Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО РОЗЖИГА

Предлагаемое устройство относится к системам зажигания топливной смеси - в двигателях и отопителях на газовом, дизельном, бензиновом и любом другом виде топлива в газообразном или жидком состоянии.

Широко известна искровая батарейная система зажигания, содержащая катушку зажигания, выводы вторичной обмотки которой предназначены для подключения к электродам зажигания, а первичная обмотка через коммутатор подключена к выходу источника питания. Недостатком такого устройства является зависимость тока через первичную обмотку катушки зажигания как от состояния источника питания, так и от состояния контактов соединителей. Это приводит к нестабильности энергии искрового разряда, и в конечном итоге к постоянно меняющимся условиям поджига топливной смеси.

Прототипом предлагаемого устройства является устройство электроискрового розжига [Патент РФ на полезную модель №25913], содержащее формирователь импульсов, выход которого соединен с входным выводом ключа, катушку зажигания, выводы вторичной обмотки которой предназначены для подключения к электродам зажигания, а один из выводов подключен к "плюсовому" выводу питания, узел ограничения тока, первый входной вывод которого соединен с первым выходным выводом ключа и через датчик тока с "минусовым" выводом питания, а выходной вывод - с входным выводом ключа. В этом устройстве приняты меры по исключению влияния нестабильности параметров источника питания и контактов соединителей на энергию искрового разряда, что достигнуто введением устройства ограничения тока, обеспечивающего стабилизацию энергии, запасаемой в первичной обмотке катушки зажигания. Однако предложенная конструкция при решении одной проблемы порождает другую, а именно: для обеспечения нормальной работы всего устройства в целом время заряда первичной обмотки катушки зажигания должно быть меньше длительности выходных импульсов формирователя, что приводит к бесполезным затратам энергии на поддержание тока в уже заряженной катушке. Эти затраты энергии возрастают как при улучшении качества контактов соединителей, так и при достижении напряжением источника номинального значения и выше. Также известно, что разряд в искровом зазоре, используемый как воспламеняющая искра для поджига топливной смеси, в процессе развития проходит две фазы: пробой искрового зазора (ударная ионизация) и поддержание разряда (поддержание протекания тока в искровом зазоре). Для пробоя требуется высокое напряжение, для поддержания разряда - относительно низкое. В прототипе же эти особенности не учитываются, а именно: формирование воспламеняющей искры происходит в процессе обратного хода, и при этом формируется высокое напряжение, обеспечивающее пробой искрового зазора, которое, однако, в фазе поддержания протекания тока в искровом зазоре уже является избыточным. Также во время заряда катушки зажигания искровой разряд гаснет, что приводит к необходимости формирования указанного высокого напряжения на вторичной обмотке катушки зажигания, равного напряжению пробоя, в каждом импульсе. Вышеотмеченные особенности приводят к увеличению нагрева катушки зажигания, и уменьшению коэффициента полезного действия.

Кроме того, ток, коммутируемый через первичную обмотку катушки зажигания, проходит по контуру, содержащему само устройство розжига, источник питания и соединительные провода, которые являются источником электромагнитных помех.

Технической задачей при разработке данного устройства является повышение надежности поджига топлива за счет обеспечения стабильности энергии искрового разряда при изменяющихся условиях эксплуатации.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство электроискрового розжига, содержащее катушку зажигания, выводы вторичной обмотки которой предназначены для подключения к электродам зажигания с заданным искровым зазором, ключ и соединенный с источником питания формирователь импульсов, первый выход которого соединен с входным выводом ключа, второй выход соединен с первым выводом первичной обмотки катушки зажигания, второй вывод которой соединен с первым выходом ключа, причем формирователь импульсов выполнен программным, включает устройство заряда, накопительный конденсатор, пороговое устройство, формирователь одиночного импульса и формирователь последовательности импульсов, кроме того, устройство электроискрового розжига содержит устройство ограничения напряжения, первый входной вывод которого подключен к первому выходному выводу ключа, а второй входной вывод подключен ко второму выходному выводу ключа и третьему выходу формирователя импульсов программного, первый вход формирователя импульсов программного соединен со входом устройства заряда, а второй вход соединен с первым выводом накопительного конденсатора и третьим выходом формирователя импульсов программного, выход устройства заряда соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, входом порогового устройства и вторым выходом формирователя импульсов программного, выход порогового устройства соединен с первыми входами формирователя одиночного импульса и формирователя последовательности импульсов, первые выходы которых соединены между собой и с первым выходом формирователя импульсов программного, второй выход формирователя одиночного импульса соединен со вторым входом формирователя последовательности импульсов, а коэффициент трансформации катушки зажигания К_TP и уровень срабатывания устройстве ограничения напряжения U_ОГР должны одновременно удовлетворять следующим условиям:

где:

U_Г - напряжение горения дуги в искровом зазоре;

U_Cmin - минимальное напряжение на накопительном конденсаторе,

U_ПР - напряжение пробоя искрового зазора, при этом формирователь одиночного импульса выполнен с возможностью формирования на вторичной обмотке катушки зажигания импульса напряжения, амплитуда которого превышает напряжение пробоя искрового зазора, а формирователь последовательности импульсов выполнен с возможностью поддержания на вторичной обмотке катушки зажигания напряжения и тока горения дуги в искровом зазоре.

На чертеже изображена структурная схема заявляемого устройства электроискрового розжига.

Устройство содержит формирователь импульсов программный 1, первый и второй входы которого подключены к источнику питания, содержащий накопительный конденсатор 2, устройство заряда 3, пороговое устройство 4, формирователь последовательности импульсов 5 и формирователь одиночного импульса 6. Ключ 7 подключен к катушке зажигания 8, работающей на искровой зазор 9, параллельно ключу 7 подключено устройство ограничения напряжения 10. Первый выход 11 формирователя импульсов программного 1 соединен с входным выводом ключа, второй выход 12 формирователя импульсов программного 1 соединен с первым выводом первичной обмотки катушки зажигания 8, второй вывод которой соединен с первым выходным выводом ключа 7. Первый входной вывод устройства ограничения напряжения 10 подключен к первому выходному выводу ключа 7, второй входной вывод устройства ограничения напряжения 10 подключен ко второму выходному выводу ключа 7 и третьему выходу 13 формирователя импульсов программного 1. Первый вход формирователя импульсов программного 1 соединен с входом устройства заряда 3, а второй вход соединен с первым выводом накопительного конденсатора 2 и третьим выходом 13 формирователя импульсов программного 1. Выход устройства заряда 3 соединен со вторым выводом накопительного конденсатора 2, входом порогового устройства 4 и вторым выходом 12 формирователя импульсов программного 1. Выход порогового устройства 4 соединен с первым входом формирователя последовательности импульсов 5 и входом формирователя одиночного импульса 6, первые выходы которых соединены между собой и с первым выходом 11 формирователя импульсов программного 1. Второй выход формирователя одиночного импульса 6 соединен со вторым входом формирователя последовательности импульсов 5.

Устройство электроискрового розжига работает следующим образом. При подключении к источнику питания начинается заряд накопительного конденсатора 2 через устройство заряда 3. При этом выходной сигнал порогового устройства 4 находится в состоянии, блокирующем работу формирователя последовательности импульсов 5 и формирователя одиночного импульса 6. В это время ключ 7 заперт, ток через первичную обмотку катушки зажигания 8 отсутствует. При заряде накопительного конденсатора 2 до напряжения, при котором обеспечивается устойчивая работа устройства электроискрового розжига, пороговое устройство 4 срабатывает по уровню включения, фиксируется в этом состоянии и формирует сигнал, разрешающий работу формирователя последовательности импульсов 5 и формирователя одиночного импульса 6. Выходной импульс формирователя одиночного импульса 6 по первому выходу 11 формирователя импульсов программного открывает ключ 7, который подключает первичную обмотку катушки зажигания 8 к накопительному конденсатору 2, а сигналом по второму выходу формирователя одиночного импульса 6 - запрещает работу формирователя последовательности импульсов 5. За время действия сигнала формирователя одиночного импульса 6 происходит накопление энергии в первичной обмотке катушки зажигания 8. По окончании выходного сигнала формирователь одиночного импульса 6 по второму выходу разрешает работу формирователя последовательности импульсов 5, а по первому - закрывает ключ 7, и за счет ЭДС самоиндукции на вторичной обмотке катушки зажигания 8 возникает напряжение, гарантированно обеспечивающее пробой искрового зазора 9. После пробоя во вторичной обмотке катушки зажигания 8 возникает ток, в результате чего энергия, запасенная в катушке зажигания, выделяется (с учетом коэффициента полезного действия) в виде энергии искрового разряда. После пробоя поддержание протекания тока в искровом зазоре 9 обеспечивается как на прямом, так и на обратном ходе катушки зажигания 8, при этом напряжение на искровом зазоре 9 в несколько десятков раз меньше напряжения первичного пробоя. В этом случае для снижения потерь в режиме поддержания разряда напряжение при обратном ходе катушки зажигания 8 следует уменьшать до напряжения горения. В предлагаемом устройстве это достигается тем, что по окончании работы формирователя одиночного импульса 6 дальнейшее управление накоплением энергии в катушке зажигания 8 осуществляется от формирователя последовательности импульсов 5 путем скачкообразного уменьшения времени заряда катушки зажигания 8 и плавного уменьшения напряжения на накопительном конденсаторе 2 по мере его разряда. Работа в режиме поддержания протекания тока в искровом зазоре 9 происходит до тех пор, пока накопительный конденсатор 2 не разрядится до уровня, при котором устойчивая работа устройства электроискрового розжига оказывается невозможной. Как только это произойдет, пороговое устройство 4 срабатывает по уровню выключения и фиксируется в этом состоянии, запрещающем работу формирователя последовательности импульсов 5 и формирователя одиночного импульса 6. Энергия от накопительного конденсатора 2 не потребляется, и он вновь начинает заряжаться через устройство заряда 3, то есть, устройство переходит в режим, с которого начался рабочий цикл. Рабочие циклы повторяются, пока устройство электроискрового розжига подключено к источнику питания.

Напряжение на накопительном конденсаторе 2 в момент срабатывания порогового устройства 4 по уровню включения фиксировано, что за время действия отпирающего сигнала формирователя одиночного импульса 6 обеспечивает заряд первичной обмотки катушки зажигания 8 через ключ 7 до постоянного уровня, стабилизируя тем самым энергию искрового разряда без необходимости применения для этих целей узла ограничения тока. В процессе повторяющихся циклов заряда катушки зажигания 8 напряжение на накопительном конденсаторе 2 уменьшается, поэтому при постоянной длительности отпирающего сигнала формирователя последовательности импульсов 5 в каждом следующем цикле заряда катушки зажигания 8 будет запасаться энергии меньше, нежели в предыдущем. Кроме того, длительность первого зарядного импульса, определяемая формирователем одиночного импульса 6, рассчитывается исходя из обеспечения условий гарантированного пробоя искрового зазора 9, длительность же всех последующих импульсов определяется исходя из условий поддержания тока в уже возникшем искровом разряде. При этом на прямом ходе для поддержания тока в искровом зазоре 9 формируется напряжение, близкое к достаточному, а на обратном ходе - напряжение, меньшее напряжения пробоя. Для этого коэффициент трансформации катушки зажигания 8 рассчитывается из условия (1) так, чтобы при прямом ходе напряжение на вторичной обмотке катушки зажигания 8 было достаточным для поддержания тока в искровом зазоре 9. Таким образом, в начальный момент времени искровой разряд имеет большую мощность, что обеспечивает интенсивный процесс возникновения искрового разряда с последующим его поддержанием на меньшем токе и позволяет снизить потери энергии в катушке зажигания.

А поскольку накопительный конденсатор 2 заряжается до одного и того же напряжения, которое не превышает нижней границы напряжения питания, сам накопительный конденсатор 2 расположен в непосредственной близости от катушки зажигания 8 и ключа 7, и соединительные цепи между ними не содержат разъемных соединений, то и процесс искрообразования при этом будет стабильный, то есть не зависящий ни от входного напряжения источника питания, которое может изменяться в зависимости от степени разряда и температуры окружающей среды, ни от состояния контактов коммутирующих элементов, что дает возможность оптимизации параметров процесса искрообразования с целью повышения надежности поджига топлива и элементов схемы с целью получить максимальный коэффициент полезного действия и уменьшить потери на элементах схемы. Уменьшение потерь на элементах схемы позволяет снизить их нагрев, что приводит к повышению надежности предлагаемого устройства электроискрового розжига. В режиме оборванной цепи вторичной обмотки надежность катушки зажигания 8 повышается посредством ограничения напряжения на ее первичной обмотке с помощью устройства ограничения напряжения 10, рассчитываемого в соответствии с условием (2). Повышение же надежности составных частей, в свою очередь, приводит к повышению надежности заявляемого устройства в целом. Кроме того, контур с большими импульсными токами малой длительности охватывает расположенные в непосредственной близости друг от друга накопительный конденсатор 2, ключ 7 и первичную обмотку катушки зажигания 8, в контуре же, выходящем за пределы устройства, протекает малый ток длительного заряда накопительного конденсатора 2, в котором импульсная составляющая незначительна. Это приводит к уменьшению излучаемых электромагнитных помех относительно прототипа.

В соответствии с предлагаемым изобретением изготовлены и испытаны в составе отопителя на дизельном топливе опытные образцы устройства электроискрового розжига, питаемые от батареи с напряжением 18...30 В. Пороговое устройство 4, формирователь последовательности импульсов 5 и формирователь одиночного импульса выполнены на драйвере. Накопительный конденсатор 2 заряжается через резистор до напряжения 17 В, разряжается в процессе формирования искрового разряда до напряжения 10 В, а в качестве ключа 7 использован полевой транзистор, встроенный стабилитрон которого используется в качестве устройства ограничения напряжения. Длительность первого импульса 50 мс, последующих 10 мс. Испытания проведены в ОАО "Шадринский автоагрегатный завод". Проведены стендовые, климатические и ресурсные испытания на соответствие требованиям ОАО "Шадриский автоагрегатный завод" и представительства №965 МО от 04.07.03. Результаты испытаний положительные. По надежности зафиксировано более 5000 включений отопителя без сбоев. Диапазон рабочих температур внешней среды от плюс 100°С до минус 45°С. Искровой зазор между электродами (4±0,5) мм. Частота искровых разрядов не менее 4 Гц, длительность разрядов не менее 3 мс.