Электронные и микропроцессорные системы зажигания

Рассмотренные выше системы зажигания (КТСЗ, БТСЗ) в настоящее время имеют ограниченное при­менение, а на импортных легковых автомобилях вы­сокого потребительского класса, начиная с середины 90-х годов, вообще не используются. Им на смену пришли системы зажигания четвертого поколения — это системы с электронно-вычислительными устрой­ствами управления и без высоковольтного распреде­лителя энергии по свечам в выходном каскаде. Та­кие системы принято подразделять на электронно-вычислительные или просто на электронные (ЭСЗ) и микропроцессорные (МСЗ). Электронные и микро­процессорные системы зажигания имеют три прин­ципиальных отличия от предшествующих систем:

1. Их устройства управления (VV) являются элек­тронно-вычислительными блоками дискретного прин­ципа действия, выполнены с применением микроэле­ктронной технологии (на универсальных или на боль­ших интегральных микросхемах) и предназначены для автоматического управления моментом зажига­ния. Эти устройства называются контроллерами.

2. Применение микроэлектронной технологии, помимо получения преимуществ по надежности, позволяет значительно расширить функции элек­тронного управления. Стало возможным внедрение в автомобильную систему зажигания бортовой са­модиагностики и принципов схемотехнического ре­зервирования.

3. Выходные каскады этих систем в подавляю­щем большинстве случаев многоканальные и, как следствие, не содержат высоковольтного распреде­лителя зажигания.

• Электронные и микропроцессорные системы зажигания отличаются друг от друга способами фор­мирования основного сигнала зажигания, т.е. того сигнала, который от ЭБУ подается на спусковое уст­ройство накопителя.

В ЭСЗ основной сигнал зажигания формируется с применением время-импульсного способа преобразо­вания информации от входных датчиков. Это когда контролируемый процесс задается временем его про­текания, с последующим преобразованием времени в длительность электрического импульса. Таким обра­зом, в ЭСЗ контроллер содержит электронный хроно­метр и управляется аналоговыми сигналами. Компо­нентный состав современной ЭСЗ показан на рис. 9.4.

В МСЗ, структурная схема которой показана на рис. 9.5, для формирования сигнала зажигания приме­няется число-импульсное преобразование, при котором параметр процесса задается не временем протекания, а непосредственно числом электрических импульсов.

Функции электронного вычислителя здесь выполня­ет число-импульсный микропроцессор, который работает от электрических импульсов, стабилизированных по амплитуде и длительности (от цифровых сигналов). По­этому между микропроцессором и входными датчиками в ЭБУ МСЗ устанавливаются число-импульсные преоб­разователи аналоговых сигналов в цифровые (ЧИПы).

В отличие от электронной, микропроцессорная си­стема зажигания работает по заранее заданной для данного двигателя внутреннего сгорания программе управления. Поэтому в вычислителе микропроцессор­ной системы зажигания имеется электронная память (постоянная и оперативная).

• Программа управления для конкретной конструк­ции двигателя определяется экспериментально, в про­цессе его разработки. На испытательном стенде ими­тируются все возможные режимы двигателя при всех

Рис. 9.4. Компоненты современной ЭСЗ:

а — выходные электрические схемы; б — электронные бло­ки; в — входные устройства (датчики); Р, М', М" — сигналы от датчиков дроссельной заслонки; λ., D, Т — сигналы от датчиков кислорода, детонации и температуры двигателя (соответственно); ω, Р θ — сигналы от датчика Холла.

возможных условиях его работы. Для каждой экспери­ментальной точки подбирается и регистрируется опти­мальный угол опережения зажигания. Получается на­бор многочисленных значений угла для момента зажи­гания, каждое из которых отвечает строго определен­ной совокупности сигналов от входных датчиков. Гра­фическое изображение такого множества представля­ет собой трехмерную характеристику зажигания, кото­рая в виде матрицы показана на рис. 9.6. Координаты трехмерной характеристики "зашиваются" в постоян­ную память микропроцессора и в дальнейшем служат опорной информацией для определения угла опереже­ния зажигания в реальных условиях эксплуатации дви­гателя на автомобиле. Изменение опорного (взятого из памяти) угла 9 опережения зажигания осуществля­ется автоматически. Увеличение угла б происходит при повышении оборотов, при уменьшении нагрузки и при понижении температуры ДВС. Уменьшение угла б име­ет место при увеличении нагрузки, при падении оборо­тов и при повышении температуры ДВС.

Если в МСЗ помимо основных датчиков используют­ся дополнительные (например, датчик детонации в ци­линдрах ДВС), то в микропроцессоре осуществляется коррекция Опорного значения угла опережения зажигания по сигналам этих датчиков. При этом корректировка производится по каждому цилиндру в отдельности,

• Электронные блоки управления для ЭСЗ и МС;

помимо функциональных и схемотехнических, имею и принципиальные конструктивные различия.

В ЭСЗ блок управления является самостоятед ным конструктивным узлом и называется контроля ром (рис. 9.7). На входы контроллера подаются сигналы от входных датчиков системы зажигания, повыходу — контроллер работает на электронный кои мутатор выходного каскада (см. рис. 9.4). Все электронные схемы контроллера низкоуровневые (потен циальные), что позволяет включать их в состав дру гих бортовых электронных блоков управления (например, в ЭБУ системы впрыска топлива).

В МСЗ все функции управления интегрированы в центральный бортовой компьютер автомобиля и пер- сональный блок управления для системы зажигания может отсутствовать. Функции входных датчиков МСЗ выполняют универсальные датчики комплексной системы автоматического управления двигателем. Основной сигнал зажигания подается на электронный коммутатор выходного каскада МСЗ непосредствен­но от центрального бортового компьютера.

Современные автомобильные систмы зажигания

* Несмотря на значительные различия электронных и микропроцессорных систем зажигания, по устройст­вам управления выходные каскады этих систем имеют идентичное схемотехническое и конструктивное испол­нение, при котором каждая свеча зажигания на много­цилиндровом ДВС получает энергию для искрообразо-вания по отдельному каналу. Такое распределение на­зывается статическим или многоканальным.

Что это дает автомобильной системе зажигания? Надо вспомнить, что кроме обычных недостатков механического переключателя (низкая надежность и малая наработка на отказ вращающихся и трущихся частей) классический распределитель зажигания имеет и тот, что в нем реализуется коммутация высо­ковольтной энергии через электрическую искру. Это, помимо дополнительных потерь энергии, приводит к неравномерному выгоранию контактов в изоляцион­

ной крышке распределителя и, как следствие, к явле­нию разброса искр по цилиндрам и к низкой функци­ональной надежности системы зажигания. Разброс искр между выводами даже исправного механичес­кого распределителя может достигать 2...3 угловых градусов по повороту коленвала ДВС.

Ясно, что в электронных и особенно в микропро­цессорных системах зажигания, высоконадежных и . высокоточных в функциональном отношении, форми­рование момента зажигания в которых реализуется с точностью 0,3...0,5° для каждого цилиндра в отдель­ности, применение высоковольтного механического распределителя совершенно недопустимо. Здесь при­емлемы электронные способы переключения каналов на низкопотенциальном уровне непосредственно в электронном блоке управления с дальнейшим стати­ческим разделением каналов по высокому напряже­нию на многовыводных или индивидуальных катушках зажигания. Это неизбежно приводит к многоканаль-ности выходного каскада системы зажигания.

9.3. Выходные каскады с многовыводными катушками зажигания

Реализация многоканального распределения энергии может быть осуществлена в системах зажи­гания несколькими способами. Наиболее простой из них — применение двухвыводного высоковольтного выходного трансформатора или двухвыводной ка­тушки зажигания в выходном каскаде. Такой способ разделения каналов приемлем для реализации в сис­теме зажигания с любым типом накопителя.

Откуда пришла такая идея? Известно, что в систе­ме зажигания, на выходе которой установлен высоко­вольтный распределитель, во время разряда накопи­теля имеют место две искры: одна основная (рабочая) в свече зажигания и другая вспомогательная — меж­ду бегунком распределителя и контактом одного из его свечных выводов. Вторичная обмотка выходного трансформатора (катушки зажигания) высоковольт-

ным выводом соединена с центральным бегунком рас­пределителя, а другой вывод обмотки является нуле­вым, так как во время разряда накопителя соединяет­ся с "массой" автомобиля (см. рис. 9.3). Энергия вспо­могательной искры в распределителе тратится беспо­лезно, и эту искру стремятся всячески подавить. Отсю­да ясно, что вспомогательную искру из-под крышки распределителя можно перенести во вторую свечу за­жигания, соединив ее с первой через "массу" головки блока цилиндров последовательно. Для этого достаточ­но исключить распределитель из выходного каскада, отсоединить от "массы" автомобиля заземляемый вы­вод катушки зажигания и подключить к нему вторую электроискровую свечу(рис. 9.8).

При одновременном искрообразовании в двух све­чах зажигания одна искра является высоковольтной (12...20 кВ) и воспламеняет топливовоздушную смесь в конце такта сжатия (рабочая искра). При этом другая искра низковольтная (5...7 кВ), холостая. Явление пе­рераспределения высокого напряжения от общей вто­ричной обмотки между искровыми промежутками в двух свечах зажигания есть следствие глубоких разли­чий условий, при которых происходит искрооборазова-ние. В конце такта сжатия незадолго до появления ра­бочей искры температура топливовоздушного заряда еще недостаточно высокая (200...300°С), а давление, наоборот — значительное (10...12 атм). В таких усло­виях пробивное напряжение между электродами све­чи — максимально. В конце такта выпуска, когда име­ет место искрообразование в среде отработавших га­зов, пробивное напряжение минимально, так как тем­пература выхлопных газов высокая (800...1000°С), а давление низкое (2...3 атм). Таким образом, при стати­ческом распределении высокого напряжения с помо-

Рис. 9.9. Система зажигания для 4-х тактного двухцилиндрового ДВС:

1 — АКБ; 2 — ключ зажигания; 3 — двухвыводная катушка;

4 — механический прерыватель; 5 — свечи; R — дополни­тельный резистор; S — электромеханические контакты пре­рывателя; С — конденсатор.

Рис. 9.10. Диаграмма последовательности искрообразования

шью двухвыводной катушки зажигания (на двух после­довательно соединенных свечах — одновременно) поч­ти вся энергия высоковольтного электроискрового раз­ряда приходится на рабочую искру.

• Впервые двухвыводная катушка была примене­на в контактной батарейной системе зажигания для двухцилиндрового 4-х тактного двигателя. Примером может служить система зажигания для двигателя польского автомобиля ФИАТ-126Р (рис. 9.9). Анало­гичная по принципу действия система зажигания ус­тановлена на отечественном автомобиле ОКА (с электронным управлением).

Если в ДВС четыре цилиндра, потребуются две двухвыводные катушки зажигания и два раздельных эергетических канала коммутации в выходном кас­каде (см. рис, 9.5). На рис. 9.10 приведена диаграм­ма последовательности искрообразования в цилинд­рах 4-х цилиндрового четырехтактного двигателя, ос- нащенного системой зажигания с двумя двухвывод­ными катушками зажигания. Для шестицилиндрового двигателя потребуются три двухвыводные катушки зажигания и три энергетических канала,

• В настоящее время разработан ряд автомо­бильных систем зажигания, в которых две двухвы­водные катушки зажигания собираются на общем Ш-образном магнитопроводе и тем самым образует­ся одна 4-выводная катушка зажигания (например, для автомобиля ВАЗ-2110). Такая катушка имеет две первичные и две вторичные обмотки и управляется от двухканального коммутатора. Четырехвыводная . катушка зажигания может иметь и одну вторичную двухвыводную обмотку при двух первичных. Вторич- I ная обмотка такой катушки дооборудована четырьмя высоковольтными диодами — по два на каждый вы- соковольтный вывод (см. далее главу 11).

• Недостатком любой системы зажигания с двух-| выводными катушками является то, что в одной све­че искра развивается от центрального электрода к

Современные автомобильные системы зажигания

массовому (боковому), а во второй свече — в обратном направлении (см. рис. 9.8). Так как центральный электрод заострен и всегда значительно горячее бокового, то истечение носителей заряда с его острия и искрообразовании требует затраты меньшего количества энергии, чем при истечении с бокового электрода (на центральном электроде начинает про-вдться термоэлектронная эмиссия). Это приводит к тому что пробивное напряжение на свече, работающий в прямом направлении, становится несколько те (на 1,5...2 кВ), чем на свече с обратным включением полярности. Для современных электронных и кропроцессорных систем зажигания с большим коэффициентом запаса по вторичному напряжению и с управляемым временем накопления энергии это имеет принципиального значения.