Особенности конструкций аппаратов электронных систем зажигания для автомобильных двигателей

Датчики-распределители. Для контактно-транзисторных систем зажигания используются те же типы распределителей, что и для классической системы, с той лишь разницей, что искрогасящий конденсатор, устанавливаемый параллельно контактам прерывателя, в контактно-транзисторных системах отсутствует. Для бесконтактных систем зажигания применяются датчики-распределители для четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателей различных типов. Датчики-распределители изготавливаются на базе традиционных распределителей, в которых узел прерывателя заменен бесконтактным датчиком.

В качестве примера рассмотрим конструкцию датчика- распределителя 24.3706 (рис. 3.50), предназначенного для работы в БСЗ восьмицилиндровых двигателей. Датчик работает в комплекте с коммутаторами типа 13.3734 и устанавливается на автомобилях ГАЗ-66, ГАЗ-5ЭА и автобусах семейства ПАЗ.

Датчик-распределитель состоит из корпуса с запрессованной в нем медно-графитной втулкой, в которой вращается вал 10 распределителя с центробежным регулятором (автоматом) 9, ротором датчика 7 и бегунком 6 распределителя. Подвижная (опорная) пластина 8 прерывателя установлена в шарикоподшипнике. Центробежный автомат 9 установлен под датчиком 7. Бесконтактный датчик 7 представляет собой генераторный датчик с вращающимся магнитом.

Центробежный автомат опережения зажигания имеет две пластины (верхнюю и ниж­нюю), два грузика, две пружи­ны. Грузики стянуты пружина­ми. Вакуумный автомат (на рис. 3.50 не показан) расположен на корпусе распределителя и приводится в действие через бензомаслостойкую диафраг­му, в центре которой имеется шток, соединенный с опорной пластиной 8. С целью подав­ления радиопомех в высоко­вольтной крышке установлено помехоподавительное сопро­тивление 4.

 

Рис.3.50. Датчик-распределитель 24,3/06:

1-удерживающая пружина; 2-пружина;3-клемма высокого напряжения;4-помеходавитель -сопротивления;5-крышка;6-ротор;7-магнитоэлектрический датчик в сборе;8-опорная пластина;9-цетробежный регулятор в сборе;10-верхний прерыватель распределителя

 

От рассмотренной конст­рукции датчика 24.3706 в зна­чительной мере отличается конструкция датчиков-распре­делителей, предназначенных для установки на двигатели переднеприводных автомоби­лей типов ВАЗ-2108, ВАЗ-2109, ВАЗ-1111. Специфика конст­рукции двигателя переднепри­водного автомобиля, а также высокие требования к электри­ческим параметрам и точности момента зажигания системы зажигания определили особен­ности конструктивного испол­нения распределителей:

- горизонтальное располо­жение валика распределителя при установке на двигатель;

- установка двух опор по краям приводного вала рас­пределителя;

фланцевое крепление распределителя к корпусу двигателя;

■ жесткая, непосредственная связь приводного валика распреде­лителя с бегунком;

- усиленная изоляция крышки за счет применения искростойкой пластмассы из полибутилентерефталата. Первые три конструктивные особенности вызваны необходимостью увеличить жесткость распределителя и уменьшить погрешность момента искрообразования, связанную с вибрацией двигателя и распределителя. Уменьшению погрешности момента искрообразования служит также торцовое горизонтальное крепление распределителя зажигания и привод непосредственно от распределительного вала двигателя. На рис. 3.51 приведена конструкция датчика-распредели- теля 40.3706, используемого в составе БСЗ переднеприводного автомобиля ВАЗ-2108. Датчик- распределитель оснащен бесконтактным датчиком углового положения на эффекте Холла. С целью защиты от радиопомех в бегунок введен помехоподавляющий резистор номиналом R = =1000 Ом, мощностью 2,0 Вт. В схему защиты от излучения радиопомех входят также высоковольтные провода, снабженные экранированными наконечниками свечей зажигания. В наконечники встроены помехоподавительные резисторы номиналом R = 5 кОм, мощностью 2 Вт.

Катушки зажигания. Конструкция катушек для бесконтактных систем аналогична конструкции катушек классической батарейной системы (см. подраздел 3.4.3). Различие состоит в основном в на-моточных данных.

Некоторые характерные особенности рассмотрим на примере ка-тушки зажигания 27.3705, которая широко применяется в составе БСЗ высоких энергий (рис. 3.52,а), например на автомобиле ВАЗ-2108. 

 

Рис. 3.51. Датчик-распределитель 40.3706:

1 - ротор (бегунок); 2 - крышка распределителя; 3 - подвижный узел вакуумного автомата с датчи­ком Холла; 4 - центробежный ав­томат с замыкателем; 5 - подшип­ник; 6- плавающая муфта;

7 - штифт; 8 - корпус датчика

 

Рис. 3.52. Катушки зажигания: а - 27.3705; б - 29.3705; в - 3009.3705; г - 3112.3705; 1-крышка 2 - выводы

Катушка 27.3705 является аппаратом зажигания, способным развить во вторичной обмотке напряжение 35...40 кВ при работе на открытую цепь. Вследствие этого она имеет усиленную высоко вольтную изоляцию. Высоковольтная крышка 1 катушки зажигания выполнена из искродугостойкого материала ПБТ. Особенностью конструкции является относительно низкое значение сопротивле ния первичной обмотки (R = 0,45 Ом), что позволяет в достаточной мере стабилизировать выходные характеристики системы зажига ния при минимальном значении питающего напряжения (6 В).

В конструкции катушки зажигания предусмотрен специальный клапан, который срабатывает при увеличении давления масла е катушке, что возможно при выходе из строя электронного коммута­тора. Введение такого клапана предотвращает опасности взрыве катушки зажигания и воспламенения автомобиля. Существенно от­личаются от традиционных конструкция и технология изготовления катушек зажигания для систем зажигания с низковольтным распре­делением.

Например, двухвыводная катушка зажигания 29.3705, приме­няемая в составе микропроцессорной системы управления двига­телем на автомобиле BA3-21083 (рис. 3.52,6), выполнена по специ­альной технологии, включающей пропитку обмоток эпоксидными компаундами и последующую опрессовку обмоток морозостойким полипропиленом, образующим собственно корпус катушки.

Дальнейшее улучшение характеристик катушек зажигания на­правлено на совершенствование конструкции и технологии произ­водства катушек с замкнутой магнитной системой, обладающих большими коэффициентами передачи энергии и связи, по сравне­нию с катушками с разомкнутой системой при одинаковой запасае­мой энергией в первичной цепи.

Отечественной промышленностью освоен выпуск двухвыводной ка­тушки зажигания 3009.3705 (R1 = 0,52 Ом, R2 = 6,3 кОм, L1 = 5,9 мГн, L2 = 29 Гн, W1 = 115, W2 = 8008) с замкнутым магнитопроводом (рис. 3.52, в). Вторичная обмотка катушки наматывается на много­секционный каркас, выполненный из пластмассы. Внутри каркаса размещается первичная обмотка. Обе обмотки устанавливаются в пластмассовый корпус и заливаются компаундом. Такая же техно­логия применяется и при производстве новых одновыводных катушек зажигания с замкнутой магнитной системой (рис. 3.52,г), которые планируется использовать в электронных системах зажигания.

Коммутаторы. По конструктивному исполнению и технологии изготовления коммутаторы контактно-транзисторных и бесконтакт­ных систем зажигания могут быть разделены на три группы:

- выполняемые на дискретных полупроводниковых компонентах и корпусных интегральных микросхемах, устанавливаемых на пе­чатных платах;

- выполняемые на базе толстопленочной технологии с приме­нением стандартных бескорпусных и дискретных компонентов;

- изготавливаемые по гибридной технологии и использующие специальную твердотельную заказную микросхему, на которой реа­лизуются основные функциональные узлы коммутатора.

Коммутаторы контактно-транзисторных систем и коммутаторы с постоянной скважностью выходного импульса тока для бесконтакт­ных систем функционально просты и содержат небольшое число полупроводниковых компонентов (как правило, не более четырех транзисторов), они относятся к первой группе. Их основой служит литой алюминиевый корпус, имеющий ребристую наружную по­верхность для увеличения теплоотдачи. Внутри корпуса располо­жены все элементы коммутатора, за исключением выходного тран­ зистора, который монтируется на корпусе в специальном «карма­не». Многие типы транзисторов (л-р-п-типа) требуют изоляции от корпуса коммутатора, и поэтому они монтируются через специ­альную прокладку. Для снижения теплового сопротивления пере­хода между корпусом коммутато­ра и изоляционной прокладкой наносят слой теплопроводной пасты. Для подключения комму­татора к бортовой сети автомо­биля и к элементам системы за­жигания используется клеммная колодка.

 

 

 

 

Коммутатор ТК102А (рис. 3.53) относится к первой группе. Он предназначен для работы в контактно-транзисторной системе зажи­гания для автомобилей с восьмицилиндровыми двигателями, но может быть применен для работы с любым классическим распре­делителем зажигания. В качестве нагрузки используется катушка Б114 (H/₂/H/| = 235, Ц = 3,7 мГн, = 0,42 Ом). Для ограничения первичного тока используется добавочное сопротивление СЭ107 (1,04 Ом). Схема коммутатора ТК102А (рис. 3.54) содержит один мощный германиевый транзистор VT1 (ГТ701А), стабилитрон VD2 (Д817В) и диод VD1 (Д7Ж), служащие для защиты от перенапряже­ния силового транзистора VT1, дроссель L1 и резистор R1, предна­значенные для ускорения процесса закрывания транзистора VT1, конденсатор С1 первичного контура катушки зажигания, конденса­тор С2, служащий для защиты компонентов схемы коммутатора от всплеска напряжения в бортовой сети автомобиля.

Типичным примером коммутаторов для бесконтактных систем зажигания может служить коммутатор 13.3734, разработанный на базе первого серийного отечественного коммутатора ТК200 для БСЗ «Искра». Коммутатор предназначен для совместной работы с бесконтактным магнитоэлектрическим датчиком, катушкой зажигания Б116 и добавочным сопротивлением 14.379.

 

Рис. 3.55. Электрическая схема коммутатора 13.3734

 

Схема коммутатора (рис. 3.55) содержит выходной транзистор VT3 (КТ848А), каскад предварительного усиления на транзисторе VT2 (КТ630Б) и резисторе R7, формирователь сигнала датчика на транзисторе VT1 (КТ630Б) и элементах R1-R3, С1, VD1, VD2.

Между выходом и входом коммутатора включена положительная обратная связь (R10, С7), обеспечивающая стабильную работу коммутатора на пусковых частотах вращения валика распределителя (20...30 мин-1). Цепочка R3C1 служит для уменьшения электрического смещения момента зажигания в зависимости от частоты вращения датчика.

Коммутатор содержит также цепи защиты выходного транзистора (С5, С6, R9) и элементов схемы (С2-С4, VD3, VD4, R8).

Конструктивно коммутатор выполнен на печатной плате, на ко-торой смонтированы маломощные элементы схемы. Плата установлена в оребренный литой дюралюминиевый корпус, в котором установлены силовые элементы схем.

Первый отечественный коммутатор с нормируемой скважностью импульсов выходного тока 36.3734, применяемый на автомобиле ВАЗ-2108, выполнен также по дискретной технологии. Коммутатор рассчитан для работы с бесконтактным датчиком на эффекте Холла. В качестве нагрузки используется катушка 27.3705 (W2IW^ - 85, R-i = 0,5 Ом, L1 = 3,8 мГн). В коммутаторе 36.3734 реализовано программное регулирование времени накопления энергии в первичной обмотке катушки зажигания, активное ограничение уровня первичного тока (8...9 А), ограничение амплитуды импульса первичного

напряжения (350...380 В), безыскровое отключение первичного тока при остановленном двигателе (Г_откп = 1.5...3 с). Последнее предназначено для плавного закрывания коммутационного транзистора с целью предотвращения искрообразования при остановке двигателя, когда катушка зажигания осталась под током.

На рис. 3.56 приведена электрическая принципиальная схема коммутатора 36.3734. Основные функциональные узлы схемы выполнены на операционных усилителях DA1.1-DA1.4, которые являются компонентами микросхемы К1401УД1. На базе усилителей DA1.2 и DA1.3 реализованы интегратор и компаратор схемы нормирования скважности импульсов выходного тока. На усилителе DA1.1 собрана схема безыскрового отключения тока, на усилителе DA1.4 - компаратор схемы ограничения амплитуды выходного тока. В качестве выходного транзистора применен транзистор Дарлингтона типа КТ848А.

Конструктивно коммутатор представляет собой печатную плату, на которой размещены радиокомпоненты схемы, за исключением выходного транзистора VT4, защитного диода VD7 и стабилитрона ограничителя напряжения питания VD4, которые смонтированы на корпусе коммутатора. Для подключения коммутатора к бесконтактному датчику Холла, к катушке зажигания и источнику питания используется семиконтактный разъем.

К недостаткам коммутаторов первой группы можно отнести большие габаритные размеры и массу изделий, а также при крупносерийном производстве низкую технологичность и недостаточную надежность в связи с большим количеством радиокомпонентов. Существенного снижения массогабаритных показателей можно до-биться при изготовлении коммутаторов по толстопленочной техно-логии с применением стандартных бескорпусных компонентов. В то же время они относительно дороги, трудоемки в производстве и поэтому не нашли широкого применения.

Наилучшими показателями с точки зрения трудоемкости, техно-логичности и надежности обладают коммутаторы третьей группы. Они содержат специальную заказную микросхему, на которой реализуются основные функциональные узлы: схема нормирования скважности с адаптацией по уровню выходного тока, схема безыскрового отключения тока, устройство ограничения тока и некоторые другие узлы. По гибридной толстопленочной технологии выполняется силовая часть схемы коммутатора с элементами защиты от импульсных перегрузок по цепи питания. Примером использования этой технологии может служить коммутатор 0.227.100.103 фирмы Bosch (рис. 3.57)

Рис. 3.57. Электрическая схема гибридного коммутатора фирмы Bosch

 

Схема содержит следующие основные элементы: бескорпусный выходной транзистор I/ТУ; специализированную микросхему DA1 (МА 7355) совместно с навесными миниатюрными конденсаторами С2-С5, выполняющую основные функции коммутатора; корпусные диод VD1, стабилитрон VD2, миниатюрный конденсатор С1 и толстопленочные резисторы R3, R4, выполняющие функции защиты от импульсных перенапряжений в бортовой сети и перепутывания полярности батареи. Схема также содержит толстопленочные резисторы, служащие для измерения и подстройки требуемых уровней первичного тока R6, R7, R10 и первичного напряжения R8, R9. ЯС-цепь защиты выходного транзистора выполнена на дискретных элементах С7, R11.

Отечественной промышленностью также освоен выпуск аналогичных коммутаторов. Внешний вид одноканального и двухканального коммутаторов показан на рис. 3.58.

В основе одноканального транзисторного коммутатора 3620.3734 (рис. 3.59,а) лежит специализированная микросхема КР1055ХП1, выполняющая его основные функции.

1. Управление силовым транзистором, прерывающим ток в первичной цепи системы зажигания.

2. Регулирование времени протекания тока в первичной цепи.

3. Ограничение максимального первичного тока.

4. Переход в режим расширения длительности выходного им-пульса тока первичной цепи, если значение тока разрыва /р ниже (0,9...0,98) /р ном-

5. Восстановление функции регулирования времени протекания тока в течение заданного промежутка времени.

6. Формирование управляющего сигнала для работы тахометра.

7. Безыскровое отключение первичного тока при постоянном вы­соком уровне сигнала с выхода микропереключателя Холла.

8. Защита от перенапряжений в бортсети и инверсного включе­ния источника питания.

В качестве выходного транзистора VT1 применен транзистор Дарлингтона типа КТ898А с встроенным стабилитроном. Навесные конденсаторы СЗ-С6 совместно в резистором R6 обеспечивают выполнение микросхемой основных функций.

Резисторы R8 и R9 служат для измерения первичного тока, ис­пользуемого в качестве управляющего сигнала для микросхемы DA1. Резисторы R1, R2 и R3 обеспечивают необходимое напряже­ние питания микросхемы и микропереключателя Холла. Резистор R5 служит нагрузкой для микропереключателя Холла. Стабилитро­ны VD1 и VD2 защищают микросхему и микропереключатель Холла от перенапряжений в цепи питания.

Кратковременные всплески высокого напряжения, а также пере­напряжения обратной полярности гасятся конденсаторами С1 и С2. Резистор R4 определяет силу тока базы выходного транзистора и, следовательно, значение тока в первичной цепи. Цепочка обратной связи R7, С7 улучшает качество переходного процесса при регули­ровании первичного тока.

Электрическая схема двухканального коммутатора 6420.3734 (рис. 3.59,6) разработана на основе электрической схемы коммута­тора 3620.3734.

Основное различие заключается в наличии двух специализиро­ванных микросхем КР1055ХП1 (DA1 и DA2), управляющих работой двух выходных транзисторов VT2 и VT3. В свою очередь микросхе­мы управляются сигналом с выхода датчика импульсов (или конт- роллера) через схему разделения каналов коммутатора посредст­вом ключевого каскада на транзисторе VT1 (КТ352БМ). Схема ком­мутатора также снабжена устройством формирования сигнала управления тахометром (VD3, VD4, R22). Конструктивно коммута-

гор выполнен на одной печатной плате, так же как и коммутатор 3620.3734.

Создан коммутатор с использованием специализированной ин­тегральной схемы L497B, выполненной на основе толстопленочной гибридной технологии.По мере развития цифровой и микропроцессорной техники и разработки комплексных систем управления двигателем транзи­сторный коммутатор, сохраняя свое функциональное значение, в конструктивном плане может терять очертания самостоятельного изделия, интегрируясь в рамках единой конструкции с цифровым контроллером или катушкой зажигания. Следующим шагом на пути интеграции электронного блока является передача функции норми­рования скважного выходного импульса тока в схему контроллера. В этом случае модуль коммутатора реализует функции распределения высоковольтных импульсов, ограничения тока и первичного напряжения, выдачи сигнала обратной связи об уровне тока в ка­тушке зажигания

Контроллеры. Отечественной промышленностью разработаны контроллеры серий МС2715.03 для легковых автомобилей ВАЗ- 21083 и МС2713.01 для грузовых автомобилей ЗИЛ-4314, предназначенные для управления углом опережения зажигания по оптимальной характеристике регулирования на основе информации от датчиков начала отсчета, частоты вращения, разрежения в задроссельном пространстве карбюратора и температуры охлаждающей жидкости. Контроллеры осуществляют также управление электроклапаном ЭПХХ.

Контроллер МС2715.03 для легковых автомобилей с четырехтактным четырехцилиндровым двигателем вырабатывает сигнал «выбор канала» для обеспечения функции статического распределения энергии по цилиндрам двигателя.

Структурная схема контроллера приведена на рис. 3.60. На вы-ходы контроллера поступают сигналы от датчика начала отсчета НО, датчика угловых импульсов УИ, датчика разрежения ВР, датчика температуры охлаждающей жидкости Тохл.

После обработки сигналов датчиков в аналого-цифровом преобразователе АЦП информация о параметрах двигателя в виде цифровых кодов поступает в процессор, который вычисляет частоту вращения, разрежение, температуру, угловое положение коленчатого вала двигателя и на основании этих данных вычисляет угол опережения зажигания в соответствии с картой углов опережения зажигания двигателя, которая хранится в памяти процессора.

Рис. 3.60. Структурная схема контроллера МС2715.03

 

Синхронизация работы контроллера с работой ДВС и формирование сигнала «выбор канала» производится посредством импульсов датчика НО. Выгодные сигналы процессора управляют работой формирователей импульса зажигания ФИЗ и импульса выбора канала ФВК, усилителя ЭПХХ. Сигналы ФИЗ и ФВК непосредственно управляют работой двухканального коммутатора.

3.7.3. Преимущества электронных систем зажигания

Применение электронных систем зажигания на автомобилях с карбюраторными двигателями позволяет получить следующие пре-имущества:

- значительно уменьшается эрозия контактов прерывателя и увеличивается их ресурс (в контактно-транзисторных системах);

- исключаются полностью механический прерыватель и связанные с ним погрешности момента искрообразований и необходимость его регулировки в процессе эксплуатации;

- обеспечивается возможность повышения вторичного напряжения игт\

- гарантируется работа на обедненных рабочих смесях, в частности, путем увеличения искрового промежутка в свечах зажигания;

- обеспечивается надежная работа двигателя даже при загрязненных свечах (при малых значениях сопротивления Яш за счет крутого фронта нарастания импульса вторичного напряжения);

- облегчается холодный пуск двигателя при сильно разряженной аккумуляторной батарее (6 В);

- гарантируется оптимальное регулирование угла опережения в функции ряда параметров двигателя (в электронных системах зажигания) без свойственных механическим регуляторам опережения зажигания погрешностей;

- обеспечивается возможность полного отказа от механического высоковольтного распределителя (в системах с низковольтным распределением).

При применении электронных систем зажигания созданы условия, обеспечивающие экономичность и безопасность работы двигателя на всех режимах, повышение его приемистости при разгонах, снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов, соответствие уровня излучаемых радиопомех современным требованиям.

ИСКРОВЫЕ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ

Общие сведения

Свеча зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя. При подаче высокого напряжения на электроды свечи возникает искровой разряд, воспламеняющий рабочую смесь.

Свеча является важнейшим элементом системы зажигания двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси. По исполнению свечи бывают экранированные и неэкранированные (отрытого исполнения), по принципу работы: с воздушным искровым промежутком; со скользящей искрой; полу-проводниковые; эрозийные; многоискровые (конденсаторные); комбинированные.

Наибольшее распространение на автомобилях получили свечи с воздушным искровым промежутком. Это объясняется тем, что они удовлетворительно работают на современных двигателях, наиболее просты по конструкции и технологичны. В последние годы для специальных двигателей (например, роторно-поршневых и газотурбинных) применяют комбинированные свечи, где искровой разряд проходит частично по воздуху, а частично по поверхности изолятора.

В силу своего назначения и специфики работы свеча влияет на надежность и выходные показатели двигателя. Для правильного выбора конструкции свечи необходимо знать специфические требования, предъявляемые к ней двигателем.