнитных помех существенно снижены, т.к. между электродами свечей течет не импульсный однополярный, а переменный ток, причем емкостная составляющая тока искрового разряда в каждой пачке искр присутствует в чистом виде только во время первой искры.
Указанные признаки неизвестны авторам из отечественных и зарубежных источников, поэтому они являются существенными и новыми. Предложенное решение явным образом не вытекает из современного уровня техники и не является очевидным для специалистов в области автомобильной электроники. Решение может быть осуществлено известными средствами производства. Поэтому оно отвечает критериям изобретения и ему может быть дана правовая защита.
1. Система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая источник питания и катушку зажигания, первый вывод первичной обмотки которой подключен к выходу источника питания, а второй - к первому выводу емкостного элемента, распределитель, свечи зажигания, формирователь управляющих сигналов и электронный ключ, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительно прерыватель, формирователь сигнала обратной связи и логический элемент 2 ИЛИ - НЕ, причем источник питания оснащен двумя дополнительными выходами, из которых первый соединен с минусом источника питания через электронный ключ, а второй вместе с первым выводом формирователя сигнала обратной связи - с входом формирователя управляющих сигналов и первым выводом прерывателя, второй вывод которого соединен с минусом источника питания, с точкой соединения второго вывода первичной обмотки катушки зажигания и первого вывода емкостного элемента, второй вывод которого подключен к минусу источника питания, первый вход элемента 2 ИЛИ - НЕ соединен со вторым выводом формирователя сигнала обратной связи, его второй вход - с выходом формирователя управляющих сигналов, а его выход - с управляющим входом электронного ключа.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что источник питания выполнен с тремя входами в виде соединенных последовательно аккумуляторной батареи, ключа зажигания и повышающего преобразователя напряжения с емкостным накопителем энергии, причем минус аккумуляторной батареи является минусом источника питания, точка соединения ключа зажигания и входа повышающего преобразователя напряжения образует выход источника питания, выходы повышающего преобразователя гальванически отсоединены от аккумуляторной батареи, его положительный выход образует первый дополнительный выход источника питания, а отрицательный - второй дополнительный выход источника питания.
3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что формирователь сигнала обратной связи выполнен, например, в виде соединенных последовательно резистора и конденсатора.
4. Система по п.2, отличающаяся тем, что формирователь управляющих сигналов содержит соединенные последовательно устройство подавления "дребезга" контактов прерывателя и устройство углового ограничения длительности искрового разряда.
5. Система по п.4, отличающаяся тем, что устройство подавления "дребезга" контактов прерывателя содержит логический элемент НЕ, вход которого подключен через первый резистор ко входному выводу устройства, а его выход соединен через обратный диод с выходным выводом устройства, подключенным также через второй резистор к выходу источника питания, а через конденсатор - к минусу источника питания.
6. Система по п.5, отличающаяся тем, что устройство углового ограничения длительности искрового разряда содержит RS-триггер, выполненный на двух логических элементах 2И - НЕ, вход установки которого соединен через первый конденсатор с входным выводом устройства и через первый резистор - с выходом источника питания, а его вход сброса - с выходом операционного усилителя и через второй конденсатор с инвертирующим входом операционного усилителя, который подключен также через цепочку, состоящую из соединенных последовательно обратного первого диода и второго резистора, параллельно которой подключена цепочка из последовательных прямого диода и третьего резистора, с инвертирующим выходом RS-триггера, неинвертирующий выход которого является выходом устройства, а на неинвертирующий вход операционного усилителя подается напряжение смещения.
