Електронна система запалювання

1. Электронная система зажигания, со держащая источник питания, минусовый вы ход которого соединен с общей шиной, двухтактный транзисторный инвертор на пряжения, первый и второй выводы вторич ной обмотки трансформатора которого являются выходами инвертора и подключе ны к соответствующим входам выпрямите ля, тиристор, катод которого соединен с общей шиной и первым выходом выпрями теля, а анод - со вторым выходом выпрями теля, накопительный конденсатор и первичную обмотку катушки зажигания, по следовательно соединенные и включенные параллельно тиристору, и блок управления, первый выход которого соединен с управля ющим входом тиристора, а второй - с общей шиной, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, в нее введены катушка индуктивности, первый конденсатор и два устройства контроля, причем один вывод катушки индуктивности соединен с плюсовым выходом источника питания, а другой - со вторым входом инвертора и одним из выводов первого конденсатора, другой вывод которого подключен \ общей шине, первый и второй входы первого блока контроля подключены параллельно источнику питания, а выход соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с выходом второго блока контроля, первый и второй входы которого подключены параллельно тиристору, первые вход и выход инвертора подключены к общей шине. 2. Электронная система зажигания по п. 1,отличающая с я тем, что двухтактный транзисторный инвертор напряжения содержит выполненную из соединенных согласно первой, второй,третьей и четвертой частей первичную обмотку трансформатора, причем средняя точка первичной обмотки является вторым входом инвертора, первый и второй транзисторы, эмиттеры которых соединены соответственно с концом первой и третьей частей первичной обмотки трансформатора, коллекторы соединены с общей шиной непосредственно, а базы соединены с общей шиной соответственно через первый и второй резисторы смещения, первый и второй диоды, соединенные встречно-последовательно и включенные между базами первого и второго транзисторов, стабилитрон, включенный между общей точкой первого и второго диодов и средней точкой первичной обмотки трансформатора, две цепи развязки, причем первая цепь развязки состоит из параллельно соединенных первого резистора и третьего диода и подключена к базе первого транзистора и через первый резистор ограничения тока возбуждения транзистора - к началу первой части первичной обмотки трансформатора, а вторая цепь развязки состоит из параллельно С > ел ю О 5722 соединенных второго резистора и четвертого диода и подключена к базе второго транзистора и через второй резистор ограничения тока возбуждения транзистора - к концу четвертой части первичной обмотки трансформатора. 3. Электронная система зажигания по пп.1, 2, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что Изобретение относится к систетм за жигания преимущественно для двигателей внутреннего сгорания, а именно, к электрон ным системам зажигания с накоплением энергии в конденсаторе. 5 Известна электронная система зажигания [1], содержащая источник питания, двухтактный транзисторный инвертор напряжения, выход которого соединен с выпрямителем, накопительный конденсатор, 10 включенный между выпрямителем и первичной обмоткой катушки зажигания, тиристор, включенный параллельно выходу выпрямителя, блок управления тиристором, а также две последовательно соединенные RC-цепи, 15 включенные параллельно выходу выпрямителя, причем параллельно каждому резистору RC-цепей подсоединены диоды в прямом направлении, а точка соединения конденсатора одной RC-цепи с резистором другой 20 RC-цепи подключена к одному из выходов инвертора напряжения. Описанная система зажигания имеет низкий КПД из-за высокой тепловой мощности рассеивания на элементах инвертора на- 25 пряжения при работе последнего в режиме короткого замыкания при открытом тиристоре и в режиме ограничения тока при заряде накопительного конденсатора. Кроме того, эта система имеет низкую надежность, так 30 как она не обеспечивает стабилизацию напряжения заряда накопительного конденсатора при холодном пуске двигателя в экстремальных условиях - при просадке напряжения на аккумуляторной батарее до 4 В. 35 Известна также электронная система зажигания [2], содержащая источник питания, двухтактный транзисторный инвертор напряжения, выход которого соединен с выпрямителем, последовательно соединенные 40 накопительный конденсатор и первичную обмотку катушки зажигания, параллельно которым подключен тиристор с блоком управления, а также две RC-цепи с диодами, подключенными параллельно их резисто- 45 рам, первая из которых соединена с положи выпрямитель выполнен в виде последовательно соединенных пятого и шестого диодов, к средней точке которых подключен один вывод второго конденсатора, другой вывод которого является вторым входом выпрямителя, анод пятого диода подключен к первым входу и выходу выпрямителя, катод шестого диода - ко второму выходу выпрямителя. тельным полюсом выпрямителя и первым выходом инвертора, а конденсатор второй подключен к его отрицательному полюсу, диод, включенный в прямом направлении между точкой соединения положительного полюса выпрямителя с точкой соединения накопительного, конденсатора и тиристора, причем резистор второй RC-цепи соединен со вторым выходом инвертора. Указанная система зажигания имеет низкий КПД, обусловленный высокой тепловой мощностью рассеивания на элементах инвертора из-за ограничения тока при заряде накопительного конденсатора и при открытом тиристоре внутренним сопротивлением инвертора. Эта система имеет также низкую надежность, так как при запуске двигателя в экстремальных условиях при посадке напряжения сети до 4 В, напряжение на выходе выпрямителя, равное утроенной амплитуде выходного напряжения инвертора, не достигает номинального напряжения, так как это возможно лишь при питании инвертора напряжением не менее 5 В. Мощность искры уменьшается в квадратичной зависимости от напряжения на выходе выпрямителя. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту является электронная система зажигания, описанная в [3], выбранная в качестве прототипа. Указанная система зажигания содержит источник питания, двухтактный транзисторный инвертор напряжения с трансформатором, вторичная обмотка которого соединена с входами выпрямителя, тиристор, анод и катод которого соединены с выходами выпрямителя, последовательно соединенные накопительный конденсатор и первичную обмотку катушки зажигания, параллельно подключенные к тиристору, блок управления, а также последовательно соединенные дополнительную вторичную обмотку трансформатора, развязывающий диод и резистор, включенные между вторым выводом вторичной обмотки трансформатора инвер 5722 тора и точкой соединения второго вывода выпрямителя с выводом первичной обмотки катушки зажигания. Система-прототип имеет низкий КПД, что обусловлено работой инвертора напря- 5 жения в режиме короткого замыкания при открытом тиристоре и работой инвертора напряжения на емкостную нагрузку выпрямителя (накопительный конденсатор). Работа на емкостную нагрузку характерна 10 ограничением тока заряда накопительного конденсатора внутренним сопротивлением инвертора, т.е. максимальным выделением тепловой мощности рассеивания на транзисторах инвертора в связи с тем, что транзи- 15 сторы переходят в режим ограничения тока за счет падения на них напряжения. Кроме того, в нормальном режиме работы системы зажигания напряжение на дополнительной обмотке не участвует в заряде накопитель- 20 ного конденсатора, однако его величина будет превышать величину напряжения на основной обмотке не менее, чем в 2,5 раза и в реальных условиях будет составлять 1200 В и более при напряжении на основной 25 обмотке, равном 400 В. Указанные величины напряжения при относительно высокой рабочей частоте инвертора (более 500 Гц) требуют принятия специальных мер по обеспечению надежности изоляции допол- 30 нительной обмотки. Снижению надежности способствует также большое количество элементов в высоковольтной части системы. Задача изобретения заключается в уве- 35 личении КПД системы зажигания путем ог раничения тока короткого замыкания инвертора при открытом тиристоре и сохра нении ключевого режима работы транзисто ров. 40 Решение задачи заключается в том, что в электронную систему зажигания, содержащую источник питания, минусовый выход которого соединен с общей шиной/ двухтактный транзисторный инвертор на- 45 пряжения, первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора которого являются выходами инвертора и подключены к соответствующим входам выпрямителя, тиристор, катод которого соединен с 50 общей шиной и первым выходом выпрямителя, а анод - со вторым выходом выпрямителя, накопительный конденсатор и первичную обмотку катушки зажигания, последовательно соединенные и включенные 55 параллельно тиристору, и блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом тиристора, а второй - с общей шиной, согласно изобретению введены катушка индуктивности, первый конденсатор и два устройства контроля, причем один вывод катушки индуктивности соединен с плюсовым выходом источника питания, а другой со вторым входом инвертора и одним из выводов первого конденсатора, другой вывод которого подключен к общей шине, первый и второй входы первого блока контроля подключены параллельно источнику питания, а выход соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с выходом второго блока контроля, первый и второй входы которого подключены параллельно тиристору, первые вход и выход инвертора подключены к общей шине. Двухтактный транзисторный инвертор напряжения содержит выполненную из соединенных согласно первой, второй, третьей и четвертой частей первичную O6MOTKV; трансформатора, причем средняя точка первичной обмотки является вторым входом инвертора, первый и второй транзисторы, эмиттеры которых соединены соответственно с концом первой и третьей частей первичной обмотки трансформатора, коллекторы соединены с общей шиной непосредственно, а базы соединены с общей шиной соответственно через первый и второй резисторы смещения, первый и второй диоды, соединенные встречно последовательно и включенные между базами первого и второго транзисторов, стабилитрон, включенный между общей точкой первого и второго диодов и средней точкой первичной обмотки трансформатора, две цепи развязки, причем первая цепь развязки состоит из параллельно соединенных первого резистора и третьего диода и подключена к базе первого транзистора и через первый резистор ограничения тока возбуждения транзистора к началу первой части первичной обмотки трансформатора, а вторая цепь развязки состоит из параллельно соединенных второго резистора и четвертого диода и подключена к базе второго транзистора и через второй резистор ограничения тока возбуждения транзистора к концу четвертой части первичной обмотки трансформатора. Выпрямитель выполнен в виде последовательно соединенных пятого и шестого диодов, к средней точке которых подключен один вывод второго конденсатора, другой вывод которого является вторым входом выпрямителя, анод пятого диода подключен к первому входу и выходу выпрямителя, катод шестого диода - ко второму выходу выпрямителя. Благодаря тому, что в систему введены катушка индуктивности, включенная в цепь питания инвертора, конденсатор, подклю 5722 ченный параллельно шинам питания инвертора между катушкой индуктивности и инвертором, уменьшается тепловая мощность рассеивания на транзисторах инвертора путем ограничения тока короткого замыкания инвертора при открытом тиристоре, ограничения тока заряда накопительного конденсатора элементами колебательного контура, образующегося из индуктивности, включенной в цепь питания инвертора, и приведенной ко входу инвертора емкости конденсатора выпрямителя, и сохранения ключевого режима работы транзисторов инвертора. В результате этого увеличивается КПД системы. При этом также обеспечивается необходимая величина напряжения заряда накопительного конденсатора при глубокой просадке напряжения источника питания бортовой сети, в момент запуска двигателя путем искусственного увеличения коммутационных всплесков напряжения на выходе инвертора до необходимой величины за счет катушки индуктивности, введенной в цепь питания инвертора. Максимальная амплитуда всплесков определяется емкостью конденсатора, подключенного параллельно шинам питания между катушкой индуктивности и инвертором. Этим обеспечивается повышение надежности запуска двигателя в экстремальных условиях. Кроме того, катушка индуктивности и конденсатор, введенные в электронную систему как указано выше, выполняют роль фильтра, гасящего коммутационные всплески напряжения бортовой сети, которые могут достигать 150 В, что повышает надежность системы. Введение в систему первого устройства контроля, подключенного входами параллельно источнику питания, а выходом - к первому входу блока управления, исключает возможность работы системы при аварийно завышенном напряжении источника питания, что повышает надежность системы. Введение в систему второго устройства контроля, подключенного входами параллельно тиристору, а выходом - ко второму входу блока управления, в режиме запуска двигателя обеспечивает формирование мощности искры не ниже номинального значения путем пропуска очередного цикла искрообразования, что приводит к повышению надежности запуска двигателя в экстремальных условиях. Введение в инвертор электронной сис темы зажигания дополнительно двух дио дов, . соединенных встречно последовательно между собой и включен ных между базами транзисторов в прямом 8 направлении тока возбуждения транзисторов, стабилитрона, включенного в обратном направлении тока возбуждения транзисторов между общей точкой диодов и 5 средней точкой первичной обмотки трансформатора, ограничивает амплитуду всплесков напряжения на первичной обмотке трансформатора и тем самым повышает надежность работы трансформатора и высоко10 вольтной части системы зажигания при номинальном значении напряжения источника питания бортовой сети. Введение двух цепей развязки, каждая из которых включена между базой транзи15 стора и резистором ограничения тока возбуждения транзистора и содержит резистор и параллельно подсоединенный к нему диод, включенный в прямом направлении тока возбуждения транзистора, уменьшает теп20 ловую мощность рассеивания на резисторах смещения и резисторах ограничения тока возбуждения путем уменьшения величины тока, протекающего через резисторы смещения и ограничения. Возникающий эффект 25 достигается тем, что напряжение смещения снимается с точки соединения резистора смещения и цепи развязки, при этом величина сопротивления резистора цепи развязки гораздо больше, чем сопротивление 30 перехода база-эмиттер транзистора и практически весь ток, протекающий через резистор смещения проходит через переход база-эмиттер транзистора. При работе инвертора ток возбуждения в базу транзисто35 ра проходит через диод цепи развязки, который шунтирует большое сопротивление резистора цепи развязки для тока возбуждения. Небольшое запирающее напряжение в базе запираемого транзистора создается 40 соотношением сопротивлений резисторов смещения и резисторов цепи развязки, которое должно определяться соотношением величины напряжения питания и напряжения возбуждения. Введение цепей развязки 45 позволяет увеличить КПД системы. Выполнение выпрямителя по однополупериодной схеме удвоения напряжения позволяет снизить в два раза выходное напряжение и соответственно количество 50 витков вторичной обмотки трансформатора инвертора, что приводит не только к повышению надежности, но и к снижению трудоемкости изготовления. На фиг.1 представлена схема электрон55 ной системы зажигания, на фиг.2 - электрическая схема инвертора; на фиг.З электрическая схема выпрямителя. Электронная система зажигания содержит источник питания 1, двухтактный транзисторный инвертор напряжения 2 с 5722 трансформатором, имеющим первичную 3 обмотку и вторичную 4 обмотку, первый и второй выводы которой являются выходом инвертора и первый выход которой, а также первый вход инвертора соединены с общей 5 шиной, выпрямитель 5, первый и второй вхо ды которого соединены с выходом инверто ра, тиристор б, катод и анод которого соединены, соответственно, с общей шиной и первым выходом выпрямителя 5 и со вто- 10 рым выходом выпрямителя 5, соединенные последовательно накопительный конденса тор 7 и первичная обмотка 8 катушки зажи гания, которые подключены параллельно тиристору 6, блок управления 9, первый вы- 15 ход которого соединен с управляющим вхо дом тиристора б, а второй - с общей шиной, катушку индуктивности 10, один вывод кото рой соединен с плюсовым выходом источни ка питания 1, а другой - со вторым входом 20 инвертора 2 и одним выводом первого кон денсатора 11, другой вывод которого соеди нен с общей шиной, первый и второй блоки контроля 12, 13, первый из которых двумя входами подключен параллельно источнику 25 питания 1, а выходом - к первому входу блока управления 9, а второй блок контроля подключен двумя входами параллельно ти ристору 6, а выходом - ко второму входу блока управления 9. 30 Двухтактный транзисторный инвертор напряжения 2 содержит трансформатор, первичная обмотка 3 которого состоит из первой, второй, третьей и четвертой частей, соединенных согласно, а средняя точка пер- 35 вичной обмотки является вторым входом инвертора. Инвертор 2 содержит также первый и второй транзисторы 14, 15, эмиттеры которых соединены соответственно с концом первой и третьей частей первичной обмотки 40 трансформатора, коллекторы соединены с общей шиной непосредственно, а базы соединены с общей шиной соответственно через первый и второй резисторы смещения" 16, 17, первый и второй резисторы 18, 19 45 ограничения тока возбуждения транзисторов 14, 15, соединенные соответственно, с началом первой и концом четвертой части первичной обмотки трансформатора, первый и второй диоды 20, 21, соединенные 50 встречно последовательно и подключенные между базами транзисторов 14,15, в прямом направлении тока возбуждения транзисторов 14, 15, стабилитрон 22, включенный в обратном направлении тока возбуждения 55 транзисторов 14, 15 между общей точкой диодов 20, 21 и средней точкой первичной обмотки 3 трансформатора, первый и второй резисторы 23,24 и третий и четвертый диоды 25,26, причем резистор 23 и диод 25, а также r 10 резистор 24 и диод 26 соединены параллельно, при этом диоды включены в прямом направлении тока возбуждения транзисторов, и образуют соответственно первую и вторую цепи развязки, каждая из которых включена между базой соответствующего транзистора и резистором ограничения тока возбуждения транзистора. Выпрямитель напряжения 5 выполнен по однополупериодной схеме удвоения напряжения со вторым конденсатором 27, один вывод которого подключен к средней точке последовательно соединенных пятого и шестого диодов 28, 29, а другой вывод является вторым входом выпрямителя, анод пятого диода 28 подключен к первым входу и выходу выпрямителя, а катод шестого диода 29 - ко второму выходу выпрямителя. Блок управления 9 в простейшем выполнении представляет собой формирователь импульсов, который содержит времязадающую цепочку (резистор, конденсатор) и контакты прерывателя. Каждый из блоков контроля 12,13 представляет собой, например, реле, которые своими контактами соответственно шунтируют и расшунтируют контакты прерывателя блока управления 9. Система зажигания работает следующим образом. Напряжение от источника питания 1 через катушку индуктивности 10 поступает на инвертор 2. Запуск инвертора осуществляется за счет тока смещения, проходящего через резисторы смещения 16, 17, при этом переходы база-эмиттер транзисторов незначительно зашунтированы резисторами 23, 24 цепей развязки. Работа инвертора 2 в режиме автогенератора поддерживается за счет тока возбуждения транзисторов 14, 15, проходящего через резисторы 18, ^ограничения тока возбуждения транзисторов 14, 15, диоды 25, 26 и переходы база-эмиттер транзисторов 14, 15. При коммутации тока транзисторами инвертора в момент их переключения за счет ЭДС самоиндукции катушки 10 на входе инвертора 2 возникают всплески напряжения. Энергия всплесков напряжения определяется величиной индуктивности катушки 10, а амплитуда - величиной емкости конденсатора 11, которая выбирается такой, чтобы при максимальном падении напряжения источника питания 1 бортовой сети (до 4В) амплитуда всплесков достигала уровня номинального напряжения питания (15В). Энергия всплесков должна быть достаточной для заряда накопительного конденсатора 7 за время между двумя искрообразованиями. Энергия всплесков 11 5722 прямо пропорциональна индуктивности катушки 10. Если в течение цикла между двумя искрообразованиями вследствие глубокой просадки напряжения источника литания бортовой сети (остаточное напряжение ме- 5 нее 4В), напряжение на накопительном конденсаторе 7 не достигает номинальной величины, устройство контроля 13 запрещает включение тиристора 6 от блока управления 9 и очередной цикл искрообразования 10 пропускается с целью накопления необходимой энергии в накопительном конденсаторе 1' для получения надежного искрообразования. При вспышке горючей смеси в цилиндре 15 обороты двигателя резко увеличиваются, нагрузка на пусковое устройство и бортовую сеть снижается и напряжение источника питания 1 восстанавливается до уровня, близкого к номинальному. При этом мощность 20 инвертора 2 повышается до уровня, необходимого для нормальной работы системы электронного зажигания. Всплески напряжения на входе инвертора 2 ограничиваются на выходе инвертора 2 на требуемом уровне 25 путем ограничения напряжения возбуждения транзисторов 14,15 и соответственно на первичной 3 обмотке трансформатора. Когда всплески напряжения на базах транзисторов 14, 15 достигнут величины 30 напряжения стабилизации стабилитрона 22, поочередно открываются диоды 20, 21 и ответвляют излишний ток возбуждения в цепь стабилитрона 22. При работе двигателя на номинальных 35 оборотах в конце процесса заряда накопительного конденсатора 7 инвертор напряжения 2 работает на холостом ходу. При 12 включении тиристора 6 инвертор напряжения 2 устанавливается в режим работы, обусловленный наличием последовательного контура, образованного катушкой индуктивности 10 и конденсатором 27, емкость которого приведена ко входу инвертора напряжения 2. Транзисторы 14, 15 продолжают работать в ключевом режиме, в системе: катушка индуктивности 10 - инвертор 2 конденсатор 27 возникает процессраскачки образованного контура с накоплением в нем энергии, которая после запирания тиристора б выделяется на накопительном конденсаторе 7. Ограничение тока инвертора 2 при включенном тиристоре б и в дальнейшем при дозаряде накопительного конденсатора 7 осуществляется на элементах вышеуказанного колебательного контура. При неисправности системы регулирования, поддерживающей напряжение бортовой сети автомобиля на номинальном уровне, напряжение источника питания 1 может неконтролируемо вырасти. Как только напряжение превысит аварийный уровень (например, 16В), устройство контроля 12 запрещает прохождение запускающих импульсов с выхода блока управления 9 на управляющий электрод тиристора 6, при этом происходит пропуск циклов искрообразования, обороты коленчатого вала и соответственно вала генератора уменьшаются и напряжение источника питания 1 бортовой сети уменьшается, что предотвращает выход из строя системы электронного зажигания и позволяет продолжить движение автомобиля на малых оборотах двигателя. 5722 Ю 1. 2 Источник питания 2 П Цнбеотор Іблокконтр 7 6\7 5 вы паями 'те ль 13 Иблок контр. Фиг і Фиг 1 8 9 Блок упроб