Узел электро-искрового зажигания автомобиля

Нормирование  времени накопления энергии позволяет  снизить мощность потерь в катушке  и коммутаторе при низких и  средних частотах вращения вала двигателя  при одновременном увеличении тока разрыва и соответственно энергии  искрового разряда, обеспечить оптимальныйзакон изменения вторичного напряжения и энергии искры в зависимости от частоты вращения вала двигателя; стабилизировать выходное напряжение системы при колебаниях напряжения питания.

БСЗ с  нормированием времени накопления энергии реализуются путем введения в коммутатор специального электронного регулятора времени накопления.

Основными недостатками бесконтактных систем зажигания являются механический способ распределения энергии по цилиндрам двигателя, несовершенство механических автоматов угла опережения зажигания, погрешности момента искрообразования из-за механической передачи от коленчатого вала двигателя к распределителю.

Наиболее  полно отвечают всем требованиям, предъявляемым  к современным системам зажигания, системы с электронным регулированием угла опережения зажигания. Среди способов реализации этих систем можно выделить два основных: аналоговый и цифровой. Аналоговый способ относится к электронным  системам зажигания более раннего  поколения, когда элементная база, используемая для их построения, имела малую  степень интеграции (системы зажигания  II поколения). Цифровые системы зажигания (системы зажигания III поколения) являются более совершенными. В основу их работы положены принципы, широко применяемые в вычислительной технике. Цифровые регуляторы представляют собой небольшие, различные по сложности вычислители, порядок работы которых задается специальным алгоритмом. Блок-схема цифровой системы зажигания представлена на рисунке 1.8.

Рисунок1.8– Блок-схема цифровой СЗ со статическим распределением энергии по цилиндрам: 1 - датчик положения коленчатого вала двигателя; 2 - датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя; 3 - датчик нагрузки; 4 - датчик температуры; 5 - интерфейс; 6 - вычислитель; 7 - двухканальный коммутатор; 8, 9 - двухискровые (с двумя высоковольтными выводами) КЗ.

 

Во время  работы двигателя датчики 1…4 передают информацию о частоте вращения и  нагрузке двигателя, о положении  коленчатого вала, о температуре  двигателя и температуре окружающей среды. На основании .этой информации, обработанной в интерфейсе 5, вычислительное устройство 6 определяет оптимальный для данного режима угол опережения зажигания. В рамках цифровой системы зажигания возможно применение как традиционного механического распределителя, в функции которого остается лишь высоковольтное распределение энергии по цилиндрам двигателя, так и метода статического распределения энергии. В этом случае для четырехцилиндрового двигателя, например, применяется двухканальный коммутатор 7, два выходных транзистора которого попеременно коммутируют ток в первичных обмотках двухвыводных или одной четырехвыводной катушке зажигания. При этом блок управления формирует два сигнала, управляющих работой коммутатора.

И все  же цифровые системы зажигания явились  переходным этапом. Последним достижением в этой области стали микропроцессорные системы (системы IV поколения). Они практически не отличаются от управляющих ЭВМ, широко применяемых в настоящее время во многих областях науки и техники. Микропроцессорные системы управления автомобильным двигателем лишь чисто условно можно отнести к системам зажигания, так как функция непосредственного зажигания является в них частью решения вопроса об оптимизации характеристик двигателя, однако именно в комплексных системах управления двигателем и заключен прогресс системы зажигания.

1.6 Статическое распределение высокого напряжения по цилиндрам двигателя

 

Средства  электроники позволили осуществить  распределение высоковольтных импульсов  по цилиндрам двигателя путем  коммутации низковольтных цепей  катушек зажигания. Такой способ распределения называют низковольтным  или статическим, поскольку отсутствуют  вращающиеся элементы.

Ниже  рассматриваются практические варианты схем статического распределения   для   четырехтактных   четырехцилиндровых   автомобильных   двигателей.

На рисунке1.9-а представлен вариант СЗ с применением катушек зажигания традиционного исполнения. Свеча зажигания каждого цилиндра управляется собственной КЗ, имеющей индивидуальный коммутационный ключ. Управление работой ключей осуществляется сигналами формируемыми контроллером.

По второму  варианту (рисунок 1.9-б) два цилиндра, момент зажигания которых смещён на 360° по коленчатому валу, управляются двухискровойКЗ и искрообразование происходит одновременно в двух цилиндрах. Две синхронные искры в разных цилиндрах - на самом деле один и тот же разряд, ток которого протекает через последовательно соединенные искровые промежутки свечей. Однако выделяющаяся при этом энергия искрового разряда распределится между ними по-разному. Ее величина прямо пропорциональна давлению в цилиндре. При этом одна искра (рабочая) реализуется в конце такта сжатия и например в первом цилиндре произойдет воспламенение рабочей смеси, а другая (холостая искра в четвертом цилиндре) - во время завершения выпуска отработавших газов и разряд ничего не воспламеняет, энергия бесполезно рассеянная в этом цилиндре, сопоставима с потерями в искровых промежутках распределителя в бесконтактных системах зажигания. Через один такт картина изменится - разряд в четвертом цилиндре совпадет с окончанием такта сжатия, а в нервом сработает в холостую. Вторая катушка аналогичным образом управляет вторым и третьим цилиндром.

 

 

 

 

Рисунок 1.9–Принципиальная схема статического распределения

высокой энергии:

1  - свечи зажигания; 2 - катушка зажигания; 3 - коммутационный ключ;

4 - высоковольтный диод.

 

Возможно  применение одной четырех искровой (рисунок1.9-в) КЗ с двумя включенными последовательно первичными обмотками, которые намагничивают сердечник в двух направлениях. Распределение высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя осуществляется с помощью выпрямителя на высоковольтных диодах (с обратным напряжением, равным напряжению во вторичной обмотке КЗ). Здесь также две свечи зажигания работают одновременно, т. е. одна искра будет холостой. Управление работой катушки зажигания осуществляется по первичной стороне, аналогично как во втором варианте. 

2 СИНТЕЗ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГОЗАЖИГАНИЯ И ОПИСАНИЕ ЕЕ РАБОТЫ

 

Вподпункте 1.6. на рисунке 1.9пояснительной записки представлены три принципиальные схемы электронного бесконтактного зажигания. Во время анализа литературных источников было принято решение спроектировать схему электронного бесконтактного зажигания на основе принципиальной схемы представленной на рисунке 1.9а.

В данной схеме имеется 4 индивидуальные катушки  зажигания, по каждой КЗ на одну свечу. Вся схема работает от одного источника  питания,

на источнике  напряжение может изменятся от +9 до +14, в зависимости от нагрузки на двигатель и оборотов коленчатого  вала.

Принцип работы данной схемы описан в пункте 1. пояснительной записки.

 

3 ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА, РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ, ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТОВ

 

Одним из главных элементов схемы формирующих высоковольтное напряжения на электродах свечи зажигания, являются катушки зажигания. Они представляют собой две обмотки внутри которых находится сердечник из ферро магнитного материала.

На первичную  обмотку катушки зажигания подается напряжение +14В, на электродах свечи  зажигания должно быть напряжение примерно равное 20кВ. От куда мы можем найти  требуемый нам коэффициент трансформации  и индуктивности первичной и  вторичной обмотками соответственно.

Коэффициент трансформации равен:

 

 

 

Первичная и вторичная обмотки в этом случаем будут иметь следующие величины индуктивностей – 20мГн и 102кГн соответственно.

Для подачи управляющего сигнала на высоковольтные транзисторы, а так же для ограничения силы тока в схеме, для повышения её надежности и долговечности, будем дополнительно использовать электронные транзисторные ключи (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 –  Транзисторный ключ Q1.

Сопротивление коллектора Rпримем равным 1кОм. Так как в схеме будет использоваться серийно выпускаемые элементы, нами были выбран транзисторы в которых коэффициент передачи тока базой равен h₂₁=100.Откуда R будет находиться по формуле:

 

 

В качестве дополнительной защиты всей схемы от перегрузки к первичным обмоткам каждой КЗ подключены дополнительныерезисторы  сопротивлением R=1кОм, конденсаторы емкостьюC=1мФ и супервизоры с напряжением пробоя 400В(рисунок 3.2).

 

 

Рисунок 3.2 –  Элементы защиты от перегрузки.

 

Во время  разрядки КЗ в транзисторах ток в  коллекторах транзисторах может  достигать следующих значений:

 

 

 

Зная  I_бо=0.15А, можно найти I_ко:

 

 

 

Всю схемы  управления конечным каскадом системы  электронного зажигания, выполненную на электронных транзисторных ключах, можно реализовать как в виде набора дискретных элементов, так и в виде интегральной микросхемы, но это не является целью курсового проекта. В любом случае для схемы управления конечным каскадом потребуется охлажление. 

4 СИМУЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА НА КОМПЬЮТЕРЕ

 

Симулирование принципиальной схемы на компьютере производилось в пакете программ NIMultisim 11.0.

Важным  компонентом, регулирующим работы схемы  электронного зажигания, является контроллер с соответствующим набором датчиков. Но так как разработка контроллера и датчиков не является основной целью курсового проекта, то примем некоторое упрощение: для генерации управляющих сигналов для электронных транзисторных ключей будем использовать генератор слов.Генератор слов представлен на рисунке 4.1.

Он позволяет  подавать управляющие сигналы на электронные транзисторные ключи  в заданной последовательности и  с заданной частотой цикла(рисунок 4.2).

Рисунок 4.1 –  Генератор слов.

 

Рисунок 4.2 –  Свойства генератора слов.

На рисунке 4.3 представлена схема моделирования.

 

 

Рисунок 4.3 – Схема моделирования.

 

В схеме применены четыре n-p-n транзистора FCX 458 производства Zetex Semiconductors, четыре n-p-n транзистора MPS 8098 производства ON Semiconductor, четыре индивидуальные катушки зажигания, для каждой свечи зажигания своя катушка. Свечи реализованы в виде стабилитронов, с напряжением пробоя равным 20кВ. 

5АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

 

Результатам моделирования полностью удовлетворяют  начальным и выходным параметрам, что свидетельствует о правильности расчётов и разработки принципиальной схемы устройства.

Моделирование проводилось дважды: при 800 об/мин  и при 7000 об/мин, 13 Гц и 116 Гц соответственно.

При оборотах двигателя 800 об/мин (13 Гц – устанавливается  частота в генераторе слов).

При оборотах двигателя 7000 об/мин (116 Гц – устанавливается  частота в генераторе слов).

В обоих  случаях вольтметр показывал 19,996кВ (рисунок 5.1а,б).

 

                                   а)                                       б)

 

Рисунок 5.1 –  Показания вольтметра: а) при 800 об/мин; б)при 7000 об/мин.

 

Вольтметр показывает 19,996В по причине того, что схема устройства не является идеальной – использованы конкретные  элементы, которые производятся массово и имеющие свои собственные погрешности.  Для пассивных элементов нами выбран уровень прецизионности –5 %.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Была  разработана принципиальная схема  работы устройства, произведён расчёт основных параметров работы схемы. Подобраны  основные активные и пассивные элементы устройства.

По заданным начальным параметрам и рассчитанным характеристикам электронного устройства было произведено моделирование. Результаты моделирования подтверждают правильность проектирования и расчета схемы электронного бесконтактного зажигания.

 

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Ходасевич А. Г., Ходасевич Т. И. Справочник по устройству, применению и ремонту электронных приборов автомобилей. Часть 1. Электронные системы зажигания. - М.: АНТЕЛКОМ, 2003. - 240с: ил.
2. Данов Б. А. Электронные  системы управления иностранных автомобилей. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 224 с.5
3. Корис Р., Шмидт-Вальтер X. Справочник инженера-схемотехника - М.: Техносфера, 2006 - 608с.
4. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА./ Спр. - Под ред. Э.Т.Романичевой-М.: Радио и связь, 1989-448с.
5. Ждановчи В.В., Горбацевич А.Ф. Оформление документов дипломных и курсовых проектов. - Мн.: Уп«Технопринт», 2002. - 99с.