Основные направления создания перспективных 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 реальным способом увеличения вторичного напряжения является увеличение силы тока разрыва. Однако увеличение силы тока разрыва свыше определенного значения (3,5÷4,0 А при 12 В) 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 1О 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 (КТС3).

Принципиальная схема (рис. 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. 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 Iпоколения. 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. 2) устройство управления 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. При этом 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 З, в отечественной литературе принято называть коммутатором. По аналогии с углом замкнутого состояния контактов в классических и КТСЗ угол включенного состояния выходного транзистора α_вкл в этих БСЗ постоянный и не зависит от частоты вращения вала двигателя и напряжения батареи. Следовательно, время накопления t_Hэнергии в зависимости от частоты вращения коленчатого вала изменяется по жесткому закону: tH=αвкл/(6n), 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. 8 таких системах во всем диапазоне частот вращения вала двигателя и значений питающего напряжения определяется минимальное время, за которое ток разрыва Iр 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 IIпоколения). Цифровые системы зажигания (системы зажигания IIIпоколения) 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. 3. 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 1Ц - 4Ц 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.

Особенности рабочего процесса транзисторной системы зажигания

Замена механического прерывателя в классической системе батарейного зажигания транзисторным обусловила ряд особенностей в протекании рабочих процессов и вызвала дополнительные требования к параметрам катушки зажигания. Рабочий процесс транзисторной системы зажигания протекает в два этапа.

1. Открывание транзистора. После подачи тока управления в базу выходного транзистора последний открывается и через проводящий участок коллектор - эмиттер подключает первичную обмотку катушки зажигания к источнику постоянного тока. Начинается процесс нарастания первичного тока и запасания энергии в магнитном поле катушки зажигания. Первичный ток нарастает по экспоненциальному закону:

где Uкэ нас- падение напряжения на участке коллектор – эмиттер насыщенного транзистора; Uкэ нас= 0,5÷0,7В для германиевых транзисторов и 1÷1,5В для кремниевых транзисторов.

Ток разрыва Iр в момент выключения выходного транзистора зависит от параметров первичной цепи катушки зажигания R1, L1 и от времени его включенного состояния:

Для контактно-транзисторной и бесконтактной систем зажигания с постоянным углом накопления энергии аналитическое выражение тока разрыва примет вид

В системах зажигания с нормированием времени накопления энергии ток разрыва определяется амплитудой тока ограничения, если tн≥ tнmin, где tнmin - время нарастания первичного тока до амплитудного значения тока ограничения. При tн≤ tнmin ток разрыва Iр может быть определен из выражения (3).

2. Закрывание и отсечка транзистора. Характерной особенностью переходных процессов в транзисторной системе зажигания является их зависимость от электрических характеристик и инерционных свойств транзистора. Процессы закрывания и отсечки (полное закрывание) транзистора могут влиять на вторичное напряжение катушки зажигания. В зависимости от характера нагрузки транзистора (активная, емкостная, индуктивная или смешанная) движение его рабочей точки в процессе закрывания имеет различный характер. Рабочая точка характеризует изменение мгновенного значения тока коллектора iки напряжения Uкэ транзистора.

После закрывания транзистор переходит в режим отсечки, начинается процесс обмена энергии между магнитным и электрическим полями катушки зажигания и в первичной обмотке возникают затухающие колебания с максимальной амплитудой U1m.

Потери энергии в транзисторе приводят к снижению рабочих и пусковых показателей катушки зажигания и определяются из выражения

где Wтр э и Wтp к- энергия, рассеиваемая соответственно на эмиттерном и коллекторном переходах транзистора в режиме закрывания; u, i - мгновенные значения соответственно напряжения и тока в режиме закрывания транзистора; tcn- время, за которое соответствующий ток (базы, коллектора или эмиттера) изменяется от I=Iр до I=0.

Процессы, происходящие в первичной и вторичной цепях, обычно рассматриваются в предположении, что за время закрывания транзистора потери энергии в нем не превышают 2÷6% энергии, запасенной в магнитном поле катушки зажигания. Пренебрегая этими потерями, транзистор можно считать идеальным коммутирующим ключом. При таком условии и отсутствии цепи защиты транзистора рабочие процессы в первичной и вторичной цепях протекают аналогично процессам в классической батарейной системе.

Принципы построения узлов бесконтактных систем зажигания для автомобильных ДВС

Исходя из стоимости производства, требований к точности момента искрообразования, помехозащищенности, стойкости к внешним воздействиям два первых типа датчиков получили наибольшее применение и производятся у нас в стране и за рубежом крупносерийно.



Магнитоэлектрические датчики. Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим потоком. Принцип действия такого датчика заключается в изменении магнитного сопротивления магнитной цепи, содержащей магнит и обмотку, при изменении зазора с помощью распределителя потока (коммутатора). На рис. 4 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа. При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соответствии с законом индукции возникает переменное напряжение

где k - коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; w - число витков обмотки; n - частота вращения распределителя потока; dф/dα- изменение потока Ф в зависимости от угла поворота.

Когда один из зубцов ротора 4 приближается к полюсу статора 1, в обмотке 3 нарастает напряжение. При совпадении фронта зубца ротора с полюсом статора (со средней линией обмотки) напряжение на обмотке достигает максимума, затем быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума (рис. 5) при удалении зубца. Из формулы (4) видно, что пиковое значение Uвых линейно изменяется с частотой вращения распределителя потока. На рис. 6 показан характер изменения сигнала Uвых по углу поворота коленчатого вала при разной частоте вращения n распределителя потока.

Нетрудно видеть, что напряжение очень быстро изменяется от положительного максимума до отрицательного, поэтому нулевой переход (точка 0) между двумя максимумами может быть использован для управления системой зажигания при получении точного момента искрообразования. Однако точку перехода через ноль сложно детектировать с помощью электроники, так как схема будет чувствительна к сигналам помехи, т. е. не будет удовлетворять требованиям помехозащищенности. Поэтому для получения момента искрообразования используют точки а и Ь, которые выбираются на допустимых низких уровнях. При этом обеспечивается нечувствительность схемы детектирования к помехам и надежное срабатывание схемы в период пуска двигателя.

Распределитель потока, или зубчатый ротор, устанавливается на распределительный валик распределителя зажигания и изготавливается из мягкой стали. Число зубцов зависит от числа цилиндров двигателя. Необходимое поле создает постоянный магнит.

Рассмотренная магнитная система генераторного датчика чувствительна к влиянию изменений зазора, происходящих из-за конструктивных допусков, вибраций, передаваемых от двигателя деталям, входящим в состав магнитной цепи, что приводит к недопустимому асинхронизму момента искрообразования по цилиндрам двигателя. Поэтому на практике применяется симметричная магнитная система, которая обеспечивает для каждого положения распределителя потока средний зазор, являющийся суммой элементарных зазоров.

Принципиальная схема генераторного датчика коммутаторного типа с симметричной магнитной системой для четырехцилиндрового двигателя представлена на рис. 6.

Разработка постоянных магнитов, выполненных на основе новых магнитных материалов, таких как магнитоэласты, магниторезина, позволила резко снизить стоимость и массу датчика, увеличить его надежность.

Другим типом магнитоэлектрических датчиков, нашедших применение в автомобильных системах зажигания, является датчик с переменным потоком. Он состоит из неподвижной катушки и постоянного магнита, жестко связанного с валиком распределителя зажигания, причем число пар полюсов в магните равно числу цилиндров двигателя. Такие магнитные системы называются датчиками с вращающимися магнитами (рис. 7). Работа датчика характеризуется знакопеременным магнитным потоком и симметричной формой выходного напряжения (рис. 8).

Сигнал датчика с вращающимся магнитом требует более тщательной обработки в цепи детектирования с целью компенсации электрического смещения момента искрообразования в зоне низких частот вращения распределительного валика.

Датчик на эффекте Холла. Благодаря развитию микроэлектроники широкое распространение получили датчики углового положения на эффекте Холла. Эффект Холла возникает в полупроводниковой пластине, внесенной в магнитное поле, при пропускании через нее электрического тока. Если поместить элемент толщиной h в магнитном поле таким образом, чтобы направление индукции В магнитного поля было перпендикулярно плоскости пластины, и пропустить ток Iчерез пластину, то между противоположными гранями пластины возникает ЭДС Холла

где k - постоянная Холла; ; Χ- подвижность носителей тока; р - удельное сопротивление материала пластины.

Чувствительность элемента Холла зависит от соотношения между длиной и шириной пластины и повышается при уменьшении ее толщины. Для пленки толщина h достигает 10^-6 м, для пластины из полупроводникового кристалла - 10^-4 м. Для изготовления элементов Холла используются германий, кремний, арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb).

Электродвижущая сила самоиндукции Холла очень мала и поэтому должна быть усилена вблизи кристалла для того, чтобы устранить влияние радиоэлектрических помех. Поэтому конструктивно и технологически элемент Холла и преобразовательная схема, содержащая усилитель У, пороговый элемент St, выходной каскад VТ и стабилизатор напряжения СТ, выполняются в виде интегральной микросхемы, которая называется магнитоуправляемой интегральной схемой (рис. 9).

Очевидно, что путем изменения магнитного поля от 0 до Вmах с помощью магнитного экрана на выходе магнитоуправляемой интегральной схемы можно получить (при подключении к ее выходу соответствующей нагрузки) дискретный сигнал высокого или низкого уровня. Объединив магнитоуправляемую схему с магнитной системой в жестко сконструированный пластмассовый корпус, получают микропереключатель на эффекте Холла, который устанавливается, в традиционный распределитель (рис. 10), например на поворотный механизм вакуумного автомата.

Замыкатель 2 (ротор), жестко связанный с валиком распределителя 4, выполнен из магнитопроводящего материала и содержит число полюсов-экранов З, равное числу цилиндров двигателя. При прохождении экранов в зазоре между магнитоуправляемой схемой 1 и магнитом 5 происходит периодическое шунтирование магнитного потока, и на выходе микропереключателя формируется сигнал об угловом положении коленчатого вала двигателя в виде прямоугольных импульсов. Фронт сигнала практически не зависит от частоты вращения экрана и следовательно, задержка совсем незначительна по сравнению с задержкой, например, генераторного датчика.

Таким образом, на выходедатчика формируется сигнал, представленный на рис. 11.

Интегральная схема является, как и все электронные компоненты, чувствительной к воздействиям внешних условий. Устанавливаемая в распределитель зажигания схема должна выдерживать жесткие требования для изделий автомобильного применения, устанавливаемых в моторном отсеке на двигателе.

Коммутаторы. Электронным коммутатором бесконтактной системы зажигания называется устройство, выполняющее следующие основные функции:

- формирование выходного токового импульса необходимой амплитуды и длительности, подаваемого к первичной обмотке катушки (или катушек) зажигания для обеспечения заданного уровня высокого напряжения и энергии искры;

- обеспечение момента искрообразования в соответствии с заданным фронтом управляющего импульса, поступающего на вход коммутатора;

- стабилизация параметров выходного токового импульса при колебаниях напряжения бортовой сети автомобиля и воздействии внешних факторов.

Многие типы коммутаторов выполняют дополнительно защитные функции, такие, как:

- предотвращение протекания первичного тока через первичную обмотку катушки зажигания при включенном замке зажигания и неработающем двигателе;

- обеспечение стабильного питания и защита от импульсов перенапряжения в бортовой сети автомобиля в аномальных режимах микропереключателя на эффекте Холла;

- обеспечение ограничения амплитуды импульса вторичного напряжения в аномальных режимах (например, в режиме открытой цепи).

На входные клеммы коммутатора поступают импульсы управления, формируемые бесконтактным датчиком углового положения коленчатого вала двигателя (УПКВ) или электронным регулятором опережения зажигания с открытым коллектором. Выходом (нагрузкой) коммутатора является первичная обмотка катушки зажигания или обмотки катушек зажигания.

В последнем случае электронный коммутатор выполняет функцию распределителя высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя.

На рис. 12 представлена классификация транзисторных коммутаторов, применяемых на автомобилях. Множество коммутаторов БСЗ можно разделить на две подгруппы по принципиальному функциональному признаку:

коммутаторы с постоянной, не зависящей от частоты вращения коленчатого вала скважностью выходного первичного импульса тока;

коммутаторы с нормируемой скважностью выходного импульса тока.

Общим для обеих групп коммутаторов является наличие в выходной цепи мощного выходного транзистора, способного коммутировать токи амплитудой до 10 А в индуктивной нагрузке коллекторной цепи.

Рассмотрим основные схемы управления выходным транзистором системы зажигания и способы его защиты.

Для того чтобы включить выходной транзистор и обеспечить режим насыщения, необходимо подать в базу управляющий ток

где Iр- сила коллекторного тока транзистора к моменту прерывания; Вст- статический коэффициент усиления по току транзистора; kн - коэффициент насыщения, который должен быть больше 1 (выбирается в пределах 2÷4 для ключевых каскадов).

В качестве источника управляющего тока используется каскад предварительного усиления, включенный, как правило, по схеме с общим коллектором (рис. 13,а). Такое включение является наиболее экономичным с точки зрения рассеиваемой мощности. Когда транзистор VТ1 открыт, в базу транзистора VТ2 течет ток

Значения напряжений насыщения транзисторов VТ1 и VТ2 выбираются из паспортных данных, резистор Rк, служит для ограничения коллекторного тока через транзистор VТ1. Если транзистор VТ1 закрыт, управляющий ток iy=0 и база транзистора VТ2 зашунтирована на корпус через резистор Rбэ; следовательно, транзистор надежно закрыт. Резистор Rбэ улучшает условия закрывания транзистора VТ2. Сопротивление резистора Rбэ в зависимости от типа транзистора выбирается от 10 до 1000 Ом.

Недостатком схемы является значительное изменение управляющего тока при колебаниях питающего напряжения. Так как номинал резистора Rкрассчитывается при минимальном значении питающего напряжения, то при больших значениях питающего напряжения мощность, рассеиваемая на резисторе Rк, равна 10÷12 Вт, если используются выходные транзисторы с Вст=5÷10.

При использовании выходных транзисторов, имеющих Вст= 100÷150, рассеиваемая мощность на резисторе Rк снижается до 3 Вт. Мощность, рассеиваемая в каскаде предварительного усиления, может быть снижена приблизительно в 3 раза за счет стабилизации управляющего тока. С этой целью в схему введены токоизмерительный резистор Rти транзистор обратной связи VТЗ (рис. 13,б). Падение напряжения на резисторе Rтот протекающего через него управляющего тока Iycт приложено к участку база - эмиттер транзистора VT3. Любое отклонение значения управляющего тока от Iycт, например при колебаниях питающего напряжения, вызывает изменение напряжения на резисторе Rти, следовательно, изменение режима работы транзистора VТЗ.

При увеличении управляющего тока потенциал на коллекторе транзистора VТЗ начинает уменьшаться, транзистор VТ1 закрывается, уменьшая тем самым ток управления до заданного уровня Iycт.При уменьшении тока управления ниже уровня Iycтпотенциал на коллекторе транзистора VТЗ возрастает, управляющий транзистор VТ1 открывается в большей степени и ток управления возрастает до уровня Iycт. Таким образом обеспечивается стабилизация управляющего тока на уровне Iycт.

Способы защиты выходных транзисторов от перенапряжений. Необходимость в защите выходного транзистора от перенапряжений возникает в ряде специфических режимов работы системы зажигания. Например, режим открытой вторичной цепи является аварийным. В этом случае значительно увеличивается амплитуда импульса первичного напряжения, прикладываемого к участку коллектор - эмиттер выходного транзистора, что может вызвать пробой перехода.

Кроме того, увеличивается и амплитуда импульса вторичного напряжения, что может вызвать пробой изоляции вторичной цепи катушки зажигания и, следовательно, отказ системы зажигания.

Для ограничения амплитуды импульса первичного напряжения на допустимом для выходного транзистора уровне используют схемы защиты, выполненные, как правило, на нелинейных элементах - стабилитронах и варисторах. Наиболее простой является схема, представленная на рис 14,а.

В этой схеме защитный стабилитрон VD1 включен параллельно участку коллектор - эмиттер транзистора VТ1. Напряжение пробоя стабилитрона VD1 выбирают немного меньшим Uкэ доп транзистора VT1. Увеличение первичного напряжения до U1<UстVDне приводит к пробою стабилитрона. При увеличении первичного напряжения до U1>UстVDстабилитрон пробивается и через него начинает протекать ток iстпри этом амплитуда импульса первичного напряжения ограничивается на допустимом для транзистора VT1 уровне.

Амплитуда импульса тока через стабилитрон составляет 2÷4 А, что влечет за собой применение мощных стабилитронов.

Создание новых силовых транзисторов, способных коммутировать большую импульсную энергию (более 200 мДж) , а также стремление уменьшить габариты коммутатора позволили осуществить защиту выходного транзистора VТ1 путем введения стабилитрона параллельно его базоколлекторному участку (рис. 14,6). Этот способ позволяет уменьшить импульсный ток через стабилитрон в Вст раз (Вст- статический коэффициент усиления по току выходного транзистора VT1).

При увеличении первичного напряжения до U1> Uст стабилитрон пробивается и в базу выходного транзистора втекает ток, который приоткрывает транзистор VТ1 на время действия импульса перенапряжения. Проводящий участок коллектор - эмиттер транзистора VТ1шунтирует источник напряжения, ограничивая тем самым амплитуду первичного импульса на допустимом уровне.

Существуют также другие более сложные схемные решения, позволяющие еще больше снизить импульсный ток через стабилитрон.

Конденсатор С1, включенный параллельно участку коллектор эмиттер выходного транзистора, служит для предотвращения выхода транзистора в область лавинного пробоя в процессе его закрывания, а также является элементом ударного колебательного контура возбуждения, т. е. определяет величину и скорость нарастания вторичного напряжения, развиваемого системой зажигания.

Резистор R1 ограничивает емкостный ток через участок коллектор - эмиттер транзистора VТ1 в момент открывания последнего, если конденсатор С1 заряжен.

Защита выходного транзистора от инверсного включения. После закрывания выходного транзистора в первичном контуре катушки зажигания возникает колебательный процесс. В течение действия отрицательной полуволны импульса первичного напряжения транзистор оказывается включенным в инверсном режиме, что недопустимо для некоторых типов транзисторов. Инверсное включение транзистора также возможно в случае перепутывания полярности аккумуляторной батареи.

Для защиты транзистора VT1 от инверсного включения последовательно в выходную цепь коммутатора включают полупроводниковый диод VD1 (рис. 15,а), рассчитанный на прямой ток, равный по значению току разрыва. Последовательное включение силового диода имеет свои отрицательные стороны. Во-первых, увеличиваются тепловые потери в выходной цепи коммутатора; во-вторых, усложняется его конструкция и, наконец, в-третьих, значительно снижается сила тока разрыва в период пуска двигателя при сильно разряженной аккумуляторной батарее.

Другим способом защиты выходного транзистора VТ1 от инверсного включения является включение силового диода VD1 параллельно участку коллектор - эмиттер транзистора (рис. 15,6). При этом включении разрушается колебательный процесс после первой полуволны первичного напряжения. Процесс становится апериодическим. Параллельное включение диода позволяет уменьшить падение напряжения в выходной цепи коммутатора, рассеиваемую мощность и габариты. Защитный диод выполняется на одном кристалле с выходным транзистором. На рис. 15,в приведена схема однокристального транзистора Дарлингтона, выполненного на транзисторах VТ1 и VТ2. Параллельно участку коллектор-эмиттер включен мощный диод VD1.

Ограничение амплитуды импульса первичного тока. Функционально простые коммутаторы с постоянной скважностью (КПС) не содержат специального устройства ограничения тока. В системах зажигания, использующих КПС, применяется пассивное ограничение уровня тока за счет последовательного включения в нагрузочную цепь коммутатора добавочного сопротивления Rдоб, которое закорачивается в режиме пуска.

Коммутаторы с нормируемой скважностью (КНС) используют активное ограничение уровня тока. На рис. 16 представлен один из наиболее распространенных вариантов схемы ограничения тока.

Принцип действия схемы состоит в следующем. После открывания выходной транзистор VТЗ вводится в насыщение током Iу, что обеспечивает низкое остаточное напряжение на выходе коммутатора. Процесс характеризуется нарастанием первичного тока. Пока ток, протекающий через выходной транзистор VТЗ и токоизмерительный резистор Rи, включенный последовательно в эмиттерную цепь транзистора, ниже допустимого уровня ограничения, транзистор VТ2 закрыт. При достижении током i1, допустимого уровня транзистор VТ2 начинает открываться. Потенциал на его коллекторе понижается, что приводит к уменьшению силы тока управления iy. Транзистор VТЗ выходит из режима насыщения в активный режим. Напряжение на выходе коммутатора возрастает до уровня, при котором поддерживается заданный ток ограничения.

Регулировка уровня ограничения тока производится резисторами R1, R2 делителя во входной цепи транзистора VТ2. Введение в коммутатор активного ограничителя тока позволяет не только защищать коммутационный транзистор от чрезмерного тока, но также стабилизировать ток разрыва при колебаниях питающего напряжения в широких пределах, тем самым обеспечивая неизменные выходные характеристики системы зажигания.

Однако активный режим работы связан с большим выделением тепловой мощности на выходном транзисторе (порядка 60÷80 Вт), что накладывает жесткие требования на продолжительность включенного состояния выходного транзистора. Время включенного состояния или время накопления энергии должно регулироваться таким образом, чтобы минимизировать или исключить вообще нахождение выходного транзистора в режиме ограничения в рабочем диапазоне частот вращения вала двигателя. Эту задачу решают регуляторы времени накопления.

Программный регулятор времени накопления запасаемой энергии. Регулятор (рис. 17) содержит интегратор, выполненный на усилителе DA1 и конденсаторе С1, устройство сброса на транзисторе VТ1, диоде VD1 и резисторах R2, RЗ и компаратор, выполненный на усилителе DА2.

Принцип работы схемы иллюстрируется временными диаграммами (рис. 18). В период действия низкого уровня сигнала датчика Uвх конденсатор С1 (см. рис. 17) интегратора DА1 заряжается до максимального за период значения напряжения Uc1 за счет смещения Uсм1. При высоком уровне сигнала датчика конденсатор С1 разряжается. Токи заряда и разряда соотносятся со скважностью сигнала датчика таким образом, что напряжение на выходе интегратора после разряда конденсатора опять достигает опорного значениям Uсм1.

Если напряжение интегратора сравнивается в компараторе DА2 с постоянным пороговым значением напряжения Uсм2, то на выходе компаратора формируется независимо от продолжительности периода сигнала датчика сигнал определенной длительности времени tнперед следующим импульсом зажигания. Одновременно этот сигнал используется для того, чтобы быстро разрядить конденсатор С1через транзистор VT1 и привести выход интегратора к начальному значению Uсм1.

Так как необходимая продолжительность включения катушки зажигания зависит также от питающего напряжения, для коррекции продолжительности включения порог компаратора Uсм2 делается зависящим от питающего напряжения. Выбором постоянных времени заряда и разряда конденсатора и опорного уровня напряжения компаратора обеспечивается требуемый закон изменения скважности выходного импульса тока в зависимости от частоты следования входных импульсов.

Рассмотренный тип регулятора представляет собой регулятор с программным регулированием. Недостатком коммутаторов с программным регулированием является невозможность учета всех факторов, влияющих на силу тока разрыва в катушке зажигания. К таким факторам можно отнести, например, разброс параметров первичной обмотки катушки зажигания (R1, L 1), нестабильность скважности сигнала датчика в процессе эксплуатации, разброс номиналов элементов схемы при воздействии окружающей среды. Отсюда невысокая точность приближения параметров токового импульса к оптимальным значениям.

Лучших результатов позволяют добиться коммутаторы с адаптивным регулированием скважности выходного импульса тока.

Адаптивный регулятор времени накопления. Типовая схема адаптивного регулятора (рис. 19) отличается от схемы программного регулятора наличием стабилизирующей обратной связи, которая позволяет поддерживать постоянство уровня тока в катушке зажигания независимо от воздействия многочисленных внешних факторов (например, напряжения питания) за счет коррекции скважности выходного токового сигнала.

Устройство коррекции представляет собой интегратор (DАЗ, С2), выходное напряжение Uкор которого задает опорный уровень Uсм2 компаратора DА2. Если опорный уровень изменяется, то изменяется и момент срабатывания компаратора DА2. При более низком напряжении Uсм2 катушка зажигания включается на более короткий период времени (рис. 20,а). При более высоком опорном напряжении Uсм2 катушка включается на более продолжительный период времени (рис. 20,6).

Критерием для регулировки уровня является сигнал компаратора DА4 (см. рис. 20). Если амплитуда выходного тока достигает своего номинального значения, компаратор DА4 включается и на его выходе формируется сигнал высокого уровня. Происходит разряд конденсатор С2, интегратора DАЗ, и напряжение Uкор на его выходе уменьшается. Низкому уровню напряжения на выходе компаратора DА4 соответствует медленный заряд конденсатора С2 за счет источника UсмЗ , что приводит к увеличению напряжения на выходе интегратора DА3 и, следовательно, увеличению напряжения Uсм2 .

Изменение периода следования управляющих импульсов сигналов датчика при ускорении или замедлении двигателя вносит погрешность процесс регулирования. При резком увеличении частоты вращения двигателя возможно уменьшение периода накопления энергии относительно его значения, получаемого при плавном изменении частоты. Это может привести к пропускам искрообразования.

Для исключения этого явления расчетное значение скважности выходного токового импульса КНС выбирается таким образом, чтобы при максимальных ускорениях период накопления энергии не снижался ниже критического значения. Однако в установившемся режиме это приводит к излишнему рассеиванию мощности.

Контроллеры. Контроллер представляет собой электронное устройство, предназначенное для управления углом опережения зажигания в функции ряда параметров двигателя. Он также обеспечивает управление электроклапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ) и в ряде случаев принимает на себя функцию регулирования накопления энергии в катушке зажигания.

В состав электронной системы зажигания контроллер может входить как автономный конструктивно законченный узел либо как интегрированный с транзисторным коммутатором электронный блок.

Рассмотрим основные принципы электронного регулирования момента зажигания. Из всего многообразия систем зажигания с регулируемым углом опережения зажигания можно выделить два основных направления их реализации: системы с аппаратурным и программным принципами построения.

Алгоритм работы реryляторов угла опережения с аппаратурной реализацией (<<жесткой» логикой) определяется логическими связями между ее элементами. При видоизменении характеристик угла опережения зажигания необходимо изменить эти связи, что вызывает определенные неудобства как на этапе проектирования таких устройств, так и при промышленном производстве, когда возможны модификации двигателей, требующие различных характеристик. Отсутствие гибкости, т. е. приспосабливаемости таких устройств к различным характеристикам, является их основным принципиальным недостатком. Кроме того, такие регуляторы реально позволяют воспроизводить лишь относительно простые характеристики и не обеспечивают реализацию значительно более сложных оптимальных характеристик, имеющих целый ряд изломов, с положительными и отрицательными участками.

Значительно большими возможностями обладают системы управления углом опережения зажигания с памятью. В таких системах, как правило, программа работы определяется логическими связями между функциональными устройствами, а данные, определяющие индивидуальные особенности их характеристик, воспроизводимых системой, хранятся в ее памяти в виде комбинаций кодов чисел.

Основным достоинством этого стандартного функционально законченного устройства является возможность длительного хранения большого массива информации (в том числе закодированной информации об угле опережения зажигания) и ее изменения на всех этапах разработки системы без существенных дополнительных затрат. Применение памяти дает возможность использовать цифровую систему зажигания на различных двигателях.

Структурная схема одного из вариантов системы с памятью приведена на рис . 21.

Зубчатый диск, закрепленный на коленчатом валу двигателя, имеетравномерно расположенные по всей окружности зубья. При вращении диска электромагнитный датчик 1 частоты вращения вырабатывает серию импульсов, число которых определяет угловое положение коленчатого вала относительно ВМТ. Кроме того, на диске устанавливается дополнительный зуб, при совпадении оси которого с электромагнитным датчиком 2 начала отсчета на выходе последнего формируется импульсный сигнал о достижении поршнем первого цилиндра ВМТ.

Частота вращения коленчатого вала двигателя может определяться путем подсчета числа импульсов, поступающих с датчика 1 за эталонный промежуток времени, или путем подсчета числа импульсов от кварцевого генератора за период импульсов датчиков 1 и 2.

Нагрузка ΔРк определяется при помощи датчика абсолютного давления (разрежения) 3, устанавливаемого во впускном коллекторе. Аналоговый сигнал с датчика преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Система имеет несколько дополнительных информационных входов 4 для других датчиков, например датчика температуры охлаждающей жидкости, детонации, положения дроссельной заслонки и др.

Сигналы с датчиков формируются с помощью специальных схем 5 (интерфейсов) перед подачей их в узел обработки данных 6. Одним из основных устройств узла обработки является постоянное запоминающее устройство 7 (ПЗУ).

На основании сигналов о частоте вращения коленчатого вала и нагрузке двигателя узел обработки данных формирует адрес, по которому осуществляется обращение к ПЗУ и выборка (считывание) значения угла опережения зажигания, соответствующего данному режиму работы двигателя. Это значение в дальнейшем может корректироваться в зависимости от показаний других датчиков. При достижении коленчатым валом двигателя положения, соответствующего расчетному значению, угла опережения зажигания, узел обработки данных формирует сигнал управления коммутатором 8.

Из рассмотренного принципа работы системы следует ряд важных выводов:

- погрешности привода распределителя в данной системе сведены к нулю благодаря работе непосредственно от зубчатого диска, жестко укрепленного на коленчатом валу двигателя;

- частота вращения коленчатого вала двигателя определяется путем подсчета числа импульсов, формируемых датчиком оборотов за заданный период времени, который в принципе может задаваться с любой реальной точностью;

- характеристики системы могут изменяться путем изменения содержимого ПЗУ;

- система может воспроизводить характеристики угла опережения зажигания практически с любой точностью, определяемой лишь числом зубьев диска;

- так как все перечисленные операции проводятся цифровыми узлами, характеристики системы практически не подвержены временным и температурным изменениям.

Благодаря гибкости системы такого типа наиболее полно удовлетворяют современным требованиям. На рис. 22 приведена трехмерная калибровочная диаграмма, представляющая взаимосвязь трех параметров двигателя: частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, угла опережения зажигания.

Из приведенного примера следует, что характеристика оптимальных углов опережения зажигания цифровой системы с гибкой памятью значительно сложнее характеристик, которые могут быть воспроизведены системами с механическими автоматами. Одним и3 основных недостатков этих систем, обусловленных сложностью, является необходимость их реализации в виде заказных больших интегральных схем (БИС). Выполнение этого условия обязательно, если принять во внимание жесткие требования к надежности работы системы и массовости выпуска. Недостатком является также необходимость изменять аппаратную часть при изменении характеристик угла опережения зажигания или алгоритма работы системы зажигания.

Этих недостатков лишены системы с программируемой логикой, в которых при изменении алгоритма работы системы необходимо лишь заменить управляющую программу и ввести данные в ПЗУ. Такие системы обычно реализуются на базе микропроцессоров.

Системы, построенные на базе микропроцессоров, по основным принципам работы практически не отличаются от ЭВМ, широко используемых во многих областях науки и техники. Основное отличие заключается лишь в том, что последние достижения в области микроэлектроники позволили выполнять ЭВМ в виде одной или нескольких БИС, поэтому они получили название микроЭВМ.

Одним из объектов, на которых по прогнозам ожидается массовое применение микроЭВМ, является автомобиль. Это объясняется тем, что системы автомобиля имеют достаточно сложные функции регулирования, для реализации которых требуется выполнение большого объема вычислений. И микроЭВМ с их способностью быстро анализировать большой объем информации являются идеальным решением данной проблемы. К этому еще необходимо добавить, что одна микроЭВМ может управлять несколькими системаи автомобиля. Последнее утверждение чрезвычайно важно, так как ряд задач, в том числе и задача повышения эффективности работы двигателя, носит комплексный характер, затрагивающий не только систему зажигания, но и систему топливоподачи.

{mospagebreak title= Электронное распределение высокого напряжения

Электронное распределение высокого напряжения по цилиндрам двигателя

Средства электроники позволили осуществить распределение высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя путем коммутации низковольтных цепей катушки (или катушек) зажигания. Такой способ распределения высоковольтных импульсов может быть назван низковольтным или электронным, поскольку коммутация осуществляется при помощи электроники.

Применение электронного распределения позволяет существенно снизить уровень радиопомех при работе системы зажигания. Ниже рассматриваются практические варианты схем электронного распределения для четырехтактных четырехцилиндровых автомобильных двигателей (рис. 23).

В системе зажигания с применением одновыводных катушек зажигания традиционною исполнения (рис. 23,а) каждый цилиндр двигателя снабжен собственной катушкой зажигания Т1-Т4, имеющей индивидуальный коммутационный ключ VТ1-VТ4. Управление работой ключей осуществляется сигналами Uсз1-Uсз4, вырабатываемыми контроллером.

По второму варианту (рис. 23,6) два цилиндра, момент зажигания которых смещен на 360° по коленчатому валу, снабжены двухвыводной катушкой зажигания, искровые промежутки (FV) свечей соединены последовательно и искроо6разование происходит одновременно в двух цилиндрах. При этом одна искра реализуется в такте расширения (холостая искра), а другая - в такте сжатия (рабочая).

Для четырехцилиндрового двигателя требуется наличие двух катушек зажигания, управляемых по первичной стороне собственным коммутатором. Возможна замена двух катушек зажигания на одну четырехвыводную с двумя включенными встречно первичными обмотками, которые намагничивают сердечник в двух направлениях. Распределение высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя осуществляется с помощью выпрямителя на высоковольтных диодах VD1-VD4, подключенного к обоим концам вторичной обмотки (рис. 23,8).

Здесь также две свечи зажигания работают одновременно, т. е. одна искра является холостой. Управление работой катушки зажигания по первичной стороне осуществляется аналогично варианту на рис. 15,6.

Описанные варианты систем зажигания с низковольтным распределением имеют' свои преимущества и недостатки. Например, первый вариант использует традиционные катушки, но он громоздок. Во втором варианте используется уже две катушки зажигания.Третий вариант с одной катушкой требует усложнения ее конструкции из -за необходимости встраивания высоковольтных диодов с обратным напряжением, равным максимально возможному напряжению катушки зажигания (приблизительно 30÷40 кВ) .

Особенности конструкций аппаратов электронных систем зажигания для автомобильных двигателей

Датчики-распределители. Для контактно-транзисторных систем зажигания используются те же типы распределителей, что и для классической системы, с той лишь разницей, что искрогасящий конденсатор, устанавливаемый параллельно контактам прерывателя, в контактно-транзисторных системах отсутствует. Для бесконтактных систем зажигания применяются датчики-распределители для четырех-,шести- и восьмицилиндровых двигателей различных типов.

Датчики-распределители изготавливаются, на базе традиционных распределителей, в которых узел прерывателя заменен бесконтактным датчиком. В качестве примера рассмотрим конструкцию датчика распределителя 24.3706 (рис. 24) , предназначенного для работы в БСЗ восьмицилиндровых двигателей. Датчик работает в комплекте с коммутаторами типа 13.3734 и устанавливается на автомобилях ГАЗ-66, ГАЗ-53А и автобусах семейства ПА3.

Датчик-распределитель состоит из корпуса с запрессованной в нем медно-графитной втулкой, в которой вращается вал 10 распределителя с центробежным регулятором (автоматом) 9, ротором датчика 7 и бегунком 6 распределителя. Подвижная (опорная) пластина 8 прерывателя установлена в шарикоподшипнике. Центробежный автомат 9 установлен под датчиком 7. Бесконтактный датчик 7 представляет собой генераторный датчик с вращающимся магнитом.

Центробежный автомат опережения зажигания имеет две пластины (верхнюю и нижнюю), два грузика, две пружины. Грузики стянуты пружинами. Вакуумный автомат (на рис. 24 не показан) расположен на корпусе распределителя и приводится в действие через бензомаслостойкую диафрагму, в центре которой имеется шток, соединенный с опорной пластиной 8. С целью подавления радиопомех в высоковольтной крышке установлено помехоподавительное сопротивление 4.

От рассмотренной конструкции датчика 24.3706 в значительной мере отличается конструкция датчиков-распределителей, предназначенных для установки на двигатели переднеприводных автомобилей типов ВАЗ-2108 , ВАЗ-21 09, ВАЗ-1111 . Специфика конструкции двигателя переднеприводного автомобиля, а также высокие требования к электрическим параметрам и точности момента зажигания системы зажигания определили особенности конструктивного исполнения распределителей:

- горизонтальное расположение валика распределителя при установке на двигатель;

- установка двух опор по краям приводного вала распределителя;

- фланцевое крепление распределителя к корпусу двигателя;

- жесткая, непосредственная связь приводного валика распределителя с бегунком;

- усиленная изоляция крышки за счет применения искростойкой пластмассы из полибутилентерефталата.

Первые три конструктивные особенности вызваны необходимостью увеличить жесткость распределителя и уменьшить погрешность момента искрообразования , связанную с вибрацией двигателя и распределителя. Уменьшению погрешности момента искрообразования служит также торцовое горизонтальное крепление распределителя зажигания и привод непосредственно от распределительного вала двигателя.

На рис. 25 приведена конструкция датчика-распределителя 40.3706, используемого в составе БСЗ переднеприводного автомобиля ВАЗ-2108. Датчик-распределитель оснащен бесконтактным датчиком углового положения на эффекте Холла. С целью защиты от радиопомех в бегунок введен помехоподавляющий резистор номиналом R =1000 Ом, мощностью 2,0 Вт. В схему защиты от излучения радиопомех входят также высоковольтные провода, снабженные экранированными наконечниками свечей зажигания. В наконечники встроены помехоподавительные резисторы номиналом R = 5 кОм, мощностью 2 Вт.

Катушки зажигания. Конструкция катушек для бесконтактных систем аналогична конструкции катушек классической батарейной системы.Различие состоит в основном в намоточных данных.

Некоторые характерные особенности рассмотрим на примере катушки зажигания 27.3705, которая широко применяется в составе БСЗ высоких энергий (рис. 26,а), например, на автомобиле ВАЗ-21О8.

Катушка 27.3705 является аппаратом зажигания, способным развить во вторичной обмотке напряжение 35÷40 кВ при работе на открытую цепь. Вследствие этого она имеет усиленную высоковольтную изоляцию. Высоковольтная крышка 1 катушки зажигания выполнена из искродугостойкого материала ПБТ. Особенностью конструкции является относительно низкое значение сопротивления первичной обмотки (R = 0,45 Ом), что позволяет в достаточной мере стабилизировать выходные характеристики системы зажигания при минимальном значении питающего напряжения (6 В).

В конструкции катушки зажигания предусмотрен специальный клапан, который срабатывает при увеличении давления масла в катушке, что возможно при выходе из строя электронного коммутатора. Введение такого клапана предотвращает опасности взрыва катушки зажигания и воспламенения автомобиля. Существенно отличаются от традиционных конструкция и технология изготовления катушек зажигания для систем зажигания с низковольтным распределением.

Например, двухвыводная катушка зажигания 29.3705, применяемая в составе микропроцессорной системы управления двигателем на автомобиле ВАЗ-21083 (рис. 26,6), выполнена по специальной технологии, включающей пропитку обмоток эпоксидными компаундами и последующую опрессовку обмоток морозостойким полипропиленом, образующим собственно корпус катушки.

Дальнейшее улучшение характеристик катушек зажигания направлено на совершенствование конструкции и технологии производства катушек с замкнутой магнитной системой, обладающих большими коэффициентами передачи энергии и связи, по сравнению с катушками с разомкнутой системой при одинаковой запасаемой энергией в первичной цепи.

Отечественной промышленностью освоен выпуск двухвыводной катушки зажигания 3009.3705 (R1 =0,52 Ом; R2 =6,3 кОм; L1=5,9 мГн; L2 = 29 Гн; W1 = 115; W2 = 8008) с замкнутым магнитопроводом (рис. 26, в). Вторичная обмотка катушки наматывается на многосекционный каркас, выполненный из пластмассы. Внутри каркаса размещается первичная обмотка. Обе обмотки устанавливаются в пластмассовый корпус и заливаются компаундом. Такая же технология применяется и при производстве новых одновыводных катушек зажигания с замкнутой магнитной системой (рис. 26,г), которые планируется использовать в электронных системах зажигания.

Коммутаторы. По конструктивному исполнению и технологии изготовления коммутаторы контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания могут быть разделены на три группы:

- выполняемые на дискретных полупроводниковых компонентах и корпусных интегральных микросхемах, устанавливаемых на печатных платах;

- выполняемые на базе толстопленочной технологии с применением стандартных бескорпусных и дискретных компонентов;

- изготавливаемые по гибридной технологии и использующие специальную твердотельную заказную микросхему, на которой реализуются основные функциональные узлы коммутатора.

Коммутаторы контактно-транзисторных систем и коммутаторы с постоянной скважностью выходного импульса тока для бесконтактных систем функционально просты и содержат небольшое число полупроводниковых компонентов (как правило, не более четырех транзисторов), они относятся к первой группе. Их основой служит литой алюминиевый корпус, имеющий ребристую наружную поверхность для увеличения теплоотдачи. Внутри корпуса расположены все элементы коммутатора, за исключением выходного транзистора, который монтируется на корпусе в специальном «кармане».

Многие типы транзисторов (п-р-п-типа) требуют изоляции от корпуса коммутатора, и поэтому они монтируются через специальную прокладку. Для снижения теплового сопротивления перехода между корпусом коммутатора и изоляционной прокладкой наносят слой теплопроводной пасты. Для подключения коммутатора к бортовой сети автомобиля и к элементам системы зажигания используется клеммная колодка.

Коммутатор ТК102А (рис. 27) относится к первой группе. Он предназначен для работы в контактно-транзисторной системе зажигания для автомобилей с восьмицилиндровыми двигателями, но может быть применен для работы с любым классическим распределителем зажигания. В качестве нагрузки используется катушка 5114 (W2/W1=235; L1=3,7 мГн; R1=0,42 Ом). Для ограничения первичного тока используется добавочное сопротивление СЭ107 (1,04 Ом).

Схема коммутатора ТК102А (рис. 28) содержит один мощный германиевый транзистор VT1 (ГТ701А), стабилитрон VD2 (Д817В) и диод VD1 (Д7Ж), служащие для защиты от перенапряжения силового транзистора VТ1, дроссель L1 и резистор R1, предназначенные для ускорения процесса закрывания транзистора VT1, конденсатор С1 первичного контура катушки зажигания, конденсатор С2, служащий для защиты компонентов схемы коммутатора от всплеска напряжения в бортовой сети автомобиля.

Типичным примером коммутаторов для бесконтактных систем зажигания может служить коммутатор 13.3734, разработанный на базе первого серийного отечественного коммутатора ТК200 для БСЗ «Искра». Коммутатор предназначен для совместной работы с бесконтактным магнитоэлектрическим датчиком, катушкой зажигания 5116 и добавочным сопротивлением 14.379. Схема коммутатора (рис. 29) содержит выходной транзистор VТЗ (КТ848А), каскад предварительного усиления на транзисторе VТ2 (КТ630Б) и резисторе R7, формирователь сигнала датчика на транзисторе VТ1 (КТ6305) и элементах R1-RЗ, С1, VD1, VD2.

Между выходом и входом коммутатора включена положительная обратная связь (R10, С7), обеспечивающая стабильную работу коммутатора на пусковых частотах вращения валика распределителя (20÷30 мин^-1). Цепочка RЗС1 служит для уменьшения электрического смещения момента зажигания в зависимости от частоты вращения датчика.

Коммутатор содержит также цепи защиты выходного транзистора (С5, С6, R9) и элементов схемы (С2-С4, VDЗ, VD4, R8). Конструктивно коммутатор выполнен на печатной плате, на которой смонтированы маломощные элементы схемы. Плата установлена в оребренный литой дюралюминиевый корпус, в котором установлены силовые элементы схем.

Первый отечественный коммутатор с нормируемой скважностью импульсов выходного тока 36.3734, применяемый на автомобиле ВАЗ-2108, выполнен также по дискретной технологии. Коммутатор рассчитан для работы с бесконтактным датчиком на эффекте Холла. В качестве нагрузки используется катушка 27.3705 (W2/W1 =85; R1 =0,5 Ом; L1 =3,8 мГн). В коммутаторе 36.3734 реализовано программное регулирование времени накопления энергии в первичной обмотке катушки зажигания, активное ограничение уровня первичного тока (8÷9 А), ограничение амплитуды импульса первичного напряжения (350÷380 В), безыскровое отключение первичного тока при остановленном двигателе (Тоткл= 1,5÷3 с). Последнее предназначено для плавного закрывания коммутационного транзистора с целью предотвращения искрообразования при остановке двигателя, когда катушка зажигания осталась под током.

На рис. 30 приведена электрическая принципиальная схема коммутатора 36.3734. Основные функциональные узлы схемы выполнены на операционных усилителях DА1.1-DА1.4, которые являются компонентами микросхемы К1401 УД1. На базе усилителей DА 1.2 и DА 1.3 реализованы интегратор и компаратор схемы нормирования скважности импульсов выходного тока. На усилителе DА1.1 собрана схема безыскрового отключения тока, на усилителе DА1.4 - компаратор схемы ограничения амплитуды выходного тока.

В качестве выходного транзистора применен транзистор Дарлингтона типа КТ848А. Конструктивно коммутатор представляет собой печатную плату, на которой размещены радиокомпоненты схемы, за исключением выходного транзистора VT4, защитного диода VD7 и стабилитрона ограничителя напряжения питания VD4, которые смонтированы на корпусе коммутатора. Для подключения коммутатора к бесконтактному датчику Холла, к катушке зажигания и источнику питания используется семиконтактный разъем.

К недостаткам коммутаторов первой группы можно отнести большие габаритные размеры и массу изделий, а также при крупносерийном производстве низкую технологичность и недостаточную надежность в связи с большим количеством радиокомпонентов.

Существенного снижения массогабаритных показателей можно добиться при изготовлении коммутаторов по толстопленочной технологии с применением стандартных бескорпусных компонентов. В то же время они относительно дороги, трудоемки в производстве и поэтому не нашли широкого применения.

Наилучшими показателями с точки зрения трудоемкости, технологичности и надежности обладают коммутаторы третьей группы. Они содержат специальную заказную микросхему, на которой реализуются основные функциональные узлы: схема нормирования скважности с адаптацией по уровню выходного тока, схема безыскрового отключения тока, устройство ограничения тока и некоторые другие узлы. По гибридной толстопленочной технологии выполняется силовая часть схемы коммутатора с элементами защиты от импульсных перегрузок по цепи питания.

Примером использования этой технологии может служить коммутатор 0.227.100.103 фирмы Bosch (рис. 31).

Схема содержит следующие основные элементы: бескорпусный выходной транзистор VT1; специализированную микросхему DА1 (МА 7355) совместно с навесными миниатюрными конденсаторами С2-С5, выполняющую основные функции коммутатора; корпусные диод VD1, стабилитрон VD2, миниатюрный конденсатор С1 и толстопленочные резисторы RЗ, R4, выполняющие функции защиты от импульсных перенапряжений в бортовой сети и перепутывания полярности батареи.

Схема также содержит толстопленочные резисторы, служащие для измерения и подстройки требуемых уровней первичного тока R6, R7, R10 и первичного напряжения R8, R9. RС-цепь защиты выходного транзистора выполнена на дискретных элементах С7, R11.

Отечественной промышленностью также освоен выпуск аналогичных коммутаторов. Внешний вид одноканального и двухканального коммутаторов показан на рис. 32.

В основе одноканального транзисторного коммутатора 3620.3734 (рис. 33,а) лежит специализированная микросхема КР1055ХП1, выполняющая его основные функции.

1. Управление силовым транзистором, прерывающим ток в первичной цепи системы зажигания.

2. Регулирование времени протекания тока в первичной цепи.

4. Переход в режим расширения длительности выходного импульса тока первичной цепи, если значение тока разрыва Iр ниже (0,9÷0,98) Iр ном.

5. Восстановление функции регулирования времени протекания тока в течение заданного промежутка времени.

6. Формирование управляющего сигнала для работы тахометра.

7. Безыскровое отключение первичного тока при постоянном высоком уровне сигнала с выхода микропереключателя Холла.

8. Защита от перенапряжений в бортсети и инверсного включения источника питания.

В качестве выходного транзистора VТ1 применен транзистор Дарлингтона типа КТ898А с встроенным стабилитроном. Навесные конденсаторы СЗ-С6 совместно в резистором R6 обеспечивают выполнение микросхемой основных функций.

Резисторы R8 и R9 служат для измерения первичного тока, используемого в качестве управляющего сигнала для микросхемы DА1. Резисторы R1, R2 и R3 обеспечивают необходимое напряжение питания микросхемы и микропереключателя Холла. Резистор R5 служит нагрузкой для микропереключателя Холла. Стабилитроны VD1 и VD2 защищают микросхему и микропереключатель Холла от перенапряжений в цепи питания.

Кратковременные всплески высокого напряжения, а также перенапряжения обратной полярности гасятся конденсаторами С1 и С2. Резистор R4 определяет силу тока базы выходного транзистора и, следовательно, значение тока в первичной цепи. Цепочка обратной связи R7, С7 улучшает качество переходного процесса при регулировании первичного тока.

Электрическая схема двухканального коммутатора 6420.3734 (рис. 33,6) разработана на основе электрической схемы коммутатора 3620.3734.

Основное различие заключается в наличии двух специализированных микросхем КР1055ХП1 (DА1 и DА2), управляющих работой двух выходных транзисторов VT2 и VT3. В свою очередь микросхемы управляются сигналом с выхода датчика импульсов (или контроллера) через разделения каналов коммутатора посредством ключевого каскада на транзисторе VT1 (КТ352БМ).

Схема коммутатора также снабжена устройством формирования сигнала управления тахометром (VD3, VD4, R22). Конструктивно коммутатор выполнен на одной печатной плате, так же как и коммутатор 3620.3734.

Создан коммутатор с использованием специализированной интегральной схемы L497B, выполненной на основе толстопленочной гибридной технологии.

По мере развития цифровой и микропроцессорной техники и разработки комплексных систем управления двигателем транзисторный коммутатор, сохраняя свое функциональное значение, в конструктивном плане может терять очертания самостоятельного изделия, интегрируясь в рамках единой конструкции с цифровым контроллером или катушкой зажигания. Следующим шагом на пути интеграции электронного блока является передача функции нормирования скважного выходного импульса тока в схему контроллера.

В этом случае модуль коммутатора реализует функции распределения высоковольтных импульсов, ограничения тока и первичного напряжения, выдачи сигнала обратной связи об уровне тока в катушке зажигания.

Контроллеры. Отечественной промышленностью разработаны контроллеры серий МС2715.03 для легковых автомобилей ВАЗ21083 и МС2713.01 для грузовых автомобилей ЗИЛ-4314, предназначенные для управления углом опережения зажигания по оптимальной характеристике регулирования на основе информации от датчиков начала отсчета, частоты вращения, разрежения в задроссельном пространстве карбюратора и температуры охлаждающей жидкости. Контроллеры осуществляют также управление электроклапаном ЭПХХ.

Контроллер МС2715.03 для легковых автомобилей с четырехтактным четырехцилиндровым двигателем вырабатывает сигнал «выбор канала» для обеспечения функции статического распределения энергии по цилиндрам двигателя.

Структурная схема контроллера приведена на рис. 34. На выходы контроллера поступают сигналы от датчика начала отсчета НО, датчика угловых импульсов УИ, датчика разрежения ВР, датчика температуры охлаждающей жидкости Тохл.

После обработки сигналов датчиков в аналого-цифровом преобразователе АЦП информация о параметрах двигателя в виде цифровых кодов поступает в процессор, который вычисляет частоту вращения, разрежение, температуру, угловое положение коленчатого вала двигателя и на основании этих данныхвычисляет угол опережения зажигания в соответствии с картой углов опережения зажигания двигателя, которая хранится в памяти процессора.

Синхронизация работы контроллера с работой ДВС и формирование сигнала «выбор канала» производится посредством импульсов датчика НО. Выгодные сигналы процессора управляют работой формирователей импульса зажигания ФИЗ и импульса выбора канала ФВК, усилителя ЭПХХ. Сигналы ФИЗ и ФВК непосредственно управляют работой двухканального коммутатора.

Преимущества электронных систем зажигания

Применение электронных систем зажигания на автомобилях с карбюраторными двигателями позволяет получить следующие преимущества:

- значительно уменьшается эрозия контактов прерывателя и увеличивается их ресурс (в контактно-транзисторных системах);

- исключаются полностью механический прерыватель и связанные с ним погрешности момента искрообразований и необходимость его регулировки в процессе эксплуатации;

- обеспечивается возможность повышения вторичного напряжения U2m;

- гарантируется работа на обедненных рабочих смесях, в частности, путем увеличения искрового промежутка в свечах зажигания;

- обеспечивается надежная работа двигателя даже при загрязненных свечах (при малых значениях сопротивления Rш за счет крутого фронта нарастания импульса вторичного напряжения);

- облегчается холодный пуск двигателя при сильно разряженной аккумуляторной батарее (6 В);

- гарантируется оптимальное регулирование угла опережения в функции ряда параметров двигателя (в электронных системах зажигания) без свойственных механическим регуляторам опережения зажигания погрешностей;

- обеспечивается возможность полного отказа от механического высоковольтного распределителя (в системах с низковольтным распределением).

При применении электронных систем зажигания созданы условия, обеспечивающие экономичность и безопасность работы двигателя на всех режимах, повышение его приемистости при разгонах, снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов, соответствие уровня излучаемых радиопомех современным требованиям.