Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Система зажигания

В бензиновом двигателе (SI) про­цесс сгорания топлива инициируется внеш­ним зажиганием. Поджог сжатой топливо­воздушной смеси в нужный момент времени осуществляется системой зажигания. Зажи­гание осуществляется электрической искрой, образуемой между электродами свечи зажи­гания в камере сгорания. Вот о том, как устроена система зажигания в бензиновом двигателе, мы и поговорим в этой статье.

Стабильное, надежное зажигание при лю­бых условиях абсолютно необходимо для обеспечения бесперебойной работы двига­теля. Сбои в системе зажигания вызывают:

• Пропуски зажигания смеси;
• Повреждение или разрушение каталитиче­ского нейтрализатора;
• Увеличение содержания токсичных ве­ществ в отработавших газах;
• Увеличение расхода топлива;
• Снижение эффективной мощности двига­теля.

Искровое зажигание

Электрическая искра может возникнуть на свече зажигания только по достижении необхо­димого напряжения зажигания (см. рис. «Напряжение на свече зажигания при статической или полустатической топливной смеси» ). На­пряжение зажигания зависит от зазора между электродами свечи зажигания и плотности топливно-воздушной смеси на момент зажига­ния. После электрического пробоя напряжение на свече зажигания снижается до напряжения горения искры. Напряжение горения искры за­висит от длины искры (определяемой зазором между электродами и отклонением искры по­током топливно-воздушной смеси).

В течение времени горения искры энергия, запасенная в системе зажигания, преобразу­ется в искру зажигания. Затем искра гаснет, и напряжение спадает до нуля.

Смесеобразование и энергия зажигания

Электрическая искра между электродами свечи зажигания создает высокотемператур­ную плазму. При наличии смеси соответству­ющего состава в области свечи зажигания и при подаче системой зажигания достаточ­ного количества энергии дуга создает фронт пламени, который затем распространяется независимо.

Система зажигания должна обеспечивать этот процесс при любых условиях работы двигателя. При идеальных условиях, когда топливно-воздушная смесь неподвижна, од­нородна и имеет стехиометрический состав, для каждого отдельного процесса зажига­ния требуется количество энергии, равное 0,2 мДж. В реальных условиях работы двига­теля требуется значительно больше энергии. Некоторая часть энергии искры преобразу­ется во время пробоя, а оставшаяся часть — во время горения искры.

При увеличении зазора между электро­дами искра увеличивается, однако для этого требуется более высокое напряжение за­жигания. При бедной топливно-воздушной смеси или на двигателях с наддувом также требуется увеличенное напряжение зажига­ния. При данном уровне энергии продолжи­тельность искры при увеличении напряже­ния зажигания уменьшается. Как правило, более продолжительная искра стабили­зирует процесс горения топлива; неодно­родность смеси в области свечи в момент зажигания может быть скомпенсирована за счет увеличения продолжительности искры Турбулентность топливно-воздушной смеси, подобная турбулентности, имеющей место в режиме послойного распределения заряда топлива, может вызвать значительное от­клонение искры, приводящее к ее погаса­нию. Для повторного зажигания топливно-воздушной смеси требуются многоискровые системы зажигания.

Необходимость в более высоких напря­жениях зажигания, большей продолжитель­ности искры и обеспечении многоискрового зажигания вызвала создание систем с более высокой энергией зажигания. Недостаточная энергия зажигания является причиной про­пусков зажигания топлива. Поэтому система зажигания должна обеспечивать достаточное количество энергии при любых условиях ра­боты двигателя.

Эффективное распыление топлива и сво­бодный доступ топливно-воздушной смеси к искре повышают воспламеняемость смеси и способствуют увеличению продолжительности и длины искры. Расположение и длина искры определяются размерами свечи зажигания. Продолжительность искры зависит от типа и конструкции системы зажигания, а также от условий в камере сгорания. В зависимости от особенностей двигателя (впрыск топлива во впускной трубопровод, прямой впрыск то­плива или наличие наддува) требуемая энергия искры составляет от 30 до 100 мДж.

Момент зажигания

Начало сгорания топлива в двигателе вну­треннего сгорания определяется моментом зажигания. Момент зажигания всегда ука­зывается относительно верхней мертвой точки поршня. Самый ранний возможный момент зажигания определяется пределом возникновения детонации, а самый позд­ний — пределом воспламеняемости смеси или максимальной допустимой температу­рой отработавших газов. Момент зажигания оказывает влияние на:

• Крутящий момент двигателя;
• Состав отработавших газов;
• Расход топлива.

Базовая точка зажигания

Скорость распространения фронта пламени в камере сгорания увеличивается при уве­личении заряда смеси в цилиндре и частоты вращения коленчатого вала. Для создания максимального крутящего момента двига­теля максимальная скорость сгорания и, следовательно, максимальное давление продуктов горения должны достигаться вскоре после прохождения поршнем верх­ней мертвой точки (см. рис. «Характеристика давления в камере сгорания в зависимости от момента опережения зажигания» ). Следова­тельно, зажигание должно происходить до верхней мертвой точки, и момент зажигания должен сдвигаться в сторону опережения по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала или уменьшения заряда смеси.

Также момент зажигания должен быть сдвинут в сторону опережения в случае бедной топливно-воздушной смеси (λ > 1), поскольку в этом случае имеет место более низкая скорость распространения фронта пламени. Таким образом, установка момента зажигания зависит от частоты вращения ко­ленчатого вала, величины заряда смеси и со­става смеси (коэффициента избытка воздуха λ). Моменты опережения зажигания опреде­ляются на испытательном стенде, и в случае электронных систем управления двигателем сохраняются в программной памяти блока управления (см. рис. «Диаграмма момента зажигания в функции частоты вращения коленчатого вала и относительной величины заряда воздуха» ).

Коррекция момента опережения зажигания в зависимости от условий работы двигателя

Осуществляя управление моментом опереже­ния зажигания, электронные системы управ­ления двигателем, кроме частоты вращения коленчатого вала, могут учитывать и другие факторы. Базовый момент опережения зажига­ния может быть изменен посредством аддитив­ных коррекций или, для определенных рабочих точек или диапазонов, заменен в соответствии со специальными программными таблицами. В качестве примеров аддитивной коррекции можно привести коррекцию момента опереже­ния зажигания для предотвращения детонации, или при работе двигателя с системой прямого впрыска топлива на бедной смеси и во время прогрева. Примерами использования специаль­ных значений угла опережения зажигания или программных таблиц является коррекция угла опережения зажигания в режиме послойного распределения заряда смеси и во время пуска двигателя. Окончательная реализация зависит от архитектуры блока управления двигателем.

Состав отработавших газов и расход топлива

Момент опережения зажигания оказывает значи­тельное влияние на состав отработавших газов. Однако различные критерии оптимизации, такие как состав отработавших газов, расход топлива, динамика автомобиля и т.д., не всегда могут быть совместимы, поэтому определить «идеальный» момент опережения зажигания не всегда пред­ставляется возможным.

Изменения момента опережения зажигания вызывают взаимно противоположные измене­ния расхода топлива и состава отработавших газов (см. рис. «Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания а_z на состав отработавших газов» и «Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания а_z на расход топлива и крутящий момент» ). При увеличении опереже­ния зажигания возрастает мощность двигателя, снижается расход топлива, но также увеличи­вается содержание в отработавших газах угле­водородов и особенно оксидов азота. Слишком большое опережение зажигания может приве­сти к детонации двигателя и, как следствие, к его выходу из строя. Позднее зажигание приводит к повышению температуры отработавших газов, что также негативно влияет на работу двигателя.

Системы электронного управления работой двигателя по программируемым зависимостям изменения момента опережения зажигания обе­спечивают его корректировку в соответствии с изменениями таких параметров, как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, темпера­тура и т.п. Также электронные системы могут использоваться для получения оптимального сочетания взаимоисключающих параметров.

Предотвращение детонации

Электронные системы управления моментом опережения зажигания дают возможность точ­ного регулирования угла опережения зажигания в зависимости частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, температуры и т.д. Тем не менее, даже при отсутствии специальной системы кон­троля детонации должны быть предусмотрены средства предельно допустимых значений угла опережения зажигания.

Это необходимо, чтобы даже в экстремальных условиях, касающихся допусков изготовления, износа двигателя, окружающих условий, каче­ства топлива и т.д., ни в одном из цилиндров не могла возникать детонация. В результате прихо­дится снижать степень сжатия и сдвигать момент опережения зажигания в сторону запаздывания, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению крутящего момента двигателя.

Этих недостатков позволяет избежать си­стема контроля детонации. Опыт показывает, что эта система позволяет увеличить степень сжатия, значительно снизить расход топлива и повысить крутящий момент. В настоящее время требуемая коррекция угла опережения зажигания должна быть определена не для наи­худших, а, напротив, для наилучших возможных условий (например, для минимального разброса допусков, наилучшего качества топлива, для ци­линдра, менее всего склонного к детонации и т.д.). Теперь на протяжении всего срока службы двигателя стало возможным управлять каждым отдельным цилиндром таким образом, чтобы при любых условиях он работал вблизи порога детонации, т.е. с максимальной возможной эффективностью. Для создания такой системы особенно важно иметь надежный метод опреде­ления детонации. Этот метод должен позволять определять детонацию в каждом цилиндре во всем диапазоне условий работы двигателя, на­чиная с определенной интенсивности детонации.

Система контроля детонации

Система контроля детонации (см. рис. «Блок-схема системы защиты двигателя от детонации» ) включает:

• Датчик детонации:
• Оценка сигнала;
• Блок детектирования детонации;
• Адаптивную систему регулирования угла зажигания.

Датчик детонации

Типичным симптомом детонации является вы­сокочастотная вибрация, накладывающаяся на кривую низкого давления в камере сгорания. Лучше всего эта вибрация определяется непо­средственно в камере сгорания при помощи датчиков давления. Однако, поскольку уста­новка датчиков давления в головке блока ци­линдров для каждого цилиндра все еще связана с высокими дополнительными затратами, эти вибрации обычно определяются при помощи датчиков детонации, устанавливаемых снаружи двигателя. Эти датчики представляют собой пье­зоэлектрические датчики ускорения (см. рис. «Датчик детонации» ), воспринимающие детонационную вибрацию и преобразующие ее в электрический сигнал.

Существуют датчики детонации двух ти­пов: широкополосный датчик с типичной полосой частот от 5 до 20 кГц и резонанс­ный датчик, передающий сигнал детонации только одной резонансной частоты. Гибкая система оценки сигнала в блоке управления дает возможность оценки различных или не­скольких резонансных частот при помощи одного широкополосного датчика детонации. Это повышает надежность системы, в связи с чем в настоящее время в основном приме­няются широкополосные датчики детонации.

Для надежного определения детонации во всех цилиндрах и при любых условиях работы двигателя количество и расположение датчиков детонации необходимо определить для каждого типа двигателя. На четырехцилиндровых ряд­ных двигателях обычно устанавливают один или два датчика детонации, на 5- и 6-цилиндровых двигателях — два, а на 8- и 12-цилиндровых дви­гателях — четыре датчика детонации.

Оценка сигнала датчика детонации

Специальный блок оценки сигнала в блоке управления обрабатывает сигнал широко­полосного датчика детонации и генерирует показательную переменную для каждого процесса сгорания топлива. Эта чрезвычайно гибкая система оценки сигнала, использую­щая широкополосный датчик детонации, дает значительно лучшие результаты по сравне­нию с резонансным датчиком детонации. Это связано с тем, что резонансный датчик передает только одну резонансную частоту для анализа состояния всех цилиндров при любых условиях работы двигателя.

Детектирование детонации

Переменная величина, генерируемая блоком оценки сигнала, классифицируется в алго­ритме детектирования детонации как «де­тонация» или «отсутствие детонации» для каждого цилиндра и каждого процесса сго­рания топлива. Это выполняется посредством сравнения величины переменной, характери­зующей текущий процесс сгорания топлива с переменной, представляющей процесс без детонации.

Адаптивная система регулирования угла опережения зажигания

В случае детектирования детонации в цилин­дре момент опережения зажигания для этого цилиндра сдвигается в сторону запаздывания (см. рис. «Система контроля детонации» ). Когда детонация прекращается, угол опережения зажигания возвращается к исходному значению. Алгоритмы детектирования детонации и регулирования угла опережения зажигания согласованы таким образом, чтобы исключить слышимую и вредную для двигателя детонацию, несмотря на то, что каждый цилиндр работает вблизи предела детонации в пределах диапазона оптимальной эффективности.

В реальных условиях работы двигателя имеют место различные пределы детонации для отдельных цилиндров, что требует для них различных моментов опережения зажигания. Для адаптации момента опережения зажигания к пределу детонации значения запаздывания опережения зажигания для каждого цилиндра и для каждой рабочей точки двигателя записы­ваются в память блока управления. Эти значе­ния для различных нагрузок и частот вращения коленчатого вала заносятся в программные таблицы, которые хранятся в энергонезависи­мом запоминающем устройстве и в ОЗУ с по­стоянным питанием. Таким образом, двигатель может работать без детонации с оптимальной эффективностью в любой рабочей точке, а также в условиях быстрого изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Эта адаптация позволяет даже использовать бензин с более низким октановым числом.

Системы зажигания двигателя

На современных автомобилях системы зажи­гания почти всегда представляют собой часть системы управления двигателем. Автоном­ные системы зажигания в настоящее время используются только в некоторых случаях (например, на автомобилях с двигателями малого рабочего объема). В основном приме­няются системы распределения статического высокого напряжения с отдельными катуш­ками зажигания для каждого цилиндра (ин­дуктивные системы зажигания, см. рис. «Система зажигания с индивидуальными катушками зажигания для каждого цилиндра» ). Значительно реже (на малолитражных дви­гателях) используются системы зажигания на основе высоковольтных конденсаторов (емкостное зажигание) или специальные кон­струкции, такие как магнето. В следующем разделе будут рассмотрены только системы с использованием катушек зажигания.

Техника безопасности при работе с системой зажигания

Все электронные системы зажигания являются системами высокого напряжения. Во избежание любых рисков, перед тем как приступить к работам по обслуживанию систем зажигания всегда выключайте зажигание или отсоединяйте аккумуляторную батарею. Такие работы могут включать:

• Замену компонентов системы (свечей зажига­ния, катушек или трансформаторов зажигания, распределителей зажигания, проводов высо­кого напряжения);
• Подсоединение контрольно-измерительных приборов, таких как стробоскопические лампы, измерители угла замкнутого состояния, частоты вращения коленчатого вала, осцилло­графов.

Производя проверку системы зажигания, помните, что при включенном зажигании в системе присутствуют опасные высокие сопряжения. Все работы должны выполняться только квалифицированным персоналом.

Индуктивные системы зажигания

Контур индуктивной системы зажигания (см. рис. «Структура контура зажигания в системе с отдельными катушками зажигания для каждого цилиндра» ) включает:

• катушку зажигания с первичной и вторич­ной обмотками;
• Задающий (усилительный) каскад, как правило на биполярных полевых транзи­сторах с изолированным затвором (IGBT), встроенный в блок управления двигателем или катушку зажигания. Этот элемент слу­жит для подачи электрического тока на первичную обмотку катушки зажигания и отключения электрического тока.
• Свечу зажигания, подключенную к вторич­ной обмотке катушки зажигания.

Перед требуемым моментом зажигания за­дающий (усилительный) каскад открывается, и через первичную обмотку катушки начинает протекать электрический ток, источником ко­торого является электрическая система авто­мобиля. В течение времени протекания тока по первичной обмотке (период протекания тока), в первичной обмотке создается магнитное поле.

В момент зажигания электрический ток че­рез первичную обмотку снова прерывается, и энергия магнитного поля разряжается через вторичную обмотку катушки зажигания. В ходе этого процесса во вторичной обмотке генери­руется высокое напряжение, которое, в свою очередь, генерирует искру на свече зажигания. Требуемое напряжение зажигания на свече всегда должно быть меньше максимального возможного напряжения, которое может соз­дать система.

После электрического пробоя оставшаяся часть энергии преобразуется на свече зажи­гания в течение периода горения искры.

Функции индуктивной системы зажигания

Основными функциями индуктивной си­стемы зажигания являются:

• Определение момента зажигания;
• Определение периода протекания электри­ческого тока в первичной обмотке;
• Инициирование зажигания.

Определение момента зажигания

Текущий момент зажигания определяется в каждом случае программным образом, в за­висимости от условий работы и эффективной выходной мощности двигателя.

Определение периода протекания электри­ческого тока

Требуемая энергия зажигания должна быть доступна в момент зажигания. Количество на­копленной энергии зависит от силы электри­ческого тока протекающего через первичную обмотку катушки (тока отсечки) и индуктив­ности первичной обмотки. Сила тока отсечки, в основном, зависит от времени протекания тока через первичную обмотку и от напряжения в электрической системе автомобиля. Значения периодов протекания тока, требуемых для до­стижения желаемого тока отсечки, содержатся в характеристических кривых или программных таблицах в функции напряжения в установив­шемся состоянии. Также может быть предусмо­трена коррекция периода протекания тока в пер­вичной обмотке в зависимости от температуры

Инициирование зажигания

Система инициирования зажигания обеспе­чивает возникновение искры в соответствую­щем цилиндре в нужный момент времени с требуемым уровнем энергии зажигания. В системах зажигания с электронной систе­мой управления на коленчатом вале закре­плен импульсный зубчатый диск (обычно 60 зубцов) с установочной меткой, который сканируется генератором импульсов индук­тивного типа (датчиком). По сигналу датчика блок управления вычисляет угол поворота коленчатого вала и моментальную скорость вращения коленчатого вала. Катушка зажи­гания может быть включена и выключена при любом требуемом положении коленча­того вала. Для системы также требуется до­полнительный фазовый сигнал положения распределительного вала для однозначной идентификации цилиндра.

Для каждого процесса сгорания топлива блок управления вычисляет момент вклю­чения, исходя из желаемого момента зажи­гания, периода протекания электрического тока и текущей частоты вращения коленча­того вала, и в этот момент включает задаю­щий (усилительный) каскад. Выключение задающего каскада в соответствии с требуе­мым моментом зажигания, производится по истечении периода протекания тока или по достижении требуемого угла поворота колен­чатого вала.

Автомобиль с искровым зажиганием это

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

1. 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.

2. Электронные и микропроцессорные системы зажигания

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.

3. Выходные каскады с многовыводными катушками зажигания

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

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

4. 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:

5. 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).

6. 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

https://press.ocenin.ru/sistema-zazhiganiya/
http://altay-krylov.ru/ch_sovr_avt_sist_za.html