Основные направления создания перспективных систем зажигания

Развитие современного двигателестроения происходит в на­правлении повышения экономичности и снижения удельного веса при одновременном увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя и степени сжатия. Степень сжатия составляет

..8.5, но на перспективных автомобилях устанавливаются двига­тели со степенью сжатия 9,0...10 и более. Такое повышение степе­ни сжатия требует значительного увеличения вторичного напряже­ния, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи.

Частота вращения коленчатого вала автомобильных двигателей также неуклонно возрастает и в настоящее время достигает

.8000 мин^-1, диапазон рабочих температур двигателя лежит в пределах -40...+100°С. Стремление повысить топливную экономич­ность двигателя заставляет использовать обедненную смесь, для надежного воспламенения которой требуется большая длина ис­крового промежутка свечи, т. е. требуется большая энергия разря­да. Искровой промежуток свечи лежит в пределах 0,8...1,2 мм.

Таким образом, к современной системе зажигания предъявля­ются более высокие требования: увеличение вторичного напряже­ния при одновременном повышении надежности; энергия искрового разряда должна быть достаточной для воспламенения смеси на всех режимах работы двигателя (15....50 мДж и более); устойчивое искрообразование в различных эксплуатационных условиях (за­грязнение свечей, колебания температуры, колебания напряжения бортовой сети и т. д.); устойчивая работа при значительных меха­нических нагрузках; простота обслуживания системы; минимальное потребление энергии источников питания; минимальные масса, га­бариты и низкая стоимость. Кроме того, необходимо учитывать, ка­кие показатели двигателя являются наиболее важными: мощность, топливная экономичность, малая токсичность отработавших газов.

Такие требования не могут быть удовлетворены при использо­вании классической (батарейной) системы зажигания, так как в этом случае практически единственным реальным способом уве­личения вторичного напряжения является увеличение силы тока разрыва. Однако увеличение силы тока разрыва свыше определен­ного значения (3,5...4,0 А при 12 В) приводит к ненадежной работе контактов прерывателя и резкому сокращению их срока службы.

Перечисленные требования к системе зажигания вызвали необ­ходимость создания новых устройств, позволяющих улучшить усло­вия воспламенения рабочей смеси в цилиндрах.

Одним из путей повышения развиваемого системой зажигания вторичного напряжения является применение полупроводниковых приборов, работающих в качестве управляемых ключей, служащих для прерывания тока в первичной обмотке катушки зажигания. Наи­более широкое использование в качестве полупроводниковых реле нашли мощные транзисторы, способные коммутировать токи ампли­тудой до 10 А в индуктивной нагрузке без какого-либо искрения и ме­ханического повреждения, характерных для контактов прерывателя. Функцию электронного реле могут выполнять также и силовые тири­сторы, но широкой промышленной реализации в системах зажигания с накоплением энергии в индуктивности они не имели.

Первыми полупроводниковыми электронными системами бата­рейного зажигания явились контактно-транзисторные системы за­жигания (КТСЗ).

Принципиальная схема (рис. 3.26) в основном состоит из тех же элементов, которые характерны для обычной контактной системы, и отличается от нее наличием транзистора и отсутствием конденсатора, ранее шунтировавшего контакты прерывателя. Как видно из

схемы, контакты прерывателя коммутируют только незначительный ток (/б) управления транзистором, при этом ток силовой цепи (ток разрыва) коммутируется транзистором. Таким образом, примене­ние транзистора в системе зажигания позволило принципиально устранить основной недостаток классической системы зажигания. Сила тока разрыва уже не ограничивается стойкостью контактов прерывателя, а зависит лишь от параметров транзистора.

 

Рис. 3.26. Принципиальная схема КТСЗ:

1 - аккумуляторная батарея; 2- добавочное сопротивление; 3 - катушка зажигания; 4 - распределитель зажигания; 5 - свечи; 6 - транзистор; 7- контакты прерывателя; 8 -кулачок

 

По конструктивному исполнению контактно-транзисторные сис­темы различны и могут содержать от одного до нескольких полу­проводниковых усилительных элементов. Таким образом, в систе­мах с контактным управлением режим работы контактов прерыва­теля значительно облегчен и поэтому их срок службы больше. Од­нако этим системам по-прежнему присущи недостатки классической системы зажигания (механическое изнашивание контактов преры­вателя и ограниченный скоростной режим из-за вибрации контактов прерывателя и т. п.).

Системами, не имеющими перечисленных недостатков, являют­ся системы с бесконтактным управлением моментом искрообразо­вания (бесконтактные системы зажигания - БСЗ) - системы зажи­гания I поколения. В БСЗ контакты прерывателя заменены бескон­тактным датчиком, который вырабатывает электрические импульсы синхронизированные с углом поворота коленчатого вала. Эти им­пульсы поступают в схему управления током (импульсный усили­тель) первичной обмотки катушки зажигания. Бесконтактные датчи­ки не имеют механического контакта и поэтому практически не под­вержены износу.

В.наиболее простых БСЗ (рис. 3.27) устройство управления 4 преобразует сигналы с датчика 1, осуществляя усиление его мощ­ности, и производит коммутацию выходного каскада, нагрузкой ко­торого служит катушка зажигания 5, т. е. реализуются характери­стики, присущие ранее рассмотренным системам зажигания. При

Рис. 3.27. Структурная схема БСЗ:

1 - бесконтактный датчик углового положения коленчатого вала двигателя;и 3 - соответственно формирующий и выходной каскады; 4 -коммутатор(устройство управления); 5-катушка зажигания; 6- распределитель

 

этом используются те же механические автоматы опережения зажи­гания, что и в классической, и в контактно-транзисторной системах. Электронное устройство управления 4, функционально и конструк­тивно объединяющее формирователь 2 и выходной каскад 3, в отечественной литературе принято называть коммутатором.

По аналогии с углом замкнутого состояния контактов в классиче­ских и КТСЗ угол включенного состояния выходного транзистора освкл в этих БСЗ постоянный и не зависит от частоты вращения вала двигателя и напряжения батареи. Следовательно, время накопле­ния t_H энергии в зависимости от частоты вращения коленчатого ва­ла изменяется по жесткому закону: t_H = а_вкл/(6п), т. е. время накоп­ления энергии увеличивается с уменьшением частоты вращения п.

В такой системе увеличение тока разрыва неизбежно приводит к увеличению мощности, рассеиваемой катушкой зажигания, доба­вочным сопротивлением и транзисторным коммутатором в диапа­зоне малых и средних частот вращения вала двигателя.

Отмеченный недостаток не позволяет в рамках БСЗ с постоян­ным углом включенного состояния выходного транзистора вести дальнейшую интенсификацию выходных характеристик. Поэтому следующим этапом в развитии БСЗ явилось создание систем зажи­гания с нормируемым временем накопления энергии. В таких сис­темах во всем диапазоне частот вращения вала двигателя и значе­ний питающего напряжения определяется минимальное время, за которое ток разрыва /_р достигает силы, необходимой для индуциро­вания требуемого значения вторичного напряжения.

Нормирование времени накопления энергии позволяет снизить j мощность потерь в катушке и коммутаторе при низких и средних частотах вращения вала двигателя при одновременном увеличении тока разрыва и соответственно энергии искрового разряда, обеспе­чить оптимальный закон изменения вторичного напряжения и энер­гии искры в зависимости от частоты вращения вала двигателя, ста­билизировать выходное напряжение системы при колебаниях на­пряжения питания.

Бесконтактные системы с нормированием времени накопления энергии реализуются путем введения в коммутатор специального электронного регулятора времени накопления.

Основными недостатками БСЗ являются механический способ распределения энергии по цилиндрам двигателя, несовершенство механических автоматов угла опережения зажигания, погрешности момента искрообразования из-за механической передачи от колен­чатого вала двигателя к распределителю.

Наиболее полно отвечают всем требованиям, предъявляемым к современным системам зажигания, системы с электронным регули­рованием угла опережения зажигания. Среди способов реализации этих систем можно выделить два основных: аналоговый и цифро­вой. Аналоговый способ относится к электронным системам зажи­гания более раннего поколения, когда элементная база, используе­мая для их построения, имела малую степень интеграции (системы зажигания II поколения). Цифровые системы зажигания (системы зажигания III поколения) являются более совершенными. В основу их работы положены принципы, широко применяемые в вычисли­тельной технике. Цифровые регуляторы представляют собой не­большие, различные по сложности вычислители, порядок работы которых задается специальным алгоритмом. Структурная схема цифровой системы зажигания представлена на рис. 3.28.

Во время работы двигателя датчики 1 - 4 передают информа­цию о частоте вращения и нагрузке двигателя, о положении колен­чатого вала, о температуре двигателя и температуре окружающей среды. На основании этой информации, обработанной в интерфей­се 5, вычислительное устройство 6 определяет оптимальный для данного режима угол опережения зажигания. В рамках цифровой системы зажигания возможно применение как традиционного меха­нического распределителя, в функции которого остается лишь вы­соковольтное распределение энергии по цилиндрам 1Ц - 4Ц двига­теля, так и электронного распределения. В этом случае для четы­рехцилиндрового двигателя, например, применяется двухканаль­ный коммутатор 7, два выходных транзистора которого поперемен­но коммутируют ток в первичных обмотках двухвыводных или одной

 

 

 

Рис. 3.28. Структурная схема цифровой системы зажигания с электронным распределителем энергии по цилиндрам двигателя:

1 - датчик положения коленчатого вала двигателя; 2 - датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя; 3 - датчик нагрузки; 4 - датчик температуры; 5 - интерфейс;

6 - вычислительное устройство;7-двухканальный коммутатор;8 и 9 - двухвыводные катушки зажигания

 

четырехвыводной катушке зажигания. При этом блок управлени формирует два сигнала, управляющих работой коммутатора.

И все же цифровые системы зажигания явились переходным эта пом. Последним достижением в этой области стали микропроцес сорные системы (системы IV поколения). Они практически не отли чаются от управляющих ЭВМ, широко применяемых в настоящее время во многих областях науки и техники. Микропроцессорные сис темы управления автомобильным двигателем условно можно отне сти к системам зажигания, так как функция непосредственного зажи гания является в них частью решения вопроса об оптимизации ха рактеристик двигателя, однако именно в комплексных системах управления двигателем и заключен прогресс системы зажигания.