система зажигания двс

Формула изобретения

1. Система зажигания ДВС, содержащая катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмоток и магнитопровода, и разрядный промежуток, включенный в цепь вторичной обмотки катушки зажигания, отличающаяся тем, что катушка зажигания изготовлена таким образом, что волновое сопротивление колебательного контура, образованного индуктивностью и эффективной емкостью во вторичной обмотке, с учетом токов утечки лежит в интервале

где U_проб - минимальное значение напряжения на разрядном промежутке, при котором гарантировано происходит пробой,

I_доп - максимально допустимый ток искрового разряда, при котором искра не переходит в низковольтный дуговой разряд.

2. Система зажигания по п.1, отличающаяся тем, что конструктивно обмотки катушки зажигания выполнены с увеличенным потоком рассеяния магнитного поля, например, в виде галеты.

3. Система зажигания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что магнитопровод катушки зажигания изготовлен из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на частоту 400 Гц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относиться к автомобилестроению, а именно к электронным системам зажигания двигателей внутреннего сгорания. Изобретение может быть использовано в системах искрового зажигания для более надежной работы двигателей в условиях низких температур и/или высокой влажности, а также при не очень высоком качестве топливно-воздушной смеси.

Известно устройство для увеличения плазменного объема искры в свече зажигания (пат. RU 2171909, М. кл. 7 F 02 P 3/04, F 02 P 3/08, публ. 2001 г.). Это устройство содержит последовательный LC-контур, подключенный параллельно искровому промежутку непосредственно около свечи зажигания, чтобы исключить влияние высокоомного провода вторичной цепи катушки зажигания. Устройство, продлевая время горения искры в 8-10 раз, увеличивает ее объем в 3-4 раза, повышает ионизирующее и тепловое действие. Это известное устройство решает задачу по увеличению тока искры, но при этом в схему вводятся дополнительные элементы. Основным недостатком такой системы зажигания является высокое волновое сопротивление колебательного контура ˜1 МОм, образованного вторичной обмоткой катушки зажигания и эффективной емкостью в высоковольтной цепи катушки зажигания, которое легко шунтируется сопротивлением утечки в этой цепи.

Получить необходимую, регулируемую по времени, длительность непрерывного разряда позволяет релаксационно-колебательная система электронного зажигания ДВС (пат. RU 2054575, М. кл. 7 F 02 P 3/04, публ. 1996 г.). В систему зажигания ДВС, содержащую в первичной цепи катушки зажигания тиристорно-конденсаторный блок высокого напряжения, низковольтный блок вольтодобавки и транзисторный ключ, введены дополнительно два диода. Первый диод подключен параллельно цепи из тиристора и конденсатора и соединяет анод тиристора с блоком вольтодобавки. При этом второй диод соединяет среднюю точку тиристорно-конденсаторной цепи с выводом первичной обмотки катушки зажигания. Система зажигания создает релаксационные колебания, что позволяет поддерживать непрерывный ток разряда нужное время и формирует широкий начальный фронт пламени. Система зажигания обеспечивает эффективный процесс горения топливной смеси и повышает экономичность расхода топлива. Недостатком этой системы является введение дополнительных элементов. Использование стандартных существующих катушек зажигания не позволяет решить проблему высокого волнового сопротивления колебательного контура вторичной обмотки катушки. Это снижает надежность работы и запуска двигателя в неблагоприятных условиях за счет шунтирования разрядного промежутка свечи сопротивлением утечки.

Облегчить запуск двигателя в неблагоприятных условиях, особенно в зимнее время, позволяет искровая система зажигания ДВС, известная по патенту RU 2107184, М. кл. 7 F 02 P 3/04, опубл. 1998. Эта система зажигания содержит последовательно соединенные преобразователь напряжения, удвоитель напряжения, стабилизатор напряжения, прерыватель, включенные в первичную обмотку катушки зажигания. А в цепь вторичной обмотки катушки зажигания перед разрядным промежутком свечи введен больший дополнительный искровой промежуток. Такая конструкция уменьшает нежелательное влияние токов утечки, при этом почти вся энергия идет на образование искры в свече зажигания. Но это не исключает емкостную фазу разряда, когда большая часть энергии тока в разрядном промежутке идет на разрушение электродов свечи. Другим недостатком является усложнение схемы, введение ряда дополнительных блоков для стабилизации напряжения и дополнительная эрозия материала на добавленном искровом промежутке.

Наибольшее количество общих элементов с предлагаемой системой зажигания содержит штатная система зажигания (см., например, С.В.Акимов, Ю.П.Чижов. "Электрооборудование автомобилей". Учебник для ВУЗов, стр.188-191. Изд. "За рулем", 2001 г.), которая выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа). Система зажигания-прототип содержит источник питания, коммутатор, катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмотки и магнитопровода, искровой промежуток, а также емкости и активные сопротивления в цепях первичной и вторичной обмоток катушки. Недостатком стандартной системы зажигания является ее ненадежная работа. Копоть и влага на изоляторе свечи, грязь и конденсат в распределителе зажигания и на высоковольтных проводах приводят к перебоям в работе двигателя или полному отказу всей системы зажигания. Особенно часто такие ситуации возникают при эксплуатации автомобиля зимой при низких температурах.

Анализ показывает, что в типовых системах зажигания значительная часть энергии, запасаемой в катушке зажигания, теряется в процессе формирования высокого напряжения на свече зажигания и при протекании разрядного тока в ней. Основные потери связаны с токами утечки в высоковольтной цепи, и, кроме того, есть значительные индукционные потери в магнитопроводе катушки и в процессе протекания емкостной фазы разряда.

Предлагаемым изобретением решается задача увеличения мощности искры и надежности искрообразования системы зажигания за счет исключения "непроизводительных" потерь путем согласования величины волнового сопротивления контура, образованного индуктивностью и емкостью, входящих в состав системы зажигания, с параметрами искрового разряда - напряжением пробоя и током разряда.

Технический результат достигается тем, что предлагаемая система зажигания, так же как и прототип, содержит катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмоток и магнитопровода, и искровой промежуток, включенный в цепь вторичной обмотки катушки зажигания.

Новым в разработанной системе зажигания является то что, катушка зажигания изготовлена таким образом, что волновое сопротивление колебательного контура, образованного индуктивностью и эффективной емкостью во вторичной обмотке, с учетом токов утечки, лежит в интервале:

,

где U_проб - минимальное значение напряжения на разрядном промежутке, при котором гарантированно происходит пробой,

I_доп - максимально допустимый ток искрового разряда. Максимальная величина тока разряда ограничена условием перехода процесса горения высоковольтной искры в режим низковольтного плазменно-дугового разряда, при котором основная энергия дуги идет не на нагрев ТВС, а на разрушение электродов свечи.

В частном случае целесообразно с целью исключения потерь при емкостной фазе разряда при изготовлении обмоток катушки зажигания делать их с увеличенным потоком рассеяния магнитного поля, например, в виде галеты.

В другом частном случае, с целью уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопровод катушки зажигания целесообразно изготавливать из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на частоту 400 Гц.

В процессе формирования высоковольтного напряжения неконтролируемые потери энергии связаны с токами утечки. Расчеты показывают, что наиболее типичное значение волнового сопротивления системы зажигания со стандартной катушкой составляет величину ˜1 МОм. При наличии токов утечки в такой системе через сопротивление утечки, равное волновому, напряжение на искровом промежутке уменьшается практически вдвое, что приводит либо к отказу системы зажигания, либо к значительному уменьшению энергии искры.

В процессе горения искры основные потери энергии связаны с теплопроводностью топливно-воздушной смеси, и при малой мощности искры, даже при увеличении ее длительности, топливно-воздушная смесь может не воспламениться.

Обеспечение заявленного технического результата можно объяснить следующим образом.

Решение волнового уравнения для параллельного колебательного контура, которым является цепь вторичной обмотки системы зажигания, можно написать в виде напряжения в контуре:

где U_a - амплитудное значение напряжения, и t - частота и время, соответственно,

a L, С, R _ут - параметры контура в общепринятых обозначениях.

После выключения ключа в первичной цепи катушки зажигания напряжение достигает максимального значения при R_ут = к моменту времени . Необходимым условием возникновения искры в свече зажигания в этот момент является U_max U_проб, где

Из уравнения (2) для сопротивления утечки, при котором сохраняется условие пробоя разрядного промежутка, находим:

Из уравнения (3) находим величину волнового сопротивления при минимальном значении сопротивления утечки:

Считая приемлемым условие надежной работы системы зажигания при R_ут, увеличенным в 1,5 раза относительно минимального, для волнового сопротивления найдем интервал допустимых значений:

Учитывая, что типовые значения U_проб составляют ˜10÷15 кВ, I_доп составляет ˜0,3 А, получаем интервал числовых значений , соответствующих условию (5):

Величина сопротивления утечки, при котором сохраняется работоспособность системы зажигания, находится из того же уравнения (3), и можно показать, что его минимальная величина равна волновому сопротивлению, т.е. R_ут= .

На чертеже приведена эквивалентная схема предлагаемой системы зажигания.

Система зажигания содержит источник питания 1, активное сопротивление 2, конденсатор 3 и коммутатор 4, включенные в цепь первичной обмотки 5 катушки зажигания. Катушка зажигания включает в себя также магнитопровод, выполненный в виде магнитного сердечника 6, и вторичную обмотку 7, цепь которой содержит собственную индуктивность 8 вторичной обмотки 7, емкость 9, пересчитанную из первичной цепи, сопротивление утечки 10 и разрядный промежуток 11 свечи зажигания.

В качестве источника питания 1 используется аккумуляторная батарея, сопротивление 2 представляет собой активное сопротивление первичной цепи. Катушка зажигания изготавливается таким образом, что коэффициент трансформации составляет величину К 15÷30. При этом получаем систему с волновым сопротивлением 100 кОм, соответствующим расчетному (4). Максимальное напряжение в первичной обмотке 5 катушки зажигания достигает величины 1000÷1500 В, что повышает требование к выбору элементной базы для коммутатора 4.

Магнитный сердечник 6 катушки зажигания может быть выполнен из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на рабочую частоту 400 Гц.

Вторичная обмотка 7 может также быть выполнена в виде галеты. При этом собственная индуктивность 8 вторичной обмотки 7 (не связанная магнитным потоком с первичной) ограничивает ток искры и исключает потери при емкостной фазе разряда.

Исходя из требования накопить определенную энергию в системе, необходимую для образования искры, параметры катушки выбираем такие же, как и для серийной катушки зажигания промышленного изготовления. В случае конкретной реализации индуктивность первичной обмотки 5 катушки зажигания составляет величину L 4 мГн, ток в ней I 6÷8 А, емкость конденсатора 3, защищающего электронный ключ (коммутатор 4) от перегрузки по напряжению С 0,1 мкФ.

Предлагаемая система зажигания, представленная на фиг.1, работает следующим образом: при включенном коммутаторе 4 в первичной обмотке 5 катушки зажигания появляется ток, протекающий от источника 1, через первичную обмотку 5 катушки и коммутатор 4. При достижении током максимально допустимой величины в катушке запасается энергия, достаточная для формирования в последующем искрового разряда свечи. При выключении по сигналу с датчика положения коленвала (не показан) коммутатора 4 ток первичной обмотки 5 заряжает конденсатор 3, индуктируя во вторичной обмотке 7 высокое напряжение. При достижении в этой цепи напряжения, достаточного для пробоя искрового промежутка 11, происходит пробой, и через вторичную обмотку 7 катушки зажигания начинает протекать ток. Этот ток складывается из тока самой катушки зажигания и тока разряда конденсатора 3, который пересчитывается во вторичную цепь катушки зажигания в емкость 9 по формуле

С₂ =С₁/К²,

где К - отношение количества витков во вторичной обмотке 7 катушки к количеству витков в первичной обмотке 5 катушки зажигания.

Использование современной элементной базы при изготовлении электронного ключа (коммутатора 4) и катушки зажигания с измененным соотношением витков в первичной 5 и вторичной 7 обмотках позволило получить систему зажигания с низким волновым сопротивлением ˜100 кОм, соответствующим условию (5), значительно менее чувствительную к токам утечки, и существенно увеличенной мощностью искры при увеличенном токе искрового разряда до I _доп 0,3 А.

Система зажигания с заявленными свойствами получена при неизменном потреблении энергии (величине максимального тока катушки зажигания). Система получается менее чувствительной к токам утечки по сравнению с известными аналогами, поскольку величина сопротивления утечки 10 практически всегда остается больше, чем волновое сопротивление контура вторичной обмотки 7, и не может его шунтировать, что позволяет исключить "непроизводительные" потери, тем самым решить поставленную задачу.

Особенностью работы системы зажигания по п.2 формулы является ограничение тока искрового разряда за счет увеличенного по сравнению с аналогами потока рассеяния магнитного поля, например, за счет изготовления вторичной обмотки 7 катушки зажигания в виде галеты, что позволяет исключить потери при емкостной фазе разряда.

Особенностью работы системы зажигания по п.3 формулы является то, что в процессе формирования высоковольтного напряжения потери энергии (нагрев магнитопровода) значительно уменьшаются за счет изготовления сердечника 6 катушки из трансформаторного железа с низкими удельными потерями.

Испытания системы зажигания, изготовленной, как указано в примере конкретной реализации, подтвердили высокую стабильность искрообразования в свечах, которые сохранили работоспособность даже при пробеге на автомобиле порядка 100 тысяч км. Наличие нагара, бензина и антифриза на изоляторе свечи не влияло на устойчивую работу двигателя.

Количество витков вторичной обмотки катушки зажигания составило ˜2000, что при серийном изготовлении должно снизить ее себестоимость, т.к. обычно это число лежит в пределах 16-40 тысяч витков.

Увеличение энергии разряда, обеспечиваемое разработанной системой зажигания, приводит к более полному сжиганию топливной смеси и тем самым уменьшает токсичность выхлопа.