Вопрос. Основные направления развития 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 7,0 - 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 5000...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 способом уве­личения вторичного напряжения является увеличение силы тока разрыва. Однако увеличение силы тока разрыва свыше определен­ного значения (3,5 - 4,0 А при 12В) 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. 1.1) 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.

Рис. 3.20. Принципиальная схема КТСЗ: 1 - аккумуляторная батарея; 2 - добавочное сопротивление; 3 – катушка зажигания; 4 - распределитель зажигания; 5 - свечи; 6 - транзистор; 7- контакты прерывателя; 8 - кулачок

Как видно из схемы, контакты прерывателя коммутируют только незначительный ток (i_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.

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 1 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. 1.2) 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.

Рис. 1.2. Структурная схема БСЗ: 1 -бесконтактный датчик углового положения коленчатого вала двигателя; 2 и 3 - соответственно формирующий и выходной каскады; 4 – коммутатор (устройство управления); 5 - катушка зажигания; 6 – распределитель

Электрическая схема простейшей транзисторной БСЗ с нерегулируемым временем накопления энергии представлена на рис. 1.3. Такая система зажигания принципиально отличается от КТСЗ только тем, что в ней контактный прерыватель заменен бесконтактным магнитоэлектрическим датчиком (МЭД).

Рис. 1.3. Схема транзисторной БСЗ с МЭД

Формирующий каскад транзисторной БСЗ выполнен по схеме усилителя постоянного тока на транзисторах VТ1 и VТ2.

При замкнутых контактах выключателя S1 зажигания и неподвиж­ном роторе датчика G ток в управляющей цепи база-эмиттер транзисто­ра VТ1 отсутствует. Транзистор VТ1 находится в состоянии отсечки. Высокое напряжение на коллекторе транзистора VT1 способствует пе­реводу в состояние насыщения транзистора VТ2, а затем и выходного коммутирующего транзистора VТЗ. Через открытый эмиттер-коллек­торный переход транзистора VТЗ в первичную обмотку L1 катушки за­жигания T (трансформатор) поступает ток и в ее магнитном поле начи­нается процесс накопления энергии.

При вращении ротора МЭД положительная полуволна генерируе­мого датчиком напряжения переводит транзистор VТ1 в состояние на­сыщения. Переход база-эмиттер транзистора VТ2 шунтируется эмит­тер-коллекторным переходом транзистора VT1, поэтому транзисторы VТ2 и VТ3 лавинообразно закрываются. Сила тока в первичной обмотке L1 катушки зажигания T резко уменьшается, а во вторичной обмотке L2 возникает высоковольтный импульс вторичного напряжения, который распределителем S2 подается к соответствующей свече FV зажигания.

В транзисторной БСЗ 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, называют коммутатором.

По аналогии с углом замкнутого состояния контактов в классических и КТСЗ угол включенного состояния выходного транзистора α_вкл в транзисторных БСЗ постоянный и не зависит от частоты вращения вала двигателя и напряжения батареи. Следовательно, время накопления t_н энергии в зависимости от частоты вращения коленчатого вала изменяется по жесткому закону: , т. е. время накопления энергии увеличивается с уменьшением частоты вращения n. 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 I_р достигает силы, необходимой для индуцирования требуемого значения вторичного напряжения.

Нормирование времени накопления энергии позволяет снизить 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. 1.4.

Рис. 1.4. 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

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

И все же цифровые системы зажигания явились переходным эта­пом. Последним достижением в этой области стали микропроцес­сорные системы (системы IV поколения). Они практически не отли­чаются от управляющих ЭВМ, широко применяемых в настоящее время во многих областях науки и техники. Микропроцессорные сис­темы управления автомобильным двигателем условно можно отне­сти к системам зажигания, так как функция непосредственного зажи­гания является в них частью решения вопроса об оптимизации ха­рактеристик двигателя, однако именно в комплексных системах управления двигателем и заключен прогресс системы зажигания.