ТЕМА 1 ДВИГАТЕЛЬ И ТРАНСМИССИЯ
1.1 СОВРЕМЕННЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ
В данной теме рассматриваютсясистемы зажигания, которые наиболее широко используются в двигателях современных легковых автомобилей. 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. Но сам транзисторный ключ управляется по базе контактной парой механического прерывателя прежней конструкции (рисунок 1.1, а). 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 (рисунок 1.1, в), 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 (рисунок 1.1, б). 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.
а — контактно-транзисторная СЗ; б — бесконтактно-полупроводниковая СЗ с датчиком Холла; в — контактно-тиристорная СЗ с накоплением энергии в емкости С и с трансформатором зажигания T3; г — структурная схема ЭСЗ с контроллером, без распределителя; ЭК — электронный коммутатор; КЗ — катушка зажигания; T3 —трансформатор зажигания; ПР — прерыватель-распределитель; РП — распределитель; КП — контактная пара прерывателя; СВ — свечи; ВЗ — включатель зажигания; АКБ — батарея; T — транзистор; ТД — тиристорный диод; С — емкостной накопитель; ПН — преобразователь напряжения 12/400 В; ДХ — датчик Холла; R — дополнительный резистор; РД — реле дополнительного резистора.
Рисунок 1.1 Системы зажигания с электронными коммутаторами
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.
Бесконтактно-транзисторная система зажигания представляет собой совокупность электронного коммутатора, датчика-распределителя, катушки зажигания и традиционной выходной исполнительной периферии: высоковольтных проводов 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 (рисунок 1.2). 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 сигнал S, фиксирующий оптимальную величину текущего значения угла опережения зажигания для различных режимов работы двигателя.
а — контактный датчик (контактная пара) прерывателя-распределителя батарейной, контактно-транзисторной и контактно-тиристорной систем зажигания. Формирует момент зажигания размыканием контактов (кулачком К). Недостатки — нестабильность сигнала, малая наработка на отказ;
б — магнитоэлектрический датчик частоты вращения ДВС. Работает по принципу генерирования одиночного импульса в момент замыкания магнитного потока Ф ферромагнитным ротором R через магнитопровод обмотки W датчика. Недостатки — невозможность получения стабильного сигнала на низких оборотах ротора;
в — феррорезистивный датчик. Работает по принципу изменения электрического сопротивления в феррорезисторе В при изменении магнитного потока Ф от постоянного магнита. Недостатки — зависимость сигнала от температуры; г — датчик Холла. Наиболее распространенный датчик частоты вращения ДВС в современных ЭСЗ. Работает по принципу прерывания магнитного потока Ф от постоянного магнита NS ферромагнитным аттенюатором А. Недостатки — сложная технология изготовления. Преимущества — стабильность параметров сигнала при любой частоте вращения ДВС;
д — электрогенераторный датчик частоты вращения ДВС. Работает по принципу прерывания электромагнитного высокочастотного поля металлическим экраном Э. Недостатки — сложность схемы. Преимущества — цифровой счет скорости вращения ДВС;
е — фотоэлектрический датчик частоты вращения ДВС. Работает по принципу прерывания светового потока С оптическим аттенюатором В. Недостатки — возможность загрязнения и перегорания лампы L (низкая надежность). Преимущество — простота; ж — оптоэлектронный датчик. Работает по принципу прерывания светового потока С между элементами оптопары (световой диод и фототранзистор). Недостатки — загрязнение оптического канала. Преимущества — возможность применения частотной модуляции светового потока;
и — генераторный датчик с частотной модуляцией. Работает по принципу срыва автоколебаний генератора. Недостатки — сложность. Преимущества — независимость амплитуды сигнала от частоты вращения ротора 4.
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.
Рисунок 1.2 Разновидности бесконтактных входных датчиков
для БТСЗ
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. Электронные коммутаторы БТСЗ разнообразны исключительно 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.
Принципиальная электрическая схема бесконтактно-транзисторной системы зажигания приведена на рисунке (рисунок 1.3).
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 полуволна 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.
Рисунок 1.3 электрическая схема бесконтактно-транзисторной 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 которое входят магнитная система М датчика Холла с индукцией поля В, активатор ЭХ датчика Холла, усилитель-ограничитель VO, триггер Шмитта ТШ, разделительный транзистор VT и стабилизатор напряжения СТ.
В датчик-распределитель входят также центробежный (ЦБР) и вакуумный (BP) регуляторы, магнитный аттенюатор А датчика Холла и собственно сам ротационный высоковольтный распределитель PP. 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 U2, 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.
Вернуться во введение
