Система зажигания двигателя современных машин модулями CDI + IDI

Система зажигания двигателя современных машин модулями CDI + IDI

Учитывая рост стоимости бензина, а также экологические проблемы, обусловленные выхлопом двигателей транспортных средств, промышленность разрабатывает новые системы силовой передачи. Особенность таких систем — меньший расход топлива, более высокая удельная мощность, повышение фактора надёжности. Между тем важная часть устройства силовой передачи — система зажигания, вносит значительный вклад в плане эффективности. Плюс отмечается снижение загрязнений атмосферы выхлопными газами и более надёжная работа машин.

Система зажигания двигателя транспорта – история разработки

Оставшийся в истории период 1900-х годов отметился разработкой индукционной системы зажигания двигателей внутреннего сгорания. Различные варианты подобных схем используются на автомобилях до сего времени. Первичная обмотка катушки зажигания таких устройств управлялась механическими переключателями — точками прерывания — редкость современных систем зажигания.

Индуктивная схема зажигания и распределитель прерывателя отличаются простым исполнением, являются недорогими конструкциями, допускают применение к различным моделям автомобилей.

Тем не менее, для точек прерывания характерным явлением видится износ или разрушение по причине прожогов, вызванных искровым разрядом. Частое обслуживание и замена деталей увеличивают общую стоимость такого рода системы.

Некоторые внутренние проблемы, связанные с механическими переключателями и распределителем, также могут вызывать неточное и / или неправильное время зажигания. Это приводит к неправильному сгоранию топливной смеси, соответственно к повышению уровня загрязнений на выхлопе.

Благодаря разработке высоковольтных сильноточных переключателей промышленным производством полупроводников, уязвимые механические переключатели были заменены более надёжными и мощными компонентами.

Устройство распределителя стало проще за счёт использования двойных вертикальных катушек. Использование катушек «штекерного» типа позволяет исключить провода подключения высокого напряжения.

Последние технологические тенденции в области систем зажигания включают интеграцию биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). Интеграция выполняется непосредственно в катушку индуктивности вместе с управляющей интегральной схемой IGBT. Выполнение функции диагностики и защиты осуществляется в одном модуле — компактном и конструктивно простом.

Плотность энергии и ограничение напряжения

Устройства с высоким ограничивающим напряжением и способностью работать с высокой плотностью энергии (в большинстве случаев IGBT) явно желательны. Обусловлены желания растущим спросом на более совершенные двигатели типа MGP (Miles-Per-Gallon). Такие моторы работают в условиях:

  • более высокой степени сжатия,
  • более высокого напряжения искры,
  • большей энергии воспламенения обеднённой топливной смеси.

По сравнению с механическим вариантом устройства, современная электронная система зажигания обладает следующими преимуществами:

  • снижение затрат на техническое обслуживание,
  • усиленная энергия формирования искры,
  • повышенная надёжность,
  • снижение объёма и веса конструкции,
  • точность времени производства искры,
  • гибкость схем диагностики и защиты.

Классические системы зажигания двигателя автомобиля

Существует несколько классических систем зажигания, разработанных для различных применений. Все логично разделить на две группы:

  1. Конструкции конденсаторного разряда (CDI).
  2. Конструкции индуктивного разряда (IDI).

Конструкции конденсаторного зажигания CDI (Capacitor Discharge Ignition) широко используются на мотоциклах, газонокосилках и других машинах, наделённых небольшими двигателями. По сравнению с механизмом индуктивного разряда в устройствах IDI (Inductive Discharge Ignition), конденсаторные схемы используют ток разряда конденсатора для формирования искры на свече.

Здесь налицо преимущество быстрой зарядки, что особенно актуально для высокоскоростных двигателей. Базовая структура системы зажигания CDI показана на картинке ниже. Большинство таких конструкций обычно представляют модули «AC-CDI» или «DC-CDI», в зависимости от источника входного сигнала.

Система зажигания двигателя машин - структурная схема
Схема обобщённая: 1 — источник входа с ограничением тока или защитой; 2 – ограничительный диод; 3 – конденсатор; 4 – катушка индуктивности; 5 – драйвер; 6 – электронный переключатель; 7 – свеча формирования искры

Модули «AC-CDI» получают энергию от генератора переменного тока. Модули «DC-CDI» получают питание от батареи через инвертор повышения напряжения «DC-AC», включая схему выпрямителя.

По сути, система зажигания CDI содержит:

  • цепь зарядки,
  • цепь запуска,
  • катушку индуктивности,
  • свечу формирования искры,
  • накопитель энергии (основной конденсатор).

Источник входного сигнала обеспечивает систему зажигания типа «CDI» напряжением на уровне 250-600 В. Это напряжение заряжает главный конденсатор «C» через цепь зарядки.

Диод зарядной цепи предотвращает разряд конденсатора до наступления желаемого момента производства искры. Когда схема запуска включает электронный переключатель (в большинстве случаев тиристорный), энергия конденсатора разряжается через катушку индуктивности.

Система зажигания CDI или IDI – сравнительные характеристики

По причине ограниченной энергии, хранящейся в конденсаторе и катушке индуктивности с низкой индуктивностью систем зажигания CDI, продолжительность искры относительно мала по сравнению с тем, что дают модули IDI.

Короткая продолжительность искры способствует неполному сгоранию воздушно-топливной смеси и высоким вредным выбросам, соответственно. Эти факторы исключают систему зажигания типа CDI для применений, где требуется продолжительная искра на свече.

Система зажигания на индуктивном разряде (IDI) исключает проблему «перекрёстного огня», свойственную системе CDI. Плюс к этому, обеспечивается значительно большая продолжительность искры. Поэтому система зажигания по схеме IDI используется в составе большинства конструкций современных автомобилей.

Устройство работает по правилам электромагнетизма, определяемым Законом индукции от Фарадея. Высокое напряжение получается за счёт резкого изменения магнитного потока внутри катушки индуктивности.

Система зажигания типа IDI — схематичное исполнение

Базовая система зажигания IDI содержит набор компонентов:

  • катушку индуктивности,
  • полупроводниковый элемент (IGBT),
  • цепь привода,
  • свечу,
  • блок управления (ЭБУ).

Блок управления, включенный в состав автомобиля, традиционно называется электронным блоком управления (ЭБУ) двигателем. Этим блоком, собственно, и осуществляется зажигание.

Командный сигнал создаётся и отправляется драйверу компонента IGBT. Модулем ЭБУ определяется угол зажигания на основе:

  • частоты вращения двигателя,
  • температуры,
  • крутящего момента.

Модуль ЭБУ также регулирует точное время зажигания обогащённой топливной смеси, чем обеспечивается оптимальная мощность, экономия топлива, сокращение вредных выбросов.

Модулем ЭБУ не просто отправляется сигнал драйверу IGBT, также выполняется усиление сигнала и включение / выключение транзистора IGBT в цикле управления энергией. Управляемая энергия заряжает катушку индуктивности для формирования искры.

Высокое отношение витков катушки помогает снизить напряжение, отражённое на первичной стороне, вызванное высоким напряжением на вторичной стороне, до момента возникновения искры. Общая структура системы зажигания IDI показана на картинке ниже.

Система зажигания типа IDI на двигатели современных машин + схема
Структурная схема система зажигания IDI: 1 – аккумуляторная батарея; 2 – Модуль ЭБУ; 3 – драйвер IGBT; 4 – модуль электроники IGBT; 5 – катушка индуктивности; 6 – терминал одной свечи; 7 – терминал двух свечей

Как демонстрирует структурная схема зажигания IDI, одна катушка индуктивности допускает включение либо одной свечи (система зажигания с индуктивной катушкой на каждой свече), либо двух свечей (система зажигания без распределителя).

Второй вариант, где каждая сторона вторичной обмотки катушки подключается к свече, является более экономичной. Однако такая схема снижает производительность, приводит к более быстрому износу свечей.

Система зажигания разрядом (IDI) — базовый функционал графически

Основные рабочие формы сигналов системы зажигания разрядом показаны на картинке ниже. Там проиллюстрированы формы колебаний периода выдержки (первичной зарядки) цикла. Однако временной интервал «состояния по команде» зависит от частоты вращения двигателя и стратегии управления ЭБУ.

Когда командный сигнал (красная линия) повышается до высокого уровня, модуль IGBT включается, ток, следующий через первичную обмотку катушки индуктивности, увеличивается.

Поскольку вторичная сторона катушки остаётся разомкнутой цепью до возникновения дуги между сегментами свечи, энергия временно сохраняется в магнитном сердечнике катушки.

Система зажигания двигателя машин + графические осциллограммы процессов
Осциллограммы, снятые в моменты работы системы зажигания IDI: 1 – формы сигналов рабочего времени выдержки или заряда; 2 — расширенные формы сигналов выключения

После определения подходящего времени формирования искры свечи, командный сигнал возвращается на низкий уровень, в результате чего модуль IGBT выключается. Быстрое изменение первичного тока вызывает скачок высокого напряжения на модуле IGBT в результате разряда через индуктивность.

Обычно модуль IGBT имеет зажимную конструкцию между затвором и коллектором, как демонстрируется структурной схемой системы зажигания IDI (модуль 4). Конструкция зажима ограничивает выброс напряжения (до 300-600 вольт) с целью защиты транзистора IGBT, а также изоляции катушки.

На осциллограмме (1) напряжение ограничения составляет 400 вольт – кривая зелёного цвета. Энергия рассеяния индуктивности создаёт всплеск напряжения на первичной стороне, в то время как энергия намагничивания индуктивности создаёт высокое напряжение на вторичной стороне.

Во время периода фиксации модулем IGBT, небольшой ток, протекающий через фиксирующую структуру к выводу затвора, создаёт напряжение на резисторах между затвором и эмиттером (землей).

Созданным напряжением поддерживается работа модуля IGBT в линейном режиме под управлением затвора. Поэтому большая часть энергии рассеивается в части IGBT, но не в зажимной конструкции. Фактически, почти вся энергия, запасенная внутри катушки индуктивности, рассеивается в модуле IGBT.

По этой причине способность самозажимного индуктивного переключения SCIS (Self-Clamped Inductive Switching) является важным параметром. Этот параметр следует учитывать при выборе правильного модуля IGBT для конкретной катушки индуктивности.


При помощи информации: Onsemi