Соснин - Автотроника

Введение

го механизма, то в совокупности с уже разработанны-

• Электронная автоматика оказалась настолько

ми

микропроцессорными системами

управления

универсальной, что помимо электроискрового зажи-

впрыском топлива, зажиганием и экологией двигате-

гания с ее помощью стало возможным управление и

ля

это позволит

сократить расход

бензина до системой топливного питания, и системой нейтрали-

2,5 л/100 км пробега, при объеме двигателя не ме-

зации отработавших газов, и системой утилизации

нее 1600 см3. Такому бензиновому двигателю не мо-

паров бензина из бензобака, и системой управления

жет быть разумной альтернативы при его установке

двигателем на холостых оборотах, и системой запус-

на легковом автомобиле в ближайшие 30-50 лет.

ка холодного двигателя, и многими другими система-

ми, функционирование которых связано с работой

В.4. Электроника на автомобиле

автомобильного двигателя.

В настоящее время автомобильное электронное

оборудование настолько разнообразно, что рассмат-

Первым электронным устройством на автомобиле

ривать его лучше в составе конкретных бортовых си-

был ламповый радиоприемник. Питание анодных це-

стем автоматического управления. Следует только

пей радиоламп требует применения высокого напря-

иметь ввиду, что электроника на современном легко-

жения (не менее 100 В). Такого напряжения в борт-

вом автомобиле — это комплекс технических

сети автомобиля нет. Его получали с помощью элект-

средств, предназначенных в основном для работы в

ромеханического

вибропреобразователя, который

информационных (низкоуровневых), а не в исполни-

трансформатора переменное по величине (прерыви-

ния. Другими словами, электроника применяется

стое) напряжение 12 В.

На

вторичной

обмотке там,

где требуется

зафиксировать, преобразовать,

трансформатора получали требуемое высокое напря-

обработать, передать, запомнить, вычислить или за-

жение. Включение лампового приемника во время

кодировать текущую информацию о технических па-

длительной стоянки автомобиля не допускалось, так

раметрах устройств и агрегатов автомобиля.

как даже простейший трехламповый радиоприемник

Там, где приходится иметь дело с прямым или об-

с вибропреобразователем потреблял от аккумулятор-

ратным высокоуровневым энергетическим преобразо-

ной батареи не менее 50 Вт.

ванием, используются электротехнические устройства.

После промышленного освоения полупроводнико-

• Однако на современном автомобиле задачи ав-

вых приборов (начало 50-х годов) автомобильные ра-

томатизации управления с применением электричес-

диоприемники стали транзисторными, с прямым пи-

кого и электронного оборудования могут быть реше-

танием от бортсети автомобиля. На правительствен-

ны только частично.

ных автомобилях и на автомобилях высокого потре-

бительского класса появились первые радиотелефо-

В.5. Автотронное оборудование

ны. Но все это прямого отношения к автомобильной

электронной автоматике не имело.

автомобиля

• Первая автомобильная электронная схема уп-

равления была внедрена в электроискровую систему

Современный легковой автомобиль должен быть

зажигания: контактная пара прерывателя в цепи

экономичным, экологически чистым, элегантным, вы-

первичного тока была заменена мощным транзисто-

соконадежным, комфортабельным и высокоскорост-

ром, который по базе управляется от прежней кон-

ным транспортным средством. Чтобы обеспечить та-

тактной пары (см. далее рис. 1.8, а).

кие требования, на современном автомобиле, поми-

С появлением мощных и высоконадежных полу-

мо

классического

оборудования, устанавливаются

проводниковых диодов стало возможным примене-

новейшие средства

автоматического управления,

ние на автомобилях бесколлекторных генераторов

контроля и регулирования. Теперь помимо рабочих

переменного тока. А с применением полупроводни-

процессов двигателя автоматизируются и гидротор-

ковой схемотехники регуляторы напряжения автомо-

моза, и агрегаты ходовой части, и механическая под-

бильных

генераторов стали

чисто электронными

веска, и сам процесс движения автомобиля. Таким

(см. далее главу 7).

образом современная бортовая автоматика включа-

Дальнейшее развитие электронной полупроводни-

ет в свой состав не только электрические, электрон-

ковой автоматики управления позволило полностью

ные, механические, но и прочие самые разнообраз-

отказаться от электромеханических устройств в ав-

ные по принципу действия технические устройства.

томобильной системе зажигания. Их заменили бес-

Ясно, что системы автоматического управления, со-

контактные преобразователи неэлектрических вели-

ставленные из таких различных устройств, не могут

чин в электрические сигналы (бесконтактные

датчи-

относиться ни к одному из прежних видов бортового

ки). Так появились чисто электронные системы зажи-

оборудования. Так появился новый технический тер-

гания (см.

далее рис. 1.8,

г).

мин: "Автотронное оборудование автомобиля". Этим

бильной бортовой автоматики управления, контроля

разнообразные задатчики сигналов обратной связи.

и регулирования.

В большинстве случаев современная автотронная

• Автотронное оборудование, которое изучается в

система выполняет свои функции по заранее задан-

новой

специальной учебной

дисциплине

"Автотрони-

ной программе, и поэтому в ЭБУ всегда имеются за-

ка"*, — это совокупность комплексных автоматичес-

поминающее устройство и микропроцессор, в кото-

ких систем управления, контроля и регулирования, ус-

рых теперь чаще всего применяются число-импульс-

тановленных на автомобиле. Сама автоматическая

ные методы и средства обработки информации (ра-

система в этом случае называется автотронной.

нее в автомобильных электронных системах управле-

Автотронная система представляет собой слож-

ния, например в системе зажигания, применялись и

ный многофункциональный бортовой комплекс, со-

аналоговые вычислительные устройства).

стоящий из самых разнообразных по принципу дей-

Другой особенностью автотронной системы явля-

ствия и устройству компонентов, которые объедине-

ется ее "узкая специализация". Впрочем, это свойст-

ны в единое целое с целью выполнения заданной

во присуще любой системе бортового оборудования.

функции управления, контроля или регулирования.

Однако на основе нескольких автотронных систем мо-

В автотронную систему могут входить и механиче-

гут создаваться большие бортовые комплексы авто-

ские, и гидравлические, и пневматические, и электри-

матического управления, регулирования и контроля с

ческие, и электронные и любые другие устройства.

обслуживанием от общего универсального централь-

Главной особенностью автотронной системы яв-

ного бортового компьютера (УЦБК). Такие комплексы

ляется обязательное наличие в ее составе электрон-

дополнительно включают в себя бортовой информа-

ного блока, который управляет всеми остальными со-

ционный терминал (BIT), который обслуживается спе-

ставными частями (компонентами) системы.

циальным электронным интерфейсом (бортовым кон-

Электронный блок управления (ЭБУ) может ра-

троллером связи — CAN). Их задача — обеспечивать

ботать как в аналоговом, так и в дискретном или

коммутацию (подключение)

периферийных устройств

цифровом режиме, но он всегда "имеет дело" с

к УЦБК с соблюдением последовательности и приори-

электрическими сигналами. Для согласования сиг-

тета. Первый шаг в этом направлении уже сделан —

налов и воздействий, имеющих разную энергетиче-

разработана и широко применяется на легковых ав-

скую природу, ЭБУ автотронной системы по входу

томобилях комплексная электронная система автома-

оснащен преобразователями неэлектрических воз-

тического управления бензиновым двигателем внут-

действий

в электрические

сигналы

(различные реннего сгорания (ЭСАУ-Д). Простейший универсаль-

входные датчики), а по выходу — обратными пре-

ный электронный блок управления для таких систем

образователями электрических сигналов в неэлект-

серийно выпускается фирмой BOSCH (ФРГ) под на-

рические воздействия (исполнительные устройст-

званием — авторегулятор

"Motronic".

ва). Входные и выходные преобразователи состав-

• Автотронные системы по своему устройству, на-

ляют внешнюю периферию электронного блока уп-

значению, способу обработки информации и испол-

равления и одновременно являются компонентами

нению функций уже сегодня являются прототипами

автотронной системы.

будущих полностью компьютеризированных больших

Когда на выходе ЭБУ энергетическое преобразо-

универсальных систем автоматического управления,

вание не требуется, применяются выходные элек-

контроля и регулирования на автомобиле. Но в на-

тронные усилители электрических сигналов. При этом

стоящее время на современных легковых автомоби-

исполнительное устройство может представлять со-

лях наиболее распространены не универсальные, а

бой отдельную, достаточно сложную систему управ-

специализированные автотронные системы. К ним

ления

неэлектрического

принципа действия, в кото-

относятся:

рой электрический исполнитель является лишь акти-

1. Системы впрыска топлива для бензиновых дви-

ватором основного действия.

гателей.

По схемотехническому исполнению автотронная си-

2. Экологические системы автомобиля.

стема может быть как разомкнутой, так и замкнутой

3. Микропроцессорные системы электроискрово-

системой

автоматического управления.

В

последнем

го зажигания с дополнительными функциями регули-

рования.

*Автотроника—этоучебнаялисииплина, вкоторойрассматрива-

4. Комплексные электронные системы автомати-

ется полный

комплекс всех

бортовых

систем автоматического уп- ческого управления бензиновым двигателем внут-

равления на

современном

автомобиле.

Вузовскую программу пореннегосгорания (ЭСАУ-Д).

"Автотронике" разработал автор

в 1994

г. В

рамках элективного

5. Электронные системы управления гидравличес-

курса объемом в 144 уч.

часа

"Автотроника"

читается студентам

автотранспортного факультета Московского автомобильно-Аорож-

кими тормозами.

ного института 1МААИ-ТУ)

и в

ряле

других московских учебных за-

6. Системы электронного управления автоматиче-

ведений.

ской коробкой переключения передач.

1.1. Общие сведения

1.2. Система электроснабжения

Существующее на борту автомобиля уже много

В систему электроснабжения современного ав-

десятков лет электрооборудование первого поколе-

томобиля входят: необслуживаемая или монолитная

ния теперь называют классическим. В его состав

кислотная аккумуляторная батарея (АКБ) и генера-

входят следующие функциональные системы:

тор (ГТ) трехфазного переменного тока с мощным

• Система электроснабжения — электрогенера-

полупроводниковым выпрямителем (ВП) и электрон-

тор, реле-регуляторы, аккумуляторнаябатарея.

ным регулятором (Р) напряжения, которые вмонти-

• Система пуска двигателя внутреннего сгорарованы в конструкцию генератора. АКБ подключена

батарея.

ным клеммам генератора. Эта система обеспечива-

• Система электроискрового зажигания — катуш-

ет электроэнергией все бортовые электропотреби-

ка зажигания, прерыватель-распределитель, свечи

тели. Применение новых типов аккумуляторных ба-

зажигания с высоковольтными проводами (на авто-

тарей и генератора переменного тока вместо гене-

мобилях с дизельным ДВС отсутствует или заменена

ратора постоянного тока с многоламельным коллек-

системой калильного зажигания).

торно-щеточным механизмом, применявшимся ра-

• Система освещения и сигнализации — фары,

нее

совместно с

вибрационными реле-регулятора-

наружные фонари габаритных огней и световой сиг-

ми, позволило значительно повысить качество* на-

нализации, звуковой сигнал, внутреннее освещение,

пряжения и надежность системы бортового элект-

устройства специальной сигнализации.

роснабжения. Ее габаритно-весовые параметры

• Система контрольно-измерительных приборов,

также улучшились.

дополнительного и вспомогательного электрообору-

Следует заметить, что повышение мощности,

дования — щиток приборов, водительский пульт уп-

качества электричества и надежности системы

равления, электрические провода, предохранитель-

электроснабжения не самоцель, а насущная необ-

ные и релейные моноблоки, коммутационные устрой-

ходимостьсовременногоавтомобилестроения.Те-

ства, а также электроприводные устройства, напри-

перь

на

борту

автомобиля

устанавливаются

до

мер стеклоочистители и электровентиляторы.

120 потребителей электроэнергии,

значительная

Перечисленные системы являются неотъемлемой

часть из которых полупроводниковые и интеграль-

составной частью автомобильной бортовой автома-

ные схемы.

тики и всегда будут присутствовать в ее составе.

* Качество

напряжения (иногда говорят качество электричест-

За последние 30-40 лет составные компоненты

классических систем автомобильного электрообору-

ва) —

технический

термин,

обозначающий

высокую

степень

дования претерпели значительные усовершенство-

стабильности параметров напряжения на выходе блока (или си-

стемы) электроснабжения, а

также

отсутствие в выходном на-

вания, но состав самих систем остался прежним.

пряжении высокочастотных гармоник и случайных всплесков

Рассмотрим эти системы.

("лребезга").

•

Система

электроснабжения, структурная схема

точное отношение между шкивами двигателя и гене-

и токоскоростная характеристика которой показаны

ратора выбирается таким образом, чтобы на нижних

на рис. 1.1, работает следующим образом.

оборотах холостого хода электроэнергией от генера-

Когда ротор генератора не вращается (n = 0), на-

тора обеспечивались по крайней мере основные бор-

пряжение Uc бортовой сети равно напряжению АКБ

товые потребители (система зажигания, впрыск топ-

(Uc = U6) и потребители запитываются током батареи

лива, габаритные огни в ночное время). Тогда после

(I„ =

I6). Если после

пуска ДВС

напряжение Ur мень-

запуска ДВС коленвал развивает обороты холостого

ше напряжения U6

батареи, что будет иметь место

хода и наступает состояние, при котором п > n0, a

при

частотах

п

вращения

ротора

в

пределах напряжение

генератора становится

больше напря-

О < п < п0, бортовые потребители будут запитывать-

жения U6

аккумуляторной батареи

(Ur > U6). При

ся только от АКБ (Uc = U6, Iб = IН). а ток генератора

дальнейшем увеличении частоты вращения п генера-

пока еще будет оставаться приблизительно равным

тор обеспечивает электроэнергией все бортовые по-

нулю (IГ = IР). На токоскоростной характеристике —

требители и начинает заряжать АКБ (IГ = Iн + IЭ + IР)•

участок до п = п0.

Ток IГ генератора становится почти линейной функци-

В точке п = п0 напряжение Ur генератора почти

ей IГ

= f(n) от частоты вращения п, а напряжение Uc

станет равным напряжению Ue батареи, а следова-

бортовой сети — равным напряжению Ur генератора

тельно, и напряжению ис бортовой сети (Ur = Ue = Uc).

(Uc = Ur) и теперь полностью определяется регулято-

При встречно-параллельном включении двух источни-

ром Р напряжения (вплоть до состояния п = п„).

ков электроэнергии с одинаковыми напряжениями

На повышенных оборотах ДВС, когда частота п

обмена током между ними не происходит, т.е. ток I3

вращения ротора генератора лежит в пределах от п„

заряда АКБ пока еще нулевой (IЭ

= О). Регулятор Р на-

до ns, напряжение Ur генератора перестает увеличи-

чинает потреблять ток IР от генератора, а бортовые

ваться (Ur = const) и даже может несколько падать

электропотребители

получают

электроэнергию

от

из-за размагничивающего действия токов статора

обоих источников (I„ = IГ +

I6).

Частота

п0

вращения

под большой нагрузкой, но ток IГ

генератора все еще

ротора генератора несколько ниже граничных оборо-

может возрастать, приближаясь к самоограничению

тов холостого хода

прогретого ДВС. Поэтому переда-

(IГ = I„ + I3 + Ip = f(n, ДФ); Uc = Ur). Явление самоограни-

чения наступает при большом токе IГ генератора (когда

lr = Iгmax) и при высокой частоте вращения (п > ns) рото-

ра, как следствие насыщения этим током магнитных це-

пей генератора. При этом магнитный поток Ф, связыва-

ющий магнитное поле В, ротора с витками Ws обмотки

статора, частично уничтожается

противодействующим

(наведенным током IГ) магнитным полем Bs статора. Ток

IГ перестает быть функцией от частоты вращения п и

начиная с п = ns становится постоянным.

В современных генераторах переменного тока

максимальное значение тока IГ

является рабочим и

для

генераторов автомобилей

представительского

класса с мощным ДВС может достигать 100 А.

•

Конструктивной особенностью современных гене-

раторов трехфазного переменного тока является нали-

Рис.

1.1.

чие в них дополнительной диодной сборки d, а также

включение фазных обмоток генератора не "звездой",

Система электроснабжения с генератором

а "треугольником". Это позволяет упростить схему кон-

переменного тока:

трольной лампы К генератора, а также изолировать

АКБ — аккумуляторная батарея с напряжением U6; I6

—

разрядный ток АКБ; I, — зарядный ток АКБ; ГТ — трехфаз-цепь питания регулятора Р напряжения от большеточ-

ный генератор синусоидального переменного тока; |г_ — пе-

ной выходной цепи "Вых". Таким способом исключает-

ременный ток

генератора; I,

— ток возбуждения генерато- ся возможность нежелательного разряда аккумулятор-

тель (Ларионова); IР

— ток, потребляемый регулятором

Р;ченном зажигании. Кроме того, соединение фазных

I,. — постоянный ток генератора; U, — постоянное напря-

обмоток "треугольником" позволяет применять более

жение

генератора;

Uc — напряжение

бортсети автомобиля;

тонкие провода для фазных обмоток генератора. На-

Iн —

общий

ток нагрузки системы

электроснабжения; К

—дежность генератора при этом также повышается. Как

контрольная

лампа

генератора, п

— обороты приводногоследствие, современные автомобильные генераторы

шкива

генератора;

Ф — магнитный поток.

проходят без ремонта до 250000 км пробега.

• Ограничивать ток заряда АКБ в современных

все прочие системы (гидравлическая, инерционная,

системах электроснабжения не требуется, так как

пневматическая) бесперспективны.

регулятор Р напряжения на средних и умеренно по-

Современная система электростартерного пус-

вышенных оборотах ДВС, а самоограничение тока

ка — это совокупность электростартера, бортовой

генератора на высоких оборотах ДВС не допускают

аккумуляторной батареи и стартерных электроцепей.

перезаряда автомобильной аккумуляторной батареи.

Элементом системы пуска является также венечная

Однако следует заметить, что заряд аккумуляторной

шестерня маховика ДВС. Для автомобилей в север-

батареи на борту автомобиля осуществляется при по-

ном исполнении в систему пуска ДВС иногда включа-

стоянном напряжении. И когда АКБ сильно разряже-

ют средства для облегчения пуска [3].

на, ток IЭ заряда может быть значительным. Если но-

• Блок-схема электрической системы пуска ДВС

минальная емкость Сн установленной на автомобиле

современного легкового автомобиля приведена на

АКБ не согласована с максимальным током автомо-

рис. 1.2. Главным агрегатом такой системы является

бильного генератора, возможен или перегрев сильно

разряженной АКБ в начале ее заряда, или постоян-

ный недозаряд батареи, что в обоих случаях снижа-

ет срок ее службы. Поэтому на автомобилях с гене-

раторами большой мощности не рекомендуется уста-

навливать АКБ малой емкости. И наоборот, АКБ боль-

шей емкости не следует устанавливать на автомоби-

лях с генератором малой мощности. Другими слова-

ми, автомобильный генератор и аккумуляторная ба-

тарея, работающие на борту автомобиля как единая

автономная система электроснабжения, должны под-

бираться по токовым параметрам. При замене АКБ

следует придерживаться условия [ЗСН з 2lr max]*. Ос-

новные компоненты системы электроснабжения —

аккумуляторная батарея и электрогенератор совре-

менного легкового автомобиля — подробно описаны

в последующих главах.

1.3. Система пуска ДВС

Следующей классической системой электрообору-

дования автомобиля является система электростар-

терного пуска ДВС.

Следует заметить, что электростартерная система

пуска — это не единственная пусковая система для

автомобильных ДВС. Но для легковых автомобилей

Рис. 1.3.

Электростартер:

а — конструкция стартера; 6 — электрическая схема соеди-

нений; в — планетарный редуктор

стартера;

1

—

корп

Рис. 1.2.

2 — направляющий вал с витыми

пазами;

3

—

венеч

шестерня маховика ДВС; 4 — муфта СХ; 5 — водило с с

Блок-схема системы пуска ДВС:

теллитами; 6 — сателлитная шестерня; 7 — шестерня

АКБ — аккумуляторная батарея; ВЗ — ключ зажигания;

валу ротора; 8 — электродвигатель стартера; 9 — ось с

PC — реле стартера; ТР — тяговое реле; ЭДВ — электродви

-

теллита; 10 — планетарная шестерня с внутренним зацеп

гатель стартера; Р1 — планетарный редуктор; Р2 — основ

-

лением; 11 — корпус планетарной шестерни; 12 — рот

ной понижающий редуктор; МСХ — муфта свободного хода;

электродвигателя; 13 — ламели на коллекторе;

14 —

щетк

ДВС — двигатель.

в щеткодержателе; 15 — статорная обмотка

(возбужд

* Квадратные скобки указывают на равенство числовых величин

ния);

16 — рычаг привода МСХ; ВЗ

— включатель

зажиг

ния;

PC — реле стартера.

в формуле без учета размерностей.

электростартер (рис. 1.3). Это такое устройство, в ко-

сателлитные шестерни, а также с вращающейся пла-

тором конструктивно совмещены четыре функцио-

нетарной шестерней и с неподвижными сателлитами

нальных узла системы: электродвигатель ЭД постоян-

(подробно см. далее в главе 8).

ного тока, электромагнитное тяговое реле ТР, допол-

• Электродвигатель стартера — это электричес-

нительный понижающий (чаще всего на современ-

кая машина постоянного тока, преобразующая элек-

ных легковых автомобилях — планетарный) редуктор

трическую энергию W3 от АКБ в механическую энер-

PHи муфта МСХ свободного хода с шестерней зацеп-

гию Wm вращения якоря: Wm = f(W3).

ления. Шестерня зацепления образует с венечной

Принцип действия электродвигателя основан на

шестерней маховика ДВС основной понижающий ре-

использовании второго закона электромагнитной ин-

дуктор Р2 с передаточным числом не более 18. До-

дукции, согласно которому механическая сила F, дей-

полнительный планетарный редуктор PI применяется

ствующая на проводник L с током I, который поме-

в современных электростартерах с быстроходным

щен в магнитное поле с индукцией В, определяется

электродвигателем. Его передаточное число не бо-

как F= BLI. Направление действия силы F определя-

лев 4-х и определяется как: ip = 1 + Zp/Zk, где Zp —

ется по правилу левой руки (рис. 1.4, а).

число зубцов планетарной шестерни, Zk — число зуб-

Если проводник L изогнуть витком в виде токопро-

цов шестерни на оси якоря электродвигателя.

водной рамки R и поместить в магнитное поле В, обра-

Пуск стартера осуществляется посредством вклю-

зуется наглядная модель электродвигателя (рис. 1.4, б).

чения ключа зажигания ВЗ, который через реле

В этой модели постоянный магнит NS — это неподвиж-

стартера PC подает напряжение аккумуляторной ба-

ный статор с главным магнитным полем В, а токопро-

тареи АКБ на тяговое реле ТР. Реле ТР выполняет

водная рамка R — это вращающийся якорь.

две функции: подключает электродвигатель стартера

Машины постоянного тока являются коллекторны-

непосредственно к АКБ и механически сочленяет ше-

ми машинами, т.е. они обязательно содержат в сво-

стерню зацепления муфты свободного хода МСХ с

ем составе коллекторно-щеточный механизм (КЩМ).

венечной шестерней маховика ДВС (т.е. включает на

КЩМ — это устройство, которое обеспечивает

время пуска механический редуктор Р2).

контактную гальваническую электросвязь между вра-

Муфта МСХи электрическоеуправлениестартером

щающимся якорем (на модели — рамка R) и внешней

современного автомобиля устроены таким образом,

электроцепью. КЩМ состоит из контактных медных

что как только ДВС запускается, то сначала редуктор

ламелей К, изолированных друг от друга и собранных

Р2, а затем и электродвигатель ЭД выключаются.

на оси якоря в виде коллекторного цилиндра, а также

Дополнительный планетарный редуктор Р1 нахо-

из контактных медно-графитовых щеток М, прижатых

дится внутри конструкции стартера в постоянно

пружинами к ламелям коллекторного цилиндра. Щетки

включенном состоянии. Он располагается соосно с

помещены в щеткодержатели, которые для щеток яв-

электродвигателем и муфтой свободного хода.

ляются прижимными центрирующими устройствами, а

Планетарный редуктор, который иногда называют

для внешней электрической цепи — выводными кон-

редуктором Джемса, может иметь два варианта ис-

тактами якоря. Число ламелей на коллекторном цилин-

полнения: с неподвижной планетарной шестерней и

дре равно удвоенному числу токопроводных рамок на

с вращающимся водилом, на котором установлены

якоре. Число контактных щеток в современном стар-

терном электродвигателе обычно равно четырем. Они

включаются по схеме, показанной на рис. 1.3, б.

Модель электродвигателя постоянного тока, при-

веденная на рис. 1.4, б, работает следующим обра-

зом. Пусть рамка R в исходном состоянии находится

в положении, указанном на чертеже (угол а поворо-

та рамки относительно магнитных силовых линий по-

ля В равен нулю). На клеммы (+) и (—) щеток М от

внешнего источника электрической энергии W3 пода-

ется постоянное напряжение UД. Под действием на-

пряжения UA по токопроводной рамке R, согласно за-

Рис. 1.4.

кону Ома, начнет протекать ток якоря Ia = UA /R (где

R — омическое сопротивление рамки R).

К пояснению принципа действия электродвигателя:

Как видно из чертежа, ток IЯ якоря в верхнем

а — правило левой руки; I — ток; В — магнитное поле; F —

стержне рамки R, протекая от плюса к минусу, на-

механическая сила; NS — постоянный магнит; 6 — модель

правлен "слева-направо", а в нижнем стержне —

ЭДВ; 1я — ток якоря; R — якорь (токопроводная рамка); F1

"справа-налево". Ток I„, вступая в электромагнитное

и F2 — пара сил; X — ось вращения якоря; М — щетки

КЩМ; е — ламели коллектора; ю — частота вращения.

взаимодействие с магнитным полем В статора, обра-

зует пару сил (Fx

и F2), каждая из которых равна

Системы автомобильного электрооборудования

1.4.Системы электроискрового зажигания

• Классической для

автомобилей является бата-

рейная система зажигания (рис. 1.6). Ее компонент-

Говоря об электроискровом зажигании, следует

ный состав прост: катушка зажигания КЗ, прерыва-

заметить, что в самом начале на автомобилях оно

тель КП с распределителем РП и свечи зажигания СВ

реализовывалось от магнето.

с высоковольтными проводами. Источником энергии

• Магнето

— это электрическая машина индукдля системы зажигания

является бортовая система

торного типа. Преобразует механическую энергию

электроснабжения (U6), а источниками управляющих

непосредственно в энергию искрового разряда. Ра-

сигналов —• механический привод ПР от распредели-

ботает независимо от бортовой электросети.

тельного вала ДВС и пневмопривод ВР от разреже-

Конструктивно в магнето

совмещены

(рис. 1.5):

ния во впускном коллекторе ВК.

индукторный

электрогенератор ИГ; повышающий

Интересной особенностью батарейной системы

трансформатор ТР, первичная обмотка W±

которого

зажигания является то, что в ней изначально были

является индуктивным накопителем энергии; контакт-

найдены два совершенно уникальных технических ре-

ный прерыватель Р тока с кулачковым толкателем К;

шения: индуктивный накопитель (катушка зажигания)

распределитель S. Ротор (постоянный магнит М) ин-

и высоковольтный электроискровой разрядник (свечи

дукторного генератора ИГ, кулачок прерывателя Р и

зажигания). До тех пор, пока воспламенение топливо-

редуктор R распределителя S механически соединены

воздушной смеси на легкотопливных ДВС будет осу-

общей осью и приводятся во вращение от коленвала

ществляться от высоковольтной искры, свечи зажига-

(KB) ДВС. Когда индукционный ток в первичной об-

ния и катушка зажигания в автомобильной системе

мотке трансформатора ТР достигает максимального

зажигания будут присутствовать всегда. Были попыт-

значения, контакты прерывателя Р размыкаются. Во

ки применить пьезокерамические генераторы высо-

вторичной обмотке W2 повышающего трансформато-

кого напряжения, а также полупроводниковые свечи

ра наводится

высоковольтное

напряжение,

которое

Рис. 1.5.

Магнето:

—

С — конденсатор; К

кулачок

прерывателя;

Р — контакты прерыва-

теля;

М

—

постоянный

магнит

NS

на

роторе;

ИГ

—

индуктор; W1,

Рис. 1.6.

W2 — первичная и вто-

Контактная (батарейная) система зажигания (КСЗ):

ричная

обмотки

индук-

а — электрическая схема КСЗ; 6 — компоненты КСЗ; АКБ (U6) —

торного

трансформато-

аккумуляторная батарея; КЗ — катушка зажигания с первичной

W1 и вторичной W2 обмотками; КП — контактная пара прерыва-

ра

Тр;

S

—

высоко-

теля; ВР — вакуумный регулятор; ЦР — центробежный регуля-

вольтный

распредели-

тор; РП — распределитель; ПР — привод от распределительного

тель; R — редуктор 2/1;

вала; С1 — конденсатор первичной цепи; С2 — распределенная

w

—

частота вращения

емкость вторичной цепи; Rv — добавочное сопротивление КЗ;

привода магнето; KB —

ВЗ — включатель зажигания; ЗС — замыкатель на стартере;

коленчатый вал ДВС.

СВ — свечи; ВК — разрежение во впускном коллекторе.

Глава

1

зажигания с поверхностным тлеющим разрядом. Но

лать этот ток больше из-за наличия в системе электро-

высокая сложность их конструкции и низкая надеж-

механических контактов прерывателя, которые подвер-

ность оставили эти попытки на уровне научно-иссле-

жены быстрой эрозии и выгоранию при большом ком-

довательских разработок. Системы зажигания с ем-

мутируемом токе. Кроме этого, в контактных системах

костным накопителем также не нашли широкого рас-

зажигания с высоковольтным распределителем (одной

пространения, так как не обеспечивают требуемой

катушкой зажигания) угол замкнутого состояния кон-

для стандартных ДВС длительности электроискрового

тактов (время накопления энергии в катушке зажига-

разряда. Таким образом, катушка зажигания и свечи

ния) ограничен. В многовыводных системах зажигания

зажигания составляют выходную электрическую схе-

накопление энергии в индуктивном накопителе проис-

му в любой современной системе зажигания.

ходит более продолжительное время.

Существуют контактные системы зажигания, в ко-

• Главным достижением в конструировании и со-

торых число таких выходных электрических схем рав-

вершенствовании автомобильных систем зажигания

но числу цилиндров двигателя, что позволяет отка-

является широкое применение в их схемах полупро-

заться

от высоковольтного электромеханического

водниковых приборов. Так возникли контактно-тран-

переключателя-распределителя.

зисторная (рис. 1.8, а), бесконтактно-транзисторная

• В двигателях с парным числом цилиндров воз-

(рис. 1.8, б) и тиристорная (рис. 1.8, в) системы уп-

можно

применение

двухвыводных трансформаторов

равления первичным током катушки зажигания. Эле-

или катушек зажигания, когда оба вывода используют-

ктронная часть этих систем получила название элек-

ся как рабочие (рис. 1.7). Искрообразование от двух-

тронного коммутатора зажигания.

выводной КЗ в обеих свечах S происходит одновре-

С внедрением электронных коммутаторов появи-

менно. При этом одна свеча в А^ ином цикле рабочая,

лись совершенно новые возможности реализации ав-

другая — холостая. Свечи устанавлив_ тгся в те цилин-

томатического управления энергией индуктивного на-

дры, в которых поршни имеют одинаковый, /лд во всех

копителя, так как коммутация тока первичной обмотки

фазах движения. Для 4-х цилиндрового ДВС это пер-

катушки зажигания стала теперь также электронной.

вый и четвертый, а также второй и третий цилиндры.

Дальнейшее развитие систем зажигания шло по пу-

Для нормальной работы 4-х цилиндрового ДВС необхо-

ти внедрения электронного управления временем на-

димы две двухвыводные катушки зажигания; для 6-ти

копления и моментом искрообразования. Электронные

цилиндрового — три; для 8-ми цилиндрового — четы-

блоки управления, реализующие эти функции, получили

ре. В двигателях, оборудованных двухвыводными КЗ,

название контроллеров. Контроллер зажигания управ-

порядок работы не нарушается, так как — когда в од-

ляется от датчиков, а управляет — электронным комму-

ном цилиндре сжатие и зажигание, в другом — выпуск

татором системы зажигания (рис. 1.8, г). Так появились

отработавших газов. Установочный угол опережения

системы зажигания с чисто электронным управлением.

зажигания в таких ДВС больше обычного. Инжектором

Все это повысило такие эксплуатационные харак-

носителей зарядов в одной свече (S+) является корпус-

теристики системы зажигания, как функциональная

ной электрод, в другой свече (S-) — центральный эле-

точность, продолжительность наработки на отказ,

ктрод (Rn — помехоподавительный резистор).

энергия

высоковольтной

искры, универсальность

Все многовыводные системы зажигания с индуктив-

применения, надежность.

ным накопителем требуют значительного увеличения

• О надежности системы зажигания надо сказать

электроэнергии для их питания. Так, двухканальная сис-

отдельно. Известно, что эксплуатационная надеж-

тема зажигания современного 4-х цилиндрового авто-

ность N сложной технической системы определяется

мобильного двигателя потребляет от бортовой сети не

в основном двумя факторами: надежностью nm каж-

20-30 Вт, как бата-

дого из составных компонентов системы и их числом

рейная

система

за-

т: N = п1

• п2 • п3 • • • пm.

жигания,

а

до

Для многокомпонентных систем это означает, что

100 Вт. Это не являсамый ненадежный элемент сводит "на нет" надеж-

ется

недостатком,

ность всех остальных. Так, если контактная пара пре-

так как в классичес-

рывателя (п = 0,75) в классической батарейной систе-

кой батарейной сис-

ме зажигания перегорает, то высоконадежный эле-

теме зажигания

ма-

мент этой системы — катушка зажигания (п = 0,99) —

лый ток потребления

не защищает систему от выхода из строя. А в батарей-

объясняется

не

ре-

ной системе зажигания низконадежных элементов не-

альной потребностью

мало. Кроме электрических контактов прерывателя и

Направление потом электронов

электроэнергии

на

распределителя (п = 0,85), это еще и такие механичес-

Рис.1.7.

катушка

оптимальное

искро-

кие составные части системы,

как центробежный регу-

Даухвыводная

образование,

а

не-

лятор (п = 0,80), вакуумный регулятор (п = 0,95), при-

зажигания

возможностью

сде-

вод (п = 0,90) от коленвала ДВС.