Принципы построения узлов бесконтактных систем зажигания для автомобильных двс датчики углового положения коленчатого вала двигателя.

 

Для работы любой системы зажигания необходима информация о положении коленчатого вала двигателя. При этом датчик углового положения вала должен выдерживать достаточно суровые условия работы в отсеке двигателя, обладать высокой надежностью, дол­жен функционировать при очень низкой частоте вращения и иметь низкую стоимость. Известен ряд бесконтактных датчиков, в основу работы которых положены различные физические явления: магни­тоэлектрические, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлек­тронные, токовихревые, на эффекте Виганда, фотоэлектрические.

Исходя из стоимости производства, требований к точности момента искрообразования, помехозащищенности, стойкости к внешним воз­действиям два первых типа датчиков получили наибольшее примене­ние и производятся у нас в стране и за рубежом крупносерийно.

Магнитоэлектрические датчики.

Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный дат­чик коммутаторного типа с пульсирующим потоком. Принцип дейст­вия такого датчика заключается в изменении магнитного сопротив­ления магнитной цепи, содержащей магнит и обмотку, при измене­нии зазора с помощью распределителя потока (коммутатора). На рис. 3.29 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа. При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соответствии с законом индукции возникает переменное напряжение.

 

 

pис. 3.29. Принципиальная схема коммутаторного датчика:

1 - магнитная цепь (статор); 2 - магнит; 3 - обмотка; 4 -распределитель потока (коммутатор)

 

(3.11)

где к - коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; w - число витков обмотки; n - частота вращения распределителя потока; dФ/da - изменение потока Ф в зависимости от угла поворота.

Когда один из зубцов ротора 4 приближается к полюсу статора 1, в обмотке 3 нарастает напряжение. При совпадении фронта зубца ротора с полюсом статора (со средней линией обмотки) напряжение на обмотке достигает максимума, затем быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума (рис. 3.30) при удалении зубца.

Из формулы (3.11) видно, что пиковое значение U_вых линейно изменяется с частотой вращения распределителя потока. На рис.3.31 показан характер изменения сигнала U_вых по углу поворота коленчатого вала при разной частоте вращения n распределителя потока. Нетрудно видеть, что напряжение очень быстро изменяется от положительного максимума до отрицательного, поэтому нулевой переход (точка О) между двумя максимумами может быть использован для управления системой зажигания при получении точного момента искрообразования. Однако точку перехода через ноль сложно детектировать с помощью электроники, так как схема будет чувствительна к сигналам помехи, т. е. не будет удовлетво­рять требованиям помехозащищенности. Поэтому для получения момента искрообразования используют точки а и Ь, которые выби­раются на допустимых низких уровнях. При этом обеспечивается нечувствительность схемы детектирования к помехам и надежное срабатывание схемы в период пуска двигателя.

 

Распределитель потока, или зубчатый ротор, устанавливается на распределительный валик распределителя зажигания и изготав­ливается из мягкой стали. Число зубцов зависит от числа цилинд­ров двигателя. Необходимое поле создает постоянный магнит.

Рассмотренная магнитная система генераторного датчика чув­ствительна к влиянию изменений зазора, происходящих из-за конcтруктивных допусков, вибраций, передаваемых от двигателя дета­лям, входящим в состав магнитной цепи, что приводит к недопус­тимому асинхронизму момента искрообразования по цилиндрам двигателя. Поэтому на практике применяется симметричная маг­нитная система, которая обеспечивает для каждого положения распределителя потока средний зазор, являющийся суммой эле­ментарных зазоров. Принципиальная схема генераторного датчика коммутаторного типа с симметричной магнитной системой для че­тырехцилиндрового двигателя представлена на рис. 3.32.

Разработка постоянных магнитов, выполненных на основе но­вых магнитных материалов, таких как магнитоэласты, магниторезина, позволила резко снизить стоимость и массу датчика, увеличить его надежность.

Другим типом магнитоэлектрических датчиков, нашедших при­менение в автомобильных системах зажигания, является датчик с переменным потоком.

Он состоит из неподвижной катушки и постоянного магнита, же­стко связанного с валиком распределителя зажигания, причем чис­ло пар полюсов в магните равно числу цилиндров двигателя. Такие магнитные системы называются датчиками с вращающимися маг­нитами (рис. 3.33). Работа датчика характеризуется знакоперемен­ным магнитным потоком и симметричной формой выходного на­пряжения (рис. 3.34). Сигнал датчика с вращающимся магнитом тре­бует более тщательной обработки в цепи детектирования с целью компенсации электрического смещения момента искрообразования в зоне низких частот вращения распределительного валика.

 

Рис.3.33.Принципиальная схема магнитоэлектрического датчика с вращающим магнитом для четырехцилиндрового двигателя:

1- статор; 2-магнит; 3-обмотка

 

 

Рис. 3.34. Магнитный поток Ф и на­пряжение обмотки U _Вых в зависимо­сти от угла поворота магнитного ротора

 

Датчик на эффекте Холла. Благодаря развитию микроэлектро­ники широкое распространение получили датчики углового положе­ния на эффекте Холла. Эффект Холла возникает в полупроводни­ковой пластине, внесенной в магнитное поле, при пропускании через нее электрического тока. Если поместить элемент толщиной h в магнитном поле таким образом, чтобы направление индукции В магнитного поля было перпендикулярно плоскости пластины, и пропустить ток / через пластину, то между противоположными гра­нями пластины возникает ЭДС Холла

 

 

где к - постоянная Холла, м²/А; к = x р; х - подвижность носителей тока, м²/В; р - удельное сопротивление материала пластины, Ом.

Чувствительность элемента Холла зависит от соотношения ме­жду длиной и шириной пластины и повышается при уменьшении ее толщины. Для пленки толщина h достигает 10^-6 м, для пластины из полупроводникового кристалла - 10^-4 м. Для изготовления элемен­тов Холла используются германий, кремний, арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb).

Электродвижущая сила самоиндукции Холла очень мала и по­этому должна быть усилена вблизи кристалла для того, чтобы уст­ранить влияние радиоэлектрических помех. Поэтому конструктивно и технологически элемент Холла и преобразовательная схема, со­держащая усилитель У, пороговый элемент St, выходной каскад VT и стабилизатор напряжения СТ, выполняются в виде интегральной микросхемы, которая называется магнитоуправляемой инте­гральной схемой (рис. 3.35).

Очевидно, что путем изменения магнитного поля от 0 до В_max с помощью магнитного экрана на выходе магнитоуправляемой инте­гральной схемы можно получить (при подключении к ее выходу соответствующей нагрузки) дискретный сигнал высокого или низкого уровня.

Рис. 3.35. Структурная схема магнитоуправляемой интегральной схемы на

эффекте Холла:

ЭХ - чувствительный элемент Холла; В - индукция поля (изменяется от О до B_mах); У-усилитель; St- триггер Шмитта; VT - транзистор выходного каскада с открытым выходом; СТ - источник стабилизированного напря­жения; R_н – нагрузка

Объединив магнитоуправляемую схему с магнитной систе­мой в жестко сконструированный пластмассовый корпус, получают микропереключатель на эффекте Холла, который устанавливается в традиционный распределитель (рис. 3.36), например на поворот­ный механизм вакуумного автомата. Замыкатель 2 (ротор), жестко связанный с валиком распределителя 4, выполнен из магнитопро­водящего материала и содержит число полюсов-экранов 3, равное числу цилиндров двигателя. При прохождении экранов в зазоре между магнитоуправляемой схемой 1 и магнитом 5 происходит пе­риодическое шунтирование магнитного потока, и на выходе микро­переключателя формируется сигнал об угловом положении колен­чатого вала двигателя в виде прямоугольных импульсов. Фронт сигнала практически не зависит от частоты вращения экрана и, следовательно, задержка совсем незначительна по сравнению с задержкой, например, генераторного датчика. Таким образом, на выходе датчика формируется сигнал, представленный на рис. 3.37. Интегральная схема является, как и все электронные компоненты, чувствительной к воздействиям внешних условий. Устанавливае­мая в распределитель зажигания схема должна выдерживать жест­кие требования для изделий автомобильного применения, устанав­ливаемых в моторном отсеке на двигателе.

 

Коммутаторы.

Электронным коммутатором бесконтактной сис­темы зажигания называется устройство, выполняющее следующие основные функции:

- формирование выходного токового импульса необходимой ам­плитуды и длительности, подаваемого к первичной обмотке катушки (или катушек) зажигания для обеспечения заданного уровня высо­кого напряжения и энергии искры;

- обеспечение момента искрообразования в соответствии с за­данным фронтом управляющего импульса, поступающего на вход коммутатора;

- стабилизация параметров выходного токового импульса при колебаниях напряжения бортовой сети автомобиля и воздействии внешних факторов.

Многие типы коммутаторов выполняют дополнительно защитные функции, такие, как:

- предотвращение протекания первичного тока через первичную обмотку катушки зажигания при включенном замке зажигания и не­работающем двигателе;

- обеспечение стабильного питания и защита от импульсов пе­ренапряжения в бортовой сети автомобиля в аномальных режимах микропереключателя на эффекте Холла;

- обеспечение ограничения амплитуды импульса вторичного на­пряжения в аномальных режимах (например, в режиме открытой цепи).

На входные клеммы коммутатора поступают импульсы управле­ния, формируемые бесконтактным датчиком углового положения коленчатого вала двигателя (УПКВ) или электронным регулятором опережения зажигания с открытым коллектором. Выходом (нагруз­кой) коммутатора является первичная обмотка катушки зажигания или обмотки катушек зажигания.

В последнем случае электронный коммутатор выполняет функ­цию распределителя высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя.

На рис. 3.38 представлена классификация транзисторных ком­мутаторов, применяемых на автомобилях. Множество коммутато­ров БСЗ можно разделить на две подгруппы по принципиальному функциональному признаку:

коммутаторы с постоянной, не зависящей от частоты вращения коленчатого вала скважностью выходного первичного импульса тока;

коммутаторы с нормируемой скважностью выходного импульса тока.

Общим для обеих групп коммутаторов является наличие в вы­ходной цепи мощного выходного транзистора, способного коммутировать токи амплитудой до 10 А в индуктивной нагрузке коллектор­ной цепи.

Рассмотрим основные схемы управления выходным транзисто­ром системы зажигания и способы его защиты.

Для того чтобы включить выходной транзистор и обеспечить ре­жим насыщения, необходимо подать в базу управляющий ток

 

 

где /_р - сила коллекторного тока транзистора к моменту прерыва­ния; б_ст - статический коэффициент усиления по току транзистора; к_н - коэффициент насыщения, который должен быть больше 1 (вы­бирается в пределах 2...4 для ключевых каскадов).

В качестве источника управляющего тока используется каскад предварительного усиления, включенный, как правило, по схеме с общим коллектором (рис. 3.39,а). Такое включение является наи­более экономичным с точки зрения рассеиваемой мощности. Когда транзистор VT1 открыт, в базу транзистора VT2 течет ток

 

причем значение /_у должно удовлетворять условию (3.12).

 

Рис. 3.38. Классификация транзисторных коммутаторов

 

Значения напряжений насыщения транзисторов VT1 и VT2 вы­бираются из паспортных данных, резистор R_к служит для ограниче­ния коллекторного тока через транзистор VT1. Если транзистор VT1 закрыт, управляющий ток /_у = 0 и база транзистора VT2 зашунтиро- вана на корпус через резистор Я_6э; следовательно, транзистор на­дежно закрыт. Резистор Rбэ улучшает условия закрывания транзи­стора VT2. Сопротивление резистора R_бэ в зависимости от типа транзистора выбирается от 10 до 1000 Ом.

Недостатком схемы является значительное изменение управ­ляющего тока при колебаниях питающего напряжения. Так как номи­нал резистора Я_к рассчитывается при минимальном значении пи­тающего напряжения, то при больших значениях питающего напря­жения мощность, рассеиваемая на резисторе R_к, равна 10...12 Вт, если используются выходные транзисторы с В„ = 5...10. При исполь­зовании выходных транзисторов, имеющих В„ = 100...150, рассеи­ваемая мощность на резисторе R_к снижается до 3 Вт. Мощность,, рассеиваемая в каскаде предварительного усиления, может быть снижена приблизительно в 3 раза за счет стабилизации управляю­щего тока. С этой целью в схему введены токоизмерительный ре­зистор R_т и транзистор обратной связи VT3 (рис. 3.39,6). Падение напряжения на резисторе R_т от протекающего через него управ­ляющего тока /у_СТ приложено к участку база - эмиттер транзистора VT3. Любое отклонение значения управляющего тока от /_уст, напри­мер при колебаниях питающего напряжения, вызывает изменение напряжения на резисторе R_т и, следовательно, изменение режима работы транзистора VT3. При увеличении управляющего тока по­тенциал на коллекторе транзистора VT3 начинает уменьшаться, транзистор VT1 закрывается, уменьшая тем самым ток управления до заданного уровня /_уст. При уменьшении тока управления ниже уровня /_уст потенциал на коллекторе транзистора VT3 возрастает, управляющий транзистор VT1 открывается в большей степени и ток управления возрастает до уровня /_уст. Таким образом обеспечива­ется стабилизация управляющего тока на уровне /_уст.

Способы защиты выходных транзисторов от перенапряже­ний. Необходимость в защите выходного транзистора от перена­пряжений возникает в ряде специфических режимов работы систе­мы зажигания. Например, режим открытой вторичной цепи являет­ся аварийным. В этом случае значительно увеличивается амплиту­да импульса первичного напряжения, прикладываемого к участку коллектор - эмиттер выходного транзистора, что может вызвать про­бой перехода. Кроме того, увеличивается и амплитуда импульса вто ричного напряжения, что может вызвать пробой

изоляции вторичной цепи катушки зажигания и, следовательно, отказ системы зажигания. Для ограничения амплитуды импульса первичного напряжения на допустимом для выходного транзистора уровне используют схемы защиты, выполненные, как правило, на нелинейных элементах - стабилитронах и варисторах.

Наиболее простой является схема, представленная на рис 3.40,а. В этой схеме защитный стабилитрон VD1 включен параллельно участку коллектор - эмиттер транзистора VT1. Напряжение пробоя стабилитрона VD1 выбирают немного меньшим UKЭДОп транзистора VT1. Увеличение первичного напряжения до

U1 <Ucт vd не приводит к пробою стабилитрона. При увеличении первичного напряжения до U1 > Ucт vd стабилитрон пробивается и через него начинает протекать ток /ст, при этом амплитуда импульса первичного напряжения ограничивается на допустимом для транзистора VT1 уровне. Амплитуда импульса тока через стабилитрон составляет 2...4 А, что влечет за собой применение мощных стабилитронов.

Создание новых силовых транзисторов, способных коммутировать большую импульсную энергию (более 200 мДж), а также стремление уменьшить габариты коммутатора позволили осуществить защиту выходного транзистора VT1 путем введения стабилитрона параллельно его базоколлекторному участку (рис. 3.40,6). Этот способ позволяет уменьшить импульсный ток через стабилитрон в Вст раз (6СТ - статический коэффициент усиления по току выходного транзистора VT1).

При увеличении первичного напряжения до U^ > U_CT стабилитрон пробивается и в базу выходного транзистора втекает ток, который приоткрывает транзистор VT1 на время действия импульса перена­пряжения. Проводящий участок коллектор - эмиттер транзистора VT1 шунтирует источник напряжения, ограничивая тем самым ам­плитуду первичного импульса на допустимом уровне.

Существуют также другие более сложные схемные решения, по­зволяющие еще больше снизить импульсный ток через стабилитрон.

Конденсатор С1, включенный параллельно участку коллектор - эмиттер выходного транзистора, служит для предотвращения выхода транзистора в область лавинного пробоя в процессе его закрывания, а также является элементом ударного колебательного контура воз­буждения, т. е. определяет величину и скорость нарастания вторич­ного напряжения, развиваемого системой зажигания. Резистор R1 ограничивает емкостный ток через участок коллектор - эмиттер тран­зистора VT1 в момент открывания последнего, если конденсатор С1 заряжен.

Защита выходного транзистора от инверсного включения. После закрывания выходного транзистора в первичном контуре катушки зажигания возникает колебательный процесс. В течение действия отрицательной полуволны импульса первичного напряжения тран­зистор оказывается включенным в инверсном режиме, что недопус­тимо для некоторых типов транзисторов. Инверсное включение транзистора также возможно в случае перепутывания полярности аккумуляторной батареи.

Для защиты транзистора VT1 от инверсного включения последо­вательно в выходную цепь коммутатора включают полупроводнико­вый диод VD1 (рис. 3.41,а), рассчитанный на прямой ток, равный по значению току разрыва.

Вход

 

 

Рис. 3.41. Способы защиты транзистора от инверсного включения: а - последовательное включение диода; б - параллельное включение диода; в - монолитный транзистор Дарлингтона с защитным диодом

 

Последовательное включение силового диода имеет свои отри­цательные стороны. Во-первых, увеличиваются тепловые потери в выходной цепи коммутатора; во-вторых, усложняется его конструк­ция и, наконец, в-третьих, значительно снижается сила тока разры­ва в период пуска двигателя при сильно разряженной аккумулятор­ной батарее.

Другим способом защиты выходного транзистора VT1 от ин­версного включения является включение силового диода VD1 па­раллельно участку коллектор - эмиттер транзистора (рис. 3.41,6). При этом включении разрушается колебательный процесс после первой полуволны первичного напряжения. Процесс становится апериодическим. Параллельное включение диода позволяет уменьшить падение напряжения в выходной цепи коммутатора, рассеиваемую мощность и габариты. Защитный диод выполняется на одном кристалле с выходным транзистором. На рис. 3.41,в при­ведена схема однокристального транзистора Дарлингтона, выпол­ненного на транзисторах VT1 и VT2. Параллельно участку коллек­тор - эмиттер включен мощный диод VD1.

Ограничение амплитуды импульса первичного тока. Функцио­нально простые коммутаторы с постоянной скважностью (КПС) не содержат специального устройства ограничения тока. В системах зажигания, использующих КПС, применяется пассивное ограниче­ние уровня тока за счет последовательного включения в нагрузоч­ную цепь коммутатора добавочного сопротивления R_доб, которое закорачивается в режиме пуска.

Коммутаторы с нормируемой скважностью (КНС) используют ак­тивное ограничение уровня тока. На рис. 3.42 представлен один из наиболее распространенных вариантов схемы ограничения тока. Принцип действия схемы состоит в следующем. После открывания выходной транзистор VT3 вводится в насыщение током /у, что обес­печивает низкое остаточное напряжение на выходе коммутатора. Процесс характеризуется нарастанием первичного тока. Пока ток, протекающий через выходной транзистор VT3 и токоизмеритель­ный резистор R_и, включенный последовательно в эмиттерную цепь транзистора, ниже допустимого уровня ограничения, транзистор VT2 закрыт. При достижении током /, допустимого уровня транзи­стор VT2 начинает открываться. Потенциал на его коллекторе по­нижается, что приводит к уменьшению силы тока управления /_у. Транзистор VT3 выходит из режима насыщения в активный режим. Напряжение на выходе коммутатора возрастает до уровня, при ко­тором поддерживается заданный ток ограничения.

Рис. 3.42. Выходной каскад комму- Рис. 3.43. Типовая схема программного

татора с ограничителем регулятора времени накоплeния

амплитуды импульса первичного тока

 

Регулировка уровня ограничения тока производится резисторами R1, R2 делителя во входной цепи транзистора VT2. Введение в коммутатор активного ограничителя тока позволяет не только защищать коммутационный транзистор от чрезмерного тока, но также стабилизировать ток разрыва при колебаниях питающего напряжения в широких пределах, тем самым обеспечивая неизменные выходные характеристики системы зажигания.

Однако активный режим работы связан с большим выделением тепловой мощности на выходном транзисторе (порядка 60...80 Вт), что накладывает жесткие требования на продолжительность включенного состояния выходного транзистора. Время включенного со-стояния или время накопления энергии должно регулироваться таким образом, чтобы минимизировать или исключить вообще нахождение выходного транзистора в режиме ограничения в рабочем диапазоне частот вращения вала двигателя. Эту задач решают регуляторы времени накопления.

Программный регулятор времени накопления запасаемой энергии. Регулятор (рис. 3.43) содержит интегратор, выполненный на усилителе DA1 и конденсаторе С1, устройство сброса на транзисторе VT1, диоде VD1 и резисторах R2, R3 и компаратор, выполненный на усилителе DA2.

Принцип работы схемы иллюстрируется временными диаграммами (рис. 3.44). В период действия низкого уровня сигнала датчика UBX конденсатор С1 (см. рис. 3.43) интегратора DA1 заряжается до максимального за период значения напряжения 1/с1 за счет смещения 1Усм1. При высоком уровне сигнала датчика конденсатор С1 разряжается. Токи заряда и разряда соотносятся со скважностью сигнала датчика таким образом, что напряжение на выходе интегратора после разряда конденсатора опять достигает опорного значениям (У_см1. Если напряжение интегратора сравнива­ется в компараторе DA2 с постоянным пороговым значением на­пряжения и_ш2, то на выходе компаратора формируется независимо от продолжительности периода сигнала датчика сигнал определен­ной длительности времени t_H перед следующим импульсом зажига­ния. Одновременно этот сигнал используется для того, чтобы бы­стро разрядить конденсатор С1 через транзистор VT1 и привести выход интегратора к начальному значению 1/_см1.

 

Рис. 3.44. Принцип регулирования времени накопления при различной частоте вращения вала двигателя (n₁ < n₂): а - n₁ б - n₂

 

Так как необходимая продолжительность включения катушки зажигания зависит также от питающего напряжения, для коррекции продолжительности включения порог компаратора U_cm2 делается зависящим от питающего напряжения.

Выбором постоянных времени заряда и разряда конденсатора и опорного уровня напряжения компаратора обеспечивается требуе­мый закон изменения скважности выходного импульса тока в зави­симости от частоты следования входных импульсов.

Рассмотренный тип регулятора представляет собой регулятор с программным регулированием. Недостатком коммутаторов с программным регулированием является невозможность учета всех факторов, влияющих на силу тока разрыва в катушке зажигания. К таким факторам можно отнести, например, разброс параметров первичной обмотки катушки зажигания (R1, L1), нестабильность скважности сигнала датчика в процессе эксплуатации, разброс номиналов элементов схемы при воздействии окружающей среды.

 

Рис. 3.45. Типовая схема адаптив- регулятора времени накопления

 

Отсюда невысокая точность приближения пара-метров токового импульса к оптимальным значениям. Лучших результатов позволяют добиться коммутаторы с адаптивным регули-рованием скважности выходного импульса тока.

Адаптивный регулятор времени накопления. Типовая схема адаптивного регулятора (рис. 3.45) отличается от схемы программного регулятора наличием стабилизирующей обратной связи, которая позволяет поддерживать постоянство уровня тока в катушке зажигания независимо от воздействия многочисленных внешних факторов (например, напряжения питания) за счет коррекции скважности выходного токового сигнала.

Устройство коррекции представляет собой интегратор (DA3, С2), выходное напряжение UKop которого задает опорный уровень L/cm2 компаратора DA2. Если опорный уровень изменяется, то изменяется и момент срабатывания компаратора DA2. При более низком напряжении U_cm2 катушка зажигания включается на более короткий период времени (рис. 3.46,а). При более высоком опорном напряжении иш2 катушка включается на более продолжительный период времени (рис. 3.46,6).

Критерием для регулировки уровня является сигнал компаратора DA4 (см. рис. 3.45). Если амплитуда выходного тока достигает своего номинального значения, компаратор DA4 включается и на его выходе формируется сигнал высокого уровня. Происходит разряд конденсатор С2, интегратора DA3, и напряжение U_Kop на его выходе уменьшается.

Рис. 3.46. Принцип работы схемы адаптации: а - в случае превышения длительности импульса тока; б - при уменьшении амплитуды тока ниже номинального значения

 

Низкому уровню напряжения на выходе компаратора DA4 соответствует медленный заряд конденсатора С2 за счет источника 1/см3, что приводит к увеличению напряжения на выходе интегратора DA3 и, следовательно, увеличению напряжения U_см2.

Изменение периода следования управляющих импульсов сигналов датчика при ускорении или замедлении двигателя вносит погрешность процесс регулирования. При резком увеличении частоты вращения двигателя возможно уменьшение периода накопления энергии относительно его значения, получаемого при плавном изменении частоты. Это может привести к пропускам искрообразования. Для исключения этого явления расчетное значение скважности выходного токового импульса КНС выбирается таким образом, чтобы при максимальных ускорениях период накопления энергии не снижался ниже критического значения. Однако в установившемся режиме это приводит к излишнему рассеиванию мощности.

Контроллеры. Контроллер представляет собой электронное устройство, предназначенное для управления углом опережения зажигания в функции ряда параметров двигателя. Он также обес-печивает управление электроклапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ) и в ряде случаев принимает на себя функцию регулирования накопления энергии катушке зажигания. В состав электронной системы зажигания контроллер может входить как автономный конструктивно законченный узел либо как интегри-рованный с транзисторным коммутатором электронный блок.

Рассмотрим основные принципы электронного регулирования момент зажигания. Из всего многообразия систем зажигания с регулируемым углом опережения зажигания можно выделить два основных направления их реализации: системы с аппаратурным и программным принципами построения.

Алгоритм работы регуляторов угла опережения с аппаратурной реализацией («жесткой» логикой) определяется логическими связями между ее элементами. При видоизменении характеристик угла опережения зажигания необходимо изменить эти связи, что вызывает определенные неудобства как на этапе проектирования таких устройств, так и при промышленном производстве, когда возможны модификации двигателей, требующие различных характеристик. Отсутствие гибкости, т. е. приспосабливаемости таких устройств к различным характеристикам, является их основным принципиальным недостатком.

Кроме того, такие регуляторы реально позволяют воспроизводить лишь относительно простые характеристики и не обеспечивают реализацию значительно более сложных оптимальных характеристик, имеющих целый ряд изломов, с положительными и отрицательными участками.

Значительно большими возможностями обладают системы управления углом опережения зажигания с памятью. В таких системах, как правило, программа работы определяется логическими связями между функциональными устройствами, а данные, определяющие индивидуальные особенности их характеристик, воспроизводимых системой, хранятся в ее памяти в виде комбинаций кодов чисел. Основным достоинством этого стандартного функционально законченного устройства является возможность длительного хранения большого массива информации (в том числе закодированной информации об угле опережения зажигания) и ее изменения на всех этапах разработки системы без существенных дополнительных затрат. Применение памяти дает возможность исполь-зовать цифровую систему зажигания на различных двигателях.

Структурная схема одного из вариантов системы с памятью приведена на рис. 3.47. Зубча­тый диск, закрепленный на ко­ленчатом валу двигателя, имеет равномерно расположенные по всей окружности зубья. При вращении диска электромагнит­ный датчик 1 частоты вращения вырабатывает серию импуль­сов, число которых определяет угловое положение коленчатого вала относительно ВМТ. Кроме того, на диске устанавливается дополнительный зуб, при совпадении оси которого с электромагнит­ным датчиком 2 начала отсчета на выходе последнего формируется импульсный сигнал о достижении поршнем первого цилиндра ВМТ.

Частота вращения коленчатого вала двигателя может опреде­ляться путем подсчета числа импульсов, поступающих с датчика 1 за эталонный промежуток времени, или путем подсчета числа импуль­сов от кварцевого генератора за период импульсов датчиков 1 и 2.

Нагрузка двигателя АР_к определяется при помощи датчика аб­солютного давления (разрежения) 3, устанавливаемого во впускном коллекторе. Аналоговый сигнал с датчика преобразуется в цифро­вую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Сис­тема имеет несколько дополнительных информационных входов 4 для других датчиков, например датчика температуры охлаждающей жидкости, детонации, положения дроссельной заслонки и др. Сиг­налы с датчиков формируются с помощью специальных схем 5 (ин­терфейсов) перед подачей их в узел обработки данных 6. Одним из основных устройств узла обработки является постоянное запоми­нающее устройство 7 (ПЗУ).

На основании сигналов о частоте вращения коленчатого вала и нагрузке двигателя узел обработки данных формирует адрес, по которому осуществляется обращение к ПЗУ и выборка (считыва­ние) значения угла опережения зажигания, соответствующего дан­ному режиму работы двигателя. Это значение в дальнейшем может корректироваться в зависимости от показаний других датчиков. При достижении коленчатым валом двигателя положения, соответст­вующего расчетному значению, угла опережения зажигания, узел Обработки данных формирует сигнал управления коммутатором 8.

Рис. 3.47. Структурная схема цифровой системы зажигания с памятью

 

Из рассмотренного принципа работы системы следует ряд важ­ных выводов:

- погрешности привода распределителя в данной системе све­дены к нулю благодаря работе непосредственно от зубчатого дис­ка, жестко укрепленного на коленчатом валу двигателя;

- частота вращения коленчатого вала двигателя определяется путем подсчета числа импульсов, формируемых датчиком оборотов за заданный период времени, который в принципе может задавать­ся с любой реальной точностью;

- характеристики системы могут изменяться путем изменения содержимого ПЗУ;

- система может воспроизводить характеристики угла опереже­ния зажигания практически с любой точностью, определяемой лишь числом зубьев диска;

- так как все перечисленные операции проводятся цифровыми узлами, характеристики системы практически не подвержены вре­менным и температурным изменениям.

Благодаря гибкости системы такого типа наиболее полно удов­летворяют современным требованиям. На рис. 3.48 приведена трехмерная калибровочная диаграмма, представляющая взаимо­связь трех параметров двигателя: частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, угла опережения зажигания.

Из приведенного примера следует, что характеристика опти­мальных углов опережения зажигания цифровой системы с гибкой воспроизведены системами с механическими автоматами. Одним из основных недостатков этих систем, обусловленных сложностью, является необходимость их реализации в виде заказных больших интегральных схем (БИС). Выполнение этого условия обязательно, если принять во внимание жесткие требования к надежности рабо­ты системы и массовости выпуска. Недостатком является также необходимость изменять аппаратную часть при изменении харак­теристик угла опережения зажигания или алгоритма работы систе­мы зажигания.

Рис. 3.48. Калибровочная диаграмма цифровой системы зажигания

 

памятью значительно сложнее характеристик, которые могут быть

 

Этих недостатков лишены системы с программируемой логикой, в которых при изменении алгоритма работы системы необходимо лишь заменить управляющую программу и ввести данные в ПЗУ. Такие системы обычно реализуются на базе микропроцессоров.

Системы, построенные на базе микропроцессоров, по основным принципам работы практически не отличаются от ЭВМ, широко используемых во многих областях науки и техники. Основное отличие заключается лишь в том, что последние достижения в области микроэлектроники позволили выполнять ЭВМ в виде одной или не-скольких БИС, поэтому они получили название микроЭВМ.

Одним из объектов, на которых по прогнозам ожидается массовое применение микроЭВМ, является автомобиль. Это объясняется тем, что системы автомобиля имеют достаточно сложные функции регулирования, для реализации которых требуется выполнение большого объема вычислений. И микроЭВМ с их способностью быстро анализировать большой объем информации являются идеальным решением данной проблемы. К этому еще необходимо добавить, что одна микроЭВМ может управлять несколькими системами автомобиля. Последнее утверждение чрезвычайно важно, так как ряд задач, в том числе и задача повышения эффективности работы двигателя, носит комплексный характер, затрагивающий не только сис