RU2287080C1

RU2287080C1 - Система зажигания двс

Info

Publication number: RU2287080C1
Application number: RU2005113815/06A
Authority: RU
Inventors: Михаил Пантелеймонович Брижинёв (RU); Михаил Пантелеймонович Брижинёв
Original assignee: Михаил Пантелеймонович Брижинёв; Институт прикладной физики РАН
Priority date: 2005-05-05
Filing date: 2005-05-05
Publication date: 2006-11-10
Also published as: EP1887217A2; WO2006121368A3; CN100575696C; WO2006121368A2; CN101213366A

Abstract

Изобретение относится к области автомобилестроения, а именно к системам искрового зажигания двигателей внутреннего сгорания. Технический результат заключается в увеличении мощности искры и надежности искрообразования системы зажигания, что дает возможность повысить надежность работы двигателя в условиях низких температур и/или высокой влажности, а также при не очень высоком качестве топливно-воздушной смеси. Согласно изобретению система зажигания ДВС содержит катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмоток и магнитопровода, и разрядный промежуток, включенный в цепь вторичной обмотки катушки зажигания. При этом катушка зажигания изготовлена таким образом, что волновое сопротивление ρ колебательного контура, образованного индуктивностью и эффективной емкостью во вторичной обмотке, с учетом токов утечки лежит в интервале:

, где U_проб - минимальное значение напряжения на разрядном промежутке, при котором гарантированно происходит пробой, I_доп - максимально допустимый ток искрового разряда, при котором искра не переходит в низковольтный дуговой разряд. Обмотки катушки зажигания могут быть выполнены с увеличенным потоком рассеяния магнитного поля, например, в виде галеты, а магнитопровод катушки зажигания может быть изготовлен из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на частоту 400 Гц. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относиться к автомобилестроению, а именно к электронным системам зажигания двигателей внутреннего сгорания. Изобретение может быть использовано в системах искрового зажигания для более надежной работы двигателей в условиях низких температур и/или высокой влажности, а также при не очень высоком качестве топливно-воздушной смеси.

Известно устройство для увеличения плазменного объема искры в свече зажигания (пат. RU 2171909, М. кл. 7 F 02 P 3/04, F 02 P 3/08, публ. 2001 г.). Это устройство содержит последовательный LC-контур, подключенный параллельно искровому промежутку непосредственно около свечи зажигания, чтобы исключить влияние высокоомного провода вторичной цепи катушки зажигания. Устройство, продлевая время горения искры в 8-10 раз, увеличивает ее объем в 3-4 раза, повышает ионизирующее и тепловое действие. Это известное устройство решает задачу по увеличению тока искры, но при этом в схему вводятся дополнительные элементы. Основным недостатком такой системы зажигания является высокое волновое сопротивление колебательного контура ρ~1 МОм, образованного вторичной обмоткой катушки зажигания и эффективной емкостью в высоковольтной цепи катушки зажигания, которое легко шунтируется сопротивлением утечки в этой цепи.

Получить необходимую, регулируемую по времени, длительность непрерывного разряда позволяет релаксационно-колебательная система электронного зажигания ДВС (пат. RU 2054575, М. кл. 7 F 02 P 3/04, публ. 1996 г.). В систему зажигания ДВС, содержащую в первичной цепи катушки зажигания тиристорно-конденсаторный блок высокого напряжения, низковольтный блок вольтодобавки и транзисторный ключ, введены дополнительно два диода. Первый диод подключен параллельно цепи из тиристора и конденсатора и соединяет анод тиристора с блоком вольтодобавки. При этом второй диод соединяет среднюю точку тиристорно-конденсаторной цепи с выводом первичной обмотки катушки зажигания. Система зажигания создает релаксационные колебания, что позволяет поддерживать непрерывный ток разряда нужное время и формирует широкий начальный фронт пламени. Система зажигания обеспечивает эффективный процесс горения топливной смеси и повышает экономичность расхода топлива. Недостатком этой системы является введение дополнительных элементов. Использование стандартных существующих катушек зажигания не позволяет решить проблему высокого волнового сопротивления ρ колебательного контура вторичной обмотки катушки. Это снижает надежность работы и запуска двигателя в неблагоприятных условиях за счет шунтирования разрядного промежутка свечи сопротивлением утечки.

Облегчить запуск двигателя в неблагоприятных условиях, особенно в зимнее время, позволяет искровая система зажигания ДВС, известная по патенту RU 2107184, М. кл. 7 F 02 P 3/04, опубл. 1998. Эта система зажигания содержит последовательно соединенные преобразователь напряжения, удвоитель напряжения, стабилизатор напряжения, прерыватель, включенные в первичную обмотку катушки зажигания. А в цепь вторичной обмотки катушки зажигания перед разрядным промежутком свечи введен больший дополнительный искровой промежуток. Такая конструкция уменьшает нежелательное влияние токов утечки, при этом почти вся энергия идет на образование искры в свече зажигания. Но это не исключает емкостную фазу разряда, когда большая часть энергии тока в разрядном промежутке идет на разрушение электродов свечи. Другим недостатком является усложнение схемы, введение ряда дополнительных блоков для стабилизации напряжения и дополнительная эрозия материала на добавленном искровом промежутке.

Наибольшее количество общих элементов с предлагаемой системой зажигания содержит штатная система зажигания (см., например, С.В.Акимов, Ю.П.Чижов. "Электрооборудование автомобилей". Учебник для ВУЗов, стр.188-191. Изд. "За рулем", 2001 г.), которая выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа). Система зажигания-прототип содержит источник питания, коммутатор, катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмотки и магнитопровода, искровой промежуток, а также емкости и активные сопротивления в цепях первичной и вторичной обмоток катушки. Недостатком стандартной системы зажигания является ее ненадежная работа. Копоть и влага на изоляторе свечи, грязь и конденсат в распределителе зажигания и на высоковольтных проводах приводят к перебоям в работе двигателя или полному отказу всей системы зажигания. Особенно часто такие ситуации возникают при эксплуатации автомобиля зимой при низких температурах.

Анализ показывает, что в типовых системах зажигания значительная часть энергии, запасаемой в катушке зажигания, теряется в процессе формирования высокого напряжения на свече зажигания и при протекании разрядного тока в ней. Основные потери связаны с токами утечки в высоковольтной цепи, и, кроме того, есть значительные индукционные потери в магнитопроводе катушки и в процессе протекания емкостной фазы разряда.

Предлагаемым изобретением решается задача увеличения мощности искры и надежности искрообразования системы зажигания за счет исключения "непроизводительных" потерь путем согласования величины волнового сопротивления ρ контура, образованного индуктивностью и емкостью, входящих в состав системы зажигания, с параметрами искрового разряда - напряжением пробоя и током разряда.

Технический результат достигается тем, что предлагаемая система зажигания, так же как и прототип, содержит катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмоток и магнитопровода, и искровой промежуток, включенный в цепь вторичной обмотки катушки зажигания.

Новым в разработанной системе зажигания является то что, катушка зажигания изготовлена таким образом, что волновое сопротивление ρ колебательного контура, образованного индуктивностью и эффективной емкостью во вторичной обмотке, с учетом токов утечки, лежит в интервале:

,

где U_проб - минимальное значение напряжения на разрядном промежутке, при котором гарантированно происходит пробой,

I_доп - максимально допустимый ток искрового разряда. Максимальная величина тока разряда ограничена условием перехода процесса горения высоковольтной искры в режим низковольтного плазменно-дугового разряда, при котором основная энергия дуги идет не на нагрев ТВС, а на разрушение электродов свечи.

В частном случае целесообразно с целью исключения потерь при емкостной фазе разряда при изготовлении обмоток катушки зажигания делать их с увеличенным потоком рассеяния магнитного поля, например, в виде галеты.

В другом частном случае, с целью уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопровод катушки зажигания целесообразно изготавливать из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на частоту 400 Гц.

В процессе формирования высоковольтного напряжения неконтролируемые потери энергии связаны с токами утечки. Расчеты показывают, что наиболее типичное значение волнового сопротивления системы зажигания со стандартной катушкой составляет величину ρ~1 МОм. При наличии токов утечки в такой системе через сопротивление утечки, равное волновому, напряжение на искровом промежутке уменьшается практически вдвое, что приводит либо к отказу системы зажигания, либо к значительному уменьшению энергии искры.

В процессе горения искры основные потери энергии связаны с теплопроводностью топливно-воздушной смеси, и при малой мощности искры, даже при увеличении ее длительности, топливно-воздушная смесь может не воспламениться.

Обеспечение заявленного технического результата можно объяснить следующим образом.

Решение волнового уравнения для параллельного колебательного контура, которым является цепь вторичной обмотки системы зажигания, можно написать в виде напряжения в контуре:

где U_a - амплитудное значение напряжения, ω и t - частота и время, соответственно,

a L, С, R_ут - параметры контура в общепринятых обозначениях.

После выключения ключа в первичной цепи катушки зажигания напряжение достигает максимального значения при R_ут=ρ к моменту времени

. Необходимым условием возникновения искры в свече зажигания в этот момент является U_max≥U_проб, где

Из уравнения (2) для сопротивления утечки, при котором сохраняется условие пробоя разрядного промежутка, находим:

Из уравнения (3) находим величину волнового сопротивления ρ при минимальном значении сопротивления утечки:

Считая приемлемым условие надежной работы системы зажигания при R_ут, увеличенным в 1,5 раза относительно минимального, для волнового сопротивления ρ найдем интервал допустимых значений:

Учитывая, что типовые значения U_проб составляют ~10÷15 кВ, I_доп составляет ~0,3 А, получаем интервал числовых значений ρ, соответствующих условию (5):

Величина сопротивления утечки, при котором сохраняется работоспособность системы зажигания, находится из того же уравнения (3), и можно показать, что его минимальная величина равна волновому сопротивлению, т.е. R_ут=ρ.

На чертеже приведена эквивалентная схема предлагаемой системы зажигания.

Система зажигания содержит источник питания 1, активное сопротивление 2, конденсатор 3 и коммутатор 4, включенные в цепь первичной обмотки 5 катушки зажигания. Катушка зажигания включает в себя также магнитопровод, выполненный в виде магнитного сердечника 6, и вторичную обмотку 7, цепь которой содержит собственную индуктивность 8 вторичной обмотки 7, емкость 9, пересчитанную из первичной цепи, сопротивление утечки 10 и разрядный промежуток 11 свечи зажигания.

В качестве источника питания 1 используется аккумуляторная батарея, сопротивление 2 представляет собой активное сопротивление первичной цепи. Катушка зажигания изготавливается таким образом, что коэффициент трансформации составляет величину К≈15÷30. При этом получаем систему с волновым сопротивлением ρ≈100 кОм, соответствующим расчетному (4). Максимальное напряжение в первичной обмотке 5 катушки зажигания достигает величины 1000÷1500 В, что повышает требование к выбору элементной базы для коммутатора 4.

Магнитный сердечник 6 катушки зажигания может быть выполнен из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на рабочую частоту 400 Гц.

Вторичная обмотка 7 может также быть выполнена в виде галеты. При этом собственная индуктивность 8 вторичной обмотки 7 (не связанная магнитным потоком с первичной) ограничивает ток искры и исключает потери при емкостной фазе разряда.

Исходя из требования накопить определенную энергию в системе, необходимую для образования искры, параметры катушки выбираем такие же, как и для серийной катушки зажигания промышленного изготовления. В случае конкретной реализации индуктивность первичной обмотки 5 катушки зажигания составляет величину L≈4 мГн, ток в ней I≈6÷8 А, емкость конденсатора 3, защищающего электронный ключ (коммутатор 4) от перегрузки по напряжению С≈0,1 мкФ.

Предлагаемая система зажигания, представленная на фиг.1, работает следующим образом: при включенном коммутаторе 4 в первичной обмотке 5 катушки зажигания появляется ток, протекающий от источника 1, через первичную обмотку 5 катушки и коммутатор 4. При достижении током максимально допустимой величины в катушке запасается энергия, достаточная для формирования в последующем искрового разряда свечи. При выключении по сигналу с датчика положения коленвала (не показан) коммутатора 4 ток первичной обмотки 5 заряжает конденсатор 3, индуктируя во вторичной обмотке 7 высокое напряжение. При достижении в этой цепи напряжения, достаточного для пробоя искрового промежутка 11, происходит пробой, и через вторичную обмотку 7 катушки зажигания начинает протекать ток. Этот ток складывается из тока самой катушки зажигания и тока разряда конденсатора 3, который пересчитывается во вторичную цепь катушки зажигания в емкость 9 по формуле

С₂=С₁/К²,

где К - отношение количества витков во вторичной обмотке 7 катушки к количеству витков в первичной обмотке 5 катушки зажигания.

Использование современной элементной базы при изготовлении электронного ключа (коммутатора 4) и катушки зажигания с измененным соотношением витков в первичной 5 и вторичной 7 обмотках позволило получить систему зажигания с низким волновым сопротивлением ρ~100 кОм, соответствующим условию (5), значительно менее чувствительную к токам утечки, и существенно увеличенной мощностью искры при увеличенном токе искрового разряда до I_доп≈0,3 А.

Система зажигания с заявленными свойствами получена при неизменном потреблении энергии (величине максимального тока катушки зажигания). Система получается менее чувствительной к токам утечки по сравнению с известными аналогами, поскольку величина сопротивления утечки 10 практически всегда остается больше, чем волновое сопротивление ρ контура вторичной обмотки 7, и не может его шунтировать, что позволяет исключить "непроизводительные" потери, тем самым решить поставленную задачу.

Особенностью работы системы зажигания по п.2 формулы является ограничение тока искрового разряда за счет увеличенного по сравнению с аналогами потока рассеяния магнитного поля, например, за счет изготовления вторичной обмотки 7 катушки зажигания в виде галеты, что позволяет исключить потери при емкостной фазе разряда.

Особенностью работы системы зажигания по п.3 формулы является то, что в процессе формирования высоковольтного напряжения потери энергии (нагрев магнитопровода) значительно уменьшаются за счет изготовления сердечника 6 катушки из трансформаторного железа с низкими удельными потерями.

Испытания системы зажигания, изготовленной, как указано в примере конкретной реализации, подтвердили высокую стабильность искрообразования в свечах, которые сохранили работоспособность даже при пробеге на автомобиле порядка 100 тысяч км. Наличие нагара, бензина и антифриза на изоляторе свечи не влияло на устойчивую работу двигателя.

Количество витков вторичной обмотки катушки зажигания составило ~2000, что при серийном изготовлении должно снизить ее себестоимость, т.к. обычно это число лежит в пределах 16-40 тысяч витков.

Увеличение энергии разряда, обеспечиваемое разработанной системой зажигания, приводит к более полному сжиганию топливной смеси и тем самым уменьшает токсичность выхлопа.

Claims

1. Система зажигания ДВС, содержащая катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмоток и магнитопровода, и разрядный промежуток, включенный в цепь вторичной обмотки катушки зажигания, отличающаяся тем, что катушка зажигания изготовлена таким образом, что волновое сопротивление ρ колебательного контура, образованного индуктивностью и эффективной емкостью во вторичной обмотке, с учетом токов утечки лежит в интервале

где U_проб - минимальное значение напряжения на разрядном промежутке, при котором гарантировано происходит пробой,

I_доп - максимально допустимый ток искрового разряда, при котором искра не переходит в низковольтный дуговой разряд.

2. Система зажигания по п.1, отличающаяся тем, что конструктивно обмотки катушки зажигания выполнены с увеличенным потоком рассеяния магнитного поля, например, в виде галеты.

3. Система зажигания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что магнитопровод катушки зажигания изготовлен из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на частоту 400 Гц.