Конденсаторная система зажигания

Система зажигания, использующая разряд конденсатора (capacitor discharge ignition — CDI), была в эксплуатации много лет на некоторых моделях Porschе 911 и Ferrari. На рис. 8.17 показана блок-схема конденсаторной системы зажигания. Она работает от напряжения постоянного тока приблизительно в 400 В, получаемого от генератора колебаний, трансформатора и выпрямителя. Это высокое напряжение используется для заряда конденсатора. В момент зажигания конденсатор разряжается через первичную обмотку катушки зажигания, обычно при помощи тиристора. Быстрый разряд через первичную обмотку создает очень высокое выходное напряжение на вторичной обмотке. Это напряжение имеет значительно меньшее время нарастания по сравнению с обычными системами. Как правило, скорость нарастания напряжения для конденсаторной системы зажигания составляет 3—10 кВ/мкс по сравнению с индуктивной системой, которая даст только 300-500 В/мкс. Очень быстрое повышение и уровень высокого напряжении гарантируют, что искру даст даже закопченная или загрязненная маслом свеча. Недостаток, однако, заключается в том, что длительность искры будет настолько мала, что может вызвать проблемы, особенно в период запуска двигателя. Часто этот недостаток преодолевают средствами многоискрового зажигания. С другой стороны, при использовании метола прямо­ го зажигания (одна катушка для каждой свечи) продолжительность искры вполне приемлема.

Программные системы зажигания существенно отличаются от более ранних систем тем, что они работают на цифровом коде. Информация об эксплуатационных требованиях конкретного двигателя занесена в память электронного блока управления. Данные, сохраняющиеся в постоянной памяти блока зажигания, получены путем тщательного измерения на стенде и скорректированы при испытании транспортного средства в различных эксплуатационных режимах. Программное зажигание имеет ряд преимуществ:

♦ момент зажигания можно точно подобрать для любого эксплуатационного режима;

♦ для контроля можно использовать дополнительные входные параметры — например, температуру охлаждающей жидкости и окружающего воздуха;

♦ улучшается запуск, снижаются потребление топлива и вредные выбросы, а управление в режиме холостого хода становится лучше;

♦ можно принять во внимание и другие аспекты, такие как детонационные стуки;

♦ число кабелей в системе зажигания сокращается.

Программное зажигание (ESA) может быть отдельной системой или входить в систему управления подачей топлива.

Датчики и входная информация

На рис. 8.18 показано расположение элементов программной системы зажигания компании Rover. Блок управления двигателем (ECU) использует определенную информацию для вычисления подходящего значении опережения зажигания и фазы активации.

Датчик скорости вращения и углового положения коленвала

Этот датчик изменения магнитного потока, помешенный гак, как показано на рис. 8.19. Устройство состоит из постоянного магнита, обмотки и сердечника из мягкого железа. Оно установлено вблизи стального диска (редуктора), имеющего 34 зубца, разнесенных по периферии диска с интервалом в 10*. На диске отсутствуют два зуба через 180', в положениях, соответствующих верхней (TDC) и нижней (BTDC) мертвой точке. Многие изготовители используют этот метод с незначительными изменениями. Как только зуб от задающего диск» проходит мимо сердечника датчика, магнитное сопротивление цепи меняется. Это изменение вызывает импульс напряжения в обмотке, причем частота сиг­ нала будет пропорциональна скорости вращения двигателя. Недостающий зуб вызывает «пропуск» импульса в выходном сигнале и, следовательно, позволяет определить положение вала двигателя.

Нагрузка на двигатель датчик абсолютного давления в коллекторе

Нагрузка на двигатель пропорциональна давлению в коллекторе: при высокой нагрузке давление высокое, при сниженной низкое. Датчиками нагрузки поэтому служат преобразователи давления. Они смонтированы в блоке управления двигателем или отдельно, и связаны трубкой с отверстием во спускном коллекторе. Трубка часто содержит перегородки, чтобы заглушить колебания, и уловитель пара, чтобы предотвратить попадание па датчик бензиновых паров.

Датчик температуры охлаждающей жидкости

Измерение температуры охлаждающей жидкости производится простым термистором, и по многих случаях один и тот же датчик используется и для индикаторы температуры, и для обеспечения информацией системы управления подачей топлива. Для коррекции основных установок времени зажигания используется отдельная карта памяти. Для ускорения прогрева холодного двигателя используется более раннее зажигание.

Датчик детонации

Продолжительная детонация (взрывное сгорание топлива) может вызвать серьезное повреждение двигателя. Детонация вызвана излишне ранним зажиганием. С другой стороны, двигатель будет работать в самом эффективном режиме, когда опережение момента зажигания будет установлено как можно ближе к точке детонации. Чтобы достичь этого, установочные данные, сохраняемые в памяти выбора момента зажигания, должны будут устанавливать момент зажигания в зоне, максимально близкой к предельной точке детонации двигателя (рис. 8.20). Датчик детонации формирует сигнал ошибки для указания границы этой зоны. Сам датчик- акселерометр, обычно пьезоэлектрическою типа. На четырехцилиндровых двигателях он устанавливается на блоке между вторым и третьим цилиндрами. V-образным двигателям не­ обходимы два датчика, по одному на каждый блок цилиндров. Блок управления двигателем воспринимает сигналы датчика в пределах нескольких градусов от верхней мертвой точки для каждого цилиндра, то есть в зоне возможной детонации. В остальное время сигнал датчика блокирован, что предотвращает помехи от работы клапанного механизма, также воспринимаемые как стук. Кроме того, сигнал от датчика фильтруется в ECU, чтобы удалить нежелательный шум. Если обнаружена детонация, на четвертом после ее обнаружения им­ пульсе зажигания (для четырехцилиндрового двигателя), момент зажигания задерживается в несколько шагов, пока не исчезнет детонация. Шага меняются по-разному в зависимости от изготовителя автомобиля, но типично значение приблизительно 2*. Момент зажигания медленно смешается шагами, скажем, в Г, за несколько оборотов двигателя, пока не будет установлено требуемое опережение. Этот прекрасный способ регулирования позволяет двигателю работать очень близко к пределу детонации без риска повреждения.

Напряжение батареи

Если напряжение батареи падает, требуется увеличение периода активации, поскольку на катушку поступает пониженное напряжение. Обычно эта информация хранится в памяти в виде карты корректировок.

Электронный блок управления

Поскольку сложность систем автомобиля о последнее время значительно возросла, также увеличился объем информации, сохраняемой в памяти ECU. Ранние версии программируемой системы зажигания, созданной компанией Rover, достигали точности, а выборе времени зажигании ±1,8% тогда как обычный распределитель обеспечивает точность ±8*. Информация, полученная в ходе стендовых, а также ходовых испытаний транспортного средства, сохраняем в постоянной памяти ROM. Основная карта выбора момента зажигания состоит из установок правильного опережения зажигания для 16 значений скорости и 16 значений условий нагрузки. Это показано на рис. 8.21 в виде трехмерной модели.

Чтобы иметь набор установок для восьми скоростей и восьми температурных участков, используется отдельная трехмерная модель. Она применяется для ввода поправок к основным установкам на температуру охлаждающей жидкости двигателя. Это улучшает ходовые качества автомобиля и может применяться для ускорения прогрева двигателя. Данные также подвергаются дополнительной корректировке по нагрузке при температурах ниже 70 *С. На рис. 8.22 показана логическая блок-схема выбора оптимальной установки угла зажигания. Отметим, что для обеспечения постоянной энергии искры ECU также вводит коррекцию и по углу активации как функции частоты вращения двигателя, и по изменению напряжения батареи. Сниженное напряжение батареи требует увеличенного времени активации, повышенное напряжение - уменьшенного времени.

Типичная для большинству в компьютерных систем блок-схема, показанная на рис. 8.23, описывает блок управления программным зажиганием. Входные сигналы обрабатываются, и полученные данные сохраняются и оперативной памяти RAM. Программа и значения установочных данных заранее занесены в ROM. В этих системах для вы пол нения команд, требуемых в соответствии с программой, используется микроконтроллер. Информация, поступающая от датчиков, преобразуется в цифровую форму в схеме АЦП. Компания Rover, как и многие другие изготовители, использует бортовой датчик давления, состоящий из анероидной камеры и тензодатчиков, измеряющих нагрузку на двигатель. Блок-схема, используемая для представления программы. занесенной в ROM блока управления двигателем, показана на рис. 8.22. На сайте автора доступна условно- бесплатная программа под Windows 95/98/2000, моделирующая работу системы зажигания и ряда других систем.

Выходкой каскад системы зажигания

Выходной каскад системы программного зажигания очень прост. Он состоит из мощного составного транзистора (пары Дарлингтона), интегрального, либо выполненного из двух отдельных транзисторов. Он позволяет просто управлять большим током первичной обмотки катушки зажигания. Точка выключения питания катушки будет управлять моментом зажигания, точка включения — периодом активации.

Распределение высокого напряжения

Распределение высокого напряжения очень похоже на распределение в обычной системе. Бегунок ротор установлен на конце вала распределителя и закрыт крышкой. Дли крышки используется материал velax, подобный эпоксидной смоле. но имеющий лучшие электрические характеристики — например, он менее склонен к утечкам. Крышка распределителя установлена на опорной пластине из материала Craslmc. Эта пластина является и монтажной, и рабочей, предотвращая попадание масла, просачивающегося от вала распределителя на бегунок и крышку. Другая важная функции монтажной пластины заключается в том, чтобы предотвратить накопление о распределителе агрессивных газов типа озона и окиси азота, выводя их в атмосферу. Эти газы образуются при искровом раз­ ряде, который возникает в воздушном промежутке между бегунком и сегментом в крышке распре­ делителя. Бегунок ротора также делают из материала Crasiine и укрепляют металлической вставкой, чтобы уменьшить усилия установки.

Система зажигания без распределителя

Принцип действия

Зажигание без распределителя имеет все черты рассмотренной системы программного зажигания, но при использовании катушки зажигания специального типа высокое напряжение поступает к свечам зажигания без участия высоковольтного распределителя. Система, вообще говоря используется только на двигателях с четырьмя цилиндрами, потому что для большего числа цилиндров система управления становится очень сложной. Основной принцип — это принцип «холостой искры». Распределение искры достигается при использовании двух симметричных катушек, которые поочередно активируются блоком управления. На рис. 8.24 показана блок-схема системы зажигания без распределения (distributorless ignition system - DIS). Выбор момента зажигания определяется по датчику скорости крашения и угловою положения коленчатого вала, а также по датчику нагрузки и другим корректировкам. Когда активирована одна из катушек, высокое напряжение поступает сразу к двум цилиндрам двигателя, например, I и 4 или 2 и 3. Искра, возникшая в цилиндре на такте сжатия, воспламенит смесь как нормальную. Искра, поникшая в другом цилиндре, не произведет никакого эффекта, поскольку этот цилиндр будет только заканчивать тает выхлопа. Из-за низкого давления выхлопных газов в цилиндре с «холостой искрой» требуемое для возникновения этой искры напряжение невелико — всего около 3 кВ. Примерно такое же напряжение теряется в обычных системах между бегунком и распределителем. Поэтому искра, произведенная в цилиндре на такте сжатия, никак не затрагивается. Здесь есть интересный момент - искра в одном из цилиндров проскочит с «земляного» электрода к центру свечи зажигания. Многие годы это было неприемлемо, так как качество искры с таким путем разряда было бы хуже, чем тогда, когда раз­ ряд идет с центрального электрода. Однако энергия, доступная в современных системах зажигания с постоянной энергией, произведет искру надлежащего качества при любом направлении разряда.