Глазунов Д.В. управление техническими системами автомобиля

Рис. 1.16. Принципиальная схема дистанционного включения фар, указателей поворотов и аварийной сигнализации

43

1.10. ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Для надежной и качественной работы современных устройств управления, измерения, контроля и диагностики, а также радиосистем, компьютеров и другой электронной техники стабильность выходного напряжения, которую обеспечивают регуляторы напряжения генераторной установки АТС, недостаточна, а пульсации чересчур велики.

Поэтому для питания электронных устройств на автомобиле приходится применять стабилизаторы второй ступени стабилизации (вторичные источники питания). Они также необходимы и для понижения напряжения питания ряда технических устройств.

Самыми простыми являются параметрические стабилизаторы. В них используется свойство кремниевых стабилитронов поддерживать напряжение в определенных пределах при широком диапазоне изменения тока.

Напряжение стабилизации стабилитрона может быть найдено из выражения

Ucт = U0cт + RстIст

где U0cт – пороговое напряжение стабилитрона при минимальном токе. Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

I CT 1 − I CT 2

ние стабилитрона; αн– температурный коэффициент напряжения (ТКН), опре-

деляемый при постоянном значении тока стабилизации;

Рmax– максимально допустимая мощность рассеивания при заданной температуре окружающей среды.

Кремниевые стабилитроны выпускаются на напряжение стабилизации от 5 до 400 В и мощностью от 0,25 до 50 Вт. Величины напряжения стабилизации Ucт.ном и динамического сопротивления Rcт. в справочниках приводятся для определенного значения тока стабилизации Iст.н. Зная эти величины, можно определить пороговое напряжение стабилитрона:

44

U0cт = Ucт.ном–R cтIст.н

Влияние температуры перехода стабилитрона на напряжение стабилизации (температурную погрешность) можно оценить с помощью ТКН, который определяется выражениями: для абсолютного ТКН

для относительного ТКН

α = U CT1 −U CT 2 )

отн U СТ (Т1 − Т2

При выборе стабилитрона для схемы стабилизатора накладываются ограничения по минимальному и максимальному токам и допустимой рассеиваемой мощности.

Динамическое сопротивление Rcт и температурный коэффициент ТКН зависят от напряжения стабилизации, при этом у стабилитронов с низким напряжением стабилизации ТКН отрицателен.

Путем подбора переходов с противоположными по знаку ТКН удается получить стабилизаторы с высоким ТКН.

Принципиальная схема стабилизатора постоянного напряжения приведена на рис. 1.17. Основными параметрами стабилизатора являются:

– выходное напряжение Uвыхили напряжение на нагрузке стабилизатора Uн=Ucт± Uвыхили UH1... UH2;

–выходной ток (ток нагрузки) Iн=Icт ;

–нестабильность (изменение) входного напряжения Uвхили

Uвх1 … Uвх2;

– сопротивление нагрузки стабилизатора Rн=Ucт/ Icт.

На рис. 1.18 показаны схемы стабилизаторов напряжения на основе операционных усилителей. В стабилизаторе (рис. 1.18, а) ОУ включается в схему неинвертирующего усилителя, на вход которого подается опорное напряжение U0cтс параметрического стабилизатора, включающего резистор R1 и стабилитрон VD. Для увеличения выходного тока стабилизатора используется повторитель напряжения на транзисторе VT(он может отсутствовать, если выходной ток стабилизатора менее 5 мА). Выходное напряжение можно рассчитать по формуле

Расчет таких стабилизаторов приводится в справочной литературе по источникам питания электронных устройств.

45

Рис. 1.18. Схемы стабилизаторов напряжения на основе операционного усилителя:а и б– соответственно со стабилитроном на входе и выходе

Однако с точки зрения теории автоматического управления такой стабилизатор представляет собой классическую систему автоматического регулирования, полностью выполненную на электронных элементах. Функции датчика возложены на делитель напряжения на резисторах R2 иR3. Функции задающего устройства выполняет стабилитрон VD, функции устройства сравнения и устройства управления – операционный усилитель DA, функции регулирующего органа – транзистор VT. Выходной величиной является напряжение на нагрузке UH, а напряжение на входе UBX является напряжением питания. Его изменения являются возмущающими воздействиями.

Для увеличения стабильности опорного напряжения можно подключать параметрический стабилизатор R1, VDне ко входу, а к выходу стабилизатора (рис. 1.18, б). В этом случае ток, протекающий через стабилитрон VD, не зависит от входного напряжения.

Значения параметров стабилитронов (напряжение стабилизации U0cт, протекающий через стабилитрон ток Icт, при котором обеспечивается точная стабилизация, температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН), дифференциальное сопротивление стабилитрона Rcтпри определенном токе Icти допустимая мощность Рдоп при заданной температуре Т) приведены в справочниках по электронным элементам.

На современном этапе развития микроэлектроники основные элементы стабилизаторов до 30 В интегрируются в одну микросхему. Такие микросхемы, изготавливаемые по полупроводниковой технологии, называются интегральными стабилизаторами (ИС). В настоящее время выпускаются интегральные стабилизаторы трех видов для источников питания:

–с регулируемым выходным напряжением (142ЕН1, 142ЕН2, 142ЕНЗ, 142ЕН4, 142ЕН10);

–с фиксированным напряжением, которое можно изменять с помощью внешнего делителя напряжения (142ЕН6);

46

– с фиксированным выходным напряжением (142ЕН5, 142ЕН8,

142ЕН9).

Достоинство полупроводниковых стабилизаторов заключается в повышенной стабилизации выходного напряжения в широком диапазоне температур, при изменении нагрузки и входного напряжения (напряжения питания). Интегральные стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением имеют малое количество выводов и не требуют дополнительных внешних компонентов.

ГЛАВА 2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания как техническое изделие является генератором механической энергии. С точки зрения теории преобразователей ДВС можно рассматривать как энергетический преобразователь (ЭП), выполняющий преобразование потенциальной химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала путем окисления (сжигания) топлива в камере сгорания.

Эквивалентная схема любого генератора может быть представлена структурной схемой (рис. 2.1). В общем случае генератор содержит усилительный преобразователь П с коэффициентом передачи k, охваченный положительной обратной связью через преобразователь обратной связи По.с с коэффициентом передачи kо.с. Коэффициенты передачи k и kо.сявляются частотозависимыми величинами и могут быть представлены в комплексной форме Ат(ω)еjφ(ω), где Ат– отношение амплитуд выходной и входной величин; φ – фазовый сдвиг междувходной и выходной величинами; ω – частота изменения входной и выходной величин. На практике используют амплитудно-частотные и амплитудно-фазовые характеристики преобразователей.

Для устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:

где φпи φо.с – фазовые сдвиги, вносимые преобразователями П и По.с; п – целое число.

Соотношение (2.1) является балансом амплитуд. Амплитуда выходной величины генератора в k раз больше, чем на входе. Но она ослабляется в kо.сраз цепью обратной связи. Для возбуждения генератора

47

необходимо, чтобы входная величина, поступающая на вход по цепи обратной связи, была больше начальной величины на входе, т.е. k> 1/ kо.с (условие возбуждения). При выполнении этого условия происходит надежное возбуждение генератора при первоначальном подключении к источнику энергии Еп(источнику питания). Условие kkо.с = 1 определяет установившийся режим генерации. В этом режиме усиление входной величины в преобразователе П компенсируется ослаблением сигнала в цепи обратной связи.

Рис. 2.1. Структурная схема генератора

Соотношение (2.2) является балансом фаз. Возникший на входе сигнал при подключении источника энергии после прохождения через преобразователь П и цепь обратной связи должен снова поступить на вход без изменения своей фазы. Выполнение соотношения (2.2) обеспечивает в генераторе устойчивую положительную обратную связь. Для надежной работы генератора должен быть определенный запас устойчивости. Он определяется свойствами усилительного преобразователя П.

2.2. ДВИГАТЕЛЬ КАК ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

На рис. 2.2 представлена эквивалентная структурная схема ДВС. Основу ДВС (рис. 2.2, а) составляют энергетические преобразователи ЭП, которые охвачены каналами обратной связи. Наэнергетический преобразователь ЭП поступают энергоносители ЭН в виде топлива и окислителя. С помощью газовых и жидкостных систем от ДВС отводятся отработавшие продукты ОП – газы и теплоносители. Элементы обратной связи разделяются на обратную связь по амплитуде ОСа (топливно-воздушная система) и по фазе ОСф (газораспределитель-

ная система).

48

Рис. 2.2. Эквивалентная структурная схема ДВС:

а – как энергетический преобразователь; б – как объект управления.

Структурная схема двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием приведена на рис. 2.3.

Основным является гидропневматический канал обратной связи КГПо.с (система дозирования воздуха и топлива, а также газораспределения). Для ДВС с искровым зажиганием применяется второй электротермический канал обратной связи КЭТо.с (система зажигания), назначение которого – создание температуры воспламенения горючей смеси в цилиндре. В первом контуре обратной связи амплитудные соотношения (количество и состав горючей смеси), необходимые для устойчивого возбуждения, обеспечиваются устройствами дозирования и смесеобразования, а фазовые – газораспределительной системой.

Горючая смесь, поступившая в цилиндр (химический реактор), воспламеняется под воздействием небольшой тепловой энергии, выделяемой электрической искрой. В результате реакции окисления химическая энергия топлива в значительных размерах преобразуется в тепловую энергию с большим коэффициентом усиления. Затем тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, создающую силу, под действием которой осуществляется движение (расширение) продуктов сгорания, воспринимаемое поршнем. С помощью поршня и кривошипношатунного механизма поступательное движение преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

Рис. 2.3. Структурная схема ДВС с искровым зажиганием

49

Основные показатели, определяющие качество и потребительские свойства ДВС, подразделяются на мощностные (энергетические), экономические, экологические и динамические. Эти показатели обеспечиваются оптимальным дозированием и физико-химическими свойствами тошгавно-воздушных компонентов, фазовыми соотношениями газораспределения, а также амплитудными и фазовыми соотношениями в системе электрозажигания при определенном тепловом состоянии двигателя.

ДВС как объект управления представлен на рис. 2.2, б. Управляемыми параметрами х могут быть: пв– частота вращения

вала или угловая скорость; Мк – эффективный крутящий момент на валу двигателя; Fэн – расход энергоносителей (FТ– топлива, FB– воздуха); QВ.Г

– состав выхлопных газов; Тр – время разгона (приемистость).

Однако из-за отсутствия датчиков, воспринимающих основные выходные параметры и показатели работы ДВС, в системах управления автомобильными двигателями для получения информации о состоянии ДВС используют параметры, которые возможно измерить с помощью существующего оборудования. Это, как правило, величины, функционально связанные с основными параметрами.

Возмущающими воздействиями wна ДВС являются: изменение стандартных атмосферных условий – температуры наружного воздуха Тв, атмосферного давления Ра, влажности Мвл; отклонение состава (параметров) окислителя (воздуха) и топлива Qот стандартных; изменение нагрузки на двигатель при изменении дорожных условий и аэродинамического сопротивления R – сопротивления движению.

Таким образом, можно сделать вывод, что ДВС является многомерным объектом управления.

Любой технический объект управления может функционировать только при определенных параметрах внешней среды П (природы). Для ДВС это параметры атмосферы:

температура в диапазоне Тmin... Tmax; давление в диапазоне Pmin … Pmax; влажность в диапазоне Мвл min... Мвл mах.

Целью управления ДВС является обеспечение заданных значений определенных выходных параметров (показателей) при наложении определенных ограничений на другие параметры. Одновременное получение максимальных мощностных, экономических и экологических показателей невозможно, так как они являются противоречащими друг другу. Достижение такой цели возможно только на основе компромисса или оптимального управления.

50

ВДВС с искровым зажиганием в качестве управляющих воздей-

ствий уиспользуются расходы химических энергоносителей: FT– топлива иFB – воздуха, Fр.г – расход рециркулирующих газов и фаза φо.з электрического импульса, формируемого в системе зажигания. Фазовые соотношения в топливно-газовой системе регулируются, как правило, аппаратно по жесткой программе, которая закладывается в процессе проектирования и изготовления ДВС. В процессе проектирования опреде-

ляется и амплитуда Аmимпульса электрического тока, необходимого для воспламенения топлива.

Всовременных ДВС осуществляется автоматическое регулирование амплитуды импульса зажигания и фазовых соотношений в газораспределительной системе.

На практике в качестве управляющих воздействий используются

линдров, hк – величина хода клапана рециркуляции отработавших газов). Угол отклонения дроссельной заслонки Gαд.з, задающий режим работы ДВС, можно рассматривать как задающее воздействие.

Для оценки нагрузки на двигатель используются параметры, функционально с ней связанные: расход воздуха FB, разрежение во впускном трубопроводе (коллекторе) ΔРК или абсолютное давление, угол отклонения дроссельной заслонки Gαд.з.

В настоящее время разработаны конструкции ДВС, в которых возможности воздействия на рабочие процессы ДВС значительно расширены. Могут быть использованы следующие воздействия:

изменение энергетических характеристик искрового разряда; фазы газораспределения и подъема клапанов; числа рабочих цилиндров и циклов; степени сжатия; рабочего объема двигателя;

состава топлива путем использования двухкомпонентных систем. Так как имеется несколько управляющих величин, то систему

управления ДВС следует считать многопараметрической.

Структурная схема системы управления ДВС представлена на рис. 2.4.

В энергетический преобразователь ЭШ, являющийся камерой сгорания, поступают горючая смесь Qcи электрический импульс зажигания с энергией, определяемой выражением Рэ.и = U2mτ, где U2m – амплитуда вторичного напряжения на «катушке зажигания», а τ – длительность импульса зажигания. ЭШ является химико-тепловым преобразователем ХТП и усилителем мощности. К нему подводится тепловая

51

энергия внешнего источника (потенциальная тепловая энергия, определяемая химическим составом топлива), которая управляется небольшой энергией электрической искры. От ЭШ через выхлопной клапан теплота отводится с отработавшими газами QО.Г.

Рис. 2.4. Структурная схема системы управления ДВС:

F– расход (т – топлива, э – электроэнергии, в – воздуха); РО – регулирующий орган (с, о.г – клапаны, в – заслонка, т – форсунка, а – ключ, ф – фазовращатель); УПсП(ОСа1) – управляющая подсистема питания (обратная связь по амплитуде топливного контура); УПсГРУ (ОСф,) – управляющая подсистема газораспределительного устройства (обратная связь по фазе топливного контура); УПсЗ (ОСа2) – управляющая подсистема зажигания (обратная связь по амплитуде электрического контура); УПсЗ (ОСф2) – управляющая подсистема опережения зажигания (обратная связь по фазе электрического контура); ЗдУ – задающее устройство.

Камера сгорания является объектом управления ДВС. Электрический импульсный разряд на свече создает в зоне ка-

меры сгорания необходимую температуру Ти.э для воспламенения смеси. В камере сгорания химическая энергия топлива, путем окисления, преобразуется в тепловую энергию газов, определяемую температурой ТР.Т(температурой рабочего тела).

Вторым энергетическим преобразователем ЭП2 является цилиндропоршневая группа ДВС. В результате выделения тепловой энергии происходит нагрев и расширение газов и создается давление на поршень, которое формирует силу В. Под действием силы происходит-

52

перемещение Gnпоршня. ЭП2 является тепломеханическим преобразователем ТМП.

С помощью механического передаточного устройства МПУ (кри- вошипно-шатунного механизма) линейное перемещение преобразуется во вращательное Gα. Часть механической энергии отдается механическому инерционному преобразователю (маховику), который обеспечивает возвратное движение поршня, создавая силу обратной связи Во.с, вызывающей перемещение Go.c.

МПУ является однородным механическим преобразователем

ММП.

Цепь преобразования материального входного потока в ЭП1 может быть представлена в следующем виде:

Qc(АИМ)Р →

→ ТР.Т(АИМ)Т U2m(АИМ)Е → Тэ.и(АИМ)Т →

где Qc– носитель параметра энергетического процесса (физическая величина – расход горючей смеси), АИМ – вид модуляции (вид энергетического процесса) (амплитудно-импульсный), Р – вид энергии (пневматический), U2m– носитель параметра энергетического процесса команды управления (физическая величина – амплитуда напряжения), Е – вид энергии (электрический), Тэ.и – носитель параметра энергетического процесса управляющего воздействия (физическая величина – температура электрической искры), Т – вид энергии (тепловой), ТР.Т– носитель параметра энергетического процесса (физическая величина – температура рабочего тела), Т – вид энергии (тепловой).

Цепь преобразования материального входного потока в ЭП2 может быть представлена в следующем виде:

ТР.Т(АИМ)Т→ В(АИМ)М→ →Gп(ЧМп.п)М

Gα(ЧМг.п)М→ Gо.с(ЧМг.п)М →Во.с(ЧМп.п)М→

где В – носитель параметра энергетического процесса (физическая величина – сила), М – вид энергии (механический); Gα– носитель параметра энергетического процесса (физическая величина – угловое перемещение коленчатого вала), ЧМг.п – вид модуляции (вид энергетического процесса) – частотная модуляция гармонического процесса, М – вид энергии (механический); Go.c– носитель параметра энергетического процесса обратной связи (физическая величина – линейное перемещение шатуна); В – носитель параметра энергетического процесса обратной связи (физическая величина – сила, возвращающая поршень в верхнее положение);

53

GП– носитель параметра энергетического процесса обратной связи (физическая величина – линейное перемещение поршня).

Цепь преобразования материального входного потока в МП может быть представлена в следующем виде:

Gп(ЧМп.п)М → → Gα(ЧМг.п)М

Gαм(ЧМг.н)М →

где Gαм– носитель параметра энергетического процесса (физическая величина – угловое перемещение маховика); Gα – носитель параметра энергетического процесса (физическая величина – угловое перемещение коленчатого вала); ЧМг.п – вид модуляции (вид энергетического процесса) (частотная модуляция гармонического процесса); М – вид энергии (механический).

ДВС по своей природе является преобразователем дискретных процессов в непрерывные.

Изменение управляющих воздействий происходит под действием управляющих подсистем, которые могут быть локальными регуляторами многоконтурной системы управления.

Водитель воздействует на ДВС путем изменения расхода воздуха через регулирующий орган (дроссельную заслонку), изменяя задающее воздействие z.

В традиционных конструкциях ДВС управление еще разделено и по энергетическим контурам (электрическому и топливному). В топливном контуре амплитуда воздействия (мощность заряда) изменяется управляющей подсистемой системы питания (УПсП), а фаза – управляющей подсистемой газораспределительного устройства (УПсГРУ). В электрическом контуре амплитуда и фаза воздействия изменяются соответствующими управляющими подсистемами (УПсЗ). Работа всех управляющих подсистем синхронизируется с работой поршня через выходной вал, на который устанавливаются специальные датчики импульсов синхронизации или начала отсчета.

С точки зрения теории управления можно дать следующее определение: двигатель внутреннего сгорания – это техническая система управления цилиндропоршневой группой энергетического преобразователя «тепло– движение».

В процессе эксплуатации состояние двигателя постоянно меняется. Управляющие воздействия, подобранные для нового двигателя, не будут оставаться оптимальными в процессе эксплуатации, поэтому для управления ДВС необходимо применять адаптивные САР. На оптимальные параметры управления ДВС влияют уровень технологического

54

процесса изготовления, разброс параметров деталей, узлов и ДВС в целом. Это приводит к тому, что ДВС необходимо рассматривать как стахостический нестационарный и сложный объект управления.

На рис. 2.5 представлена конструктивная схема ДВС. Как видно из схемы, все элементы и устройства представляют собой единую систему, объединенную общей целью, направленной на обеспечение устойчивого функционирования объекта управления. ДВС как технический объект является системой автоматического управления, функционирование которой без средств автоматизации невозможно. Они органически входят в структуру двигателя.

Рис. 2.5. Конструктивная схема ДВС:

1 – система зажигания (ФАи.з – формирователь амплитуды импульса зажигания; ФФи.з – формирователь фазы импульса зажигания); 2 – вал; 3 – шкив; 4 – кривошипно-шатунный механизм; 5 – поршень; 6 – цилиндр; 7 – дроссельная заслонка; 8 – форсунка; 9 – распредвал; 10 – свеча зажигания.

Процесс совершенствования ДВС идет по многим направлениям. Появляются новые конструкции ДВС. Но опережающими темпами идет совершенствование управляющей системы, которая прошла путь развития от механических устройств до электронных микропроцессорных систем. Именно электронные системы обеспечивают конкурентоспособность традиционным конструкциям ДВС.

Наряду с обычными поршневыми двигателями с искровым зажиганием и воспламенением путем сжатия, получают распространение ро- торно-поршневые и комбинированные силовые установки автомобилей. Ведутся интенсивные работы по исследованию новых материалов для

55

аккумуляторных батарей, разработке топливных элементов и солнечных батарей для создания силовых установок электромобиля. Однако в ближайшие годы основным силовым агрегатом на автомобиле будет оставаться ДВС.

ГЛАВА 3.СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗАЖИГАНИЕМ

3.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЗАЖИГАНИЕМ

Общие положения

ВДВС для зажигания горючей смеси могут использоваться искровые, накальные, плазменные и сверхвысокочастотные преобразователи электрической энергии в тепловую. Наибольшее распространение в современных ДВС получили системы высоковольтного искрового зажигания с помощью разрядников, называемых свечами. Системы искрового зажигания предназначены для принудительного воспламенения рабочей смеси в камере сгорания бензиновых и газовых двигателей с внутренним смесеобразованием, работающих по двух- и четырехтактному циклам с числом цилиндров от двух до двенадцати, суммарный рабочий объем которых составляет 0,6... 8 л.

Воспламенение горючей смеси происходит в результате высоковольтного разряда между электродами свечи. Энергия тока разряда преобразуется в тепловую и световую энергию. Процесс воспламенения занимает небольшой промежуток времени в цикле работы ДВС и носит

импульсный характер. Поэтому канал обратной связи КЭТо.с является импульсной цепью.

Вэнергетических преобразователях ДВС химические, термодинамические и механодинамические процессы имеют разную скорость протекания в зависимости от условий и режима работы ДВС и носят явно выраженный стохастический характер. Это приводит к фазовым изменениям и задержкам в отборе выходных параметров в широких пределах. Изменение параметров рабочей среды в цилиндрах ДВС приводит к изменению условий искрообразования. В канале обратной связи

КЭТо.с все эти изменения должны компенсироваться, чтобы выполнялись условия (2.1) и (2.2). Это достигается путем формирования высоковольтного импульса зажигания с необходимыми амплитудными и фазовыми соотношениями.

56

Формирование амплитудных параметров импульса зажигания

Для формирования высоковольтного импульса из низковольтного напряжения бортовой сети питания при современном уровне развития техники в качестве высоковольтного преобразователя (ВП) используется исключительно высоковольтный импульсный трансформатор (ВИТ) («катушка зажигания»), работающий в режиме ударного возбуждения

(рис. 3.1).

Начальный электрический импульс синхронизации UHпоступает в цепь канала обратной связи от механоэлектрического преобразователя (МЭП), преобразующего угловое положение коленчатого вала α в фазу φ электрического импульсного сигнала с амплитудой UH(α→φ). Сформированный по длительности и амплитуде импульс напряжения UHподается на первичную обмотку трансформатора Т.

Один конец первичной и вторичной обмоток трансформатора Т через конденсатор С1 подключается к «массе», другой конец первичной обмотки через резистор R1 подключается к батарее, а вторичной обмотки – к конденсатору С2 и разряднику F(свеча зажигания).

Для снижения потребления электроэнергии и уменьшения тепловых потерь в элементах системы, особенно в ВИТ, в системе зажигания используется положительный импульс (рис. 3.2, а) с передним фронтом, нарастающим от низкого уровня напряжения к высокому уровню, и спадающим задним фронтом (срезом импульса).

Трансформатор не может работать в цепях постоянного тока и передает во вторичную цепь только изменяющиеся величины напряжения и тока. Только при изменении магнитного потока, создаваемого током первичной цепи, происходит трансформация электрической энергии из первичной цепи во вторичную цепь. Напряжение во вторичной цепи в первую очередь зависит от коэффициента трансформации, а также величины и скорости изменения тока в первичной цепи.

Рис. 3.1. Схема формирования высоковольтного импульса

57

Как известно, индуктивные электрические цепи (катушки индуктивности) обладают свойством саморегулирования. Это явление направлено на поддержание постоянства тока в индуктивной электрической цепи и препятствует его изменению. Поступление на первичную обмотку трансформатора положительного импульса с амплитудой, близкой к значению напряжения источника питания в момент времени t1эквивалентно подключению первичной обмотки трансформатора к источнику питания. К этому моменту все реактивные элементы цепи обратной связи должны разрядиться. Переходный процесс в цепи постоянного тока обусловит нарастание тока в обмотке по экспоненциальному закону, характеризующему инерционные процессы. Ток в первичной цепи трансформатора будет нарастать от нулевого значения до установившегося I1уст (рис. 3.2, б). Установившееся значение тока определяется параметрами первичной обмотки (индуктивностью, активным сопротивлением и емкостью). При этом в начальный момент времени, когда скорость изменения тока максимальна, ток невелик. Это препятствует оптимальной передаче напряжения во вторичную обмотку. В установившемся режиме через первичную обмотку протекает постоянный ток, и вторичное напряжение становится равным нулю. В реактивных элементах (катушек индуктивности, конденсаторе и паразитной емкости первичной обмотки) накапливается электромагнитная энергия. При окончании импульса в момент времени t2 (по заднему фронту) происходит отключение первичной обмотки ВИТ от источника питания. Ток в первичной цепи начинает резко уменьшаться от установившегося значения к нулевому. Происходит ударное возбуждение связанных контуров, состоящих из катушек индуктивности и эквивалентных емкостей. Возникает затухающий колебательный процесс, обусловленный обменом энергии между магнитным полем трансформатора и электрическим полем в емкостях. Частота колебаний определяется резонансной частотой контура, а декремент затухания – потерями. Процессы саморегулирования будут уменьшать скорость изменения тока, но большой ток и высокая скорость его изменения позволяют получить значительно более высокое вторичное напряжение. По этой причине также целесообразно использовать положительный импульс в цепи зажигания. В этом случае напряжение вторичной обмотки будет определяться значением тока в первичной обмотке в момент среза импульса. Если длительность импульса tннакопления электромагнитной энергии в реактивных элементах цепи зажигания превышает необходимое время для получения оптимального тока, электрическая энергия тока, протекающего по первичной обмотке, идет на тепловые потери. Это приводит к перегреву трансфор-

58

матора. Для защиты трансформатора от перегрева регулируют длительность и амплитуду импульса.

Если напряжение U2mне достигает напряжения пробоя Unp, то процесс формирования высокого напряжения на вторичной обмотке трансформатора отражается зависимостью, представленной графиком 1 (рис. 3.2, в). Если максимальное значение вторичного напряжения U2mпревышает напряжение пробоя искрового промежутка свечи, то возникает необходимая для зажигания горючей смеси искра и процесс развивается по графику 2 (см. рис. 3.2, в).

Рис. 3.2. Временные диаграммы формирования импульса зажигания:

а – импульс накопления; б – ток в первичной обмотке; в – напряжение на вторичной обмотке; г– фазы искрового разряда.

После пробоя искрового промежутка вторичное напряжение резко уменьшается (рис. 3.2, г). В первый момент образования искры разряжаются емкостные реактивные элементы (емкостная составляющая). Первый момент характеризуется непродолжительностью и большой силой тока. Затем наступает второй момент – разряд индуктивностей, во время которого происходит выделение энергии, накопленной в магнитном поле трансформатора. Индуктивная составляющая отличается значительной продолжительностью, небольшой силой тока и большим количеством электричества. Именно значение индуктивной составляющей определяет бесперебойное искрообразование.

59

Всистемах зажигания в момент искрового разряда электрическая энергия потребляется не от генераторной установки (генератора или аккумуляторной батареи), а от реактивных элементов цепи, которые выполняют функции промежуточного накопителя энергии. В зависимости от преобладания индуктивной или емкостной составляющей реактивной цепи различают системы зажигания с накоплением энергии в индуктивности или емкости.

Вкачестве накопителя энергии в основном используют индуктивность ВИТ, в котором всегда присутствует паразитная емкость.

Вряде случаев емкостную составляющую усиливают путем включения специального конденсатора. В таких системах катушка зажигания выполняет исключительно функции трансформатора.

Схемы систем зажигания с индуктивным и емкостным накопителем приведены на рис. 3.3. Как видно из схем, в случае индуктивного накопления (см. рис. 3.3, а) в первичной цепи трансформатора имеется последовательный резонансный контур с преобладанием индуктивной составляющей, а в случае емкостного накопления – параллельный LC-контур с преобладанием емкостной составляющей (см. рис. 3.3, б).

Резонансная частота, добротность и декремент затухания контуров должны оказывать существенное влияние на параметры импульса зажигания.

Накопить достаточное количество энергии для воспламенения горючей смеси при низковольтном источнике в конденсаторе приемлемых размеров невозможно. Поэтому в систему зажигания (см. рис. 3.3, б) включается высоковольтный преобразователь напряжения. Это приводит к усложнению системы в целом. Так как величину индуктивной фазы разряда нельзя уменьшать, то такие системы не дают ощутимых преимуществ и на автомобилях практически не применяются.

Рис. 3.3. Системы зажигания:

а– с накоплением энергии в индуктивности; б– с накоплением энергии вемкости.

Внастоящее время в системах зажигания начинают широко вне-

дряться высоковольтные ключи (микросхемы), выполненные по техно-

60