Статические системы зажигания. Принцип работы системы

Управление зажиганием двигателя осуществляется с помощью микропроцессора (блока управления), который приспособлен к условиям работы на автомобиле. В его память заложены карты углов опережения зажигания, в зависимости от различных режимов работы двигателя, а также программы для их обработки.

Рис. Структурная схема микропроцессорной системы зажигания:
1 ….4 – входные датчики неэлектрических величин (датчик давления и температуры во впускном коллекторе, датчик детонации, датчик температуры двигателя, напряжение аккумуляторной батареи); 5…8 – преобразователи неэлектрических величин в аналоговые электрические сигналы; 9 – датчики крайнего положения дроссельной заслонки; 10 – аналогово-цифровой преобразователь; 11 – микропроцессор; 12 – оперативная память N память запоминающего устройства; 13 – постоянная память Р запоминающего устройства; 14,15 – коммутаторы; 16,17 – двухвыводные катушки зажигания; 18 – свечи зажигания

В микропроцессорной системе зажигания все функции управления объединены в центральный бортовой компьютер автомобиля и персональный блок управления для системы зажигания может отсутствовать. Функции входных сигналов могут выполнять универсальные датчики, определяющие работу не только системы зажигания, но и других систем, например системы питания. Сигнал прерывания цепи низкого напряжения при этом подается на электронный коммутатор выходного каскада непосредственно от центрального бортового компьютера, который управляет всеми системами управления автомобилем. В блоке управления установлен кварцевый резонатор, с помощью которого прерывается цепь низкого напряжения при определенном угле опережения зажигания для каждого конкретного цилиндра и время протекания тока через выходной транзистор.

Выходные каскады микропроцессорных систем зажигания имеют отдельные каналы для подачи энергии искрообразования, поэтому такое распределение называют статическим. Такая система, в отличие от обычных систем с вращающимся распределителем имеет ряд преимуществ. В системах с вращающимся распределителем происходит неравномерное выгорание контактов в крышке распределителя, а значит и разброс искр по цилиндрам, достигающих 2…3 угловых градусов по повороту коленчатого вала. В микропроцессорных статических системах зажигания разброс искр по цилиндрам составляет 0,3…0,5 угловых градусов. В этих системах применяются электронное переключение каналов (прерывание цепи низкого напряжения) на низкопотенциальном уровне непосредственно в блоке управления и статическое распределение каналов цепи высокого напряжения.

В процессе работы двигателя в блок управления подается следующая информация: нагрузка, детонация, температура, напряжение акку­мулятора, частота вращения и положение коленчатого вала, поло­жение дроссельной заслонки.

Информация, подаваемая на преобразователь, поступает от датчиков, которые пре­образуют измеряемые величины в электрические сигналы. Преобразователь входных сигналов сначала преобразует аналоговые сигналы датчиков в цифро­вую форму (т.е. в серию импульсов типа 0-1), поскольку микропроцессор блока управления умеет обрабатывать только числовую информацию.

Некоторые сигналы, такие как частота вращения коленчатого ва­ла, уже поступают в блок управления в виде импульсов, однако большин­ство параметров, такие как температура, напряжение аккумулятора и пр. имеют постоянную полярность, хотя и меняют со временем свои значения. Такие сигналы называются аналоговыми и должны быть преобразованы перед входом в блок управления в цифровую форму с по­мощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). На основании данных, поступающих в микропроцессор вычисляется угол опережения зажигания в соответствии с картой углов опережения зажигания, которая хранится в памяти процессора.

Функции отдельных систем управления микропроцессорной системы зажигания состоят в следующем:

Входное устройство. Сигналы, стекающиеся на входное устройство от датчиков, преобразуются в форму, понятную компьютеру, т.е. в серию импульсов ДА — НЕТ, которые представляют собой цифры в двоичной системе:

ДА = 1, НЕТ = 0

Аналоговые сигналы, например напряжение аккумулятора, пре­образуются в двоичный код с помощью АЦП.

Часы. Компьютер оперирует данными как функциями времени. Для определения времени и временных интервалов в компьютере установлен точный кварцевый генератор импульсов.

Шины. Отдельные блоки компьютера связаны между собой пло­скими кабелями, известными под названием шины. По шинам пе­редаются данные (шина данных), адреса памяти (адресная шина), а также сигналы управления (управляющая шина).

Центральный микропроцессор. Микропроцессор выполняет в компьютере все вычисления. Все, что он умеет делать, это склады­вать, вычитать, делить и умножать, поэтому все программы, которые выполняет процессор должны состоять из этих операций. Кроме того, процессор умеет выполнять логические операции.

Постоянная память. Эта память может только выдавать хра­нящуюся в ней информацию, но она никак не может быть измене­на. Эта информация сохраняется в памяти даже при отсутствии питания. В нее невозможно записать никакую новую информацию. В постоянной памяти хранятся данные, такие как карта значений управляемых параметров двигателя в табличной форме, коды, управляющие программы и пр. Все эти данные заносятся (зашива­ются) в постоянную память изготовителем. В состав постоянной памяти входят также перепрограммируемые и стираемые блоки, которые могут быть использованы изготовителем или его предста­вителем для обновления и изменения записанной информации.

Оперативная память. Текущие данные — сигналы датчиков, команды управления и промежуточные результаты вычислений хранятся в оперативной памяти компьютера, пока не будут замене­ны новой информацией. Оперативная память при выключении питания теряет всю хранящуюся в ней информацию.

Работа бортового компьютера. Информация о характеристи­ках двигателя хранится в памяти компьютера в форме таблиц, на­зываемых рабочими. Эти таблицы получаются из трехмерных карт опережения зажигания и таких же карт для периода замкнутого со­стояния. Рабочие таблицы могут быть составлены компьютером для различных сочетаний параметров, однако, прежде всего таки­ми параметрами являются частота вращения коленчатого вала, нагрузка, температура и напряжение аккумулятора. Каждая из таб­лиц дает свое значение угла опережения, и для определения ис­тинно требуемого угла все результаты сопоставляются.

При включении питания микропроцессор посылает закодирован­ный двоичный адрес, который указывает, к какой части памяти он обращается. Затем посылается управляющий сигнал, указывающий направление и последовательность движения информации в про­цессор или из процессора. Работа самого процессора представляет собой серию двоичных импульсов, с помощью которых информация считывается из памяти, декодируется и выполняется. Программы выполнения операций — арифметических, логических и транспортных также записаны в памяти.

Ниже рассматриваются основные сигналы, поступающие в блок управления:

Нагрузка. Информацию о нагрузке двигателя дает разрежение во впускном коллекторе. Для измерения давления может быть ис­пользован барометрический датчик, основой которого является пьезоэлектрический преобразователь.

Величиной, связанной с нагрузкой двигателя является и расход воздуха через коллектор. Дополнительную информацию о расходе воздуха можно получить, измерив его температуру, что позволяет внести поправки на его плотность. Эти данные используются в ос­новном для блока управления впрыском топлива, который, как правило, объединен с блоком управления системой зажигания.

Как вариант, может быть измерен сразу массовый расход воздуха с помощью датчика с нагреваемой проволокой. Все указанные пара­метры измеряются в аналоговой форме и перед вводом в блок управления должны быть преобразованы в цифровую форму с помощью АЦП.

Детонация. Детонация является акустическим сигналом неконтролируемой формы сгорания и проявляется в виде частого и резкого стука высокого тона на больших нагрузках и ускорениях.

При нормальном процессе сгорания давление на поршень изменяется плавно (кривая 1). Пламя от искры распространяется плавно, постепенно захватывая весь объем камеры сгорания. Скорость движения фронта пламени достигает 50…80 м/с.

Практически весь заряд в камере сгорания должен сгореть прежде, чем откроется выпускной клапан, а от того, как соотносится этот процесс с углом поворота коленчатого вала, зависят мощ­ность, крутящий момент, экономич­ность двигателя, поле температур и т. д. Поэтому искра между электродами све­чи должна появиться несколько раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки, это называют углом опере­жением зажигания. Угол опережения зажигания не одинаков для различных режимов работы двигате­ля и изменяется в широких пре­делах.

Рис. Характер изменения давления в цилиндре двигателя:
1 – нарастание давления при нормальном процессе сгорания; 2 – нарастание давления при детонационном процессе сгорания; 3 – нарастание давления при позднем угле опережения зажигания

Смесь, воспла­менившись от искры, сгорает не мгно­венно. Фронт пламени постепенно при­ближается к дальнему углу камеры сго­рания (зона 2), и хотя там еще ничего не горит, давление и температу­ра за счет «поджатия» уже сгоревшей частью заряда становятся выше, что ус­коряет ход окислительных реакций. Ес­ли топливо не обладает достаточной де­тонационной стойкостью, в сжатой смеси образуются неустойчивые хими­ческие соединения, способные само­воспламениться от малейшего допол­нительного «толчка». Но концентрация этих соединений по объему зоны 2 не­одинакова: в точке, где они наименее устойчивы, происходит первый локаль­ный взрыв, вокруг которого с огромной скоростью (до 2500 м/с) разбежится ударная волна, скачком поднимающая давление и температуру. Пробегая че­рез другие части заряда, близкие к са­мовоспламенению, ударная волна лег­ко «поджигает» их, рождая новые волны. За фронтом каждой ударной волны, движется детона­ционная волна, но процесс сгорания не мгновенен, после прохождения волны смесь какое-то время догорает.

Рис. Зоны сгорания топлива:
1 – зона нормального сгорания; 2 – зона детонации

Контроль детонации сводится к управлению, обеспечивающему угол опережения зажигания, очень близкий к предельному, за которым происходит детонация. При этом повышается КПД двигателя, его мощность и экономичность, возможно использование бензина с разным октановым числом.

При детонации в специфическом спектре частот появляется составляющая с необычайно высокой амплитудой. Выделяя эту частотную область с помощью полосового фильтра, можно получить сигнал для распознавания детонации. Распознавание детонации производится путем сравнения (вычитания) текущего сигнала при отсутствии детонации, регистрируемого в течение определенного времени после поступления сигнала зажигания. Степень детонации определяется подсчетом числа амплитуд в сигнале датчика, величина которых превышает стандартную величину, характерную для начала детонации. После распознавания детонации в зависимости от ее степени производится уменьшение угла опережения зажигания. Если после этого детонация отсутствует, угол опережения зажигания постепенно увеличивается до близкого к детонационному пределу. Наиболее оптимальным углом опережения зажигания считается угол «преддетонационного сгорания», когда сгорание начинается на границе появления детонации.

Детонация обнаруживается с помощью датчиков ускоре­ния, основой которых чаще всего служит пьезоэлектрический преобра­зователь. Такой датчик представляет собой кварцевую пластинку, закрепленную в подходящем месте на блоке цилиндров и прижатую снаружи массивным диском, называемым сейсмическим.

Рис. Датчик детонации на пьезокристалле:
1 – пьезокристалл; 2 – сейсмический диск; 3 – болт крепления; 4 – электрические провода

Принцип действия датчика детонации заключается в следующем. При действии давления на пьезоэлектрический элемент в нем происходит перераспределение электрических зарядов. Если давление на элемент не действует, заряды распределены в нем равномерно. При действии давления электрические заряды перераспределяются таким образом, что между обкладками элемента возникает напряжение. Чем выше давление, тем сильнее разделение зарядов и тем больше напряжение. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Напряжение усиливается в электронной ячейке и используется в качестве сигнала, направляемого в блок управления.

Рис. Принцип работы датчика детонации:
а – давление на элемент не воздействует; б – давление на элемент воздействует

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.

Пьезодатчик генерирует электрическое напряжение, пропорцио­нальное изменению механического напряжения на его поверхно­стях. При детонации вибрация блока цилиндров достигает такого значения, при котором диск, прижатый к датчику, начинает с боль­шой частотой сжимать пластинку кварца, в результате чего на ее гранях появляется переменное электрическое напряжение.

Полученные таким образом сигналы от каждого цилиндра посту­пают в блок управления для оценки их уровня. Предварительно компьютер определяет средний уровень вибраций для каждого цилиндра. Этот уровень постоянно адаптируется к меняющимся условиям. Если сиг­нал детонации от какого-либо цилиндра в момент вспышки превзой­дет пороговый уровень для этого цилиндра, компьютер уменьшит опережение в этом конкретном цилиндре на небольшой угол 1…1,5°. Процесс повторяется для каждого цилиндра в каждом цикле. Если детонации больше нет, компьютер начинает в каждом цикле постепенно увеличивать угол опережения с маленьким шагом, пока не достигнет значения, записанного в карте зажигания.

В результате каждый цилиндр настраивается индивидуально на работу в режиме наибольшей эффективности, поскольку наиболь­шая эффективность достигается при работе на границе детонации.

Поскольку каждый цилиндр имеет свою шумовую характеристику, для четы­рехцилиндрового двигателя оказывается достаточным один датчик, который различает каждый из цилиндров. На шестицилиндровых двигателях устанавливают два таких датчика.

Температура. Для измерения температуры в диапазоне до 200°С в настоящее время чаще всего применяют термисторы вза­мен ранее применявшихся термопар.

Термистор имеет высокую чувствительность, так что значение температуры может быть измерено с точность до 0,05°С. Темпера­тура вводится в компьютер как дополнительный параметр, который наряду с частотой вращения вала и нагрузкой позволяет найти по карте зажигания требуемое опережение для данного режима рабо­ты двигателя.

Рис. Карта опережения зажигания в зависимости от температуры и нагрузки

Напряжение аккумулятора. Это дополнительный параметр. Ес­ли напряжение аккумулятора отличается от эталонного, то момент включения катушки сдвигается вперед или назад для достижения постоянной мощности разряда.

Положение дроссельной заслонки. Датчики крайних положений дроссельной заслонки посылают в блок управления сигнал о том, что дроссельная заслонка достигла одного из крайних положений – полной нагрузки или частоты вращения вала на холостом ходу. Сигналы крайних положений заслонки нужны блоку управления для перехода на специальные программы регулирования зажигания в этих ситуациях.