Пристрій плазмового запалення для двигунів внутрішнього згорання

1. Пристрій плазмового запалення для двигунів внутрішнього згорання, що містить задавальний генератор, чотири формувачі сигналів, чотири перетворювачі напруги, чотири підсилювачі, кожен з яких виконано на транзисторі, чотири котушки запалення, загальні виводи яких сполучено з підсилювачами, а виводи вторинних обмоток підключено до чотирьох свічок запалення, який відрізняється тим, що додатково містить датчик тривалості запалення, чотири діоди, які сполучені катодами з чотирма конденсаторами, дільник частоти, сполучений з входами чотирьох ключових елементів, вихід задавального генератора сполучено з входом дільника частоти і першими входами перетворювачів напруги, другі входи яких сполучені разом і підключені до позитивного виводу джерела живлення, перші виходи сполучені з другими виводами конденсаторів та вхідними виводами первинних обмоток котушок запалення, а U 2 67231 1 3 ми, сполученого з свічкою запалення двигуна внутрішнього згорання, механізму навантаження, який сполучений з приводним валом від двигуна внутрішнього згорання і з п'єзоелектричним генератором з п'єзоелементами [1]. Недоліком цього пристрою є існування залежності енергії іскроутворення від напруги джерела живлення, так як при її зниженні недостатньо енергії для забезпечення надійного займання робочої суміші при запуску двигуна, що призводить до утрудненого пуску двигуна внутрішнього згорання і зниження надійності системи запалення. Найбільш близьким до запропонованого пристрою є пристрій плазмового запалення для двигунів внутрішнього згорання, що містить послідовно сполучені датчик обертів, формувач імпульсів і одновібратор, вихід і другий вхід якого сполучені відповідно з входом і першим виходом регулятора випередження, другий вихід якого сполучений з входом розподільника імпульсів, другий вхід якого сполучений з виходом блока пуску, задавальний генератор, блок посилення, що складається з чотирьох підсилювачів, кожен з яких має два входи управління і містить два транзистори, блок перетворення напруги, що складається з чотирьох трансформаторів, кожен з яких одним виводом вторинної обмотки підключений до відповідної свічки запалення, другим - до загального виводу джерела живлення, а первинною обмоткою - до виходу одного з підсилювачів, також містить блок управління, а транзистори кожного з підсилювачів мають протилежну провідність, причому первинні обмотки трансформаторів сполучені послідовно, і кожна з них одним з виводів підключена до точки з'єднання емітерів транзисторів одного з підсилювачів, колектори кожного з транзисторів зворотної провідності підключені до позитивного виводу джерела живлення, колектори транзисторів прямої провідності - до загального виводу джерела живлення, а бази всіх транзисторів сполучені з виходами блока управління, перші чотири входи якого підключено до відповідних виходів розподільника імпульсів, а п'ятий - до виходу задавального генератора [2]. Недоліком цього пристрою є існування залежності енергії іскроутворення від напруги джерела живлення, так як при її зниженні недостатньо енергії для забезпечення надійного займання робочої суміші при запуску двигуна, що призводить до утрудненого пуску двигуна внутрішнього згорання і зниження надійності системи запалення. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення відомих пристроїв плазмового запалення шляхом введення додаткових елементів, блоків і нових функціональних зв'язків між ними та створення нового пристрою плазмового запалення для двигунів внутрішнього згорання, що забезпечує стабільність напруги для живлення котушки запалення та енергії плазмового іскроутворення при пуску двигуна та в інших експлуатаційних режимах, що підвищує надійність системи запалення, забезпечує плавну роботу двигуна при його розігріві, знижуються детонації при використанні низькооктанового бензину, зниження токсичності 67231 4 по СО та СН, збільшується значення прискорення автомобіля. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій плазмового запалення для двигунів внутрішнього згорання, що містить задавальний генератор, чотири формувачі сигналів, чотири перетворювачі напруги, чотири підсилювачі, кожен з яких виконано на транзисторі, чотири котушки запалення, загальні виводи яких сполучено з підсилювачами, а виводи вторинних обмоток підключено до чотирьох свічок запалення, згідно з корисною моделлю, додатково містить датчик тривалості запалення, чотири діоди, які сполучені катодами з чотирма конденсаторами, дільник частоти, сполучений з входами чотирьох ключових елементів, вихід задавального генератора сполучено з входом дільника частоти і першими входами перетворювачів напруги, другі входи яких сполучені разом і підключені до позитивного виводу джерела живлення, перші виходи сполучені з другими виводами конденсаторів та вхідними виводами первинних обмоток котушок запалення, а другі виходи сполучені з анодами діодів, катоди яких сполучені з колекторами транзисторів підсилювачів, емітери яких сполучені з загальним виводом джерела живлення, а бази сполучені з виходами ключових елементів, другі входи яких сполучені через формувачі сигналів з чотирма виходами датчика тривалості запалення, а треті входи сполучені з загальним виводом джерела живлення. Крім того перетворювач напруги містить трансформатор, два діоди, стабілітрон, три резистори, два транзистори, конденсатор, а його перший вхід підключено до колектора першого транзистора та бази другого транзистора, колектор якого сполучено з катодом першого діода та через первинну обмотку трансформатора сполучено з другим входом перетворювача напруги, підключеного першим виходом через першу вторинну обмотку трансформатора з його другим входом, один вивід другої вторинної обмотки трансформатора сполучено з анодом другого діода, катод якого сполучено з конденсатором і через перший резистор з катодом стабілітрона та другим резистором, другий вивід якого сполучено з загальним виводом джерела живлення, до якого підключений другий вивід конденсатора, також через третій резистор підключена база першого транзистора та анод стабілітрона, а також підключені емітери першого та другого транзисторів, анод першого діода і другий вивід другої вторинної обмотки трансформатора. На Фіг.1 представлена структурна схема пристрою плазмового запалення для двигунів внутрішнього згорання, на Фіг.2 представлена схема перетворювача напруги, на Фіг.3 представлені часові графіки сигналів в окремих точках пристрою. Пристрій плазмового запалення для двигунів внутрішнього згорання (Фіг.1) складається з задавального генератора 1, вихід якого сполучено з першими входами чотирьох перетворювачів 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги та входом дільника З частоти, чотири виходи датчика 4 тривалості запалення сполучено через формувачі 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 з дру 5 гими входами ключових елементів 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, перші входи яких сполучено з виходом дільника 3 частоти, треті входи підключено до загального виводу джерела живлення, позитивний вихід якого сполучено з другими входами перетворювачів 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги, другі виходи яких через виводи анод-катод діодів 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 сполучені з виводами конденсаторів 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 і колекторами транзисторів підсилювачів 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, бази яких сполучено з виходами ключових елементів 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, а емітери сполучено через первинні обмотки котушок 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 запалення з першими виходами перетворювачів 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги та другими виводами конденсаторів 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, а також підключені до загального виводу джерела живлення і через вторинні обмотки котушок 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 запалення - до свічок запалення 11.1, 11.2, 11.3, 11.4. Перетворювач напруги (Фіг.2) містить перший та другий транзистори 12, 13, трансформатор 14, два діоди 15, 16, конденсатор 17, стабілітрон 18, три резистори 19, 20, 21, а його перший вхід 22 підключено до колектора першого транзистора 12 та бази другого транзистора 13, колектор якого сполучено з катодом першого діода 15 та через первинну обмотку трансформатора 14 сполучено з другим входом 23 перетворювача напруги, підключеного першим виходом 24 через першу вторинну обмотку трансформатора 14 з його другим виходом 25, один вивід другої вторинної обмотки трансформатора 14 сполучено з анодом другого діода 16, катод якого сполучено з конденсатором 17 і через перший резистор 19 сполучено з катодом стабілітрона 18 та другим резистором 20, другий вивід якого сполучено з загальним виводом джерела живлення, до якого підключено другий вивід конденсатора 17, також через третій резистор 21 підключено базу першого транзистора 12 та анод стабілітрона 18, а також підключені емітери першого та другого транзисторів 12, 13, анод першого діода 15 і другий вивід другої вторинної обмотки трансформатора 14. Задавальний генератор 1 забезпечує формування прямокутних імпульсних сигналів та може бути виконаний на інтегральній мікросхемі. Частота роботи вибирається в діапазоні (20-100) кГц для забезпечення високих масо-габаритних показників перетворювачів 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги. Перетворювачі 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги призначені для перетворення постійної напруги акумуляторної батареї автомобіля в напругу підвищеного значення до 400 В та можуть бути виконані на стандартних елементах в вигляді транзисторів, діодів резисторів, конденсаторів, стабілітронів, а також трансформаторів на феритових магнітопроводах. Кількість витків первинної обмотки дорівнює десять, а вторинної першої - менше ста, вторинної другої - десять. Вони мають клас ізоляції в відповідності з напругою. Транзистор 3 високочастотний, наприклад, КТ926 та має малі динамічні втрати. Стабілізація вихідної напруги перетворювачів 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 досягається за рахунок зворотного зв'язку по вихідній напрузі, що подається з дільника на резисторах 19, 20 через стабілітрон 18 на базу транзистора 12. 67231 6 Дільник частоти 3 забезпечує заданий коефіцієнт ділення вхідної послідовності імпульсів та може бути виконаний на інтегральній мікросхемі. Датчик тривалості запалення 4 призначений для отримання сигналів на чотирьох виходах при кожному його оберті. Тривалість сигналів складає час, за який датчик повертається на кут 45° в залежності від частоти його обертання, на протязі якого створюється почергове плазмове запалення на кожній із свічок запалення. Може бути виконаний в вигляді чотирьох дисків, в яких є поздовжні отвори на 45° по зовнішній дузі обертання для чотиритактного чотирициліндрового двигуна. Диски зафіксовані на одному валу з зміщенням отворів на 90° та сполучені з валом розподільника двигуна автомобіля. При цьому датчик через вал розподільника кінематично пов'язаний безпосередньо з колінчастим валом двигуна. Напроти зони проходження отворів дисків встановлюється з одного боку світло випромінювач, а з іншого - фотоприймач сигналів. Кожен один повний оберт датчика 4 тривалості запалення виконується за два оберти колінчатого вала двигуна, що відповідає робочим переміщенням поршнів у всіх чотирьох циліндрах. При цьому не потрібний розмикач розподільника-трамблера запалення, а реалізація оптимальних функціональних залежностей кутів випередження запалення виконується за допомогою відцентрового і вакуумного регуляторів, які встановлені на двигуні. Формувачі 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 сигналів призначені для формування прямих фронтів сигналів з логічними рівнями 0 та 1 та можуть бути виконані на підсилювачах-компараторах. Ключові елементи 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 забезпечують підключення одного з двох вхідних сигналів на його виходи по управляючих сигналах від виходів датчика 4 та можуть бути виконані на електронних ключах-комутаторах. Підсилювачі 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 призначені для підсилення вхідних сигналів по струму та потужності при мінімальних втратах енергії і можуть бути виконані на транзисторах оберненої провідності. Котушки 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 запалення забезпечують передачу електричної енергії свічкам запалення і є стандартними виробами, якими комплектуються двигуни з електронними системами запалення. Вони представляють спеціальні трансформатори, первинна обмотка яких містить невелике число витків товстого дроту, а вторинна обмотка складається з великого числа витків дуже тонкого дроту. Котушки запалення виконуються як автотрансформатори. За принципом дії пристрою енергія, що витрачається на плазмоутворення, накопичується не в магнітному полі котушки запалення, а в електричному полі накопичувального конденсатора 8, який за допомогою комутуючого елемента - транзистора 9 в певні моменти підключається до неї. Свічки 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 запалення забезпечують займання робочої суміші в камері згорання карбюраторного двигуна шляхом плазмового розряду, що періодично відбувається між електродами, і кожна з них є нерозбірною конструкцією, в якій ізоляція електродів між собою здійснюється 7 керамічним ізолятором. При подачі високовольтного імпульсу в зазорі між електродами відбувається пробій, а плазмовий згусток, що утворився, забезпечує запалення паливної суміші. При цьому забезпечується об'ємне, на відміну від точкового у звичайних пристроїв запалення, запалення основного паливного заряду, збільшується швидкість, повнота його згорання, підвищується потужність двигуна і зменшується токсичність вихлопних газів. Можуть бути використані звичайні, якими комплектуються двигуни, а також інші конструкції свічок, наприклад, плазмово-форкамерні, свічки Дудишева, які встановлюються на місце звичайних без переробок двигуна. У описі пристрою показано приклад реалізації пристрою для чотирициліндрового чотиритактного двигуна. Взагалі, пристрій може бути реалізований для двигуна з будь-якою кількістю циліндрів. Для цього, відповідно, модифікується датчик 4 тривалості запалення та змінюється кількість формувачів, ключових елементів, перетворювачів напруги, діодів, конденсаторів, підсилювачів та котушок запалення. Розвиток сучасних карбюраторних двигунів пов'язаний з підвищенням їх ступеня стиснення, збільшенням частоти обертання і числа циліндрів, підвищенням вимог економічності, терміну служби, зниження токсичності відпрацьованих газів і пониження температури пуску холодного двигуна. Підвищення ступеня стиснення вимагає збільшення напруги, що підводиться до свічки, а збільшення числа циліндрів і частоти обертання вимагає збільшення енергії розряду в свічці запалення в одиницю часу. Як відомо, тільки 5 % пропусків в свічках запалення збільшує вміст СН і CO приблизно в 3 рази. На Фіг.1 не приведений блок живлення та елементи для його підключення, а також елементи для відключення запалення. Прийняті позначення Uin - амплітуда сигналу на і-му виході n-го блока. Працює пристрій наступним чином. Після подачі живлення UE (ланцюги живлення на Фіг.1 не показані) і на задавальний генератор 1 пристрій готовий до роботи. Сигнали датчика 4 тривалості запалення синхронізують роботу пристрою і подаються з чотирьох виходів, по кількості циліндрів двигуна, Фіг.3, через формувачі 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 сигналів, на ключові елементи 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, які мають характеристику Ui6  U3 при U5  1 . 0 при U5  0 Сигнали задавального генератора 1, імпульсні за формою, подаються на вхід 22 перетворювачів 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги, а також через дільник 3 частоти на перші входи ключових елементів 6.1, 6.2, 6.3, 6.4. Коефіцієнт ділення дільника 3 вибирається так, щоб при мінімальних обертах двигуна напруга на виході перетворювачів 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги не зменшувалась більше, як 20 % в кінці фази роботи запалення в порівнянні з його початком в періоди робочих ходів поршнів. Це зумовлено з часом заряду конденсаторів 8.1, 8.2, 8.3, 8.4. 67231 8 Вихідна частота дільника 3 частоти складає (2-4) кГц. Сигнали з ключових елементів 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, Фіг.3, подаються на бази транзисторів підсилювачів 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, а на їх колектори подається постійна напруга 400 В з другого виходу 25 перетворювачів 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги через випрямлячі на діодах 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 на конденсатори 8.1, 8.2, 8.3, 8.4. При відкриванні транзисторів підсилювачів 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 проходить розряд конденсаторів 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 через первинні обмотки котушок 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 запалення, а в їх вторинних обмотках появляється висока напруга до 22-30 кВ, що викликає плазмовий розряд, який підтримується послідовністю розрядних струмів конденсаторів 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 на протязі високого логічного рівня на виході датчика 4 тривалості запалення імпульсами на базах транзисторів підсилювачів 9.1, 9.2, 9.3, 9.4. Електронна плазма, що створюється пучком високошвидкісних електронів, має високий нагрівальний ефектом. Плазма - четвертий стан речовини, коли молекули розпадаються на заряджені частинки - іони і вона підтримується безперервною впродовж 90° кута повороту колінчатого вала в періоди робочих ходів поршнів. Імпульси управління подаються на транзистори підсилювачів 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 в відповідності з робочими фазами в циліндрах двигуна. При нульовому рівні сигналу на базах транзисторів підсилювачів 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 вони знаходяться в закритому стані. Для відключення запалення необхідно відключити живлення задавального генератора 1 або пристрою в цілому. При подачі живлення на перетворювачі 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 напруги, вивід 23, а також вхідних сигналів, вивід 24, від задавального генератора 1, які подаються на базу транзистора 13, Фіг.2, відбувається його відпирання на відрізку логічної одиниці та запирання при нульовому рівні, Фіг.3. Має місце при цьому фаза накопичування енергії в первинній обмотці трансформатора 14 та фаза передачі її в навантаження через діоди 7. В фазі накопичування енергії транзистор 13 відкритий і струм I1(t ) можна визначити I1( t )  UE  t / L1 , UE - напруга 14 живлення, t - час відкритого стану транзистора 13, L1 - індуктивність первинної обмотки транс14 форматора. Фаза передачі енергії в навантаження наступає при закритті транзистора 13. В цей момент полярність на виводах обмоток трансформатора 14, із-за явища самоіндукції, змінюється на протилежну та відкривається діод 15 та діод 7. При цьому заряджається конденсатор 8. Спадання струму I2 ( t ) в першій вторинній обмотці трансформатора 14 описується виразом: I2 ( t )  W1 / W2  I1  U2  t / L2 , 14 W1 , W2 - кількість витків, відповідно, в первинній та першій вторинній обмотках трансформатора 14, W1 / W2 , U2 - індуктивність та напруга першої вторинної обмотки трансформатора 14. Струм першої вторинної обмотки можна виразити через коефіцієнт K 3 заповнення по формулі: 9 I2  I1  W1 / W2 (I1  K 3 ) / 2 . Коефіцієнт K 3 заповнення являє собою відношення тривалості імпульсу до його періоду. Баланс енергії обмоток має вигляд I1  L1  I2  L2 . 14 14 Також справедливе співвідношення I1  W1  I2  W2 . Коефіцієнт k m трансформації трансформатора 14 визначається k m  W2 / W1 . Значення вихідного струму I2 можна записати виразом I2  (K 3  (1  K 3 )  UE ) / 21  k m f , f - частота 14 послідовності імпульсів на базі транзистора 13. З останнього виразу видно, що максимальна напруга на навантаженні має місце при коефіцієнті заповнення K 3 =0,5, який досягається при зменшенні напруги живлення до мінімального заданого значення. Для підтримки стабільності вихідної напруги використовується зворотній зв'язок з використанням другої вторинної обмотки трансформатора 14, напруга з якої подається, в період накопичення енергії в його первинній обмотці, через діод 16, часозадавальні елементи в вигляді конденсатора 17 та резисторів 19 та 20, а також стабілітрон 18 на базу транзистора 12. При зміні вхідної напруги UE змінюється коефіцієнт K 3 заповнення на принципі широтно-імпульсної модуляції. Напруга першої вторинної обмотки трансформатора 14 є вихідною перетворювача напруги, виводи 24 та 25. На Фіг.3 показано також, як змінюється напруга U7.n , що прикладається до колекторів транзисторів підсилювачів 9.n. Застосування введених датчика 4 тривалості запалення, ключових елементів 6.n, діодів 7.n, конденсаторів 8.n до складу пристрою та виконання перетворювачів 2.n напруги з новими сполученнями дозволяє забезпечити універсальність застосування пристрою на всіх типах карбюраторних двигунів, значне, у 1,3-1,5 разів, збільшення високої напруги, яка досягає 22-30 кВ при всіх режимах роботи двигуна, меншу чутливість до шунтуючих навантажень вторинних ланцюгів, також забезпечити більш повне згорання пального на 67231 10 малих і великих обертах та його загальну економію до 2-3 %, збільшений зазор до 1-1,2 мм між електродами свічок запалення, надійний запуск двигуна в зимових умовах, а також підвищується надійність, зменшується час на профілактичні і регулювальні роботи, знижуються загальні затрати на обслуговування. Пристрій також забезпечує зменшення втрат теплоти з відпрацьованими газами і, відповідно, зменшується температура випускних клапанів; підвищення економічності двигуна при мінімальних витратах палива, хороші динамічні якості автомобіля і виконання норм на допустимі значення викидів токсичних речовин. Досягається найбільш ефективний коефіцієнт корисної дії, так як при максимальному тиску в циліндрах, що відповідає 1220° повороту колінчатого валу після верхньої мертвої точки, підтримується надійне плазмове запалення при збільшеному повітряного зазору, при високій енергії і тривалості плазмового розряду з забезпеченням необхідного коефіцієнта запасу по вторинній напрузі, що забезпечує надійність займання бідних сумішей при коефіцієнті надлишку повітря =1,1-1,2 і надійний пуск холодного двигуна. Забезпечується висока швидкість наростання напруги на електродах свічок, що запобігає виникненню детонацій - майже миттєвого згорання найбільш віддаленої від свічки запалення частини палива і не викликає розповсюдження по камері згорання ударних хвиль з швидкістю до 1200 м/с, що виникає при високому навантаженні, наприклад, під час розгону автомобіля. Джерела інформації: 1. Патент Російської Федерації №2384729. Хайруллін Ірек Ханифович, Ісмагілов Флюр Рашитович, Камалов Філюс Аслямович. Комбінована система п′єзоелектричного запалення для двигунів внутрішнього згоряння. МПК F02P 15/10, F02P 3/12. Опубліковано 20.03.2010 р. 2. Патент України на винахід №25063. Дубовик В.Г., Гребенюк М.В., Белашев О.М. Бюл. №3, 2002 р. Пристрій плазмового запалення для двигунів внутрішнього згорання. МПК F02P 15/10. Бюл. №6, 25.12.98 р. 11 67231 12 13 Комп’ютерна верстка А. Рябко 67231 Підписне 14 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601