RU2054575C1

RU2054575C1 - Relaxation-vibration electronic ignition system for internal combustion engine

Info

Publication number: RU2054575C1
Application number: RU92002214A
Authority: RU
Inventors: Н.А. Акимов
Original assignee: Акимов Николай Александрович; Циликов Сергей Сергеевич
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: automotive industry. SUBSTANCE: ignition system has ignition coil 1, diodes 2,9, voltage adding unit 3, capacitors 4,7, power source 8, transistor 5, and thirster 6. Element 6,7 are connected in series. The circuit formed is connected to diode 2 in parallel. Diode 2 is connected between elements 7 and 1. The system controls duration of the continuous discharge by generating the self-sustained vibration. EFFECT: enhanced reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к автомобильной электронике и может быть использовано при предъявлении к двигателям повышенных требований по топливной экономичности и токсичности выхлопа. The invention relates to automotive electronics and can be used when presenting engines with increased requirements for fuel efficiency and exhaust toxicity.

Известны две основные схемы электронных систем зажигания транзисторная и тиристорно-конденсаторная [1] Обе схемы содержат устройства для предварительного накопления порции электрической энергии в магнитном поле катушки зажигания или электростатическом поле конденсатора. Кроме того, в обеих схемах имеются цепи для выброса этой порции энергии в виде затухающего разряда в свече зажигания. Two main circuits of electronic ignition systems are known, transistor and thyristor-capacitor [1] Both circuits contain devices for the preliminary accumulation of a portion of electric energy in the magnetic field of the ignition coil or electrostatic field of the capacitor. In addition, both circuits have circuits for ejecting this portion of energy in the form of a decaying discharge in the spark plug.

Недостатком таких систем зажигания является ограниченность длительности разряда из-за конечного объема накапливаемой порции энергии. При технически приемлемых объемах накопления типичная длительность разряда существующих тиристорно-конденсаторных систем составляет около 0,5 мс, а транзисторных около 1,7 мс. В настоящее время при ужесточении требований к топливной экономичности и токсичности выхлопа этого становится недостаточно. Дело в том, что электрический разряд в свече при соприкосновении с вращающимся (вихревым) объемом топливной смеси формирует начальный фронт пламени, ширина которого пропорциональна длительности разряда. Чем меньше ширина фронта, тем дольше пламя распространяется на весь объем и ниже интенсивность и полнота процесса сгорания, что особенно проявляется при обеднении топливной смеси, а именно концепция "быстрого сгорания бедных смесей" лежит в основе современных представлений о повышении экономичности и экологической чистоты автомобиля (см. Вахошин Л.И. и Сонкин В.И. ЭКО-95. Автомобильная промышленность, 1992, N 4, с. 11-13). The disadvantage of such ignition systems is the limited duration of the discharge due to the finite volume of the accumulated portion of energy. With technically acceptable accumulation volumes, a typical discharge duration of existing thyristor-capacitor systems is about 0.5 ms, and transistor ones about 1.7 ms. Currently, with the stricter requirements for fuel efficiency and exhaust toxicity, this is not enough. The fact is that an electric discharge in a candle in contact with a rotating (vortex) volume of the fuel mixture forms an initial flame front, the width of which is proportional to the duration of the discharge. The smaller the front width, the longer the flame spreads over the entire volume and the lower the intensity and completeness of the combustion process, which is especially manifested when the fuel mixture is leaner, namely, the concept of “quick combustion of poor mixtures” underlies modern ideas about improving the economy and environmental friendliness of a car ( see Vakhoshin LI and Sonkin VI, ECO-95. Automotive Industry, 1992, N 4, p. 11-13).

Наиболее близким техническим решением к предложенному является схемное решение, дополняющее тиристорно-конденсаторную систему зажигания транзисторным ключом для подвода энергии от бортовой сети автомобиля к катушке зажигания во время существования разряда в свече с целью замедления процесса его затухания и увеличения за счет этого длительности разряда с 0,5 до 1 мс [2] Это схемное решение позволяет, как и в транзисторной системе зажигания, накапливать в магнитном поле катушки энергию, которую можно использовать для создания второй фазы разряда длительностью 1,7 мс сразу после затухания первой фазы и получения таким образом составного разряда общей длительностью 2,7 мс. По признаку наличия элементов тиристорно-конденсаторной и транзисторной систем зажигания такая система получила название комбинированной. Длительность разряда комбинированной системы можно еще увеличить, если во время существования первой фазы разряда на первичную обмотку катушки зажигания подавать напряжение, большее, чем в бортовой сети автомобиля. Это достигается за счет введения узла вольтодобавки, напряжение которого складывается с напряжением бортовой сети. В лучшей разработке комбинированной системы зажигания с узлом вольтодобавки общая длительность разряда может достигать 5,2 мс (см. Ю.Архипов. Автоматизированный блок зажигания. Радиоежегодник-91. М. Патриот, 1991, с. 99-102). The closest technical solution to the proposed one is a circuit solution supplementing the thyristor-capacitor ignition system with a transistor key for supplying energy from the vehicle’s on-board network to the ignition coil during the existence of a discharge in a candle in order to slow down the process of its attenuation and increase the discharge duration from 0, 5 to 1 ms [2] This circuit solution allows, as in a transistor ignition system, to accumulate energy in the magnetic field of the coil, which can be used to create a second phase s to defuse duration 1.7 ms immediately after a first damping phase, and thereby obtain a composite total discharge duration of 2.7 ms. Based on the presence of elements of thyristor-capacitor and transistor ignition systems, such a system was called combined. The duration of the discharge of the combined system can be further increased if, during the existence of the first phase of the discharge, a voltage is applied to the primary winding of the ignition coil than in the vehicle’s on-board network. This is achieved by introducing a voltage boost unit, the voltage of which is added to the voltage of the on-board network. In the best development of a combined ignition system with a booster assembly, the total discharge duration can reach 5.2 ms (see Y. Arkhipov. Automated ignition unit. Radio Yearbook-91. M. Patriot, 1991, pp. 99-102).

Основной недостаток такого схемного решения ограниченность длительности разряда, хотя и на большем уровне сохраняется и в комбинированных системах зажигания, поскольку продлить первую фазу разряда сверх времени насыщения магнитного сердечника катушки нельзя, а вторая фаза ограничена по длительности, как в любой транзисторной системе. Поэтому при существующих катушках зажигания предельная длительность непрерывного разряда не может быть больше 6 мс. Получить разряд большей длительности при использовании известных решений можно лишь за счет многократного искрообразования в виде серии отдельных разрядов, разделенных паузами для очередного накопления энергии в конденсаторе (см. Синельников А.Х. Электроника в автомобиле. М. Радио и связь, 1985, с. 50-53). Однако прерывистость разряда создает не сплошной, а рваный фронт пламени, что не обеспечивает наибыстрейшего сгорания топливной смеси. The main drawback of such a circuit solution is the limited duration of the discharge, although at a higher level it remains in combined ignition systems, since it is impossible to extend the first phase of the discharge beyond the saturation time of the magnetic core of the coil, and the second phase is limited in duration, as in any transistor system. Therefore, with existing ignition coils, the maximum duration of a continuous discharge cannot be more than 6 ms. A longer discharge using known solutions can be obtained only through repeated sparking in the form of a series of separate discharges separated by pauses for the next energy storage in the capacitor (see A.K. Sinelnikov, Electronics in a Car. M. Radio and Communication, 1985, p. 50-53). However, the discontinuity of the discharge creates not a continuous, but a ragged flame front, which does not provide the fastest combustion of the fuel mixture.

Целью изобретения является получение сколь угодно большой регулируемой длительности непрерывного разряда путем формирования незатухающих релаксационных колебаний в системе с участием катушки зажигания. The aim of the invention is to obtain an arbitrarily large adjustable duration of a continuous discharge by forming undamped relaxation oscillations in a system involving an ignition coil.

Это достигается тем, что в систему электронного зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащую тиристорно-конденсаторный блок высокого напряжения, включающий тиристор и конденсатор, причем первая, вторая и третья клеммы тиристорно-конденсаторного блока высокого напряжения соединены соответственно с первой, второй клеммой тиристора и первой клеммой конденсатора, вторая клемма которого соединена с второй клеммой тиристора, четвертая клемма тиристорно-конденсаторного блока высокого напряжения соединена с управляющей клеммой тиристора, низковольтный блок вольтодобавки, включающий первую и вторую клеммы, транзисторный ключ, включающий первую, вторую и управляющую клеммы, причем вторая клемма низковольтного блока вольтодобавки соединена с первой клеммой транзисторного ключа, вторая клемма которого соединена с общей шиной, и катушку зажигания, включающую первичную и вторичную обмотки, соединенные последовательно, введены первый и второй диоды, причем первая и вторая клеммы первого диода соединены соответственно с первыми клеммами первичной обмотки катушки зажигания и тиристорно-конденсаторного блока, третьей клеммой тиристорно-конденсаторного блока и первой клеммой низковольтного блока вольтодобавки, первая и вторая клеммы второго диода соединены соответственно с второй клеммой тиристорно-конденсаторного блока и второй клеммой первичной обмотки катушки зажигания. This is achieved by the fact that in an electronic ignition system of an internal combustion engine comprising a thyristor-capacitor unit of a high voltage, including a thyristor and a capacitor, the first, second and third terminals of the thyristor-capacitor unit of a high voltage are connected respectively to the first, second terminal of the thyristor and the first terminal capacitor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the thyristor, the fourth terminal of the thyristor-capacitor block of the high voltage is connected to the control terminal Ristor, a low-voltage booster block including the first and second terminals, a transistor switch including the first, second and control terminals, the second terminal of the low-voltage booster block connected to the first terminal of the transistor switch, the second terminal of which is connected to a common bus, and the ignition coil, including the primary and the secondary windings connected in series, the first and second diodes are introduced, the first and second terminals of the first diode connected respectively to the first terminals of the primary winding of the coil of the thyristor-capacitor unit, the third terminal of the thyristor-capacitor unit and the first terminal of the low-voltage booster unit, the first and second terminals of the second diode are connected respectively to the second terminal of the thyristor-capacitor unit and the second terminal of the primary winding of the ignition coil.

На чертеже приведена схема предлагаемой системы зажигания. The drawing shows a diagram of the proposed ignition system.

Она содержит катушку зажигания 1, диод 2, источник напряжения вольтодобавки 3 с фильтрующим конденсатором 4 и транзисторный ключ 5, которые соединены последовательно. Последовательная цепь из тиристора 6 и конденсатора 7 с источником 8 для накопления энергии расположена параллельно диоду 2 между одним из выводов первичной обмотки катушки зажигания 1 и узлом вольтодобавки. При этом второй диод 9 соединяет среднюю точку А тиристорно-конденсаторной цепи с вторым выводом первичной обмотки катушки зажигания 1. It contains an ignition coil 1, a diode 2, a voltage source voltage boost 3 with a filter capacitor 4 and a transistor switch 5, which are connected in series. The serial circuit of the thyristor 6 and the capacitor 7 with the source 8 for energy storage is located parallel to the diode 2 between one of the terminals of the primary winding of the ignition coil 1 and the voltage boost unit. In this case, the second diode 9 connects the midpoint A of the thyristor-capacitor circuit with the second terminal of the primary winding of the ignition coil 1.

Система зажигания работает следующим образом. The ignition system operates as follows.

При отпирании транзистора 5 широким импульсом тока базы и тиристора 6 узким импульсом тока управляющего электрода к первичной обмотке катушки 1 прикладывается сумма напряжений бортовой сети, низковольтного вольтодобавочного конденсатора 4 и высоковольтного накопительного конденсатора 7. Во вторичной цепи катушки 1 возникает разряд, типичный для любой тиристорно-конденсаторной системы зажигания. Емкость конденсатора 7 на несколько порядков меньше емкости конденсатора 4, поэтому конденсатор 7 разряжается до нуля через несколько десятков микросекунд, что достаточно для возникновения разряда в свече. Тиристор 6 закрывается из-за спада до нуля анодного тока, вместо него открывается диод 2. После этого ток разряда начинает затухать с некоторой скоростью, определяемой воздействием суммы напряжений бортовой сети и вольтодобавки. Эта фаза разряда продолжается вплоть до принудительного запирания транзистора 5 путем прерывания тока базы. Ширина импульса тока базы выбирается так, чтобы он закончился не позднее момента магнитного насыщения сердечника катушки зажигания, когда ток разряда спадает до нуля (см. Архипов Ю. Автоматизированный блок зажигания. Радиоежегодник 91. М. Патриот, 1991, с. 104). При этом вторая фаза разряда, обусловленная запасенной в магнитном поле катушки энергией, возникает без паузы, т.е. срок разряда скачком изменит направление без прерывания разряда. When the transistor 5 is unlocked by a wide current pulse of the base and thyristor 6 by a narrow current pulse of the control electrode, the sum of the voltage of the on-board network, low-voltage boost capacitor 4 and high-voltage storage capacitor 7 is applied to the primary winding of coil 1. A discharge typical of any thyristor condenser ignition system. The capacitance of the capacitor 7 is several orders of magnitude smaller than the capacitance of the capacitor 4, therefore, the capacitor 7 is discharged to zero after several tens of microseconds, which is enough for a discharge to occur in the candle. Thyristor 6 closes due to a decrease in the anode current to zero, instead of it diode 2 opens. After that, the discharge current starts to decay at a certain speed, determined by the effect of the sum of the voltage of the on-board network and voltage boost. This discharge phase continues until the transistor 5 is forced to lock by interrupting the base current. The pulse width of the base current is chosen so that it ends no later than the moment of magnetic saturation of the core of the ignition coil when the discharge current drops to zero (see Arkhipov Yu. Automated ignition unit. Radio Yearbook 91. M. Patriot, 1991, p. 104). In this case, the second phase of the discharge, due to the energy stored in the magnetic field of the coil, occurs without a pause, i.e. the discharge period will abruptly change direction without interrupting the discharge.

С этого момента электромагнитный процесс в предлагаемой системе зажигания начинает отличаться от процесса в известных системах. Эти отличия начинаются с того, что при прерывании транзистором 5 тока в первичной обмотке катушки 1 часть энергии катушки, приходящаяся на эту обмотку, через диоды 2 и 9 переходит в конденсатор 7, практически мгновенно подготавливая его к новому циклу. В известных системах зажигания указанная часть энергии катушки не только рассеивается бесполезно, но и создает опасные перенапряжения на транзисторе, для защиты которого вводят специальную резистивно-конденсаторную цепь (см. Архипов Ю. Автоматизированный блок зажигания. Радиоежегодник 91, М. Патриот, 1991, с. 110). Необходимый уровень напряжения на конденсаторе 7 при зарядке от катушки зажигания обеспечивается за счет нормирования порции энергии, накопленной в катушке во время первой фазы разряда, что зависит от длительности этой фазы, напряжения вольтодобавки и параметров катушки зажигания. Высоковольтный источник накопления 8 с большим внутренним сопротивлением не способен к такому быстрому восстановлению напряжения на конденсаторе 7 и служит в данном случае лишь для некоторой дозарядки с целью компенсации тока утечки конденсатора. Этот источник представляет собой однотактный преобразователь на транзисторе и трансформаторе типа блокинг-генератора (см. Синельников А.Х. Электроника в автомобиле. М. Радио и связь, 1985, с. 41-44). From this moment, the electromagnetic process in the proposed ignition system begins to differ from the process in known systems. These differences begin with the fact that when the transistor 5 interrupts the current in the primary winding of coil 1, part of the energy of the coil falling on this winding passes through diodes 2 and 9 to capacitor 7, almost instantly preparing it for a new cycle. In known ignition systems, this part of the coil energy is not only uselessly dissipated, but also creates dangerous overvoltages on the transistor, to protect which a special resistive-capacitor circuit is introduced (see Arkhipov Yu. Automated ignition unit. Radio Yearbook 91, M. Patriot, 1991, p. . 110). The required voltage level on the capacitor 7 when charging from the ignition coil is ensured by normalizing the portion of energy accumulated in the coil during the first phase of the discharge, which depends on the duration of this phase, voltage boost and parameters of the ignition coil. The high-voltage storage source 8 with a large internal resistance is not capable of such a quick restoration of the voltage across the capacitor 7 and in this case serves only for some recharging in order to compensate for the leakage current of the capacitor. This source is a single-cycle converter on a transistor and a transformer of the blocking generator type (see Sinelnikov A.Kh. Electronics in a Car. M. Radio and Communications, 1985, pp. 41-44).

При приближении к концу второй фазы разряда и размагничивании сердечника катушки вновь открываются транзистор 5 и тиристор 6, чем обеспечивается повторение цикла из двух фаз разряда. Это повторение можно осуществлять много раз подряд, поддерживая непрерывно ток разряда, который лишь периодически изменяет полярность. When approaching the end of the second phase of the discharge and demagnetization of the core of the coil, the transistor 5 and the thyristor 6 open again, which ensures a repetition of a cycle of two phases of the discharge. This repetition can be carried out many times in a row, continuously supporting the discharge current, which only periodically changes polarity.

Таким образом, в системе зажигания возникают релаксационные колебания, за счет которых во вторичной обмотке катушки зажигания непрерывно выделяется энергия переменного тока. За счет выбора нужного количества циклов из двух фаз разряда, которое изменяется обратно пропорционально частоте вращения коленвала двигателя (прямо пропорционально периоду этого вращения), можно обеспечить охват электрическим разрядом свечи зажигания любого угла поворота коленвала вплоть до конца рабочего хода поршня. Это и позволяет создать наиболее широкий начальный фронт пламени в объеме топливной смеси, что обеспечивает наилучшую эффективность процесса сгорания. При этом переменный ток через свечу зажигания препятствует одностороннему переносу металла с одного электрода свечи на другой, что предотвращает эрозию электродов и не снижает срок службы свечей из-за увеличения длительности разряда. Thus, relaxation oscillations arise in the ignition system, due to which alternating current energy is continuously released in the secondary winding of the ignition coil. By selecting the desired number of cycles from two phases of the discharge, which varies inversely with the engine speed (directly proportional to the period of this rotation), it is possible to ensure that the spark plug covers the electric angle of any angle of rotation of the crankshaft up to the end of the piston stroke. This allows you to create the widest initial flame front in the volume of the fuel mixture, which ensures the best efficiency of the combustion process. In this case, alternating current through the spark plug prevents the one-way transfer of metal from one electrode to another, which prevents erosion of the electrodes and does not reduce the life of the spark due to the increase in discharge time.

Claims

RELAXATION-VIBRATION SYSTEM OF ELECTRONIC IGNITION OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE, containing a high-voltage circuit from a serial connection of a thyristor, a capacitor and an ignition coil, the first terminal of the primary winding of which is connected to the positive pole of the on-board network, and between the second pole of the on-board negative terminal , low-voltage source of voltage boost and transistor switch, control unit, the outputs of which are connected to the corresponding control yuschimi inputs thyristor and a transistor, characterized in that the high voltage circuit of the series connection of a thyristor and a capacitor connected in parallel with the first diode, the anode of the thyristor is connected to the anode of the first diode and the cathode of the thyristor is connected to the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the positive pole of the on-board network.