RU2070986C1

RU2070986C1 - Internal combustion engine electronic ignition system

Info

Publication number: RU2070986C1
Application number: RU94024874A
Authority: RU
Inventors: Виталий Васильевич Нижегородцев; Виктор Витальевич Нижегородцев; Алексей Владимирович Меньшенин
Original assignee: Виталий Васильевич Нижегородцев; Виктор Витальевич Нижегородцев; Алексей Владимирович Меньшенин
Priority date: 1994-07-11
Filing date: 1994-07-11
Publication date: 1996-12-27
Also published as: RU94024874A

Abstract

FIELD: transport. SUBSTANCE: after accumulation of energy in ignition coil, mean value of current through primary winding is stabilized by periodically opening coil supply circuit with provision of resonance charging of coil by connecting its primary winding to preliminarily charged reservoir capacitor. In process of stabilization, reservoir capacitor is disconnected from primary winding by first switch, leaving additional second switch, through which unilateral conduction element is connected to primary winding, closed. EFFECT: enhanced reliability of operation. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на транспортных средствах. The invention relates to electrical engineering and can be used on vehicles.

В классической системе зажигания при замыкании прерывателя ток через первичную обмотку катушки зажигания возрастает по экспоненциальному закону. В момент размыкания прерывателя во вторичной обмотке генерируется высокое напряжение, величина которого пропорциональна количеству энергии, запасенному в катушке зажигания за время протекания тока. In the classical ignition system, when the chopper closes, the current through the primary winding of the ignition coil increases exponentially. At the moment the interrupter opens, a high voltage is generated in the secondary winding, the value of which is proportional to the amount of energy stored in the ignition coil during the current flow.

Одним из недостатков классической системы является то, что с увеличением частоты вращения двигателя количество энергии, запасенное в катушке зажигания, уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения двигателя уменьшается время замкнутого состояния контактов прерывателя, и, соответственно, уменьшается ток через первичную обмотку катушки зажигания в момент размыкания контактов. Кроме того, величина тока через первичную обмотку катушки зажигания в момент размыкания контактов прерывателя (ток разрыва) зависит от напряжения источника питания, что приводит к снижению мощности искровых разрядов при пуске двигателя, когда источником питания является аккумуляторная батарея. В большинстве серийно выпускаемых в настоящее время электронных систем зажигания реализован такой же, как и в классической системе, способ формирования тока через первичную обмотку катушки зажигания, т. е. этим системам присущи те же недостатки. One of the drawbacks of the classical system is that with increasing engine speed, the amount of energy stored in the ignition coil decreases. This is because with an increase in the engine speed, the closed state of the breaker contacts decreases, and, accordingly, the current through the primary winding of the ignition coil decreases at the moment the contacts open. In addition, the magnitude of the current through the primary winding of the ignition coil at the moment of opening the breaker contacts (rupture current) depends on the voltage of the power source, which leads to a decrease in the power of spark discharges when starting the engine when the battery is the power source. In the majority of currently commercially available electronic ignition systems, the method of generating current through the primary winding of the ignition coil is implemented in the same way as in the classical system, i.e., these systems have the same disadvantages.

Известны электронные системы зажигания, в которых ток разрыва стабилизируется на требуемом уровне путем перевода прерывающего транзисторного ключа, включенного в цепь питания первичной обмотки катушки зажигания, в активное состояние (патент США N 4949697, кл. F 02 P 3/05, 1990). Known electronic ignition systems in which the rupture current is stabilized at the required level by transferring the interrupting transistor switch included in the power supply circuit of the primary winding of the ignition coil to the active state (US patent N 4949697, CL F 02 P 3/05, 1990).

Основной недостаток таких систем заключается в том, что в процессе стабилизации в прерывающем ключе выделяется большая мощность, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента полезного действия системы и снижению ее надежности. The main disadvantage of such systems is that in the stabilization process, a large amount of power is allocated in a discontinuous manner, which in turn leads to a decrease in the system's efficiency and a decrease in its reliability.

За прототип принята система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая катушку зажигания, в цепь питания которой включен прерывающий ключ, источник сигналов зажигания, выход которого соединен с входом управления прерывающего ключа, схему импульсной стабилизации, вход которой подключен к датчику тока в первичной обмотке катушки зажигания, а выход к входу управления прерывающего ключа, и элемент м односторонней проводимостью, шунтирующий первичную обмотку (заявка Великобритании N 2163213, кл. F 02 P 3/05, 1986). В данной системе зажигания элемент с односторонней проводимостью выполнен управляемым. В виде тиристора, который в процессе стабилизации периодически открывается, предотвращая резкое уменьшение тока через первичную обмотку и возникновение искры. The prototype is an ignition system of an internal combustion engine containing an ignition coil, the interrupt key is included in the power circuit, an ignition signal source, the output of which is connected to the interrupt key control input, a pulse stabilization circuit, the input of which is connected to a current sensor in the primary winding of the ignition coil, and the output to the control input of the interrupt key, and a single-sided conduction element m shunting the primary winding (UK application N 2163213, CL F 02 P 3/05, 1986). In this ignition system, an element with one-sided conductivity is made controllable. In the form of a thyristor, which periodically opens during the stabilization process, preventing a sharp decrease in current through the primary winding and the occurrence of a spark.

К недостаткам такого технического решения можно отнести то, что при открытии тиристора в процессе стабилизации имеет место достаточно длительный переходный процесс, а следовательно на первичной и вторичной обмотках возникают большие выбросы напряжения. Это может послужить причиной выхода из строя элементов схемы и снижает ее электробезопасность. Кроме того, для запирания тиристора, так же как и для его отпирания требуется некоторое время. Если при поступлении сигнала зажигания тиристор будет открыт (что вполне вероятно, так как время открытого состояния тиристора в процессе стабилизации примерно равно времени его закрытого состояния) это приведет к уменьшению скорости спада тока в первичной обмотке, а следовательно к снижению вторичного напряжения. В выбранной за прототип системе зажигания, как и в классической, первичная обмотка катушки зажигания подключена непосредственно к аккумуляторной батарее, и ток в ней нарастает по экспоненциальному закону, т. е. для нормального функционирования системы в ней должен быть использован сильноточный источник питания. Причем, из-за наличия паразитных индуктивностей в низковольтной цепи такая система не позволяет обеспечить крутые фронты при переключении прерывающего ключа, что приводит к снижению ее коэффициента полезного действия. The disadvantages of this technical solution include the fact that when the thyristor is opened in the stabilization process, a fairly long transition process takes place, and therefore large voltage surges occur on the primary and secondary windings. This can cause a failure of the circuit elements and reduces its electrical safety. In addition, it takes some time to lock the thyristor, as well as to unlock it. If the thyristor is opened upon receipt of the ignition signal (which is quite likely, since the open time of the thyristor in the stabilization process is approximately equal to the time of its closed state), this will lead to a decrease in the current decay rate in the primary winding and, consequently, to a decrease in the secondary voltage. In the ignition system chosen for the prototype, as in the classical one, the primary winding of the ignition coil is connected directly to the battery, and the current in it increases exponentially, i.e., for the normal functioning of the system, a high-current power source must be used in it. Moreover, due to the presence of parasitic inductances in the low-voltage circuit, such a system does not allow for steep fronts when switching an interrupt switch, which leads to a decrease in its efficiency.

Изобретение позволяет устранить указанные недостатки и обеспечить стабильное искрообразование на всех режимах работы двигателя. Предлагаемая система зажигания является простой, экономичной, экологичной и надежной в работе. The invention allows to eliminate these disadvantages and to ensure stable sparking at all engine operating modes. The proposed ignition system is simple, economical, environmentally friendly and reliable in operation.

Указанный результат достигается тем, что система зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая катушку зажигания, в цепь питания которой включен первый ключ, соединенный с источником сигналов зажигания, схему сравнения, первый вход которой подключен к датчику тока в первичной обмотке катушки зажигания, а второй вход подключен к элементу опорного напряжения, выход схемы сравнения подключен к входу схемы коммутации, выход которой подключен к входу управления первого ключа, и элемент с односторонней проводимостью, шунтирующий первичную обмотку, снабжена элементом "резонансной зарядки" и стабилизации тока в катушке зажигания, выполненным в виде накопительного конденсатора, и дополнительным вторым ключом, включенным последовательно с элементом с односторонней проводимостью в цепь шунтирования первичной обмотки, причем источник сигналов зажигания через схему коммутации подключен к входу управления второго ключа. Элемент с односторонней проводимостью может быть выполнен в виде диода, а датчик тока в виде измерительного сопротивления, включенного в цепь шунтирования первичной обмотки. This result is achieved by the fact that the ignition system of the internal combustion engine containing the ignition coil, in the power supply circuit of which is included the first key connected to the ignition signal source, a comparison circuit, the first input of which is connected to the current sensor in the primary winding of the ignition coil, and the second input is connected to the reference voltage element, the output of the comparison circuit is connected to the input of the switching circuit, the output of which is connected to the control input of the first key, and the element with one-sided conductivity shunting the first The primary winding is equipped with an element of "resonant charging" and stabilizing the current in the ignition coil, made in the form of a storage capacitor, and an additional second key connected in series with the element with one-sided conductivity in the bypass circuit of the primary winding, and the ignition signal source is connected to the input through the switching circuit control of the second key. The element with one-sided conductivity can be made in the form of a diode, and the current sensor in the form of a measuring resistance included in the primary winding bypass circuit.

Под "резонансной зарядкой" и стабилизацией тока в катушке зажигания подразумеваются нестационарные процессы, возникающие в LC-контуре, образованном первичной обмоткой и накопительным конденсатором (элементом "резонансной зарядки"), которые ведут к увеличению энергии в катушке зажигания. By "resonant charging" and current stabilization in the ignition coil we mean non-stationary processes that occur in the LC circuit formed by the primary winding and the storage capacitor (element of the "resonant charging"), which lead to an increase in energy in the ignition coil.

В предлагаемой системе зажигания обеспечивают "резонансную зарядку" катушки зажигания путем подключения ее первичной обмотки к цепи питания, состоящей из предварительно заряженного накопительного конденсатора, включенного параллельно катушке зажигания, и аккумуляторной батареи, а во время стабилизации отключают цепь питания от первичной обмотки первым ключом, оставляя второй ключ, через который к первичной обмотке катушки зажигания подключен элемент с односторонней проводимостью, замкнутым. Амплитуда пульсации тока в первичной обмотке катушки зажигания в процессе стабилизации может быть задана либо путем фиксации времени закрытого состояния первого ключа, либо путем фиксации значения тока, при котором данный ключ открывают. В последнем случае, для уменьшения частоты срабатывания первого ключа, измерительное сопротивление включают в цепь шунтирования первичной обмотки. Использование нестационарных процессов, при формировании тока в катушке зажигания, возникающих в LC-контуре, образованном первичной обмоткой и накопительным конденсатором, позволяет значительно уменьшить потребляемый системой зажигания ток и запасать в катушке требуемое количество энергии даже при наиболее тяжелых режимах работы системы, в частности при пуске от разряженного аккумулятора в условиях отрицательных температур. Для обеспечения предлагаемого формирования тока в катушке зажигания емкость накопительного конденсатора выбирают из условия образования с катушкой зажигания LC-контура, в котором должны возникать затухающие электрические колебания. Включение в цепь шунтирования первичной обмотки дополнительного второго ключа обеспечивает возможность выполнения элемента с односторонней проводимостью в виде высокочастотного диода. The proposed ignition system provides "resonant charging" of the ignition coil by connecting its primary winding to a power circuit consisting of a pre-charged storage capacitor connected in parallel with the ignition coil and a battery, and during stabilization, disconnect the power circuit from the primary winding with the first key, leaving the second key, through which an element with one-sided conductivity, closed, is connected to the primary winding of the ignition coil. The amplitude of the current ripple in the primary winding of the ignition coil during stabilization can be set either by fixing the time of the closed state of the first key, or by fixing the current value at which this key is opened. In the latter case, to reduce the response frequency of the first key, the measuring resistance is included in the primary winding bypass circuit. The use of non-stationary processes during the formation of current in the ignition coil occurring in the LC circuit formed by the primary winding and the storage capacitor can significantly reduce the current consumed by the ignition system and store the required amount of energy in the coil even under the most difficult operating conditions of the system, in particular during start-up from a discharged battery in freezing temperatures. To ensure the proposed formation of current in the ignition coil, the capacitance of the storage capacitor is selected from the condition of formation of an LC circuit with the ignition coil, in which damped electrical oscillations should occur. The inclusion in the bypass circuit of the primary winding of an additional second key provides the ability to perform an element with one-sided conductivity in the form of a high-frequency diode.

Изобретение может быть реализовано в системе с несколькими катушками зажигания, при этом один первый ключ может работать на несколько катушек, цепь шунтирования каждой из которых в момент искрообразования размыкается с помощью отдельного второго ключа. The invention can be implemented in a system with several ignition coils, while one first key can operate on several coils, the shunt circuit of each of which at the time of sparking is opened using a separate second key.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы зажигания; на фиг. 2 график изменения тока в первичной обмотке катушки зажигания. In FIG. 1 is a functional diagram of an ignition system; in FIG. 2 is a graph of the change in current in the primary winding of the ignition coil.

Система содержит катушку зажигания 8, схему коммутации 4, представляющую собой транзисторный каскад, через который питается цепь базы первого ключа 7, схему сравнения 3, элемент "резонансной зарядки", выполненный в виде конденсатора 10, дополнительный второй ключ 9, подключенный к второму выходу схемы коммутации 4, источник питания, выполненный в виде аккумуляторной батареи 1, датчик тока, выполненный в виде измерительного сопротивления 6, элемент опорного напряжения 2, источник сигналов зажигания, выполненный в виде прерывателя 5, и элемент с односторонней проводимостью, выполненный в виде высокочастотного диода 11. The system contains an ignition coil 8, a switching circuit 4, which is a transistor stage through which the base circuit of the first key 7 is fed, a comparison circuit 3, a resonant charging element made in the form of a capacitor 10, an additional second key 9 connected to the second output of the circuit switching 4, a power source made in the form of a battery 1, a current sensor made in the form of a measuring resistance 6, a reference voltage element 2, an ignition signal source made in the form of a chopper 5, and an element with about nostoronney conductivity configured in the form of a high-frequency diode 11.

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

Перед накоплением энергии прерыватель 5 системы зажигания разомкнут, ключи 7 и 9 закрыты, а накопительный конденсатор 10 заряжен до напряжения аккумуляторной батареи 1. При замыкании контакта прерывателя 5 блок 4 выдает сигналы, включающие транзисторные ключи 7 и 9. Первичная обмотка катушки зажигания 8 подключается к накопительному конденсатору 10 и аккумуляторной батарее 1 и ток через нее начинает увеличиваться. Емкость конденсатора 10 такова, что он образует с первичной обмоткой LC-контур, т.е. контур, в котором должны возникать затухающие электрические колебания. Следовательно, ток через первичную обмотку и через измерительное сопротивление 6 нарастает по гармоническому закону. На фиг. 2 показан процесс изменения тока в первичной обмотке катушки зажигания (участок 1), из которого видно, что используется лишь начальный участок синусоиды (показана пунктиром). С помощью блока 3 измеряется падение напряжения на сопротивлении 6 и, при достижении током величины Imax, блок 3 выдает сигнал на блок 4, который запирает транзистор 7, отключая обмотку катушки зажигания 8 от конденсатора 10. Ток через первичную обмотку после этого начинает плавно уменьшаться (участок 2 на фиг. 2), т.к. второй ключ 9 остается замкнутым и ЭДС самоиндукции, возникающая в первичной обмотке катушки зажигания 8, приводит к возникновению тока в замкнутой цепи, состоящей из первичной обмотки катушки зажигания 8, второго ключа 8, высокочастотного диода 11 и измерительного сопротивления 6. При уменьшении тока через первичную обмотку до I_min, блок 4 повторно включает первый ключ 7. Таким образом, через первичную обмотку поддерживается среднее значение тока I_ст, соответствующее количеству энергии, необходимому для создания искры, надежно воспламеняющей рабочую смесь. При размыкании контакта прерывателя 5 блоки 4 переводит транзисторы 7 и 9 в состояние отсечки. Ток через первичную обмотку в результате этого резко падает (участок 3 на фиг. 2), обеспечивая генерирование во вторичной обмотке высокого напряжения и возникновения искры в разрядном промежутке одной из свечей зажигания.Before the energy is stored, the ignition system interrupter 5 is open, the keys 7 and 9 are closed, and the storage capacitor 10 is charged to the voltage of the battery 1. When the contact of the interrupter 5 is closed, unit 4 gives signals including transistor keys 7 and 9. The primary winding of the ignition coil 8 is connected to the storage capacitor 10 and the battery 1 and the current through it begins to increase. The capacity of the capacitor 10 is such that it forms an LC circuit with the primary winding, i.e. circuit in which damped electrical oscillations should occur. Therefore, the current through the primary winding and through the measuring resistance 6 increases according to a harmonic law. In FIG. Figure 2 shows the process of changing the current in the primary winding of the ignition coil (section 1), from which it is seen that only the initial section of the sinusoid is used (shown by a dotted line). Using block 3, the voltage drop across resistance 6 is measured and, when the current reaches Imax, block 3 gives a signal to block 4, which locks the transistor 7, disconnecting the ignition coil 8 from the capacitor 10. The current through the primary winding then begins to decrease smoothly ( section 2 in Fig. 2), because the second key 9 remains closed and the self-induction EMF that occurs in the primary winding of the ignition coil 8 leads to a current in a closed circuit consisting of the primary winding of the ignition coil 8, the second key 8, a high-frequency diode 11 and measuring resistance 6. When the current decreases through the primary winding up to I _min , block 4 repeatedly turns on the first key 7. Thus, through the primary winding an average current value I _{st is} maintained, corresponding to the amount of energy required to create a spark, reliably flammable th working mixture. When opening the contact of the chopper 5 blocks 4 puts the transistors 7 and 9 in the cut-off state. The current through the primary winding as a result of this drops sharply (section 3 in Fig. 2), ensuring the generation of high voltage in the secondary winding and the occurrence of a spark in the discharge gap of one of the spark plugs.

Claims

1. An electronic ignition system of an internal combustion engine, comprising an ignition coil, in the power circuit of which a first key is connected, connected to a source of ignition signals through a switching circuit, a comparison circuit, the first input of which is connected to a current sensor in the primary winding of the ignition coil, and the second input is connected to the reference voltage element, the output of the comparison circuit is connected to the input of the switching circuit, the output of which is connected to the control input of the first key, and the element with one-sided conductivity, shunting the primary winding, characterized in that it is equipped with a resonant charging element of the ignition coil, made in the form of a storage capacitor connected in parallel to the power source, and an additional second key connected in series with the element with one-sided conductivity in the bypass circuit of the primary winding, and the source of ignition signals through the switching circuit is connected to the control input of the second key.

2. The system according to claim 1, characterized in that the element with one-sided conductivity is made in the form of a diode.

3. The system of claims. 1 and 2, characterized in that the current sensor is made in the form of a measuring resistance included in the bypass circuit of the primary winding.