Достоинства и недостатки классической системы зажигания

Достоинствами классической системы зажигания являются:

1) простота конструкции;

2) невысокая стоимость аппаратов зажигания.

К недостаткам классической системы зажигания можно отнести следующие:

1) с увеличением частоты вращения и числа цилиндров двигателя уменьшается вторичное напряжение;

2) механические контакты в механизме прерывателя ограничивают уровень первичного тока, а следовательно и энергию искрового разряда;

3) эрозия (перенос металла с одного контакта на другой) и коррозия контактов прерывателя приводят к уменьшению срока их службы и к нарушению установленного УЗСК;

4) повышенная погрешность момента зажигания по цилиндрам двигателя при эксплуатации вследствие износа кулачка;

5) чрезмерный нагрев катушки зажигания при низкой частоте вращения коленчатого вала двигателя;

6) контактная система зажигания является источником радиопомех (для их снижения применяется экранирование, которое приводит к значительному увеличению емкости вторичной цепи, и поэтому при экранировании нельзя обеспечить надежность на всех режимах работы двигателя).

 

ЛЕКЦИЯ 11

Электронные системы зажигания

Современные двигатели внутреннего сгорания не могут надежно и эффективно работать с контактной системой зажигания, т.к. она не может обеспечить большой энергии разряда. Для этого ей необходимо увеличение тока разрыва, что недопустимо, так как при большом токе работа контактов прерывателя становится ненадежной.

Улучшить характеристики систем зажигания удалось в электронных системах зажигания – системах зажигания, в состав которых входят элементы полупроводниковой техники, в частности транзисторы и тиристоры.

Контактно-транзисторные системы зажигания

Первыми из электронных систем зажигания начали применяться контактно-транзисторные системы зажигания. В этих системах первичный ток протекает не через контакты прерывателя, а через транзистор (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Принципиальная схема контактно-транзисторной системы зажигания с силовым реле на одном транзисторе

При замыкании контактов 1 прерывателя по цепи базы транзистора 2 идет ток. В результате этого транзистор открывается, обеспечивая питание первичной обмотки катушки зажигания 3. При размыкании контактов прерывателя транзистор закрывается и разрывает цепь питания обмотки. Во вторичной обмотке катушки зажигания индуцируется высокое напряжение, подаваемое на распределитель.

Контактно-транзисторная система зажигания имеет недостатки, присущие контактной системе зажигания. В частности, у многоцилиндрового двигателя возникает вибрация рычажка прерывателя при высоких частотах вращения. При этом вместо одной появляются несколько искр, но значительно меньшей мощности, нарушается момент зажигания. Такое явление называется дребезгом контактов. При наличии контактного прерывателя остается необходимость периодической регулировки угла замкнутого состояния контактов. Указанные недостатки исключены в бесконтактных системах зажигания, в которых вместо контактного прерывателя используется бесконтактный датчик.

Транзисторные коммутаторы

В реальной контактно-транзисторной системе зажигания вместо транзистора 2 (рис. 3.5) применяется транзисторный коммутатор, в котором кроме транзистора имеется ряд элементов, служащих для защиты транзистора от перенапряжений и улучшения условий его переключения. Основной функцией транзисторного коммутатора является своевременное замыкание и размыкание первичной цепи катушки зажигания.

Одним из таких коммутаторов является коммутатор ТК102 (рис. 3.11). Система зажигания с этим коммутатором работает аналогично рассмотренной ранее. Отличия вызваны наличием дополнительных элементов для управления транзистором. Импульсный трансформатор ИТ обеспечивает ускорение закрывания транзистора. Резистор R служит для формирования запирающего импульса. Диод VD1 препятствует прохождению через стабилитрон тока от аккумуляторной батареи. Стабилитрон VD2 ограничивает напряжение, предотвращая пробой транзистора. Конденсатор С1 снижает потери мощности в транзисторе в период его запирания и, следовательно, уменьшает нагрев транзистора. Добавочный резистор выполнен из двух секций R1 и R2. Секция R2 постоянно включена в цепь первичной обмотки катушки зажигания. Секция R1 при пуске закорачивается. Это необходимо из-за снижения напряжения аккумуляторной батареи при питании стартера.

Рис. 3.11. Принципиальная схема контактно-транзисторной системы зажигания с транзисторным коммутатором ТК102

Контроллеры

Для управления углом опережения зажигания в зависимости от ряда параметров двигателя (углового положения и частоты вращения коленчатого вала, разрежения в околодроссельном пространстве карбюратора, температуры охлаждающей жидкости и др.), для управления электроклапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ), для управления накоплением энергии в катушке зажигания используются специальные электронные устройства - контроллеры. На вход контроллеров подается информация с датчиков начала отсчета, частоты вращения, разрежения в околодроссельном пространстве и температуры охлаждающей жидкости. Конструктивно контроллер может быть выполнен автономно или в едином блоке с транзисторным коммутатором. Перспективное направление развития контроллеров связано с применением микропроцессоров и микроЭВМ. Эти устройства способны быстро анализировать большой объем информации, и следовательно эффективно управлять не только системой зажигания, но и другими системами, влияющими на работу автомобиля в целом.

3.4.2. Системы зажигания с накоплением энергии в емкости
(тиристорные системы зажигания)

Системы зажигания с накоплением энергии в емкости делятся на системы зажигания с импульсным накоплением энергии и системы зажигания с непрерывным накоплением энергии.

Система зажигания с импульсным накоплением энергии представлена на рис. 3.12. На выходе преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение (ПН) формируется импульсное напряжение с амплитудой 200...300 В. Оно подается через диод VD1 на накопительный конденсатор C1. Система работает в циклическом режиме. Рабочий цикл можно разбить на три этапа.

Рис. 3.12. Система зажигания с импульсным накоплением энергии в емкости

1 этап.Этот этап начинается в момент размыкания контактов прерывателя (по сигналу с регулятора момента зажигания). При этом одновременно начинаются два процесса: процесс накопления энергии в ПН и процесс искрообразования. Образование искры происходит потому, что по сигналу с устройства управления открывается тиристор VS1 и через него на катушку зажигания подается высокое напряжение с накопительного конденсатора С1. Энергия, накапливаемая в ПН, измеряется измерительным устройством. Информация о количестве этой энергии подается с измерительного устройства на устройство управления. Когда в ПН накапливается достаточное количество энергии, устройство управления подает сигнал на ПН, по которому начинается второй этап рабочего цикла.

2 этап. На этом этапе энергия, накопленная в ПН, сбрасывается в накопительный конденсатор (импульсное накопление энергии).

3 этап. На этом этапе происходит хранение энергии в накопительном конденсаторе С1. Для предотвращения утечки энергии в цепь питания конденсатора включен диод VD1.

Следует отметить, что в многоискровых системах зажигания по сигналу с регулятора момента зажигания реализуется сначала несколько двухэтапных циклов (оптимально – два цикла), состоящих только из первого и второго этапов, а затем один полный, трехэтапный, цикл.

Система зажигания с непрерывным накоплением энергии представлена на рис.3.13. Данная система работает следующим образом. Преобразователь напряжения преобразует напряжение аккумуляторной батареи 12 В в высокое напряжение 300-400 В. В накопительном конденсаторе С1 накапливается энергия искрообразования. При замыкании контактов прерывателя (или по соответствующему сигналу с регулятора момента зажигания) устройство управления формирует сигнал, по которому электронный коммутатор подключает накопительный конденсатор к выходу ПН, где имеется высокое напряжение 300-400 В. Конденсатор заряжается до этого напряжения. В момент размыкания контактов прерывателя устройство управления формирует сигнал, по которому электронный коммутатор подключает накопительный конденсатор к первичной обмотке катушки зажигания. В контуре, образованном конденсатором С1 и первичной обмоткой катушки зажигания, возникают затухающие синусоидальные колебания. Амплитуда напряжения первой полуволны этих колебаний близка к напряжению заряда накопительного конденсатора. При этом во вторичной обмотке катушки зажигания индуцируется высокое напряжение, достигающее 20-30 кВ.

Рис. 3.13. Система зажигания с непрерывным накоплением энергии в емкости

Системы зажигания с накоплением в емкости имеют перед системами зажигания с накоплением в индуктивности ряд преимуществ: 1) меньшее потребление энергии при хранении энергии в накопителе; 2) более крутое нарастание вторичного напряжения, а значит меньшее рассеяние энергии из-за утечки тока во вторичной цепи.

Основными недостатками систем зажигания с накоплением в емкости являются: 1) небольшая длительность искры; 2) наведение мощных радиопомех. Первый недостаток устраняется использованием дополнительных источников энергии для поддержания искры (аккумуляторная батарея, автомобильный генератор, дополнительные накопительные конденсаторы). Второй недостаток частично устраняется сокращением длины проводов во вторичной цепи, применением помехоподавительных резисторов, экранированием.

 

ЛЕКЦИЯ 12

Бесконтактные датчики

Известно несколько типов бесконтактных датчиков: магнитоэлектрические, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлектронные, токовихревые, на эффекте Виганда, фотоэлектрические.

Магнитоэлектрический датчик преобразует изменение угла поворота Da коленчатого вала в изменение магнитного потока DФ, которое в свою очередь преобразуется в напряжение U.

Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим потоком (т.е. потоком, изменяющимся по своему значению, но постоянным по направлению). Схема датчика представлена на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Схема магнитоэлектрического датчика с пульсирующим магнитным потоком

При вращении зубчатого ротора 4 изменяется магнитное сопротивление магнитной цепи, а следовательно изменяется значение магнитного потока Ф. В обмотке индуцируется напряжение (рис.3.15):

,

 

где k – коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи;

W – число витков обмотки;

n – частота вращения зубчатого ротора;

dФ – изменение потока Фпри изменении угла поворота на da.

Рис. 3.15. Зависимости магнитного потока Ф и напряжения обмотки U_вых от угла поворота a распределителя потока

Из приведенной формулы видно, что выходное напряжение датчика зависит от частоты вращения. Одно и то же напряжение при разных частотах вращения будет соответствовать разным углам поворота коленчатого вала. Наименее всего частота вращения влияет на выходное напряжение при его нулевом значении (точка 0 на рис. 3.16). Поэтому для получения момента зажигания выбирают допустимо низкое значение выходного напряжения между точками a и b. При этом должна обеспечиваться нечувствительность системы зажигания к помехам и надежное срабатывание системы в период пуска двигателя.

Рис.3.16. Зависимости напряжения обмотки U_вых от угла поворота a распределителя потока при различной частоте его вращения n

Распределитель потока, или зубчатый ротор, устанавливается на распределительный валик распределителя зажигания. Число зубцов зависит от числа цилиндров двигателя.

Рассмотренный магнитоэлектрический датчик чувствителен к изменению зазора, происходящему из-за конструктивных допусков, вибраций. Это приводит к неправильному искрообразованию. На практике применяется симметричная магнитная система, где число ветвей магнитной цепи увеличено (рис. 3.17). В такой системе уменьшение одного зазора из-за вибрации сопровождается увеличением другого зазора. Поэтому магнитный поток, а следовательно, и момент зажигания будут зависеть только от углового положения распределителя потока.

Рис. 3.17. Схема магнитоэлектрического датчика с симметричной магнитной системой: 1 – магнитная цепь (статор с постоянным магнитом); 2 – обмотка; 3 – распределитель потока

Другой тип магнитоэлектрических датчиков – датчики с переменным (по направлению) потоком, или датчики с вращающимся магнитным потоком (рис. 3.18, а). В этих датчиках зубчатый ротор представляет собой постоянный магнит, зубцами которого являются чередующиеся северные и южные магнитные полюсы. Число пар полюсов равно числу цилиндров двигателя. Такие датчики называются датчиками с вращающимися магнитами. Выходное напряжение датчика находится в сильной зависимости от частоты вращения магнита. В зоне низких частот вращения необходима корректировка момента зажигания.

Рис. 3.18. Магнитоэлектрический датчик с переменным потоком: а – схема датчика: 1 – статор; 2 – обмотка; 3 – магнит; б – зависимости магнитного потока и выходного напряжения от угла поворота магнитного ротора

Датчик на эффекте Холла . Эффект Холла наблюдается в тонкой полупроводниковой пластине с четырьмя электродами (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Элемент Холла

Если через такую пластину проходит ток I и на нее одновременно действует магнитное поле с вектором магнитной индукции B, перпендикулярным плоскости пластины, то на параллельных направлению тока гранях возникает ЭДС Холла:

E_x=k_xIB/d,

где k_x – постоянная Холла, зависящая от материала пластины, d – толщина пластины.

Так как ЭДС Холла очень мала, зависит от значения тока и температуры, то в датчик Холла кроме элемента Холла добавляется преобразовательная схема. В нее входят усилитель, пороговый элемент, выходной каскад (транзистор), стабилизатор напряжения. Для устранения влияния радиоэлектрических помех элемент Холла и преобразовательная схема выполняются в виде единой интегральной схемы, называемой магнитоуправляемой интегральной схемой. Эту схему конструктивно жестко соединяют с магнитной системой (магнитом). В результате получается микропереключатель на эффекте Холла (рис. 3.20). Данный переключатель устанавливается в традиционный распределитель.

Рис. 3.20. Схема микропереключателя на эффекте Холла: 1 – магнит, 2 – ротор, 3 – валик распределителя, 4 – экран, 5 – корпус микропереключателя, 6 – магнитоуправляемая интегральная схема

Ротор 2 переключателя изготовлен из магнитопроводящего материала. Он имеет экраны, число которых равно числу цилиндров. При прохождении экранов через зазор между магнитоуправляемой интегральной схемой 6 и магнитом 1 происходит периодическое ослабление/усиление магнитного потока. На выходе датчика формируется напряжение прямоугольной формы, задающее момент зажигания.

3.4.4. Электронное распределение высокого напряжения
по цилиндрам двигателя

Электронное распределение высокого напряжения по цилиндрам двигателя осуществляется путем коммутации низковольтных цепей катушки (катушек) зажигания. Поэтому часто оно называется низковольтным распределением. Электронное распределение позволяет существенно снизить уровень радиопомех при работе системы зажигания и повысить надежность распределителя.

Если в автомобиле с четырехцилиндровым двигателем используются одновыводные катушки зажигания, то принципиальная схема системы электронного распределения является следующей.

Рис.3.21. Принципиальная схема электронного распределителя высокого напряжения с одновыводными катушками

В этой системе для каждого цилиндра двигателя имеется своя катушка зажигания. Питание первичных обмоток катушек зажигания осуществляется через транзисторные ключи, управляемые контроллером.

Если используются двухвыводные катушки зажигания, то принципиальная схема электронного распределителя является следующей.

Рис. 3.22. Принципиальная схема электронного распределителя высокого напряжения с двухвыводными катушками

В этом случае две свечи, момент искрообразования в которых смещен на 360⁰, управляются одной катушкой зажигания. Искровые промежутки свечей соединены последовательно и искрообразование происходит одновременно в двух цилиндрах. В одном цилиндре – в такте выпуска (холостая искра), во втором – в такте сжатия (рабочая искра).

При использовании четырехвыводной катушки зажигания принципиальная схема электронного распределителя является следующей.

Рис. 3.23. Принципиальная схема электронного распределителя высокого напряжения с четырехвыводной катушкой

В четырехвыводной катушке имеется две включенные встречно первичных обмотки. Распределение импульсов по цилиндрам двигателя осуществляется с помощью высоковольтных диодов VD1...VD4. Свечи зажигания как и в предыдущем варианте работают попарно. Одна из свечей в паре – рабочая, одна – холостая.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: