Электронная интеллектуальная система зажигания

Увеличить мощность двигателя, достичь лучшей экономичности, снизить выбросы загрязняющих веществ – всему этому способствует интеллектуальная система зажигания. Благодаря программируемому (управляемому) методу угла зажигания достигается повышение эффективности системы ёмкостного разряда постоянного тока. Применяется 8-битный микрокомпьютер для считывания сигнала частоты вращения коленчатого вала и базового сигнала распределительного вала. Угол зажигания двигателя контролируется посредством кривой характеристики мощности предварительно нагруженного двигателя и интеллектуального определения микрокомпьютером.

Ёмкостная система зажигания мотоциклетного двигателя

Существенное продление срока службы мотоциклетных двигателей обещает интеллектуальное устройство с ёмкостным разрядом, выступающее в качестве системы зажигания. Ёмкостные разрядные системы условно разделяют на два типа:

1. Зажигание от магнето.
2. Зажигание от батареи.

Как видно, имеет место система зажигания переменного и постоянного тока.

Сегодня значительная доля мотоциклетных двигателей оснащается ёмкостным зажиганием постоянного тока. Здесь просто заменяется сигнал зарядки генератора переменного тока напряжением аккумуляторной батареи. Соответственно, снижаются производственные затраты, исключается один комплект высоковольтной обмотки, а также уменьшается нагрузка, вызванная сопротивлением магнето в двигателе. Кроме того, улучшается нестабильность системы зажигания, вызванная изменением частоты вращения двигателя.

Вместе с тем, несколько увеличивается сложность электронной конструкции ёмкостного зажигания. Здесь поддерживается более высокое напряжение по сравнению с традиционным вариантом. Ёмкостное зажигание имеет гораздо более высокую энергию разряда. Современная электронная система ёмкостного зажигания постоянного тока обладает многими преимуществами, но пути совершенства остаются.

Одним из путей видится цифровой метод управления импульсом зажигания. То есть управление интервалом времени и опережения зажигания, или сочетание микрокомпьютерной технологии. Актуальным становится учёт факторов скорости, частоты вращения двигателя, объёма выхлопных газов и т. д. для лучшего управления зажиганием.

Аппаратное и электрическое управление системой

Секции аппаратного и электрического управления системы представляют:

1. Систему управления микрокомпьютером на одном чипе. Микрокомпьютер диагностирует (вычисляет) данные входного сигнала и отправляет сигнал запрограммированных углов зажигания.
2. Секцию ввода, где принимается сигнал частоты оборотов коленчатого вала и базовый сигнал распределительного вала.
3. Выходную секцию, где запускается модуль зажигания с помощью выходного сигнала микрокомпьютера.
4. Секцию преобразователя низкого напряжения постоянного тока в напряжение, мощности которого достаточно для срабатывания модуля зажигания.
5. Компьютерный монитор режима реального времени для настройки кривой зажигания, с программным обеспечением контроля.

Программная часть обрабатывает численные расчёты сигнала частоты оборотов коленчатого вала, базового сигнала распределительного вала и др. с выводом сигнала управления зажиганием. Здесь же организуется связь с программным обеспечением ПК, выполняются задачи мониторинга и управления, а также вносятся изменения кривых в режиме реального времени.

Интеллектуальная система зажигания принцип работы

Установленной внутри цилиндра бензинового двигателя свече зажигания требуется определённый промежуток времени для воспламенения паров топлива. Для достижения лучших характеристик двигателя зажигание логично включать в более раннее время, а не сразу по факту сжатия. То есть зажигать топливную смесь необходимо строго в момент времени строго оптимальный.

Время зажигания представлено углом опережения зажигания. Этот угол представляет собой угол поворота кривошипа, отсчитываемый от начала разряда между электродами свечи до момента, когда поршень перемещается в область верхней мёртвой точки. Величина угла опережения зажигания напрямую влияет на время достижения максимальным давлением сгорания в цилиндре.

Эта величина сильно влияет на мощность и эффективность двигателя в момент зажигания. Если точка наивысшего давления сгорания наступает слишком рано, т. е. угол опережения зажигания слишком велик, смесь топлива и воздуха определённо воспламеняется раньше. После периода задержки сгорания, линия повышения давления упадёт до верхней мертвой точки поршня, когда одновременно внутри цилиндра происходит процесс сжатия.

Фактор детонации в режиме сжигания топлива

Поскольку объём сжимается, а давление внутри цилиндра повышается, значение давления достигает максимума. Это приведёт к увеличению отрицательной мощности в процессе сжатия, росту нагрузки на силовые части двигателя, повышению температуры и давления смешанного воздуха внутри цилиндра. Наконец, воспламенение топливно-воздушной смеси вызовет детонацию двигателя.

Напротив, если точка наивысшего давления сгорания наступает слишком поздно, скорость расширения воспламенённого газа уменьшается, а температура выхлопных газов повышается. Одновременно увеличивается площадь теплопередачи относительно высокотемпературного периода в процессе горения. Такое состояние приведёт к более высоким потерям тепла.

Так называемый оптимальный угол опережения зажигания обычно возникает при воспламенении топливно-воздушной смеси в цилиндре. При этом максимальное давление сгорания увеличивается на 10 градусов вслед за углом поворота коленчатого вала в верхней точке. Мощность и КПД двигателя достигают оптимальных значений. Оптимальное давление сгорания получают без детонации, если топливная смесь зажигается в этот момент. Однако оптимальный угол опережения зажигания не всегда одинаков.

Принцип действия и архитектура аппаратной части

Рассмотрим систему зажигания постоянного тока, когда напряжение источника питания (+12В) повышается до уровня выше 200В посредством метода преобразования напряжения. Полученная энергия сохраняется высоковольтным конденсатором с целью обеспечения срабатывания модуля зажигания. Главный контроллер представляет собой высокопроизводительный 8-разрядный однокристальный микрокомпьютер с высокой помехоустойчивостью, например, производства японской компании «Toshiba Semiconductors».

Контроллер считывает сигнал частоты вращения коленчатого вала и базовый сигнал распределительного вала, определяет оптимальную задержку управления углом зажигания. Эта задержка вычисляется с помощью предварительно загруженной характеристики мощности двигателя и интеллектуальной программы микрокомпьютера. Далее сигнал зажигания подается на модуль зажигания. Энергия, накопленная высоковольтным конденсатором, подаётся на свечу зажигания для формирования искры.

Основой контроллера является однокристальный микрокомпьютерный блок управления, например, серии TLCS-870/C производства японской компании «Toshiba Semiconductors». Ключевые особенности этой серии микрокомпьютеров включают:

• высокую помехозащищенность,
• производительность в режиме реального времени,
• технологию конвейерной обработки.

Кроме того, требования низкого напряжения и низкого энергопотребления также реализуются за счёт технологии изготовления CMOS, а также адекватного режима ожидания. Плюс, эта серия микрокомпьютеров с одним чипом имеет множество внутренних портов ввода-вывода и полный набор функций, которые полностью удовлетворяют требованиям интеллектуальной системы зажигания.

Преобразователь высокого напряжения постоянного тока обычно включает следующие схемы:

1. Схема повышения напряжения.
2. Схема подкачки заряда.
3. Схема переключения.
4. Схема резонансного инвертора.

Вышеупомянутые схемы (1, 2, 4) отличаются достаточно сложным исполнением, что оказывает влияние на стоимость конструкции в целом.

Преобразование напряжения постоянного тока

Отдельно необходимо отметить схему переключения. Здесь применяются два типа исполнения. Двухтактная схема с двумя транзисторами или с одним транзистором. Здесь рассматривается схема переключения с одним транзистором, инвертирующим напряжение 12В постоянного тока в напряжение пульсирующей формы.

Сформированная низковольтная пульсирующая волна повышается до нескольких сотен вольт переменного напряжения с помощью высокочастотного инвертора. Затем полученное напряжение выпрямляется полупериодом через диод и заряжает конденсатор энергией, необходимой для формирования искры воспламенения.

Генерация широтно-импульсной модуляции в схеме реализована с помощью тактирующей микросхемы NE555 с компонентами, образующей нестабильный мультивибратор. Здесь получают синусоидальный сигнал с частотой колебаний около 15 кГц, с высоким отношением фронта нарастания к фронту спада. Далее фиксированный синусоидальный сигнал сравнивается с напряжением обратной связи делителя напряжения, взятого с высоковольтного накопительного конденсатора.

Два сигнала сравниваются компаратором, формируется переменный рабочий цикл и волна прямоугольной формы с фиксированной частотой. Среднее напряжение этой прямоугольной формы обратно пропорционально входному напряжению обратной связи. Если входное напряжение обратной связи изменяется, ширина выходной волны прямоугольной формы меняется.

Следовательно, ширина пульсирующей волны может использоваться для управления временем включения и выключения одиночного транзистора. Таким образом, зарядным напряжением можно управлять, изменяя запасенную магнитную энергию повышения высокочастотного повышения напряжения инвертора. Метод управления напряжением для этой замкнутой цепи позволяет получить стабильный источник высокого напряжения постоянного тока.

Рассмотрение элементов электронной схемы

В составе электроники представлен логический элемент «И», который предназначен для выключения транзистора, что приводит к прекращению эффекта зарядки конденсатора высоким напряжением. Напряжение на высоковольтном конденсаторе замыкается на землю из-за срабатывания модуля зажигания.

Нагрузки, действующие на транзистор и высокочастотный повышающий инвертор напряжения, увеличиваются, что способствует росту тока и температуры. Неконтролируемый рост может повлечь за собой повреждения компонентов и цепей. Поэтому в схеме используются диоды для получения формы волны, управляемой напряжением.

Блок модуля интеллектуальной системы зажигания показан ниже. Кремниевый управляемый тиристор используется для сброса высокого напряжения на катушку зажигания. Сигналы запуска для тиристора исходят из двух источников:

1. Один — сигнал управления микрокомпьютера.
2. Другой — сигнал схемы обработки сигналов индукционных катушек.

Последний сигнал подготовлен к ситуации, когда основной мощности недостаточно для поддержания нормальной работы микрокомпьютера в процессе работы двигателя. Это резервная схема прямого зажигания с катушкой по сигналу, поступающему от индукционных катушек двигателя. Когда работа микрокомпьютера нормализуется, выдаётся сигнал замыкания резервной цепи зажигания.

Поскольку тиристор не работает в процессе зарядки, напряжение высокочастотного повышающего инвертора напряжения сформирует замкнутый контур зарядки конденсатора через диоды. Разряду способствует подача на затвор тиристора положительного импульса. Здесь образуется замкнутый контур высвобождения высоковольтной энергии на катушку зажигания.

Блок считывания базового сигнала распределительного вала

Сигнал датчика положения коленчатого вала двигателя является очень важным сигнальным ресурсом. Точность этого сигнала напрямую влияет на расчёт угла зажигания. Наиболее часто встречающиеся датчики коленчатого вала обычно работают по принципу электромагнитного измерения. Датчик расположен в верхней части распределителя. На вращающемся диске распределителя находится металлическая крошка.

Масса нанесения металлической крошки различна в зависимости от конструкции двигателя и обычно находится в диапазоне 20-60 градусов. Когда масса железа приближается к индукционным катушкам, генерируется положительное пульсирующее напряжение. Выходное напряжение индукционных катушек сводится к нулю, когда металлический массив охвачен полностью.

Выход металлического массива из области индукционных катушек способствует генерации отрицательного пульсирующего напряжения. Выходное напряжение индукционных катушек также останется равным нулю, когда металлический массив полностью выходит из области.

Поскольку величина выходного сигнала пульсирующего напряжения колеблется от нескольких вольт до нескольких десятков вольт, а выходной ток находится в диапазоне микроампер, сигнал усиливается, выпрямляется, фильтруется и защищается от помех. Диодами фильтруются положительные и отрицательные сигналы пульсирующего напряжения, соответственно. Избыточные шумы сигналов фильтруются цепочками RC.

Пульсирующий слабый сигнал преобразуется в цифровой сигнал, который допустимо обрабатывать микрокомпьютером через транзисторы. Обработкой изменяется фаза усиленного сигнала один раз, чтобы поддерживать обработанные положительные и отрицательные пульсирующие сигналы напряжения по фазе.

Архитектура ПО электронной системы зажигания

Программное обеспечение, встроенное в микрокомпьютер, является ядром системы управления. Благодаря управлению процессом, алгоритму и диагностике данных, входные и выходные интерфейсы последовательно соединяются, что соответствует проектным требованиям системы. Для электронной интеллектуальной системы зажигания полное и надёжное программное обеспечение управления имеет основополагающее значение в плане обеспечения производительности системы.

Текущий прогресс в разработке программного обеспечения обеспечивает эффективные методы проектирования и рекомендации концепции, принципа, технологии. Архитектурный дизайн обладает массой преимуществ:

• высокая степень надёжности,
• точная читаемость,
• эффективность выполнения,
• простота обслуживания.

Модульная конструкция также включает определённые слои, которые помогают поддерживать и изменять коды. Кроме того, включены режимы мониторинга и управления, с помощью которых изменения параметров угла зажигания, предела максимальной скорости двигателя и других могут выполняться непосредственно в человеко-машинном интерфейсе программного обеспечения через коммуникационный интерфейс ПК.

---

При помощи информации: IEEE