Транзисторная система зажигания: первый шаг к бесконтактным схемам

Работа контактно транзисторной системы основана на использовании полупроводниковых приборов. Преимущества контактно транзисторной системы по сравнению с батарейной системой зажигания следующие:

• через контакты прерывателя проходит небольшой ток управления транзистора, а не ток (до 8 А) первичной обмотки катушки зажигания (исключается эрозия и износ контактов).
• Возрастает ток высокого напряжения и энергия искрового разряда (это позволяет увеличить зазор между электродами свечи зажигания, приводит к облегчению пуска двигателя, делает двигатель экономичнее).

Для начала давайте разберемся,

Как работает контактно-транзисторная система зажигания?

Если выключатель зажигания 17 включен, а контакты прерывателя разомкнуты, то транзистор 21 заперт, так как нет тока в его цепи управления, т.е. в переходе эмиттер – база. Ток не проходит и между эмиттером и коллектором на массу, так как сопротивление этого перехода очень большое. При замыкании контактов прерывателя в цепи управления транзистора (эмиттер-база) проходит ток, в результате транзистор открывается. Сила тока управления невелика около (0,8 А) и уменьшается до 0,3 А с увеличением частоты вращения кулачка прерывателя. В контактно-транзисторной системе зажигания имеются две цепи низкого напряжения: цепь управления транзистора и цепь рабочего тока.

Цепь управления транзистора: положительный вывод АКБ 16 – выключатель зажигания 17 – выводы ВК-Б и К добавочных резисторов 14 – первичная обмотка 4 катушки зажигания 5 – вывод транзисторного коммутатора 1 – электроды перехода эмиттер – база транзистора 21 – первичная обмотка импульсного трансформатора 20 – вывод Р – контакты 11 и 12 прерывателя – масса – отрицательный вывод АКБ. При прохождении тока управления транзистора через переход эмиттер-база значительно уменьшается сопротивление эмиттер-коллектор, и транзистор открывается, включая цепь рабочего тока (7-8 А).

Цепь рабочего тока низкого напряжения

Положительный вывод АКБ 16 – выключатель зажигания 17 – выводы ВК-Б и К добавочных резисторов 14 – первичная обмотка 4 катушки зажигания 5 – вывод транзисторного коммутатора 1 – электроды перехода эмиттер-коллектор транзистора 21 – вывод М – масса – отрицательный вывод АКБ. При размыкании контактов прерывателя прекращается ток в цепи управления транзистора и значительно возрастает его сопротивление. Транзистор закрывается, выключая цепь рабочего тока низкого напряжения. Магнитный поток изменяющегося поля пересекает витки катушки зажигания, индуктируя во вторичной обмотке ЭДС, в результате чего возникает высокое напряжение (около 30000 В), а в первичной обмотке ЭДС самоиндукции (около 80-100 В).

Цепь высокого напряжения

Вторичная обмотка 6 катушки зажигания 5 ротор 9 распределителя 10 – свечи зажигания 7 ( в соответствии с порядком работы двигателя) – масса – вторичная обмотка 6 катушки зажигания 5.

Импульсный трансформатор необходим для быстрого запирания транзистора. При размыкании контактов прерывателя во вторичной обмотке импульсного трансформатора индуктируется ЭДС самоиндукции, направление которой противоположно направлению рабочего тока на переходе база-эмиттер. Благодаря этому быстро исчезает магнитное поле и ток в первичной обмотке 4 катушки зажигания 5. Диод 19 и стабилитрон 18 в прямом направлении – мимо первичной обмотки катушки зажигания.

Необходимо помнить, что контакты прерывателя пропускают и прерывают только силу тока управления транзистора 0,3-0,8 А. Если на них попало масло, образовалась масляная пленка или слой окиси, то ток управления транзистора не сможет пройти через контакты. Поэтому контакты прерывателя промывают бензином и следят за тем, чтобы они всегда были чистыми.

Возможные неисправности и способы их устранения

В процессе работы в системе зажигания автомобиля возможно возникновение неисправностей и дефектов. Устройство контактно транзисторной системы зажигания позволяет в большинстве случаев водителю произвести самостоятельный поиск возникших неисправностей и устранить их своими руками.

Работы по определению возникших дефектов в системе следует начинать с проверки контактов и состояния аккумуляторной батареи, а также высоковольтных соединительных проводов. После проверки данных узлов и в случае их исправности следует приступить определение других дефектов наиболее характерными, среди которых, являются:

1. Затрудненный пуск двигателя, причинами служат следующие моменты;
   пробой обмотки катушки,
2. нарушение изоляции проводов высокого напряжения,
3. неправильно регулировка и установка зажигания,
4. окисление или замасливание самих контактов прерывателя,
5. поломка корректора угла зажигания,
6. плохое состояние свечей.
7. Падение мощности мотора и одновременное повышение потребления топлива характеризуется;
   перебоями в процессе работы цилиндров,
8. поломками регулятора опережения,
9. нарушение параметров установки.
10. Возникновение калильного зажигания, при котором воспламенение топливовоздушной смеси происходит за счет соприкосновения с поверхностью сильно нагретой детали. Возникновение данного процесса может привести к быстрому разрушению деталей двигателя. Основными причинами появления являются:
    перегрев свечей,
11. неправильная регулировка и износ деталей газораспределительного механизма двигателя,
12. отложение сажи в камере сгорания.

Все перечисленное моменты могут решаться не только способом замены неисправных деталей, но также и путем восстановления, переделки или регулировки отдельных конструкционных элементов механизма запуска двигателя. Пожалуй, отдельно можно выделить случаи возникновения калильного зажигания, так как они практически всегда устраняются ремонтом двигателя, заменой, регулировкой или переделыванием отдельных элементов ГРМ.

Функции отдельных систем управления микропроцессорной системы зажигания состоят в следующем

Входное устройство. Сигналы, стекающиеся на входное устройство от датчиков, преобразуются в форму, понятную компьютеру, т.е. в серию импульсов ДА — НЕТ, которые представляют собой цифры в двоичной системе:

Аналоговые сигналы, например напряжение аккумулятора, пре­образуются в двоичный код с помощью АЦП.

Часы. Компьютер оперирует данными как функциями времени. Для определения времени и временных интервалов в компьютере установлен точный кварцевый генератор импульсов.

Шины. Отдельные блоки компьютера связаны между собой пло­скими кабелями, известными под названием шины. По шинам пе­редаются данные (шина данных), адреса памяти (адресная шина), а также сигналы управления (управляющая шина).

Центральный микропроцессор. Микропроцессор выполняет в компьютере все вычисления. Все, что он умеет делать, это склады­вать, вычитать, делить и умножать, поэтому все программы, которые выполняет процессор должны состоять из этих операций. Кроме того, процессор умеет выполнять логические операции.

Постоянная память. Эта память может только выдавать хра­нящуюся в ней информацию, но она никак не может быть измене­на. Эта информация сохраняется в памяти даже при отсутствии питания. В нее невозможно записать никакую новую информацию. В постоянной памяти хранятся данные, такие как карта значений управляемых параметров двигателя в табличной форме, коды, управляющие программы и пр. Все эти данные заносятся (зашива­ются) в постоянную память изготовителем. В состав постоянной памяти входят также перепрограммируемые и стираемые блоки, которые могут быть использованы изготовителем или его предста­вителем для обновления и изменения записанной информации.

Оперативная память. Текущие данные — сигналы датчиков, команды управления и промежуточные результаты вычислений хранятся в оперативной памяти компьютера, пока не будут замене­ны новой информацией. Оперативная память при выключении питания теряет всю хранящуюся в ней информацию.

Работа бортового компьютера. Информация о характеристи­ках двигателя хранится в памяти компьютера в форме таблиц, на­зываемых рабочими. Эти таблицы получаются из трехмерных карт опережения зажигания и таких же карт для периода замкнутого со­стояния. Рабочие таблицы могут быть составлены компьютером для различных сочетаний параметров, однако, прежде всего таки­ми параметрами являются частота вращения коленчатого вала, нагрузка, температура и напряжение аккумулятора. Каждая из таб­лиц дает свое значение угла опережения, и для определения ис­тинно требуемого угла все результаты сопоставляются.

При включении питания микропроцессор посылает закодирован­ный двоичный адрес, который указывает, к какой части памяти он обращается. Затем посылается управляющий сигнал, указывающий направление и последовательность движения информации в про­цессор или из процессора. Работа самого процессора представляет собой серию двоичных импульсов, с помощью которых информация считывается из памяти, декодируется и выполняется. Программы выполнения операций — арифметических, логических и транспортных также записаны в памяти.

Назначение реле

Любое электрическое реле – это предохранительное устройство, которым оснащается система зажигания. Контактная система зажигания в этом плане тоже не исключение. Основным его назначением является размыкание и замыкание разнообразных участков в электрических цепях автомобиля. Устройства имеют различия по конструкции и способу управляющего сигнала, а также по установке. В данный момент широкое применение получили электромагнитные реле.

Говоря простыми словами, этот вид электрооборудования авто предохраняет различные элементы от высоких токовых нагрузок. Попросту оно служит переключателем. В частности в системе зажигания реле предохраняет стартер автомобиля и генератор от воздействия на них высоких токов. К примеру, для запуска двигателя нужно провернуть замок зажигания и включить стартер в работу, который, в свою очередь, потребляет от 80 до 300А.

В этом случае если не использовать реле, то замок может сгореть, а также и некоторые элементы проводки. Для того чтобы этого не произошло, в систему включают реле зажигания. Когда на корпусе устройства имеется изображение значка диода, то это означает, что при его подключении важно соблюдать полярность клемм. В противном случае поломка неизбежна.

СОВРЕМЕННЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

Д.Соснин
На легковых автомобилях, оборудованных бензиновым двигателем внутреннего сгорания, применяются различные системы электроискрового зажигания: контактные, контактно-транзисторные, бесконтактно-транзисторные, электронно-цифровые, микропроцессорные.

Транзисторные системы зажигания

Транзисторные системы зажигания принято подразделять на две группы:

контактно-транзисторные (КТСЗ) и бесконтактно-транзисторные (БТСЗ). В контактно-транзисторной системе зажигания контактная пара прерывателя в первичной цепи катушки зажигания отсутствует и заменена транзисторным ключом КТ. Но сам транзисторный ключ управляется по базе контактной парой механического прерывателя К прежней конструкции. Это позволило уменьшить ток разрыва в контактной паре и за счет усиления в транзисторе увеличить ток разрыва в индуктивном накопителе (в первичной обмотке катушки зажигания). При этом коэффициент запаса по вторичному (выходному) напряжению увеличился. Эксплуатационная надежность системы зажигания стала несколько выше. Наряду с контактно-транзисторными системами зажигания были разработаны также и контактно-тиристорные системы с емкостным накопителем, которые не нашли широкого практического применения.

Бесконтактно-транзисторная система зажигания (БТСЗ) — это первая система с чисто электронным устройством управления первичным током катушки зажигания и с бесконтактным электроимпульсным датчиком момента зажигания, который, как и контактная пара в классическом прерывателе-распределителе, расположен на подвижной площадке приводного валика механического высоковольтного распределителя. Положение подвижной площадки относительно оси приводного валика (угол разворота) может регулироваться аппаратами опережения зажигания (центробежным и вакуумным). Подвижная площадка и установленный на ней активатор бесконтактного датчика представляют собой электромеханическое устройство управления моментом зажигания. Такое устройство управления в совокупности с высоковольтным распределителем образуют так называемый датчик-распределитель [1].

Электронное устройство управления первичным током в БТСЗ конструктивно выполнено в виде отдельного блока, который называется коммутатором. По выходу коммутатор соединен с катушкой зажигания, а по входу — управляется электроимпульсным входным датчиком на распределителе.

Таким образом, бесконтактно-транзисторная система зажигания (рис. 1) —

это совокупность электронного коммутатора К, датчика-распределителя РР, катушки зажигания КЗ и традиционной выходной исполнительной периферии: высоковольтных проводов ВВП и свечей зажигания.

• Бесконтактно-транзисторные системы зажигания (БТСЗ) стали устанавливаться на легковых автомобилях в конце 60-х годов и с тех пор постоянно совершенствовались.

В качестве бесконтактных входных датчиков с механическим приводом от распредвала ДВС были испытаны магнитоэлектрические, индукционные, электромагнитные генераторные, параметрические, оптоэлектронные и прочие преобразователи механического вращения в электрический сигнал (рис. 2).

Бесконтактный датчик выполняет в системе зажигания следующие функции: задает установочный угол* опережения зажигания; управляет моментом зажигания при изменении частоты вращения и нагрузки двигателя; определяет тактность работы ДВС. По совокупности перечисленных функций бесконтактный датчик выдает на вход коммутатора оптимальную величину

* Установочным называется угол опережения зажигания на предельно низких (холостых) оборотах двигателя, когда центробежный и вакуумный регуляторы еще не работают. текущего значения угла опережения зажигания для различных режимов работы двигателя.

Вначале, как более простой и достаточно надежный, широкое практическое применение получил магнитоэлектрический датчик. Но с разработкой активатора на эффекте Холла последний стал основным элементом для всех последующих бесконтактных датчиков электронных систем зажигания.

Не менее значительной модернизации подвергались электронные коммутаторы БТСЗ. От тиристорных коммутаторов быстро отказались, так как система зажигания с емкостным накопителем выдает на свечи очень короткий импульс высокого напряжения (не более 250…300 мкс), что не приемлемо для большинства современных бензиновых автомобильных двигателей.

Первые простейшие транзисторные коммутаторы работали без ограничения амплитуды первичного тока, т.е. в режиме постоянной скважности импульсов зарядного тока для индуктивного накопителя (отечественный коммутатор 13.3734).

В системах зажигания с такими коммутаторами амплитуда высоковольтного импульса на вторичной обмотке катушки зажигания, как и в контактной системе, зависит от частоты вращения двигателя, а также от напряжения в бортсети автомобиля.

На смену коммутаторам с постоянной скважностью (КПС) пришли коммутаторы с нормируемой скважностью (КНС), в которых ток заряда индуктивного накопителя поддерживается в заданных пределах ограничения путем управляемого насыщения выходного транзистора. Это защищает выходной транзистор коммутатора от перегрузки по току, а также стабилизирует амплитуду тока заряда при изменении напряжения в бортсети. Выходное напряжение U2 при этом также стабилизируется. Но ограничение тока мощного транзистора насыщением приводит к значительному выделению тепловой энергии на коллекторно-эмиттерном переходе и, как следствие, к низкой функциональной надежности системы зажигания в целом.

Исключить этот недостаток в коммутаторах с нормируемой скважностью можно введением в схему электронного регулятора времени накопления энергии (времени протекания тока заряда через индуктивный накопитель). Так появились коммутаторы с программным регулятором времени накопления (коммутатор 36.3734), а вслед за ними и более совершенные коммутаторы с адаптивным регулированием (коммутатор 3620.3734). Последние, помимо основной функции регулирования времени, обеспечивают более высокую точность поддержания параметров тока заряда при воздействии на систему зажигания различных дестабилизирующих факторов (неустойчивая работа двигателя, окружающая среда, старение и уход номиналов радиоэлементов и пр.).

• Электронные коммутаторы БТСЗ исключительно разнообразны не только по схемотехническому, но и по технологическому исполнению. Электронные схемы коммутаторов ,первоначально аналоговые и на дискретных радиоэлементах, были вытеснены интегральными микросхемами с цифровым принципом действия. Стали появляться коммутаторы на так называемых заказных (специально разработанных для АСЗ) больших интегральных и монокристальных схемах.

Известно более 60-ти разновидностей бесконтактных систем зажигания с электронными коммутаторами, серийно выпускаемых за рубежом. Из отечественных транзисторных коммутаторов наиболее распространены одноканальные 36.3734 и 3620.3734, а также двухканальный 6420.3734 [1].

• В качестве примера схемной реализации бесконтактно-транзисторной системы зажигания рассмотрим один из вариантов ее принципиальной электрической схемы (рис. 3).

Выходной каскад ВК, помимо традиционной катушки зажигания и транзисторного ключа VT3, содержит ряд дополнительных элементов. VD1 — диод для защиты транзисторного ключа VT3 от обратного прохождения тока (от инверсного включения) во время емкостной фазы разряда, когда имеет место обратная полу волна напряжения в первичной обмотке катушки зажигания (инверсное включение VT3 образуется и при случайном обратном включении аккумуляторной батареи). VD2 — стабилизирующий диод для ограничения величины падения напряжения на участке эмиттер-коллектор закрытого (разомкнутого) транзистора VT3 (защита от перенапряжения). Конденсатор С1 с первичной обмоткой катушки зажигания образует последовательный колебательный контур ударного возбуждения, что увеличивает скорость нарастания выходного напряжения системы зажигания. Резистор R3 ограничивает ток разряда конденсатора С1 через открытый (замкнутый) ключ VT3. Для того чтобы ключ VT3 работал стабильно, т.е. при включении и выключении обеспечивал крутые фронты и постоянство амплитуды импульса первичного тока в катушке зажигания, управляющий (базовый) импульс тока транзистора VT3 должен быть с крутыми фронтами и достаточно большим по амплитуде для глубокого насыщения транзистора. На формирование управляющего импульса тока работает предварительный усилитель-ограничитель на транзисторе VT1 и стабилизирующий транзистор обратной связи VT2.

Перечисленные элементы составляют электрическую схему коммутатора ТСЗ.

• Датчик-распределитель содержит механическое устройство управления моментом зажигания, в кото рое входят магнитная система М датчика Холла с индукцией поля В, активатор ЭХ датчика Холла, усилительограничитель УО, триггер Шмитта ТШ, разделительный транзистор VT и стабилизатор напряжения СТ.

В датчик-распределитель входят также центробежный (ЦБР) и вакуумный (ВР) регуляторы, магнитный атенюатор А датчика Холла и собственно сам ротационный высоковольтный распределитель РР. Следует отметить, что электронный коммутатор в БТСЗ является лишь формирователем формы импульса тока в первичной обмотке катушки зажигания, а значит и скорости нарастания вторичного напряжения но к формированию момента зажигания коммутатор прямого отношения не имеет. Момент зажигания в БСЗ, как и в контактных системах, формируется электромеханическим устройством управления — бесконтактным датчиком на распределителе. Это обстоятельство является принципиальным недостатком всех бесконтактно-электронных систем зажигания. Второй недостаток — наличие в системе ротационного высоковольтного распределителя. Дальнейшее совершенствование автомобильных систем зажигания шло по пути устранения этих недостатков.

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 (УУ) 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. 4.

В МСЗ, структурная схема которой показана на рис. 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 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. 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 8 опережения зажигания осуществляется автоматически. Увеличение угла 8 происходит: при повышении оборотов, при уменьшении нагрузки и при понижении температуры ДВС. Уменьшение угла 8 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 МСЗ, помимо функциональных и схемотехнических, имеют и принципиальные конструктивные различия.

В ЭСЗ блок управления является самостоятельным конструктивным узлом и называется контроллером (рис. 7).

На входы контроллера подаются сигналы от входных датчиков системы зажигания, а по выходу — контроллер работает на электронный коммутатор выходного каскада ( см. рис. 4). Все электронные схемы контроллера низкоуровневые (потенциальные), что позволяет включать их в состав других бортовых электронных блоков управления (например, в ЭБУ системы впрыска топлива).

В МСЗ все функции управления интегрированы в центральный бортовой компьютер автомобиля и персональный 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.

• 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 искрообразования 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 изоляционной 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 многоканальности выходного каскада системы зажигания.

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) высоковольтным выводом соединена с центральным бегунком распределителя, а другой вывод обмотки является нулевым, так как во время разряда накопителя соединяется с «массой» автомобиля (см. рис. 3, [1]). 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. 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 искрообразование. 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 помощью 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). Аналогичная по принципу действия система зажигания установлена на отечественном автомобиле ОКА (с электронным управлением).

Если в ДВС четыре цилиндра, потребуется две двухвыводных катушки зажигания и два раздельных энергетических канала коммутации в выходном каскаде ( см. рис. 5). На рис. 10 приведена диаграмма последовательности искрообразования в цилиндрах 4-х цилиндрового четырехтактного двигателя, оснащенного системой зажигания с двумя двухвы-водными катушками зажигания. Для шестицилиндрового двигателя потребуется три двухвыводных катушки зажигания и три энергетических канала.

В настоящее время разработан ряд автомобильных систем зажигания, в которых две двухвыводных 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 первичных и две вторичных обмотки и управляется от двухканального коммутатора. Четырехвыводная катушка зажигания может иметь и одну вторичную двухвыводную обмотку при двух первичных. Вторичная обмотка такой катушки дооборудована четырьмя высоковольтными диодами — по два на каждый высоковольтный вывод [2].

Недостатком любой системы зажигания с двухвыводными катушками является то, что в одной свече искра развивается от центрального электрода к массовому (боковому), а во второй свече — в обратном направлении ( см. рис. 8). Так как центральный электрод заострен и всегда значительно горячее бокового, то истечение носителей заряда с его острия при искрообразовании требует затраты меньшего количества энергии, чем при истечении с бокового электрода (на центральном электроде начинает проявляться термоэлектронная эмиссия). Это приводит к тому, что пробивное напряжение на свече, работающей в прямом направлении, становится несколько ниже (на 1,5.2 кВ), чем на свече с обратным включением полярности. Для современных электронных и микропроцессорных систем зажигания с большим коэффициентом запаса по вторичному напряжению и с управляемым временем накопления энергии это не имеет принципиального значения.

Выходные каскады с индивидуальным статическим распределением

В современных электронных и микропроцессорных системах зажигания широко используются выходные каскады с индивидуальными катушками зажигания для каждой свечи в отдельности. Примером может служить система зажигания фирмы BOSCH, интегрированная в электронную систему автоматического управления (ЭСАУ) двигателем, которая известна под названием Motronic.
На рис. 11 показана функциональная схема ЭСАУ Motronic М-3,2,

которая устанавливается на четырехцилиндровых двигателях автомобилей AUDI-A4 (выпуск после 1995 года).

В контроллере J220 имеется микропроцессор с блоком памяти, в котором хранится трехмерная характеристика зажигания ( см. рис. 6). По этой характеристике, а также по сигналам датчика ДО G-28 (датчик частоты вращения двигателя) и датчика ДН G-69 (датчик нагрузки двигателя) устанавливается начальный угол Q(кю) = F(n) опережения зажигания. Далее по сигналам датчиков ДХ G-40, ДТ G-62 и ДД G-66 в цифровом микропроцессоре производится вычисление текущего (необходимого для данного режима работы ДВС) значения угла опережения зажигания, который с помощью электронной схемы переключения каналов подается в виде основного импульса S зажигания в соответствующий канал электронного коммутатора К-122. К этому времени в этом канале индуктивный накопитель N находится в заряженном (от бортсети +12 В) состоянии и по сигналу S разряжается на соответствующую свечу зажигания. Через 180° поворота коленвала описанные процессы будут иметь место в следующем (по порядку работы двигателя) канале коммутатора.

Основные преимущества системы зажигания, интегрированной в ЭСАУ Motronic, состоят в следующем:

— индивидуальное статическое распределение высокого напряжения по свечам зажигания; — катушки зажигания с заземленной вторичной обмоткой; — все входные датчики (датчик Холла, датчик частоты вращения ДВС, датчик температуры ДВС, датчики дроссельной заслонки, датчик детонации) — это формирователи электрических сигналов из неэлектрических воздействий бесконтактного принципа действия. Аналоговые сигналы от этих датчиков преобразуются в контроллере в цифровые сигналы; — селективная коррекция угла опережения зажигания по детонации (в каждом цилиндре в отдельности); — отключение цилиндров ДВС при перебоях в искрообразовании (защита дорогостоящих компонентов — кислородного датчика и каталитического газонейтрализатора экологической системы автомобиля от повреждений); — наличие в контроллере функций самодиагностики и резервирования.

Выходной каскад с управляемым трансформатором зажигания

Известны попытки применить в многоканальном выходном каскаде автомобильной системы зажигания высоковольтный трансформатор с насыщающимися сердечниками. Если магнитопровод трансформатора ввести в режим насыщения, то его коэффициент трансформации резко падает и энергия из первичной обмотки во вторичную не трансформируется.
Электрическая схема выходного каскада с трансформатором насыщения показана на рис. 12.

Выходной трансформатор имеет два магнитопровода — М1 и М2, охваченных общей первичной обмоткой Каждый магнитопровод оснащен отдельной обмоткой управления Wв и Wв») и отдельной двухвыводной вторичной обмоткой (W2′ и W2»). Когда по управляющей обмотке Wв’ протекает ток, достаточный для насыщения сердечника М1, а обмотка Wв» обесточена, то высокое напряжение будет наводиться только во вторичной обмотке W2′. Если обесточить управляющую обмотку Wв’ и пропустить ток насыщения по обмотке Wв», то насытится сердечник М2 и высокое напряжение будет трансформировано только в обмотку W2».

Система зажигания с трансформатором насыщения обладает высокой надежностью, малыми габаритами и весом, но ее промышленный выпуск пока не реализован из-за значительных технических трудностей изготовления (для трансформатора насыщения требуются тороидальные сердечники из высококачественного пермалоя. Намотка многовитковых обмоток на такие сердечники крайне затруднена).

Высоковольтные провода

В системах зажиганиях с высоковольтным механическим распределителем длина высоковольтных проводов всегда значительна (20…60 см). И так как по проводам в момент электроискрового разряда в свечах протекает высокочастотный ток высокого напряжения, то длинные провода излучают радиопомехи. Источниками радиопомех являются также свечи зажигания.
Есть три способа подавления радиопомех от АСЗ: экранизация высоковольтных проводов, свечей, катушки зажигания и высоковольтного распределителя; введение в центральный токовод высоковольтного провода распределенной индуктивности и распределенного сопротивления; установка помехоподавительного резистора непосредственно в изолятор свечи зажигания.

Экранизация требует увеличения запаса по вторичному напряжению и делает выходной каскад АСЗ громоздким. Высоковольтный провод с распределенными параметрами имеет недостаточно высокую конструктивную надежность, сложную технологию изготовления и высокую стоимость.

В современных системах зажигания применяют свечи с помехоподавительным резистором 4…10 кОм, а длину высоковольтных проводов стремятся свести к минимуму. Последнее становится возможным благодаря применению индивидуальных катушек зажигания, установленных непосредственно на свечах (см. рис. 11).

Высоковольтные провода подразделяют на низкоомные (до 0,5 Ом/м — в устаревших конструкциях проводов) и высокоомные (1…10 кОм/м). Провода маркируются двумя способами: цветом и текстовой надписью вдоль провода.

Отечественные провода светло-коричневой или пестрой расцветки — низкоомные. Провода красного или розового цвета ПВВП-8 обладают распределенным сопротивлением 2000+200 Ом/м; синего цвета ПВППВ-40 — 2550±250 Ом/м. На высоковольтных проводах импортного производства электрические параметры чаще обозначаются текстом вдоль провода. Содержание текста можно расшифровать по фирменному каталогу.

Любой из трех указанных способов подавления радиопомех приводит к некоторому падению высоковольтного выходного напряжения системы зажигания, что иногда сказывается при пуске холодного двигателя в слякотную зимнюю погоду, когда провода покрываются тонким инеем. Чтобы устранить этот недостаток, в современных микропроцессорных системах зажигания стали применять грязевлагозащиту высоковольтных проводов и свечей зажигания (укрытие проводов в изоляционную трубку или под пластмассовую крышку вместе со свечами).

* В заключение следует отметить, что автомобили с центральным бортовым компьютером (ЦБК) — пока редкость. Но перспектива очевидна. В недалеком будущем ЦБК станет единым электронным блоком управления, общим для всех функциональных систем на борту автомобиля, таких как: впрыск топлива, электроискровое зажигание, антиблокировка тормозов, управление дифференциалами ведущих колес, антипробуксовка колес и т.д. и т.п. Но даже при полной интеграции функций управления в центральный бортовой компьютер принципы построения электронных схем для электроискровых систем зажигания надолго останутся такими же, как и в современных микропроцессорных системах.

Литература

1. Д.Соснин. Современные автомобильные системы зажигания. Ремонт&Сервис, №10, 1999 г., с. 45-47 2. Д.Соснин, А.Фещенко. Автомобильные катушки зажигания. Ремонт&Сервис, №9, 1999 г., с. 46-53 3. В.Е.Ютт. Электрооборудование автомобилей. М. Транспорт. 1995 г. Продолжение следует
РЕМОНТ&СЕРВИС-10’99

[email protected]

История искры

На заре автомобилестроения система зажигания двигателей внутреннего сгорания была настоящей головной болью инженеров.

Рекомендуем: Веерные форсунки омывателя лобового стекла: как они работают

Изобретали различные способы воспламенения топлива, и их, порой, трудно было назвать простыми и безопасными. К примеру, один из отцов индустрии, Готлиб Даймлер использовал в своих первых моторах калильную трубку, которую перед началом работы необходимо было разогреть докрасна паяльной лампой.

Первые прообразы современных электрических систем появились в конце ХIХ века.

Довольно большим успехом среди них пользовалось так называемое магнето – небольшой генератор, вырабатывающий необходимое напряжение для образования искры. Его изобретателем считается небезызвестный Роберт Бош.

По сути, магнето стало прародителем всех искровых способов воспламенения смеси, и контактная система зажигания, о которой мы сегодня говорим, не исключение.

Конечно же, она намного совершеннее тех первых устройств, но на сегодняшний день, в мире электроники и инноваций, и она постепенно уходит в историю.

Главным образом, её носителями сейчас являются отечественные авто – ВАЗовская «классика» и им подобные. Что же она из себя представляет?

Поломки бесконтактной системы зажигания

В бесконтактной системе зажигания возникают похожие проблемы, двигатель начинает сбоить, глохнет, не заводится. Основная масса проблем связана с загрязнением деталей. Зимой на запчастях оседает влага и соль, которой посыпают дороги, летом – пыль, которая проникает во все щели.

Система пуска машины, как и любая часть единой системы, обеспечивает комфортное использование и бесперебойную работу всех узлов. Грамотная эксплуатация, своевременная диагностика, качественный ремонт помогут всем механизмам автомобиля служить долго и работать без поломок.

Принцип работы

Несмотря на то, что электронное зажигание является на сегодняшний день самой современной системой, устройство ее не так сложно, как это может показаться на первый взгляд.

На устанавливается система, включающая в себя перечисленные выше устройства, включая блок электронного зажигания, который также располагается в подкапотном пространстве и выполняет свою, строго определенную функцию.

Все начинается с поворота ключа в замке зажигания автомобиля. Сначала замыкается цепь, которая соединяет саму АКБ и систему зажигания, включая все ее составляющие. В тот же момент начинает вращаться стартер, который раскручивает валы двигателя, впрыскивающие в камеры сгорания топливную смесь.

Катушка при этом неизменно превращает ток аккумулятора, имеющий значение 12 вольт, в мощный импульс ступенчатого вида величиной 30–35 киловольт. Управление катушкой и распределителем осуществляется посредством системы плат и датчиков, встроенных в монтажный блок. По своей сути, это искусственный интеллект, который автоматически корректирует , необходимый для того, чтобы смесь загоралась в строго необходимые моменты времени при различных режимах работы ДВС.

Управление изменением угла опережения зажигания на автомобиле позволяет добиться сразу нескольких положительных моментов. Во-первых, уменьшается нагрузка на двигатель, поскольку топливо загорается ровно в те моменты, когда поршень максимально разгружен и готов к дальнейшему перемещению вдоль цилиндра. Во-вторых, значительно сокращается расход топлива, поскольку достигается более рациональное его использование во время совершения такта.

Значение контактно-транзисторной схемы в развитии автомобиля

В данном случае мы рассмотрели только два начальных этапа на пути развития системы зажигания автомобиля. В дальнейшем она претерпела гораздо более значительные изменения, но контактно-транзисторная схема была первой. Именно на ней были отработаны возможные варианты повышения ее эффективности, в частности, уход от классического, контактного зажигания, и намечены пути развития в сторону использования бесконтактных способов получения искры. » alt=»»> Контактно-транзисторная система зажигания оказалась первым шагом, в совершенствовании классического подхода к получению искры на бензиновом ДВС, и явилась закономерным этапом развития автомобиля в целом, и его отдельных узлов в частности.

• Система контактно-транзисторного зажигания: устройство и принцип работы
• Схема контактно транзисторного зажигания в автомобиле
• Принцип работы контактно транзисторного зажигания
• В чем отличие от обычной системы
• Преимущества и недостатки контактно транзисторного зажигания

Опытные автовадельцы наверняка знают, какой именно вип системы зажигания установлен на их транспортном средстве. Вполне возможно, что им окажется контактно-транзисторный вариант, рассматриваемый нами в данной теме. Что такое контактно-транзисторное зажигание? Какой принцип и схема его работы? Об этом вы узнаете уже через несколько минут.

Устройство

Принцип работы системы зажигания заключается в накоплении и преобразовании катушкой зажигания низкого напряжения (12В) электрической сети автомобиля в высокое напряжение (до 30000В), распределении и передаче высокого напряжения к соответствующей свече зажигания и образовании в нужный момент искры на свече зажигания. В работе системы зажигания можно выделить следующие этапы: накопление электрической энергии, преобразование энергии, распределение энергии по свечам зажигания, образование искры, воспламенение топливно-воздушной смеси.

Механический прерыватель осуществляет непосредственное управление процессом накопления (первичной цепью) и отвечает за замыкание/размыкание питания первичной обмотки. Контакты прерывателя можно увидеть, заглянув под крышку распределителя. Пластичная пружина подвижного контакта прижимает его к недвижимому контакту. Их размыкание выполняется только на короткий срок, а конкретно, в момент, когда набегающий кулачок валика привода оказывает давление на молоточек подвижного контакта.

К контактам подключен конденсатор, который не даёт им обгорать. Электроразряд поглощается и искрение уменьшается. Параллельно в цепи создаётся низкое напряжение обратного тока, которое положительно сказывается на исчезновении магнитного поля.

Прерыватель находится в корпусе распределителя зажигания, и это части классической системы зажигания.

Ещё один важный узел – центробежный регулятор опережения зажигания, механизм, предназначенный для автоматического изменения угла опережения зажигания в зависимости от числа оборотов коленчатого вала двигателя.

Центробежный регулятор размещён внутри корпуса прерывателя-распределителя. Как правило, он работает совместно с вакуумным регулятором, оба являются составной частью прерывателя-распределителя. Называется он центробежным от вида силы, использующейся для реализации изменения опережения.

На приводном валу прерывателя расположена пластина, на которой размещены два грузика. Грузики свободно сидят на осях и стянуты пружинами. Причём пружины обладают разной жёсткостью, что необходимо для предотвращения резонанса. При этом, кулачок прерывателя и планка с двумя продольными прорезями надеты на верхнюю часть приводного валика. В продольные прорези планки входят штифты грузиков.

Вращение передаётся от приводного валика к кулачку через грузики, штифты и планку с прорезями. Чем быстрее вращается приводной вал, тем больше расходятся грузики, тем на бо́льший угол проворачивается кулачок по ходу вращения относительно контактной группы прерывателя. С увеличением оборотов угол опережения зажигания увеличивается. С уменьшением числа оборотов центробежная сила уменьшается, пружины стягивают грузики, кулачок поворачивается против хода его вращения, контакты прерывателя замыкаются позже и угол опережения зажигания уменьшается.

Если на двигателе применено бесконтактное электронное зажигание — тогда вместо кулачка проворачивается экран бесконтактного датчика момента искрообразования.

Если механический прерыватель оборудован транзисторным коммутатором, то, в этом случае, он управляет только им, а тот, в свою очередь, отвечает за управление процессом накопления энергии. Такая конструкция существенно превосходит аналогичные устройства без транзисторного коммутатора, так как здесь контактный прерыватель более надежный, чему способствует протекание сквозь него тока меньшей силы, а значит, пригорание контактов во время размыкания практически полностью исключается. Соответственно, конденсатор, параллельно подключенный к контактам прерывателя, тут просто не нужен, а в остальном – система полностью идентична классическому варианту. Обе системы, имеющие механический прерыватель, обладают общим названием — «контактные системы зажигания».

Системы с транзисторным коммутатором, оборудованные бесконтактным датчиком (импульсным генератором), могут быть индуктивного типа, основанными на эффекте Холла или относиться к оптическому типу. В данном случае, место механического прерывателя занимает импульсный датчик-генератор с преобразователем сигналов, который, посредством транзисторного коммутатора, осуществляет управление накопителем энергии. Как правило, датчик-генератор расположен внутри распределителя, конструкция которого ничем не отличается от конструкции аналогичной детали в контактной системе, поэтому указанный узел получил название «датчика-распределителя».

Бронепровода

Система зажигания контактная, система зажигания других типов в своем комплекте имеют оснащение бронепроводами, которые могут без повреждений и потерь пропускать через себя высоковольтное напряжение. В частности это электрический гибкий провод, с одной медной жилой и многослойной изоляцией.

При этом контактный провод выполнен в форме спирали, что исключает радиопомехи. Как правило, данные провода устанавливаются на свечи. При длительном использовании изоляция проводов может приобрести микротрещины, через которые возможны потери импульсов высоких значений.