RU164400U1

RU164400U1 - IGNITION PULSE GENERATOR WITH NANOSECOND FRONT ON THE BASIS OF DRIFT DIODES WITH ACCIDENT RECOVERY (DDRV)

Info

Publication number: RU164400U1
Application number: RU2016116502/07U
Authority: RU
Inventors: Василий Федорович Вильчинский; Дмитрий Васильевич Вильчинский; Александр Готфридович Люблинский
Original assignee: Василий Федорович Вильчинский
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2016-08-27

Abstract

Генератор импульсов зажигания с наносекундным фронтом на базе дрейфовых диодов с резким восстановлением, характеризующийся тем, что содержит: преобразователь напряжения бортовой сети автомобиля в стабилизированное напряжение +24В, линейные стабилизаторы +18В и +5В для питания цепей управления и драйверов, преобразователь напряжения +24В в напряжение +160В..+320В для питания силовой цепи генератора, микросхемы формирователей импульсов SN74HC123D (U1), драйверы IGBT транзисторов MIC4452YM (U3), силовые IGBT транзисторы IRG4PF50WD (Q1), сборки ДДРВ диодов (D6), повышающий трансформатор на ферритовых сердечниках B64290L0618X087 х 3 шт. (ТR1), катушку индуктивности на каркасе RM14 с ферритовым сердечником B65887E0160R087 (L1), силовые накопительные конденсаторы C3 и C4, диоды (D1-D8), резисторы (R1-R8, RV1), конденсаторы (С1-С2), высоковольтные провода, свечи зажигания.The generator of ignition pulses with a nanosecond front on the basis of abrupt recovery drift diodes, characterized in that it contains: a vehicle’s on-board voltage converter to a stabilized voltage of + 24V, + 18V and + 5V linear voltage regulators for supplying control circuits and drivers, a + 24V voltage converter voltage + 160V .. + 320V to power the generator power circuit, pulse shaper chips SN74HC123D (U1), IGBT transistors drivers MIC4452YM (U3), power IGBT transistors IRG4PF50WD (Q1), assembly of DDRV diodes (D6), increasing ferrite core transformer B64290L0618X087 х 3 pcs. (TR1), inductance coil on a RM14 frame with a ferrite core B65887E0160R087 (L1), power storage capacitors C3 and C4, diodes (D1-D8), resistors (R1-R8, RV1), capacitors (C1-C2), high-voltage wires, spark plug.

Description

Генератор импульсов зажигания с наносекундным фронтом на базе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ)Nanosecond Ignition Pulse Generator Based on Sharp Recovery Drift Diodes (DDRV)

Устройство относится к автомобилестроению, в первую очередь к конструированию двигателей, а именно бесконтактных высокоэффективных электронных систем зажигания и может быть использована для надежного воспламенения обедненных топливных смесей. Современные индукционные и емкостные системы зажигания на основе мощных транзисторов и тиристоров обеспечивают 5-100 мДж электрической энергии на импульс в диапазоне пикового выходного напряжения 20-30 кВ. Следовательно, для повышения энергетической эффективности работы двигателя необходимо обеспечить высокий уровень приведенного электрического поля разряда, который является определяющим параметром эффективности ионизации топливно-воздушной смеси при ограниченном времени на высоких скоростях вращения двигателя, и, кроме того, обеспечить надежное зажигание и повторяемость разряда в условиях высокого давления, а так же снижения выбросов токсичных компонентов в выхлопных газах.The device relates to the automotive industry, primarily to the design of engines, namely, non-contact high-performance electronic ignition systems and can be used for reliable ignition of lean fuel mixtures. Modern induction and capacitive ignition systems based on powerful transistors and thyristors provide 5-100 mJ of electrical energy per pulse in the range of peak output voltage of 20-30 kV. Therefore, to increase the energy efficiency of the engine, it is necessary to ensure a high level of the reduced electric field of the discharge, which is the determining parameter of the ionization efficiency of the fuel-air mixture for a limited time at high engine speeds, and, in addition, to ensure reliable ignition and repeatability of the discharge under conditions of high pressure, as well as reducing emissions of toxic components in exhaust gases.

Устройство не имеет аналогов.The device has no analogues.

Задача, на которую направленно данное техническое решение, заключается в повышении топливной экономичности двигателя и улучшения экологических показателей его работы.The task to which this technical solution is directed is to increase the fuel economy of the engine and improve the environmental performance of its operation.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый генератор импульсов зажигания обеспечивает формирование пачки высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания. Быстронарастающие импульсы обеспечивают значительное перенапряжение на электродах, большую плотность тока в разряде и пиковую мощность порядка 1 МВт, что способствует формированию стабильного высокоэнергетичного разряда.The problem is solved due to the fact that the proposed ignition pulse generator provides the formation of a pack of high voltage pulses with a nanosecond rise front. Rapidly growing pulses provide significant overvoltage at the electrodes, a high current density in the discharge and a peak power of the order of 1 MW, which contributes to the formation of a stable high-energy discharge.

Генератор импульсов на базе ДДРВ содержит: преобразователь напряжения бортовой сети автомобиля в стабилизированное напряжение +24 В, линейные стабилизаторы +18 В и +5 В для питания цепей управления и драйверов, преобразователь напряжения +24 В в напряжение +160 В … +320 В для питания силовой цепи генератора, микросхемы формирователей импульсов SN74HC123D (U1), драйверы IGBT транзисторов MIC4452YM (U3), силовые IGBT транзисторы IRG4PF50WD (Q1), сборки ДДРВ диодов (D6), повышающий трансформатор на ферритовых сердечниках B64290L0618X087 × 3 шт. (ТR1), катушку индуктивности на каркасе RM14 с ферритовым сердечником B65887E0160R087 (L1), силовые накопительные конденсаторы C3 и C4, диоды (D1-D8), резисторы (R1-R8, RV1), конденсаторы (С1-С2), высоковольтные провода, свечи зажигания. Схема одного канала ДДРВ генератора приведена на фиг. 1.The DDRV-based pulse generator contains: a voltage converter of the vehicle’s on-board network to a stabilized voltage of +24 V, linear stabilizers +18 V and +5 V for supplying control circuits and drivers, a voltage converter +24 V to a voltage of +160 V ... +320 V for power supply for the generator’s power circuit, SN74HC123D (U1) pulse shaper microcircuits, MIC4452YM (U3) IGBT transistors drivers, IRG4PF50WD (Q1) IGBT power transistors, DDRV diode assemblies (D6), step-up transformer for ferrite cores B64290L0618X087. (TR1), inductance coil on a RM14 frame with a ferrite core B65887E0160R087 (L1), power storage capacitors C3 and C4, diodes (D1-D8), resistors (R1-R8, RV1), capacitors (C1-C2), high-voltage wires, spark plug. A diagram of one channel of the DDRV generator is shown in FIG. one.

За счет применения наносекундного импульсного разряда, работа устройства происходит при значительном перенапряжении и высокой плотности тока в разряде. Полученное электрическое поле разряда изменяется в пределах 100 Tд < E/N < 1000 Tд, где Е=U/d - напряженность электрического поля, U - электрическое напряжение (В), d - межэлектродное расстояние (см), N - концентрация молекул в камере сгорания (см^-3), частота разряда (f) определяется соотношением f>U′/d, где U′ - пульсационной составляющей скорости в камере сгорания, это условие обеспечивает повторяемость разряда и зажигания в условиях интенсивного турбулентного движения, надежность системы зажигания обеспечивается использованием в электронной схеме дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ).Due to the use of nanosecond pulsed discharge, the device operates at significant overvoltage and high current density in the discharge. The resulting electric field of the discharge varies within 100 Td <E / N <1000 Td, where E = U / d is the electric field strength, U is the electric voltage (V), d is the interelectrode distance (cm), N is the concentration of molecules in the chamber combustion (cm ^-3 ), the discharge frequency (f) is determined by the ratio f> U ′ / d, where U ′ is the pulsation component of the velocity in the combustion chamber, this condition ensures the repeatability of the discharge and ignition in conditions of intense turbulent motion, the reliability of the ignition system is ensured by using in electronic circuit dray sharp recovery diodes (DDRV).

Работает устройство следующим образом: система управления по внешнему сигналу запуска создает пачку управляющих импульсов для IGBT транзистора Q1. Длительность внешнего сигнала запуска определяет длительность пачки импульсов, а частота импульсов в пачке (частота заполнения) устанавливается резистором RV1. Питание генератора осуществляется от автомобильной бортовой нестабилизированной сети, допустимый диапазон напряжения питания +9 В … +18 В. Преобразователь MHB75-12S24 обеспечивает формирование стабилизированного выходного напряжения +24 В во всем диапазоне входного первичного напряжения питания. Стабилизированное напряжение +24 В используется для формирования всех остальных необходимых напряжений питания +5 В, +18 В и +160 В … +320 В. Пачка управляющих импульсов необходимой частоты и длительности формируется с помощью одновибраторов U1. Далее импульсы управления подаются на драйвер U3 и на затвор IGBT транзистора Q1. Накопительные конденсаторы C3 на первичной стороне трансформатора за счет резонансного L-C перезаряда заряжаются до удвоенного напряжения +320 В … +640 В, которое блокируется диодом D4. TR1 - это повышающий трансформатор на ферритовых кольцах, с коэффициентом трансформации 1:3, работающий в режиме насыщения сердечника. Первичная обмотка трансформатора состоит из одного витка, вторичная из трех витков высоковольтного провода. Вместе с конденсатором C4 он является звеном магнитного сжатия, и обеспечивает импульсы прямого и обратного тока, необходимые для работы ДДРВ сборки. ДДРВ являются быстрым ключом размыкающего типа. При восстановлении ДДРВ диодов энергия, накопленная в индуктивности вторичной обмотки TR1, перебрасывается в нагрузку, обеспечивая формирование высоковольтного импульса с фронтом нарастания не более нескольких наносекунд.The device operates as follows: the control system for an external trigger signal creates a packet of control pulses for the IGBT transistor Q1. The duration of the external trigger signal determines the duration of the burst of pulses, and the frequency of the pulses in the burst (fill frequency) is set by the resistor RV1. The generator is powered from an automobile on-board unstabilized network, the permissible supply voltage range is +9 V ... +18 V. The MHB75-12S24 converter provides the formation of a stabilized +24 V output voltage in the entire range of the input primary supply voltage. A stabilized voltage of +24 V is used to generate all the other necessary supply voltages +5 V, +18 V and +160 V ... +320 V. A packet of control pulses of the required frequency and duration is formed using single-vibrators U1. Next, the control pulses are fed to the driver U3 and the IGBT gate of the transistor Q1. The storage capacitors C3 on the primary side of the transformer due to the resonant L-C recharge are charged to a double voltage of +320 V ... +640 V, which is blocked by the diode D4. TR1 is a step-up transformer on ferrite rings, with a transformation ratio of 1: 3, operating in core saturation mode. The primary winding of the transformer consists of one turn, the secondary of three turns of a high-voltage wire. Together with the capacitor C4, it is a link of magnetic compression, and provides the forward and reverse current pulses necessary for the operation of the DDRV assembly. DDRVs are a quick release type key. When recovering DDRV diodes, the energy stored in the inductance of the secondary winding TR1 is transferred to the load, providing the formation of a high-voltage pulse with a rise front of no more than a few nanoseconds.

Проведенные эксперименты показывают, что применение ДДРВ генератора вместо традиционных систем зажигания позволяет повысить топливную экономичность до 10%, уменьшить выбросы CO до 8%, NO_x до 15%.The experiments show that the use of a DDRV generator instead of traditional ignition systems can increase fuel efficiency by 10%, reduce CO emissions by 8%, NO _{x by} 15%.

Claims

The generator of ignition pulses with a nanosecond front on the basis of abrupt recovery drift diodes, characterized in that it contains: a vehicle’s on-board voltage converter to a stabilized voltage of + 24V, + 18V and + 5V linear voltage regulators for supplying control circuits and drivers, a + 24V voltage converter voltage + 160V .. + 320V to power the generator power circuit, pulse shaper chips SN74HC123D (U1), IGBT transistors drivers MIC4452YM (U3), power IGBT transistors IRG4PF50WD (Q1), assembly of DDRV diodes (D6), increasing ferrite core transformer B64290L0618X087 х 3 pcs. (TR1), inductance coil on a RM14 frame with a ferrite core B65887E0160R087 (L1), power storage capacitors C3 and C4, diodes (D1-D8), resistors (R1-R8, RV1), capacitors (C1-C2), high-voltage wires, spark plug.