2.12. Бесконтактные системы зажигания
Основной элемент, понижающий надежность контактно-полупроводниковых систем, — механический прерыватель. Поэтому для повышения надежности электронных систем зажигания применяется зажигание с бесконтактным управлением (рис. 2.10). В таких системах специальные датчики вырабатывают импульсы в строго заданные моменты времени, которые через формирующий и выходной каскады управляют током в первичной обмотке катушки зажигания. Созданные при этом импульсы высокого напряжения подаются в необходимой последовательности обычным распределителем к свечам зажигания.
Рис. 2.10. Блок-схема бесконтатной системы зажигания
Бесконтактные системы, обладая всеми преимуществами контактно-транзисторной системы, не имеют указанных недостатков.
Момент образования искры определяется подачей сигнала, который вырабатывается бесконтактными датчиками, установленными в стандартном распределителе. Как правило, мощность выходного сигнала бесконтактного датчика мала, поэтому выходные сигналы предварительно формируются и усиливаются.
В качестве источников сигналов в бесконтактных системах зажигания в настоящее время применяются магнитоэлектрические, индуктивные датчики и датчики Холла.
2.13. Бесконтактная система зажигания с коммутатором тк-200
Система состоит из датчика-распределителя Р-351, в который входит магнитоэлектрический бесконтактный датчик (рис. 2.11), транзисторный коммутатор ТК-200, катушки зажигания типа Б-118, свечи, добавочный резистор, сблокированный с выключателем пуска стартера и выключателя зажигания SB .
Принцип действия датчика основан на явлении электромагнитной индукции. Датчик состоит из неподвижной обмотки с железным сердечником (статора) 1, выполненным из электротехнической стали, и подвижного постоянного магнита (ротора) 2, жестко связанного с валом двигателя, причем число пар полюсов постоянного магнита равно количеству цилиндров двигателя.
При вращении ротора в обмотке статора возникает переменная ЭДС, которая изменяется по частоте и амплитуде в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Рис.2.11. Магнитоэлектрический датчик
Преимущество датчика — простота устройства. Бесконтактный датчик исключает периодическую регулировку системы и повышает надежность системы зажигания. Основной недостаток его — изменение ампли туды и формы сигнала. С изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя (рис. 2.12).
Если частота вращения ротора датчика мала (менее 20 об/мин), то вырабатываемый им импульс напряжения оказывается недостаточным для срабатывания входного транзистора коммутатора. Бесконтактной системе зажигания с магнитоэлектрическим датчиком присуще некоторое электрическое смещение угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения (в пределах 5. 10 о ), которое необходимо компенсировать механическим автоматом опережения зажигания, что не всегда возможно.
Транзисторный коммутатор (рис. 2.13) содержит формирующий каскад на транзисторах VT1 -VT3 и выходной каскад на мощном транзисторе VT4 в цепь коллектора которого включена первичная обмотка катушки зажигания.
При включенном зажигании и неподвижном роторе датчика BR VT1 закрыт, так как на его базе имеется нулевой потенциал. При этом база VT2 через диод VD4 и резистор R4 соединена с положительной клеммой аккумуляторной батареи и транзистор открывается. Ток VT2 создает на R9 падение напряжения с «+» у базы VT3 и он открывается, а ток VT3 открывает VT4 и через первичную обмотку катушки зажигания начинает протекать ток.
При вращении ротора датчика импульсов положительный полупериод напряжения через VD1 и R2 подается на базу VT1 и он открывается. Открытый VT1 шунтирует вход VT2-VT4 и они запираются. В результате запирания VT4 ток в первичной обмотке прерывается и во вторичной обмотке W2 индуцируется высокое напряжение (до 30 кВ), которое подается к свечам зажигания.
Рис.2.12. График напряжения магнитоэлектрического датчика
Диод VD8 защищает транзисторы от перегрузок при случайном изменении полярности аккумуляторной батареи.
Стабилитрон VD7 служит для защиты VT4 от токов самоиндукции первичной обмотки катушки зажигания. Диод VD1 и резистор R2 ограничивают ток управления VT1 при большой частоте вращения ротора датчика.
Для того, чтобы улучшить работу схемы в режиме пуска при малой частоте вращения валика распределителя, когда скорость нарастания напряжения недостаточна, введена положительная обратная связь через R7 и С1.
Рис 2.13. Схема бесконтактной системы зажигания с коммутатором ТК-200
Это позволяет создать в режиме пуска серию искр (до 10), что благоприятно сказывается на пуске двигателя. Конденсатор C2 резко снижает энергию, рассеиваемую во время запирания VT4, что повышает надежность его работы, а также несколько увеличивает вторичное напряжение катушки зажигания.
Для защиты коммутатора от перенапряжений в цепи питания применена цепь, состоящая из VD2 и R3. Если напряжение питания превышает допустимое, стабилитрон пробивается, и транзистор открывается, вследствие чего все три транзистора (VT2, VT3 и VT4) оказываются запертыми.
Источник
Лекция №6-3 Бесконтактная система зажигания
Исторически сложилось так, что для первых бензиновых моторов использовалась батарейная (аккумуляторная) система зажигания, основанная на эффекте самоиндукции. Самой первой была контактная, ставшей впоследствии классической, система. По мере совершенствования автомашины развивались и его отдельные компоненты, так появилась контактно транзисторная система зажигания.
НОВЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ
Основным элементом, благодаря которому новая схема приобрела улучшенные характеристики, относительно прежней, классической, стал транзистор. Причем он явился причиной, что контактно-транзисторная система зажигания получила новый узел – коммутатор.
Отличительной особенностью, присущей транзистору, является то, что небольшой ток, поступающий на управление (в базу), позволяет управлять током гораздо большей величины, протекающим через прибор.
Контактно транзисторная система зажигания, несмотря на незначительные, на первый взгляд, изменения и сохранение принципа работы, приобрела новые свойства, недоступные классической системе. Но прежде чем оценивать достоинства и недостатки, которыми обладает контактно-транзисторная схема, необходимо коснуться отличий в работе.
Главное отличие от классического зажигания заключается в том, что прерыватель воздействует не на бобину, а на базу транзистора. В остальном контактно-транзисторная схема работает так же, как обычная система зажигания. При прерывании, в первичной обмотке бобины протекания тока, во вторичной наводится высоковольтное напряжение. Не касаясь деталей внутреннего устройства коммутатора и его подключения, можно отметить, что транзисторная схема зажигания даже в таком упрощенном виде обладает следующими достоинствами:
Контактно-транзисторное управление процессами, происходящими в катушке зажигания, обеспечивает возможность увеличить в первичной обмотке ток, вследствие чего:
- можно повысить величину вторичного напряжения;
- увеличить между электродами свечи зазор;
- улучшить процесс искрообразования, сделать его более устойчивым, а также улучшить запуск двигателя при пониженной температуре;
- повысить количество оборотов и увеличить мощность двигателя.
Однако подобная контактно-транзисторная схема требует использования катушки зажигания с отдельными обмотками (первичной и вторичной).
Повысилась надёжность: контактно-транзисторная система позволяет снизить нагрузку на контакты прерывателя, уменьшив значение проходящего через них тока, следствием чего является уменьшение подгорания контактов.
Однако не все так хорошо, как кажется с первого взгляда.
Контактно-транзисторная система зажигания имеет и свои недостатки .
Вызваны они использованием прерывателя, т.е. система начинает работать и формировать искру, когда контактно разрывается цепь прохождения тока в обмотке бобины. Величина тока, поступающего в базу транзистора, существенно влияет на его работу, и уменьшение тока из-за качества контактов скажется на работе всей системы.
Бесконтактная система зажигания
Для того чтобы бензиновый двигатель заработал, в его цилиндрах должно произойти воспламенение топлива. Это истина. Поэтому система зажигания (сначала, естественно, контактная) и возникла одновременно с автомобилем. Но прогресс не стоит на месте. Он, конечно же, коснулся и системы зажигания: на смену традиционному способу образования искры пришел более эффективный и надежный, а именно, бесконтактный. О нем и пойдет речь в данной статье.
Основные различия традиционной и бесконтактной систем зажигания
При работе бензинового двигателя искрообразование (то есть подача высокого напряжения на свечу) происходит в момент, когда осуществляется размыкания низковольтной цепи питания катушки зажигания.
В традиционной системе в качестве такого «выключателя» выступают контакты механического прерывателя, которые периодически размыкаются при соприкосновении с кулачками вращающегося ротора прерывателя.
Именно этот узел и был заменен при переходе на бесконтактную систему.
Управляющий сигнал в ней формируется специальным сенсором (индуктивным, оптическим или датчиком Холла), установленным под крышкой распределителя. Электрический импульс поступает на полупроводниковый коммутатор, который и осуществляет управление первичной обмоткой катушки зажигания.
Датчик Холла — назначение, принцип действия
Датчик Холла получил свое название по имени Э.Холла, американского физика, открывшего в 1879 г. важное гальваномагнитное явление.
Суть данного явления заключалась в следующем: Если на полупроводник, по которому (вдоль) протекает ток, воздействовать магнитным полем, то в нем возникает поперечная разность потенциалов (ЭДС Холла). Возникающая поперечная ЭДС может иметь напряжение только на 3 В меньше, чем напряжение питания.
а — нет магнитного поля, по полупроводнику протекает ток питания — АВ; б — под действием магнитного поля — Н появляется ЭДС Холла — ЕF; в — датчик Холла
Эфект Холла
- Av А2 — соединения, полупроводниковый слой
- UH — напряжение Холла
- В — магнитное поле (плотное)
- Iv — постоянный ток питания
Датчик Холла имеет щелевую конструкцию.
С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны — постоянный магнит. В щель датчика входит стальной цилиндрический экран с прорезями. При вращении экрана, когда его прорези оказываются в щели датчика, магнитный поток воздействует на полупроводник с протекающим по нему током и управляющие импульсы датчика Холла подаются в коммутатор, в котором они преобразуются в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания.
На примере датчика Холла, применяемого в бесконтактной системе зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099.
На практике это выглядит так: датчик Холла автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099 установлен на опорной пластине распределителя и состоит из двух частей – магнита и элемента Холла с усилителем. На датчик Холла подается напряжение с коммутатора (вывод 5) через токовый красный провод. «Масса» так же с коммутатора – бело-черный провод с вывода 3. Магнит создает магнитное поле, элемент Холла принимает его, создает напряжение, которое усиливает усилитель и через зеленый импульсный провод напряжение подается на коммутатор (вывод 6).
Для изменения магнитного поля применяется экран с четырьмя прорезями, который вращается вместе с валом распределителя зажигания (трамблера) проходя между магнитом и принимающей частью датчика Холла. При прохождении в пазу датчика прорези экрана магнитное поле имеет определенную величину и соответственно датчик выдает на коммутатор электрический ток определенного напряжения (9-12 В).
При прохождении в пазу датчика зубца экрана магнитное поле экранируется и не поступает на приемник датчика, при этом напряжение, поступающее на коммутатор, падает (0-0,5 В).
Соответственно коммутатор прерывает электрический ток, подающийся на катушку зажигания, магнитное поле в ней резко сжимается и, пересекая витки обмотки, наводит ЭДС 22-25 кВ (ток высокого напряжения). Ток через бронепровода попадает на распределитель и далее на свечи зажигания, производя разряд, поджигающий топливную смесь. Прохождение каждого из четырех зубцов экрана в прорези датчика соответствует такту сжатия в одном из четырех цилиндров двигателя.
Бесконтактные системы зажигания с датчиком Холла(TSZh)
1 — свечи зажигания; 2 — датчик-распредепитель; 3 — коммутатор; 4 — генератор; 5 — аккумуляторная батарея; 6 — монтажный блок; 7 — репе зажигания; 8 — катушка зажигания; 9 — датчик Холла
Данные системы являются системами зажигания с регулированием времени накопления энергии. Данная система зажигания пришла на смену TSZi, чтобы исправить 2 недостатка:
- Форма и величина выходного напряжения магнитоэлектрического датчика изменяются с частотой вращения, что влияет на момент искрообразования.
- Уменьшение вторичного напряжения при росте частоты вращения коленчатого вала. Поэтому более перспективна система с регулированием времени накопления энергии.
В микросхеме коммутатора сигнал в блоке формирования периода, накопления энергии сначала инвертируется, затем интегрируется. На выходе интегратора образуется пикообразное напряжение, величина которого тем больше, чем меньше частота вращения двигателя. Это напряжение поступает на вход компаратора, на другой вход которого подано опорное напряжение. Компаратор преобразует величину напряжения во время. Сигнал на входе компаратора имеет место тогда, когда величина пилообразного напряжения достигает опорного и превышает его. При большой частоте вращения величина пилообразного напряжения мала, соответственно мала и длительность сигнала на выходе компаратора. С исчезновением выходного сигнала компаратора через схему управления открывается транзистор VT1, и первичная .цепь зажигания включается в сеть. Следовательно, время накопления энергии в катушке соответствует времени отсутствия сигнала на выходе компаратора. Уменьшение длительности выходного сигнала компаратора позволяет увеличить относительную величину времени накопления энергии и тем самым стабилизировать ее абсолютное значение.
Блок ограничения силы выходного тока срабатывает по сигналу, снимаемому с резисторов, включенных последовательно в первичную цепь зажигания. Если этот сигнал достигает уровня соответствующего силе тока 8 А, блок переводит выходной транзистор в активное состояние с фиксированием этой величины тока.
Блок безискровой отсечки отключает катушку зажигания в случае, если включено электропитание, но вал двигателя неподвижен. При этом, если при остановленном двигателе выходное напряжение датчика соответствует низкому уровню, катушка отключается сразу, в противном случае отключение происходит через 2 — 5 с.
Схема насыщена элементами защиты от всплесков напряжения и включения обратной полярности питания. Регулировка угла опережения зажигания осуществляется традиционными способами, т.е. центробежным и вакуумным регуляторами.
Индуктивные датчики
Датчики индуктивного типа используются главным образом для измерения скорости и положения вращающихся деталей. Их действие основывается на известном принципе электрической индукции (изменение магнитного потока наводит э.д.с. в катушке). В результате вращения ротора датчика управляющих импульсов изменяется магнитное поле и в индукционной обмотке (статоре) создается представленное на рисунке а, б переменное напряжение. При этом напряжение увеличивается по мере приближения зубцов ротора к зубцам статора. Положительный полупериод напряжения достигает своего максимального значения, когда расстояние между зубцами статора и ротора минимальное. При увеличении расстояния магнитный поток резко меняет свое направление и напряжение становится отрицательным.
Рисунок. Датчик управляющих импульсов по принципу индукции
а) Технологическая схема
- Постоянный магнит
- Индукционная обмотка с сердечником
- Изменяющийся воздушный зазор
- Ротор датчика управляющих импульсов
б) временная характеристика переменного напряжения, индуктируемого датчиком управляющих импульсов tz = момент зажигания
В этот момент времени (tz) в результате прерывания первинного тока коммутатором инициируется процесс зажигания.
Количество зубцов ротора и статора в большинстве случаев соответствует количеству цилиндров. В этом случае ротор вращается с уменьшенной вдове частотой вращения коленчатого вала. Пиковое напряжение (± U) при низкой частоте вращения составляет прибл. 0,5 В, при высокой — прибл. до 100 В.
Момент зажигания можно проконтролировать только при работающем двигателе, поскольку без вращения ротора изменение магнитного поля не происходит и в результате не создается сигнал.
Бесконтактные системы зажигания с индуктивным датчиком(TSZi).
1 — свечи зажигания; 2 — датчик-распределитель, 3 — коммутатор, 4 — катушка зажигания
Данные системы являются бесконтактными системами зажигания с нерегулируемым временем накопления энергии. Бесконтактная система зажигания с нерегулируемым временем накопления энергии принципиально отличается от контактно-транзисторной только тем, что в ней контактный прерыватель заменен бесконтактным датчиком. На рисунке ниже приведена электрическая схема системы:
Принцип работы: Сигнал с обмотки L магнитоэлектрического датчика через диод VD2, пропускающий только положительную полуволну напряжения, и резисторы R2, R3 поступает на базу транзистора VT1. Транзистор открывается, шунтирует переход база-эмиттер транзистора \/Т2, который закрывается. Закрывается и транзистор VT3, ток в первичной обмотке катушки зажигания прерывается, и на выходе вторичной обмотки возникает высокое напряжение. В отрицательную полуволну напряжения транзистор VT1 закрыт, открыты VT2 и VT3, и ток начинает протекать через первичную обмотку Катушки возбуждения. Очевидно, что число пар полюсов датчика должно соответствовать числу цилиндров двигателя.
Цепь R3-C1 осуществляет фазосдвигающие функций, компенсирующие фазовое запаздывание протекания тока в базе транзистора VT1 из-за значительной индуктивности обмотки датчика L, чем снижается погрешность момента искрообразования.
Стабилитрон VD3 и резистор R4 защищают схему коммутатора от повышенного напряжения в аварийных режимах, так как, если напряжение в бортовой цепи превышает 18 В, цепочка начинает пропускать ток, транзистор VT1 открывается и закрывается выходной транзистор VT3. Цепями защиты от опасных импульсов напряжения служат конденсаторы СЗ, С4, С5, С6; диод VD4 защищает схему от изменения полярности бортовой сети. Форма и величина выходного напряжения магнитоэлектрического датчика изменяются с частотой вращения, что влияет на момент искрообразования.
Общий принцип работы:
Давайте обобщим всё прочитанное. Не смотря на разность датчиков, системы схожи в построении и различаются внутренним устройством некоторых компонентов. Давайте взглянем на систему и опишем последовательно работу:
Итак, водитель поворачивает ключ в замке зажигания, тем самым замыкая цепь. Ток начинает поступать из аккумулятора по замкнутому замку зажигания.
Можно сказать, что питание цепи происходит по схеме: Аккумулятор->Стартер->Генератор. При нахождении ключа в положении «стартер» замыкаются контакты 50 и 30. Электрический ток поступает на реле стартера. Там появляется магнитное поле, что приводит к тому, что бендикс стартера вводится в зацепление с шестернёй маховика. Включается электродвигатель стартера и он начинает крутить маховик. Тот в свою очередь начинает раскручиваться и при достижении скорости, большей чем допустимая скорость вращения вала шестерни стартера привод стартера выводит её из зацепления. В свою очередь, вращение коленчатого вала передаётся на вращение вала генератора, что в свою очередь приводит к выработке электрического тока на нём, который питает бортовую сеть автомобиля и подзаряжает аккумулятор.
1 — свечи зажигания; 2 — датчик-распределитель; 3 — распределитель; 4 — датчик импульсов; 5 — коммутатор; 6 — катушка зажигания; 7 — монтажный блок; 8 — реле зажигания; 9 — выключатель зажигания; А — к клемме генератора.
Электрический ток поступает на первичную обмотку катушки зажигания(6).
Коммутатор, получая сигнал с датчика(4), прерывает или наоборот включает первичную обмотку. Когда протекание тока по первичной обмотке прерывается, то во вторичной обмотке возникает ток высокого напряжение, который подаётся по высоковольтному проводу на распределитель.
Распределитель, вал которого приводится в движение от шестерни привода масляного насоса или коленчатого вала(зависит от конкретного устройства двигателя) распределяет искру по свечам, тем самым воспламеняя смесь в нужном цилиндре двигателя в нужное время.
Преимущества БСЗ
Задача системы зажигания — обеспечение в нужный момент искры зажигания достаточной энергии для воспламенения топливной смеси. Чем точнее выполняется этот процесс, тем выше мощность и эффективность двигателя. Правильно выставленное зажигание позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива и выбросы вредных веществ.
В последние годы и десятилетия эти цели приобретали все большую актуальность. Контактная система зажигания не смогла справиться с требованиями, которые к ней предъявлялись. Максимально передаваемую энергию, необходимую для зажигания рабочей смеси, увеличить не удалось, хотя это было необходимо для двигателей с высокой компрессией и мощностью, частота вращения которых становились все больше. Кроме того, из-за постоянного износа контактов не возможно обеспечить точное соблюдение заданного момента воспламенения. Это вызывало перебои в работе двигателя, повышение расхода топлива и выбросам вредных веществ атмосферу.
Благодаря развитию электроники удалось инициировать процесс воспламенение бесконтактно, в результате чего решились проблемы износа и технического обслуживания. При этом заданный момент зажигания точно соблюдается практически в течение всего срока службы. В первую очередь, это достигается благодаря индуктивному формированию сигнала (бесконтактная транзисторная система зажигания с накоплением энергии в индуктивности) и формированию сигнала датчиком Холла (TSZ-h). Поскольку обе эти системы экономичны и относительно недорогие, они используются и сегодня на некоторых двигатетелях малого объема.
Основные преимущества бесконтактной системы зажигания:
- отсутствие износа и технического обслуживания,
- постоянный момент воспламенения,
- отсутствие дребезга контактов и, как следствие, возможность увеличения частоты вращения,
- регулирование накопления энергии и ограничение первичного тока,
- более высокое вторичное напряжение системы зажигания
- отключение постоянного тока.
Источник