3.1.3. Управление моментом
искрообразования
Основные характеристики
бензинового двигателя — мощность,
крутящий момент, удельный расход
топлива, токсичность в большой
степени зависят от того, в
какой момент движения поршня
к ВМТ в такте сжатия происходит
воспламенение смеси. Для количественной
оценки этого момента принято
пользоваться термином "угол опережения
зажигания" — углом поворота
коленчатого вала, выраженным в
градусах, с момента пробоя искрового
промежутка свечи до момента
прохождения поршнем ВМТ.
Необходимо отметить,
что в современных двигателях
на некоторых режимах (например,
при резком ускорении) искровой
разряд происходит уже после
прохождения поршнем ВМТ, т.е.
имеет место не опережение, а
запаздывание момента зажигания.
Наивыгоднейший (с точки зрения максимального
крутящего момента и минимального удельного
расхода топлива) угол опережения зажигания
в каждый конкретный момент работы двигателя
сложным образом зависит от множества
взаимосвязанных факторов. Однако можно
выделить определяющие (при заданном составе
топливовоздушной смеси и октановом числе
топлива): частота вращения коленчатого
вала, нагрузка на двигатель (т.е. расход
воздуха), температура охлаждающей жидкости,
температура всасываемого воздуха. Положение
осложняется тем, что достижение максимальной
мощности и экономичности на всех режимах
работы современного ДВС оказывается
невозможным. Одним из препятствий является
возникновение детонационного сгорания
топлива на ряде режимов, особенно при
комбинации высокой нагрузки и низкой
частоты вращения коленчатого вала.
На этих режимах
приходится уменьшать угол опережения
зажигания, жертвуя экономичностью
и тяговыми характеристиками
двигателя. Другим важным ограничивающим
фактором является необходимость
соблюдения жестких норм на
токсичность выхлопа. По признаку
управления моментом искрообразования
все применяющиеся сейчас системы
зажигания можно разделить на
системы с механическим и с
электронным управлением. Системы
с механическим управлением господствовали
на автомобилях в течение нескольких
десятилетий, все время совершенствуясь,
но не претерпели каких-либо кардинальных
изменений в своей конструкции, заложенной
еще в начале века. Механическая система
осуществляет две функции - регулирование
момента зажигания в зависимости от частоты
вращения коленчатого вала двигателя
и от нагрузки на двигатель (в качестве
меры нагрузки используется величина
разрежения за дроссельной заслонкой).
Первая функция осуществляется так называемым
центробежным автоматом. Основы центробежного
регулятора составляют грузики и пружины.
В зависимости от формы и
массы грузиков, а также жесткости пружин,
центробежные регуляторы способны обеспечивать
различные, но в любом случае очень простые
и далёкие от оптимальных характеристики.
Точность повторения таких характеристик
полностью определяется совершенством
технологии и составляет в лучшем случае
±2°. К тому же эти характеристики подвержены
изменениям в процессе эксплуатации. Регулирование
момента искрообразования в зависимости
от разрежения за дроссельной заслонкой
(нагрузка на двигатель) осуществляется
вакуумными устройствами. Существует
несколько вариантов таких устройств,
обеспечивающих, в зависимости от сложности
конструкции, различные по сложности характеристики.
Несомненным достоинством механических
регуляторов является то, что конструктивно
почти все элементы системы, кроме катушки,
интегрируются в единый узел, осуществляющий
несколько функций одновременно — т.н.
прерыватель-распределитель или просто
распределитель зажигания. Распределитель
обеспечивает функции формирования и
регулирования момента зажигания (а в
контактных системах — и коммутации тока
в катушке), а также функцию распределения
высоковольтной энергии в соответствии
с порядком работы цилиндров двигателя.
Главный же недостаток
таких систем с точки зрения
управления моментом зажигания
— неспособность обеспечить сложную
трехмерную характеристику, необходимую
для удовлетворения жестких и
порой противоречивых требований
к современным двигателям. Получение
подобных характеристик возможно
только при использовании цифровой
и микропроцессорной электроники.
Забегая вперед, отметим, что в
большинстве современных автомобилей
используются комплексные системы
управления, т.е. системы, в которых
управление зажиганием и впрыском
осуществляет единый блок.
В этом случае можно
говорить о подсистеме управления
зажиганием в составе более
сложной системы. Рассматриваемые
далее принципы построения и
работы микропроцессорных систем
зажигания полностью распространяются
и на подсистемы зажигания
комплексных систем управления.
Основу системы составляет блок
управления 1, выполненный на базе
микропроцессора. В ПЗУ блока
управления при изготовлении
заносится "матрица" значений
углов опережения зажигания. Матрица
определяется на этапе испытаний
и доводки двигателя путем
многочисленных измерений на
динамометрическом стенде. Для получения
информации о частоте вращения
и положении коленчатого вала
используется датчик, устанавливаемый
над специальным (маркерным) диском.
В некоторых системах, обслуживающих
многоцилиндровые двигатели и
имеющих статическое распределение
высоковольтной энергии, используются
также датчики положения распределительного
вала. Конструкция датчиков может
быть различной - используются
индукционные, оптические и датчики
Холла.
В качестве датчика
нагрузки в процессорных системах
обычно используется датчик абсолютного
давления во впускном трубопроводе.
Однако, если на автомобиле установлена
система управления впрыском топлива
с датчиком расхода воздуха, сигнал этого
датчика, соответствующим образом обработанный
в блоке управления впрыском, может использоваться
также и блоком управления зажиганием.
В качестве примера можно привести взаимодействие
систем LH-Jetronic (управление впрыском) и
EZ (управление зажиганием) фирмы BOSCH на
таких автомобилях, как MERCEDES-BENZ, PORSCHE, VOLVO
и др. После получения информации о частоте
вращения коленчатого вала и нагрузке
на двигатель блок управления выбирает
из записанной в ПЗУ матрицы необходимое
в данный момент значение угла опережения
зажигания. При необходимости это значение
корректируется в зависимости от температуры
охлаждающей жидкости и всасываемого
воздуха, после чего формируется сигнал
управления выходным каскадом. Как правило,
в микропроцессорных системах зажигания
выходной каскад работает без ограничения
тока на всех режимах частоты вращения
коленчатого вала. Стабилизация тока разрыва
на заданном уровне (обычно 6,5+8,5 А) осуществляется
микропроцессором за счёт поддержания
оптимального времени протекания тока
по первичной обмотке (обмоткам) катушки
(катушек) на основании информации, хранящейся
в памяти блока. Выходной каскад (т.е. оконечный
усилитель тока) в силу специфики условий
работы ( l m a x - до 10 A, U m a x - до 400 В, нагрев)
очень часто выносится из блока управления
и размещается в моторном отсеке, как правило,
в непосредственной близости от катушки
(катушек) зажигания. В сервисной литературе
такие каскады обозначаются как "Power
Tranzistor", "Ignition Module", коммутатор
и т.п
Сказанное относится
и к коммутаторам комплексных
систем управления.
3.1.4. Способы распределения
высоковольтной энергии в электронных
системах зажигания
Распределение высоковольтной
энергии в современных системах
зажигания может осуществляться
различными методами. Часть электронных
систем зажигания с микропроцессорным
управлением углом опережения
для распределения высоковольтной
энергии по цилиндрам двигателя
использует механический распределитель,
почти аналогичный применяемым
в классических и транзисторных
системах.
Конструкция такого
распределителя в большинстве
случаев упрощает- Наряду с этим широко
применяются распределители со встроенными
датчиками частоты вращения/положения.
В дополнение к этому непосредственно
на корпусе распределителя может устанавливаться
коммутатор системы зажигания. Появление
"сухих" катушек зажигания с замкнутым
магнитопроводом привело к появлению
оригинальной разновидности механического
распределителя. У таких систем катушка
зажигания встраивается непосредственно
в крышку или в корпус распределителя,
а высоковольтный вывод через скользящий
контакт соединяется с центром разносной
пластины бегунка (другой вывод вторичной
обмотки, как обычно, соединяется с"+"
первичной обмотки). Таким образом, привычный
центральный высоковольтный провод вообще
отсутствует.
Широкое распространение
такие системы получили на
автомобилях GM, TOYOTA, NISSAN, MAZDA, HONDA, MITSUBISHI.
В последнее время, особенно
с начала 90-х годов производители
автомобилей всё чаще применяют
статическое распределение высоковольтной
энергии. Существует две основные
разновидности этого метода - метод
"Waste Spark", т.е. — "холостая искра"
и метод непосредственного (индивидуального)
распределения. Порядок работы цилиндров
в данном двигателе 1-2-3-4-5-6. Каждая из трех
используемых катушек работает на два
цилиндра, в которых такты сжатия и выпуска
происходят одновременно, т.е. для данного
двигателя -1 и 4; 2 и 5; 3 и 6. Во время пробоя
искрового промежутка в цилиндре 1 (такт
сжатия) в цилиндре 4 также происходит
пробой, но так как в этом цилиндре имеет
место такт выпуска, падение напряжения
между электродами свечи четвертого цилиндра,
а, следовательно, и энергия, выделяемая
на ее искровом промежутке, незначительны.
Поэтому основная энергия выделяется
на искровом промежутке первого цилиндра.
После поворота коленчатого
вала на 360" происходит смена
тактов: в первом цилиндре - выпуск,
в четвертом - сжатие, соответственно
основная энергия выделяется
на искровом промежутке четвертого
цилиндра. Те же процессы происходят
и в оставшихся двух парах
цилиндров. Включение необходимой
катушки зажигания осуществляется
электронным блоком управления
по сигналам датчика частоты вращения
положения коленчатого вала. При такой
схеме за один рабочий цикл двигателя
(два оборота коленчатого вала) необходимо
три сигнала на "разрешение" искрообразования
и три - на "разрешение" накопления
энергии, а также сигнал, идентифицирующий
какое-либо положение (например, ВМТ) поршней
какой-либо пары, например первого и четвертого
цилиндров. Очевидно, что идентификация
фазы работы (сжатие или выпуск) первого
цилиндра в этом случае необязательна,
т.к. достаточно информации о его нахождении
в ВМТ. Для этой цели используется специальный
маркерный диск. При непосредственном
распределении для каждого цилиндра используется
индивидуальная катушка, расположенная
в непосредственной близости от свечи
зажигания. В этом случае высоковольтные
провода вообще отсутствуют. Однако отсутствие
воздушного зазора "бегунок- крышка"
может привести к несанкционированному
пробою искрового промежутка свечи в момент
начала протекания тока по первичной обмотке.
Для исключения этого
явления во вторичную обмотку
каждой катушки может включаться
высоковольтный диод, препятствующий
протеканию тока обратной полярности.
Блок управления содержит несколько
мощных выходных каскадов (по
числу цилиндров двигателя), работающих
в строгой последовательности, повторяющей
порядок работы цилиндров.
Подавляющее большинство
производителей для обеспечения
синхронизации в таких системах
использует датчик положения
распределительного вала. Системы
с индивидуальными катушками
сложнее и дороже, однако обладают
рядом преимуществ. Отсутствие паразитного
искрового промежутка (бегунок - крышка)
позволяет уменьшить коэффициент трансформации
индивидуальной катушки, что в сочетании
с небольшой ёмкостью вторичной цепи (высоковольтный
провод отсутствует) позволяет значительно
повысить устойчивость искрообразования
в условиях загрязнения свечей (т.е. образования
шунтирующего сопротивления параллельно
искровому промежутку). Кроме этого индивидуальное
распределение обеспечивает значительно
меньший уровень электромагнитных помех
и более высокую надежность работы системы
в целом. Отказ какого- либо компонента
в первичной и общей части вторичной цепи
в обычных системах приводит к отказу
системы.
В двигателе с индивидуальным
распределением высоковольтной
энергии в аналогичном случае
происходит лишь частичная потеря
мощности из-за отсутствия искрообразования
в одном цилиндре, автомобиль тем
не менее может продолжать движение (системы
"Waste Spark" в этом плане занимают промежуточное
положение).
В новейших автомобилях
для исключения выбросов несгоревшего
топлива в окружающую среду
и защиты катализатора блок
управления отключает подачу
топлива в неисправный цилиндр.
Для регистрации факта пропусков
искрообразования может использоваться
сигнал со специального измерительного
резистора R1, включённого в цепь
вторичных обмоток, а также
другие, более сложные способы.
3.1.5. Системы зажигания с обратной
связью по сигналам датчика
детонации В большинстве современных
систем зажигания с электронным управлением
используются принципы теории автоматического
регулирования. В качестве главного критерия
в настоящее время выбран критерий бездетонационной
работы двигателя при обязательном условии
соблюдения норм по токсичности выхлопа.
В таких системах
происходит непрерывная коррекция
рассчитанного блоком управления
угла опережения зажигания по
сигналам датчика (или группы
датчиков) детонации. Датчик детонации
выполняется, как правило, на
базе пьезоэлемента и устанавливается
в точке наиболее интенсивного излучения
колебаний, возникающих при возникновении
детонационного сгорания смеси в цилиндрах
двигателя. Обычно датчик закрепляется
непосредственно на стенке блока цилиндров
или головке блока. В более сложных системах
могут устанавливаться два и более датчиков.
Факт обнаружения детонации в цилиндрах
1, 2 и 3 обозначается соответственно как
К,, К2 и К3. В четвертом цилиндре детонация
на рассматриваемом интервале времени
отсутствует.