Пристрій плазмового запалення для двигунів внутрішнього згоряння

Изобретение относится к системам электронного зажигания и может быть использовано для двигателей внутреннего сгорания. Известно устройство системы зажигания [1], содержащее устройство синхронизации зажигания, осциллятор, коммутатор, несколько высоковольтных генераторов, несколько свечей зажигания. Это устройство формирует высоковольтный сигнал зажигания переменного тока, который подается на свечи зажигания в соответствии с сигналами синхронизации. Это устройство не позволяет получить низкий уровень радиопомех, так как, выходной высоковольтный сигнал имеет несинусоидальную форму. Наиболее близким по технической сущности является устройство плазменного зажигания с электронным управлением для двигателей внутреннего сгорания [2], по одной свече зажигания для каждого цилиндра двигателя, чувствительные элементы для текущего контроля за вращением ведущего вала двигателя, множество катушек, каждая из которых имеет первичную обмотку и вторичную обмотку, которая соединена с соответствующей свечой зажигания, множество высокочастотных генераторов электрического тока, каждый из которых соединен с первичной обмоткой соответствующей катушки, электронные средства управления для возбуждения каждого из высокочастотных генераторов электрического тока в соответствии с фазой горения между электродами подключенной свечи зажигания, каждая из названных катушек включает в себя вспомогательную обмотку, магнитно-соединенную со вторичной обмоткой для создания сигнала соответствующего сопротивлению между электродами подключенной свечи зажигания, содержит также последовательно соединенные датчик оборотов, формирователь импульсов и одновибратор, выход и второй вход которого соединены соответственно со входом и первым выходом регулятора опережения, второй выход которого соединен со входом распределителя импульсов, второй вход которого соединен с выходом блока пуска, задающий генератор, блок усиления, состоящий из четырех усилителей, каждый из которых имеет два входа управления и содержит два транзистора, блок преобразования напряжения, состоящий из четырех трансформаторов, каждый из которых одним выводом вторичной обмотки подключен к соответствующей свече зажигания, вторым - к общему выводу источника питания, а первичной обмоткой - к выходу одного из усилителей. Недостатками прототипа являются высокий уровень радиопомех, вследствие несинусоидальности, формы выходного сигнала и невысокая его надежность, связанная со сложной конструкцией ряда блоков. Задача изобретения - повышение надежности работы и снижение уровня радиопомех. Изобретение позволяет за счет включения усилителей по мостовой схеме повысить напряжение сигнала в первичных обмотках трансформаторов до двойного значения напряжения источника питания, использование явления резонанса напряжений позволяет получить выходные напряжения синусоидальной формы с высокой стабильностью при изменении напряжения источника питания, повысить коэффициент эксплуатационной надежности устройства. При синусоидальной форме сигнала значения амплитуд его высши х гармонических составляющих значительно снижаются. Поставленная задача решается тем, что устройство плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания, содержащее последовательно соединенные датчик оборотов, формирователь импульсов и одновибратор, выход и второй вход которого соединены соответственно со входом и первым выходом регулятора опережения, второй выход которого соединен со входом распределителя импульсов, второй вход которого соединен с выходом блока пуска, задающий генератор, блок усиления, состоящий из четырех усилителей, каждый из которых имеет два входа управления и содержит два транзистора, блок преобразования напряжения, состоящий из четырех трансформаторов, каждый из которых одним выводом вторичной обмотки подключен к соответствующей свече зажигания, вторым - к общему выводу источника питания, а первичной обмоткой - к выходу одного из усилителей. Согласно изобретению, устройство снабжено блоком управления, а транзисторы каждого из усилителей имеют противоположные проводимости, причем первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и каждая из них одним из выводов подключена к точке соединения эмиттеров транзисторов одного из усилителей, коллекторы каждого из транзисторов обратной проводимости подключены к положительному выводу источника питания, коллекторы транзисторов прямой проводимости - к общему выводу источника питания, а базы всех транзисторов соединены с выходами блока управления, первые четыре входа которого подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, а пятый - к выходу задающего генератора. Блок управления содержит инвертор, восемь элементов И, четыре элемента ИЛИ-НЕ, четыре элемента ИЛИ, четыре ключевых элемента, первые входы которых соединены с выходами соответствующи х элементов ИЛИ, вторые входы с выходами соответствующи х элементов ИЛИ-НЕ, а третьи и четвертые - с шинами питания блока, каждые два выхода ключевых элементов соединены соответственно с восьмью выходами блока, к первому входу которого подключены входы первого, второго элементов ИЛИ-НЕ и входы первого и четвертого элементов И, выходы которых соединены соответственно со входами первого и второго элементов ИЛИ, ко второму входу подключены вторые входы второго, третьего элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы третьего и шестого элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами второго и третьего элементов ИЛИ, к третьему входу подключены первые входы третьего, четвертого элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы пятого и восьмого элементов И, выходы которых соединены соответственно со входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, к четвертому входы подключены вторые входы первого, четвертого элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы второго и седьмого элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами первого и четвертого элементов ИЛИ, к пятому входу подключены первые входы третьего, пятого, седьмого элементов И и второй вход первого элемента И, а через инвертор подключены первые входы второго, шестого, восьмого элементов И и второй вход четвертого элемента И. Это устройство позволяет работать с минимальным уровнем радиопомех при высокой стабильности выходного напряжения за счет работы на частоте резонанса напряжений и повысить его надежность. Использование явления резонанса напряжений позволяет получить на выходе каждого трансформатора напряжение синусоидальной формы с высокой стабильностью при изменении напряжения источника питания. При синусоидальной форме сигнала значения амплитуд его высши х гармонических составляющих значительно снижаются. На фиг.1 представлена структурная схема устройства плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания; на фиг.2 электрическая схема блока управления; на фиг.3 - диаграммы сигналов на выходах отдельных элементов. В описании приняты обозначения Uin напряжения на n - выходе i-го элемента. Устройство плазменного зажигания для двигателей внутреннего сгорания (фиг.1), содержащее последовательно соединенные датчик оборотов 1, формирователь импульсов 2, одновибратор 3, регулятор опережения 4, распределитель импульсов 5, блок управления 6, блок усиления 7 с четырьмя усилителями, каждый из которых выполнен на двух транзисторах прямой и обратной проводимостей, блок преобразования напряжения 8, состоящий из четырех трансформаторов, а также блок пуска 9, задающий генератор 10, второй вход одновибратора 3 соединен со вторым выходом регулятора опережения 4, блок преобразования напряжения 8 четырьмя выходами 11 - 14 соединен с соответствующими свечами зажигания (на фиг.1 не показаны), четырьмя другими выходами 15 - 18, соединенными вместе, подключен к общей цепи источника питания E6, а первыми четырьмя входами 19 - 22 - с соответствующими выходами блока усиления 7, который четырьмя входами 23-26 соединен с источником питания E6. Все первичные обмотки четырех трансформаторов соединены последовательно и один вывод каждой из них подключен соответственно к четырем входам 19 22 блока преобразования напряжения 8, выходы 27 - 30 блока усиления 7, подключенные к коллекторам транзисторов 31 - 34 прямой проводимости, соединены с общей цепью источника питания E6, а выходы 19 - 22 подключены к, соединенным между собой, эмиттерам транзисторов 31 - 34 и 35 - 38, входы 39 - 42 подключены к базам транзисторов 31 - 34 прямой проводимости, входы 43 - 46 - к базам транзисторов 35 - 38 обратной проводимости, коллекторы которых соединены соответственно со входами 23 - 26 блока усиления 7, который входами 39 - 46 соединен с восьмью выходами блока управления 6, входы 47 - 50 которого соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов 5, а пятый вход 51 соединен с выходами задающего генератора 10. Кроме того, блок управления 6 (фиг.2) содержит инвертор 52, восемь 53 - 60 элементов И, четыре 61 - 64 элемента ИЛИ-НЕ, четыре 65 68 элемента ИЛИ, четыре 69 - 72 ключевых элемента, входы которых соединены с выходами элементов ИЛИ 65 - 68, вторые входы - с выходами элементов ИЛИ-НЕ 61 - 64, а третьи и четвертые - с шинами питания блока 6, выходы ключевых элементов 69 - 72 соединены соответственно с восьмью выходными выводами 43 - 46, 39 - 42 блока 6, к первому входному выводу 47 которого подключены входы первого 61, второго 62 элементов ИЛИ-НЕ и входы первого 53 и четвертого 56 элементов И, выходы которого соединены соответственно со входами первого 65 и второго 66 элементов ИЛИ, ко второму входному выводу 48 - вторые входы второго 62, третьего 63 элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы третьего 55 и шестого 58 элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами второго 66 и третьего 67 элементов ИЛИ, к третьему входному выводу 49 входы третьего 63, четвертого 64 элементов ИЛИНЕ и вторые входы пятого 57 и восьмого 60 элементов И, выходы которых соединены соответственно с входами третьего 67 и четвертого 68 элементов ИЛИ, к четвертому входному выводу 50 - вторые входы первого 61, четвертого 64 элементов ИЛИ-НЕ и вторые входы второго 54 и седьмого 59 элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами первого 65 и четвертого 68 элементов ИЛИ, к пятому входному выводу 51 - входы третьего 55, пятого 57, седьмого 59 элементов И и второй вход первого 53 элемента И, а через инвертор 52 подключены входы второго 54, шестого 58, восьмого 60 элементов И и второй вход четвертого 56 элемента И. Датчик оборотов 1 предназначен для получения сигналов при каждом его обороте. Может представлять собой диск, в котором имеются отверстия, для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя их два, смещенных на 180 градусов друг от друга. При этом диск кинематически связан непосредственно с коленчатым валом двигателя. Напротив зоны прохождения отверстий диска устанавливается с одной стороны светоизлучатель, а с другой фотоприемник сигналов. Формирователь импульсов 2 предназначен для формирования прямоугольных импульсов и может быть выполнен на усилителе-компараторе. Одновибратор 3 предназначен для получения импульсов определенной длительности и может быть выполнен с использованием аналогоцифровых элементов. Регулятор опережения 4 предназначен для получения выходных сигналов, фаза которых пропорциональна частоте входных и может быть выполнен с использованием преобразователя частота-напряжение и элементов цифровой техники. Распределитель импульсов 5 предназначен для получения четырех последовательностей импульсов из одной входной и может быть выполнен на логических элементах. Блок пуска 9 предназначен для включения питания, выдачи разрешающего сигнала при пуске устройства, индикации рабочего режима и др., может быть выполнен с использованием коммутирующей аппаратуры, элементов индикации и др. Задающий генератор 10 предназначен для формирования высокочастотного сигнала и может быть выполнен на логических элементах цифровой техники. Усилители блока усиления 7 предназначены для усиления входного сигнала по мощности и могут быть использованы на транзисторах разной проводимости. Трансформаторы блока преобразования напряжения 8 предназначены для получения высоковольтного напряжения. Они имеют класс изоляции обмоток, соответствующий их напряжению. Инвертор, элементы И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ блока управления 6 являются стандартными логическими элементами. Ключевые элементы 69 - 72 предназначены для переключения сигналов со входа элементов на их. вы ход и могут быть реализованы на интегральных микросхемах. В описании изобретения показан, пример реализации устройства для четырехцилиндрового четырехтактного двигателя, вообще устройство может быть реализовано для двигателя с любым количеством цилиндров. Для этого соответственно модифицируются распределитель импульсов 5, блок управления 6, блок усиления 7, блок преобразования напряжения 8, а также датчик оборотов 1. Устройство работает следующим образом. После подачи питания на устройство (цепи питания на фиг.1 не показаны) и выдачи разрешающего сигнала с блока пуска 9 оно готово к работе. Импульсы датчика оборотов 1 два за каждый оборот являются синхронизирующими для работы устройства, подаются через формирователь импульсов 2 на одновибратор 3. Формирователь импульсов 2 обеспечивает увеличение крутизны фронтов импульсов сигнала U1. Одновибратор 3 обеспечивает формирование импульсов, длительность которых определяется времязадающей RS цепью (на фиг.1 не показана). В качестве элемента R используется сопротивление транзистора, включенного во времязадающую цепь. При изменении входного напряжения на одном из электродов этого транзистора сопротивление его изменяется. Это напряжение подается с выхода регулятора опережения 4, который преобразует частоту следования входных импульсов сигнала U3 в пропорциональное ей напряжение U42. Для преобразования частоты в напряжение используются стандартные микросхемы. Импульсы сигнала U41 имеют фазу сигнала, привязанную к заднему фронту импульсов одновибратора 3, т.е. время задержки импульсов U3 и U41 равно длительности импульсов одновибратора и подаются на распределитель импульсов 5, который обеспечивает разделение входной последовательности импульсов на четыре. Первый импульс входной последовательности подается на первый выход распределителя импульсов 5, второй - на второй выход, третий - на третий выход, четвертый - на четвертый выход и далее цикл повторяется. Для этого используется счетчик-делитель частоты с дешифратором. Импульсы распределителя импульсов 5 и задающего генератора 10 подаются на блок управления 6, который обеспечивает выдачу импульсов на блок усиления 7 в определенные моменты времени в соответствии с фазами работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания (фиг.3). а также запирание транзисторов усилителей блока 7 при снятии сигналов распределителя импульсов 5. Сигналы на выходах элементов 65 - 68 ИЛИ, т.е. на информационных входа х ключевых элементов 69 - 72, связаны с сигналами на входах 47 - 51 блока управления 6 (фиг.2) такими зависимостями: а выходы элементов 61 - 64 ИЛИ-НЕ, т.е. управляющие входы ключевых элементов 69 - 72, - следующими зависимостями: Ключевые элементы характеристики: а) ключевой элемент 69 69 72 имеют б) ключевой элемент 70 в) ключевой элемент 71 г) ключевой элемент 72 Как видно из приведенных выражений импульсы задающего генератора 10 проходят на выходы блока управления 6 при разрешающем сигнале в виде нулевого уровня на управляющих входа х ключевых элементов 69 72. Высокочастотные импульсы с выходов 39 - 46 блока управления 6 подаются на блок усиления 7, который имеет четыре идентичных усилителя мощности, каждый из которых выполнен на транзисторах 31 - 34 прямой проводимости и транзисторах 35 - 38 обратной проводимости соответственно. Все транзисторы имеют высокий коэффициент усиления. Такая схема усилителей мощности позволяет усиливать входные сигналы во время всего периода их следования. Транзисторы усилителей мощности во время нерабочего периода запираются напряжениями 0 и E6, которые подаются через ключевые элементы 69 - 72 с выходов блока управления 6. Напряжением нулевого уровня запираются транзисторы 35 - 38 обратной проводимости, а положительным E6 - транзисторы 31 - 34 прямой проводимости. Порядок включения транзисторов определяется алгоритмом работы цилиндров двигателя (фиг.3). Нагр узкой усилителей мощности являются трансформаторы блока преобразования напряжения 8. Первичные обмотки трансформаторов подсоединены к эмиттерам транзисторов усилителей мощности, а между собой обмотки соединены последовательно, т.е. усилители мощности включены по двухтактной мостовой схеме, при которой напряжение сигнала в первичных обмотках трансформаторов имеет размах двойного значения напряжения источника питания. С выходов 11 - 14 вторичных обмоток трансформаторов снимается высоковольтное напряжение, которое подается на свечи зажигания, где генерируется и поддерживается электронная плазма, создаваемая пучком лучей высокоскоростных электронов, обладающая высоким нагревательным эффектом. Плазма поддерживается непрерывной на протяжении всего периода рабочего хода поршня, сигналы U11-U14 (фиг.3). Частота задающего генератора 10 устанавливается из условия резонанса напряжений в цепях вторичных обмоток трансформаторов блока 8. При этом первая гармоника тока в каждой цепи совпадает по фазе с полярностью напряжения источника питания, которым является ЭДС, подключенной в данное время вторичной обмотки. Использование явления резонанса напряжений позволяет получить на выходе каждого трансформатора напряжение синусоидальной формы с высокой стабильностью при изменении напряжения источника питания. При синусоидальной форме сигнала значения амплитуд его высши х гармонических составляющих значительно снижаются. Экспериментальные исследования предлагаемого устройства, проведенные на опытном образце с использованием автомобиля ВАЗ-2121, на протяжении трех лет эксплуатации показали его высокую надежность и работоспособность, а также то, что предложенное устройство по сравнению с прототипом позволяет повысить стабильность выходного напряжения на 5% при снижении напряжения аккумуляторной батареи автомобиля на 20% от номинального. Снижается уровень радиопомех за счет уменьшения амплитуд высши х гармонических составляющих основного выходного сигнала на 48 децибелл. Упрощается конструкция устройства и повышается его надежность за счет того, что нет необходимости в блоке гальванической развязки между блоком управления и блоком усиления, так как выходной сигнал усилителей снимается с эмиттерных повторителей, а напряжения на них не превышают значения источника питания. Радиаторы транзисторов прямой проводимости блока усиления могут непосредственно крепиться к корпусу автомобиля, что упрощает конструкцию, снижает габариты и повышает надежность устройства. Упрощается конструкция трансформаторов за счет уменьшения количества витков первичной обмотки в два раза. Использование в устройстве только одного задающего генератора также позволяет упростить конструкцию и повысить его надежность. В об щем коэффициент эксплуатационной надежности устройства повышается.