Лекция 9. Электронные системы зажигания

1. НЕДОСТАТКИ КЛАССИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

Системы зажигания ДВС батарейного типа имеют достаточно простую конструкцию, невысокую стоимость и позволяют регулировать угол опережения зажигания в широких пределах, но имеют ряд недостатков. К числу основных недостатков относят:

– относительно малую величину вторичного напряжения на низких и высоких частотах вращения коленчатого вала двигателя,

– чрезмерный нагрев катушки зажигания в зоне низких частот вращения вала двигателя и особенно при остановившемся двигателе и включенном замке зажигания,

– нарушение зазоров в контактах, необходимость их периодической зачистки,

– низкий срок службы и др.

Развитие современных двигателей происходит в направлении повышения экономичности и снижения удельного веса при одновременном увеличении частоты вращения и степени сжатия. В настоящее время степень сжатия составляет 7,0 ÷ 8,5, но на перспективных автомобилях устанавливаются двигатели со степенью сжатия 9,0 – 10 и более. Такое повышение степени сжатия требует значительного увеличения вторичного напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи.

Частота вращения автомобильных двигателей также неуклонно возрастает и в настоящее время достигает 5000 ÷ 8000 об/мин. Стремление повысить топливную экономичность двигателя заставляет использовать обеднённую смесь. Для надёжного воспламенения такой смеси требуется большая длина искрового промежутка свечи, т. е. требуется большая энергия разряда. В настоящее время величина искрового промежутка свечи лежит в пределах 0,8 ÷ 1,2 мм.

Таким образом, к современной системе зажигания предъявляются более высокие требования по надёжности, долговечности, по значению вторичного напряжения и энергии искрового разряда. Одновременно повышаются требования к снижению стоимости, массы, габаритов и величине потребляемой энергии.

Классическая система зажигания допускает один способ увеличения вторичного напряжения – увеличением силы тока разрыва. Однако увеличение силы тока разрыва свыше определённого значения (3,5 ÷ 4,0 А при напряжении 12 В) приводит к ненадёжной работе контактов прерывателя и резкому сокращению их срока службы.

Таким образом, недостатки контактных систем обусловлены работой механического прерывателя и механических автоматов опережения зажигания. Очевидно, что устранить недостатки можно только заменой механических элементов электронными устройствами. Полученную в результате такой замены систему зажигания называют электронной.

2. КОНТАКТНО-ТРАНЗИСТОРНАЯ СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ

Первыми электронными устройствами, примененными в системах зажигания, стали электронные ключи. Системы зажигания с электронными ключами называются контактно – транзисторными. Схема такой системы приведена на (рис. 9.1).

В схеме рис. 9.1 на электронный ключ возложены функции прерывателя в цепи первичной обмотки катушки зажигания. Через транзистор протекает большой (до 10 А) ток первичной обмотки. Контакты прерывателя сохранены, но вынесены в слаботочную цепь управления электронным ключом. По физической сути они исполняют роль датчика сигнала управления электронным ключом.

Таким образом, применение транзистора в системе зажигания позволило принципиально устранить основной недостаток классической системы зажигания. Величина тока разрыва уже не ограничивается стойкостью контактов прерывателя, а зависит лишь от параметров транзистора. Режим работы контактов прерывателя значительно облегчён, поэтому срок их службы больше. Однако этим системам по-прежнему присущи недостатки классической системы зажигания – механический износ контактов прерывателя, ограниченный скоростной режим из-за вибрации контактов и т. п. В настоящее время выпускаются различные электронные блоки, улучшающие работу контактной системы зажигания и фактически превращающие её в контактно- транзисторную (ТАНДЕМ-2, БУЗ 06, ОКТАН-1, ЭРУОЗ и др.).

3. ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

На следующем этапе развития электронных систем зажигания контакты прерывателя заменены бесконтактным датчиком. Датчик вырабатывает импульсы в строго заданные моменты времени. Эти импульсы усиливаются по мощности и управляют электронным ключом. Таким образом, в схему электронной системы зажигания включается дополнительный каскад – усилитель сигналов датчика или формирующий каскад. Совокупность формирующего каскада и электронного ключа стали называть коммутатором, а систему зажигания – бесконтактной (БСЗ).

В БСЗ рассмотренной структуры угол включенного состояния электронного ключа α_вкл постоянный. Это значит, что время накопления энергии t_н зависит от частоты вращения коленчатого вала n по закону t_н = α_вкл / 6n. С уменьшением частоты вращения n время накопления, а, следовательно, и ток разрыва, и мощность, рассеиваемая элементами схемы, увеличиваются.

3.1. Датчики углового положения коленчатого вала ДВС

В настоящее время наиболее широкое применение получили магнитоэлектрические датчики и датчики на эффекте Холла.

Схема магнитоэлектрического датчика с переменным магнитным потоком приведена на рис. 9.2, а.

Схема включает статор с неподвижной катушкой и постоянный магнит, жестко связанный с валом распределителя зажигания. Число пар полюсов постоянного магнита равно числу цилиндров двигателя.

При вращении постоянного магнита в обмотке статора возникает переменное напряжение u_вых(t), причем,

.

Для системы зажигания удобно выражать напряжение в зависимости от угла поворота вала α. Тогда

,

где n – частота вращения постоянного магнита, dФ/dα – скорость изменения магнитного потока.

Графики изменения магнитного потока и напряжения на выходе датчика приведены на рис. 9.2, б. Момент перехода напряжения через нуль можно использовать для определения момента образования искры. Недостатками магнитоэлектрического датчика являются зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты вращения и его запаздывание во времени. Последний недостаток обусловлен большой индуктивностью катушки статора.

Датчик на эффекте Холла. Из курса физики известно, что эффект Холла заключается в возникновении Э.Д.С. между гранями полупроводниковой пластины с током I, помещенной в магнитное поле так, чтобы плоскость пластины была перпендикулярна силовым линиям поля, причем,

,

где k – постоянная Холла, I – ток, протекающий через пластину, h – толщина пластины.

Если магнитную индукцию B изменять пропорционально углу поворота коленчатого вала двигателя α, то Э.Д.С. Холла будет представлять сигнал, пригодный для определения момента зажигания. В этом заключается основная идея построения датчика на эффекте Холла.

При очевидной простоте идеи построения датчики Холла получили практическое применение относительно недавно, благодаря развитию микроэлектроники. Величина Э.Д.С. Холла очень мала и должна быть усилена в непосредственной близости от кристалла полупроводника. Поэтому датчик Холла содержит элемент Холла, усилитель, ограничитель, выходной каскад и стабилизатор напряжения. Все эти функциональные узлы выполнены в виде одной магнитоуправляемой микросхемы. Объединив такую микросхему с магнитной системой в одном корпусе, получают микропереключатель на эффекте Холла. Устанавливается микропереключатель в традиционный распределитель на поворотный механизм вакуумного автомата.

Принцип размещения микропереключателя в распределителе показан на рис. 9.3, а. В зазор между элементом Холла и магнитом помещается ротор, жестко связанный с валом распределителя. Ротор выполнен из магнитопроводящего материала в виде полого цилиндра, на котором закреплены полюса – экраны. Число полюсов – экранов равно числу цилиндров двигателя.

При вращении вала распределителя полюса – экраны проходят между магнитоуправляемой схемой и магнитом, изменяя магнитный поток пропорционально углу поворота коленчатого вала двигателя. На выходе магнитоуправляемой схемы формируются прямоугольные импульсы, положение которых на оси угла поворота несет информацию о моменте образования искры в соответствующем цилиндре. Выходной сигнал датчика представляет последовательность прямоугольных импульсов постоянной скважности с частотой вращения коленчатого вала.

3.2. Бесконтактные системы зажигания с нерегулируемым

временем накопления энергии

Бесконтактная система зажигания с нерегулируемым временем накопления энергии отличается от контактно-транзисторной только тем, что в ней контактный прерыватель заменён бесконтактным датчиком. Совокупность формирующего каскада и электронного ключа называют коммутатором. Коммутатор предназначен для формирования импульсов тока первичной обмотки катушки зажигания заданной амплитуды и длительности в моменты образования искры. На вход коммутатора поступают сигналы с выхода датчика углового положения коленчатого вала ДВС. Нагрузкой коммутатора является первичная обмотка катушки зажигания. В зависимости от класса системы зажигания в состав коммутатора могут входить элементы защиты выходного каскада (транзистора электронного ключа) от перенапряжения, от инверсного включения, регуляторы времени накопления, контроллеры и т. п.

В качестве примера рассмотрим схему отечественного коммутатора 13.3734-01 автомобилей «Волга», приведенную на рис. 9.4. Схема содержит формирователь сигнала датчика (транзистор Т₁, резисторы R₁ – R₆, конденсатор С₁, а также диоды D₁, D₂ и стабилитрон D₃), каскад предварительного усиления (транзистор Т₂, резисторы R₇, R₉, конденсатор С₅) и выходной каскад (Т₃, С₆). Элементы С₁, R₃ обеспечивают частотную коррекцию момента зажигания. Резисторы R₄, R₅ и стабилитрон D₃ образуют цепь смещения с фиксацией напряжения на базе Т₁. Резистор R₉ улучшает условия запирания транзистора Т₃ при закрытом транзисторе Т₂. Элементы С₄, R₈ образуют фильтр в цепи источника питания. Положительная обратная связь на элементах С₇, R₁₀ обеспечивает устойчивую работу коммутатора при запуске.

Сигнал с обмотки L магнитоэлектрического датчика через диод D₂, пропускающий только положительную полуволну напряжения, и резисторы R₂, R₃ поступает на базу транзистора Т₁. Транзистор открывается и шунтирует переход база-эмиттер транзистора Т2, который закрывается и, в свою очередь, закрывает транзистор Т₃. Ток в первичной обмотке катушки зажигания прерывается, а на выходе вторичной обмотки индуцируется высокое напряжение.

Во время отрицательной полуволны сигнала датчика транзистор Т₁ закрыт, а транзисторы Т₂ и Т₃ открыты. Через первичную обмотку катушки зажигания начинает протекать ток. Очевидно, что число пар полюсов датчика должно соответствовать числу цилиндров двигателя.

Цепь С₁, R₃ – фазосдвигающая. Она позволяет компенсировать запаздывание тока базы транзистора Т₁, возникающее из-за значительной индуктивности L обмотки датчика.

Стабилитрон D₃ и резистор R₄ защищают схему коммутатора от повышенного напряжения в аварийных режимах. Если напряжение бортовой сети превысит 18 В, стабилитрон пробивается, его током открывается транзистор Т₁, а транзисторы Т₂ и Т₃ закрываются. Цепями защиты от опасных импульсов напряжения служат конденсаторы С₃ ÷ С₆ и диод D₄. Последний защищает схему от изменения полярности бортовой сети.

Установка угла опережения зажигания по частоте вращения коленчатого вала и нагрузке двигателя осуществляется так же, как и в контактной системе. Форма и величина выходного напряжения магнитоэлектрического датчика изменяются с изменением частоты вращения коленчатого вала, что влияет на момент образования искры. Кроме того, рассмотренный регулятор не устраняет существенный недостаток контактной системы – уменьшение вторичного напряжения при росте частоты вращения коленчатого вала.

3.3. Коммутаторы с нормируемым временем

накопления энергии

Разработка электронного устройства (регулятора), нормирующего время накопления энергии, стала следующим этапом развития БСЗ. Решение этой задачи позволило снизить мощность потерь в катушке и коммутаторе на низких и средних частотах вращения вала двигателя, увеличить ток разрыва и энергию искрового разряда.

Отличительной особенностью таких коммутаторов является наличие в схеме электронного регулятора времени накопления. Схема регулятора времени накопления приведена на рис. 9.5, а. На рис. 9.5, б приведены графики напряжений, поясняющие принцип его работы. Схема содержит интегратор (ОУ₁, С₁, R₁), компаратор (ОУ₂, источник U_см2), устройство сброса (Т₁, D₁, R₂, R₃). Выходной каскад на транзисторе Т₂ в состав собственно регулятора не входит.

Входной сигнал схемы, как правило, формируемый датчиком на эффекте Холла, представляет последовательность прямоугольных импульсов постоянной скважности с частотой вращения коленчатого вала. На графиках рис. 9.5, б приведен интервал времени, на котором частота вращения вала увеличивается.

На интервале низкого уровня входного сигнала напряжение на конденсаторе С₁ увеличивается от U_см1 по линейному закону. Скорость увеличения определяется постоянной цепи заряда – τ_з = С₁·R₁. Параметры цепи рассчитаны так, чтобы на минимальных оборотах напряжение достигало максимально допустимого значения U_макс ≈ Е_пОУ. При максимальной частоте вращения коленчатого вала U_С1 ≈ U_см2.

На интервале высокого уровня входного сигнала конденсатор С₁ разряжается по линейному закону. Параметры цепи подобраны так, что за время импульса датчика напряжение U_С1 уменьшится до U_см1. Расчеты упрощаются за счет постоянной скважности импульсов датчика.

Напряжение интегратора сравнивается компаратором с пороговым напряжением U_см2. В момент равенства U_С1 = U_см2 на выходе компаратора формируется положительный импульс τ_н. Этот импульс открывает выходной транзистор Т₂ и определяет время накопления энергии в первичной катушке зажигания не зависимо от частоты вращения коленчатого вала. Одновременно положительное напряжение через диод D₁ поступает на базу транзистора Т₁ и открывает его. Через малое сопротивление открытого транзистора конденсатор С₁ быстро разряжается до U_cм1.

При оговоренных условиях по выбору параметров схемы длительность импульсов на выходе компаратора постоянна, не зависит от частоты вращения вала ДВС и равна нормированному времени накопления. Напряжением компаратора управляется выходной каскад на Т₂, вырабатывающий выходной импульс тока.

Рассмотренный регулятор называется программируемым, так как длительность импульсов тока и закон изменения их скважности задается (программируется) постоянной времени заряда и разряда С₁, а также соотношением напряжений U_см1 и U_см2.

Недостатком коммутаторов с программным регулированием является невозможность учёта всех факторов, влияющих на величину тока разрыва в катушке зажигания. К таким факторам относятся разброс параметров первичной обмотки катушки зажигания (R₁, L₁), нестабильность скважности сигнала датчика в процессе эксплуатации, изменение номиналов элементов схемы при воздействии окружающей среды (например, температуры). Избавиться от этого недостатка позволяют коммутаторы с адаптивным регулированием скважности выходного импульса тока.

3.4. Адаптивные регуляторы времени накопления

Типовая схема адаптивного регулятора скважности приведена на рис. 9.6. От схемы программного регулятора она отличается наличием стабилизирующей обратной связи, которая позволяет поддерживать постоянство уровня тока в катушке зажигания независимо от воздействия многочисленных внешних факторов за счёт коррекции скважности выходного токового сигнала.

Устройство коррекции представляет собой интегратор (ОУ₃, С₂) выходное напряжение U_кор которого задаёт опорный уровень U_см2 компаратора (ОУ₂). Если опорный уровень U_см2 изменяется, то изменяется и момент срабатывания компаратора на ОУ₂. При более низком напряжении U_см2 катушка зажигания включается на более короткий период времени. При более высоком опорном напряжении U_см2 катушка включается на более продолжительный период времени.

Управляет работой интегратора компаратор на ОУ₄, который изменяет своё состояние в зависимости от значения выходного тока.

Рассмотренный принцип построения регулятора времени накопления реализован отечественным коммутатором 36.3734, применяемым на автомобиле ВАЗ-2108. Стабилизация величины вторичного напряжения достигается в коммутаторе двумя путями: во-первых, регулированием времени включения первичной цепи обмотки зажигания; во-вторых, ограничением величины тока в первичной цепи величиной около 8 А.

Основными недостатками БСЗ с электронным регулятором времени накопления являются несовершенство механических автоматов угла опережения зажигания и механический способ распределения энергии по цилиндрам двигателя, порождающие погрешности момента образования искры. Системы с электронным регулированием угла опережения зажигания наиболее совершенны по исполняемым функциям.

3.5. Микропроцессорные системы зажигания

В микропроцессорной системе зажигания применяется электронное управление углом опережения зажигания. Как правило, микропроцессорная система одновременно управляет и системой топливоподачи либо полностью (система «Мotronic» фирмы «Bosch»), либо каким-либо её элементом, чаще всего экономайзером принудительного холостого хода (автомобиль ВАЗ-21083, ГАЗ-3302 «Газель и др.).

Центральной частью микропроцессорной системы является контроллер (микро-ЭВМ, микропроцессор). Структурная схема контроллера МС2713 «Электроника» приведена на рис. 9.7. Такая схема применяется на некоторых модификациях автомобилей «Волга», «Газель», ЗИЛ-4314, ВАЗ-21083. Контроллер решает следующие задачи:

– обработка информации, поступающей от датчиков;

– установка оптимального угла опережения зажигания;

– формирование команды на образование искры зажигания;

– формирование команды на прекращение подачи топлива в режиме принудительного холостого хода.

Контроллер получает сигнал с концевого выключателя КВ от дроссельной заслонки и информацию от индукционных датчиков:

– начала отсчёта НО;

– угловых импульсов УИ;

– температуры охлаждающей жидкости tº;

– разряжения во впускном коллекторе Р.

Датчик НО установлен на картере сцепления так, что он генерирует импульс напряжения в момент прохождения в его магнитном поле стального штифта, укреплённого на маховике, при положении в верхней мёртвой точке поршней 1 и 4 цилиндров. Датчик УИ реагирует на прохождение зубьев венца маховика и снабжает контроллер информацией о частоте вращения и угле поворота коленчатого вала двигателя. Датчик температуры охлаждающей жидкости tº порогового типа. Он вырабатывает сигнал о достижении температуры заданного уровня.

Датчики НО и УИ вырабатывают сигналы синусоидальной формы. Преобразователем формы эти сигналы преобразуются в прямоугольные импульсы с логическими уровнями интегральных микросхем. Датчик разряжения вырабатывает сигнал, напряжение которого пропорционально степени разряжения. Этот сигнал также преобразуется в прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна амплитуде напряжения.

После преобразования сигналов датчиков в цифровую форму они поступают в процессор Р, выполненный на микросхеме КМ1823ВУ1. Процессор реализует процедуру вычисления параметров двигателя (частоты вращения, разряжения, температуры, углового положения вала двигателя), их сравнение с оптимальными, записанными в ПЗУ, и вырабатывает сигналы управления. В ПЗУ записана информация об оптимальном угле опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя. Информация записана в двух вариантах – характеристики для холодного (температура охлаждающей жидкости ниже 65 °С) и прогретого двигателя. Нужная характеристика выбирается по сигналу датчика температуры, поступающего на 10-й разряд ПЗУ.

Система работает по циклам. Цикл определяется импульсом начала отсчёта НО. По сигналу НО процессор вырабатывает сигнал «старт АЦП», по которому устройство ввода-вывода (УВВ) запускает преобразователь «напряжение-время». Напряжение датчика разряжения преобразуется в цифровой код. По сигналу «конец преобразования» в разряды 5÷9 ПЗУ записывается адрес к нужной информации по нагрузке. В разряды 0÷4 аналогично записывается адрес к информации по частоте вращения и угловому положению коленчатого вала. Когда величина вычисленного угла совпадает с углом поворота коленчатого вала, по сигналу с процессора через УВВ включается блок ФИЗ, вырабатывающий импульсы зажигания постоянной скважности. Через ключ СЗ эти импульсы поступают на выход блока управления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9.1. В каком режиме должен работать транзистор контактно-транзисторной системы зажигания?

9.2. Какие недостатки классической системы зажигания устраняются включением в их электрическую схему электронного ключа?

9.3. Включение каких функциональных узлов в схему системы зажигания позволило исключить контакты прерывателя?

9.4. Используя рис. 9.2 и рис. 9.3, поясните принцип формирования сигналов магнитоэлектрическим датчиком и датчиком Холла. Сформулируйте их достоинства и недостатки.

9.5. Какую функцию выполняет конденсатор С₆ в бесконтактной системе зажигания по схеме рис. 9.4?

9.6. Для чего в схеме рис 9.4 потребовалось включать конденсатор С₁ и резистор R₃?

9.7. На каких элементах схемы рис. 9.4 выполнен электронный ключ?

9.8. В чем заключаются недостатки бесконтактной системы зажигания по схеме рис. 9.4?

9.9. Какими параметрами ДВС ограничивается длительность импульсов тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания системы по схеме рис. 9.5?

9.10. Значения каких параметров ДВС учитываются микропроцессорными системами зажигания с контроллером МС2713?

Дата добавления: 2015-05-06