RU2171392C2

RU2171392C2 - Method of and device for forming mutliple-pulse excitation duty of ignition coil of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2171392C2
Application number: RU99118993A
Authority: RU
Inventors: А.Ф. Репин; Ю.В. Сальников; С.А. Сороков; В.В. Титов
Original assignee: Репин Александр Федорович; Сальников Юрий Васильевич; Сороков Сергей Александрович; Титов Валерий Вадимович
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2001-07-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines; ignition systems. SUBSTANCE: according to proposed method current pulse burst limited in duration is formed in primary winding of ignition coil. First pulse jumps spark gap and causes beginning of oscillatory process creating multiple-pulse duty. Subsequent pulses cause additional activation of electric discharge and more complete combustion and fuel-air mixture. These pulses are formed at frequency of self-excited oscillation process at time intervals when direction of current in primary winding caused by self- excited oscillation process coincides with direction of current from supply source. Device for implementing the method has supply source, control signal shaper, ignition coil, spark gap, capacitor and switch-generator with feedback circuit providing self-excited oscillation process. To increase energy of spark, ignition coil is supplied from single-pulse step-up supply converter when second and subsequent pulses are formed. EFFECT: improved efficiency of ignition of fuel-air mixture. 6 cl, 6 dwg

Description

Использование: в двигателестроении. Usage: in engine building.

Известен способ создания искровых разрядов в камере сгорания ДВС путем формирования нескольких дополнительных импульсов тока с параметрами первого в первичной обмотке катушки зажигания, приводящих к дополнительным искровым разрядам в искровом промежутке, причем момент начала формирования каждого дополнительного импульса тока совпадает с моментом окончания высоковольтного импульса напряжения на вторичной обмотке катушки зажигания, вызванного предыдущим импульсом тока в первичной обмотке катушки зажигания. There is a method of creating spark discharges in the combustion chamber of an internal combustion engine by generating several additional current pulses with the parameters of the first in the primary winding of the ignition coil, leading to additional spark discharges in the spark gap, and the moment of formation of each additional current pulse coincides with the end of the high-voltage voltage pulse on the secondary the coil of the ignition coil caused by a previous current pulse in the primary winding of the ignition coil.

Известный способ имеет следующие недостатки:
- получение нескольких искровых разрядов в цикле сжатия порции рабочей смеси возможно только при исчезновении сильно нагретого ионизированного канала, возникающего между электродами искрового промежутка во время электрического разряда, что приводит к ухудшению воспламеняемости и сгорания рабочей смеси на режимах частичных нагрузок;
- начало формирования первого импульса тока в первичной обмотке катушки зажигания после получения сигнала от датчика положения коленчатого вала, соответствующего моменту зажигания, приводит к необходимости применения вторичного источника постоянного тока повышенного напряжения для питания системы зажигания, что делает ее несовместимой с применяемой в настоящее время элементной базой электрооборудования автомобилей и других изделий, в которых используются ДВС.The known method has the following disadvantages:
- obtaining several spark discharges in the compression cycle of a portion of the working mixture is possible only when the highly heated ionized channel arising between the electrodes of the spark gap during the electric discharge disappears, which leads to a deterioration in the flammability and combustion of the working mixture under partial load conditions;
- the beginning of the formation of the first current pulse in the primary winding of the ignition coil after receiving a signal from the crankshaft position sensor corresponding to the ignition moment, necessitates the use of a secondary DC voltage source to supply voltage to the ignition system, which makes it incompatible with the currently used element base electrical equipment of cars and other products that use ICE.

Известна система зажигания, функционирующая путем подачи на вход электронного ключа серии управляющих импульсов с частотой, равной или в целое число раз меньшей резонансной частоты LC-контура, образованного катушкой зажигания и емкостным элементом. A known ignition system that operates by supplying a series of control pulses to the electronic key input with a frequency equal to or an integer number of times lower than the resonant frequency of the LC circuit formed by the ignition coil and the capacitive element.

Недостатком технических решений данной системы зажигания является невозможность обеспечения кратности выходной частоты блока формирования серии импульсов и резонансной частоты колебательного контура во всех реальных режимах работы двигателя и при изменении условий во вторичной цепи из-за наличия отдельного формирования серии импульсов, не учитывающего эти изменения. A drawback of the technical solutions of this ignition system is the impossibility of ensuring the multiplicity of the output frequency of the block for generating a series of pulses and the resonant frequency of the oscillatory circuit in all real operating modes of the engine and when the conditions in the secondary circuit change due to the presence of a separate formation of a series of pulses that does not take these changes into account.

Целью изобретения является повышение эффективности воспламенения топливовоздушной смеси. The aim of the invention is to increase the ignition efficiency of the air-fuel mixture.

Поставленная цель достигается тем, что в первичной обмотке катушки зажигания формируется несколько импульсов тока, прерывание которых вызывает импульсы первичного напряжения, трансформируемые катушкой зажигания в высоковольтные импульсы вторичной цепи, первый из которых, формируемый путем прерывания тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания до сигнала от датчика углового положения коленчатого вала двигателя, соответствующего моменту зажигания, обеспечивающий пробой искрового промежутка и образование плазменного канала, вызывает начало автоколебательного процесса, создающего многоимпульсный режим возбуждения катушки зажигания, а последующие формируются после момента зажигания путем прерывания тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания при подключении ее к источнику питания для многократного частичного восполнения энергии магнитного поля катушки зажигания с частотой автоколебательного процесса в интервалы времени, когда направление тока в ней, вызванного автоколебательным процессом, совпадает с направлением тока от источника питания, увеличивая энергию искрового процесса и создавая в плазменном канале значительные импульсные токи, что приводит к расширению фронта воспламенения топливовоздушной смеси и более полному ее сгоранию, причем данный способ возбуждения катушки зажигания позволяет питать ее от моноимпульсного повышающего преобразователя бортового питания после окончания первого и при формировании второго и последующих импульсов, что дополнительно увеличивает энергию искры за счет увеличения количества импульсов тока и их амплитуды во время автоколебательного процесса. This goal is achieved by the fact that several current pulses are generated in the primary winding of the ignition coil, the interruption of which causes primary voltage pulses transformed by the ignition coil into high-voltage pulses of the secondary circuit, the first of which is formed by interrupting the current flowing in the primary winding of the ignition coil to the signal from the sensor of the angular position of the crankshaft of the engine corresponding to the moment of ignition, providing a breakdown of the spark gap and the formation of a plasma fusion, causes the start of a self-oscillating process, creating a multi-pulse mode of excitation of the ignition coil, and the subsequent ones are formed after the moment of ignition by interrupting the current flowing in the primary winding of the ignition coil when it is connected to a power source for multiple partial replenishment of the magnetic field energy of the ignition coil with a frequency of the self-oscillating process in time intervals when the direction of the current in it, caused by a self-oscillating process, coincides with the direction of the current from the source It increases the energy of the spark process and creates significant pulsed currents in the plasma channel, which leads to an expansion of the ignition front of the air-fuel mixture and its more complete combustion, and this method of excitation of the ignition coil allows it to be fed from a monopulse boost on-board power converter after the first and during the formation second and subsequent pulses, which additionally increases the energy of the spark by increasing the number of current pulses and their amplitude during auto oscillatory process.

Пример устройства, осуществляющего данный способ, вариант 1, представлен на фиг. 1. На фиг. 2 представлен пример варианта 2 с применением интегральной транзисторной структуры, в которой обратная связь реализуется за счет накопления заряда, что не требует внешних элементов. На фиг. 3 представлен пример варианта 3 с использованием известных коммутаторов для накопления энергии в катушке зажигания до момента зажигания и первичного прерывания в ней тока в момент зажигания и отдельного узла для формирования второго и последующих импульсов на первичной обмотке катушки зажигания. На фиг. 4 представлен пример варианта 4 с питанием катушки зажигания и ключа-генератора после окончания первого и формирования второго и последующих импульсов от моноимпульсного повышающего преобразователя. На фиг. 5 показаны диаграммы токов и напряжений на ключе-генераторе. На фиг. 6 показаны диаграммы токов и напряжений для устройства варианта 4 с моноимпульсным повышающим преобразователем бортового питания. An example of a device implementing this method, option 1, is shown in FIG. 1. In FIG. Figure 2 shows an example of option 2 using an integrated transistor structure in which feedback is realized due to the accumulation of charge, which does not require external elements. In FIG. Figure 3 shows an example of option 3 using known switches for storing energy in the ignition coil until the moment of ignition and primary interruption of the current in it at the moment of ignition and a separate unit for generating the second and subsequent pulses on the primary winding of the ignition coil. In FIG. 4 shows an example of option 4 with power supply to the ignition coil and the key generator after the first and the formation of the second and subsequent pulses from the monopulse boost converter. In FIG. 5 shows diagrams of currents and voltages on a key generator. In FIG. 6 shows diagrams of currents and voltages for the device of embodiment 4 with a monopulse boost converter for on-board power supply.

Устройство, осуществляющее данный способ вариант 1, представленное на фиг. 1, содержит источник бортового питания 1, формирователь управляющего напряжения 2, который может быть совмещен с датчиком углового положения коленчатого вала двигателя 6 в зависимости от типа этого датчика, ключ-генератор 3 с обратной связью 7, имеющий выводы 21, 22, 23 и 24, катушку зажигания 4, конденсатор 8, искровой промежуток 5. The device implementing this method, option 1, shown in FIG. 1, contains an onboard power supply 1, a control voltage shaper 2, which can be combined with a crankshaft angular position sensor 6 depending on the type of this sensor, a key generator 3 with feedback 7, which has terminals 21, 22, 23 and 24 , ignition coil 4, capacitor 8, spark gap 5.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

До момента зажигания от формирователя 2, управляемого датчиком положения коленчатого вала двигателя 6, на вход 21 ключа-генератора 3 подается низкий уровень управляющего напряжения; транзистор 14 закрыт, транзистор 15 открыт, через первичную обмотку катушки зажигания 4 протекает ток, и в катушке зажигания 4 накапливается энергия. В момент зажигания высокий уровень управляющего напряжения от формирователя 2 на входе 21 открывает транзистор 14, закрывая транзистор 15. Начинается спад тока в первичной обмотке катушки зажигания 4 и в колебательном контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания 4 и конденсатором 8, развивается резонансный колебательный процесс, в начале которого ток течет от источника бортового питания 1 через первичную обмотку катушки зажигания 4 в конденсатор 8, заряжая его до напряжения, амплитуда которого определяется параметрами колебательного контура и величиной тока, протекающего через катушку зажигания 4 к моменту зажигания, а так же в конденсатор 20 через диод 18 и резистор 19 обратной связи 7, поддерживая процесс включения транзистора 14 через резистор 17. Until the moment of ignition from the driver 2, controlled by the position sensor of the crankshaft of the engine 6, a low level of control voltage is applied to the input 21 of the generator key 3; transistor 14 is closed, transistor 15 is open, current flows through the primary winding of ignition coil 4, and energy is accumulated in ignition coil 4. At the moment of ignition, a high level of control voltage from the driver 2 at the input 21 opens the transistor 14, closing the transistor 15. The current begins to decline in the primary winding of the ignition coil 4 and in the oscillating circuit formed by the primary winding of the ignition coil 4 and capacitor 8, a resonant oscillatory process develops, at the beginning of which the current flows from the on-board power supply 1 through the primary winding of the ignition coil 4 to the capacitor 8, charging it to a voltage whose amplitude is determined by the parameters of the the entire circuit and the magnitude of the current flowing through the ignition coil 4 to the moment of ignition, as well as to the capacitor 20 through the diode 18 and the feedback resistor 19, supporting the process of turning on the transistor 14 through the resistor 17.

Резисторы 9, 10, 11 задают начальное смещение транзистора 14, а резистор 13 задает включающий ток базы транзистора 15. Далее конденсатор 8 начинает разряжаться через первичную обмотку катушки зажигания 4, вызывая нарастание в ней инверсного тока с направлением от земляной шины к источнику бортового питания 1. На этом этапе происходит пробой искрового промежутка 5, а на левом (по схеме) выводе конденсатора 20 появляется отрицательное напряжение, которое по цепи: диод 16, резистор 11 обратной связи 7 закрывает транзистор 14 ключа-генератора 3, переводя транзистор 15 в открытое состояние и начиная автоколебательный процесс в ключе-генераторе 3. Диод 12 ограничивает отрицательный потенциал на базе транзистора 14 на безопасном уровне после его запирания. Resistors 9, 10, 11 specify the initial bias of the transistor 14, and the resistor 13 sets the switching current of the base of the transistor 15. Next, the capacitor 8 begins to discharge through the primary winding of the ignition coil 4, causing an increase in the inverse current in it from the ground bus to the onboard power supply 1 At this stage, the breakdown of the spark gap 5 occurs, and a negative voltage appears on the left (according to the circuit) terminal of the capacitor 20, which along the circuit: diode 16, feedback resistor 11 closes the transistor 14 of the generator key 3, translating tr nzistor 15 in an open state and starting a self-oscillating process in the key generator 3. Diode 12 limits the negative potential on the base of the transistor 14 at a safe level after closing.

Первичная обмотка катушки зажигания 4 оказывается подключенной к источнику бортового питания 1 и в ней начинает нарастать ток от него к земляной шине, частично восполняя энергию магнитного поля катушки зажигания 4. Через промежуток времени, определяемый длительностью отрицательной полуволны колебания на резонансной частоте колебательного контура и временными характеристиками цепи обратной связи 7, транзистор 14 открывается, закрывая транзистор 15, что прерывает ток в первичной обмотке катушки зажигания 4 и формирует на ней дополнительный импульс напряжения, который трансформируется во вторичную цепь и поддерживает ток в искровом промежутке. Далее процесс, являясь автоколебательным, повторяется, при этом энергия в колебательном контуре убывает от импульса к импульсу, обеспечивая формирование на первичной обмотке катушки зажигания 4 ограниченной по длительности пачки импульсов напряжения. The primary winding of the ignition coil 4 is connected to the on-board power supply 1 and the current begins to increase in it from it to the earth bus, partially replenishing the energy of the magnetic field of the ignition coil 4. After a period of time determined by the duration of the negative half-wave of oscillation at the resonant frequency of the oscillating circuit and time characteristics feedback loop 7, the transistor 14 opens, closing the transistor 15, which interrupts the current in the primary winding of the ignition coil 4 and forms additional voltage pulse, which is transformed into a secondary circuit and maintains the current in the spark gap. Further, the process, being self-oscillating, is repeated, while the energy in the oscillatory circuit decreases from pulse to pulse, ensuring the formation on the primary winding of the ignition coil 4 of a limited duration of a packet of voltage pulses.

Устройство вариант 2 фиг. 2 отличается от варианта 1 тем, что цепь обратной связи в ключе-генераторе 3 реализуется интегральной транзисторной структурой 25, в которой обратная связь возникает за счет накопления заряда в инверсном режиме при появлении отрицательного напряжения на ее коллекторе и протекании через нее инверсного тока, вызванного резонансным колебательным процессом в колебательном контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания 4 и конденсатором 8, в направлении от земляной шины к источнику питания 1, который (ток) обеспечивает накопление заряда, препятствующего на время его рассасывания переходу транзисторной структуры в закрытое состояние, когда напряжение на коллекторе станет положительным, что обеспечивает поддержание автоколебательного процесса с частичным восполнением энергии в катушке зажигания 4. Резистор 25 выполняет функции резисторов 10, 11 варианта 1. Device variant 2 of FIG. 2 differs from option 1 in that the feedback circuit in the key generator 3 is implemented by an integrated transistor structure 25, in which feedback occurs due to the accumulation of charge in the inverse mode when a negative voltage appears on its collector and an inverse current flows through it due to the resonant oscillatory process in the oscillatory circuit formed by the primary winding of the ignition coil 4 and the capacitor 8, in the direction from the ground bus to the power source 1, which (current) provides the accumulation of series, while it is inhibited to move resorption transistor structure in the closed state when the voltage at the collector to be positive, that provides a self-oscillation process with a partial replenishment of energy in the ignition coil 4. The resistor 25 serves as the resistors 10, 11 of Embodiment 1.

Устройство вариант 3 фиг. 3 отличается от вариантов 1 и 2 тем, что прерывание тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания 4 до сигнала от формирователя управляющего напряжения 2, осуществляет коммутатор 27, а формирование второго и последующих импульсов напряжения на первичной обмотке катушки зажигания 4 осуществляется ключ-генератор 3, выполненный согласно варианту 1 или варианту 2. Device variant 3 of FIG. 3 differs from options 1 and 2 in that the interruption of the current flowing in the primary winding of the ignition coil 4 to the signal from the driver of the control voltage 2 is carried out by the switch 27, and the generation of the second and subsequent voltage pulses on the primary winding of the ignition coil 4 is carried out by the key generator 3 made according to option 1 or option 2.

Устройство вариант 4 фиг. 4 отличается от вариантов 1, 2, 3 тем, что питание ключа-генератора 3 и катушки зажигания 4 после окончания первого и при формировании второго и последующих импульсов напряжения на ее первичной обмотке осуществляется от моноимпульсного повышающего преобразователя бортового питания, содержащего коммутатор 30, катушку индуктивности 32, развязывающие диоды 29 и 23, конденсатор 28, устанавливающий необходимую длительность выходного импульса преобразователя. Device variant 4 of FIG. 4 differs from options 1, 2, 3 in that the key generator 3 and the ignition coil 4 are fed after the first and the formation of the second and subsequent voltage pulses on its primary winding from the monopulse boost on-board power converter containing the switch 30, an inductor 32, decoupling diodes 29 and 23, the capacitor 28, which sets the required duration of the output pulse of the Converter.

До момента зажигания коммутаторы 27 и 30 открыты и в первичной обмотке катушки зажигания 4 через диод 29 и в катушке индуктивности 32 текут токи и в обеих катушках происходит накопление энергии от источника бортового питания 1. В момент зажигания оба коммутатора размыкают соответствующие цепи, источник бортового питания 1 отключается от катушки зажигания 4 и от катушки индуктивности 32. Until the moment of ignition, the switches 27 and 30 are open and currents flow through the diode 29 and in the inductor 32 through the diode 29 and in the inductor 32, and energy is accumulated in both coils from the on-board power supply 1. At the moment of ignition, both switches open the corresponding circuits, the on-board power source 1 is disconnected from the ignition coil 4 and from the inductor 32.

Дальнейшая работа коммутатора 27, ключа-генератора 3 и катушки зажигания 4 с конденсатором 8 не отличается от варианта 3 за исключением того, что после пробоя искрового промежутка 5 восполнение энергии в катушке зажигания 4 происходит от конденсатора 28, заряжаемого через развязывающий диод 33 током, протекавшим в катушке индуктивности 32 до выключения коммутатора 30. Получаемое на конденсаторе 28 напряжение превышает напряжение бортового питания, что обеспечивает восполнение энергии в катушке зажигания 4 во время автоколебательного процесса, создающего многоимпульсный режим возбуждения ее, импульсными токами, большими, чем при питании непосредственно от источника бортового питания. Штриховый линией показано подключение ключа-генератора 3 без использования отдельного коммутатора 25. Further operation of the switch 27, the key generator 3 and the ignition coil 4 with the capacitor 8 does not differ from option 3 except that after the breakdown of the spark gap 5, the energy in the ignition coil 4 is replenished from the capacitor 28, charged through the decoupling diode 33 by the current flowing in the inductor 32 until the switch 30 is turned off. The voltage obtained at the capacitor 28 exceeds the on-board supply voltage, which ensures energy replenishment in the ignition coil 4 during a self-oscillating process, s It generates a multi-pulse mode of excitation by pulsed currents greater than when powered directly from the on-board power source. The dashed line shows the connection of the generator key 3 without using a separate switch 25.

Применение способа и устройства позволяет:
- производить накопление энергии в катушке зажигания как до момента зажигания, так и после него, т.е. во время искрового разряда;
- избежать исчезновения сильного нагретого ионизированного канала между электродами искрового промежутка в течение всего времени искрового процесса;
- повысить мощность и эффективность искрового разряда;
- обеспечить более полное сгорания топливовоздушной смеси, снизить токсичность выхлопа и тепловую напряженность двигателя, сократить время пуска двигателя, получить снижение потерь на коммутирующем устройстве и повысить его надежность;
- использовать применяемую в настоящее время элементарную базу для реализации предлагаемого способа и устройства.The application of the method and device allows you to:
- accumulate energy in the ignition coil both before and after the ignition, i.e. during a spark discharge;
- to avoid the disappearance of a strong heated ionized channel between the electrodes of the spark gap during the entire time of the spark process;
- increase the power and efficiency of the spark discharge;
- to provide a more complete combustion of the air-fuel mixture, reduce exhaust toxicity and thermal stress of the engine, reduce engine start-up time, obtain reduced losses on the switching device and increase its reliability;
- use currently used elementary base for the implementation of the proposed method and device.

Claims

1. The method of formation of a multi-pulse mode of excitation of the ignition coil of an internal combustion engine, which consists in the fact that in the primary winding of the ignition coil a pack of current pulses of a limited duration is formed, the interruption of which causes primary voltage pulses transformed by the ignition coil into high-voltage pulses of a secondary circuit, characterized in that that the first pulse generated by interrupting the current flowing in the primary winding of the ignition coil before the signal from the angle sensor is I crankshaft of the engine corresponding to the moment of ignition, and providing a breakdown of the spark gap, causes the start of a self-oscillating process that creates a multi-pulse mode of excitation of the ignition coil, and the subsequent ones, causing additional activation of the electric discharge and more complete combustion of the air-fuel mixture, are formed after the moment of ignition by interrupting the current, flowing in the primary winding of the ignition coil when connected to a power source for multiple partial replenished energy of the magnetic field of the ignition coil with the frequency of the self-oscillating process at time intervals when the direction of the current in it, caused by the self-oscillating process, coincides with the direction of the current from the power source.

2. The method according to p. 1, characterized in that to increase the energy of the spark, the ignition coil is supplied with power during the formation of the second and subsequent pulses from a monopulse boost converter for on-board power supply.

3. A device for generating a multi-pulse excitation mode of the ignition coil of an internal combustion engine, comprising a power source, an ignition coil, an electronic key generator, a switching current in the primary winding of the ignition coil, a capacitor connected between the connection point of the electronic generator key and the primary winding and the earth bus a power source and forming an oscillating circuit with a primary winding of the ignition coil, a driver of the control signal, characterized in that it further comprises there is a feedback circuit, which, after a signal from the sensor of the angular position of the crankshaft of the engine corresponding to the ignition moment, ensures the existence of a self-oscillating process in the key generator, including it at times when the direction of the current in the primary winding of the ignition coil from the oscillatory process coincides with the direction of the current from the power source.

4. The device according to claim 3, characterized in that the feedback circuit is implemented in a switching current in the primary winding of the ignition coil by an integrated key transistor structure due to the accumulation of charge in the inverse mode when the inverse current flows through it, caused by the resonant oscillatory process in the oscillatory circuit, formed by the primary winding of the ignition coil and capacitor.

5. The device according to claim 3 or 4, characterized in that it further comprises a switch that generates a first voltage pulse on the primary winding of the ignition coil by interrupting the current flowing therein to the signal from the angular position sensor of the crankshaft of the engine corresponding to the moment of ignition, and the formation of the second and subsequent voltage pulses is carried out by a separate key generator.

6. The device according to one of claims 3 to 5, characterized in that for supplying the key generator and the ignition coil when forming the second and subsequent pulses, it further comprises a monopulse boost converter for on-board power supply, which includes a switch controlled by a signal from the crankshaft position sensor the motor, an inductor connected between the output of the switch and the onboard power supply, an isolation diode connected between the output of the switch and the output of the primary winding of the ignition coil, connected through the second decoupling diode with the on-board power supply, a capacitor connected between the connection point of the decoupling diodes with the output of the primary winding of the ignition coil and the earth bus.