При поступлении на
вход сигнала детонации блок
управления уже к следующему
такту сжатия в этом цилиндре
уменьшает угол опережения зажигания
примерно на 1+2°. При этом в
цилиндре, где детонация отсутствует,
угол опережения зажигания остается
прежним. Если сгорание смеси
вновь сопровождается возникновением
детонации, блок управления уменьшает
угол опережения зажигания ещё
на один шаг (цилиндр 1) и
т.д. И только после того, как
будет зафиксировано отсутствие
детонации, причем, как правило,
в течение нескольких десятков
последовательных тактов, начинается
постепенный возврат значения
угла опережения зажигания к
значениям, записанным в базовой
"матрице". Как видно этот
возврат происходит гораздо медленнее
и небольшими (0,2*0,3°) приращениями.
Оригинальным способом решается
проблема регистрации факта детонации
в последних моделях автомобилей
SAAB, оснащенных системой зажигания
с накоплением энергии в электрическом
поле конденсатора. Датчик детонации
на этих автомобилях отсутствует.
Его роль выполняют обычные
свечи зажигания.
Центральные электроды
всех четырех свечей находятся
под постоянным напряжением +80
В относительно "массы" (т.е. бокового
электрода). Это так называемое ионизирующее
напряжение. Под его действием газы, образовавшиеся
в результате сгорания смеси, способны
проводить электрический ток, что позволяет
регистрировать детонационные волны по
характеристике протекающего через свечу
тока. Алгоритм управления углом опережения
зажигания при наличии детонации в системе
практически не отличается от описанного
выше. Благодаря применению датчиков детонации
удаётся повысить степень сжатия двигателя
и, таким образом, получить более высокие
мощностные и экономические показатели.
Значительно снижается вероятность повреждения
двигателя при применении низкооктанового
топлива. Однако возможности таких систем
не безграничны, поэтому при эксплуатации
не следует применять бензин с октановым
числом, более чем на 5+6 единиц ниже рекомендуемого
заводом-изготовителем.
3.1.6. Компоненты электронных
систем зажигания
Основными компонентами
электронных систем зажигания
являются блоки управления, коммутаторы,
датчики, катушки зажигания и
свечи. Блоки управления и коммутаторы
в силу специфики данной книги
здесь не рассматриваются. Из
наиболее важных датчиков следует
отметить датчики нагрузки, частоты
вращения и/или положения, детонации
и температуры.
3.1.6.1. Датчики частоты
вращения и положения
Наиболее широкое распространение
получили три типа датчиков
частоты вращения/положения - индукционные,
на эффекте Холла и оптические.
Основу датчика составляют постоянные
полюсные магниты 3, число которых
равно числу цилиндров двигателя
(в данном случае - 4). Поверх стержней
магнитов устанавливаются катушки
с обмотками 1; все обмотки соединены
последовательно. При вращении
вала распределителя с закрепленным
на нем распределителем магнитного
потока 4 в обмотках возникает
переменное напряжение. Амплитуда
выходного напряжения таких датчиков
составляет примерно 0,5+1,0 В при прокрутке
стартером и увеличивается с ростом частоты
вращения коленчатого вала, поэтому в
электронном блоке (коммутаторе) предусмотрено
ограничение сигнала датчика на уровне
6+10 В. Моменту запирания выходного транзистора
коммутатора соответствует момент перехода
через 0, т.е. момент t3. Для формирования
сигнала частоты вращения и/или положения
коленчатого вала в микропроцессорных
системах (или подсистемах) зажигания
индукционные датчики устанавливаются
в непосредственной близости от зубьев
маховика или специального диска, закрепленного
на коленчатом валу двигателя. Основу
датчика также составляет постоянный
магнит 1, катушка с обмоткой 5 и сердечник
4.
Принцип действия этого
датчика также основан на изменении
величины магнитного потока при
прохождении зубьев диска вблизи
сердечника датчика. В большинстве
случаев маркерные диски имеют
конструкцию, позволяющую при
использовании всего одного датчика
получить сигнал, содержащий информацию,
как о частоте вращения коленчатого
вала, так и о его угловом
положении. Однако в некоторых
случаях применяется другое решение
- в качестве маркерного диска
используется зубчатый венец
маховика, а для получения сигнала
синхронизации используется специальный
штифт и второй индукционный
датчик (например, пятицилиндровые
двигатели AUDI, некоторые модели VOLVO
и др.). Другим часто применяемым
типом датчика частоты вращения/
положения является датчик Холла.
Чаще всего этот датчик устанавливается
непосредственно в распределителе
зажигания.
Принцип действия такого
датчика основан на изменении
выходного сигнала в результате
прерывания (экранирования) магнитного
потока, воздействующего на чувствительный
элемент Холла. Для создания
магнитного потока используется
постоянный магнит, а для его
прерывания в большинстве случаев
используются маркерные диски-экраны
из магнитомягкого материала. В отличие
от индукционного датчика, датчик Холла
является активным, т.е. использует электронные
компоненты (усилитель-ограничитель) и
поэтому требует наличия питающего напряжения.
Датчик Холла может получать информацию
также и непосредственно с маркерного
диска коленчатого вала.
Этот диск закрепляется
на внутренней стороне шкива
коленчатого вала. На один оборот
вала датчик выдает три импульса,
используемых блоком управления
зажиганием и впрыском для
управления работой коммутатора
и форсунок. Для получения сигнала
синхронизации используется датчик
положения распределительного вала,
также использующий эффект Холла,
но имеющий иную конструкцию.
В этом случае на поверхности
вращения (например, торец распределительного
вала) закрепляется магнит, а крыльчатка-экран
не используется. Непосредственно
над плоскостью вращения магнита
устанавливается собственно датчик Холла.
При вращении вала и прохождении магнита
вблизи чувствительного элемента датчика
Холла на его выходе появляется импульс
напряжения. Для получения информации
о частоте вращения и положении коленчатого
и распределительного валов применяются
также оптические датчики.
Принцип действия таких
датчиков заключается в периодическом
прерывании маркерным диском
светового потока, создаваемого
излучателем (светодиодом) в инфракрасном
диапазоне и регистрации изменений
этого потока приемником (фотодиодом).
После усиления выходного напряжения
фотодиода на выходе датчика
получается напряжение импульсной
формы. Как правило используются
двухканальные оптические датчики. Основное
преимущество оптических датчиков - высокая
разрешающая способность, поэтому в паре
с такими датчиками используются маркерные
диски с большим числом прорезей (как правило,
они следуют с шагом в 1°), что позволяет
с высокой точностью определять угловое
положение коленчатого вала. Естественно,
что в этом случае предъявляются повышенные
требования к приводу распределителя.
Необходимо отметить, что применение датчиков
фазы (т.е. датчиков положения распределительного
вала) в подавляющем большинстве случаев
не является необходимым условием работы
системы зажигания на двигателях с механическим
распределением высоковольтной энергии,
а также с системами "Waste Spark". Исключение
составляют двигатели с нечетным числом
цилиндров, а также, двигатели с индивидуальными
катушками зажигания. Применение датчиков
положения распределительного вала на
современных автомобилях в большинстве
случаев обусловлено необходимостью правильной
синхронизации работы форсунок, а в моделях
выпуска после 1995+96 гг. - требованиями OBD-II
(система бортовой самодиагностики). В
качестве датчиков положения распределительного
вала применяются все три типа рассмотренных
выше датчиков.
3.1.6.2. Датчики температуры
Практически все применяемые
в настоящее время датчики
температуры выполнены на основе
полупроводниковых резисторов, имеющих
отрицательный температурный коэффициент
сопротивления (TKR). Сопротивление
таких датчиков уменьшается с
увеличением температуры. Конструкция
такого датчика показана на
рис. 3.35. Характеристики датчиков, применяемых
различными производителями, отличаются
друг от друга, однако в принципе
они похожи. Практически такие
же характеристики имеют и
датчики температуры всасываемого
воздуха. Более того, очень часто
в датчиках температуры охлаждающей
жидкости и всасываемого воздуха
используется один и тот же
тип терморезистора. В этом случае
такие датчики отличаются только
конструкцией корпуса. Наиболее
распространенным типом датчика
детонации на современных автомобилях
является пьезоэлектрический преобразователь.
Принцип работы такого
датчика заключается в преобразовании
вибрации каких-либо поверхностей
двигателя (например, стенки головки
цилиндров) в электрический сигнал.
Как правило, датчики детонации,
устанавливаемые на конкретный
тип двигателя, обладают резонансной
характеристикой, "настроенной"
на этот двигатель (обычно максимальная
чувствительность датчика достигается
на частотах 5+8 кГц). Это означает, что наибольшее
напряжение на выходе датчика возникает
как раз на частотах колебаний, излучаемых
конкретной деталью, в которую вворачивается
датчик, (например, головкой блока) при
детонационном сгорании топлива. Это позволяет
значительно увеличить отношение сигнал/
шум на выходе датчика и повысить вероятность
распознавания начала детонации блоком
управления. Многие производители применяют
широкополосные датчики детонации, собственная
резонансная частота которых достаточно
высока (более 20+30 кГц). В этом случае необходимая
резонансная характеристика формируется
в электронном блоке обработки сигнала
детонации. Некоторые конструкции двигателей
отличаются детонационными вибрациями
с довольно широким спектром частот излучения.
В таких случаях также применяются широкополосные
датчики детонации. Разновидность пьезодатчика
детонации - датчик со встроенным шунтирующим
резистором.
При исправном состоянии
всей цепи на выходе датчика
действует постоянное напряжение
+2,5 В, получаемое в результате работы делителя
из резисторов R1 и R2. Сигнал детонации
изменяется в обе стороны от этого уровня
(в диапазоне 0+5 В). Такое решение обусловлено
тем, что пьезоэлемент не пропускает постоянного
тока, а потому диагностика цепи датчика
блоком управления затруднена. В приводимой
схеме эти трудности легко устраняются.
В случае обрыва в цепи датчика напряжение
на входе блока управления становится
равным +5 В, а в случае короткого замыкания
равно нулю. Таким образом блок управления
диагностирует состояние этой цепи ещё
до запуска двигателя, при включении зажигания.
В случае обнаружения неисправности блок
управления существенно (на 10+15°) снижает
углы опережения зажигания на большинстве
режимов работы двигателя для гарантированного
недопущения детонации. При этом мощностные
и экономические характеристики автомобиля
ухудшаются, но значительно снижается
риск повреждения двигателя.
3.1.6.4. Катушки зажигания
На протяжении нескольких
десятилетий на автомобилях господствовала
маслонаполненная катушка зажигания
с разомкнутым магнитопроводом, конструкция
которой подробно описана в различной,
в том числе отечественной литературе.
Появление транзисторных и микропроцессорных
систем зажигания высокой энергии с постоянным
временем накопления потребовало создания
более совершенных катушек зажигания
с замкнутым магнитопроводом. Такие катушки
не имеют масляного заполнения, технологичнее
в производстве и обладают более высокими
характеристиками, прежде всего, более
высоким коэффициентом передачи энергии,
что позволяет существенно уменьшить
их габариты и снизить расход меди. Катушки
данного типа получили наибольшее распространение
на современных двигателях. Конструкция
с замкнутым магнитопроводом используется
также в "двухвыводных" катушках
систем "Waste Spark" и в индивидуальных
катушках зажигания, устанавливаемых
непосредственно на каждую свечу зажигания.
Наиболее распространенным типом свечей,
применяемых на современных легковых
автомобилях, являются неэкранированные
свечи с воздушным искровым промежутком.
Наиболее важным параметром свечи является
ее тепловая характеристика, т.е. способность
рассеивать (отводить) тепло, передаваемое
ей в результате сгорания смеси.
При работе свечи
к ней предъявляются противоречивые
требования, обусловленные различными
условиями протекания процессов
сгорания на различных режимах
работы двигателя. С одной стороны,
на режимах холостого хода
и малых нагрузок (не говоря
уже о режимах пуска и прогрева),
температура конуса изолятора
не должна опускаться ниже 300+400°С
для гарантированного самоочищения. С
другой стороны, на режимах высоких частот
вращения коленчатого вала и больших нагрузок,
температура электродов и изолятора не
должна превышать 800+850'С во избежание преждевременного
воспламенения смеси (калильное зажигание).
Получаемое в результате сгорания смеси
в цилиндре тепло свеча отводит в основном
в тело головки блока цилиндров и частично
в окружающую среду.
Нижняя граница теплового
диапазона определяется условием
самоочистки конуса изолятора свечи, верхняя
граница - условием работы без калильного
зажигания.
Для количественной
оценки тепловой характеристики
свечи пользуются термином "калильное
число". Каждый производитель
использует свою систему обозначения
калильных чисел, однако это
не меняет физического смысла
данного понятия - калильное число
отражает положение кривой теплового
диапазона свечи на диаграмме.
"Горячие" свечи зажигания
работают при более высокой
температуре конуса изолятора,
поэтому более подходят для
работы в условиях городского
движения, особенно при коротких
поездках или в зимнее время.
"Холодные" свечи имеют более
низкую температуру конуса, поэтому
обеспечивают надёжную защиту
от возникновения калильного
зажигания при движении с высокими
скоростями и нагрузками. При
необходимости замены свечей
зажигания необходимо также учитывать
тот факт, что температурный диапазон
работы свечей на современных
высокофорсированных двигателях
значительно шире, чем на двигателях
разработки 15+20-летней давности. Это
означает, что зачастую недостаточно
правильно подобрать свечи по
калильному числу, необходимо
также, чтобы устанавливаемые
свечи обладали возможностью
безотказной работы в более
широком диапазоне температур. Таким
условиям отвечают свечи типа
"термоэластик" или "супертермоэпастик",
которые обеспечивают, с одной стороны,
хороший отвод тепла при высоких температурах
за счёт изготовления центрального (а
в последнее время и бокового) электрода
из меди, а с другой - надёжную очистку
при работе в низкотемпературном диапазоне
за счёт оптимизации размеров и формы
изолятора.
Для увеличения срока
службы и удлинения интервалов
замены свечей центральный и боковой
электроды покрываются благородными металлами,
в частности платиной, обладающей высокой
стойкостью к электрохимической эрозии.
Величина искрового промежутка у таких
свечей остаётся стабильной на протяжении
25+30 тыс. км и более. В последнее время все
больше производителей применяют «платиновые"
свечи непосредственно при сборке на конвейере.
Это диктуется стремлением к увеличению
интервалов между ТО. Этой же цели (увеличение
срока службы) служат многоэлектродные
свечи. Однако за счет маскировки фронта
пламени и повышенной теплоотдачи такие
свечи имеют худшие по сравнению с одноэлектродными
показатели по токсичности, экономичности
и стабильности работы на низкотемпературных
режимах.