Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания с системами зажигания с контактным прерывателем применяются в автомобилях, мотоциклах, моторных лодках и прочих транспортных средствах. Для таких систем используются разнообразные так называемые электронные системы зажигания, улучшающие процесс прерывания тока.

Предлагаемое устройство очень похоже на представленное в статье В.Гусарова «Электронное зажигание» (журнал «Радиомир» № 2 за 2002 г.), но отличается от него чрезвычайной простотой. Достаточно сказать, что оно содержит всего две детали: симистор и резистор. Устройство обеспечивает совместно со штатной системой надежную и качественную работу зажигания на любых оборотах двигателя. Кроме того, срок службы контактов прерывателя значительно увеличивается. По своим качественным показателям описываемое устройство превосходит бесконтактные системы зажигания.

Работа устройства очень несложная. При замыкании контактов прерывателя открывается симистор (можно применить и тиристор), так как управляющий электрод соединен с плюсом бортового аккумулятора через резистор R1. В первичной обмотке катушки зажигания Т1 нарастает ток и накапливается электромагнитная энергия. После размыкания контактов начинается штатный колебательной процесс между катушкой зажигания и конденсатором.

В начале этого процесса происходит искрообразование в соответствующем цилиндре двигателя. В данной конструкции использован симистор ТС-112-16-10, отличающийся от подобных малыми габаритами при высоких технических характеристиках.

Плата изготовлена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм и размещена прямо на катушке зажигания. Никакого теплорадиатора для симистора и настройки устройства не требуется. Резистор R1 выбран одноваттным из соображения надежности. Электронное зажигание было испытано на автомобиле ВАЗ-2106.

А. ПАРТИН, г. Екатеринбург

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.

Работа любого бензинового двигателя внутреннего сгорания была бы невозможна без специальной системы зажигания. Именно она отвечает за воспламенение смеси в цилиндрах в строго определенный момент. Различают несколько возможных вариантов:

• контактная;
• бесконтактная;
• электронная.

Каждая из этих систем зажигания авто имеет свои особенности и конструкцию. Однако вместе с этим, большинство элементов разных вариантов одинаковы.

Одинаковы элементы разных систем зажигания автомобиля

Незаменимым и наиболее востребованным является наличие аккумуляторной батареи. Даже в отсутствие или при поломке генератора при помощи неё можно ещё некоторое время продолжать движение. Генератор также есть неотъемлемой частью, без которой нормальное функционирование любой из систем невозможно. Свечи зажигания, бронепровода, высоковольтная и управляющие элементы дополняют любую из упомянутых систем. Основное различие меду ними заключается в типе, управляющего моментом зажигания и отвечающего за искрообразование устройства.

Контактный прерыватель-распределитель зажигания

Это устройство инициирует возникновение искры высокого, до 30000 В, вольтажа на контактах свечей зажигания. Для этого он соединяется с высоковольтной катушкой, благодаря которой происходит образование высокого напряжения. Сигнал на катушку передается при помощи проводов от специальной контактной группы. При её размыкании кулачковым механизмом происходит образование искры. Момент её возникновения должен строго соответствовать требуемому положению поршней в цилиндрах. Это достигается благодаря четко рассчитанному механизму, передающему вращательное движение на прерыватель-распределитель. Одним из недостатков устройства является влияние механического износа на время возникновения искры и на её качество. Это влияет на качество работы двигателя, а значит может требовать частых вмешательств в регулировку его работы.

Бесконтактное зажигание

Этот тип устройств не зависит на прямую от размыкания контактов. Основную роль в моменте искрообразования здесь играет транзисторный коммутатор и особый датчик. Отсутствие зависимости от чистоты и качества поверхности контактной группы может гарантировать более качественное искрообразование. Однако этот тип зажигания тоже использует прерыватель-распределитель, который отвечает за передачу тока на нужную свечу в нужный момент.

Электронное зажигание

В этой системе воспламенения смеси полностью отсутствуют механические движущиеся части. Благодаря наличию специальных датчиков и особого блока управления, образование искры и момент её раздачи на цилиндры выполняются гораздо более точно и надежно, чем у вышеупомянутых систем. Это дает возможность улучшить работу двигателя, увеличить его мощность и снизить расход топлива. Кроме того, радует и высокая надежность устройств такого типа.

Основные этапы работы системы зажигания

Различают несколько основных этапов работы любых систем зажигания:

1. накопление необходимого заряда;
2. высоковольтное преобразование;
3. распределение;
4. искрообразование на свечах зажигания;
5. возгорание смеси.

На любом из этих этапов слаженная и точная работа системы чрезвычайно важна, а значит свой выбор необходимо останавливать на надежных и проверенных устройствах. Лучшей по праву считается электронная система зажигания.

Видео про принцип работы системы зажигания:

Представленная ниже, схема зажигания автомобиля предназначена для опытных радиолюбителей.

Тем, кто ранее собирал простые схемы блоков зажигания и желающим собрать устройство, из которого, максимально «выжато» все или может почти всё!

За истекшие годы стабилизированный блок зажигания повторили очень многие авто- и радиолюбители, и несмотря на выявленные недостатки можно считать что он проверку временем выдержал. Существенно также, что в литературе пока не появились публикации сходных по простоте конструкций с аналогичными параметрами.
Эти обстоятельства и побудили автора сделать ещё одну попытку основательно улучшить показатели блока, сохранив его простоту.

Основное отличие усовершенствованного блока зажигания от — заметное улучшение его энергетических характеристик. Если у исходного блока максимальная длительность искры не превышала 1,2 мс, причем она могла быть получена лишь на самых низких значениях частоты искрообразования, то у нового длительность искры постоянна во всей рабочей полосе 5…200 Гц и равна 1,2… 1,4 мс. Это значит, что на средних и максимальных оборотах двигателя — а это наиболее часто используемые режимы, длительность искры практически соответствует установившимся и настоящее время требованиям.

Ощутимо изменилась и мощность, подводимая к катушке зажигания. На частоте 20 Гц при катушке Б-115 она достигает 50…52 мДж, а на 200 Гц — около 16 мДж. Расширены также пределы питающего напряжения, в которых блок работоспособен. Уверенное искрообразование при пуске двигателя обеспечивается при бортовом напряжении 3,5 В, но работоспособность блока сохраняется и при 2,5 В. На максимальной частоте искрообразование не нарушается, если питающее напряжение достигает 6 В, а длительность искры — не ниже 0,5 мс.

Указанные результаты получены главным образом за счет изменения режима работы преобразователя, особенно условий его возбуждения. Эти показатели, которые, по мнению автора, находятся на практическом пределе возможностей при использовании всего одного транзистора, обеспечены также применением ферритового магнитопровода в трансформаторе преобразователя.

Как видно из принципиальной схемы блока, показанной на рисунке выше, основные ее изменения относятся к преобразователю, т.е. генератору зарядных импульсов, питающих накопитель-конденсатор С2. Упрощена цепь запуска преобразователя, выполненного, как и прежде, по схеме однотактного стабилизированного блокинг-генератора. Функции пускового и разрядного диодов(соответственно VD3 и VD9 по прежней схеме) выполняет теперь один стабилитрон VD1. Такое решение обеспечивает более надежный запуск генератора после каждого цикла искрообразования путем значительного увеличения начального смещения на эмиттерном переходе транзистора VT1. Это не снизило тем не менее общей надежности блока, поскольку режим транзистора ни по одному из параметров не превысил допустимых значений.

Изменена и цепь зарядки конденсатора задержки С1. Теперь он после зарядки накопительного конденсатора заряжается через резистор R1 и стабилитроны VD1 и VD3. Таким образом, в стабилизации участвуют два стабилитрона, суммарным напряжением которых при их открывании и определяется уровень напряжения на накопительном конденсаторе С2. Некоторое увеличение напряжения на этом конденсаторе скомпенсировано соответствующим увеличением числа витков базовой обмотки и трансформатора. Средний уровень напряжения на накопительном конденсаторе уменьшен до 345…365 В, что повышает общую надежность блока и обеспечивает вместе с тем требуемую мощность искры.

В разрядной цепи конденсатора С1 использован стабистор VD2, позволяющий получить такую же степень перекомпенсации при уменьшении бортового напряжения, как три-четыре обычных последовательных диода. При разрядке этого конденсатора стабилитрон VD1 открыт в прямом направлении, (подобно диоду VD9 исходного блока). Конденсатор С3 обеспечивает увеличение длительности и мощности импульса, открывающего тринистор VS1. Это особенно необходимо при большой частоте искрообразования, когда средний уровень напряжения на конденсаторе С2 существенно снижается.

В блоках электронного зажигания с многократной разрядкой накопительного конденсатора на катушку зажигания длительность искры и в определенной степени ее мощность определяет качество тринистора, поскольку все периоды колебаний, кроме первого, создаются и поддерживаются только энергией накопителя. Чем меньше затраты энергии на каждое включение тринистора, тем большее число запусков будет возможно и тем большее количество энергий (и за большее время) будет передано катушке зажигания. Крайне желательно поэтому подобрать тринистор с минимальным открывающим током.
Хорошим можно считать тринистор, если блок обеспечивает начало искрообразования (с частотой 1…2 Гц) при питании блока напряжением 3 В. Удовлетворительному качеству соответствует работа при напряжении 4…5 В. С хорошим тринистором длительность искры равна 1,3…1,5 мс, при плохом — уменьшается до 1… 1,2 мс.

При этом, как это ни покажется странным, мощность искры в обоих случаях будет примерно одинаковой по причине ограниченной мощности преобразователя. В случае большей длительности конденсатор-накопитель разряжается практически полностью, начальный (он же средний) уровень напряжения на конденсаторе, задаваемый преобразователем, несколько ниже, чем в случае с меньшей длительностью. При меньшей же длительности начальный уровень более высок, но высок и остаточный уровень напряжения на конденсаторе из-за его неполной разрядки.

Таким образом, разность между начальным и конечным уровнями напряжения на накопителе в обоих случаях практически одинакова, а от нее и зависит количество вводимой в катушку зажигания энергии . И все-таки при большей длительности искры достгается лучшее дожигание горючей смеси в цилиндрах двигателя, т.е. повышается его КПД.

При нормальной работе блока формированию каждой искры соответствуют 4,5 периода колебаний в катушке зажигания. Это означает, что искра представляет собой девять знакопеременных разрядов в свече зажигания, непрерывно следующих один за другим.

Нельзя поэтому согласиться с, мнением (изложенным в) о том, что вклад третьего и тем более четвертого периодов колебаний не удается обнаружить ни при каких условиях. На самом деле каждый период вносит свой совершенно конкретный и ощутимый вклад в общую энергию искры, что подтверждают и другие публикации, например . Однако, если источник бортового напряжения включен последовательно с элементами контура (т.е. последовательно с катушкой зажигания и накопителем), сильное затухание, вносимое именно источником, а не другими элементами, действительно, не позволяет обнаружить упомянутый выше вклад. Такое включение как раз и использовано в .

В описываемом блоке источник бортового напряжения в колебательном процессе участия не принимает и упомянутых потерь, естественно, не вносит.

Один из наиболее ответственных узлов блока — трансформатор Т1. Его магнитопровод Ш15х12 изготовлен из оксифера НМ2000. Обмотка I содержит 52 витка провода ПЭВ-2 0,8; II — 90 витков провода ПЭВ-2 0,25; III — 450 витков провода ПЭВ-2 0.25.

Зазор между Ш-образными частями магнитопровода должен быть выдержан с максимально возможной точностью. Для этого при сборке между его крайними стержнями помещают, без клея по гетинаксовой (или текстолитовой) прокладке толщиной 1,2+-0,05 мм, после чего детали магнитопровода стягивают прочными нитками.
Снаружи трансформатор необходимо покрыть несколькими слоями эпоксидной смолы, нитроклея или нитроэмали.
Катушку можно выполнить на прямоугольной шпуле без щек. Первой наматывают обмотку III, в которой каждый слой отделяют от следующего тонкой изоляционной прокладкой, а завершают трехслойной прокладкой. Далее наматывают обмотку II. Обмотку I отделяют от предыдущей двумя слоями изоляции. Крайние витки каждого слоя при намотке на шпуле следует фиксировать любым нитроклеем.

Гибкие выводы катушки лучше всего оформить по окончании всей намотки. Выводить концы обмотки I и II следует в сторону диаметрально противоположную концам обмотки III, но все выводы должны быть на одном из торцов катушки. В таком же порядке располагают и гибкие выводы, которые закрепляют нитками и клеем на прокладке из электрокартона (прессшпана). Перед заливкой выводы маркируют.

Кроме КУ202Н, в блоке можно применить тринистор КУ221 с буквенными индексами А-Г. При выборе тринистора следует принять во внимание, что, как показывает опыт, КУ202Н по сравнению с КУ221 имеют в большинстве случаев меньший ток открывания, но более критичны к параметрам импульса запуска (длительности и частоте). Поэтому для случая использования тринистора из серии КУ221 номиналы элементов цепи удлинения искры необходимо скорректировать — конденсатор С3 должен иметь емкость 0,25 мкФ, а резистор R4 — сопротивление 620 Ом.

Транзистор КТ837 может быть с любыми буквенными индексами, кроме Ж, И, К, Т, У, Ф. Желательно, чтобы статический коэффициент передачи тока не был менее 40. Применение транзистора другого типа нежелательно.

Теплоотвод транзистора должен иметь полезную площадь не менее 250 кв.см. В роли теплоотвода удобно использовать металлический кожух блока или его основание, которые следует дополнить охлаждающими ребрами. Кожух должен обеспечивать и брызгозащищенность блока.

Стабилитрон VD3 также необходимо устанавливать на теплоотвод. В блоке он представляет собой две полосы размерами 60x25x2 мм, согнутые П-образно и вложенные одна в другую. Стабилитрон Д817Б можно заменить последовательной цепью из двух стабилитронов Д816В; при бортовом напряжении 14 В и частоте искрообразования 20 Гц эта пара должна обеспечивать на накопители напряжение 350…360В. Каждый из них устанавливают на небольшой теплоотвод. Стабилитроны подбирают только после выбора и установки тринистора.

Стабилитрон VD1 подборки не требует, но он обязательно должен быть в металлическом корпусе. Для увеличения общей надежности блока целесообразно этот стабилитрон снабдить небольшим теплоотводом в виде обжимки из полоски тонкого дюралюминия.

Стабистор КС119А (VD2) можно заменить тремя диодами Д223А (или другими кремниевыми диодами с импульсным прямым током не менее 0,5 А), включенными последовательно.

Большинство деталей блока смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж платы показан на рис.2. Плата разработана с учетом возможности монтажа деталей при различных вариантах замены.

Для блока, предназначенного работать в местностях с суровым зимним климатом, оксидный конденсатор С1 желательно использовать танталовый с рабочим напряжением не ниже 10 В. Его устанавливают вместо большой перемычки на плате, при этом точки подключения алюминиевого оксидного конденсатора (он-то и показан на плате), пригодного для работы в подавляющем большинстве климатических зон, следует замкнуть перемычкой соответствующей длины. Конденсатор С2-МБГО, МБГЧ или К73-17 на напряжение 400…600 В.

В случае выбора для блока тринистора из серии КУ221 нижнюю по рис.2 часть платы необходимо скорректировать так, как это показано на рис.3. При монтаже тринистора необходимо один из винтов его крепления изолировать от печатной дорожки общего провода.

Проверку работоспособности и тем более регулировку следует проводить именно с такой катушкой зажигания, с которой блок будет работать в дальнейшем. Следует иметь в виду, что включение блока без катушки зажигания, нагруженной запальной свечой, совершенно недопустимо. Для проверки вполне достаточно измерять пиковым вольтметром напряжение на накопительном конденсаторе С2. Таким вольтметром может служить авометр, имеющий предел постоянного напряжения 500 В. Авометр подключают к конденсатору С2 через диод Д226Б (или подобный), а зажимы авометра шунтируют конденсатором емкостью 0,1…0,5мкф, на напряжение 400…600 В.

При номинальном напряжении питания (14 В) и частоте искрообразования 20 Гц напряжение на накопителе должно находиться в пределах 345…365 В. Если напряжение меньше, то прежде всего подбирают тринистор с учетом сказанного выше. Если после подборки будет обеспечено искрообразоеание при понижении напряжения питания до 3 В, но на конденсаторе С2 при номинальном напряжении питания будет повышенное напряжение, следует подобрать стабилитрон VD3 с несколько пониженным напряжением стабилизации.

Далее проверяют блок на высшей частоте искрообраэования (200 Гц), поддерживая номинальное бортовое напряжение. Напряжение на конденсаторе С2 должно находиться в пределах 185…200 В, а потребляемый блоком ток после непрерывной работы в течение 15…20 мин не должен превышать 2,2 А. Если транзистор за это время нагреется выше 60°С при комнатной окружающей температуре, тёплоотводящую поверхность следует несколько увеличить. Конденсатор С3 и резистор R4 подборки, как правило, не требуют. Однако для отдельных экземпляров тринисторов (как того, так и другого типа) может потребоваться корректировка номиналов, если на частоте 200 Гц будет обнаружена неустойчивость в искрообраэовании. Она проявляется обычно в виде кратковременного сбоя в показаниях вольтметра, подключенного к накопителю, и хорошо заметна на слух.

В этом случае следует увеличить емкость конденсатора С3 на 0,1…0,2 мкФ, а если это не поможет, вернуться к прежнему значению и увеличить сопротивление резистора R4 на 100…200 Ом. Одна из этих мер, а иногда и обе вместе, обычно устраняют неустойчивость запуска. Заметим, что увеличение сопротивления уменьшает, а увеличение емкости увеличивает длительность искры.

Если есть возможность воспользоваться осциллографом, то полезно убедиться в нормальном течении колебательного процесса в катушке зажигания и фактической его длительности. До полного затухания должны быть хорошо, различимы 9-11 полуволн, суммарная длительность которых должна быть равна 1,3…1,5 мс на любой частоте искрообразования. Вход X осциллографа следует подключать к общей точке обмоток катушки зажигания.

Типичный вид осциллограммы показан на рис.4. Всплески посредине минусовых полуволн соответствуют единичным импульсам блокинг-генератора при изменении направления тока в катушке зажигания.

Целесообразно проверить также зависимость напряжения на накопительном конденсаторе от бортового напряжения.

Ее вид не должен заметно отличаться от показанного на рис.5.

Изготовленный блок рекомендуется устанавливать в моторном отсеке в передней, более прохладной его части. Искрогасящий конденсатор прерывателя следует отключить и соединить его вывод с соответствующим контактом розетки разъема Х1. Переход на классическое зажигание выполняют, как и в прежней конструкции, установкой вставки-замыкателя Х1.3.

В заключение отметим, что попытки получить столь же «длинную» искру с трансформатором на стальном магнитопроводе, даже из стали самого высокого качества, не приведут к успеху. Наибольшая длительность, которая может быть достигнута, — 0,8…0,85 мс. Тем не менее блок почти без изменений (сопротивление резистора R1 следует уменьшить до 6…8 Ом) работоспособен и с трансформатором на стальном магнитопроводе с указанными намоточными характеристиками, и эксплуатационный качества блока выше, чем у его прототипа .

Литература:
1. Г. Карасев. Стабилизированный блок электронного зажигания. — Радио, 1988, № 9, с. 17; 1989, №5, с.91
2. П.Гацанюк. Усовершенствованная электронная система зажигания. В сб.: «В помощь радиолюбителю», вып: 101, с. 52, — М.: ДОСААФ.
3. А. Синельников. Электроника в автомобиле. — М.:, Радио и связь, 1985, с.46.
4. Ю. Архипов. Полуавтоматический блок зажигания. — Радио, 1990, № 1, с. 31-34; №2, с. 39-42.

А. СИНЕЛЬНИКОВ

В настоящее время широкое распространение получили тиристорные блоки электронного зажигания со стабилизированным вторичным напряжением. Такие блоки выпускаются промышленностью и продаются в автомагазинах («Искра-1», «Искра-2», «Искра-3», ПАЗ-2, ПАЗ-3 и др.). Схемы этих блоков в основном идентичны , отличие заключается лишь в конструкции и типах применяемых элементов.

Опыт эксплуатации большого количества таких блоков показал, что в ряде случаев на некоторых автомобилях необходимая устойчивость работы не обеспечивалась, иногда без каких-либо видимых причин наблюдались пропуски зажигания (сбои), вызывающие характерное «дергание» автомобиля во время движения. Иногда пропуски зажигания были во время пуска двигателя стартером, в то же время от рукоятки двигатель пускался, как говорится, с пол-оборота.

Строго говоря, напряжение в бортовой электросети автомобиля нельзя считать напряжением постоянного тока, так как реально всегда имеются импульсные помехи, причем их амплитуда у различных автомобилей неодинакова и колеблется от 5 до 50 В! Помехи эти создаются в результате работы генератора, стартера, регулятора напряжения, звуковых сигналов, прерывателя указателей поворота, двигателя стеклоочистителя, включения и отключения различных потребителей (особенно при отключениях электромагнитных реле) и т. п.

Автором были сняты осциллограммы напряжения в бортовой электросети у нескольких автомобилей «Запорожец» во время работы стартера. У большинства исследуемых автомобилей амплитуда помехи не превышала 3-5 В, и блоки «Искра» работали нормально.

Однако у двух автомобилей амплитуда помехи составила 18-25 В, и двигатель вообще не удавалось пустить стартером. Во время работы стартера наблюдалось хаотичное искрообразование, даже при отключенном прерывателе.

Анализ показал, что причиной отказа блоков является наличие в них транзисторного триггера, который переключается под воздействием импульсных помех и снижает помехоустойчивость устройства. Кроме того, эмиттеры транзисторов триггера не имеют соединения с массой и «подвешены» к плюсовой шине питания , вследствие чего ввести в схему какой-либо эффективный фильтр нижних частот затруднительно.

Описываемый блок электронного зажигания свободен от указанных недостатков. Вместо транзисторного триггера применен тиристор, который устойчиво работает в условиях воздействия импульсных помех с амплитудой до 50 В.

Кроме того, при разработке схемы блока были учтены характерные отказы элементов, имевшие место в блоках «Искра-1» и «Искра-2» в процессе их длительной эксплуатации, в связи с чем произведены замены ряда элементов более надежными.

Блок предназначен для работы с четырехцилиндровыми четырехтактными двигателями и имеет следующие технические характеристики:

Напряжение питания, В......... от 6,5 до 15
Сила потребляемого тока, А....... не более 2,0
Частота вращения коленчатого вала, об/мин:
при напряжении питания 6,5 В.... не более 600
при напряжении питания 15 В.... не более 6000
Длительность искрового разряда в свече, мс.... 0,4-0,6
Температура окружающего воздуха, °С.... от -40 до+65

Принципиальная схема блока с цепями подключения на автомобиле приведена на рис. 1 и содержит следующие функциональные узлы: преобразователь напряжения, состоящий из силового транзисторного ключа на транзисторах Т4, Т5, Т6, трансформатора Tp1, выпрямительного диода Д9, накопительного конденсатора С3, схемы стабилизации на транзисторе Т3 и тиристора Д5; каскад антидребезга на транзисторах Т1, Т2, коммутирующий тиристор Д10; разрядные диоды Д12, Д13.

Рис 1. Принципиальная схема блока

Работает устройство следующим образом. Допустим, что контакты прерывателя В1 разомкнуты. Тогда после включения питания (t1 на рис. 2) выключателем зажигания В2 открывается транзистор Т1, его базовый ток протекает через резисторы R4, R5, диоды Д3, Д2, Д1 и резистор R2.

Рис. 2. Временные диаграммы работы системы зажигания при напряжении питания 15 В и частоте искрообразования 100 Гц

Одновременно конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1. Переход коллектор - эмиттер открытого транзистора Т1 шунтирует базу транзистора Т2, вследствие чего последний закрывается. Тиристор Д5 в это время тоже закрыт (выключен), так как напряжение его переключения заведомо больше напряжения питания. Транзистор Т3 устройства стабилизации закрыт, и положительное напряжение на управляющем электроде тиристора Д5 отсутствует.

Силовой транзисторный ключ открывается током базы транзистора Т4, протекающим через резисторы R8, R9, R10, R14 и диоды Д6, Д7. Ток коллектора этого транзистора, протекая через переход база - эмиттер транзистора Т5, открывает его, а затем - транзистор Т6. Через обмотку трансформатора Tp1 и резистор R22 начинает протекать линейно-нарастающий ток. Падение напряжения на резисторе R22 увеличивается, и когда оно достигнет определенной величины, зависящей от соотношения сопротивлений резисторов R15, R16, R20, терморезисторов R17, R18 и напряжения отпирания транзистора Т3, последний открывается и подключает управляющий электрод тиристора Д5 через резистор R12 к плюсовой шине питания. Тиристор Д5 переключается (t2 на рис. 2) и шунтирует ток базы транзистора Т4. Силовой транзисторный ключ размыкается, транзисторы Т4, Т5, Т6 закрываются, и ток в первичной обмотке I трансформатора Tp1 прекращается.

Энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора, создает в его обмотках импульсы напряжения. Положительный импульс с конца обмотки II (начала обмоток на схеме рис. 1 обозначены точками) проходит через диод Д9 и заряжает накопительный конденсатор С3 до напряжения примерно 350 В (t3 на рис. 2).

После замыкания контактов прерывателя (t4 на рис. 2) транзисторы T1 и Т2 остаются открытыми, пока не разрядится конденсатор С1. Ток разряда конденсатора С1 протекает при этом через диод Д4, резисторы R3, R2 и переход база - эмиттер транзистора T1. В момент t5 транзистор T1 закрывается, а транзистор Т2 - открывается. Переход коллектор - эмиттер открытого транзистора Т2 шунтирует тиристор Д5 и последний выключается (t5 на рис. 2).

Однако если бы каскада антидребезга не было и контакты прерывателя были подключены непосредственно к аноду тиристора Д5, последний выключился бы в момент замыкания контактов, и первый же импульс дребезга открывал силовой транзисторный ключ. Искра в свече появилась бы не в момент t6, как надо, а в момент t4, и нормальная работа системы нарушилась бы.

В момент размыкания контактов прерывателя (t6 на рис. 2) транзистор T1 открывается, а транзистор Т2 закрывается. Силовой транзисторный ключ открывается, и обмотка I трансформатора Tp1 подключается к источнику питания. Во вторичной обмотке II возникают импульсы напряжения. Положительный импульс с начала обмотки II через конденсатор С4 и диод Д11 поступает на управляющий электрод коммутирующего тиристора Д10, вследствие чего последний переключается и подключает первичную обмотку I катушки зажигания К3 к заряженному до напряжения 350 В накопительному конденсатору С3. Напряжение на вторичной обмотке II катушки зажигания в течение нескольких микросекунд достигает напряжения пробоя искрового промежутка свечи зажигания (8-10 кВ), и между электродами свечи зажигается искровой разряд (t1 на рис. 3).

Рис 3. Временные диаграммы работы системы зажигания во время искрообразования, при напряжении питания Е=12 В

Индуктивность первичной обмотки катушки зажигания и накопительный конденсатор С3, соединенные между собой через переключившийся тиристор, образуют колебательный контур, в котором возникают затухающие электрические колебания.

Как видно из рис. 3, ток в контуре отстает от напряжения на первичной обмотке катушки зажигания на 90°. Через четверть периода (примерно через 60 мкс) напряжение на первичной обмотке катушки зажигания становится равным нулю (t2 на рис. 3) и затем меняет свой знак, тиристор выключается и колебательный контур «разрушается». Однако благодаря наличию диодов Д12, Д13 ток в первичной обмотке катушки зажигания продолжает протекать в первоначальном направлении, и разряд во вторичной цепи продолжается до тех пор, пока почти вся энергия, запасенная в магнитном поле катушки зажигания, не будет израсходована (t3 на рис. 3).

В результате возникает разряд более высокой энергии и температуры, чем в обычных конденсаторных системах зажигания, длительность разряда увеличивается почти в 3 раза. Это обстоятельство положительно влияет на работу двигателя, уменьшая токсичность отработавших газов и облегчая пуск горячего двигателя.

Одновременно с возникновением искры в свече зажигания в момент размыкания контактов прерывателя (t6 на рис. 2) через обмотку трансформатора Tp1 снова начинает протекать линейно нарастающий ток, и когда он достигнет заданного значения (t7 на рис. 2), силовой транзисторный ключ размыкается, а накопительный конденсатор С3 снова заряжается до напряжения 350 В, т. е. повторяются процессы, имевшие место в первоначальный момент после включения питания. Если пренебречь потерями и считать, что вся энергия

Запасенная в магнитном поле трансформатора Tp1, в момент размыкания контактов прерывателя преобразуется в энергию электрического поля накопительного конденсатора

То значение напряжения заряда накопительного конденсатора Uc можно определить по формуле:

Как видно из этой формулы, напряжение заряда накопительного конденсатора от напряжения питания не зависит и при постоянных значениях L и С определяется только силой тока iр.

Примененное в блоке устройство стабилизации на транзисторе Т3, резисторах R15, R16, R18 и терморезисторах R17, R18 обеспечивает высокое постоянство тока ip при изменениях напряжения питания и температуры.

С повышением (понижением) температуры напряжение отпирания транзистора Т3 уменьшается (увеличивается), что компенсируется уменьшением (увеличением) сопротивлений терморезисторов R17, R18. В результате сила тока ip остается практически постоянной. При изменениях же напряжения питания напряжение отпирания транзистора Т3 вообще не меняется.

Резистор R3 ограничивает импульс тока через диоды Д1, Д2, Д3, Д4 в момент замыкания контактов прерывателя. До замыкания контактов диоды Д1, Д2, Д3 открыты и через них протекает прямой ток. Закрыться мгновенно они не могут и в первый момент после замыкания представляют собой проводник. Поэтому по цепи С1Д4R3Д1Д2Д3 в момент замыкания контактов будет протекать ток, сила которого ограничена лишь сопротивлением резистора R3 (прямой для диода Д4 и обратный для диодов Д1, Д2, Д3).

Диоды Д6, Д7 создают четкую коммутацию тока между силовым транзисторным ключом и тиристором Д5: падение напряжения в переключившемся тиристоре может составить 2 В, поэтому без диодов Д6, Д7 транзистор Т4 оставался бы открытым, несмотря на переключение тиристора.

Резистор R14 ограничивает ток базы транзистора Т4.

Диод Д8 обеспечивает активное запирание транзистора Т6.

Как видно из схемы, в описываемом блоке, так же как в блоке «Искра-3», применены последовательно включенные разрядные диоды Д12, Д13. В блоках «Искра-1» и ПАЗ, где был лишь один диод, наиболее частые отказы происходили именно по причине пробоя этого диода. Анализ показал, что при больших частотах вращения коленчатого вала двигателя (при больших частотах искрообразования), каждый новый цикл искрообразования начинается раньше, чем прекращается ток через разрядный диод, который протекает и после окончания искрообразования (см. рис. 3). Он обусловлен оставшейся неизрасходованной во время искрообразования энергией катушки зажигания.

Следовательно, к открытому диоду, внутреннее сопротивление которого в это время мало, в момент переключения тиристора прикладывается обратное напряжение 350 В. Диод не может мгновенно закрыться, и в течение нескольких микросекунд через него протекает ток, сила которого ограничена лишь сопротивлением резистора R23 (2 Ом) и внутренними сопротивлениями открытого диода и переключившегося тиристора. Измерения показали, что амплитуда импульса тока при этом может достигать 80 А! Величина ее зависит от индивидуальных свойств разрядного диода, и в первую очередь от его быстродействия, или от времени установления обратного сопротивления.

Последовательное включение двух, диодов ускоряет процесс затухания тока в контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания и разрядными диодами, и указанное выше явление не наступает даже при максимальной частоте искрообразования.

Резисторы R27, R28 выравнивают обратные напряжения на диодах Д12, Д13.

Резистор R23 устраняет выброс напряжения в момент выключения тиристора Д10.

Конденсаторы С5, С6 уменьшают амплитуды импульсных помех, поступающих по цепи питания.

Конструкция и детали. Конструкция блока электронного зажигания может быть самой разнообразной, однако она должна обеспечивать хорошую брызгозащищенность изделия. Мощные транзисторы Т5, Т6 и тиристор Д10 устанавливаются непосредственно на корпусе блока, который служит для них радиатором охлаждения. В связи с этим корпус должен быть изготовлен из алюминиевого сплава. Диоды Д8, Д12 и Д13 также необходимо расположить на корпусе блока, электрически изолировав их от корпуса тонкими лавсановыми, фторопластовыми или слюдяными прокладками. Остальные элементы размещаются на печатной плате или плате из текстолита (гетинакса) с контактными лепестками. При размещении деталей следует иметь в виду, что резисторы R4, R5, R8, R9, R10, R22, R26 и трансформатор Tp1 при работе блока греются и их не следует располагать рядом с транзисторами и терморезисторами R17, R18. Кроме того, необходимо, чтобы эмиттер транзистора Т3 и резисторы R17, R18, R20 соединялись одним индивидуальным проводом, а он, в свою очередь, должен быть подключен непосредственно к резистору R22. То же самое касается резистора R16 и конденсаторов С5, С6. Первый должен быть соединен с резистором R22, а конденсаторы - с клеммой «+» и массой, как это показано на принципиальной схеме рис. 1.

Все резисторы, кроме R22 и R23,- МЛТ. Резистор R22 изготавливается в виде спирали из манганинового провода диаметром 1,0 мм. Резистор R23 наматывается на корпусе резистора МЛТ - 0,5 с сопротивлением не менее 20 Ом манганиновым проводом марки ПЭШОМ диаметром 0,25 мм.

Трансформатор Tp1 имеет сердечник Ш16x24 из стали Э330 или Э44 с немагнитным зазором 0,25 мм.

Данные обмоток приведены в табл. 1.

Трансформатор должен быть хорошо стянут. Немагнитный зазор устанавливается с помощью прессшпана или бумаги соответствующей толщины.

Конденсаторы С1, С2, С4, С6 -МБМ, рабочее напряжение 160 В. Накопительный конденсатор С3 - МБГЧ на напряжение 500 В. Конденсатор С5 - электролитический К50-3, на 50 В.

Коммутирующий тиристор Д10 (КУ202Н) перед установкой в блок должен быть проверен по току утечки. Пригодны лишь те экземпляры, у которых сила тока утечки при напряжении 400 В не превышает 150 мкА.

В табл. 2 приведена возможная замена транзисторов, тиристоров и диодов.

В случае замены тиристора Д5 на КУ101Г резистор R14 из схемы исключается (замыкается), вместо резисторов R8, R9, R10 ставится один резистор МЛТ-2 - 200 Ом, а номинал резистора R7 - МЛТ-0,125-2,7 кОм.

Налаживание и установка на автомобиле. Если блок собран правильно из заведомо исправных деталей, то налаживание его заключается лишь в регулировке напряжения на накопительном конденсаторе, которое должно находиться в пределах 350-360 В. Регулировка ведется подбором резистора R22: уменьшение его сопротивления вызывает увеличение напряжения на конденсаторе.

Проверку и регулировку блока осуществляют с подключенной катушкой зажигания. Вместо контактов прерывателя можно использовать контакты какого-либо поляризованного реле, например РП4, обмотку которого подсоединяют к звуковому генератору или к сети переменного тока 127 или 220 В, 50 Гц. В последнем случае- через понижающий трансформатор или гасящий резистор. Напряжение на накопительном конденсаторе нельзя измерить обычным вольтметром - надо пользоваться измерительным осциллографом (С1-19, С1-49 и др.) или же специальным импульсным вольтметром. Подробней об этом можно прочитать в .

На автомобиле блок устанавливается в подкапотном пространстве и подключается по схеме рис. 1. При этом конденсатор С на клемме прерывателя может остаться, так как на работу блока он не влияет. Корпус блока необходимо соединить отдельным проводом сечением не менее 0,75 мм2 с корпусом распределителя. Сечение провода от клеммы «+» также должно быть не менее 0,75 мм2.

ЛИТЕРАТУРА
1. Синельников А. X. Электроника в автомобиле. М.: Энергия, 1976, с. 127.
2. Синельников А. X. Чем различаются блоки. За рулем, 1977, № 10, с. 17.
3. Синельников А. X., Немцев В. Ф. Электронное зажигание.-За рулем, 1973, № 1, с. 14-18.
4. Синельников А. X., Немцев В. Ф. Еще раз об электронном зажигании.- За рулем, 1974, № 4, с. 10-12.
[email protected]

Д.Соснин

На легковых автомобилях, оборудованных бензиновым двигателем внутреннего сгорания, применяются различные системы электроискрового зажигания: контактные, контактно-транзисторные, бесконтактно-транзисторные, электронно-цифровые, микропроцессорные.

1. Транзисторные системы зажигания

Транзисторные системы зажигания принято подразделять на две группы:

Контактно-транзисторные (КТСЗ) и бесконтактно-транзисторные (БТСЗ). В контактно-транзисторной системе зажигания контактная пара прерывателя в первичной цепи катушки зажигания отсутствует и заменена транзисторным ключом КТ. Но сам транзисторный ключ управляется по базе контактной парой механического прерывателя К прежней конструкции. Это позволило уменьшить ток разрыва в контактной паре и за счет усиления в транзисторе увеличить ток разрыва в индуктивном накопителе (в первичной обмотке катушки зажигания). При этом коэффициент запаса по вторичному (выходному) напряжению увеличился. Эксплуатационная надежность системы зажигания стала несколько выше. Наряду с контактно-транзисторными системами зажигания были разработаны также и контактно-тиристорные системы с емкостным накопителем, которые не нашли широкого практического применения.

Бесконтактно-транзисторная система зажигания (БТСЗ) - это первая система с чисто электронным устройством управления первичным током катушки зажигания и с бесконтактным электроимпульсным датчиком момента зажигания, который, как и контактная пара в классическом прерывателе-распределителе, расположен на подвижной площадке приводного валика механического высоковольтного распределителя. Положение подвижной площадки относительно оси приводного валика (угол разворота) может регулироваться аппаратами опережения зажигания (центробежным и вакуумным). Подвижная площадка и установленный на ней активатор бесконтактного датчика представляют собой электромеханическое устройство управления моментом зажигания. Такое устройство управления в совокупности с высоковольтным распределителем образуют так называемый датчик-распределитель .

Электронное устройство управления первичным током в БТСЗ конструктивно выполнено в виде отдельного блока, который называется коммутатором. По выходу коммутатор соединен с катушкой зажигания, а по входу - управляется электроимпульсным входным датчиком на распределителе.

Таким образом, бесконтактно-транзисторная система зажигания (рис. 1) -

Это совокупность электронного коммутатора К, датчика-распределителя РР, катушки зажигания КЗ и традиционной выходной исполнительной периферии: высоковольтных проводов ВВП и свечей зажигания.

Бесконтактно-транзисторные системы зажигания (БТСЗ) стали устанавливаться на легковых автомобилях в конце 60-х годов и с тех пор постоянно совершенствовались.

В качестве бесконтактных входных датчиков с механическим приводом от распредвала ДВС были испытаны магнитоэлектрические, индукционные, электромагнитные генераторные, параметрические, оптоэлектронные и прочие преобразователи механического вращения в электрический сигнал (рис. 2).

Бесконтактный датчик выполняет в системе зажигания следующие функции: задает установочный угол* опережения зажигания; управляет моментом зажигания при изменении частоты вращения и нагрузки двигателя; определяет тактность работы ДВС. По совокупности перечисленных функций бесконтактный датчик выдает на вход коммутатора оптимальную величину

* Установочным называется угол опережения зажигания на предельно низких (холостых) оборотах двигателя, когда центробежный и вакуумный регуляторы еще не работают. текущего значения угла опережения зажигания для различных режимов работы двигателя.

Вначале, как более простой и достаточно надежный, широкое практическое применение получил магнитоэлектрический датчик. Но с разработкой активатора на эффекте Холла последний стал основным элементом для всех последующих бесконтактных датчиков электронных систем зажигания.

Не менее значительной модернизации подвергались электронные коммутаторы БТСЗ. От тиристорных коммутаторов быстро отказались, так как система зажигания с емкостным накопителем выдает на свечи очень короткий импульс высокого напряжения (не более 250...300 мкс), что не приемлемо для большинства современных бензиновых автомобильных двигателей.

Первые простейшие транзисторные коммутаторы работали без ограничения амплитуды первичного тока, т.е. в режиме постоянной скважности импульсов зарядного тока для индуктивного накопителя (отечественный коммутатор 13.3734).

В системах зажигания с такими коммутаторами амплитуда высоковольтного импульса на вторичной обмотке катушки зажигания, как и в контактной системе, зависит от частоты вращения двигателя, а также от напряжения в бортсети автомобиля.

На смену коммутаторам с постоянной скважностью (КПС) пришли коммутаторы с нормируемой скважностью (КНС), в которых ток заряда индуктивного накопителя поддерживается в заданных пределах ограничения путем управляемого насыщения выходного транзистора. Это защищает выходной транзистор коммутатора от перегрузки по току, а также стабилизирует амплитуду тока заряда при изменении напряжения в бортсети. Выходное напряжение U2 при этом также стабилизируется.
Но ограничение тока мощного транзистора насыщением приводит к значительному выделению тепловой энергии на коллекторно-эмиттерном переходе и, как следствие, к низкой функциональной надежности системы зажигания в целом.

Исключить этот недостаток в коммутаторах с нормируемой скважностью можно введением в схему электронного регулятора времени накопления энергии (времени протекания тока заряда через индуктивный накопитель). Так появились коммутаторы с программным регулятором времени накопления (коммутатор 36.3734), а вслед за ними и более совершенные коммутаторы с адаптивным регулированием (коммутатор 3620.3734). Последние, помимо основной функции регулирования времени, обеспечивают более высокую точность поддержания параметров тока заряда при воздействии на систему зажигания различных дестабилизирующих факторов (неустойчивая работа двигателя, окружающая среда, старение и уход номиналов радиоэлементов и пр.).

Электронные коммутаторы БТСЗ исключительно разнообразны не только по схемотехническому, но и по технологическому исполнению. Электронные схемы коммутаторов,первоначально аналоговые и на дискретных радиоэлементах, были вытеснены интегральными микросхемами с цифровым принципом действия. Стали появляться коммутаторы на так называемых заказных (специально разработанных для АСЗ) больших интегральных и монокристальных схемах.

Известно более 60-ти разновидностей бесконтактных систем зажигания с электронными коммутаторами, серийно выпускаемых за рубежом. Из отечественных транзисторных коммутаторов наиболее распространены одноканальные 36.3734 и 3620.3734, а также двухканальный 6420.3734 .

В качестве примера схемной реализации бесконтактно-транзисторной системы зажигания рассмотрим один из вариантов ее принципиальной электрической схемы (рис. 3).

Выходной каскад ВК, помимо традиционной катушки зажигания и транзисторного ключа VT3, содержит ряд дополнительных элементов. VD1 - диод для защиты транзисторного ключа VT3 от обратного прохождения тока (от инверсного включения) во время емкостной фазы разряда, когда имеет место обратная полу волна напряжения в первичной обмотке катушки зажигания (инверсное включение VT3 образуется и при случайном обратном включении аккумуляторной батареи). VD2 - стабилизирующий диод для ограничения величины падения напряжения на участке эмиттер-коллектор закрытого (разомкнутого) транзистора VT3 (защита от перенапряжения). Конденсатор С1 с первичной обмоткой катушки зажигания образует последовательный колебательный контур ударного возбуждения, что увеличивает скорость нарастания выходного напряжения системы зажигания. Резистор R3 ограничивает ток разряда конденсатора С1 через открытый (замкнутый) ключ VT3. Для того чтобы ключ VT3 работал стабильно, т.е. при включении и выключении обеспечивал крутые фронты и постоянство амплитуды импульса первичного тока в катушке зажигания, управляющий (базовый) импульс тока транзистора VT3 должен быть с крутыми фронтами и достаточно большим по амплитуде для глубокого насыщения транзистора. На формирование управляющего импульса тока работает предварительный усилитель-ограничитель на транзисторе VT1 и стабилизирующий транзистор обратной связи VT2.

Перечисленные элементы составляют электрическую схему коммутатора ТСЗ.

Датчик-распределитель содержит механическое устройство управления моментом зажигания, в кото рое входят магнитная система М датчика Холла с индукцией поля В, активатор ЭХ датчика Холла, усилительограничитель УО, триггер Шмитта ТШ, разделительный транзистор VT и стабилизатор напряжения СТ.

В датчик-распределитель входят также центробежный (ЦБР) и вакуумный (ВР) регуляторы, магнитный атенюатор А датчика Холла и собственно сам ротационный высоковольтный распределитель РР. Следует отметить, что электронный коммутатор в БТСЗ является лишь формирователем формы импульса тока в первичной обмотке катушки зажигания, а значит и скорости нарастания вторичного напряжения но к формированию момента зажигания коммутатор прямого отношения не имеет. Момент зажигания в БСЗ, как и в контактных системах, формируется электромеханическим устройством управления - бесконтактным датчиком на распределителе. Это обстоятельство является принципиальным недостатком всех бесконтактно-электронных систем зажигания. Второй недостаток - наличие в системе ротационного высоковольтного распределителя. Дальнейшее совершенствование автомобильных систем зажигания шло по пути устранения этих недостатков.

2. Электронные и микропроцессорные системы зажигания

Рассмотренные выше системы зажигания (КТСЗ, БТСЗ) в настоящее время имеют ограниченное применение, а на импортных легковых автомобилях высокого потребительского класса, начиная с середины 90-х годов, вообще не используются. Им на смену пришли системы зажигания четвертого поколения - это системы с электронно-вычислительными устройствами управления и без высоковольтного распределителя энергии по свечам в выходном каскаде. Такие системы принято подразделять на электронно-вычислительные или просто на электронные (ЭСЗ) и микропроцессорные (МСЗ).

Электронные и микропроцессорные системы зажигания имеют три принципиальных отличия от предшествующих систем:

1. Их устройства управления (УУ) являются электронно-вычислительными блоками дискретного принципа действия, выполнены с применением микроэлектронной технологии (на универсальных или на больших интегральных микросхемах) и предназначены для автоматического управления моментом зажигания. Эти устройства называются контроллерами.

2. Применение микроэлектронной технологии, помимо получения преимуществ по надежности, позволяет значительно расширить функции электронного управления. Стало возможным внедрение в автомобильную систему зажигания бортовой самодиагностики и принципов схемотехнического резервирования.

3. Выходные каскады этих систем в подавляющем большинстве случаев многоканальные и, как следствие, не содержат высоковольтного распределителя зажигания.

Электронные и микропроцессорные системы зажигания отличаются друг от друга способами формирования основного сигнала зажигания, т.е. того сигнала, который от ЭБУ подается на спусковое устройство накопителя.

В ЭСЗ основной сигнал зажигания формируется с применением время-импульсного способа преобразования информации от входных датчиков. Это когда контролируемый процесс задается временем его протекания, с последующим преобразованием времени в длительность электрического импульса. Таким образом, в ЭСЗ контроллер содержит электронный хронометр и управляется аналоговыми сигналами. Компонентный состав современной ЭСЗ показан на рис. 4.

В МСЗ, структурная схема которой показана на рис. 5, для формирования сигнала зажигания применяется число-импульсное преобразование, при котором параметр процесса задается не временем протекания, а непосредственно числом электрических импульсов.

Функции электронного вычислителя здесь выполняет число-импульсный микропроцессор, который работает от электрических импульсов, стабилизированных по амплитуде и длительности (от цифровых сигналов). Поэтому между микропроцессором и входными датчиками в ЭБУ МСЗ устанавливаются число-импульсные 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).

Программа управления для конкретной конструкции двигателя определяется экспериментально, в процессе его разработки. На испытательном стенде имитируются все возможные режимы двигателя при всех возможных условиях его работы. Для каждой экспериментальной точки подбирается и регистрируется оптимальный угол опережения зажигания. Получается набор многочисленных значений угла для момента зажигания, каждое из которых отвечает строго определенной совокупности сигналов от входных датчиков. Графическое изображение такого множества представляет собой трехмерную характеристику зажигания, которая в виде матрицы показана на рис. 6.

Координаты трехмерной характеристики "зашиваются" в постоянную память микропроцессора и в дальнейшем служат опорной информацией для определения угла опережения зажигания в реальных условиях эксплуатации двигателя на автомобиле. Изменение опорного (взятого из памяти) угла 8 опережения зажигания осуществляется автоматически. Увеличение угла 8 происходит: при повышении оборотов, при уменьшении нагрузки и при понижении температуры ДВС. Уменьшение угла 8 имеет место при увеличении нагрузки, при падении оборотов и при повышении температуры ДВС.

Если в МСЗ помимо основных датчиков используются дополнительные (например, датчик детонации в цилиндрах ДВС), то в микропроцессоре осуществляется коррекция опорного значения угла опережения зажигания по сигналам этих датчиков. При этом корректировка производится по каждому цилиндру в отдельности.

Электронные блоки управления для ЭСЗ и МСЗ, помимо функциональных и схемотехнических, имеют и принципиальные конструктивные различия.

В ЭСЗ блок управления является самостоятельным конструктивным узлом и называется контроллером (рис. 7).

На входы контроллера подаются сигналы от входных датчиков системы зажигания, а по выходу - контроллер работает на электронный коммутатор выходного каскада (см. рис. 4). Все электронные схемы контроллера низкоуровневые (потенциальные), что позволяет включать их в состав других бортовых электронных блоков управления (например, в ЭБУ системы впрыска топлива).

В МСЗ все функции управления интегрированы в центральный бортовой компьютер автомобиля и персональный блок управления для системы зажигания может отсутствовать. Функции входных датчиков МСЗ выполняют универсальные датчики комплексной системы автоматического управления двигателем. Основной сигнал зажигания подается на электронный коммутатор выходного каскада МСЗ непосредственно от центрального бортового компьютера.

Несмотря на значительные различия электронных и микропроцессорных систем зажигания, по устройствам управления выходные каскады этих систем имеют идентичное схемотехническое и конструктивное исполнение, при котором каждая свеча зажигания на многоцилиндровом ДВС получает энергию для искрообразования по отдельному каналу. Такое распределение называется статическим или многоканальным.

Что это дает автомобильной системе зажигания?

Надо вспомнить, что кроме обычных недостатков механического переключателя (низкая надежность и малая наработка на отказ вращающихся и трущихся частей) классический распределитель зажигания имеет и тот, что в нем реализуется коммутация высоковольтной энергии через электрическую искру. Это, помимо дополнительных потерь энергии, приводит к неравномерному выгоранию контактов в изоляционной крышке распределителя и, как следствие, к явлению разброса искр по цилиндрам и к низкой функциональной надежности системы зажигания. Разброс искр между выводами даже исправного механического распределителя может достигать 2...3 угловых градусов по повороту коленвала ДВС.

Ясно, что в электронных и особенно в микропроцессорных системах зажигания, высоконадежных и высокоточных в функциональном отношении, формирование момента зажигания в которых реализуется с точностью 0,3...0,5° для каждого цилиндра в отдельности, применение высоковольтного механического распределителя совершенно недопустимо. Здесь приемлемы электронные способы переключения каналов на низкопотенциальном уровне непосредственно в электронном блоке управления с дальнейшим статическим разделением каналов по высокому напряжению на многовыводных или индивидуальных катушках зажигания. Это неизбежно приводит к многоканальности выходного каскада системы зажигания.

3. Выходные каскады с многовыводными катушками зажигания

Реализация многоканального распределения энергии может быть осуществлена в системах зажигания несколькими способами. Наиболее простой из них - применение двухвыводного высоковольтного выходного трансформатора или двухвыводной катушки зажигания в выходном каскаде. Такой способ разделения каналов приемлем для реализации в системе зажигания с любым типом накопителя.

Откуда пришла такая идея? Известно, что в системе зажигания, на выходе которой установлен высоковольтный распределитель, во время разряда накопителя имеют место две искры: одна основная (рабочая) в свече зажигания и другая вспомогательная - между бегунком распределителя и контактом одного из его свечных выводов. Вторичная обмотка выходного трансформатора (катушки зажигания) высоковольтным выводом соединена с центральным бегунком распределителя, а другой вывод обмотки является нулевым, так как во время разряда накопителя соединяется с "массой" автомобиля (см. рис. 3, ). Энергия вспомогательной искры в распределителе тратится бесполезно, и эту искру стремятся всячески подавить. Отсюда ясно, что вспомогательную искру из-под крышки распределителя можно перенести во вторую свечу зажигания, соединив ее с первой через массу головки блока цилиндров последовательно. Для этого достаточно исключить распределитель из выходного каскада, отсоединить от массы автомобиля заземляемый вывод катушки зажигания и подключить к нему вторую электроискровую свечу (рис. 8).

При одновременном искрообразовании в двух свечах зажигания одна искра является высоковольтной (12...20 кВ) и воспламеняет топливовоздушную смесь в конце такта сжатия (рабочая искра). При этом другая искра низковольтная (5...7 кВ), холостая. Явление перераспределения высокого напряжения от общей вторичной обмотки между искровыми промежутками в двух свечах зажигания есть следствие глубоких различий условий, при которых происходит искрообразование. В конце такта сжатия незадолго до появления рабочей искры температура топливовоздушного заряда еще недостаточно высокая (200...300°С), а давление, наоборот - значительное (10...12 атм). В таких условиях пробивное напряжение между электродами свечи - максимально. В конце такта выпуска, когда имеет место искрообразование в среде отработавших газов, пробивное напряжение минимально, так как температура выхлопных газов высокая (800...1000°С), а давление низкое (2...3 атм). Таким образом, при статическом распределении высокого напряжения с помощью двухвыводной катушки зажигания (на двух последовательно соединенных свечах - одновременно) почти вся энергия высоковольтного электроискрового разряда приходится на рабочую искру.

Впервые двухвыводная катушка была применена в контактной батарейной системе зажигания для двухцилиндрового 4-х тактного двигателя. Примером может служить система зажигания для двигателя польского автомобиля ФИАТ-126Р (рис. 9). Аналогичная по принципу действия система зажигания установлена на отечественном автомобиле ОКА (с электронным управлением).

Если в ДВС четыре цилиндра, потребуется две двухвыводных катушки зажигания и два раздельных энергетических канала коммутации в выходном каскаде (см. рис. 5). На рис. 10 приведена диаграмма последовательности искрообразования в цилиндрах 4-х цилиндрового четырехтактного двигателя, оснащенного системой зажигания с двумя двухвы-водными катушками зажигания. Для шестицилиндрового двигателя потребуется три двухвыводных катушки зажигания и три энергетических канала.

В настоящее время разработан ряд автомобильных систем зажигания, в которых две двухвыводных катушки зажигания собираются на общем Ш-образном магнитопроводе и тем самым образуется одна 4-выводная катушка зажигания (например для автомобиля ВАЗ-2110). Такая катушка имеет две первичных и две вторичных обмотки и управляется от двухканального коммутатора. Четырехвыводная 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 вывод .

Недостатком любой системы зажигания с двухвыводными катушками является то, что в одной свече искра развивается от центрального электрода к массовому (боковому), а во второй свече - в обратном направлении (см. рис. 8). Так как центральный электрод заострен и всегда значительно горячее бокового, то истечение носителей заряда 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 кВ), чем на свече с обратным включением полярности. Для современных электронных и микропроцессорных систем зажигания с большим коэффициентом запаса по вторичному напряжению и с управляемым временем накопления энергии это не имеет принципиального значения.

4. Выходные каскады с индивидуальным статическим распределением

В современных электронных и микропроцессорных системах зажигания широко используются выходные каскады с индивидуальными катушками зажигания для каждой свечи в отдельности. Примером может служить система зажигания фирмы BOSCH, интегрированная в электронную систему автоматического управления (ЭСАУ) двигателем, которая известна под названием Motronic.

На рис. 11 показана функциональная схема ЭСАУ Motronic М-3,2,

Которая устанавливается на четырехцилиндровых двигателях автомобилей AUDI-A4 (выпуск после 1995 года).

В контроллере J220 имеется микропроцессор с блоком памяти, в котором хранится трехмерная характеристика зажигания (см. рис. 6). По этой характеристике, а также по сигналам датчика ДО G-28 (датчик частоты вращения двигателя) и датчика ДН G-69 (датчик нагрузки двигателя) устанавливается начальный угол Q(кю) = F(n) опережения зажигания. Далее по сигналам датчиков ДХ G-40, ДТ G-62 и ДД G-66 в цифровом микропроцессоре производится вычисление текущего (необходимого для данного режима работы ДВС) значения угла опережения зажигания, который с помощью электронной схемы переключения каналов подается в виде основного импульса S зажигания в соответствующий канал электронного коммутатора К-122. К этому времени в этом канале индуктивный накопитель N находится в заряженном (от бортсети +12 В) состоянии и по сигналу S разряжается на соответствующую свечу зажигания. Через 180° поворота коленвала описанные процессы будут иметь место в следующем (по порядку работы двигателя) канале коммутатора.

Основные преимущества системы зажигания, интегрированной в ЭСАУ 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 ДВС, 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 - кислородного датчика и каталитического газонейтрализатора экологической системы автомобиля от повреждений);
- наличие в контроллере функций самодиагностики и резервирования.

5. Выходной каскад с управляемым трансформатором зажигания

Известны попытки применить в многоканальном выходном каскаде автомобильной системы зажигания высоковольтный трансформатор с насыщающимися сердечниками.
Если магнитопровод трансформатора ввести в режим насыщения, то его коэффициент трансформации резко падает и энергия из первичной обмотки во вторичную не трансформируется.

Электрическая схема выходного каскада с трансформатором насыщения показана на рис. 12.

Выходной трансформатор имеет два магнитопровода - М1 и М2, охваченных общей первичной обмоткой Каждый магнитопровод оснащен отдельной обмоткой управления Wв и Wв") и отдельной двухвыводной вторичной обмоткой (W2" и W2""). Когда по управляющей обмотке Wв" протекает ток, достаточный для насыщения сердечника М1, а обмотка Wв" обесточена, то высокое напряжение будет наводиться только во вторичной обмотке W2". Если обесточить управляющую обмотку Wв" и пропустить ток насыщения по обмотке Wв", то насытится сердечник М2 и высокое напряжение будет трансформировано только в обмотку W2"".

Система зажигания с трансформатором насыщения обладает высокой надежностью, малыми габаритами и весом, но ее промышленный выпуск пока не реализован из-за значительных технических трудностей изготовления (для трансформатора насыщения требуются тороидальные сердечники из высококачественного пермалоя. Намотка многовитковых обмоток на такие сердечники крайне затруднена).

6. Высоковольтные провода

В системах зажиганиях с высоковольтным механическим распределителем длина высоковольтных проводов всегда значительна (20...60 см). И так как по проводам в момент электроискрового разряда в свечах протекает высокочастотный ток высокого напряжения, то длинные провода излучают радиопомехи. Источниками радиопомех являются также свечи зажигания.

Есть три способа подавления радиопомех от АСЗ: экранизация высоковольтных проводов, свечей, катушки зажигания и высоковольтного распределителя; введение в центральный токовод высоковольтного провода распределенной индуктивности и распределенного сопротивления; установка помехоподавительного резистора непосредственно в изолятор свечи зажигания.

Экранизация требует увеличения запаса по вторичному напряжению и делает выходной каскад АСЗ громоздким. Высоковольтный провод с распределенными параметрами имеет недостаточно высокую конструктивную надежность, сложную технологию изготовления и высокую стоимость.

В современных системах зажигания применяют свечи с помехоподавительным резистором 4...10 кОм, а длину высоковольтных проводов стремятся свести к минимуму. Последнее становится возможным благодаря применению индивидуальных катушек зажигания, установленных непосредственно на свечах (см. рис. 11).

Высоковольтные провода подразделяют на низкоомные (до 0,5 Ом/м - в устаревших конструкциях проводов) и высокоомные (1...10 кОм/м). Провода маркируются двумя способами: цветом и текстовой надписью вдоль провода.

Отечественные провода светло-коричневой или пестрой расцветки - низкоомные. Провода красного или розового цвета ПВВП-8 обладают распределенным сопротивлением 2000+200 Ом/м; синего цвета ПВППВ-40 - 2550±250 Ом/м. На высоковольтных проводах импортного производства электрические параметры чаще обозначаются текстом вдоль провода. Содержание текста можно расшифровать по фирменному каталогу.

Любой из трех указанных способов подавления радиопомех приводит к некоторому падению высоковольтного выходного напряжения системы зажигания, что иногда сказывается при пуске холодного двигателя в слякотную зимнюю погоду, когда провода покрываются тонким инеем. Чтобы устранить этот недостаток, в современных микропроцессорных системах зажигания стали применять грязевлагозащиту высоковольтных проводов и свечей зажигания (укрытие проводов в изоляционную трубку или под пластмассовую крышку вместе со свечами).

* В заключение следует отметить, что автомобили с центральным бортовым компьютером (ЦБК) - пока редкость. Но перспектива очевидна. В недалеком будущем ЦБК станет единым электронным блоком управления, общим для всех функциональных систем на борту автомобиля, таких как: впрыск топлива, электроискровое зажигание, антиблокировка тормозов, управление дифференциалами ведущих колес, антипробуксовка колес и т.д. и т.п. Но даже при полной интеграции функций управления в центральный бортовой компьютер принципы построения электронных схем для электроискровых систем зажигания надолго останутся такими же, как и в современных микропроцессорных системах.

Литература

1. Д.Соснин. Современные автомобильные системы зажигания. Ремонт&Сервис, №10, 1999 г., с. 45-47
2. Д.Соснин, А.Фещенко. Автомобильные катушки зажигания. Ремонт&Сервис, №9, 1999 г., с. 46-53
3. В.Е.Ютт. Электрооборудование автомобилей. М. Транспорт. 1995 г. Продолжение следует