способ формирования последовательности воспламеняющих искр высокого напряжения и устройство для зажигания током высокого напряжения

Формула изобретения

1. Способ формирования последовательности воспламеняющих искр высокого напряжения, заключающийся в том, что в накопителе (2) энергии, необходимой для зажигания рабочей смеси, накапливают энергию до задаваемого уровня или количества (I_P, _ЗАЖИГ) за счет высвобождения энергии, накопленной накопителем (2) энергии, в подсоединенном к этому накопителю (2) энергии устройстве (6) формирования воспламеняющей искры создают искровой разряд, до высвобождения всей накопленной накопителем (2) энергии начинают повторный процесс накопления энергии этим накопителем (2) энергии за счет высвобождения энергии, накопленной накопителем (2) энергии, в устройстве (6) формирования воспламеняющей искры создают следующий искровой разряд и в процессе формирования искрового разряда измеряют ток (I_F) этого искрового разряда и, когда такой ток (I_F) становится меньше некоторого заданного значения (I_TR), начинают повторный процесс накопления энергии накопителем (2) энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс повторного накопления энергии накопителем (2) энергии начинают при условии, что ток (I_F) искрового разряда стал меньше некоторого заданного значения (I_TR) за заданный промежуток времени.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один процесс накопления энергии накопителем (2) энергии, один процесс повторного накопления им энергии и один процесс высвобождения всей накопленной им энергии осуществляют за время одного цикла сгорания.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что количество осуществляемых за время одного цикла сгорания процессов повторного накопления энергии определяют в зависимости от рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что во временном интервале между воспламеняющими искрами измеряют ионный ток, при этом в зависимости от полученных при указанном измерении ионного тока параметров определяют момент начала процесса повторного накопления энергии накопителем (2) энергии.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что значение (I_TR) срабатывания для тока (I _F) искрового разряда варьируют в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра ДВС, прежде всего от частоты вращения вала ДВС и/или его нагрузки.

7. Устройство для зажигания током высокого напряжения, предназначенное для формирования последовательности воспламеняющих искр, имеющее накопитель энергии, необходимой для зажигания рабочей смеси, переключательный элемент для этого накопителя энергии, обеспечивающий замыкание и размыкание цепи, соединяющей накопитель энергии с источником питания, и блок управления, предназначенный для управления указанным переключательным элементом, отличающееся наличием устройства (19) для определения уровня или количества энергии (I_P, _ЗАЖИГ ), накопленной накопителем (2) энергии, при этом блок управления (3) обеспечивает замыкание переключательного элемента (4) в тот момент, когда уровень или количество энергии, накопленной накопителем (2) энергии, становится ниже некоторого заданного значения, и обеспечивает размыкание указанного переключательного элемента (4) в тот момент, когда уровень или количество энергии, накопленной накопителем энергии, вновь достигает некоторого заданного значения, при этом указанное устройство (19) для определения уровня или количества энергии, накопленной накопителем энергии, представляет собой измеритель тока (I_F) искрового разряда.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что накопитель (2) энергии представляет собой индуктивность.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что устройство (19) для определения уровня или количества энергии, накопленной накопителем энергии, встроено в блок (3) управления.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что переключательный элемент (4) представляет собой полупроводниковый переключательный элемент.

11. Устройство по любому из пп.7-10, отличающееся тем, что полупроводниковый переключательный элемент и блок (3) управления размещены на общей подложке.

12. Устройство по любому из пп.7-11, отличающееся наличием измерителя (30) ионного тока.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу формирования последовательности импульсов тока высокого напряжения, а также к соответствующему устройству для зажигания током высокого напряжения.

Из уровня техники известны различные устройства или системы для зажигания током высокого напряжения. Помимо систем зажигания с накоплением энергии в индуктивности известны также системы зажигания с накоплением энергии в емкости, а также системы зажигания переменного тока. Кроме того, из уровня техники известны системы зажигания, позволяющие формировать последовательность воспламеняющих искр высокого напряжения. В подобных системах, известных также как системы двойного зажигания, для более полного сгорания горючей смеси за время одного процесса сгорания формируется несколько воспламеняющих искр. С этой целью в известных системах зажигания предусматривают, например, несколько накопителей энергии, необходимой для зажигания рабочей смеси, в частности несколько катушек зажигания. Согласно известным из уровня техники решениям управление последовательностью воспламеняющих искр осуществляется в функции времени, при этом подобное управление осуществляется блоком управления с помощью программных и/или аппаратных средств. Недостаток известных систем зажигания, позволяющих формировать несколько воспламеняющих искр, состоит в том, что интервал времени, проходящего между процессом накопления энергии накопителем и высвобождения им накопленной энергии, имеет сравнительно большую длительность. Помимо этого изготовление систем зажигания с несколькими накопителями энергии связано с повышенным расходом материалов.

В изобретении предлагается способ формирования последовательности воспламеняющих искр высокого напряжения, заключающийся в том, что в накопителе энергии, необходимой для зажигания рабочей смеси, накапливают энергию до задаваемого уровня или количества за счет высвобождения энергии, накопленной накопителем энергии, в подсоединенном к этому накопителю энергии устройстве формирования воспламеняющей искры создают искровой разряд, до высвобождения всей накопленной накопителем энергии начинают повторный процесс накопления энергии этим накопителем энергии, за счет высвобождения энергии, накопленной накопителем энергии, в устройстве формирования воспламеняющей искры создают следующий искровой разряд и в процессе формирования искрового разряда измеряют ток этого искрового разряда и, когда такой ток становится меньше некоторого заданного значения, начинают повторный процесс накопления энергии накопителем энергии.

Другим объектом изобретения является устройство для зажигания током высокого напряжения, предназначенное для формирования последовательности воспламеняющих искр, имеющее накопитель энергии, необходимой для зажигания рабочей смеси, переключательный элемент для этого накопителя энергии, обеспечивающий замыкание и размыкание цепи, соединяющей накопитель энергии с источником питания, и блок управления, предназначенный для управления указанным переключательным элементом. Предлагаемое в изобретении устройство для зажигания током высокого напряжения отличается наличием устройства для определения уровня или количества энергии, накопленной накопителем энергии, при этом блок управления обеспечивает замыкание переключательного элемента в тот момент, когда уровень или количество энергии, накопленной накопителем энергии, становится ниже некоторого заданного значения и обеспечивает размыкание указанного переключательного элемента в тот момент, когда уровень или количество энергии, накопленной накопителем энергии, вновь достигает некоторого заданного значения, при этом указанное устройство для определения уровня или количества энергии, накопленной накопителем энергии, представляет собой измеритель тока искрового разряда.

Преимущество предлагаемых в изобретении способа формирования последовательности импульсов тока высокого напряжения, а также устройства для зажигания током высокого напряжения состоит в возможности сократить временной интервал между процессом накопления энергии накопителем и процессом высвобождения накопленной им энергии. Благодаря этому создается возможность формировать за время одного процесса сгорания несколько воспламеняющих искр высокого напряжения. Вместе с тем увеличение количества формируемых воспламеняющих искр позволяет также уменьшить емкость накопителя энергии, т.е. позволяет, например, использовать катушку зажигания меньших размеров по сравнению с известными из уровня техники системами зажигания. Сокращение времени, затрачиваемого на повторное накопление энергии накопителем энергии, обеспечивается в основном за счет того, что процесс повторного накопления энергии накопителем энергии начинается еще до полного высвобождения всей накопленной им энергии. Иными словами, в накопителе энергии вне зависимости от изменения таких параметров, как, например, вторичное напряжение системы зажигания, напряжение индуктивной составляющей искрового разряда, частота вращения вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС), коэффициент избытка воздуха, определяемый соотношением между воздухом и топливом в горючей смеси, напряжение аккумуляторной батареи и т.п., сохраняется остаточная энергия, что позволяет сократить продолжительность повторного накопления энергии накопителем энергии и тем самым формировать каждую из последующих воспламеняющих искр через значительно меньший промежуток времени, проходящего после формирования первой искры.

Наиболее простая возможность предотвратить высвобождение всей накопленной накопителем энергии, т.е. предотвратить полный его разряд, состоит согласно одному из вариантов осуществления изобретения в том, чтобы в процессе горения воспламеняющей искры, т.е. за время существования искрового разряда, измерять ток такого искрового разряда и начинать процесс повторного накопления энергии накопителем энергии в том случае, когда такой ток искрового разряда становится меньше некоторого заданного значения. Во избежание неконтролируемого повторного искрообразования в устройстве формирования воспламеняющих искр, что может быть обусловлено, например, пиками тока искрового разряда, согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения процесс повторного накопления энергии накопителем энергии предлагается начинать только при условии, что ток искрового разряда стал меньше некоторого заданного значения за заданный промежуток времени. При этом, однако, обеспечивается и минимальная продолжительность существования искрового разряда, необходимая для воспламенения находящейся в камере сгорания горючей смеси. Таким образом, поскольку процесс повторного накопления энергии начинается только при уменьшении тока искрового разряда ниже некоторого заданного значения, сокращается и продолжительность подобного процесса повторного накопления энергии накопителем энергии благодаря наличию в нем остаточного количества энергии.

При наличии измерительной линии с измерителем ионного тока, соединяющей накопитель энергии с блоком управления, такую измерительную линию можно использовать и для измерения тока искрового разряда. Тем самым удается наиболее экономичным и эффективным путем решить задачу по управлению процессом повторного накопления энергии с помощью блока управления.

В частных случаях осуществления предлагаемого в изобретении способа за время одного цикла сгорания можно осуществлять по меньшей мере один процесс накопления энергии накопителем энергии, один процесс повторного накопления им энергии и один процесс высвобождения всей накопленной им энергии.

Количество осуществляемых за время одного цикла сгорания процессов повторного накопления энергии может определяться в зависимости от рабочих параметров ДВС.

Во временном интервале между воспламеняющими искрами может быть предусмотрено измерение ионного тока, при этом в зависимости от полученных при указанном измерении ионного тока параметров может определяться момент начала процесса повторного накопления энергии накопителем энергии.

Значением срабатывания для тока искрового разряда можно варьировать в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра ДВС, прежде всего от частоты вращения вала ДВС и/или его нагрузки.

В частных вариантах конструкции предлагаемого в изобретении устройства накопитель энергии может представлять собой индуктивность, а устройство для определения уровня или количества энергии, накопленной накопителем энергии, может быть встроено в блок управления.

Переключательный элемент может представлять собой полупроводниковый переключательный элемент, который может быть размещен на общей подложке с блоком управления.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - первый вариант выполнения устройства для зажигания током высокого напряжения,

на фиг.2 - временные характеристики, отражающие изменение тока при накоплении энергии накопителем энергии в устройстве для зажигания током высокого напряжения, изменение тока искрового разряда и изменение управляющего напряжения,

на фиг.3 - второй вариант выполнения устройства для зажигания током высокого напряжения и

на фиг.4 - временные характеристики, отражающие изменение тока и напряжения в показанном на фиг.3 устройстве для зажигания током высокого напряжения.

На фиг.1 показано устройство 1 для зажигания током высокого напряжения, имеющее накопитель 2 энергии, необходимой для зажигания рабочей смеси (далее называемый просто накопителем энергии), блок 3 управления и переключательный элемент 4. Это устройство 1 для зажигания током высокого напряжения служит источником электрической энергии, необходимой для создания в искровом промежутке 5 воспламеняющей искры высокого напряжения. Подобный искровой промежуток 5 выполнен в устройстве 6 формирования воспламеняющей искры, которое в предпочтительном варианте может представлять собой свечу зажигания.

Накопитель 2 энергии в предпочтительном варианте выполнен в виде индуктивности, т.е. в виде катушки 7 зажигания, имеющей первичную обмотку 8 и вторичную обмотку 9. К вторичной обмотке 9 подключено устройство 6 формирования воспламеняющей искры, при этом в такой электрической цепи предусмотрены также помехоподавляющий резистор 10 и диод 11 для подавления возможного искрового разряда при нарастании первичного тока катушки зажигания (так называемый ПИНПТ-диод), анод которого соединен с одним из образующих искровой промежуток 5 электродов, а его катод соединен со вторичной обмоткой 9. Помимо этого в такой электрической цепи предусмотрены также защитный резистор 12, предназначенный для уменьшения обгорания электродов устройства формирования воспламеняющей искры, и сопротивление 13 накопителя 2 энергии. Таким образом, один вывод вторичной обмотки 9 соединен с одним из образующих искровой промежуток 5 электродов, а второй ее вывод соединен с блоком 3 управления.

К одному из выводов первичной обмотки 8 приложено напряжение питания U_B, которое может представлять собой напряжение аккумуляторной батареи, установленной на транспортном средстве. Второй вывод первичной обмотки 8 выполнен с возможностью его соединения с корпусом ("массой") через переключательный элемент 4. Таким образом, в зависимости от занимаемого переключательным элементом 4 положения, которым управляет блок 3 управления через управляющий выход 4', электрическая цепь питания первичной обмотки 8 находится в замкнутом или разомкнутом состоянии. При замкнутом переключательном элементе 4 энергия накапливается накопителем 2. По завершении процесса накопления энергии накопителем 2 переключательный элемент 4 размыкается, и в результате накопленная накопителем 2 энергия, необходимая для зажигания рабочей смеси, высвобождается в виде возникающего в искровом промежутке 5 искрового разряда, а накопитель 2 энергии в ходе этого процесса соответственно разряжается.

Для измерения так называемого напряжения на зажимах накопителя 2 энергии блок 3 управления имеет измерительный вход 14, соединенный с точкой 15 съема напряжения, расположенной в цепи первичного тока между первичной обмоткой 8 и переключательным элементом 4. Помимо этого блок 3 управления имеет измерительный вход 16 для измерения тока, соединенный с точкой 17 съема тока 17, имеющейся у переключательного элемента 4. Через этот измерительный вход 16 измеряется первичный ток I_P, а именно по меньшей мере в процессе накопления энергии накопителем 2. Блок 3 управления имеет также устройство 19, предназначенное для определения уровня или количества энергии, накопленной накопителем 2 энергии, по меньшей мере в процессе формирования воспламеняющей искры. С этой целью такое устройство для определения уровня или количества энергии, накопленной накопителем энергии, имеет в предпочтительном варианте измерительный вход 20 для измерения тока, соединенный с одним из выводов вторичной обмотки 9, что позволяет измерять ток I_F искрового разряда в процессе искрообразования. Для облегчения и упрощения выполнения указанной задачи к линии, соединяющей измерительный вход 20 для измерения тока со вторичной обмоткой 9, одним его выводом подключен обозначаемый также как шунт измерительный резистор 21, другой вывод которого соединен с массой 18. Кроме того, блок 3 управления имеет управляющий вход 22, к которому от коммутатора может подводиться управляющее напряжение U_E.

Ниже со ссылкой на фиг.1 и 2а-2в поясняется принцип работы устройства 1 для зажигания током высокого напряжения. При активизированном управляющем входе 22 к нему в промежуток времени с момента t₀ до момента t _E приложено управляющее напряжение U_E (фиг.2в). В этот промежуток времени переключательный элемент 4 по управляющему сигналу от блока 3 управления замыкает цепь питания первичной обмотки 8, в результате чего первичный ток I_P начинает возрастать с момента t₀. Этот ток I_P изменяется в зависимости от количества энергии, накопленной накопителем 2 энергии. По достижении этим током в момент t₁ заданного значения I_{P, зажиг} блок 3 управления вновь размыкает переключательный элемент 4, в результате чего последующее высвобождение накопленной накопителем 2 энергии приводит в момент t₁ к возрастанию тока I_F искрового разряда (фиг.2б) и, как следствие, к проскакиванию в искровом промежутке 5 воспламеняющей искры. По мере продолжающегося высвобождения накопленной накопителем 2 энергии ток I_F искрового разряда уменьшается. По достижении током I_F искрового разряда некоторого заданного порогового значения I_TR срабатывания, регистрируемого устройством 19 для определения уровня или количества накопленной накопителем энергии, блок 3 управления вновь замыкает переключательный элемент 4, и в момент t₂ начинается процесс повторного накопления энергии накопителем 2. Этот процесс повторного накопления энергии вновь продолжается до достижения первичным током в момент t₃ определенного значения I_{P, ЗАЖИГ}, после чего блок 3 управления снова размыкает переключательный элемент 4, в результате чего высвобождение накопленной накопителем 2 энергии приводит в момент t₃ к проскакиванию или формированию в искровом промежутке 5 следующей воспламеняющей искры, которая горит до тех пор, пока в момент t₄ ток I_F искрового разряда вновь не снизится до порогового значения I _TR срабатывания, после чего переключательный элемент 4 вновь устанавливается в замкнутое положение, и начинается следующий цикл накопления энергии накопителем 2, длящийся до тех пор, пока первичный ток I_P снова не достигнет в момент t ₅ значения I_{P, ЗАЖИГ}. В результате последующего повторного размыкания переключательного элемента 4 вновь начинается высвобождение накопленной накопителем 2 энергии, что в свою очередь вновь приводит к образованию в искровом промежутке 5 в момент t₅ воспламеняющей искры. Однако в момент t_E подача управляющего напряжения на управляющий вход 22 прекращается, и поэтому блок 3 управления более не замыкает переключательный элемент 4, а воспламеняющая искра полностью догорает. С учетом рассмотренного выше процесса становится, таким образом, очевидно, что в зависимости от длительности промежутка времени, в течение которого на управляющий вход 22 подается управляющее напряжение и который ограничен моментами t₀ и t _E, в момент t₀ может происходить образование первой воспламеняющей искры, в период времени с момента t ₂ до момента t₄ может происходить образование по меньшей мере одной или же нескольких последующих воспламеняющих искр, а в момент t₅ может происходить образование заключительной воспламеняющей искры, которая может полностью догореть.

Во избежание неконтролируемого процесса накопления энергии накопителем 2 энергии, соответственно неконтролируемого процесса отдачи им накопленной энергии в промежутке времени между последовательным образованием двух воспламеняющих искр, например в промежутке между моментами t₂ и t₃, переключательный элемент 4 переключается в замкнутое положение для накопления энергии накопителем 2 энергии лишь тогда, когда ток I_F искрового разряда становится ниже заданного значения I_TR срабатывания в течение определенного интервала времени, составляющего, например, от 20 до 80 мкс, в результате чего пики тока как бы отфильтровываются и не учитываются при управлении переключательным элементом 4. Таким образом, значение I_TR срабатывания задается меньше максимального тока I _{F, max} и может, например, составлять от 0,3 до 0,7 от величины максимального тока I_{F, max} в системе зажигания. Следовательно, это значение I_TR срабатывания является варьируемой величиной, задаваемой предпочтительно в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра ДВС. Такими параметрами могут служить, например, частота вращения вала ДВС и/или его нагрузка. При этом предлагается прежде всего использовать семейство нескольких характеристик, что позволяет на основании таких характеристик рабочих параметров ДВС выбирать значения I_TR срабатывания. При изменении значения I_TR срабатывания изменяется также продолжительность отдельного искрового разряда, что позволяет тем самым варьировать количество отдельных воспламеняющих искр в одной их последовательности.

В показанной на фиг.1 схеме блок 3 управления и измерительный резистор 21, а также переключательный элемент 4, который может быть выполнен прежде всего в виде мощного транзисторного ключа, можно рентабельно изготавливать в виде единого блока 3' на полупроводниковой подложке, при этом из корпуса, в который заключена такая подложка, потребуется выводить наружу только четыре вывода 23-26. Очевидно, что блок 3 управления, измерительный резистор 21 и переключательный элемент 4 могут быть выполнены и в виде отдельных компонентов, которые, однако, также можно расположить в одном общем корпусе, имеющем выводы 23-26.

На фиг.3 показан второй вариант выполнения устройства 1 для зажигания током высокого напряжения, в котором устройство 19 для определения уровня или количества накопленной накопителем энергии выполнено в переключательном блоке 27, включенном в цепь перед блоком 3 управления и имеющем коммутатор 28, выход которого соединен с управляющим входом 22 блока 3 управления и который обеспечивает подачу на блок 3 управления управляющего напряжения U_E. Такое управляющее напряжение U_E подается согласно фиг.4а в виде импульсов, а именно в зависимости от тока I_F искрового разряда. По достижении этим током I_P искрового разряда значения I_TR срабатывания (фиг.4в) на управляющий вход 22 вновь подается импульс управляющего напряжения U_E, по которому блок 3 управления замыкает переключательный элемент 4, который остается в этом положении до достижения первичным током I_P соответствующего моменту искрообразования значения I_{P, ЗАЖИГ} (фиг.4б), после чего переключательный элемент вновь размыкается, благодаря чему в результате высвобождения накопленной накопителем 2 энергии в искровом промежутке 5 вновь возможно образование искрового разряда. Преимущество, связанное с подачей управляющего напряжения U_E в подобном импульсном режиме, состоит в том, что из корпуса, в который заключен блок 3', имеющий блок 3 управления и переключательный элемент 4, наружу требуется вывести только три вывода 23, 24 и 25.

В рассматриваемом варианте выполнения устройства 1 для зажигания током высокого напряжения, показанного на фиг.3, точка съема тока, подаваемого на измерительный вход 20 для измерения тока, расположена между полупроводниковым стабилитроном (диодом Зенера) 29 и измерительным резистором 21, при этом полупроводниковый стабилитрон 29 включен в прямом для тока I_F искрового разряда направлении. Линия, соединяющая между собой вторичную обмотку 9 и полупроводниковый стабилитрон 29, проходит далее к измерителю 30 ионного тока, который позволяет измерять в промежутках между отдельными воспламеняющими искрами ионный ток в камере сгорания с целью, например, анализа и оценки детонационных процессов в ДВС. В остальном показанные на фиг.3 и 4 элементы, которые по своей конструкции и/или функциям совпадают с представленными на фиг.1 и 2 элементами, обозначены теми же позициями. Поэтому такие элементы повторно не рассматриваются.

Описанное выше устройство 1 для зажигания током высокого напряжения обеспечивает, таким образом, многократное накопление-высвобождение энергии накопителем 2 энергии, при этом для сокращения временных интервалов между двумя воспламеняющими искрами по сравнению с известными системами зажигания существенно уменьшена продолжительность процесса повторного накопления энергии накопителем 2 энергии, поскольку в нем постоянно сохраняется остаточная энергия. Благодаря этому появляется возможность использовать недорогие накопители энергии, прежде всего катушки, первичная энергия которых составляет менее 100 мДж. Помимо этого за счет изменения значения I_TR срабатывания для тока искрового разряда и изменения отключающего тока I_{P, ЗАЖИГ} можно обеспечить согласование с конкретным уровнем напряжения питания, прежде всего со степенью заряженности аккумуляторной батареи транспортного средства. Кроме того, существует возможность варьировать длительность одной последовательности воспламеняющих искр, соответственно количество воспламеняющих искр в пределах одной их последовательности.

Помимо этого существует возможность согласовывать продолжительность высвобождения энергии, накопленной накопителем энергии, с конкретными условиями, преобладающими во вторичной цепи накопителя 2 энергии и устройства 6 формирования воспламеняющей искры, что позволяет также компенсировать определяемый производственными допусками разброс рабочих параметров резисторов 12, 10 и 13, включенных во вторичную цепь.