Индуктивное устройство зажигания и способ управления свечой зажигания с помощью такого индуктивного устройства зажигания - RU2169856C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к индуктивному устройству зажигания для управления свечами зажигания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения, а также к способу управления свечой зажигания ДВС в соответствии с п. 10 формулы изобретения.

Индуктивные устройства вышеуказанного типа известны. Они могут иметь отдельные индукционные катушки или могут быть оснащены электронным распределителем высокого напряжения. Известны также способы вышеуказанного типа. В частности, при высокой частоте вращения вала ДВС часто проблематичным является измерение ионного тока, с помощью которого можно контролировать протекание процесса горения в ДВС. Оказалось также, что в этом режиме работы энергия, используемая для процесса разряда, не может быть полностью поглощена свечой зажигания, а напротив, по окончании процесса воспламенения сохраняется остаточная энергия, вследствие чего мощность потерь в устройстве зажигания может сильно возрастать. Ранее уже предпринимались различные попытки решения этой проблемы, в которых предусматривалось ограничение тока в конечной ступени устройства зажигания или же ограничение тока осуществлялось с помощью сопротивлений в первичной цепи. Однако в обоих случаях эти попытки приводили к высоким мощностям потерь в конечной ступени зажигания или в катушке зажигания. Кроме того, предпринимались попытки уменьшить энергию катушки зажигания путем уменьшения времени включения при высокой частоте вращения. Однако и в этом случае возникала проблема, состоящая в том, что не во всех режимах работы может быть обеспечен достаточный подвод напряжения и энергии.

Предлагаемые согласно изобретению индуктивное устройство зажигания с указанными в п. 1 формулы изобретения признаками и способ с указанными в п. 10 формулы изобретения признаками отличаются тем, что устраняются указанные выше недостатки. Согласно изобретению обеспечивается возможность проводить измерение ионного тока без необходимости уменьшения напряжения и снижения начального значения подводимого к свече зажигания вторичного тока. Кроме того, исключается так называемый режим остаточной энергии в многоцилиндровых двигателях также при высоких частотах вращения, и даже при управлении с помощью лишь одной конечной ступени. При этом управление свечами зажигания при заданной энергии происходит с малым начальным током, что уменьшает износ свечей.

Ниже изобретение подробнее поясняется на примерах его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - первый пример выполнения индуктивного устройства зажигания, в котором для каждой свечи зажигания предусмотрено по одной отдельной индукционной катушке;
на фиг. 2 - первый вариант выполнения индуктивного устройства зажигания с электронным распределителем высокого напряжения;
на фиг. 3 - второй вариант выполнения индуктивного устройства зажигания с электронным распределителем высокого напряжения и
на фиг. 4 - схематическая диаграмма напряжений и токов, которые могут быть измерены внутри индуктивных устройств зажигания по фиг. 1-3.

На фиг. 1 показана электрическая схема индуктивного устройства 1 зажигания, в котором для каждой свечи 3 зажигания ДВС предусмотрена своя катушка 5 зажигания (называемая также отдельной индукционной катушкой), управление которой осуществляется с помощью конечной ступени зажигания, которая на фигуре представлена лишь сигналом 7 управления по времени, подаваемым на схему коммутации, в данном случае на транзистор 9. Со стороны первичного напряжения катушки 5 зажигания предусмотрена первичная обмотка 11', которая, с одной стороны, соединена с обозначенным знаком "плюс" источником питания, а с другой стороны, через транзистор 9 замкнута на "массу". Со стороны вторичного напряжения катушки 5 зажигания к ее высоковольтному выводу 11 подсоединен высоковольтный переключатель 13, расположенный в цепи 15, соединяющей высоковольтный вывод 11 со свечой 3 зажигания. Присоединенная к высоковольтному выводу 11 обмотка 17 вторичной цепи катушки 5 зажигания с другой стороны через измерительную схему 19 соединена с "массой". Измерительная схема 19 содержит включенный параллельно полупроводниковый стабилитрон (диод Зенера) 21, катод которого соединен с точкой 23 присоединения, а анод замкнут на "массу". Между точкой 23 присоединения и "массой" параллельно полупроводниковому стабилитрону 21 включена последовательная схема, состоящая из конденсатора 25 и диода 27, катод которого замкнут на "массу", а анод соединен с конденсатором 25. К аноду диода 27, соответственно к конденсатору 25 подключено сопротивление 29, другой вывод которого замкнут на "массу". Сопротивление 29 включено таким образом параллельно диоду 27. Точка соединения между диодом 27 и конденсатором 25, к которой присоединено также сопротивление 29, является таким образом выходом 31 измеряемого напряжения, на котором может быть замерено напряжение, пропорциональное ионному току.

Для каждой свечи 3 зажигания ДВС предусмотрена одна катушка 5 зажигания и предпочтительно также одна измерительная схема 19.

Основным элементом индуктивного устройства 1 зажигания является высоковольтный переключатель 13, предусмотренный во вторичной цепи катушки 5 зажигания и выполненный в данном случае как высоковольтный диак (симметричный диодный тиристор), катод которого подключен к высоковольтному выводу 11, а анод соединен со свечой 3 зажигания. Изображенный пунктирной линией диод 33, включенный параллельно высоковольтному переключателю и имеющий противоположную ему полярность, указывает на то, что высоковольтный переключатель 13 выполнен с обратной проводимостью. Диод 33 даже при выключенном высоковольтном переключателе позволяет положительному потенциалу с высоковольтного вывода 11 по соединительной цепи 15 достигать искрового промежутка 35 свечи 3 зажигания. Положительный потенциал U через конденсатор 25 подводится к искровому промежутку 35, позволяя известным образом измерять ток ионизации I_ION. Этот ток ионизации дает необходимую информацию о протекании процесса сгорания, в частности о детонации в цилиндре, обслуживаемом данной свечой 3 зажигания, и о процессе сгорания в камере.

Ток, протекающий на стороне первичного напряжения катушки 5 зажигания через транзистор 9, обозначен индексом I₁, ток, протекающий на стороне вторичного напряжения, обозначен индексом I₂. Подводимый к базе транзистора 9 управляющий сигнал, который поступает от не показанного на фигуре блока управления конечной ступенью, обозначен индексом U_ES. Символом молнии обозначен момент воспламенения.

Индуктивное устройство 1' зажигания, схематически изображенное на фиг. 2, имеет принципиально те же элементы, что и устройство зажигания на фиг. 1. Одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

У индуктивного устройства 1' зажигания по фиг. 2 управляющий сигнал 7 от не показанного на фигуре блока управления конечной ступенью также подается на изображенную в виде транзистора 9 схему коммутации, управляющую единственной катушкой 5 зажигания, к которой могут быть подключены несколько включенных параллельно свечей 3a-3n зажигания. К высоковольтному выводу 11 со стороны вторичного напряжения катушки 5 зажигания через соединительную цепь 15 и через соответствующие высоковольтные переключатели 13a-13n подключены свечи 3a-3n. При этом каждая свеча зажигания обслуживается отдельным высоковольтным переключателем. Показанные пунктирной линией диоды 33a-33n, включенные параллельно высоковольтным переключателям 13a-13n, означают, что высоковольтные переключатели выполнены с обратной проводимостью.

Благодаря соответствующему управлению высоковольтными переключателями энергия катушки 5 зажигания (электронным путем) распределяется по свечам 3a-3n. Следовательно, на фиг. 2 изображено устройство зажигания с электронным распределением высокого напряжения.

Во вторичной цепи катушки 5 зажигания, а именно на противоположном высоковольтному выводу 11 конце обмотки 17, также предусмотрена измерительная схема 19, структура которой идентична схеме, изображенной и поясненной на фиг. 1. Поэтому вышеприведенное в части, касающейся измерительной схемы на фиг. 1, относится и к рассматриваемой схеме 19.

В первичной цепи катушки 5 зажигания протекает ток I₁, а во вторичной цепи протекает ток I₂, который через высоковольтные переключатели 13a-13n подводится к соответствующей свече 3a-3n зажигания. Управление катушкой 5 зажигания происходит также с помощью обозначенного через U_ES управляющего сигнала 7, который, поступая от не показанного на фигуре блока управления конечной ступенью, подается к базе транзистора 9. Символом молнии также обозначен момент воспламенения.

Высоковольтный переключатель 13a-13n выполнен в данном случае лишь как пример в виде запускаемого световым импульсом диака (LKD), состоящего из обратно включаемого высоковольтного диода 13a', соответственно 13'n, а также управляемого светом переключателя 13''a, соответственно 13''n. Управляемый светом переключатель может приводиться в действие от светового сигнала, формируемого пригодным для этой цели светоизлучающим элементом, например светодиодом. Необходимый для открытия диода свет показан на фигуре двумя волнистыми стрелками. Необходимый для формирования светового сигнала ток обозначен символом I_EHV.

Внутри высоковольтного переключателя 13a, соответственно 13n оба диода, т. е. управляемый светом переключатель и обратно включаемый переключатель, включены последовательно, причем анод обратно включаемого переключателя 13'a/13'n подключен к свече 3a/3n, а его катод соединен с анодом управляемого светом переключателя 13''a/13''n. Катоды управляемых светом переключателей соединены через соединительную цепь 15 с высоковольтным выводом 11 катушки 5 зажигания. На фиг. 2 показано, что свечи 3a-3n зажигания управляются отрицательным потенциалом. Запускаемые световым импульсом диаки 13a-13n, как упомянуто выше, выполнены с обратной проводимостью, иными словами, они являются проводящими при определенном положительном измеряемом потенциале, т. е. равным заряду конденсатора 25, благодаря чему может быть измерен проводимый через искровой промежуток свечей 3a-3n ионный ток I_ION. Применяемое для измерения ионного тока измерительное напряжение составляет от 100 до 500 В, предпочтительно от 200 до 300 В. Это относится ко всем вариантам соединений.

На фиг. 3 показан вариант выполнения изображенного на фиг. 2 индуктивного устройства 1' зажигания с электронным распределением высокого напряжения. Устройство 1'' зажигания по фиг. 3 отличается лишь тем, что свечи 3a-3n управляются положительным потенциалом, подаваемым с высоковольтного вывода 11 через соединительную цепь 15 и через высоковольтные переключатели 13a-13n на свечи 3a-3n зажигания. Высоковольтные переключатели 13a-13n также выполнены в виде запускаемых световым импульсом диаков (LKD), каждый из которых имеет по одному управляемому светом переключателю 13''a-13''n и высоковольтному диаку, представляющему собой обратно включаемый переключатель 13'a-13'n. Переключатели 13a-13n, применяемые в изображенной на фиг. 3 схеме, запирают в обратном направлении.

Полярность диодов высоковольтных переключателей 13a-13n противоположна полярности диодов в показанном на фиг. 2 примере выполнения. Аноды управляемых светом переключателей 13''a-13''n, следовательно, подключены через соединительную цепь 15 к высоковольтному выводу 11, в то время как катоды обратно включаемых переключателей 13'a-13'n подсоединены к свечам 3a-3n зажигания.

Однако измерительная схема 19' отличается от показанных на фиг. 1 и 2. Она содержит, например, последовательную цепь из сопротивления 37, диода 39, а также сопротивления 41. Сопротивление 37 соединено с первичной цепью катушки 5 зажигания, а именно с коллектором транзистора 9. Другой вывод сопротивления 37 соединен с анодом диода 39, катод которого соединен с сопротивлением 41 и конденсатором 42. Противоположный от сопротивления 41 вывод конденсатора 42, с которого снимается пропорциональное ионному току I_ION напряжение, замкнут через сопротивление 44 на "массу". Противоположный от конденсатора 42 вывод сопротивления 41 соединен с точкой 23, к которой присоединены управляющие свечами 3a-3n зажигания высоковольтные переключатели, в данном случае высоковольтные диоды 43a-43n, аноды которых присоединены к точке 23, а катоды соединены с концом искрового промежутка свечей 3a-3n зажигания, к которому подсоединены также высоковольтные переключатели 13a-13n. Противоположный конец искрового промежутка свечей 3a-3n замкнут на "массу".

С помощью измерительной схемы 19' положительный сигнал напряжения подается на свечи 3a-3n зажигания для замера ионного тока I_ION. Благодаря соответствующей полярности высоковольтных диодов 43a-43n предотвращается попадание приложенного к свечам 3a-3n высокого напряжения на измерительную схему.

В остальном элементы индуктивного устройства 1'' по фиг. 3 соответствуют элементам изображенного на фиг. 2 варианта выполнения. Одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями. Поэтому вышесказанное в части, касающейся описания таких элементов на фиг. 2, относится и к аналогичным элементам на фиг. 3.

На фиг. 4 схематически показана зависимость прикладываемого к базе транзистора 9 управляющего напряжения U_ES от времени t, временная характеристика первичного тока I₁ в катушке 5 зажигания, а также вторичного тока I₂ в катушке 5 зажигания, подаваемого на управляемые свечи зажигания, и на четвертой диаграмме показано приложенное к свечам зажигания вторичное напряжение U₂ в зависимости от времени t. И на последней, самой нижней диаграмме на фиг. 4 показан ток I_EHV, служащий для управления рассмотренными в примере на фиг. 2 и 3 управляемыми светом переключателями 13''a-13''n и тем самым для управления электронным распределением высокого напряжения.

Из диаграмм на фиг. 4 видно, что управляющее напряжение U_ES подается в течение так называемого времени включения до момента t₁ и снимается в момент воспламенения, обозначенный символом молнии. До момента t₁ первичный ток I₁ линейно возрастает, а затем резко падает. До момента t₁ вторичный ток I₂ остается равным нулю, а в момент t₁ возрастает до своего максимального значения. Одновременно в момент t₁ вторичное напряжение U₂ достигает своего пика.

Необходимая продолжительность искрового разряда охватывает период времени от t₁ до t₂. На фиг. 4 видно, что в течение периода времени t ≅ t ≅ t₂ вторичный ток I₂ падает в основном линейно. Высоковольтные переключатели индуктивных устройств на фиг. 1-3 могут быть выбраны таким образом, чтобы они при данном в момент t₂ значении тока I₂ отключались, а именно по той причине, что вторичный ток становится меньше так называемого удерживающего тока этих высоковольтных переключателей.

Благодаря пиковому напряжению U₂ выполненный в виде обратно включаемого высоковольтного диака высоковольтный переключатель 13 индуктивного устройства 1 зажигания согласно фиг. 1 отпирается в момент t₁, благодаря чему через искровой промежуток 35 свечи 3 зажигания начинает протекать вторичный ток I₂, при этом искра зажигания горит. Искра гаснет, как только отключается высоковольтный переключатель. Это может происходить в результате того, что вторичный ток становится меньше удерживающего тока. Следовательно, с помощью специального расчета высоковольтных переключателей может быть достигнуто ограничение продолжительности искрового разряда. Однако продолжительность искрового разряда можно также ограничить, принудительно отключив вторичный ток I₂, вследствие чего значение удерживающего тока высоковольтного переключателя не будет достигнуто. Отключение вторичного тока происходит в момент выдачи через управляющую схему в момент t₂ второго управляющего сигнала А, в результате чего снова начнет протекать ток I₁. Высокий уровень второго управляющего сигнала от блока управления конечной ступенью поддерживается в течение периода времени от 10 до 500 мкс. Наиболее целесообразным оказался управляющий сигнал длительностью 100 мкс. В течение этого периода времени t ≅ t ≅ t₃ ток I₁ возрастает и снова падает до нулевого значения. По этой причине протекание тока I₂ принудительно прекращается. Тем самым ток I₂ определенным образом принудительно падает до значения, которое лежит ниже удерживающего тока высоковольтного переключателя. По истечении некоторого промежутка времени, составляющего приблизительно 50 мкс и обозначаемого как время восстановления или время выключения, на высоковольтный переключатель снова может быть подано напряжение в прямом направлении.

После отключения управляющего сигнала А в момент t₃ вторичное напряжение U₂ снова на короткое время возрастает, а затем падает приблизительно до нуля. В этом случае происходит быстрое поглощение остаточной энергии в катушке зажигания, причем напряжение U₂ больше не превышает запирающего напряжения высоковольтных переключателей. Следовательно, последние остаются в выключенном состоянии, а свечи уже не дают искры.

Представленные на фиг. 4 характеристики напряжения и тока действительны также и для индуктивных систем зажигания на фиг. 2 и 3.

Выполненные в виде запускаемых световым импульсом диаков высоковольтные переключатели 13a-13n включаются путем активирования управляемых светом переключателей 13a''-13''n. Следовательно, запускаемые световым импульсом переключатели в их активированном состоянии отпирают цепь между обратно включаемыми переключателями и высоковольтным выводом 11, благодаря чему обратно включаемые переключатели 13'a-13'n могут быть включены перенапряжением U₂. Отпирание обратно включаемых переключателей происходит по токовому сигналу I_EHV, который непосредственно перед появлением напряжения U₂ в момент t₁ подается на управляемый светом переключатель 13''a-13''n свечи 3a-3n зажигания, к которой должна быть подведена энергия катушки 5. В данном случае только в качестве примера принимается, что коммутационный сигнал I_EHV, подаваемый на управляемый светом переключатель 13''a-13''n, длится 100 мкс до и после момента t₁. Очевидно, что для определенного окончания периода искрового разряда не требуется подавать никакого другого сигнала I_EHV управляемые светом переключатели. Отключение запускаемых световым импульсом переключателей 13a-13n, соответственно связанных с этими переключателями высоковольтных диаков 13'a-13'n, происходит исключительно с помощью подаваемого в момент t₂ второго управляющего сигнала А, представленного на верхней диаграмме фиг. 4.

Следовательно, благодаря сигналу U_ES первичный ток I₁ в момент t₂ будет снова возрастать также и в устройствах зажигания, изображенных на фиг. 2 и 3, вследствие чего и в этих устройствах протекание вторичного тока I₂ принудительно будет прекращаться и, как видно на фиг. 4, будет падать со скоростью приблизительно 20 мА/50 мкс, принудительно завершая период искрового разряда. В вариантах выполнения согласно фиг. 2 и 3 вторичное напряжение U₂ по окончании второго управляющего сигнала U_ES в момент t₃ также будет снова возрастать, не достигая, однако, значения запирающего напряжения обратно включаемых переключателей 13'a-13'n, а затем падать приблизительно до нуля. Остаточная энергия в свече зажигания, таким образом, быстро поглощается без повторного загорания свечей.

Показанные на фиг. 1-3 схемы отличаются, следовательно, тем, что продолжительность искрового разряда может быть целенаправленно сокращена. Это, с одной стороны, становится возможным благодаря применению высоковольтных переключателей, будь то изображенные на фиг. 1 или рассмотренные на примере фиг. 2 и 3, удерживающий ток которых выбран таким образом, что вторичный ток I₂ в момент t₂ включается, поскольку не достигнуто значение удерживающего тока высоковольтных переключателей.

Надежность работы схем можно существенно повысить, если вторичный ток I₂ целенаправленно отключать с помощью второго управляющего сигнала А, генерируемого в момент t₂ и подаваемого на катушку зажигания. Благодаря второму управляющему сигналу в момент t₂, как описано выше, вторичный ток I₂ определенным образом уменьшают до нуля, за счет чего высоковольтные переключатели окончательно отключаются и после некоторого промежутка времени (время восстановления, соответственно время выключения) остаются выключенными.

В результате отключения высоковольтных переключателей свечи зажигания отсоединяются от катушки зажигания, что исключает повторное зажиганий свечей при повышении вторичного напряжения U₂ после момента t₃.

Приведенные выше пояснения относятся, с одной стороны, к работе индуктивных устройств зажигания согласно фиг. 1- 3, а с другой стороны, к способу управления свечами зажигания ДВС с помощью индуктивного устройства зажигания, отличающемуся именно тем, что для реализации определенной продолжительности искрового разряда в свече зажигания генерируются два управляющих сигнала. Первый управляющий сигнал служит для инициирования процесса воспламенения в момент t₁; второй выдаваемый в момент t₂ управляющий сигнал А служит для отключения определенным образом вторичного тока в свече зажигания и тем самым ограничения продолжительности искрового разряда. Было установлено, что длительность второго управляющего сигнала должна составлять предпочтительно 100 мкс, чтобы, с одной стороны, для применяемых высоковольтных переключателей выдерживалось время восстановления, соответственно время выключения. С другой стороны, второй управляющий сигнал имеет такую длительность, которой недостаточно для повторного возрастания вторичного тока I₂ в момент времени t₃ при отключении первичного тока I₁.

При особом выполнении схем согласно фиг. 1-3 и расчете параметров способа к свечам зажигания может быть подведен измерительный ток, при этом могут применяться рассмотренные измерительные схемы 19, соответственно 19', показанные на фиг. 1- 3. Измерительный ток, который протекает через искровой промежуток свечи зажигания, анализируется в то время, когда искра уже не горит. Этот ток течет благодаря ионам, имеющимся в камере сгорания во время процесса горения. Этим методом, обозначаемым так же как измерение ионного тока, можно контролировать протекание процесса сгорания. Измерительный ток имеет силу в пределах от 20 до 200 мкА. Предпочтительно измерительный ток выбирают в пределах от 50 до 100 мкА. Из пояснений, сделанных относительно применяемых на фиг. 1 и 2 высоковольтных переключателей, очевидно, что для измерения ионного тока применяются диаки с обратной проводимостью, т.е. высоковольтные диоды с обратной проводимостью, соответственно запускаемые световым импульсом диаки с обратной проводимостью, благодаря чему измерение ионного тока может осуществляться с относительно незначительными затратами. Если, как пояснено на примере фиг. 1, применяются отдельные индукционные катушки, для каждой свечи зажигания можно предусмотреть отдельную измерительную схему. Кроме того, для нескольких, например четырех, свечей зажигания можно применять одну единственную схему измерения.

На фиг. 3 применяются высоковольтные переключатели, не проводящие в обратном направлении. Изображенная на фиг. 3 измерительная схема применима также и для систем согласно фиг. 1, но в этом случае высоковольтные переключатели 13 согласно фиг. 1 следует выполнять не проводящими в обратном направлении.

Из вышесказанного очевидно, что показанные на фиг. 1-3 индуктивные устройства зажигания позволяют измерять ионный ток, причем без необходимости уменьшать подводимое к свечам зажигания напряжение или вторичный начальный ток I₂. Благодаря определенному "отключению" вторичного тока большое количество энергии в катушке зажигания может быть передано на свечи, благодаря чему при всех условиях эксплуатации обеспечивается достаточный подвод напряжения и энергии.

Целенаправленное отключение высоковольтных переключателей либо путем специального задания удерживающего тока высоковольтных переключателей, либо предпочтительно посредством второго управляющего сигнала исключает повышение мощности потерь в блоке управления конечной ступенью или в свече зажигания.

Благодаря запиранию высоковольтного переключателя оставшаяся в свече зажигания энергия может рассеяться в процессе затухания колебаний с малой постоянной времени, не приводя к повторному зажиганию свечей. Кроме того, целенаправленное окончание периода искрового разряда позволяет избежать режима эксплуатации на остаточной энергии в случае многоцилиндровых двигателей, например в двигателях с числом цилиндров более пяти, при высокой частоте вращения и при управлении только с одной конечной ступенью. В данном случае при заранее заданной энергии может быть выбран относительно низкий начальный ток для свечей зажигания, при этом устанавливается относительно длительная продолжительность искрового разряда. По причине невысокого начального значения вторичного тока I₂ имеет место относительно низкий износ свечей. Этот режим работы наиболее пригоден для реализации в системах с электронным распределением высокого напряжения, как это пояснено на примере фиг. 2 и 3.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к индуктивному устройству зажигания для управления свечами зажигания двигателя внутреннего сгорания и способу управления свечой зажигания с помощью такого индуктивного устройства зажигания. Устройство содержит по меньшей мере одну схему управления по меньшей мере одной катушкой зажигания и по меньшей мере одну свечу зажигания, при этом оно содержит взаимодействующий по меньшей мере с одной свечой зажигания высоковольтный переключатель, который первым управляющим сигналом от схемы управления переводится в проводящее включенное состояние, через который во включенном состоянии протекает ток искрового разряда по меньшей мере одной свечи зажигания и который выполнен так, что без дальнейшего управления остается в проводящем состоянии, пока ток искрового разряда не станет меньше определенного значения (удерживающего тока). Изобретение позволяет обеспечить надежность зажигания. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула