PostHeaderIcon Микропроцессорные системы зажигания

Рассмотренные выше системы зажигания (БТСЗ) в настоящее время имеют ограниченное применение. Им на смену пришли системы зажигания четвертого поколения — это системы с электронно-вычислительными устрой­ствами управления и без высоковольтного распределителя энергии по свечам в выходном каскаде. Такие системы принято подразделять на электронно — вычислительные или просто на электронные (ЭСЗ) и микропроцессорные (МСЗ). Электронные и микропроцессорные системы зажигания имеют три принципиальных отличия от предшествующих систем [20]:

1 Их устройства управления (УУ) являются электронно-вычислительными блоками дискретного принципа действия, выполнены с применением микро­электронной технологии (на универсальных или на больших интегральных микросхемах) и предназначены для автоматического управления моментом зажигания. Эти устройства называются контроллерами.

2 Применение микроэлектронной технологии, помимо получения преиму­ществ по надежности, позволяет значительно расширить функции элек­тронного управления. Стало возможным внедрение в автомобильную систе­му зажигания бортовой самодиагностики и принципов схемотехнического резервирования.

3 Выходные каскады этих систем в подавляющем большинстве случаев мно­гоканальные и, как следствие, не содержат высоковольтного распределителя зажигания.

Электронные и микропроцессорные системы зажигания отличаются друг от друга способами формирования основного сигнала зажигания, т. е. того сигнала, который от ЭБУ подается на спусковое устройство накопителя. В ЭСЗ основной сигнал зажигания формируется с применением время — импульсного способа преобразования информации от входных датчиков. Это когда контролируемый процесс задается временем его протекания, с после­
дующим преобразованием времени в длительность электрического импульса. Таким образом, в ЭСЗ контроллер содержит электронный хронометр и управляется аналоговыми сигналами. Компонентный состав современной ЭСЗ показан на рисунке 3.3.

Выходные электрические схемы системы зажигания

Распределитель Свечи

——— >- h

-» К

Микропроцессорные системы зажигания

Катушка зажигания

7

-» h К

Провода X

Канал Р М

вк

Микропроцессорные системы зажигания

Микропроцессорные системы зажигания

Датчик детонации

О,

Лямбда — зонд

&

Р-разрежение М-микроеыкл. ВК-впуск. коллектор

р

Входные устройства (датчики) системы зажигания

а — выходные электрические схемы; б — электронные блоки; в — входные устройства (датчи­ки); Р, М М” — сигналы от датчиков дроссельной заслонки; A, D, Т — сигналы от датчиков кислорода, детонаг(ии и температуры двигателя; со, Р, в — сигналы от датчика Холла Рисунок 3.3 — Компоненты современной ЭСЗ [20]

В МСЗ, структурная схема которой показана на рисунке 3.4, для фор­мирования сигнала зажигания применяется число-импульсное преобразова­ние, при котором параметр процесса задается не временем протекания, а не­посредственно числом электрических импульсов.

Катушш | Сини

сигналы I входных сигналов

Ч/л1

СИГНАЛЫ

_п_п

праобр»-

юмтогъ

сигналы

Миіфо I Виком ЭВМ I «аскады ЭвМ

Коммутаторы

Микропроцессорные системы зажигания

1-4 — входные датчики неэлектрических воздействий (акцепторы); 5-8 — преобразователи не­электрических величин в аналоговые электрические сигналы; 9 — датчик абсолютного давле­ния (МАР); 10 — АЦП; 11 — интегральная схема микропроцессора; 12 — оперативная “N”;13 — постоянная "Р" память ЗУ; 14, 15 — коммутаторы; 16,17 — двухвыводные катушки зажига­ния; 18 — свечи зажигания Рисунок 3.4 — Структурная схема микропроцессорной системы зажигания [20]

Функции электронного вычислителя здесь выполняет число­импульсный микропроцессор, который работает от электрических импуль­сов, стабилизированных по амплитуде и длительности (от цифровых сигна­лов). Поэтому между микропроцессором и входными датчиками в ЭБУ МСЗ устанавливаются число-импульсные преобразователи аналоговых сигналов в цифровые (ЧИПы).

В отличие от электронной, микропроцессорная система зажигания ра­ботает по заранее заданной для данного двигателя внутреннего сгорания про­грамме управления. В вычислителе микропроцессорной системы зажигания имеется электронная память (постоянная и оперативная). Программа управ­ления для конкретной конструкции двигателя определяется эксперименталь­но, в процессе его разработки. На испытательном стенде имитируются все возможные режимы двигателя при всех возможных условиях его работы.

Для каждой экспериментальной точки подбирается и регистрируется оптимальный угол опережения зажигания. Получается набор многочислен­ных значений угла для момента зажигания, каждое из которых отвечает стро­го определенной совокупности сигналов от входных датчиков. Графическое

изображение такого множества представляет собой трехмерную характери­стику зажигания, которая в виде матрицы. Координаты трехмерной характе­ристики записываются в постоянную память микропроцессора и в дальней­шем служат опорной информацией для определения угла опережения зажи­гания в реальных условиях эксплуатации двигателя на автомобиле. Измене­ние опорного (взятого из памяти) угла 0 опережения зажигания осуществля­ется автоматически. Увеличение угла 0 происходит при повышении оборо­тов, при уменьшении нагрузки и при понижении температуры ДВС.

Уменьшение угла 0 имеет место при увеличении нагрузки, при падении оборотов и при повышении температуры ДВС. Если в МСЗ помимо основ­ных датчиков используются дополнительные (например, датчик детонации в цилиндрах ДВС), то в микропроцессоре осуществляется коррекция опорного значения угла опережения зажигания по сигналам этих датчиков. При этом корректировка производится по каждому цилиндру в отдельности. Элек­тронные блоки управления для ЭСЗ и МСЗ, помимо функциональных и схе­мотехнических, имеют и принципиальные конструктивные различия.

В ЭСЗ блок управления является самостоятельным конструктивным узлом и называется контроллером. На входы контроллера подаются сигналы от входных датчиков системы зажигания, а по выходу — контроллер работает на электронный коммутатор выходного каскада.

Все электронные схемы контроллера низкоуровневые (потенциальные), что позволяет включать их в состав других бортовых электронных блоков управления (например, в ЭБУ системы впрыска топлива).

В МСЗ все функции управления интегрированы в центральный борто­вой компьютер автомобиля и персональный блок управления для системы зажигания может отсутствовать. Функции входных датчиков МСЗ выполня­ют универсальные датчики комплексной системы автоматического управле­ния двигателем. Основной сигнал зажигания подается на электронный ком­мутатор выходного каскада МСЗ непосредственно от центрального бортово­го компьютера.

Несмотря на значительные различия электронных и микропроцессор­ных систем зажигания, по устройствам управления выходные каскады этих систем имеют идентичное схемотехническое и конструктивное исполнение, при котором каждая свеча зажигания на многоцилиндровом ДВС получает энергию для искрообразования по отдельному каналу. Такое распределение называется статическим или многоканальным.

Надо отметить, что кроме обычных недостатков механического пере­ключателя (низкая надежность и малая наработка на отказ вращающихся и трущихся частей) классический распределитель зажигания имеет и тот не­достаток, что в нем реализуется коммутация высоковольтной энергии через электрическую искру. Это, помимо дополнительных потерь энергии, приво­дит к неравномерному выгоранию контактов в изоляционной крышке рас­пределителя и, как следствие, к явлению разброса искр по цилиндрам и к низкой функциональной надежности системы зажигания. Разброс искр меж­ду выводами даже исправного механического распределителя может дости­гать 2…3 угловых градусов по повороту коленчатого вала ДВС.

В электронных и особенно в микропроцессорных системах зажигания, высоконадежных и высокоточных в функциональном отношении, форми­рование момента зажигания в которых реализуется с точностью 0,3…0,5° для каждого цилиндра в отдельности, применение высоковольтного механиче­ского распределителя совершенно недопустимо. Здесь приемлемы электрон­ные способы переключения каналов на низкопотенциальном уровне непо­средственно в электронном блоке управления с дальнейшим статическим разделением каналов по высокому напряжению на многовыводных или ин­дивидуальных катушках зажигания. Это неизбежно приводит к многоканаль — ности выходного каскада системы зажигания.

Реализация многоканального распределения энергии может быть осу­ществлена в системах зажигания несколькими способами. Наиболее простой из них — применение двухвыводного высоковольтного выходного трансфор­матора или двухвыводной катушки зажигания в выходном каскаде. Такой способ разделения каналов приемлем для реализации в системе зажигания с любым типом накопителя.

Известно, что в системе зажигания, на выходе которой установлен вы­соковольтный распределитель, во время разряда накопителя имеют место две искры: одна основная (рабочая) в свече зажигания и другая вспомогательная — между бегунком распределителя и контактом одного из его свечных выво­дов.

Вторичная обмотка выходного трансформатора (катушки зажигания) высоковольтным выводом соединена с центральным бегунком рас­пределителя, а другой вывод обмотки является нулевым, так как во время разряда накопителя соединяется с "массой" автомобиля (см. рисунок 3.1). Энергия вспомогательной искры в распределителе тратится бесполезно, и эту искру стремятся всячески подавить. Отсюда ясно, что вспомогательную ис­кру из-под крышки распределителя можно перенести во вторую свечу за­жигания, соединив ее с первой через «массу» головки блока цилиндров по­следовательно. Для этого достаточно исключить распределитель из выходно­го каскада, отсоединить от «массы» автомобиля заземляемый вывод катушки зажигания и подключить к нему вторую электроискровую свечу (рисунок

3.5).

При одновременном искрообразовании в двух свечах зажигания одна искра является высоковольтной (12…20 кВ) и воспламеняет топливовоздуш­ную смесь в конце такта сжатия (рабочая искра). При этом другая искра низ­ковольтная (5…7 кВ), холостая.

Явление перераспределения высокого напряжения от общей вторичной обмотки между искровыми промежутками в двух свечах зажигания есть следствие глубоких различий условий, при которых происходит искрообра — зование.

FU

Микропроцессорные системы зажигания

А — выходной каскад двухканалъного комму­татора; VT1, VT2 — транзисторы комму­татора; IV1, TV2 — катушки зажигания; FV1-FV4 — искровые свечи Рисунок 3.6 — Схема низковольтного распределения импульсов высокого напряжения с двумя двухвыводными катушками [20]

s_

Иг,

*

s*

Соединение no двигателя

Рисунок 3.5 — Соединение све­чей зажигания с двухвыводной катушкой

В конце такта сжатия незадолго до появления рабочей искры темпера­тура топливовоздушного заряда еще недостаточно высокая (200…300°С), а давление, наоборот — значительное (1… 1,2 МПа). В таких условиях пробив­ное напряжение между электродами свечи — максимально. В конце такта вы­пуска, когда имеет место искрообразование в среде отработавших газов, про­бивное напряжение минимально, так как температура выхлопных газов вы­сокая (800…1000°С), а давление низкое (0,2…0,3 МПа).

Таким образом, при статическом распределении высокого напряжения с помощью двухвыводной катушки зажигания (на двух последовательно со­единенных свечах — одновременно) почти вся энергия высоковольтного элек­троискрового разряда приходится на рабочую искру.

Если в ДВС четыре цилиндра, потребуются две двухвыводные катушки зажигания и два раздельных энергетических канала коммутации в выходном каскаде. На рисунке 3.6 показана схема выходного каскада системы зажига­ния для 4- цилиндрового ДВС.

Чтобы чередование воспламенений топливовоздушной смеси в цилин­драх соответствовало порядку работы двигателя (1243 или 1342), первая све­ча сгруппирована с четвертой, а вторая — с третьей. При таком соединении свечей «рабочие» искры возникают в цилиндрах в конце такта сжатия, а «хо­лостые» искры — в конце такта выпуска.

В настоящее время разработан ряд автомобильных систем зажигания, в которых две двухвыводные катушки зажигания собираются на общем Ш-

образном магнитопроводе и тем самым образуется одна 4-выводная катушка зажигания. Такая катушка имеет две первичные и две вторичные обмотки и управляется от двухканального коммутатора. Четырехвыводная катушка за­жигания может иметь и одну вторичную двухвыводную обмотку при двух первичных. Вторичная обмотка такой катушки дооборудована четырьмя вы­соковольтными диодами — по два на каждый высоковольтный вывод.

Недостатком любой системы зажигания с двухвыводными катушками является то, что в одной свече искра развивается от центрального электрода к массовому (боковому), а во второй свече — в обратном направлении (рисунок

3.5) . Так как центральный электрод заострен и всегда значительно горячее бокового, то истечение носителей заряда с его острия при искрообразовании требует затраты меньшего количества энергии, чем при истечении с бокового электрода (на центральном электроде начинает проявляться термоэлектрон­ная эмиссия). Это приводит к тому, что пробивное напряжение на свече, ра­ботающей в прямом направлении, становится несколько ниже (на 1,5…2 кВ), чем на свече с обратным включением полярности. Для современных элек­тронных и микропроцессорных систем зажигания с большим коэффициентом запаса по вторичному напряжению и с управляемым временем накопления энергии это не имеет принципиального значения.

Выходные каскады с индивидуальным статическим распределением

В современных электронных и микропроцессорных системах зажига­ния широко используются выходные каскады с индивидуальными катушками зажигания для каждой свечи в отдельности. Примером может служить сис­тема зажигания фирмы BOSCH, интегрированная в электронную систему ав­томатического управления (ЭСАУ) двигателем, которая известна под назва­нием Motronic.

Основные преимущества системы зажигания, интегрированной в ЭСАУ Motronic, состоят в следующем:

— индивидуальное статическое распределение высокого напряжения по свечам зажигания;

— катушки зажигания с заземленной вторичной обмоткой.

Известны попытки применить в многоканальном выходном каскаде автомо­бильной системы зажигания высоковольтный трансформатор с насыщающи­мися сердечниками.

Если магнитопровод трансформатора ввести в режим насыщения, то его коэффициент трансформации резко падает и энергия из первичной об­мотки во вторичную не трансформируется. Система зажигания с трансфор­матором насыщения обладает высокой надежностью, малыми габаритами и весом, но ее промышленный выпуск пока не реализован из-за значительных технических трудностей изготовления (для трансформатора насыщения тре­буются тороидальные сердечники из высококачественного пермалоя. Намот­ка многовитковых обмоток на такие сердечники крайне затруднена).

Катушки зажигания микропроцессорных систем зажигания

В современных микропроцессорных системах зажигания с накоплени­ем энергии в индуктивности распределение высоковольтных импульсов по свечам в цилиндрах двигателя осуществляется без высоковольтного распре­делителя и чаще всего с применением двухвыводных катушек зажигания. Та­кой способ иногда называют статическим распределением. Система зажига­ния с двухвыводными катушками пригодна для работы на четырехтактном двигателе с любым четным числом цилиндров (2, 4, 6, 8…).

Первые двухвыводные катушки зажигания были изготовлены на базе традиционных одновыводных катушек с разомкнутым магнитопроводом в маслонаполненном металлическом корпусе. Они имели увеличенные габари­ты и массу и значительно отличались от прототипа по конструкции. Такие катушки не нашли широкого применения. Разработка новых полимерных ма­териалов, обладающих высокими диэлектрическими свойствами, позволила создавать так называемые «сухие» двух-выводные катушки зажигания.

Двухвыводная катушка зажигания (рисунок 3.7) имеет разомкнутый магнитопровод и двухсекционную вторичную обмотку. Вторичная обмотка расположена сверху первичной, что обеспечивает надежную изоляцию выво­дов высокого напряжения. Охлаждение первичной обмотки — через цен­тральный стержень магнитопровода, который выступает наружу и имеет крепежное отверстие.

Обмотки катушки пропитаны компаундом и опрессованы полипропи­леном, из пропилена выполнены также корпус, гнезда высоковольтных и низковольтных выводов.

В настоящее время все большее распространение получают трансфор­маторы зажигания, т. е. двухвыводные катушки зажигания с замкнутым маг­нитопроводом 1 (рисунок 3.8).

Наличие замкнутого магнитопровода позволяет уменьшить габариты и вес катушки, повысить кпд преобразования энергии, уменьшить расход обмо­точного провода и электротехнической стали, улучшить параметры искрово­го разряда, снизить трудоемкость изготовления.

В некоторых модификациях микропроцессорных систем зажигания применяются четырехвыводные катушки зажигания, состоящие из двухвы­водных катушек, собранных на общем Ш-образном магнитопроводе.

Более распространенной является схема четырехвыводной катушки с высоковольтными диодами (рисунок 3.9), которая содержит две встречно на­мотанные первичные обмотки и одну вторичную. Полярность вторичного напряжения определяется направлением укладки витков в первичных обмот­ках.

Если в точке S (см. рисунок 3.9) напряжение имеет положительную по­лярность, то открываются высоковольтные диоды VD1, VD4 и в соответст­вующих цилиндрах двигателя появляются искровые разряды (рабочая и хо­лостая искры).

Микропроцессорные системы зажигания

а — внешний вид; б — катушка в разрезе;

1 — магнитопровод с крепежным отвер­стием А; 2 — первичная обмотка;

3 — корпус; 4 — вторичная обмотка;

5- высоковольтные выводы; 6 — заливка полипропиленом; 7 — низковольтные выво­ды

©

Микропроцессорные системы зажигания

©

©

Микропроцессорные системы зажигания

а — внешний вид; б — катушка в разрезе;

1 — замкнутый магнитопровод с воздуш­ным зазором; 2 — первичная обмотка; 3 — корпус; 4 — вторичная обмотка; 5- высоко­вольтные выводы; 6 — низковольтные выво­ды;7 — воздушный зазор; 8 — заливка поли­пропиленом; 9 — пластмассовый каркас

Рисунок 3.7 — Конструкция катушки рисунок 3 g _ Конструкция

катушки

зажигания с замкнутым магнитопро — водом

зажигания с разомкнутым магнито проводом

Вторая первичная обмотка намотана в обратном направлении, и при прерывании в ней тока полярность вторичного напряжения в точке S изме­нится на отрицательную [20]. При этом искровые разряды возникнут в двух цилиндрах двигателя со свечами FV2 и FV3. Для исключения взаимного влияния первичных обмоток в период образования импульсов высокого на­пряжения к их выводам низкого напряжения подключены разделительные диоды VD5, VD6.

Для микропроцессорных систем зажигания с накоплением энергии в индуктивности выпускаются индивидуальные одновыводные катушки зажи­гания с замкнутым магнитопроводом — так называемые трансформаторы за­жигания (см. рисунок 3.10).

К общим недостаткам систем зажигания с двух — и четырехвыводными катушками относится разнополярность высоковольтных импульсов относи-

2

А — выходной каскад; VD1-VD4 — высоко­вольтные диоды; TV — трансформатор зажигания

1

а — отечественного производства с накоп­лением в индуктивности; б — катушка фир­мы BOSH с индуктивным накопителем; 1- свеча зажигания; 2 — высоковольтный про­вод; 3 — многосекционная вторичная об­мотка; 4 — первичная обмотка; 5 — сердеч­ник; 6 — низковольтный вывод; 7 — заливка полипропиленом; 8 — пластмассовый каркас

Микропроцессорные системы зажигания

Рисунок 3.9 — Схема включения че­тырехвыводной катушки с высоко­вольтными диодами

Рисунок 3.10 — Конструкции одновы­водных катушек зажигания [20]

В системах зажигания с накоплением энергии в емкости катушка зажи­гания выполняет функцию только повышающего импульсного трансформа­тора, ее габариты при этом могут быть значительно уменьшены. Это позво­ляет изготовлять индивидуальные катушки зажигания для каждой свечи в

тельно «массы» автомобиля на спаренных свечах зажигания. За счет этого пробивное напряжение в свечах может отличаться на 1,5…2 кВ.

отдельности и монтировать их непосредственно на свечах. Для такой систе­мы не нужны высоковольтные провода, которые являются источником ра­диопомех. Кроме того, исключается холостая искра. Вторичное напряжение несколько увеличивается и имеет только отрицательную полярность, что продлевает срок службы свечи зажигания.

Высокий уровень вторичного напряжения и параметров искрового раз­ряда способствует выполнению жестких требований, предъявляемых к со­временному автомобильному двигателю по экономичности и токсичности. Повышение скорости нарастания вторичного напряжения делает систему за­жигания менее чувствительной к нагарообразованию на тепловом конусе ис­кровой свечи. Однако при этом на 20…30% возрастает пробивное напряжение на свечах, что объясняется соизмеримостью времени формирования ис­крового разряда в свече со временем нарастания на ней вторичного напряже­ния. При большом запасе по вторичному напряжению это не принципиально.

Высоковольтные провода

В системах зажиганиях с высоковольтным механическим распредели­телем длина высоковольтных проводов всегда значительна (20…60 см).

И так как по проводам в момент электроискрового разряда в свечах протекает высокочастотный ток высокого напряжения, то длинные провода излучают радиопомехи. Источниками радиопомех являются также свечи за­жигания и распределитель. Есть три способа подавления радиопомех от АСЗ: экранизация высоковольтных проводов, свечей, катушки зажигания и высо­ковольтного распределителя; введение в центральный токовод высоковольт­ного провода распределенной индуктивности и распределенного сопротив­ления; установка помехоподавительного резистора непосредственно в изоля­тор свечи зажигания.

Экранизация требует увеличения запаса по вторичному напряжению и делает выходной каскад ЭСЗ громоздким. Высоковольтный провод с распре­деленными параметрами имеет недостаточно высокую конструктивную на­дежность, сложную технологию изготовления и высокую стоимость.

В современных системах зажигания применяют свечи с помехоподави — тельным резистором 4… 10 кОм, а длину высоковольтных проводов стремятся свести к минимуму. Последнее становится возможным благодаря примене­нию индивидуальных катушек зажигания, установленных непосредственно на свечах.

Высоковольтные провода подразделяют на низкоомные (до 0,5 Ом/м — в устаревших конструкциях проводов) и высокоомные (1…10 кОм/м). Прово­да маркируются двумя способами: цветом и текстовой надписью вдоль про­вода.

Отечественные провода светло-коричневой или пестрой расцветки — низкоомные. Провода красного или розового цвета ПВВП-8 обладают рас­пределенным сопротивлением 2000±200 Ом/м; синего цвета ПВППВ-40 — 2550±250 Ом/м. На высоковольтных проводах импортного производства

электрические параметры чаще обозначаются текстом вдоль провода. Со­держание текста можно расшифровать по фирменному каталогу.

Любой из трех указанных способов подавления радиопомех приводит к некоторому падению высоковольтного выходного напряжения системы за­жигания, что иногда сказывается при пуске холодного двигателя в слякотную зимнюю погоду, когда провода покрываются тонким инеем. Чтобы устранить этот недостаток, в современных микропроцессорных системах зажигания стали применять грязевлагозащиту высоковольтных проводов и свечей зажи­гания (укрытие проводов в изоляционную трубку или под пластмассовую крышку вместе со свечами).

Основные достоинства БТСЗ относительно контактных систем сле­дующие:

— более высокая точность, устойчивость искрообразования и равномерность распределения искры по цилиндрам, а также надежность системы;

— повышенная энергия разряда в свече при БТСЗ надежно обеспечивает воспламенение бензовоздушной смеси в цилиндрах двигателя. Это осо­бенно важно при разгоне, когда условия для воспламенения смеси небла­гоприятны из-за ее временного обеднения, не компенсируемого ускори­тельным насосом. Примерно на 20% снижается содержание СО в отрабо­тавших газах и на 5% расход топлива;

— обеспечение уверенного пуска холодного двигателя при низких темпера­турах при падении напряжения до 6 В.

Оставить комментарий

..

Февраль 2019
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Мар    
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728  

Мастерская Своего Дела - msd.com.ua