Общие положения. Контактные и бесконтактные системы зажигания в настоящее время имеют ограниченное применение, а на импортных легковых автомобилях начиная с середины 90-х годов, используются ограниченно. Им на смену пришли системы зажигания четвертого поколения – системы с электронно-вычислительными устройствами управления и без высоковольтного распределителя энергии по свечам в выходном каскаде, так называемые статические системы зажигания. Такие системы принято подразделять на электронно-вычислительные (аналоговые) и микропроцессорные (цифровые).
В электронно-вычислительных системах основной сигнал зажигания формируется с применением время импульсного способа преобразования информации от входных датчиков. Это значит, что контролируемый процесс задается временем его протекания, с последующим преобразованием времени в длительность электрического импульса. Таким образом, в электронно-вычислительных системах контроллер содержит электронный хронометр, и управляется аналоговыми сигналами
В микропроцессорной системе, для формирования сигнала зажигания применяется числоимпульсное преобразование, при котором параметр процесса задается не временем протекания, а непосредственно числом электрических импульсов.
Функции электронного вычислителя здесь выполняет числоимпульсный микропроцессор, который работает от электрических импульсов, стабилизированных по амплитуде и длительности (от цифровых сигналов). Поэтому между микропроцессором и входными датчиками в электронный блок управления микропроцессорной системы устанавливаются числоимпульсные 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).
Компонентный состав современной системы зажигания показан на рис. 9.14.
Характеристические кривые, получаемые при использовании обычных распределителей зажигания с центробежными и вакуумными регуляторами, заменяются оптимизированными электронными отображениями процесса зажигания. Механическое распределение тока высокого напряжения осталось только в некоторых системах зажигания с распределителем зажигания. В таких системах сохранилась одна катушка зажигания на все цилиндры.
Применение электронных систем зажигания позволило создать систему постоянной энергии для двигателей, работающих на бедной смеси во всем диапазоне режимов их работы. Одним и важных факторов, предопределивших применение таких систем, стал фактор приближения опережения зажигания к порогу начала детонации – чем ближе работа двигателя к этому порогу, тем выше его мощность.
Системы зажигания с индивидуальными катушками. В современных электронных и микропроцессорных системах зажигания широко используются выходные каскады с индивидуальными катушками (рис. 9.15) зажигания для каждой свечи в отдельности. В объединенной блок на катушки могут устанавливаться силовые транзисторы. Это делается с целью разгрузки контроллера от множества выходных каскадов.
Электронная система зажигания обычно комбинируется с системой электронного управления впрыском топлива (система Motronic), устройством контроля детонации двигателя, ABS и т.д., что дает возможность использовать датчики и/или сигналы от других узлов автомобиля в более чем одной системе управления.
Основные преимущества системы зажигания Motronic состоят в следующем:
- индивидуальное статическое распределение высокого напряжения по свечам зажигания;
- катушки зажигания с заземленной вторичной обмоткой;
- все входные датчики (датчик Холла, датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик температуры ДВС, датчики дроссельной заслонки, датчик детонации) – это формирователи электрических сигналов из неэлектрических воздействий бесконтактного принципа действия. Аналоговые сигналы от этих датчиков преобразуются в контроллере в цифровые сигналы;
- селективная коррекция угла опережения зажигания по детонации (в каждом цилиндре в отдельности);
- отключение цилиндров ДВС при перебоях в искрообразовании (защита дорогостоящих компонентов двигателя – кислородного датчика и каталитического нейтрализатора от повреждений;
- наличие в контроллере функций самодиагностики и резервирования.
Электронные системы зажигания более точно, чем обычные механические выбирают угол опережения зажигания рис. 9.16.
В механических системах зажигания угол опережения может изменяться только в зависимости от работы вакуумного и центробежного регуляторов, определяющих изменение частоты вращения коленчатого вала и нагрузки, в то же время у электронных, от значительно большего количества факторов (температура двигателя, начало детонации, положение дроссельной заслонки и т. д.). Преимущество электронных систем также заключается в том, что процесс зажигания определяется углом поворота коленчатого вала, а не валика распределителя, чем исключается влияние износов в приводе распределителя, если он применяется.
Исключаются ограничения, накладываемые механическими устройствами регулировки. Число входных параметров теоретически ничем не ограничено, что позволяет расширить диапазон регулирования зажигания.
Принцип работы системы. Управление зажиганием двигателя осуществляется с помощью микропроцессора (блока управления), который приспособлен к условиям работы на автомобиле (рис. 9.17). В его память заложены карты углов опережения зажигания, в зависимости от различных режимов работы двигателя, а также программы для их обработки.
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. 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.
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 (рис. 9.18, 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.
Смесь, воспламенившись от искры, сгорает не мгновенно. Фронт пламени постепенно приближается к дальнему углу камеры сгорания (рис. 9.18, 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.
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 (рис. 10.17). 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, основой которых чаще всего служит пьезоэлектрический преобразователь. Такой датчик представляет собой пьезокерамический элемент 7, закрепленный с помощью болта 6 на корпусе двигателя (рис. 9.20).
В блоке двигателя от детонации возникают волны вибрации. Под действием резонанса сила давления увеличивается, и вибрация возрастает. Сила вибрации воздействует на круглый пьезоэлектрический элемент, вырабатывающий электрический заряд. Напряжение, возникающее между верхней и нижней поверхностью керамического элемента датчика, снимается контактными шайбами 3 и затем обрабатывается блоком управления двигателем.
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 (рис. 9.21, а). При действии давления электрические заряды перераспределяются таким образом, что между обкладками элемента возникает напряжение (рис. 9.21, б). 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.
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, на восьмицилиндровых – четыре.
В автомобилях Mazda с бензиновыми двигателями Skyactiv-G и степенью сжатия 14 для более точного определения преддетанационного сгорания применяют ионные датчики, встроенные в катушки зажигания. Ионные датчики более чувствительны и позволяют лучше контролировать момент появления детонации в каждом цилиндре чем Ддтчик детонации на пьезокристалле. Новый датчик отслеживает детонацию по колебаниям ионного тока в зазоре между электродами свечи после воспламенения смеси. При ее сгорании образуются ионы, которые делают среду токопроводящей. Датчик подает напряжение на центральный электрод свечи и замеряет ток, проходящий между ним и заземленным боковым электродом.
Системы зажигания с одной катушкой на два цилиндра. Одной из разновидностей системы зажигания с индивидуальными катушками является система с одной катушкой зажигания на 2 цилиндра, которая применяется для двигателей с четным числом цилиндров (рис. 9.22).
В этой системе каждый раз, когда вторичная обмотка катушки зажигания выдает высокое напряжение, искра на свечи зажигания подается сразу на две свечи. Разряд одной свечи происходит в цилиндре, где заканчивается такт сжатия, второй свечи – в цилиндре, где заканчивается такт выпуска. При этом одна искра является высоковольтной (12…20 кВ) и воспламеняет топливовоздушную смесь, а другая низковольтной (5…7 кВ) – холостой. В конце такта сжатия незадолго до появления рабочей искры температура топливовоздушного заряда еще недостаточно высокая (200° С), а давление наоборот – значительное (10…12 атм). При этих условиях пробивное напряжение становится максимальным. В конце такта выпуска, когда происходит разряд другой свечи, пробивное напряжение значительно уменьшается вследствие высокой температуры отработавших газов (800…1000° С) и низкого давления (2…3) атм.
Недостатком системы зажигания с двухвыводными катушками является то, что в одной свече электроны переходят от центрального электрода к массовому (боковому), а во второй свече в обратном направлении. Так как центральный электрод заострен и всегда значительно горячее бокового, истечение электронов 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…2,0 кВ), чем на свече с обратным включением полярности, т.е имеется небольшой разброс пробивного напряжения по цилиндрам. Для устранения разброса напряжения по цилиндрам и поддержания нормального искрообразования двухвыводная катушка должна иметь достаточно высокое напряжение вторичной обмотки порядка 35…40 кВ.
Если двигатель имеет четыре цилиндра, потребуются две двухвыводные катушки зажигания и два раздельных канала высокого напряжения.
В настоящее время разработан ряд автомобильных систем зажигания, в которых две двухвыводные катушки зажигания собираются на общем Ш-образном магнитопроводе и тем самым образуется одна 4-х выводная катушка зажигания (рис. 9.23). Такая катушка имеет две первичные и две вторичные обмотки и управляется от двухканального коммутатора. 4-х выводная 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 провод.
VT1,VT2 – транзисторы двухканального коммутатора; W1,W2 – первичная и вторичная обмотки; FV1-FV4 – свечи зажигания; М – Ш-образный магнитопровод; N – соединительное ярмо магнитопровода; δ – воздушный зазор
В такой конструкции общим элементом является средний стержень магнитопровода, а взаимное влияние двух катушек исключается с помощью двух воздушных зазоров δ. Величина этих зазоров может достигать 1…2 мм, чем увеличивается магнитное сопротивление в магнитопроводе и достигается развязка каналов.
Система зажигания с одной катушкой на два цилиндра используется на некоторых моделях двигателей вследствие ее меньшей стоимости. Вследствие двойной искры на свечах зажигания необходимость их замены сокращается примерно в полтора раза.