Система запалювання високої енергії

Система запалювання високої енергії, що містить джерело живлення, блок узгодження, перетворювач постійної напруги в постійну підвищену з гальванічною розв'язкою від джерела живлення та з позитивним і негативним вихідними виводами, до яких підключений ємнісний накопичувач енергії, перший конденсатор, перший і другий електронні ключі, діод, логічний елемент, що інвертує, котушку запалювання, резистивний датчик струму і чотири резистори; позитивний вихідний вивід перетворювача також з'єднаний з першим виводом другого електронного ключа; перший вивід першого конденсатора з'єднаний з першим виводом первинної обмотки котушки запалювання; перший вивід резистивного датчика струму й другий вивід першого електронного ключа підключені до загальної шини; вхід логічного інвертора з'єднаний з першим виводом першого резистора безпосередньо з плюсом джерела живлення - через третій резистор, яка відрізняється тим, що до неї уведені додатково N котушок запалювання і N електронних ключів, де N = Z (число циліндрів) - 1, мікропроцесорний контролер, формувач сигналів U 2 (19) 1 3 тійної напруги у підвищену постійну (ПППП) з гальванічною розв'язкою від джерела живлення та позитивним і негативним вихідними виводами, ємнісний накопичувач енергії, електронний ключ, логічний елемент 2АБО-НІ, формувач керуючих сигналів, формувач сигналів зворотного зв'язку, котушку запалювання, електромеханічний переривник, конденсатор, розподільник запалювання, свічі запалювання. У цій системі багаторазового іскроутворення під час кожного робочого такту первинний високовольтний імпульс на вторинній обмотці котушки запалювання формується за класичною схемою батарейної системи запалювання, а наступний процес багаторазового іскроутворення здійснюється шляхом підтримування незатухаючих коливань високої напруги підвищеної частоти на вторинній обмотці, що виникають при обміні електромагнітною енергією між первинною обмоткою котушки запалювання й конденсатором за допомогою періодичного підживлення коливального контуру, від ємнісного накопичувача, зарядженого до відносно невеликої (близько 100 В) напруги, через електронний ключ. Фаза включення електронного ключа встановлюється близької до оптимальної за допомогою формувача сигналу зворотного зв'язку. Система забезпечує більш повне згоряння палива й зниження токсичності вихлопних газів завдяки автоматичній підтримці частоти високовольтних коливань близької до резонансної у коливальному контурі, індуктивна складова якого безпосередньо корелюється в процесі горіння паливно-повітряної суміші при взаємодії плазми й електромагнітного поля навколо електродів свіч запалювання. Недоліками системи є: - властива класичним батарейним системам запалювання недостатня енергія ініціації первинного пробою іскрових проміжків у свічах запалювання й невелика крутизна фронту наростання високої напруги, через що у двигунах з підвищеним ступенем стиску можуть бути перебої іскроутворення; - низька надійність, властива системам з електромеханічними переривниками й розподільниками запалювання через підвищену чутливість до забруднення поверхонь контактів і ізоляторів у свічах та розподільнику запалювання; - обмежена область застосування, оскільки система непрацездатна на ДВЗ із підвищеним ступенем стиску, наприклад, на газових, і адаптована тільки до певних котушок запалювання з підвищеним опором первинної обмотки, що застосовуються у батарейних системах. Найбільш близькою за сукупністю ознак пропонованому винаходу є «Універсальна тиристорна система запалювання» (Патент РФ № 2019726 СІ, F 02Р 3/00), що обрана як прототип. Система містить ПППП із гальванічною розв'язкою від джерела живлення та позитивним й негативним вихідними виводами, ємнісний накопичувач енергії, конденсатор, прямий та інверсний електронні ключі, зворотний діод, логічний елемент, що інвертує, 2АБО-НІ, формувач керуючих 57928 4 сигналів, котушку запалювання, резистивний датчик струму, що диференціює RC- ланцюжок, що диференціює, чотири резистори й перемикач. У цій системі багаторазового іскроутворення під час кожного робочого такту первинний високовольтний імпульс на вторинній обмотці котушки запалювання формується як у класичній тиристорній системі запалювання, а наступний процес багаторазового іскроутворення здійснюється шляхом підтримування незатухаючих коливань високої напруги підвищеної частоти на вторинній обмотці котушки запалювання, що виникають при обміні електромагнітною енергією між первинною обмоткою котушки запалювання й конденсатором через включений прямий електронний ключ, за допомогою періодичного підживлення коливального контуру від ємнісного накопичувача через інверсний електронний ключ, під час якої прямий електронний ключ вимикається. Фаза перемикання електронних ключів встановлюється близькою до оптимальної за допомогою датчика сигналу зворотного зв'язку по струму в первинній обмотці котушки запалювання й логічного елемента, що інвертує. Система забезпечує більш повне згоряння палива й зниження токсичності вихлопних газів завдяки автоматичній підтримці частоти високовольтних коливань близької до резонансної в коливальному контурі, індуктивна складова якого безпосередньо корелюється в процесі горіння паливно-повітряної суміші при взаємодії плазми й електромагнітного поля навколо електродів свіч запалювання. Енергія первинного пробою іскрових проміжків свіч запалювання й крутизна фронту наростання високої напруги істотно збільшені для зниження ймовірності перебоїв іскроутворення при високих ступенях стиску. Надійність системи підвищена завдяки відсутності контактного переривника та малої чутливості тиристорних систем запалювання до забруднення ізоляторів свіч запалювання. Область застосування розширена завдяки можливості використання на ДВЗ із підвищеним ступенем стиску. Недоліками системи-прототипу є: - недостатня енергія первинного пробою іскрового проміжку через те, що. збільшення ємності конденсатора обмежується зниженням власної кутової частоти коливального контуру; - низька частота багаторазового іскроутворення через те, що ємність конденсатора вибирається в першу чергу за критерієм достатності енергії для гарантованого первинного пробою іскрових проміжків у свічах запалювання в умовах підвищеного ступеню стиску паливної суміші, а це приводить до надмірності величини ємності з погляду власної кутової частоти коливального контуру, зниженню частоти незатухаючих коливань, і відповідному зниженню ефективності системи; - велике споживання енергії через відсутність засобів стабілізації вихідної напруги ПППП і відповідної його надмірності при номінальній бортовій напрузі в порівнянні з його необхідним і достатнім значенням у режимі запуску при роботі стартера, а також не виправдано великої напруги підкачування енергії в коливальний контур і відсутності інших засобів активного обмеження величини струму 5 підкачування замість струмообмежуючих резисторів досить великої потужності, тоді як після первинного пробою іскрових проміжків свіч запалювання іони плазми навколо електродів свіч при досить високій частоті іскроутворення не встигають рекомбінувати і для підтримки безперервності іскроутворення потрібна напруга в кілька разів менше, ніж для ініціації первинного пробою іскрового проміжку; - к.к.д. перетворювача, що підвищує, низький через занадто великий коефіцієнт трансформації трансформатора, що повинен забезпечити досить високий коефіцієнт перетворення, особливо якщо враховувати нормативне зниження бортової напруги в пускових режимах (від 5В до, не менш, 400В). - надійність системи знижена через відсутність захисту від коротких замикань; - область застосування системи обмежена через її орієнтування на електромеханічний розподільник запалювання й відсутність засобів адаптації до сучасних котушок запалювання в системах з розподілом запалювання по стороні низької напруги. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення відомої універсальної тиристорної системи запалювання і створення системи запалювання високої енергії з підвищеними енергією первинного пробою іскрових проміжків і частотою багаторазового іскроутворення, меншим споживанням енергії, особливо в процесі генерації незатухаючих коливань у режимі багаторазового іскроутворення, зі збільшеним к.к.д. перетворювача, що підвищує, з підвищеною надійністю й розширеною областю застосування. Зазначена задача вирішується за рахунок того, що у відомій системі запалювання високої енергії, що містить джерело живлення, блок узгодження, перетворювач, постійної напруги в постійну підвищену з гальванічною розв'язкою від джерела живлення та з позитивним і негативним вихідними виводами, до яких підключений ємнісний накопичувач енергії, перший конденсатор, перший і другий електронні ключі, діод, логічний елемент, що інвертує, котушку запалювання, резистивний датчик струму і чотири резистори; позитивний вихідний вивід перетворювача також з'єднаний з першим виводом другого електронного ключа; перший вивід першого конденсатора з'єднаний з першим виводом первинної обмотки котушки запалювання; перший вивід резистивного датчика струму й другий вивід першого електронного ключа підключені до загальної шини; вхід логічного інвертора з'єднаний з першим виводом першого резистора безпосередньо з плюсом джерела живлення - через третій резистор, у відповідності до винахідницького задуму до неї уведені додатково N котушок запалювання і N електронних ключів, де N = Z (число циліндрів) - 1, мікропроцесорний контролер, формувач сигналів зворотного зв'язку у вигляді послідовно з'єднаних резистора й конденсатора, а також другий конденсатор; блок узгодження оснащений другим вихідним виводом і формує дві послідовності імпульсів: нульового відліку й кутових; підвищувальний перетворювач 57928 6 виконано стабілізованим і оснащено додатково другим вихідним виводом негативної подвоєної стабілізованої підвищеної напруги і двома входами керування, а його перший негативний вихідний вивід також з'єднаний з другим виводом першого резистора; перший вхід мікропроцесорного контролера підключений до точки з'єднання другого виводу другого електронного ключа і другого виводу резистивного датчика струму, його другий вхід підключений до виходу логічного інвертора, його третій вхід з'єднаний із другим вихідним виводом негативної подвоєної стабілізованої підвищеної напруги перетворювача через послідовні четвертий резистор і формувач сигналів зворотного зв'язку і плюсом джерела живлення - через другий резистор, його четвертий вхід з'єднаний з виходом сигналів нульового відліку блоку узгодження, його п'ятий вхід з'єднаний з виходом кутових імпульсів блоку узгодження; перший вихід мікропроцесорного контролера з'єднаний з керуючим входом другого електронного ключа, його другий і N наступних виходів з'єднані з керуючими входами першого і N електронних ключів відповідно, його N +1-ий й N +2-ий виходи з'єднані із входами управління перетворювача напруги; перші виводи всіх котушок запалювання з'єднані між собою та з другим вихідним негативним виводом перетворювача безпосередньо, а з його першим негативним виводом - через паралельні діод і перший конденсатор, і через другий конденсатор - із загальною шиною, до якої через перший і N додаткових електронних ключів також приєднані, відповідно, другі виводи всіх котушок запалювання. У порівнянні з прототипом система запалювання має такі відрізняльні ознаки: додатково введено N котушок запалювання і N електронних ключів, де N=Z (кількість циліндрів) 1, мікропроцесорний контролер (МПК), формувач сигналів зворотного зв'язку у вигляді послідовно з'єднаних резистора і конденсатора, а також другий конденсатор; блок узгодження оснащений другим вихідним виводом і формує дві послідовності імпульсів: нульового відліку і кутових; виконано перетворювач, що підвищує ПППП із відносно невеликою (наприклад, 200В) стабілізованою вихідною напругою й додатковим формуванням стабілізованої подвоєної підвищеної напруги (наприклад, 400В); здійснено поділ функцій ємнісних елементів таким чином, що перший і другий конденсатори паралельно заряджаються до подвоєної підвищеної напруги й разом беруть участь у процесі первинного пробою іскрового проміжку;другий конденсатор, ємність якого істотно менше ємності першого, бере участь у коливальному процесі обміну електромагнітною енергією з котушкою запалювання, а ємнісний накопичувач енергії підвищеної напруги великої ємності забезпечує підтримку незатухаючих коливань; забезпечено вибір величини ємності першого конденсатора за критерієм достатності енергії для гарантованого первинного пробою іскрових проміжків у свічах запалювання в умовах підвищеного ступеню стиску паливної суміші; забезпечено вибір величини ємності другого конденсатора за критеріями максимальної частоти й мінімального загасання коливань на первинній 7 обмотці котушки запалювання; здійснено за допомогою МПК загальну синхронізацію роботи системи таким чином, що кожний з ключів, що забезпечують розподіл запалювання по стороні низької напруги, у кожному робочому такті по черзі приєднує первинні обмотки котушок запалювання на час процесу багаторазового іскроутворення в даному циліндрі до з'єднаних паралельно за допомогою 2го ключа першому й другому конденсаторам, ініціюючи первинний пробій і виникнення загасаючих коливань після відключення 1-го ключа, які вже з наступного періоду підтримуються незатухаючими за допомогою періодичного підживлення коливального контуру струмом, що надходить від ємнісного накопичувача через 2-й ключ, фаза включення якого визначається МПК за інвертованими сигналами формувача сигналів зворотного зв'язку, а тривалість включення задається МПК за допомогою операції обмеження величини струму підживлення, вимірюваного за допомогою резистивного датчика струму, і, отже, обмеження по величині амплітуди незатухаючих коливань напруги на первинній обмотці котушки запалювання в процесі багаторазового іскроутворення після первинного пробою; МПК також по сигналах датчика струму захищає систему запалювання, відключаючи всі електронні ключі і перетворювач, що підвищує. Технічним результатом, що досягається при здійсненні винаходу, є: - збільшення ємності ємнісних елементів, що забезпечують підвищену енергію для первинного пробою іскрових проміжків, без зниження власної кутової частоти коливального контуру; - підвищення власної кутової частоти коливального контуру; - зниження споживання енергії за допомогою стабілізації підвищеної і подвоєної підвищеної напруг ПППП, і обмеження напруги й струму підживлення коливального контуру в режимі генерації незатухаючих коливань; - підвищення к.к.д. ПППП. - реалізація додаткової функції захисту від коротких замикань; - адаптація до котушок запалювання будь-яких типів у сучасних системах з розподілом запалювання на стороні низької напруги. На фіг. наведена функціональна схема пристрою. Пристрій містить перетворювач 1 постійної напруги в підвищену постійну з гальванічною розв'язкою від джерела живлення та з позитивним і першим негативним вихідним виводом підвищеної напруги, до яких приєднано ємнісний накопичувач 2 енергії, і другим негативним виводом подвоєної підвищеної напруги, що підключений до його першого виводу через паралельні перший конденсатор 3 і діод 4, до загальної шини - через другий конденсатор 5, а також через паралельні ланцюжки, що складаються, відповідно, із включених послідовно первинної обмотки 6 першої котушки запалювання й першого електронного ключа 7, первинної - обмотки 8 другої котушки запалювання й третього електронного ключа 9, первинної обмотки 10 N-ої котушки запалювання і N-гo електронного ключа 11, а також, відповідно, вторинної об 57928 8 мотки 12 першої котушки запалювання й першої свічі 13 запалювання, вторинної обмотки 14 другої котушки запалювання й другої свічі 15 запалювання, вторинної обмотки 16 N-ої котушки запалювання й N-ої свічі 17 запалювання, а до плюса джерела живлення - через послідовні формувач 18 сигналів зворотного зв'язку, четвертий 19 і другий 20 резистори; позитивний вихідний вивід перетворювача 1 з'єднаний із загальною шиною через послідовні другий електронний ключ 21 і резистивний датчик 22 струму; перший негативний вихідний вивід перетворювача 1 також з'єднаний з плюсом джерела живлення через послідовні перший резистор 23 і третій резистор 24, точка з'єднання яких також підключена до входу логічного елемента, що інвертує, 25; блок узгодження 26 з першим виходом сигналів нульового відліку (НВ) і другим виходом сигналів кутових імпульсів (КІ); мікропроцесорний контролер (МПК) 27, перший вхід 28 якого підключений до точки з'єднання ключа 21 і датчика 22 струму, другий його вхід 29 підключений до виходу інвертора 25, третій його вхід 30 з'єднаний із точкою з'єднання резисторів 19 й 20, четвертий його вхід 31 з'єднаний з першим виходом сигналів нульового відліку блоку 26 узгодження, п'ятий його вхід 32 з'єднаний із другим виходом кутових імпульсів блоку 26 узгодження; перший вихід 33 МПК 27 з'єднаний з керуючим входом ключа 21, другий його вихід 34 з'єднаний з керуючим входом ключа 7, третій його вихід 35 з'єднаний з керуючим входом ключа 9, N-ий його вихід 36 з'єднаний з керуючим входом N-гo ключа 11, N+1-ий його вихід 37 з'єднаний з першим керуючим входом перетворювача 1, a N+2-ий його вихід з'єднаний із другим керуючим входом перетворювача 1. У процесі роботи пристрою блок узгодження 26 такту є процеси генерації багатоканальною системою запалювання імпульсів запалювання і їхнього розподілу по циліндрах ДВЗ залежно від кутового положення колінчатого вала (KB) ДВЗ шляхом формування на його першому й другому виходах сигналів НВ й УІ, що надходять на 31 й 32 входи МПК 27, відповідно. Кожний з УІ визначає черговий момент запалювання у відповідному циліндрі, а імпульс НВ жорстко прив'язаний до першого циліндра, що дозволяє чітко синхронізувати багатоканальний процес іскроутворення в багатоциліндровому ДВЗ. МПК 27 синхронно з передніми фронтами УІ своїми сигналами на виходах 34, 35,...36 по черзі включає електронні ключі 7, 9,... 11, здійснюючи розподіл запалювання по стороні низької напруги котушок запалювання (КЗ) 6, 8,... 10 і нормує енергію іскор запалювання у свічах 13, 15,... 17, коректуючи тривалість іскрового розряду залежно від частоти обертання KB ДВЗ шляхом її скорочення у відповідності до росту частоти. У паузах між імпульсами запалювання МПК 27 сигналом на його першому виході 33 вмикає ключ 21 і генерує на своїх виходах 37 й 38 протифазні сигнали високої частоти, що управляють по першому й другому входах перетворювачем 1, який перетворює постійну напругу джерела живлення в постійну підвищену і подвоєну. Ємнісний накопичувач 2 і конденсатор 3 заряджаються перетворювачем 1 до підвищеної напруги (наприклад, до 200В кож 9 ний), а тому, що вони з'єднані послідовно, конденсатор 5 заряджається через ключ 21 до подвоєної напруги (наприклад, до - 400В). Коли підвищена напруга на накопичувачі 2 досягає заданої величини, сигнал зворотного зв'язку по цій напрузі, що знімається з виходу дільника напруги на резисторах 23, 24, стає нижче порога перемикання інвертора 25, на його виході встановлюється сигнал «1», що надходить на вхід 29 МПК 27, після чого він припиняє генерацію керуючих імпульсів на виходах 37 й 38, і вимикає ключ 21, а на першому й другому виходах перетворювача 1 до приходу команди на іскроутворення у вигляді чергового УІ підтримуються негативні напруги заданого рівня. Після надходження команди на іскроутворення (у вигляді УІ, що тактує) почати формування пачки іскор, процес розгортається у три етапи. На першому етапі ємнісної фази іскри запалювання МПК 27 сигналами на його виходах 33 і, наприклад, 34, одночасно вмикає ключі 21 й 7. Конденсатори 3 й 5, попередньо заряджені до подвоєної підвищеної напруги (наприклад, -400В), розряджаються на первинну обмотку 6 КЗ. При цьому на вторинній обмотці 12 КЗ формується імпульс високої напруги із крутим переднім фронтом, як у відомій тиристорній системі запалювання. Коли напруга цих конденсаторів у процесі розряду знижується до підвищеного (наприклад, -200В), до них паралельно підключається накопичувач енергії 2 великої ємності, і з його допомогою починається другий етап формування індуктивної фази іскри запалювання у вигляді процесу накопичування електромагнітної енергії в індуктивності первинної обмотки 6 КЗ шляхом збільшення струму, що протікає по ній, як у відомій транзисторній системі запалювання, але з тією відмінністю, що процес цей істотно скорочений за часом завдяки підвищеній напрузі. Розряджений конденсатор 3 виявляється закороченим прямим діодом 4. У цей час напрямок струму в обмотках 6, 12 КЗ і у проміжку іскрового розряду свічі 13 запалювання зберігається, як на першому етапі, за рахунок прямої трансформації енергії. Величину електромагнітної енергії, яка була накопичена в первинній обмотці 6 К3, МПК 27 обмежує на оптимальному рівні шляхом нормування амплітуди струму накопичення за допомогою сигналу зворотного зв'язку, що надходить від датчика 22 струму на його вхід 28. Після досягнення заданої величини струму МПК 27 вимикає ключ 21, напруги й струми обмоток 6 й 12 К3 реверсуються і далі змінюються, як у звичайній схемі коливального контуру, утвореного послідовним з'єднанням через ключ 7 конденсатора 5 і первинної обмотки 6 К3. На цьому закінчується другий етап формування іскри запалювання. Коли в процесі коливального обміну електромагнітною енергією між ємністю й індуктивністю напруга знову реверсується, МПК 27 57928 10 за допомогою формувача 18 сигналів зворотного зв'язку по зміцній напрузі підвищеної частоти фіксує цей стан за рівнем сигналу на його вході 30, обчислює оптимальні фази чергового вимикання ключа 21 і періодично підкачує порції енергії в коливальний контур, забезпечуючи, таким чином, незатухаючі резонансні високочастотні коливання. Так протікає третій заключний етап формування індуктивної фази іскри запалювання у вигляді високочастотного змінного струму. Цей етап може бути будь-якої тривалості, аж до безперервного горіння іскри, він закінчується із закінченням сигналу, що тактує, на виході 34 контролера 27, коли ключ 7 вимикається, а ключ 21 більше не вмикається. Підкачування енергії в коливальний контур припиняються, первинна обмотка 6 К3 від'єднується ключем 7 від джерела підвищеної напруги й від конденсатора 5. Коливання загасають. Іскроутворення припиняється. Після надходження наступного УІ описаний вище процес формування іскри запалювання повторюється, але в ньому бере участь наступний ключ 9, друга котушка запалювання з обмотками 8, 14 і свіча 15, і т.д. Інформація про величину струму в первинних обмотках КЗ, що надходить від датчика 22 струму, також використовується МПК 27 для контролю аварійних режимів з перевантаженням по струму й реалізації функції захисту. Швидкодіюча схема захисту надійно захищає систему запалювання від металевих коротких замикань на виводах первинних обмоток котушок замикання й автоматично відключає всі ключі й підвищувальний перетворювач 1 напруги. Пропонований пристрій у порівнянні з устроємпрототипом має наступні переваги: - забезпечує гарантовану безперебійність запалювання в умовах підвищеного ступеню стиску шляхом збільшення енергії ємнісної фази запалювання на першому етапі первинного пробою іскрового проміжку; - забезпечує збільшення ефективності індуктивної фази запалювання й терміну служби свіч запалювання шляхом підвищення частоти багаторазового іскроутворення; - забезпечує скорочене споживання енергії за рахунок стабілізації вихідної напруги ПППП і обмеження напруги і струму підживлення коливального контуру;. - має підвищений к.к.д. ПППП за рахунок зменшення коефіцієнта трансформації трансформатора; - підвищену надійність за рахунок ефективної системи захисту від коротких замикань; - має розширену область застосування завдяки адаптації до котушок запалювання будь-яких типів у сучасних системах з розподілом запалювання на стороні низької напруги. 11 Комп’ютерна верстка М. Мацело 57928 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601