Опишите структурную схему дискретной системы управления моментом зажигания.

12. Микропроцессорные системы зажигания.

Дискретные системы выполняются, как правило, без обратной связи и реализуют хотя и сложные, но не адаптивные характеристики. Микропроцессорные системы более совершенные. Возможности компьютера позволяют учесть целый ряд параметров двигателя и автомобиля, но важнейшие конечные результаты состоят в следующем:

1. Становится достижимым создание системы постоянной энергии искры зажигания для двигателей, работающих на бедной смеси во всем диапазоне режимов;

2. Опережение зажигания можно приблизить к порогу начала детонации - чем ближе работа двигателя к этому порогу, тем выше его мощность.

Точность определения и поддержания опережения зажигания с учетом скорости, нагрузки и температуры обеспечивает топливную экономичность и снижение вредных выбросов в атмосферу. В такой системе нет движущихся частей, которые бы изнашивались и требовали обслуживания, она обеспечивает постоянство частоты вращения вала двигателя в режиме холостого хода, хороший запуск и многое другое - все эти преимущества оправдывают высокую сложность системы. Стоимость изделий микроэлектроники постоянно снижается, и в настоящее время специалисты видят будущее именно за такими системами.

Важно отметить, что микропроцессорная система зажигания может использоваться в автомобиле независимо от того, каким образом управляется установленная на нем топливная система. Однако на большинстве современных автомобилей компьютер одновременно управляет обеими системами, и они объединены в одну общую систему управления двигателем.

При создании нового двигателя разработчики проводят его лабораторные испытания в полном диапазоне скоростей и нагрузок. Для каждого сочетания скорости и нагрузки определяется оптимальное значение опережения зажигания. По этим данным строятся графики.

В микропроцессорной системе зажигания применяется электронное управление углом опережения зажигания. Как правило, микропроцессорная система одновременно управляет и системой топливоподачи либо полностью (система Motronic фирмы Bosch), либо каким-либо ее элементом, чаще всего, экономайзером принудительного холостого хода (автомобиль ВАЗ‑21083, ГАЗ-3302 «Газель» и др.).

Центральной частью микропроцессорной системы является контроллер (микро-ЭВМ, микропроцессор).

На рис. 1 представлена структурная схема контроллера МС2713 «Электроника», применяющаяся на некоторых модификациях автомобилей «Волга», «Газель», ЗИЛ-1114, ВАЗ-21083. В задачу контроллера входит обработать информацию, поступающую от датчиков, и в соответствии с ней, установив оптимальный для данного режима угол опережения зажигания, дать команду через коммутатор на образование искры зажигания.

Контроллер получает информацию от следующих индукционных датчиков:

§ датчика начала отсчета (НО), установленного на картере сцепления так, что он генерирует импульс напряжения в момент прохождения в его магнитном поле стального штифта, укрепленного на маховике, при положении в верхней мертвой точке поршней 1-го и 4-го цилиндров;

§ датчика угловых импульсов (УИ), реагирующего на прохождение зубьев шестерни венца маховика и снабжающего контроллер информацией о частоте вращения и угле поворота коленчатого вала двигателя;

§ полупроводникового датчика температуры охлаждающей жидкости t порогового типа, информирующего о достижении температуры заданного уровня;

§ датчика разряжения во впускном коллекторе Р тензометрического типа, информирующего о нагрузке двигателя.

§ Для управления экономайзером принудительного холостого хода (ЭПХХ) сигнал поступает с концевого выключателя KB от дроссельной заслонки.

Сигналы с датчиков НО и УИ преобразуются преобразователем сигналов в прямоугольные импульсы с логическими уровнями интегральных микросхем; сигнал с датчика разряжения, который по напряжению пропорционален разряжению, также преобразуется во временные импульсы.

Система работает следующим образом: в постоянном запоминающем устройстве ПЗУ контроллера записана информация об оптимальном угле опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя. Информация записана в двух вариантах - характеристиках для холодного (температура охлаждающей жидкости ниже 65°С) и прогретого двигателя.

Нужная характеристика выбирается по сигналу с датчика температуры, поступающего на 10-й разряд адреса ПЗУ А10. Процессор Р, выполненный на микросхеме КМ1823ВУ1, формирует сигнал «Старт АЦП», по которому устройство ввода-вывода УВВ запускает преобразователь «напряжение-время» и начинает преобразовывать изменение напряжения датчика загрузки двигателя в цифровой код. По сигналу «Конец преобразования» в сети устанавливается адрес ПЗУ в разрядах А5-А9 с допуском к необходимой информации. Начало измерения нагрузки двигателя, и вычисления угла опережения зажигания реализуется процессором по жесткому алгоритму. Когда вычисленный угол совпадает с углом поворота коленчатого вала, по сигналу процессора через УВВ включается формирователь импульсов зажигания ФИЗ на микросхеме КМ 1823АГ1, вырабатывающей импульсы зажигания постоянной скважности, подаваемые через ключ СЗ на выход блока управления.

Каналы управления многоканального коммутатора выбираются по сигналу ИЗ, через ключ выбора канала ВИ.

При выборе оптимального опережения для каждого режима работы двигателя принимается во внимание множество факторов, таких как топливная экономичность, запас по детонации, состав выхлопных газов, крутящий момент, температура двигателя, поэтому неудивительно, что такие графики имеют не совсем гладкую форму. В качестве примера на рис. 2 изображена зависимость опережения зажигания только от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Чтобы учесть еще один параметр - нагрузку, требуется построить уже трехмерный график, все точки которого образуют поверхность. Если выбрать любое сочетание частоты вращения и нагрузки и провести из этой точки перпендикуляр вверх, то на пересечении его с поверхностью можно получить требуемое значение опережения момента зажигания.

Поверхность напоминает топографический план местности и может быть изображена наподобие топографической карты, поэтому ее иногда называют картой зажигания.

Если основание карты разбить на интервалы по скоростям движения автомобиля и нагрузкам на двигатель и построить на этих интервалах сетку (рис. 3), то для узлов этой сетки можно найти соответствующие значения угла опережения зажигания и записать эти значения, например, в память компьютера. Практически для удовлетворительного управления зажиганием необходимо хранить в памяти от 1000 до 4000 таких значений.

Разработчику требуется дополнить карту режимами работы двигателя при частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу для ее поддержания, а также на максимальной частоте вращения для ее ограничения. Наконец, программируется режим полных нагрузок таким образом, чтобы работать рядом с границей начала детонации, но не перейти ее.

Управление зажиганием двигателя осуществляется с помощью микропроцессора, который приспособлен к условиям работы на автомобиле. В его память также заложена, кроме вышеперечисленных данных, программа для обработки этих данных.

В процессе работы двигателя в компьютер подается следующая информация: нагрузка, детонация, температура, напряжение аккумулятора, частота вращения и положение коленчатого вала, положение дроссельной заслонки.

Информация на компьютер поступает от датчиков, которые преобразуют измеряемые величины в электрические сигналы. Компьютер сначала преобразует аналоговые сигналы датчиков в цифровую форму (т.е. в серию импульсов типа 0-1), поскольку компьютер умеет обрабатывать только числовую информацию.

Некоторые сигналы, такие как частота вращения коленчатого вала, уже поступают на компьютер в виде импульсов, однако большинство параметров, такие как температура, напряжение аккумулятора и пр. имеют постоянную полярность, хотя и меняют со временем свои значения. Такие сигналы называются аналоговыми и должны быть преобразованы перед входом в компьютер в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Сигналы, поступающие в компьютер, показаны на рис. 4.

Нагрузка. Информацию о нагрузке двигателя дает разрежение во впускном коллекторе. Для измерения давления может быть использован барометрический датчик, основой которого является пьезоэлектрический преобразователь.

Величиной, связанной с нагрузкой двигателя является и расход воздуха через коллектор. Дополнительную информацию о расходе воздуха можно получить, измерив его температуру, что позволяет внести поправки на его плотность. Эти данные используются в основном для управления впрыском топлива.

Как вариант, может быть измерен сразу массовый расход воздуха с помощью датчика с нагреваемой проволокой. Все указанные параметры измеряются в аналоговой форме и перед вводом в компьютер должны быть преобразованы в цифровую форму с помощью АЦП.

Детонация. Она обнаруживается с помощью датчиков ускорения, основой которых может служить пьезоэлектрический преобразователь. Такой датчик представляет собой кварцевую пластинку 4, закрепленную в подходящем месте на блоке цилиндров и прижатую снаружи массивным диском, называемым сейсмическим (рис. 5).

Пьезокристалл генерирует электрическое напряжение, пропорциональное изменению механического напряжения на его поверхностях. При детонации вибрация блока цилиндров достигает такого значения, при котором диск, прижатый к датчику, начинает с большой частотой сжимать пластинку кварца, в результате чего на ее гранях появляется переменное электрическое напряжение

Полученные таким образом сигналы от каждого цилиндра поступают в компьютер для оценки их уровня. Предварительно компьютер определяет средний уровень вибраций для каждого цилиндра. Этот уровень постоянно адаптируется к меняющимся условиям. Если сигнал детонации от какого-либо цилиндра в момент вспышки превзойдет пороговый уровень для этого цилиндра, компьютер уменьшит опережение в этом конкретном цилиндре на небольшой угол, скажем, на 1,5°. Процесс повторяется для каждого цилиндра в каждом рабочем цикле. Если детонации больше нет, компьютер начинает в каждом цикле постепенно увеличивать угол опережения с маленьким шагом, пока не достигнет значения, записанного в карте зажигания.

В результате каждый цилиндр настраивается индивидуально на работу в режиме наибольшей эффективности, поскольку наибольшая эффективность достигается при работе на границе детонации (рис. 6). Полосу А можно сузить, если использовать управление с обратной связью. При этом мощность двигателя повысится. Поскольку каждый цилиндр имеет свою шумовую характеристику, для четырехцилиндрового двигателя оказывается достаточным один датчик, который различает каждый из цилиндров. На шестицилиндровых двигателях устанавливают два таких датчика.

На рис. 7 показана блок-схема управления зажиганием по сигналу детонации. При неисправности системы, например при отказе датчика, или обрыве провода, система управления уменьшает опережение до безопасного уровня, а на панели приборов загорается лампочка, сигнализирующая о неисправности.

Температура. Для измерения температуры в диапазоне до 200 ⁰С в настоящее время чаще всего применяют термисторы взамен ранее применявшихся термопар. Термистор – это полупроводниковый резистор с ярко выраженным отрицательным температурным коэффициентом (рис. 8).

Обычно рабочая температура термистора лежит в пределах от ‑20 до +130°С. Для измерения температуры охлаждающей жидкости капсулу с термистором вворачивают в канал водяной рубашки блока цилиндров (рис. 9).

		Рис. 9. Внешний вид датчика температуры с термистором в качестве чувствительного элемента: 1. Полупроводниковый резистор. 2. Изолятор. 3. Уплотнитель. 4. Резьбовая часть. 5. Розетка электрического разъема.

Термистор имеет высокую чувствительность, так что значение температуры может быть измерено с точность до 0,05°С.

Температура вводится в компьютер как дополнительный параметр, который наряду с частотой вращения вала и нагрузкой позволяет найти по карте зажигания требуемое опережение для данного режима работы двигателя (рис. 10).

	Рис. 10. Карта опережения зажигания в зависимости от температуры t и нагрузки N (а - угол опережения зажигания)

Напряжение аккумулятора. Это дополнительный параметр. Если напряжение аккумулятора отличается от эталонного, то момент включения катушки сдвигается вперед или назад для достижения постоянной мощности разряда.

Частота вращения и положение коленчатого вала. Частоту вращения коленчатого вала можно определить, подсчитав число зубьев специального зубчатого диска, закрепленного на коленчатом валу, проходящих в единицу времени мимо индукционного датчика. Работа датчика основана на том же принципе, что и индукционного генератора импульсов, описанного выше.

Кроме частоты вращения коленчатого вала в блок управления нужно также ввести положение некоторой точки начала отсчета угла поворота этого вала. Обычно такой точкой является положение 90° до ВМТ в цилиндре № 1. Это положение вводится в компьютер с помощью другого датчика, который реагирует на специальный выступ зубчатого диска. Иногда роль зубчатого диска выполняет зубчатый венец маховика.

Как вариант, частоту вращения и положение коленчатого вала можно измерить и на распределительном валу двигателя, особенно если от него приводится распределитель зажигания с генератором Холла. Но все же измерение параметров самого коленчатого вала является более точным.

Вместо двух датчиков для измерения частоты вращения и положения коленчатого вала можно воспользоваться одним, если зубчатый венец снабдить какой-либо специальной меткой, различимой для датчика, например - отсутствие одного зуба.

Наконец, следует заметить, что недостатком применяемых для этих целей индукционных датчиков является зависимость выходного напряжения от частоты вращения. Малую частоту вращения такими датчиками иногда измерить вообще не удается.

Положения дроссельной заслонки. Датчики крайних положений дроссельной заслонки посылают в блок управления сигнал о том, что дроссельная заслонка достигла одного из крайних положений - полной нагрузки или частоты вращения вала на холостом ходу. Сигналы крайних положений заслонки нужны блоку управления для перехода на специальные программы регулирования зажигания в этих ситуациях (рис. 11).

		Рис. 11. Схема датчика крайних положений: 1. Впускной трубопровод. 2. Дроссельная заслонка. 3. Ось дроссельной заслонки. 4. Датчик крайних положений. 5. Блок управления

В некоторых системах управления сигнал крайнего положения дроссельной заслонки используется для отсечки топлива при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя сверх допустимой.

Контрольные вопросы