Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 12. -
Вып. 3. - 2013. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-39-html/TITL-39.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-39-html/cont.htm
УДК
621.391.161
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА
ИСКРООБРАЗОВАНИЯ С НАКОПЛЕНИЕМ В ЕМКОСТИ
Ó
2013 г. Строев Н. Н., Князев С. Ю.
В работе изложен принцип
работы системы искрообразования с конденсаторной системой накопления энергии.
Предлагаемый вариант системы основан на использовании магнитно-транзисторного
ключа. Данная система позволяет раскрыть потенциал системы искрообразования с
конденсаторной системой накопления в полной мере, при этом исключив недостатки
системы с накоплением энергии в индуктивности.
Ключевые слова: системы искрообразования,
магнитно-транзисторный ключ, энергия.
Системы искрообразования применяются во многих
областях техники, начиная от автомобильных двигателей и заканчивая промышленными
технологическими установками. Наиболее известны системы с накоплением энергии в индуктивности.
Системы искрообразования, основанные на накоплении
энергии в индуктивности, содержат накопительный индуктивный реактор и транзисторный
ключ. Основная причина доминирующего распространения систем искрообразования с
накоплением энергии в индуктивности - это возможность интегрального исполнения,
что влечёт удешевление производства, упрощение сборки и монтажа.
Системы с накоплением энергии в индуктивности сохранили
многие недостатки, основным из которых является относительно низкая скорость
перемагничивания сердечника накопителя, что ограничивает верхнюю частоту
импульсов искрообразования, ведет к потерям энергии искры. В автомобилях это
приводит к тому, что с ростом оборотов, ухудшается воспламенение смеси, как
следствие сбивается фаза начального момента роста давления вспышки, ухудшается
экономичность. RL-параметры катушки должны удовлетворять противоречивым
требованиям. Активное сопротивление R должно ограничивать ток на уровне,
достаточном для накопления необходимого количества энергии при пуске, когда
напряжение аккумулятора может упасть в 1,5 раза. С другой стороны, слишком большой
ток приводит к преждевременному выходу из строя контактной группы, поэтому ограничен
вариатором или длительностью импульса накачки в коммутаторах. Для увеличения
количества запасенной энергии необходимо увеличивать индуктивность катушки. При
этом с ростом оборотов сердечник не успевает перемагнититься. Как следствие
вторичное напряжение в катушке не успевает достигнуть номинального значения, и
энергия искры, пропорциональная квадрату тока, резко снижается на высоких
(более ~3000) оборотах двигателя. Частично эти недостатки устраняются
установкой катушек искрообразования по одной на два цилиндра, или по одной на
каждый цилиндр.
Альтернативной является система с накоплением энергии
в ёмкости (они же «конденсаторные» или «тиристорные») появились в середине
1970-х годов в связи с появлением доступной элементной базы и возросшим интересом
к роторно-поршневым двигателям. Конструктивно они практически аналогичны
описанным выше системам с накоплением энергии в индуктивности, но отличаются
тем, что вместо пропускания постоянного тока через первичную обмотку катушки к
ней подключается конденсатор, заряженный до высокого напряжения (типично от 100
до 400 вольт). То есть обязательными элементами таких систем являются
преобразователь напряжения того или иного типа, чья задача — зарядить
накопительный конденсатор, и высоковольтный ключ, подключающий данный конденсатор
к катушке. Недостатком данных систем является конструктивная сложность, и недостаточная
длительность импульса в большинстве конструкций. Но именно в конденсаторной системе
искрообразования с накоплением энергии в ёмкости наиболее полно проявляются
преимущества электронной системы искрообразования. Энергетическая эффективность
подобных систем ограничена особенностью используемого в них ключевого элемента
– тиристора, который после момента искрообразования не запирается, что приводит
к перезаряду накопительного конденсатора до высоких напряжений обратной
полярности, существенно снижая общий КПД [3].
Предлагаемая нами система имеет существенные отличия
от выше описанных систем и свободна от приведенных недостатков.
Основной особенностью данной схемы является применение
магнитно-транзисторного ключа (МТК). В настоящее время МТК не находит широкого
применения, поскольку, по сути, данный ключ является динамическим – его
открытое состояние ограничивается свойствами магнитной системы и реакцией
нагрузки. В нашем случае это становится преимуществом, так как подключение
катушки искрообразования к накопительному конденсатору через такой ключ
позволяет осуществлять его запирание в фазе максимальной энергии в момент
искрообразования. Таким образом, именно МТК позволяет решить одну из проблем
конденсаторных систем искрообразования, которая была связана с перезарядом
конденсатора напряжением противоположного знака и бесполезной тратой энергии
[4].
При разряде конденсатора через МТК, ток нарастает до максимума,
а при снижении тока, ключ начинает запираться, энергия концентрируется в
катушке искрообразования и эффективно расходуется на искрообразование. На
рисунке 1 приведена структура разработанного устройства.
Рисунок 1. Схема МТК
В исходном состоянии
силовой транзистор VT1 закрыт, а транзистор цепи
управления VT3 открыт и насыщен. Cиловой VT1 и
управляющий VT3 транзисторы работают в противофазе.Транзистор
VT2 закрыт.
При подаче запирающего
сигнала на транзистор цепи управления VT3
последний запирается. В этот момент так же подается отпирающий сигнал на
транзистор VT2. Энергия, через индуктивность
намагничиванияW3 трансформатора протекает ток,
трансформируется во вторичные обмотки W1 и W2, вызывая быстрое регенеративное открывание силового
транзистора VT1 до его насыщения.
При этом трансформатор
работает в режиме трансформации тока. На интервале времени открытого состояния
силового транзистора VT1, закрытого транзистора цепи управления VT3 и открытого транзистора VT2 конденсатор C1 разряжается на катушкуискрообразования практически
до нуля.Величина емкости конденсатора C1 должна
быть достаточной для получения искры необходимой мощности.
При подаче отпирающего
сигнала на транзистор цепи управления VT3 и запирающего сигнала на транзистор VT2, транзистор VT3 открывается и шунтирует базовую цепь транзистора VT1, обеспечивая надежное запирание. Для надежного шунтирования
обмотка L4 имеет наибольшее количество витков.
Если в результате
изменяется полярность напряжения, то энергия через диод VD1 возвращается на конденсатор C1.
Силовой транзистор VT1 быстро запирается и на интервале его закрытого
состояния, конденсатор C1 заряжается от напряжения питания.
Момент запирания
силового транзистора может не совпадать с моментом открытия транзистора VT3, т.к. силовой транзистор запирается из-за положительной
обратной связи при разряде конденсатора.
От схемы управления требуется правильно подобрать
временные соотношения импульсов. Возможно использование многоискрового режима
работы. На рисунке 2 представлены результаты имитационного моделирования,
полученные при использовании в качестве
нагрузки МТК индуктивного реактора с искровым промежутком.
Рисунок 2. Напряжение и токи на вторичной обмотки
реактора.
Выводы: Предложенный принцип работы системы
искрообразования совмещает достоинства индуктивных и емкостных систем,
благодаря использованию МТК снижается нагрузка высоковольтного источника
электропитания, обеспечивается высокий КПД. Не требуется применение сложного
высоковольтного преобразователя напряжения, возможно использование регулятора 2
типа. Появляется возможность повышения частоты искрообразования и формирования
многоискрового режима.
Литература
1 Силовая
электроника. Учебник для вузов / Розанов Ю.К.
М.: МЭИ, 2009 – 632 с.
2 Транзисторная
преобразовательная техника. / Мелешин В.
М.: Техносфера, 2005 – 632 с.
3
Электрооборудоваие автомобилей: учебник для вузов / Акимов С.В. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2004. – 384с.
4 Магнитно-транзисторный
ключ - Патент РФ 2065249.
HIGH PERFORMANCE SYSTEM ofproduce sparksWith
stored energy in the capacitor
Stroev N. N., Knyazev S. Y.
The paper sets out the principle of
the system of sparking a capacitor system accumulation of energy. The proposed
version of the system based on the use of magnetic transistor switch.This
system allows you to unlock the potential of the system of produce sparks with
stored energy in the capacitor to the full, while eliminating the drawbacks of
the system with stored energy in the inductor.
Key words: system of produce sparks, magnetic transistor
switch, the energy.
Филиал ФГБОУВПО «Национальный исследовательский
университет» МЭИ» в г. Смоленске
Поступила в редакцию 12.09.2013.