коммутатор системы зажигания двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

Коммутатор системы зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащий повышающий преобразователь напряжения, входы которого подключены к клеммам аккумуляторной батареи, накопительный конденсатор, подключенный к выходам повышающего преобразователя напряжения через выпрямитель, ключ, схему управления, включенную между входом ключа и датчиком момента зажигания, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, снижения потерь энергии и повышения надежности, уменьшения габаритов и массы системы зажигания в целом ключ выполнен на транзисторе, коллектор которого соединен с первым выходом коммутатора, входом ключа служит вывод базы транзистора, а его эмиттер соединен с минусовой клеммой аккумуляторной батареи; плюсовой вывод накопительного конденсатора соединен со вторым выходом коммутатора, а минусовой вывод накопительного конденсатора соединен с минусовой клеммой аккумуляторной батареи; схема управления содержит формирователь импульса управления с длительностью, равной заданной длительности искрового разряда, и ждущий генератор высокочастотных импульсов, соединенные последовательно; кроме того, в схему коммутатора введены дополнительно два резистора, соединенные последовательно между плюсовым выводом накопительного конденсатора и минусовой клеммой аккумуляторной батареи, точка соединения резисторов подключена ко входу отрицательной обратной связи по напряжению повышающего преобразователя напряжения, второй диод, соединенный своим положительным выводом с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи, а минусовым выводом соединен с плюсовым выводом накопительного конденсатора, стабилитрон с симметричной вольт-амперной характеристикой, соединенный одним выводом с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи, вторым выводом со входом отрицательной обратной связи по напряжению повышающего преобразователя напряжения, причем напряжение отпирания стабилитрона больше нижнего значения напряжения на накопительном конденсаторе на величину падения напряжения на втором диоде, а напряжение стабилизации повышающего преобразователя напряжения равно верхнему значению напряжения на накопительном конденсаторе.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к области электротехники и может быть использовано в любых двигателях внутреннего сгорания для воспламенения топливно-воздушной смеси.

Известен коммутатор системы зажигания двигателя внутреннего сгорания, патент РФ №2056521, дата публикации 20.03.1996, который содержит повышающий преобразователь напряжения, входы которого подключены к клеммам аккумуляторной батареи, накопительный конденсатор, подключенный к выходам повышающего преобразователя напряжения через выпрямитель, ключ, схему управления, включенную между входом ключа и датчиком момента зажигания.

В данном устройстве, выбираемом в качестве прототипа, искровой разряд на переменном токе образуется за счет колебательного процесса в последовательном колебательном контуре, состоящем из накопительного конденсатора и индуктивности первичной обмотки высоковольтного трансформатора (катушки зажигания) при открытом ключе. Начало искрового разряда в таком устройстве задержано по отношению к переднему фронту сигнала датчика момента зажигания на 1/4 периода колебаний в контуре, и это может ухудшить технические характеристики двигателя. Емкость накопительного конденсатора и индуктивность первичной обмотки высоковольтного трансформатора определяют, кроме частоты колебаний, также энергию и длительность искрового разряда, их величины не могут быть выбраны произвольно, они растут с ростом мощности двигателя и обуславливают длительность одного периода колебаний. Для маломощных двигателей до 5 кВт период колебаний порядка 30 мкс, для автомобильного двигателя порядка 250 мкс. Если в маломощных двигателях с числом оборотов до 6 тыс. оборотов в минуту задержка в 7,5 мкс соответствует угловому запаздыванию не более 0,27°, то в мощных двигателях при 6000 об/мин задержка в 60 мкс соответствует угловому запаздыванию 2,16°, и это уже может влиять на экономичность двигателя, его нагрев и износ. Указанный недостаток ограничивает область применения устройства-прототипа маломощными и низкооборотистыми двигателями. Кроме того, зарядка конденсатора производится через индуктивность первичной обмотки высоковольтного трансформатора, это время велико и также ограничивает применяемость на высокооборотистных двигателях. Другой недостаток - повышенные потери электрической энергии и, как следствие, снижение надежности коммутатора за счет разогрева его элементов. Потери возникают в повышающем преобразователе напряжения при его работе в широком диапазоне входных напряжений, например от 6 до 15 В в автомобиле, за счет невозможности оптимизации преобразователя в таком широком диапазоне. Потери в преобразователе составляют порядка 20÷30%.

Заявляемое изобретение направлено на расширение области применения коммутатора системы зажигания двигателя внутреннего сгорания с искровым разрядом на переменном токе и накоплением энергии на конденсаторе, уменьшение потерь электрической энергии и, как следствие, повышение надежности коммутатора, уменьшение габаритов и массы системы зажигания в целом и, прежде всего, высоковольтного трансформатора.

Для достижения указанных целей в известном устройстве, содержащем повышающий преобразователь напряжения, входы которого подключены к клеммам аккумуляторной батареи, накопительный конденсатор, подключенный к выходам повышающего преобразователя напряжения через выпрямитель, ключ, схему управления, включенную между входом ключа и датчиком момента зажигания, ключ выполнен на транзисторе, коллектор которого соединен с первым выходом коммутатора, входом ключа служит вывод базы транзистора, а его эмиттер соединен с минусовой клеммой аккумуляторной батареи; плюсовой вывод накопительного конденсатора соединен со вторым выходом коммутатора, а минусовой вывод накопительного конденсатора соединен с минусовой клеммой аккумуляторной батареи; схема управления содержит формирователь импульсов управления с длительностью, равной заданной длительности искрового разряда, и ждущий генератор высокочастотных импульсов, соединенные последовательно; кроме того, в схему коммутатора введены дополнительно два резистора, соединенные последовательно между плюсовым выводом накопительного конденсатора и минусовой клеммой аккумуляторной батареи, точка соединения резисторов подключена ко входу отрицательной обратной связи по напряжению повышающего преобразователя напряжения, второй диод, соединенный своим плюсовым выводом с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи, а минусовым выводом соединен с плюсовым выводом накопительного конденсатора, стабилитрон с симметричной вольт-амперной характеристикой, соединенный одним выводом с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи, вторым выводом со входом отрицательной обратной связи повышающего преобразователя напряжения, причем напряжение отпирания стабилитрона больше нижнего значения напряжения на накопительном конденсаторе на величину падения напряжения на втором диоде, а напряжение стабилизации повышающего преобразователя напряжения по цепи отрицательной обратной связи равно верхнему значению напряжения на накопительном конденсаторе.

Область применения коммутатора системы зажигания расширяется за счет того, что частота ждущего генератора высокочастотных импульсов выбирается независимо от величины емкости накопительного конденсатора и индуктивности первичной обмотки высоковольтного трансформатора, с ростом частоты уменьшается задержка начала искрового разряда по отношению к переднему фронту сигнала датчика момента зажигания. В предлагаемом устройстве ток заряда накопительного конденсатора не проходит через индуктивность он соединен непосредственно с минусовой клеммой аккумуляторной батареи, скорость заряда накопительного конденсатора определяется только возможностями повышающего преобразователя напряжения. Уменьшение задержки искрового разряда и увеличение скорости заряда накопительного конденсатора решают задачу расширения области применения коммутатора на двигателе с более высокими оборотами. Уменьшение необходимой индуктивности первичной обмотки высоковольтного трансформатора с ростом частоты ждущего генератора импульсов позволяет уменьшить число витков первичной обмотки и число витков вторичной обмотки при сохранении коэффициента трансформации, уменьшить сечения и габаритные размеры магнитопровода высоковольтного трансформатора. Кроме того, снижаются габариты и масса коммутатора за счет меньшего числа элементов при его технической реализации. Так решается задача уменьшения габаритов и массы системы зажигания в целом.

Снижение потерь энергии достигается за счет того, что в номинальном режиме, например при работе двигателя и зарядке аккумулятора от генератора, накопительный конденсатор заряжается через второй диод, повышающий преобразователь напряжения автоматически отключен через стабилитрон, потери энергии минимальны и равны потерям на втором диоде. При пуске двигателя, когда напряжение на клеммах аккумуляторной батареи ниже нижней границы напряжения при работающем двигателе, стабилитрон закрыт, автоматически включается повышающий преобразователь напряжения и заряжает накопительный конденсатор до верхней границы напряжения на клеммах аккумуляторной батареи при работающем двигателе. При этом потери в повышающем преобразователе напряжения больше, чем на втором диоде, однако этот режим кратковременный и составляет в заявляемом устройстве всего несколько процентов от общего времени работы системы зажигания. В устройстве-прототипе повышающий преобразователь напряжения работает в течение всего времени работы системы зажигания, и потому суммарные потери в предлагаемом коммутаторе существенно меньше, чем в устройстве-прототипе. Поскольку потери энергии в коммутаторе идут на нагрев элементов, снижение потерь автоматически приводит к повышению надежности элементов схемы и коммутатора в целом.

Таким образом, поставленные цели изобретения решаются предлагаемыми изменениями и дополнениями коммутатора и предлагаемыми режимами его работы.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема системы зажигания, обозначения на чертеже следующие:

1 - коммутатор системы зажигания двигателя внутреннего сгорания;

2 - повышающий преобразователь напряжения;

3 - аккумуляторная батарея;

4 - накопительный конденсатор;

5 - выпрямитель;

6 - ключ;

7 - транзистор;

8 - высоковольтный трансформатор;

9 - схема управления;

10 - датчик момента зажигания;

11 - формирователь импульса управления;

12 - ждущий генератор высокочастотных импульсов;

13 - второй диод;

14 - стабилитрон;

15 - резистор;

16 - резистор;

17 - первичная обмотка высоковольтного трансформатора;

18 - вторичная обмотка высоковольтного трансформатора.

Коммутатор системы зажигания двигателя внутреннего сгорания (1) содержит: соединенные последовательно повышающий преобразователь напряжения (2), выпрямитель (5) и накопительный конденсатор (4), соединенный минусовым выводом с минусовой клеммой аккумуляторной батареи (3). Между плюсовым выводом накопительного конденсатора (4) и минусовой клеммой аккумуляторной батареи (3) включены последовательно резисторы (15) и (16), точка соединения которых подключена ко входу отрицательной обратной связи по напряжению повышающего преобразователя напряжения (2), к этому же входу подключен стабилитрон (14) с симметричной вольт-амперной характеристикой, второй вывод которого соединен с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи; параллельно преобразователю (2) и выпрямителю (5) подключен второй диод (13) плюсовым выводом к плюсовой клемме аккумуляторной батареи, минусовым выводом к плюсовому выводу накопительного конденсатора (4) и ко второму выходу коммутатора (1), выход датчика момента зажигания (10) соединен со входом схемы управления (9), выход которой соединен со входом ключа (6), схема управления содержит последовательно соединенные формирователь импульса управления (11) и ждущий генератор высокочастотных импульсов (12), ключ (6) выполнен на транзисторе (7), коллектор которого соединен с первым выходом коммутатора (1), входом ключа служит вывод базы транзистора (7), а его эмиттер соединен с минусовой клеммой аккумуляторной батареи (3); первый и второй выходы коммутатора (1) соединены с первым и вторым выводами первичной обмотки (17) высоковольтного трансформатора (8).

Устройство работает следующим образом. При подключении к коммутатору (1) плюсовой клеммы аккумуляторной батареи (3), при постоянно подключенной минусовой клемме накопительный конденсатор (4) заряжается через второй диод (13) до напряжения аккумуляторной батареи либо через повышающий преобразователь напряжения (2) и выпрямитель (5) до напряжения стабилизации повышающего преобразователя напряжения (2) по цепи отрицательной обратной связи на резисторах (15) и (16), равного верхнему значению напряжения на накопительном конденсаторе. Включение повышающего преобразователя напряжения (2) происходит при запирании стабилитрона (14), когда напряжение на аккумуляторной батарее (3) становится меньше суммы нижнего значения напряжения на накопительном конденсаторе (4) и падения напряжения на втором диоде (13). Когда напряжение на аккумуляторной батарее (3) больше этой суммы, стабилитрон (14) открыт и повышающей преобразователь напряжения (2) выключен, зарядка накопительного конденсатора идет через второй диод (13). При поступлении импульса напряжения с датчика момента зажигания (10) схема управления вырабатывает по его переднему фронту импульс управления на схеме (11), который заполняется высокочастотными импульсами на ждущем генераторе (12). Длительность импульса управления равна заданной длительности искрового разряда. Высокочастотные импульсы открывают и закрывают транзистор (7), в коллектор которого включена первичная обмотка (17) высоковольтного трансформатора (8), запитанная от плюсового выхода накопительного конденсатора (4). При открытом транзисторе во вторичную обмотку (18) высоковольтного трансформатора (8) трансформируется напряжение накопительного конденсатора (4), а при запирании транзистора на первичной обмотке высоковольтного трансформатора (8) возникает высоковольтный выброс напряжения, который трансформируется во вторичную обмотку (18) высоковольтного трансформатора (8). Первый высоковольтный выброс производит ударную ионизацию топливно-воздушной смеси, все последующие импульсы поддерживают тлеющий разряд между электродами свечи зажигания, подключенной к выводам вторичной обмотки (18) высоковольтного трансформатора.

По предложенной схеме изобретения изготовлены и испытаны опытные образцы коммутатора и системы зажигания в целом для автомобиля с напряжением аккумуляторной батареи 12 В, генератором и выпрямителем для зарядки аккумуляторной батареи при работе автомобильного двигателя. Схема выполнена на следующих элементах: преобразователь напряжения (2) на микросхеме МС34063, формирователь импульса управления (11) на микросхеме К561ТЛ1, ждущий генератор высокочастотных импульсов (12) на микросхеме 1R2153, первый (5) и второй (13) диоды 1N5819, транзистор (7) IRFP264, стабилитрон КС213. Частота импульсов генератора (12) равна 40 кГц, порог отпирания стабилитрона (14) равен 13 В, напряжение стабилизации преобразователя (2) равно 15В, длительность искрового разряда 1,2 мс, время зарядки накопительного конденсатора (4) через второй диод (13) не более 3 мс, от повышающего преобразователя напряжения (2) не более 10 мс.

Схема обеспечивает задержку искрового разряда по отношению к переднему фронту сигнала датчика момента зажигания (10) на полпериода высокочастотных импульсов или 12,5 мкс, что эквивалентно 0,225° при 3000 об/мин и 0,45° при 6000 об/мин. Это меньше задержки в существующих системах зажигания в 2 раза. По этому параметру и времени зарядки конденсатора (4) устройство может применяться на высокооборотных двигателях вплоть до 12000 об/мин. При энергии искрового разряда 60 мДж, напряжении на клеммах аккумуляторной батареи 13,5 В система зажигания потребляет ток 0,55 А при частоте искрообразования 100 Гц и имеет, таким образом, КПД 81% против 20-30% в применяемых на сегодня системах зажигания. Температура корпуса силового транзистора (7) в нормальных условиях не превышает 40°С. Габариты коммутатора (1) вместе с высоковольтным трансформатором (8) (120×72×38) мм, масса 400 г, в то время как масса катушки зажигания (8) и коммутатора (1) в существующих системах зажигания превышают в сумме 1000 г. Повышающий преобразователь напряжения обеспечивает нормальную работу системы зажигания до 3000 об/мин двигателя, что позволяет ехать на автомобиле в штатном режиме в случае отказа генератора или регулятора напряжения. При этом КПД системы зажигания составляет не менее 65%.