Глазунов Д.В. управление техническими системами автомобиля

Формирователи фазы импульса зажигания выполняются в виде механических узлов или электронных устройств. В последних используются аналоговые элементы (операционные усилители) и кодовоимпульсные (логические) элементы. На логических элементах строятся частотно-импульсные (частотно-временные) системы зажигания, основу которых составляют таймеры, счетчики и т.д.; кодовые (цифровые) системы зажигания, основу которых составляют логические узлы и элементы и микропроцессорные системы зажигания, основу которых составляют микропроцессоры.

Вформирователях фазы используется жесткое аппаратное, программное и микропрограммное управление. Внедрение микропроцессов позволило перейти на микропрограммный способ управления с использованием аналого-кодовых преобразователей для преобразования сигналов с датчиков в код и преобразователей кодов во временной интервал (фазу), определяющий положение выходных импульсных сигналов.

Вмеханических системах вращение фазы осуществляется с помощью преобразователей частоты вращения вала и нагрузки на двигатель в перемещение, а затем в угол поворота элементов МЭП. В современных системах вводится сдвиг фазы по величине и частоте детонации, зависящей от качества топлива (октан-корректор), по составу отработавших газов и т.д. Но только электронные системы зажигания с микропрограммным управлением реализуют законы управления близкие к оптимальным. Этим обеспечиваются требования к двигателям по токсичности отработавших газов и минимальному расходу топлива.

Классифицируют формирователи фазы импульсов зажигания по следующим основным признакам:

виду функции для вычисления фазы:

методу вычислений кода фазы импульса зажигания: метод счета единичными приращениями и полными значениями, метод считывания; виду используемой энергии: механические, электрические (элек-

тронные);

виду модуляции или элементной базе: амплитудные (аналоговые),

частотно-импульсные, кодовые (цифровые); способу управления: аппаратные с жесткой программой, програм-

мируемые, микропрограммные (микропроцессорные).

81

Основные параметры частотно-временных сигналов

Рассмотрим основные соотношения между параметрами гармонического сигнала. Если гармоническое колебание задано уравнением а = Amcos[ψ(t)], где ψ(t) – некоторая функция времени, то значением частоты является величина ω(t) = dψ(t)/dt. Если ψ(t) = ωt+ φo, то ω(t) = ω = const, причем ω связана с частотой fи периодом колебаний Г соотношением ω = 2πf= 2π/T. Полная фаза колебаний находится из

t

выражения ψ (t) = ∫ωtdt .

0

Если перейти к импульсным сигналам, т.е. сформировать импульсы, совпадающие с положительной полуволной колебаний или с моментом перехода сигнала через нуль при возрастании или убывании сигнала, то такой дискретный сигнал не позволяет точно находить мгновенное значение параметров. В этом случае можно определять только целое число полных периодов изменения фазы за временной интервал:

можно найти путем сравнения полного периода изменения фазы колебаний с целым числом полных периодов изменения фазы вспомогательного опорного сигнала, частота которого известна и равна f0 =1/t0:

T

NТ = ∫ f0 dt = int[ f0T ] = int T / t0 (5.4)

0

Так как до прихода следующего импульса никакой информации получено быть не может (поскольку сигнал дискретный), то время, равное периоду, является минимально возможным для снятия информации при частотно-импульсных видах модуляции. Дискретизация частотных сигналов обусловливает возникновение погрешности усреднения при изменении преобразуемой частоты за время преобразования, которое в пределе не может быть меньше одного периода следования сигнала. При преобразовании непрерывных параметров с помощью частотных преобразователей встает вопрос об интерполяции значений параметра между

82

дискретными точками, с целью снижения погрешностей. Эти погрешностиобусловлены изменением во времени преобразуемого параметра и называются динамическими. К основным статическим погрешностям преобразования частотных сигналов относятся погрешность квантования, нестабильность выходной величины меры и погрешность формирования импульсного сигнала.

Погрешность квантования по уровню во многом определяется граничными частотами элементной базы, используемой в преобразователях. Современная элементная база обеспечивает пренебрежимо малые погрешности квантования функциональных преобразователей для широкого диапазона преобразуемых частот. Нестабильность генераторов опорных частот можно не учитывать.

Вопросы возникновения статических и динамических погрешностей и зависимость их от времени усреднения для частотноимпульсных и времяимпульсных устройств в настоящее время достаточно полно рассмотрены в литературе по измерительной технике. Динамическая погрешность растет с увеличением времени усреднения (времени преобразования), а статическая уменьшается. Существует оптимальное время преобразования, при котором суммарная погрешность минимальна.

Использование устройств обработки информации для формирования фазы импульса зажигания

До недавнего времени в отечественных автомобилях для формирования фазы импульса зажигания (угла зажигания) применялись исключительно механические формирователи. Бурное развитие электроники и особенно дискретно-кодовых элементов кардинально изменило эту ситуацию. Резкое улучшение качества систем зажигания произошло в связи с использованием в них дискретно-кодовых (логических) элементов. В таких системах применяются частотно-временные и кодовые виды модуляции. В них формирователи фазы и амплитуды импульса зажигания строятся на основе функциональных преобразователей и устройств обработки информации (УОИ). Такие функциональные преобразователи должны воспроизводить сложные математические зависимости, а УОИ – реализовывать математические операторы как функциональные зависимости нескольких переменных.

В системах зажигания стали учитывать при формировании фазы многие параметры ДВС, что привело к повышению технических показателей автомобиля. Применение цифровых устройств обработки информации позволило использовать сложные многофункциональные зависи-

83

мости для моделирования рабочих процессов ДВС и применять их для формирования управляющих воздействий. Поэтому основу формирователей фазы импульса зажигания составляют УОИ. В настоящее время практически все системы автоматического и автоматизированного управления автомобиля разрабатываются исключительно с применением микропроцессоров.

Формирователь фазы импульса зажигания (ФФи.з) в своей структуре содержит функциональные преобразователи параметр– код (ФППК), а также устройство обработки информации, в качестве которого используются арифметико-логические устройства (АЛУ) различного исполнения и обратный преобразователь код– время (ПКВ) (преобразователь кода в широтно-импульсно-модулированный сигнал). Назначением ФППК является преобразование сигнала с датчика одного из параметров ДВС в код с заданной функцией преобразования.

Воснове всех устройств обработки информации частотно-вре- менных и кодовых сигналов лежит арифметическое устройство – сумматор. Применяемые в УОИ систем зажигания алгоритмы вычисления функциональных зависимостей немногочисленны. В АЛУ могут использоваться алгоритмы обработки информации, основанные на методах счета и совпадения (считывания) [4].

Варифметических суммирующих устройствах, реализующих опе-

рацию х1 + х2= zи работающих по методу счета, слагаемые могут поступать единичными приращениями Δх1= Δх2= 1 или разрядными приращениями Δх1 = aihi; Δх2 = bihi, где а, b = 0,1 ...h-1 – разрядные коэффициен-

ритмов применяются суммирующие устройства с последовательным вводом слагаемых. Примером таких АЛУ могут служить счетчики и сдвигающие регистры. Возможно поступление слагаемых параллельными кодами с полными значениями:Δх1= х1, Δх2= х2. Могут применяться и смешанные алгоритмы.

В УОИ, работающих по методу считывания, значения вычисляемой функции хранятся в запоминающем устройстве (ЗУ). Вычисляемая функция задается табличным способом. По значениям аргументов из ЗУ извлекается результат вычислений. Такой метод имеет большое быстродействие и позволяет производить обработку информации по сложным операторам, вычисляя функции нескольких переменных.

Первыми были разработаны формирователи фазы импульса зажигания на основе частотно-временных сигналов. Основу таких УОИ составляют двоичные счетчики и логические элементы. В отечественном автомобилестроении этот этап развития отсутствует, поскольку за-

84

Рис. 5.7. Изменение тока в первичной обмотке трансформатора при изменении напряжения питания

Чтобы получить оптимальную энергию импульса зажигания при минимальных потерях в трансформаторе зажигания и оконечном каскаде усилителя мощности, длительность импульса накопления стабилизируется при изменении частоты вращения вала двигателя и напряжения бортовой сети.

В простейших системах зажигания для формирования амплитуды импульса тока используются ограничители тока первичной обмотки. Широко применялось пассивное ограничение уровня тока за счет последовательного включения в цепь первичной обмотки добавочного резистора Rдо6. Добавочный резистор устраняет влияние снижения напряжения в бортовой сети при включении системы зажигания. Для этого он при пуске двигателя закорачивается. В штатном режиме на нем падает часть напряжения так, что к обмотке трансформатора подводится напряжение, на которое она рассчитывается. Добавочный резистор изготавливается из никелевой или константановой проволоки с сопротивлением 1... 1,9 Ом. Конструктивно он часто объединяется с трансформатором зажигания. Сопротивление никелевого резистора зависит от силы тока, протекающего через него. При низкой частоте вращения возможно увеличение тока первичной цепи выше оптимального значения, что приводит к перегрузке по температуре трансформатора. Повышение температуры вызывает увеличение сопротивления резистора, а это приводит к ограничению тока.

Для поддержания тока отключения I1о в первичной цепи в заданных пределах в системах зажигания используются:

1) системы автоматического регулирования тока в первичной обмотке. В этих системах используется принцип регулирования по отклонению. Они могут строиться как системы с регулированием силы тока путем изменения входных амплитудных параметров (силы тока или напряжения на входе усилителя мощности) или с регулированием длительности импульса накопления. В первом случае используются аналоговые системы с АИМ, во втором – широтно-импульсные с ШИМ, которые могут строиться на цифровых логических элементах. В регуляторах с АИМ регулирование осуществляется в реальном масштабе времени в течение перегрузки, что является несомненным преимуществом. В регуляторах с ШИМ необходимо запоминание времени перегрузки для коррекции импульса накопления в следующем цикле регулирования;

2) системы автоматического регулирования тока по возмущению. Здесь можно отметить системы регулирования длительности импульса накопления в зависимости от изменения частоты вращения вала и изме-

87

нения значения напряжения источника питания. Чтобы поддерживать значение тока I1о на заданном уровне при увеличении частоты вращения выше предельной, на которой еще обеспечивается заданное значение тока отключения при данной постоянной времени входной цепи, увеличивают время накопления tнза счет паузы между импульсами Uн. При понижении напряжения в бортовой сети для достижения первичным током значения I1о увеличивают время tн;

3) системы стабилизации импульса накопления на заданном уровне (формируют импульс накопления постоянной длительности). Такие системы в технической литературе получили название систем с нормируемым временем накопления.

Необходимо отметить, что регулирование времени накопления в зависимости от частоты вращения вала, напряжения бортовой сети и первичного тока должно осуществляться за счет смещения переднего фронта импульса, т.е. путем смещения начала импульса Uн. При этом окончание импульса, а следовательно, и момент искрообразования должны оставаться неизменными.

На практике применяют комбинированные системы регулирования. В них используется способ регулирования по возмущению (изменению частоты вращения вала и колебаниям напряжения питания) и отклонению параметра (отклонению первичного тока от заданного значения I1о).

Однако конечной целью работы системы зажигания является получение необходимой температуры воспламенения и тепловой энергии в заданной точке камеры сгорания для надежного воспламенения и горения горючей смеси. Тепловую энергию можно накапливать, суммируя отдельные порции теплоты, получаемые в результате разряда. Это целесообразно делать при холодном пуске двигателя, когда частота вращения вала невелика и элементы системы зажигания еще не нагрелись до предельной температуры. Исходя из этого в настоящее время разработаны системы зажигания, в которых при пуске используется многоискровой режим. Система зажигания дополняется генератором, который формирует серию импульсов зажигания в режиме пуска.

Системы автоматического регулирования тока по отклонению

Для улучшения процесса горения и облегчения пуска холодного ДВС с высокой степенью сжатия в современных системах зажигания увеличивают ток отключения (разрыва) и соответственно запасаемую энергию в катушке зажигания. Для этого уменьшают сопротивление первичной обмотки до величины менее 1 Ом. Это приводит к ужесточению электрического и теплового режимов выходного транзистора уси-

88

лителя мощности. Стандартным считается способ ограничения тока через транзистор и обмотку трансформатора зажигания путем стабилизации длительности импульса накопления, определяющего ток разрыва к моменту искрообразования. Однако этот способ регулирования по возмущению не может учесть все возмущающие воздействия на систему.

Для предотвращения перегрева обмотки и выхода ее из строя при изменении напряжения питания обязательным элементом в выходном каскаде усилителя мощности является ограничитель тока. Современные ограничители работают как системы автоматического регулирования тока в первичной обмотке (рис. 5.8). САР содержит трансформатор зажиганияТ, который является объектом регулирования; усилитель мощности на полупроводниковом транзисторе УМ, выполняющий функции регулирующего органа; датчик тока Дт; устройство сравнения УСр (компаратор) и устройство управления УУ. Цель регулирования – поддержание в заданных пределах амплитуды тока отключения в первичной обмотке. Регулируемой величиной является амплитуда тока первичной обмотки I1о. Управляющей величиной (сигналом управления) может быть в первом случае ток управления базы iу, а во втором случае длительность импульса управления ty. Такая система регулирования является дискретной, так как время ее работы ограничивается длительностью импульса накопления tн. Как видно из схемы, первичная обмотка трансформатора, УМ и датчик Дт включены последовательно. Ток, протекающий через датчик, равен току I1о. Сигнал с датчика Дт поступает на устройство сравнения УСр, где сравнивается с опорным напряжением Uoп, которое определяет значение тока ограничения. Сигнал с УСр поступает на устройство управления УУ, которое формирует ток управления iу регулирующим органом УМ, изменяя его сопротивление таким образом, чтобы ток I1оне превышал заданного значения.

89

Рис. 5.8. Система автоматического регулирования тока в первичной обмотке

Большинство современных систем зажигания используют САР амплитуды импульса тока в первичной обмотке. Такая САР содержит резистивный датчик, включенный в эмиттерную цепь выходного транзистора. Сопротивление датчика составляет около 0,1 Ом, а рассеиваемая мощность порядка 3...5 Вт. По напряжению на датчике определяется ток в первичной обмотке. Сигнал с датчика используется для регулирования тока. Это возможно осуществить только в линейном (активном) режиме транзистора. В этом случае транзистор используется как регулирующий орган дросселирующего типа. Такой режим ведет к быстрому росту рассеиваемой на транзисторе мощности и усложнению схемы выходного каскада. Использование германиевых транзисторов снижает рассеиваемую мощность, но уменьшает диапазон рабочих температур. Поэтому выходной транзистор стремятся использовать в ключевом режиме.

При использовании ключевого режима транзистора в САР ток в первичной обмотке регулируют путем управления длительностью импульса накопления. Так как задний фронт импульса определяет момент зажигания, изменение его временного положения невозможно. Управлять длительностью импульса можно только путем изменения положения переднего фронта, что обусловливает смещение управляющего воздействия на период.

Решение этой задачи было облегчено после разработки по технологии IGBT высоковольтных ключей, так называемых Smart-приборов (интеллектуальных приборов). В них интегрируется резистивный датчик тока в виде участка на кристалле, напряжение на котором пропорционально протекающему току. Выпускаются эти приборы со встроенным регулятором тока и с усилителем на выходе для подключения аналогоцифрового преобразователя (АЦП) микропроцессора (VB025BSR, VB027ASP). В современных системах зажигания функции управления током в первичной обмотке возлагаются на микропроцессор системы управления двигателем. Поэтому разработаны и выпускаются по технологии IGBT микросхемы без регулятора тока BTS2145, BTS2163.

Использование регулирования по длительности импульса накопления в последующем цикле обработки информации приводит при резком увеличении или уменьшении частоты вращения вала двигателя (ускорении или торможении) к погрешности в определении величины тока и длительности управляющего импульса, а следовательно, к пропускам в искрообразовании. Чтобы этого не происходило, приходится выбирать длительность управляющего импульса таким образом, чтобы при максимальном ускорении время накопления энергии не снижалось

90

ниже критического значения. Однако в установившемся режиме это приводит к излишнему рассеиванию мощности.

Проблема уменьшения влияния переходных режимов двигателя на систему зажигания решается с помощью специального алгоритма обработки полученной информации от датчика тока первичной обмотки (Дт), датчика длительности импульса перегрузки (компаратора), выделяющего время превышения током установленного предельного значения (Дд) и датчика углового положения коленчатого вала (Ду.п). Для облегчения составления таких алгоритмов в приборе VB027ASP введены два уровня сравнения тока первичной обмотки с заданными значениями Z1 и Z2 (два уровня компарирования – предварительный и основной).

Разработан алгоритм регулирования длительности импульса накопления с корректировкой по величине приращения периода следования импульсов датчика Дуп. Это позволяет исключить из системы зажигания отдельную предварительную операцию нормирования времени накопления энергии.

Интегрированные формирователи систем зажигания

Совершенствование формирователей амплитуды и длительности импульсов систем зажигания идет несколькими путями. Основной путь – схемотехнический, т.е. совершенствование схемных решений устройств. Другой путь – конструкторский и технологический. Главным направлением здесь является микроминиатюризация систем, основу которой составляет интеграция отдельных устройств в единую микросхему, выполненную по полупроводниковой технологии.

Использование систем с частотно-временными видами модуляции и логических элементов резко улучшает качество систем управления зажиганием.

Однако внедрение микропрограммных систем управления с кодо- во-импульсной модуляцией на базе микропроцессора (МП) позволяет переложить на него многие функции по формированию параметров импульса накопления и зажигания. Эти операции выполняются программным путем с использованием материальных ресурсов МП. При этом функции физических формирователей не исчезают, а сами они превращаются в элементы схемы алгоритма обработки и фактически в виртуальные устройства системы зажигания, включенные в МП.

В настоящее время в отечественных системах управления зажиганием применяются аналоговые микросхемы L497 для формирования импульса накопления заданной длительности и BU941ZPF1, которая представляет собой биполярный n– р–n -транзистор Дарлингтона с защитой и

91

внутренним ограничением напряжения коллектор – эмиттер. Повышение требований к искрообразованию и применение МП привели к необходимости повысить рабочее напряжение и рабочую температуру выходного транзистора усилителя мощности. Это удалось обеспечить за счет отказа от активного (линейного) режима выходного транзистора и перевода его исключительно в ключевой режим. Мощный резистор датчика тока заменен специальным участком на кристалле микросхемы, напряжение на котором пропорционально протекающему току. Это напряжение усиливается и может быть преобразовано в код аналого-кодовым преобразователем, включенным в состав МП. Конструктивно трансформаторы зажигания совмещаются в едином моноблоке (модуле зажигания) с высоковольтной частью системы зажигания. Это позволяет отказаться от применения механических распределителей высокого напряжения.

Примером реализации этих идей могут служить высоковольтныеключи выполненные в виде микросхем VB027ASP, BTS2145 и BTS2165. Две последние схемы изготовлены по технологии IGBT.

Компания ST-Microelectronics выпускает по своей технологии целый ряд интегральных схем для использования в автомобильных системах электронного зажигания. Лучшей схемой является VB027 – мощное согласующее устройство (драйвер) для возбуждения высоковольтных трансформаторов (катушек) системы зажигания, которое позволяет устанавливать начальное напряжение на первичной обмотке катушки и величину предельного тока через катушку, а также совместимо по входу с логическими уровнями и обеспечивает пропорциональный рост тока коллектора транзистора, включенного в первичную обмотку. VB027ASP представляет собой высоковольтную микросхему, предназначенную для управления током отключения катушки зажигания высокой энергии. Интегральная схема изготавливается по фирменной VIPower технологии с транзисторами Дарлингтона на выходе и совместима с логическими уровнями схемы запуска. Встроенные схемы защиты ограничивают ток в катушке и фиксируют коллекторное напряжение, что позволяет использовать VB027 в качестве интеллектуального, высоковольтного, сильноточного интерфейса в перспективных электронных системах зажигания.

По входу VB027 может управляться от маломощного внешнего контроллера, который формирует как время накопления, так и момент зажигания. При высоком уровне входного сигнала Uвх>4 В эта микросхема обеспечивает пропорциональное увеличение тока в катушке до заранее заданного уровня, после достижения которого ток остается постоянным до момента искрообразования, что соответствует моменту перехода Uвхот высокого уровня к низкому (типовой порог составляет 1,9 В). В момент отключения тока высокое напряжение (ВН) на катушке фиксируется на определенном, заранее заданном уровне (обычно 345 В).

92

При переходе транзистора от режима насыщения к режиму отсечки ток катушки ограничивается, и включается защита от перенапряжения. Допускается максимальное перенапряжение 20 В.

Ограничение тока в катушке направлено на тепловую защиту. В структурной схеме VB027ASP имеется устройство, называемое противотемпературной защитой. Оно предназначено для изменения текущего уровня сравнения в компараторе на первый диагностический активизирующийся нижний уровень относительно 2,5 А. Информация об этом может поступать в МП и использоваться для управления процессом коррекции в направлении уменьшения рассеиваемой мощности. Это устройство выполняет контрольно-диагностические функции. Оно только обнаруживает повышение тока и перегрев. При понижении текущего уровня сравнения в компараторе (первого флажка) температура не может опуститься ниже 125 ° С (398 К). Для функционирования этого устройства можно предложить очень простой алгоритм управления, в котором микроконтроллер выполняет простые арифметические действия для вычисления момента включения устройства после срабатывания первого порога (первого флажка) компаратора.

Применение МП в качестве устройств обработки в формирователях фазы и амплитуды импульса зажигания и накопления позволяет упростить общую схему системы зажигания и не использовать аналоговую информационную часть микросхем.

Рис. 5.9. Функциональная схема микросхемы VB027ASP:

1 – формирователь (триггер Шмитта); 2 – регулятор (драйвер); 3 – транзистор Дарлингтона с ограничением напряжения, защитой от перенапряжения и смены полярности напряжения; 4 – датчик тока; 5 – линеаризатор; 6 – измерительные цепи; 7 – устройство сравнения (компаратор); 8 – компаратор первого уровня тока; 9 – компаратор второго уровня тока; 10 – схема ИЛИ; 11 – выходной буферный усилитель.

93

Функциональная схема микросхемы VB027ASP приведена на рис. 5.9. Применение МП в качестве устройств обработки информации в формирователях фазы и амплитуды импульса зажигания и накопления позволяет в настоящее время исключить аналоговую систему регулирования. В микросхеме BTS21165 (рис. 5.10) оставлена только силовая

часть с датчиком тока.

Рис. 5.10. Функциональная схема микросхемы BTS21165:

1 – формирователь (триггер Шмита); 2 – устройство согласования (драйвер); 3 – IGBTтранзистор с ограничением напряжения, защитой от перенапряжения и смены полярности напряжения; 4 – датчик тока; 5 – выходной буферный усилитель.

Распределители импульсов зажигания по цилиндрам

Распределение импульсов зажигания по цилиндрам на приемной стороне объединенного канала обратной связи может производиться как высоковольтными, так и низковольтными распределителями. В электронной технике такие распределители называются коммутаторами. Они могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми. На рис. 5.11 приведены схемы распределителей импульсов зажигания по цилиндрам для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя.

В настоящее время еще распространены одноступенчатые высоковольтные механические распределители (рис. 5.11, а). В них высоковольтные импульсы зажигания с трансформатораТ поступают на центральный контакт переключателя S(распределителя), вращение которого синхронизируется коленчатым валом, кинематически связанным с валиком распределителя. В заданные моменты времени происходит соединение боковых контактов с центральным. Импульсы зажигания по высоковольтным проводам подаются на свечи FV1...FV4.

Развитие микроэлектроники позволило использовать комбинированные методы разделения каналов передачи импульсов зажигания и перейти к низковольтным дешифраторам разделения каналов. В такой

94

системе (рис. 5.11, б) разделение каналов осуществляется низковольтным дешифратором. А далее идет пространственное разделение каналов, когда каждый канал имеет индивидуальный коммутирующий ключ TV1... TV4 (усилитель мощности) и трансформатор Т1...Т4 содним высоковольтным выводом вторичной обмотки. Это позволяет устанавливать трансформаторы непосредственно на свечи зажигания FV1... FV4. В такой конструкции могут отсутствовать высоковольтные провода. Управление работой ключей TV1... TV4 осуществляется импульсными сигналами Uс.з1…U c.з4, поступающими с коммутатора.

В настоящее время находит применение двухступенчатое распределение импульсов зажигания с использованием двухвыводных трансформаторов (рис. 5.11, в). Устройство управления и обработки информации, выполненное на цифровых элементах или микропроцессоре, на первой ступени с помощью низковольтного дешифратора разделяет объединенный канал на два групповых канала – первый и четвертый цилиндры, а также второй и третий цилиндры. На второй ступени разделение каналов производится с помощью двухвыводных высоковольтных обмоток трансформаторов Т1... Т4. Искровые промежутки свечей FV1 и FV4 первого и четвертого цилиндров, моменты зажигания которых смещены на один оборот по коленчатому валу, включаются последовательно. Импульс зажигания Uс.з1по сигналу «Выбор первой группы каналов» подается на свечи FV1 и FV4. При этом в одном цилиндре выполняется такт расширения и воспламенение отсутствует, а в другом – такт сжатия и рабочая смесь воспламеняется. Затем импульс зажигания Uс.з2по сигналу «Выбор второй группы каналов» поступает одновременно в два цилиндра со свечами FV2 и FV3, но воспламенение происходит только в одном цилиндре. Через один оборот воспламенение произойдет в цилиндрах со свечами FV4 и FV1.

95

Рис. 5.11. Схемы распределителей импульсов зажигания по цилиндрам: а – высоковольтный; б – низковольтный; в – двухступенчатый.

Схему замещения вторичной обмотки трансформатора можно представить в виде включенных последовательно двух сопротивлений и источника высокого напряжения. Высокое напряжение Uв каждой из катушек зажигания распределяется между соответствующей парой цилиндров следующим образом. Например, для первой пары цилиндров имеем

Uв = U1+ U4. Откуда:

где U1и U4– напряжения, приложенные к искровому промежутку свечей первого и четвертого цилиндров; R1и R4– сопротивления искрового промежутка свечей первого и четвертого цилиндров.

Поскольку в момент искрообразования первого группового канала поршни первого и четвертого цилиндров находятся в положении, близком к ВМТ, но в различных тактах рабочего цикла ДВС, то сопротивления искрового промежутка свечей этих цилиндров не равны между собой.

96

Пусть, например, в первом цилиндре в рассматриваемый момент завершается такт сжатия, при этом сопротивление R1будет достаточно велико, а в четвертом цилиндре завершается такт выброса высокоионизированных отработавших газов и сопротивление R4будет мало. Тогда из полученных соотношений для данного режима получим: при Rl>>R4напряжение U1≈ Uв, а U4≈ 0, т.е. искрообразование произойдет в первом цилиндре. Для противоположного случая при R1<<R4напряжение U1≈ 0, aU4≈ Uв, т.е. искрообразование произойдет в четвертом цилиндре.

Аналогичные процессы происходят и во второй паре цилиндров.

Вряде случаев используют четырехвыводные вторичные обмотки трансформаторов. Первичная обмотка такого трансформатора выполнена двухсекционной и имеет вывод со средней точки. Секции обмотки работают по очереди. Высоковольтные импульсы в такой системе разнополярны и разделение цепей осуществляется с помощью высоковольтных диодов. В остальном эта система аналогична системе, представленной на рис. 5.11, в.

Внастоящее время начинают применяться системы зажигания с пространственным разделением каналов на второй ступени распределения высоковольтных импульсов. Они называются системами

снепосредственным зажиганием. В них высоковольтные трансформаторы устанавливаются на каждую свечу. Преимуществом таких систем является отсутствие высоковольтных проводов.

ГЛАВА 6. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ

6.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Системы зажигания неразрывно связаны с двигателем внутреннего сгорания. Поэтому их классификация должна быть увязана с основными понятиями, относящимися к ДВС.

Двигатель внутреннего сгорания – система автоматического управления тепловой машиной дискретного действия, представляющая собой генератор механической энергии или энергетический преобразователь химической энергии топлива в тепловую и далее в механическую энергию, передаваемую потребителю в виде непрерывного механического процесса.

ДВС с искровым зажиганием – система автоматического управления тепловой машиной дискретного действия с дополнительным термоэлектрическим каналом обратной связи.

97

Тепловая машина ДВС – камера сгорания с устройством воспламенения горючей смеси (свечами), являющаяся объектом управления, и тепломеханический преобразователь тепловой энергии в механическую энергию – цилиндропоршневая группа устройств.

Система управления зажиганием – объект управления ДВС с теп-

ломеханическим преобразователем, механический преобразователь воз- вратно-поступательного движения во вращательное (шатуннокривошипный механизм с коленчатым валом), преобразующий дискретные процессы в непрерывные с термоэлектрическим каналом обратной связи (управляющей подсистемой зажигания).

Система зажигания – канал термоэлектрической обратной связи (управляющая подсистема зажигания).

6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ

Для выявления классификационных признаков систем зажигания можно выделить их основные функциональные устройства:

1)механоэлектрический преобразователь (датчик);

2)формирователь фазы импульса зажигания (формирователь момента зажигания);

3)формирователь амплитудных соотношений, в котором можно выделить формирователь амплитуды тока отключения (низковольтный формирователь амплитуды) с усилителем мощности и формирователь амплитуды высоковольтного напряжения (высоковольтный импульсный трансформатор);

4)элемент накопления энергии;

5)распределитель, осуществляющий разделение каналов по абонентам (цилиндрам);

6)свечи зажигания.

По виду используемой энергии или виду элементной базы системы зажигания можно подразделить на электромеханические, электрические (электронные), смешанные.

В основу существующей классификации систем зажигания положено несколько признаков: тип датчика положения коленчатого вала (контактный, бесконтактный), тип усилителя мощности (транзисторный); тип формирователя длительности импульса накопления (без формирования, с формированием постоянной длительности); тип элементов, используемых для формирования алгоритма обработки информации, получаемой с датчиков для формирования фазы импульса зажигания (аналоговые, частотно-импульсные, цифровые, микропроцессор-

98

ные).При использовании формирователя постоянной длительности импульса накопления (с нормированием) в структуру системы зажигания вводится формирователь постоянной скважности импульсов (ФПС).

В название систем зажигания вносится только несколько признаков отражающих, по мнению разработчика, сущность системы.

Электромеханические системы зажигания для будущих разработок представляют только исторический и теоретический интерес. Смешанные системы уже не используются в новых разработках, уступая место электронным системам зажигания. Поэтому целесообразно рассмотреть классификацию исключительно электронных систем.

Структуру системы зажигания можно представить в виде буквенной формулы. Системы зажигания по структуре можно подразделить на несколько групп. Типовая структура для смешанных систем может быть представлена формулой

α → Д→ ФФи.з→ФАн [ФДи.н →ФАп.т+УМ] → Н→ ВИТ→ →ВР(nК)→ FV(1 – 4 – 2 – 3) →,

где Д – датчик; ФФи.з – формирователь фазы импульса зажигания; ФАн– низковольтный формирователь амплитуды импульса первичного тока, который может включать в себя ФДи.н – формирователь длительности импульса накопления, ФАп.т– формирователь тока в виде САР с управлением по амплитуде или длительности и УМ – усилитель мощности; Н – элемент накопления энергии; ВИТ – высоковольтный импульсный трансформатор (катушка зажигания), выполняющий функции высоковольтного формирователя амплитуды импульса зажигания; ВР(nК) – высоковольтный распределитель импульсов зажигания по цилиндрам (по и каналам); FV(1–4–2–3) – свечи.

Всовременных системах зажигания используется другая структура: 1НР(2К)I→ФДи.н+ФАп.т+УМ→Н→ВИТ+ВР(2К)II} → FV1

→FV 4

Д→ФФи.з→

2НР(2К)I→ФДи.н+ФАп.т+УМ→Н→ВИТ+ВР(2К)II} → FV 2

→ FV 3

где 1НР(2К)1 – низковольтный распределитель первой группы (на два канала 1, 4) первой ступени; 2НР(2К)1 – низковольтный распределитель второй группы (на два канала 2, 3) первой ступени; ВР(2К)П – высоковольтный распределитель на два канала второй ступени.

В настоящее время начинают использоваться непосредственные системы зажигания с низковольтным распределителем каналов HP, структура которых представляется формулой

99

1К→ФДи.н→ФАп.т+УМ→Н→ВИТ1→FV1

Д→ФФи.з→НР(nК)→ … nK→ФДи.н→ФАп.т+УМ→Н→ВИТn→FVn

Исходя из структурных формул систем зажигания и классификационных признаков элементов системы, можно составить полную классификацию всех возможных систем зажигания.

Датчики. В современных электронных системах зажигания используются датчики, которые по принципу преобразования входной величины подразделяютсяна:

на индукционные, созданные на основе однопараметрического физического эффекта Фарадея;

магнитоэлектрические, созданные на основе двухпараметрического физического эффекта Холла.

По числу градаций выходного сигнала датчики системы зажигания подразделяютсяна:

n-позиционные, где п – число цилиндров ДВС; многопозиционные, в которых число позиций выходного сигнала

определяется числом зубьев на роторе датчика.

Многопозиционные датчики могут иметь специальную метку на роторе, например, пропуск выступа, для формирования импульса «Начало отсчета» (опорного сигнала) или дополняться специальным датчиком «Начало отсчета», которые конструктивно могут быть совмещены или выполняться раздельно.

По существу здесь идет разделение систем по точности преобразования углового положения коленчатого вала. В первом случае число градаций преобразуемой величины равно числу цилиндров, а во втором число градаций выбирается исходя из требуемой точности и обеспечивается числом выступов на маховике.

С другой стороны, без формирования электрического опорного сигнала (сигнала положения поршня первого цилиндра в ВМТ) невозможно произвести измерение угла опережения зажигания (УОЗ) электрическими средствами измерения. В системах с одним импульсом на цилиндр измерение угла опережения зажигания производится по механическим меткам стробоскопическим методом. В системе с двумя датчиками измерение УОЗ производится электронными приборами.

100