RU2687739C2

RU2687739C2 - Система зажигания для двигателя внутреннего сгорания и способ управления такой системой

Info

Publication number: RU2687739C2
Application number: RU2017118447A
Authority: RU
Inventors: Петрус Паулюс КРЮГЕР; Баренд ВИССЕР
Original assignee: Норт-Вест Юниверсити
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2019-05-16
Also published as: RU2017118447A; US10177537B2; JP2017534015A; EP3212923A1; US20170331261A1; JP6894369B2; AU2015338676B2; KR20170101902A; RU2017118447A3; AU2015338676A1; CN107002624B; WO2016067257A1; MY192328A; CN107002624A; BR112017008801A2

Abstract

Изобретение относится к области транспорта, в частности к системе зажигания двигателя внутреннего сгорания и способу управления свечой зажигания. Техническим результатом является регулирование величины мощности, подаваемой к свече зажигания между различными циклами. Предложена система (10) зажигания с высоковольтным трансформатором (12) c первичной (12.1) и вторичной (12.2) обмоткой. Первичный резонансный контур (26) формируется первичной обмоткой (12.1) и ёмкостью (24) первичного контура. Вторичный резонансный контур (16) формируется свечой (14) зажигания в качестве нагрузки вторичной обмотки (12.2). Свеча (14) зажигания представлена ёмкостью (18) вторичного контура и сопротивлением (Rp) нагрузки вторичного контура, подключенными параллельно. Величина сопротивления нагрузки изменяется во время цикла зажигания. Первичный резонансный контур (26) и вторичный резонансный контур (16) имеют синфазную резонансную частоту (f) и дифференциальную резонансную частоту (f). Контроллер (28) сконфигурирован таким образом, чтобы вызывать возбуждение первичной обмотки с помощью схемы (22) возбуждения на частоте, которая является синфазной резонансной частотой (f) или дифференциальной резонансной частотой (f), и контроллер соединен с цепью (50) обратной связи, чтобы адаптировать частоту первичной обмотки к переменному сопротивлению нагрузки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к системе зажигания для двигателя внутреннего сгорания и способу управления свечой зажигания в системе зажигания.

Для того чтобы снизить выбросы бензиновых двигателей внутреннего сгорания для соответствия стандартам в отношении вредных выхлопов, необходимо, чтобы двигатель работал с системой рециркуляции отработавших газов двигателя (EGR) или работал на бедных топливно-воздушных смесях. Известна свеча зажигания с коронным разрядом, которая улучшает стабильность сгорания в этих условиях. Однако эти свечи зажигания не могут приводиться в действие от традиционной катушки зажигания, а должны приводиться в действие при высокой частоте и высоком напряжении в условиях переменной нагрузки, когда генерируется, а затем растёт коронный разряд. Известные системы зажигания являются сложными и дорогими. Одним из факторов, делающих существующие системы зажигания с коронным разрядом дорогими является требование, что мощность, подаваемая к коронному разряду, должна тщательно регулироваться, чтобы предотвращать искрение.

Кроме того, известные искровые системы зажигания не имеют способности управления величиной мощности, подаваемой к искре. Известные системы зажигания подают мощность пропорционально сопротивлению искры. Поскольку величина мощности, подаваемая к искре, не может регулироваться, и сопротивление искры может различаться между различными циклами зажигания, величина мощности, подаваемая к искре, может различаться между различными циклами. Эти различные величины подаваемой мощности могут приводить к нежелательным различиям в зажигании и в процессе сгорания между различными циклами.

Задача изобретения

Соответственно, задачей изобретения является создание системы зажигания и способа возбуждения свечи зажигания, с помощью которых, как надеется заявитель, упоминавшиеся выше недостатки могут быть по крайней мере уменьшены, или которые могут представлять полезную альтернативу для известных систем и способов.

Сущность изобретения

В соответствии с изобретением, предложена система зажигания, содержащая:

- высоковольтный трансформатор, содержащий первичную обмотку, имеющую первую индуктивность L₁, и вторичную обмотку, имеющую вторую индуктивность L₂;

- первичный резонансный контур, содержащий указанную первичную обмотку и ёмкость С₁ первичного контура, имеющий первую резонансную частоту f₁;

- свечу зажигания, соединённую со вторичной обмоткой в качестве нагрузки при использовании для формирования вторичного резонансного контура, содержащего указанную вторичную обмотку, ёмкость С₂ вторичного контура и сопротивление Rp нагрузки вторичного контура, при этом указанное сопротивление нагрузки при использовании и во время цикла зажигания изменяется между первым значением, которое является высоким, и вторым значением, которое является низким, причем вторичный резонансный контур имеет вторую резонансную частоту f₂;

- схему возбуждения, соединённую с первичным контуром, для возбуждения первичной обмотки на частоту возбуждения;

- магнитная связь k между первичной обмоткой и вторичной обмоткой составляет менее 0,5, так что резонансный трансформатор, содержащий указанный первичный резонансный контур и указанный вторичный резонансный контур, в совокупности имеет синфазную резонансную частоту f_с и дифференциальную резонансную частоту f_d, когда указанное сопротивление нагрузки является высоким; и

- контроллер, соединённый с цепью обратной связи от указанного первичного резонансного контура или указанного вторичного резонансного контура и сконфигурированный таким образом, чтобы схема возбуждения возбуждала первичную обмотку на переменной частоте, которая зависит от указанного сопротивления нагрузки, при этом указанное сопротивление нагрузки выводится контроллером из указанной цепи обратной связи.

В одном варианте осуществления изобретения свеча зажигания является коронной свечой зажигания для генерирования коронного разряда только для целей зажигания, при этом контроллер конфигурирован таким образом, чтобы, когда сопротивление нагрузки является высоким, вызывать возбуждение первичной обмотки на синхронной резонансной частоте с помощью указанной схемы возбуждения для генерирования коронного разряда, и когда формируется искра, в результате низкого сопротивления нагрузки, тогда либо: а) прекращается возбуждение первичной обмотки, либо b) возбуждение первичной обмотки происходит на частоте, которая по существу отличается от резонансной частоты, в результате чего прекращается передача мощности в плазму искрового разряда.

В другом варианте осуществления изобретения свеча зажигания является искровой свечой зажигания для генерирования искрового разряда для зажигания, при этом контроллер конфигурирован таким образом вызывать возбуждение первичной обмотки на синфазной резонансной частоте и дифференциальной резонансной частоте с помощью схемы возбуждения, когда сопротивление нагрузки является высоким, в результате чего генерируется высокое напряжение для формирования искрового разряда, а когда сопротивление нагрузки является низким - возбуждать первичную обмотку на другой частоте, чтобы передавать заданное количество мощности в нагрузку.

В вариантах осуществления изобретения, в которых частота возбуждения равна синфазной резонансной частоте, значение C₁ может быть таким, что C₁ < L₂C₂/(1+0,5k)L₁, с тем чтобы улучшить эффективный коэффициент добротности резонансного трансформатора.

В вариантах осуществления изобретения, в которых частота возбуждения равна дифференциальной резонансной частоте, значение C₁ является таким, что C₁ > L₂C₂/(1-0,5k)L₁, с тем чтобы улучшить эффективный коэффициент добротности резонансного трансформатора.

Согласно другому аспекту изобретения, предложен способ возбуждения системы зажигания, содержащей высоковольтный трансформатор, который содержит первичную обмотку, имеющую первую индуктивность L₁, и вторичную обмотку, имеющую вторую индуктивность L₂; первичный резонансный контур, содержащий указанную первичную обмотку и ёмкость С₁ первичного контура и имеющий первую резонансную частоту f₁; свечу зажигания, соединённую со вторичной обмоткой в качестве нагрузки при использовании для формирования вторичного резонансного контура, содержащего указанную вторичную обмотку, ёмкость С₂ вторичного контура и сопротивление Rp нагрузки вторичного контура, при этом указанное сопротивление нагрузки при использовании и во время цикла зажигания изменяется между первым значением, которое является высоким, и вторым значением, которое является низким, причем вторичный резонансный контур имеет вторую резонансную частоту f₂; схему возбуждения, соединённую с первичным контуром для возбуждения первичной обмотки на частоте возбуждения; магнитная связь k между первичной обмоткой и вторичной обмоткой составляет менее 0,5, так что резонансный трансформатор, содержащий указанный первичный резонансный контур и указанный вторичный резонансный контур, в совокупности имеет синфазную резонансную частоту f_с и дифференциальную резонансную частоту f_d, когда сопротивление нагрузки является высоким. Согласно способу, возбуждают первичную обмотку на переменной частоте, которая зависит от указанного сопротивления нагрузки.

В некоторых вариантах способа свеча зажигания является коронной свечой зажигания для генерирования коронного разряда только для целей зажигания, при этом когда сопротивление нагрузки является высоким, возбуждают первичную обмотку на синфазной резонансной частоте для генерирования коронного разряда, и когда формируется искровой разряд в результате низкого сопротивления нагрузки, тогда либо а) прекращают возбуждение первичной обмотки, либо b) возбуждают первичную обмотку на частоте, которая по существу отличается от резонансной частоты, в результате чего прекращается передача мощности в плазму искрового разряда.

В других вариантах способа свеча зажигания является искровой свечой зажигания для генерирования искрового разряда для зажигания, при этом, когда сопротивление нагрузки является высоким, возбуждают первичную обмотку на синфазной резонансной частоте или дифференциальной резонансной частоте, таким образом генерируя высокое напряжение для формирования искрового разряда, а когда сопротивление нагрузки является низким, возбуждают первичную обмотку на другой частоте, чтобы передавать заданное количество мощности в нагрузку.

Краткое описание чертежей

Изобретение далее описывается только в качестве примера со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 - принципиальная схема высокого уровня варианта осуществления изобретения системы зажигания, содержащей свечу зажигания.

Фиг. 2 - схематический вид в разрезе варианта осуществления изобретения системы зажигания, содержащей свечу зажигания в форме свечи зажигания коронного разряда.

Фиг. 3 - подобный вид другого варианта осуществления изобретения системы зажигания, содержащей свечу зажигания в форме искровой свечи зажигания.

Фиг. 4 – график зависимости выходной мощности от частоты возбуждения для различных значений параллельного сопротивления Rp нагрузки.

Фиг. 5 - другая принципиальная схема высокого уровня варианта осуществления изобретения системы зажигания.

Фиг. 6 (а) - графики зависимости выходной мощности от параллельного сопротивления нагрузки для различных частот возбуждения.

Фиг. 6 (b) - графики зависимости синфазной частоты и дифференциальной резонансной частоты от параллельного сопротивления нагрузки для различных коэффициентов магнитной связи.

Фиг. 7 (а) аналогична фиг. 6(а), но с увеличением ёмкости нагрузки на 20%.

Фиг. 7 (b) аналогична фиг. 6 (b), но с увеличением ёмкости нагрузки на 20%.

Фиг. 8 - нормированные графики, иллюстрирующие изменения синфазной резонансной частоты ω_c и дифференциальной резонансной частоты ω_d при изменении резонансных частот по отношению друг к другу.

Фиг. 9 - графики, иллюстрирующие значения g(ω) в зависимости от соотношения первой и второй резонансных частот.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Примеры осуществления изобретения системы зажигания обозначены цифровой позицией 10 на фиг. 1 и 5, 10.1 на фиг. 2 и 10.2 на фиг. 3.

Как показано на фиг. 1, система зажигания содержит высоковольтный трансформатор 12, содержащий первичную обмотку 12.1 и вторичную обмотку 12.2. Свеча 14 зажигания соединена со вторичной обмоткой в качестве нагрузки при использовании, чтобы формировать вторичный резонансный контур 16, содержащий вторичную обмотку 12.2, ёмкость 18 вторичного контура и сопротивление 20 нагрузки, параллельно подключенное вторичной обмотке 12.2. Сопротивление 20 нагрузки и ёмкость 18 главным образом обеспечиваются сопротивлением и ёмкостью среды (газ и/или плазма) между электродами 114.1 и 114.2 (показаны на фиг. 2 и 3) свечи зажигания. Известно, что во время использования и во время зажигания сопротивление нагрузки изменяется от первого значения, которое является высоким, ко второму, более низкому значению, а ёмкость нагрузки изменяется от первого и низкого значения до второго и более высокого значения. Поскольку сначала генерируется коронный разряд, ёмкость увеличивается, а сопротивление нагрузки уменьшается. Когда образуется искровой разряд, сопротивление нагрузки резко и сильно уменьшается. Конденсатор 24 соединен последовательно с первичной обмоткой 12.1 для последовательной конфигурации (см. фиг. 1) и параллельно для параллельной конфигурации (см. фиг. 5), чтобы формировать первичный резонансный контур 26. Схема 22 возбуждения соединена с первичным контуром, чтобы возбуждать первичную обмотку. Схема возбуждения может быть источником напряжения (для последовательной конфигурации) или источником тока (для параллельной конфигурации). Первичный резонансный контур 26 имеет первую резонансную частоту f₁, которая связана с первой круговой резонансной частотой ω₁, а вторичный резонансный контур 16 имеет вторую резонансную частоту f₂, когда сопротивление 20 нагрузки является большим (имеет первое значение), и не имеет вторую резонансную частоту, когда сопротивление нагрузки маленькое (имеет второе значение). Вторая резонансная частота связана со второй круговой резонансной частотой ω₂, и вторая резонансная частота f₂ может быть равна первой резонансной частоте f₁ или отличаться от неё. Коэффициент (k) магнитной связи между первичной обмоткой 12.1 и вторичной обмоткой 12.2 составляет менее 0,5, так что резонансный трансформатор, содержащий резонансный контур и вторичный резонансный контур, имеет синфазную резонансную частоту f_с, (показана на фиг. 4 и разъясняется в дальнейшем) или круговую частоту ω_с и дифференциальную резонансную частоту f_d, (также показана на фиг. 4 и разъясняется в дальнейшем) или круговую частоту ω_d, когда сопротивление нагрузки имеет первое значение, но только дифференциальную резонансную частоту f_d, когда сопротивление нагрузки приближается к его второму и низкому значению.

Как будет более подробно разъясняться в дальнейшем, контроллер 28, который соединен с цепью 50 обратной связи либо от первичного резонансного контура либо от вторичного резонансного контура, конфигурирован таким образом, чтобы в случае коронной свечи 14.1 (показана на фиг. 2) вызывать с помощью схемы 22 возбуждения возбуждение первичной обмотки 12.1 на синфазной резонансной частоте f_с для генерирования коронного разряда, и в случае, если будет формироваться искровой разряд с сопутствующим падением сопротивления нагрузки, либо: i) прекращать возбуждение первичной обмотки, либо ii) возбуждать первичную обмотку на частоте, которая по существу отличается от синфазной резонансной частоты f_с, таким образом позволяя завершать искровой разряд. Контроллер может быть конфигурирован таким образом, чтобы возобновлять колебания синфазного резонанса, как только искровой разряд завершен.

В случае искровой свечи 14.2 (показана на фиг. 3), контроллер конфигурирован таким образом, чтобы вызывать возбуждение первичной обмотки 12.1 на одной из частот: синфазной резонансной частоте f_с и дифференциальной резонансной частоте f_d, до тех пор, пока сопротивление нагрузки не станет маленьким и не сформируется искровой разряд, а затем возбуждать первичную обмотку на другой частоте, чтобы гарантировать, что заданное количество мощности подаётся к искровому разряду.

Как показано на фиг. 1, трансформатор 12 имеет первичную индуктивность L₁, и вторичную индуктивность L₂. Последовательно подключенный конденсатор 24 имеет ёмкость С₁, а вторичная нагрузка имеет ёмкость С₂ и параллельно подключенное сопротивление R_p. Можно показать, что в случае, когда первая резонансная частота f₁ (или связанная с ней круговая резонансная частота ω₁) и вторая резонансная частота f₂ (или связанная с ней круговая резонансная частота ω₂) являются одинаковыми (

), цепь зажигания имеет две резонансные частоты,

, при этом ω_c определяется как синфазная резонансная частота (когда ток в первичной обмотке 12.1 и ток во вторичной обмотке 12.2 совпадают по фазе), а ω_d определяется как дифференциальная резонансная частота (когда токи отличаются по фазе на 180 градусов). Как показано на фиг. 4, синфазная резонансная частота ω_c ниже, чем первичная и вторичная резонансные частоты ω₁ = ω₂, в то время как дифференциальная резонансная частота ω_d выше, чем ω₁ = ω₂. С учётом фиг. 4 и приведённой выше формулы, f₁ = f₂ = 5 МГц и k = 0,2 приводят к f_с=4,6 МГц и f_d = 5,6 МГц.

Кроме того, во время использования, когда коронный разряд, генерируемый свечой зажигания, растёт, сопротивление R_p нагрузки уменьшается, и обе резонансные частоты ω_c и ω_d также уменьшаются (как показано на фиг. 6(b)). Когда значение сопротивления R_p приближается к значению

, синфазная резонансная частота ω_c приближается к нулю, а значение ω_d приближается к ω₁. Когда значение

меньше, чем

, синфазной резонансной частоты ω_c нет и ω_d

ω₁. Это также иллюстрируется на фиг. 4 с помощью пунктирной линии, обозначенной A.

Кроме того, может быть дополнительно показано, что максимальное напряжение V₂ на вторичной стороне зависит от потерь на первичной стороне и вторичной стороне, и почти не зависит от коэффициента k магнитной связи. Соотношение напряжений трансформатора

является независимым от коэффициента k магнитной связи и получается с определяется по хорошо известной формуле

. Минимальная требуемая связь определяется потерями на первичной стороне и вторичной стороне и должно быть такой, что k² > 1/Q₁.1/Q₂ где

и

являются коэффициентами добротности первичного и вторичного контуров. R₁ и R₂ более подробно будут определяться в дальнейшем.

Пример системы 10.1 зажигания для генерирования коронного разряда показан на фиг. 2, считываемой с помощью фиг. 1. Система 10.1 содержит коронную свечу 14.1 (такую, как описано в международной заявке, находящейся на рассмотрении патентного ведомства, которая была подана заявителем, с названием «Свеча зажигания», содержание которой включено в настоящее описание путём этой ссылки), соединённую с трансформатором 112. Пример системы 10.2 зажигания для генерирования искрового разряда показан на фиг. 3, считываемой с помощью фиг. 1. Система 10.2 содержит искровую свечу 14.2, соединённую с трансформатором 112.

Трансформатор содержит 200 витков вторичной обмотки с диаметром около 10 мм на длине 20 мм внутри металлической трубки 30, имеющей диаметр D около 20 мм, заполненной веществом 32 немагнитного материала. Вторичная обмотка 112.2 имеет индуктивность около L₂ = 130мкГн. Когда вторичная ёмкость нагрузки присоединяется к коронной свече 14.1, она составляет около С₂ = 7пкФ, в результате чего вторичная резонансная частота

. Первичная обмотка 112.1 содержит 10 витков обмотки диаметром около 10 мм, имеющей индуктивность около 530 нГн, подключенной к последовательному конденсатору 24, имеющему ёмкость С₁ = 1.7нФ, в результате чего первая резонансная частота

. Коэффициент k магнитной связи определяется зоной перекрытия между обмотками 112.1 и 112.2, и обычно составляет значение между k = 0,05 и k = 0,4. Коэффициент добротности двух резонаторов (первичный и вторичный контуры) составляет около

, в результате чего произведение

для

. Цепь зажигания, возбуждаемая схемой возбуждения, выводит прямоугольные колебания с напряжением от пика до пика 200В. Напряжение на первичной стороне обмотки составляет около

кВ, а выходное напряжение составляет около

кВ, когда возбуждение происходит на одной из резонансных частот для большой нагрузки. Когда нагрузка составляет 1 MОм, мощность, подаваемая в нагрузку, составляет P₂=V²/R = 2 кВт при резонансе, как показано на фиг. 4.

Стандартная искровая свеча зажигания также может использоваться вместо искровой свечи 14.2 зажигания. Однако, для предотвращения нежелательного коронного разряда на керамике искровой свечи зажигания должна использоваться более низкая частота возбуждения. В таком случае вторичная обмотка 112.2 может иметь 740 витков диаметром 10 мм вокруг ферритового магнитного материала, в результате чего вторичная индуктивность L₂ = 7.5 мГн. Ёмкость вторичной стороны, включая ёмкость искровой свечи зажигания, составляет около 30 пФ, задавая вторую резонансную частоту

составляющую 340 кГц. Первичная обмотка 112.1 содержит 12 витков вокруг того же магнитного материала, что приводит к индуктивности L₁ = 4 мкГн и той же резонансной частоте

составляющей 340 кГц, при подключении к последовательному конденсатору 24 с ёмкостью 56 нФ. Цепь зажигания возбуждается схемой 22 возбуждения, которая выводит прямоугольные колебания с напряжением 200В от пика до пика. При возбуждении с резонансом для большой нагрузки, напряжение на первичной обмотке составляет около

кВ, а выходное напряжение составляет около

кВ.

Как показано на фиг. 6(а), мощность P₂= V₂ ²/R_p, подаваемая в нагрузку 14, как функция от сопротивления R_p нагрузки определяется частотой схемы 22 возбуждения. Используя обратную связь, как показано позицией 50 на фиг. 1 и 5, первичная обмотка 12.1 может возбуждаться при синфазной резонансной частоте f_с и альтернативно, на при дифференциальной резонансной частоте f_d, когда они соответственно изменяются при использовании. Альтернативно, система 10 может возбуждаться при постоянной частоте f_сonst, например, 4,5 МГц, как показано на фиг. 6(b). Зависимость мощности от сопротивления показана на фиг. 6(а) для этих трёх случаев.

На фиг. 6(а) можно увидеть, что возбуждение системы при синфазной резонансной частоте f_с будет, по существу, приостанавливать передачу мощности, когда сопротивление нагрузки становится маленьким, как показано позицией 62. Следовательно, система и способ, по существу, уменьшают мощность в момент формирования искрового разряда. Возбуждение цепи при постоянной частоте f_сonst будет приводить к выводу постоянного тока при малых нагрузках, как показано позицией 64, а возбуждение системы при дифференциальной резонансной частоте f_d приведёт к выводу очень высокой мощности, при малых нагрузках, как показано позицией 66.

Эффект изменения ёмкости С₂ нагрузки, когда коронный разряд разрастается, может быть заметен при увеличении вторичной ёмкости, например, на 20%, таким образом уменьшая синфазную резонансную частоту приблизительно на 10%, как показано на фиг. 7(b). Когда частота возбуждения фиксируется на синфазной резонансной частоте без дополнительной ёмкости, система больше не будет возбуждаться при резонансе с дополнительной ёмкостью. Это приведёт в результате к намного более низкому напряжению

по сравнению с возбуждением системы при синфазной резонансной частоте f_с.

Схема 22 возбуждения может быть конфигурирована таким образом, чтобы совершать колебания при синфазной (или дифференциальной) частоте посредством измерений, как показано на фиг. 5, вторичного тока и возбуждения первичного контура 26 синфазно (или со сдвигом на 180 градусов) со вторичным током.

Следовательно, могут использоваться два слабо связанных резонатора для генерирования высокого напряжения в системе зажигания. С помощью контроллера 28, вызывающего для схемы возбуждения следование за изменением синфазной или дифференциальной резонансной частоты при изменении нагрузки, может регулироваться количество подаваемой в нагрузку мощности. Существует неожиданный результат для системы зажигания с коронным разрядом, заключающийся в том, что когда система возбуждается на синфазной резонансной частоте, передача мощности по существу уменьшается в момент образования искрового разряда, как показано на фиг. 6(а).

Как указано выше, первичная обмотка 12.1 соединяется с конденсатором С₁ последовательно (фиг. 1) или параллельно (фиг. 5) и со схеме 22 возбуждения. Ёмкость С₁ и индуктивность L₁ образуют первый резонансный контур, имеющий первую круговую резонансную частоту ω₁ ²=1/L₁C₁. Вследствие потерь в первом резонансном контуре, контур имеет первый коэффициент Q₁ добротности, так что потери при круговой частоте ω могут быть представлены с помощью эквивалентного последовательного сопротивления R_1,определяемого формулой Q₁=ω L₁/R₁, или эквивалентного параллельного сопротивления.

Вторичная обмотка соединена с нагрузкой 14, такой как свеча зажигания. Ёмкость вторичной обмотки и нагрузки могут быть представлены параллельным конденсатором С₂. Потери вторичной обмотки и сопротивление нагрузки могут быть представлены параллельным резистором R_р. Ёмкость С₂ и индуктивность L₂ образуют резонансный контур, имеющий вторую круговую резонансную частоту ω₂ ²=1/L₂C₂. Коэффициент Q₂ добротности вторичной стороны при круговой частоте ω задаётся формулой: Q₂=R_p/ωL₂. Приведённое ниже описание относится к случаю, в котором сопротивление R_р является большим, т.е. когда между электродами свечи зажигания нет искрового разряда.

Вследствие магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, первый и второй контуры образуют объединённый резонансный контур, называемый резонансным трансформатором. Этот резонансный трансформатор не входит в резонанс на первой круговой частоте ω₁ или второй круговой частоте ω₂, но имеет две другие резонансные частоты, называемые синфазной резонансной частотой f_с и дифференциальной резонансной частотой f_d, (как показано на фиг. 4 для R_p>100kОм).

Для отдельного случая, когда первая и вторая круговые частоты совпадают ω₁ = ω₂ (т.е. L₁C₁=L₂C₂), синфазная резонансная круговая частота задаётся формулой ω_c ²=w₁ ²/(1+k), а дифференциальная резонансная круговая частота задаётся формулой ω_d ²=w₁ ²/(1- k). Однако, поскольку ω₁ становится больше, чем ω₂ (ω₁ > ω₂), то синфазная частота становится ближе ко второй резонансной частоте ω_c→ω₂, и дифференциальная частота становится ближе к первой резонансной частоте ω_d→ω₁. Аналогичным образом, когда ω₁ становится меньше, чем ω₂ (ω₁ < ω₂), то ω_c→ω₁, а ω_d→ω₂. Это показано на фиг. 8, где частоты нормализованы в отношении ω₂.

Когда резонансный трансформатор возбуждается на любой из двух резонансных частот, первичный ток I₁ (фиг. 1) находится в фазе с питающим напряжением

и двухтактная схема 22 возбуждения может переключаться при нулевом токе, при последовательном подключении, как показано на фиг. 1, или переключается при нулевом напряжении при параллельном подключении, как показано на фиг. 5. Это представляет первое преимущество, заключающееся в том, что потери при переключении являются маленькими.

Второе преимущество резонансного трансформатора, возбуждаемого на резонансной частоте, состоит в том, что каждый цикл колебаний передаёт энергию во вторичный контур, в результате чего энергия (и, следовательно, высокое напряжение) во вторичном контуре наращивается с каждым дополнительным циклом до тех пор, пока не достигается устойчивое состояние, когда энергетические потери равны энергии, передаваемой во время каждого цикла. В результате энергия во вторичном контуре намного превышает энергию, подаваемую с помощью схемы возбуждения во время каждого цикла. Это может быть представлено уравнением: |V₂||I₂|=Q_effV₀I₁, в котором мощность во вторичном контуре представлена произведением величин вторичного напряжения |V₂| и вторичного тока |I₂|, подаваемая мощность задаётся с помощью V₀ и I₁ (которые находятся в одной фазе), а Q_eff>1 является эффективным коэффициентом добротности резонансного трансформатора. Чтобы генерировать искровой разряд, или вырастить коронный разряд, требуется вторичное напряжение около 30 кВ. Это означает, что чем больше Q_eff, тем меньшая (менее мощная) схема возбуждения может использоваться для генерирования одинакового выходного напряжения, такая схема является более дешёвой, простой и более надёжной, чем более мощная схема возбуждения.

Резонансные трансформаторы, имеющие ω₁=ω_2, обычно используются в так называемых катушках Теслы. Однако, когда ω₁=ω₂ (т.е. L₁C₁=L₂C₂), эффективный коэффициент добротности на обеих резонансных частотах - синфазной и дифференциальной - определяется коэффициентами добротности первичного и вторичного контуров трансформатора, т.е. Q_eff≈Q₁Q₂/(Q₁+Q₂) или Q_eff ^-1=Q₁ ^-1+Q₂ ^-1. Первичная обмотка обычно состоит из нескольких витков и ток в первичной обмотке намного превышает ток во вторичной обмотке. В результате первичный контур имеет больше потерь, чем вторичный контур, Q₁<Q₂, так что эффективный коэффициент добротности Q_eff<Q₁<Q₂, что является нежелательным.

Однако, когда ω₁≠ω₂ получается неожиданный эффект, заключающийся в том, что эффективный коэффициент добротности Q_eff увеличивается на синфазной или дифференциальной резонансной частоте и уменьшается на другой из этих частот. Эффективный коэффициент добротности на синфазной и дифференциальной частотах может быть записан следующим образом: Q_eff ^-1(ω_c)≈g(ω_c)Q₁ ^-1+Q₂ ^-1 и Q_eff ^-1(ω_d)≈g(ω_d)Q₁ ^-1+Q₂ ^-1 с функцией g(ω)=(-ω₂ ²/ω²+1)²/k². Функция g(ω) может интерпретироваться как отношение энергии, сохраняющейся во вторичном и первичном резонансных контурах. Поэтому очевидно, что если синфазная или дифференциальная резонансная частота приближается к ω₂, т.е. ω_c,d→ω₂, эффективный коэффициент добротности при таком резонансе приближается к Q₂, т.е. Q_eff(ω_c,d)→ Q₂.

Предположим, что ω₁ больше или меньше, чем ω₂ с множителем r, т.е. ω₁= r ω₂. На фиг. 9 можно увидеть, когда ω₁ становится больше, чем ω₂ (ω₁>ω₂) , g(ω_c)→0, Q_eff(ω_c)→ Q₂ и синфазная резонансная частота становится более эффективной, а когда ω₁ становится меньше, чем ω₂ (ω₁<ω₂) g(ω_d)→0, Q_eff(ω_d)→ Q₂ и дифференциальная резонансная частота становится более эффективной.

Фигура также показывает, что g≤ k/(4|1-ω₁/ω₂|). Это даёт возможность оценить улучшение эффективного коэффициента добротности через ω₁ ²=1/L₁C₁ и ω₂ ²=1/L₂C_2.

Эффект от Q₁ будет по крайней мере в два раза меньше (g<½) при дифференциальной резонансной частоте, когда k/4(1-r) < ½, т.е. когда L₂C₂< (1-½k)L₁C₁ и эффект от Q₁ будет меньше, чем половина на синфазной резонансной частоте, когда L₂C₂ > (1+½k)L₁C₁.

Эффект от Q₁ будет по крайней мере в четыре раза меньше (g<¼) при дифференциальной резонансной частоте, когда k/4(1-r) < ¼, т.е. когда L₂C₂< (1-k)L₁C₁ и эффект от Q₁ будет меньше, чем половина на синфазной резонансной частоте, когда L₂C₂ > (1+k)L₁C₁.

Примеры вариантов осуществления изобретения для коронной свечи зажигания и искровой свечи зажигания показаны, соответственно, на фиг. 3 и 2. В этих вариантах осуществления изобретения: продолговатый цилиндрический корпус из электроизоляционного материала имеет первый конец и второй конец, противоположный первому концу. Первая лицевая поверхность находится на первом конце. Первый продолговатый электрод 114.1 проходит в корпусе в продольном направлении. Первый электрод имеет первый конец и второй конец. Первый электрод заканчивается на его первом конце на первом расстоянии d1 от первого конца корпуса в направлении ко второму концу корпуса. Следовательно, корпус ограничивает глухое отверстие 118, проходящее между первым концом первого электрода и устьевым отверстием 119 на первом конце корпуса. Второй электрод 114.2 находится на внешней поверхности корпуса, при этом второй электрод заканчивается либо: а) заподлицо с первой поверхностью корпуса (для искровой свечи зажигания, как показано на фиг. 3), либо b) на втором расстоянии d2 от первого конца корпуса в направлении ко второму концу корпуса (для коронной свечи зажигания, как показано на фиг. 2).

Сформированный искровой разряд проходит между первым и вторым электродами через устьевое отверстие 119 в камере с воспламеняемыми газами, где по меньшей мере на части его протяженности он окружен газами. Коронный разряд проходит от первого электрода через устьевое отверстие 119 в пальцевидным образом в камеру, где по меньшей мере на части его длины он окружен газами.

Claims

1. Cистема зажигания, содержащая:

высоковольтный трансформатор, содержащий первичную обмотку, имеющую первую индуктивность L₁, и вторичную обмотку, имеющую вторую индуктивность L₂;

первичный резонансный контур, содержащий указанную первичную обмотку и ёмкость С₁ первичного контура, имеющий первую резонансную частоту f₁;

свечу зажигания, соединённую со вторичной обмоткой в качестве нагрузки при использовании для формирования вторичного резонансного контура, содержащего указанную вторичную обмотку, ёмкость С₂ вторичного контура, которая содержит ёмкость вторичной обмотки и ёмкость, представленную нагрузкой, и сопротивление Rp нагрузки вторичного контура, которое содержит потери во вторичной обмотке и сопротивление, представленное нагрузкой, при этом сопротивление нагрузки вторичного контура при использовании и во время цикла зажигания изменяется между первым значением, которое является высоким, и вторым значением, которое является низким, причем вторичный резонансный контур имеет вторую резонансную частоту f₂;

схему возбуждения, соединённую с первичным контуром, для возбуждения первичной обмотки;

причем магнитная связь k между первичной обмоткой и вторичной обмоткой составляет менее 0,5, так что резонансный трансформатор, содержащий указанный первичный резонансный контур и указанный вторичный резонансный контур, в совокупности имеет синфазную резонансную частоту f_с и дифференциальную резонансную частоту f_d, когда указанное сопротивление нагрузки является высоким; и

контроллер, соединённый с цепью обратной связи от указанного первичного резонансного контура или указанного вторичного резонансного контура и сконфигурированный таким образом, чтобы во время цикла зажигания схема возбуждения возбуждала первичную обмотку на переменной частоте, которая зависит от указанного изменяющегося сопротивления нагрузки вторичного контура, при этом указанное изменяющееся сопротивление нагрузки вторичного контура выводится контроллером из указанной цепи обратной связи.

2. Система зажигания по п. 1, в которой свеча зажигания является коронной свечой зажигания для генерирования коронного разряда только для целей зажигания, при этом контроллер конфигурирован таким образом, чтобы вызывать возбуждение первичной обмотки на синхронной резонансной частоте с помощью указанной схемы возбуждения, когда сопротивление нагрузки является высоким, для генерирования коронного разряда, а когда формируется искра, в результате низкого сопротивления нагрузки, тогда либо а) прекращается возбуждение первичной обмотки, либо b) возбуждение первичной обмотки происходит на частоте, которая по существу отличается от резонансной частоты, в результате чего прекращается передача мощности в плазму искрового разряда.

3. Система зажигания по п. 1, в которой свеча зажигания является искровой свечой зажигания для генерирования искрового разряда для зажигания, при этом контроллер конфигурирован таким образом, чтобы вызывать возбуждение первичной обмотки на синфазной резонансной частоте или дифференциальной резонансной частоте с помощью схемы возбуждения, когда сопротивление нагрузки является высоким, в результате чего генерируется высокое напряжение для формирования искрового разряда, а когда сопротивление нагрузки является низким - возбуждать первичную обмотку на другой частоте, чтобы передавать заданное количество мощности в нагрузку.

4. Система зажигания по п. 2 или 3, в которой, если частота возбуждения равна синфазной резонансной частоте, значение C₁ является таким, что C₁<L₂C₂/(1+0,5k)L₁, с тем чтобы улучшить эффективный коэффициент добротности резонансного трансформатора.

5. Система по п. 3, в которой, если частота возбуждения равна дифференциальной резонансной частоте, значение C₁ является таким, что C₁>L₂C₂/(1-0,5k)L₁, с тем чтобы улучшить эффективный коэффициент добротности резонансного трансформатора.

6. Способ возбуждения системы зажигания, содержащей высоковольтный трансформатор, который содержит первичную обмотку, имеющую первую индуктивность L₁, и вторичную обмотку, имеющую вторую индуктивность L₂; первичный резонансный контур, содержащий указанную первичную обмотку и ёмкость С₁ первичного контура и имеющий первую резонансную частоту f₁; свечу зажигания, соединённую со вторичной обмоткой в качестве нагрузки при использовании для формирования вторичного резонансного контура, содержащего указанную вторичную обмотку, ёмкость С₂ вторичного контура, которая содержит ёмкость вторичной обмотки и ёмкость, представленную указанной нагрузкой, и сопротивление Rp нагрузки вторичного контура, которое содержит потери во вторичной обмотке и сопротивление, представленное указанной нагрузкой, при этом сопротивление нагрузки вторичного контура при использовании и во время цикла зажигания изменяется между первым значением, которое является высоким, и вторым значением, которое является низким, причем вторичный резонансный контур имеет вторую резонансную частоту f₂; схему возбуждения, соединённую с первичным контуром для возбуждения первичной обмотки на частоте возбуждения; магнитная связь k между первичной обмоткой и вторичной обмоткой составляет менее 0,5, так что резонансный трансформатор, содержащий указанный первичный резонансный контур и указанный вторичный резонансный контур, в совокупности имеет синфазную резонансную частоту f_с и дифференциальную резонансную частоту f_d, когда сопротивление нагрузки является высоким; характеризующийся тем, что во время цикла зажигания возбуждают первичную обмотку на переменной частоте, которая зависит от указанного изменяющегося сопротивления нагрузки вторичного контура.

7. Способ по п. 6, в котором свеча зажигания является коронной свечой зажигания для генерирования коронного разряда только для целей зажигания, при этом, когда сопротивление нагрузки является высоким, возбуждают первичную обмотку на синфазной резонансной частоте для генерирования коронного разряда, и когда формируется искровой разряд в результате низкого сопротивления нагрузки, тогда либо а) прекращают возбуждение первичной обмотки, либо b) возбуждают первичную обмотку на частоте, которая по существу отличается от резонансной частоты, в результате чего прекращается передача мощности в плазму искрового разряда.

8. Способ по п. 6, в котором свеча зажигания является искровой свечой зажигания для генерирования искрового разряда для зажигания, при этом, когда сопротивление нагрузки является высоким, возбуждают первичную обмотку на синфазной резонансной частоте или дифференциальной резонансной частоте, таким образом генерируя высокое напряжение для формирования искрового разряда, а когда сопротивление нагрузки является низким, возбуждают первичную обмотку на другой частоте, чтобы передавать заданное количество мощности в нагрузку.