Одно из основных требований к системе зажигания состоит в своевременности момента искрообразования. Механические регуляторы не способны обеспечить оптимальное регулирование системы на всех режимах работы двигателя. Кроме того, подвижные части регуляторов изнашиваются, упругие элементы стареют, происходит эрозия и сильное обгорание контактов прерывателей. Имеет значение и довольно широкое поле технологических допусков при изготовлении деталей. Свою долю в неравномерность искрообразования вносят кулачок прерывателя, а также привод распределителя зажигания.
Как правило, за время эксплуатации двигателя прерыватели надо менять несколько раз, но еще чаще проверять, зачищать и периодически регулировать момент размыкания контактов и зазор между ними.
Любая электронная система зажигания отличается от традиционной тем, что коммутация первичной обмотки катушки зажигания происходит бесконтактным способом с помощью мощного полупроводникового ключа — транзистора или тиристора (тринистора). Этот ключ обычно встроен в электронный (транзисторный) коммутатор. Иногда этот электронный прибор называют также блоком управления зажиганием.
В первоначальных схемах ЭСЗ контактные прерыватели, однако, сохранялись. При коммутации через контакты протекал небольшой ток, в то время как в первичной обмотке катушки зажигания он мог достигать значительной величины. Тем самым устранялись проблемы, связанные с электроэрозионным износом контактов: дуга между ними при бесконтактном способе коммутации не возникает.
Первая в СССР электронная система зажигания — контактно-транзисторная (КТСЗ) была освоена в серийном производстве еще в 60-х годах. Первоначально она применялась на грузовых автомобилях «ЗИЛ-130», затем на автобусах «ЛАЗ» и «ЛиАЗ», в дальнейшем — на легковых автомобилях «Волга», «ГАЗ-3102». И в настоящее время эта схема нередко используется любителями вместо традиционной системы зажигания, в том числе на четырехцилиндровых двигателях (рис. 1).
Схема содержит электронный (транзисторный) коммутатор А1 типа ТК102, катушку зажигания Т1 типа Б114 (или Б114-В), добавочный резистор (R5 + R6) типа СЭ107 (вновь устанавливаемые узлы КТСЗ), а также штатные элементы обычной системы зажигания: распределитель зажигания А2, снабженный контактами S1 прерывателя, свечные наконечники с встроенными резисторами R1—R4 и свечи FV1—FV4 зажигания. Главная особенность схемы заключается в коммутации катушки Т1 с помощью мощного транзистора (на схеме не показан) типа ГТ701, входящего в состав коммутатора А1. Это позволяет повысить силу тока в первичной обмотке катушки зажигания до 7—9 А и увеличить таким образом энергию искрового разряда. При этом контакты S1 прерывателя коммутируют ток силой всего 0,5—0,8 А, поэтому их электроэрозия будет настолько мала, что за весь срок эксплуатации двигателя прерыватель не придется менять. Например, срок службы контактов автомобиля «ЗИЛ-130» приходится на пробег не менее 250—300 тыс. км.
Для повышения силы тока в первичной обмотке катушки зажигания в КТСЗ используется специальная катушка с уменьшенными величинами активного сопротивления (0,37 Ом) и индуктивности (3,0 мГн), а также увеличенным значением коэффициента трансформации (Кт=227). Использовать такую катушку в традиционной системе зажигания нельзя: она попросту сгорит (для сравнения: у катушки зажигания Б115-В эти параметры соответственно равны 1,85 Ом, 8,0 мГн и Кт=68).
Сдвоенный добавочный резистор (R5—R6) служит для ограничения и регулирования силы тока в первичной обмотке катушки зажигания в зависимости от температуры окружающей среды, а также от режима работы двигателя. Так, при повышении температуры сопротивление резистора (R5 + R6) увеличивается, а сила тока в первичной обмотке уменьшается, и наоборот. С ростом же частоты вращения коленчатого вала двигателя среднее значение силы тока уменьшается. Это приводит к охлаждению резистора, и поэтому его сопротивление уменьшается, что, в свою очередь, увеличивает силу тока в первичной цепи. С понижением температуры происходит обратный процесс.
Транзисторный коммутатор ТК102 при работе КТСЗ выделяет много тепла, в его же конструкции использован чувствительный к перегреву германиевый транзистор, поэтому коммутатор надо предохранять от излишнего нагрева, в том числе от попадания прямых солнечных лучей.
Несмотря на ряд преимуществ КТСЗ, вторичное напряжение (энергия разряда) здесь, как и в обычной системе зажигания, зависит от напряжения бортовой сети. Это ухудшает запуск двигателя, особенно в холодную погоду.
К другим недостаткам КТСЗ относят потребление значительной мощности (около 100 Вт) электроэнергии при неработающем двигателе и замкнутых контактах замка зажигания и прерывателя. Это является причиной бесполезного разряда аккумуляторной батареи и может привести к выходу из строя коммутатора или катушки зажигания. Кроме того, остается необходимость периодической зачистки контактов прерывателя и регулировки зазора между ними.
Указанных недостатков лишены бесконтактные системы зажигания (БСЗ). На отечественных автомобильных двигателях применяют БСЗ с магнитоэлектрическим (индукционным) датчиком и с датчиком Холла. Первая из них была применена в 1973 г. на автомобилях «ЗИЛ-131» и «Урал-375», а затем ее внедрили и на легковых автомобилях. Так же как и КТСЗ, эта система содержит транзисторный коммутатор, а вот контакты прерывателя заменил встроенный в распределитель зажигания бесконтактный магнитоэлектрический датчик положения коленчатого вала двигателя (в БСЗ его обычно называют датчиком-распределителем). За каждый оборот вала распределителя этот датчик вырабатывает количество импульсов, соответствующее числу цилиндров двигателя.
Работа датчика основана на наведении ЭДС самоиндукции при изменении магнитного потока в сердечнике катушки индуктивности. Для подмагничивания сердечника используется постоянный магнит. Сердечник катушки имеет несколько зубцов, число которых равно числу цилиндров двигателя. Столько же зубцов имеет и ротор датчика. Ближайшие в данный момент времени зубцы статора и ротора образуют взаимные пары полюсов. Для повышения ЭДС зазор между зубцами статора и ротора делают минимально возможным. Наименьший сигнал вырабатывается датчиком при минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя, т. е. на пусковых оборотах. Такой режим является лимитирующим в отношении надежности искрообразования БСЗ с датчиком индукционного принципа действия.
Достоинство этой системы заключается в том, что угол опережения зажигания практически не зависит от биений в подшипниках, поскольку увеличение зазора между одними парами полюсов компенсируется его уменьшением между другими парами (при эксплуатации обычных систем зажигания на автомобилях после пробега 15—20 тыс. км угол опережения зажигания изменяется на несколько градусов в сторону уменьшения, увеличивая расход топлива на несколько процентов).
БСЗ с магнитоэлектрическим датчиком устанавливается сейчас на двигатели автомобилей «Волга» «ГАЗ-24» и «ГАЗ-24-11» (рис. 2). Она содержит катушку Т1 зажигания типа Б116, транзисторный коммутатор А1, датчик-распределитель А2 и добавочный резистор (R5 + R6). Магнитоэлектрический датчик с катушкой индуктивности L1 встроен в датчик-распределитель А2.
Эта система работоспособна при изменении напряжения бортовой сети от 11 до 15,5 В, а в режиме пуска двигателя (при замкнутой секции R6 добавочного резистора) — при снижении напряжения до 8 В. В отличие от предыдущей системы здесь предусмотрена защита транзисторного коммутатора при неправильном подключении полярности аккумуляторной батареи. Потребляемая мощность при включенном замке зажигания и неработающем двигателе составляет 60—65 Вт; после запуска двигателя с ростом частоты вращения коленчатого вала потребляемая мощность снижается. На режиме холостого хода амплитуда вторичного напряжения достигает 24 кВ, а при 5000 об/мин происходит его снижение до 18 кВ. Энергия искрового разряда составляет 20—25 мДж при длительности 2 мс.
Аналогичной системой зажигания сейчас комплектуются и другие двигатели производства Заволжского моторного завода (ЗМЗ). Эти БСЗ различаются главным образом типами датчиков-распределителей: 24.3706 — у «ГАЗ-66», 33.3706 — у «УАЗ-469», 36.3706 — у «ГАЗ-3102» и др. В перспективе на основе специализированной микросхемы планируется переход на новый тип электронного коммутатора, что позволит сократить габариты и массу системы. При этом будет исключен добавочный резистор, поскольку коммутатор будет сам выполнять функции ограничения силы тока в первичной обмотке катушки зажигания. Кроме того, он будет регулировать время накопления энергии в катушке. Энергия искрового разряда будет повышена до 40 мДж.
Для двигателя автомобиля «ВАЗ-2108» разработана БСЗ с датчиком Холла (рис. 3). Датчик-распределитель А2 изготовлен с использованием магниточувствительного полупроводникового элемента, так называемого бесконтактного микропереключателя. Его работа основана на физическом эффекте Холла1. Статор датчика (микропереключатель) имеет зазор, разделяющий чувствительный элемент и постоянный магнит. Этот зазор периодически перекрывается зубцами ротора датчика, представляющего собой стальную чашку с прорезями, число которых равно числу цилиндров двигателя (четыре). При совпадении прорези ротора с зазором датчика магнитное поле постоянного магнита воздействует на чувствительный элемент датчика. Если же в зазоре оказывается стальной зубец ротора, то поле постоянного магнита экранируется им и не воздействует на чувствительный элемент. Достоинство этого датчика по сравнению с индукционным состоит в неизменности амплитуды сигнала на выходе при изменении частоты вращения. Поэтому датчик Холла одинаково хорошо работает и на низких, и на высоких оборотах, причем момент искрообразования у системы с этим датчиком очень стабилен.
Питание схемы бесконтактного микропереключателя (помимо магниточувствительного элемента в схему входит формирователь импульсов и стабилизатор напряжения) датчика-распределителя А 2 производится от коммутатора А1 (напряжение питания подается с вывода «5» А1 на вывод «1» А2). Выходной сигнал бесконтактного микропереключателя поступает с вывода «2» А2 на вывод «6» А1 (вход коммутатора).
Для повышения энергии искрового разряда первичная обмотка катушки зажигания 27.3705 имеет небольшую величину активного сопротивления (0,45 Ом). Поэтому сила тока при зарядке энергии может достигать большой величины: более 20 А, вместо 3—5 А у обычных катушек. Поскольку добавочный резистор здесь не предусмотрен, это требует принятия специальных мер для защиты составных узлов БСЗ от перегрузки.
Для этого электронный коммутатор 36.3734 ограничивает силу первичного тока на уровне 8—9 А. Кроме того, коммутатор отключает катушку через 2—7 с после пропадания импульсов, т. е. после остановки двигателя. Это предохраняет от выхода из строя катушку зажигания и коммутатор в тех случаях, когда после остановки двигателя замок зажигания остался включен либо если зажигание включено, а пуск двигателя не производился. Все это выгодно отличает данную схему от предыдущих.
Более того, коммутатор А1 осуществляет еще и регулирование накопления энергии в катушке таким образом, чтобы энергия искрового разряда была практически одинаковой при любых оборотах двигателя. Это способствует экономии электроэнергии и дополнительно предохраняет катушку зажигания и коммутатор от излишнего нагрева. Наконец, коммутатор имеет встроенный стабилизатор напряжения, что обеспечивает работоспособность системы при изменении напряжения бортовой сети от 10 до 18 В и допускает ее нормальное функционирование при его снижении вплоть до 6 В. Как и в предыдущей БСЗ, здесь предусмотрена защита от неправильного подключения аккумулятора.
БСЗ с датчиком Холла обеспечивает энергию искрового разряда 50 мДж при его средней длительности 1,6 мс, максимальное вторичное напряжение 25 кВ (для сравнения: в обычных системах зажигания эти величины соответственно равны 20 мДж, 1,2 мс, 15 кВ).
Использование повышенной энергии разряда улучшает надежность воспламенения горючей смеси. На катерах это особенно важно в период выхода на глиссирование, когда условия для сгорания смеси весьма неблагоприятны. Кроме того, данная БСЗ обеспечивает надежный запуск двигателя в холодную погоду, даже если при прокрутке двигателя стартером напряжение бортовой сети упадет до 6 В.
Модификации этой системы предусмотрены и для других автомобильных двигателей. Они отличаются преимущественно лишь типами датчиков-распределителей: 38.2706 — «АЗЛК-2141», 53.3706 — «ЗАЗ-1102», 54.3706 — «АЗЛК-21412».
Разновидностью предыдущей системы является БСЗ для двигателя «ВАЗ-1111» («половинка» двигателя «ВАЗ-2108»), имеющего два цилиндра (рис. 4). Она содержит двухвыводную катушку зажигания Т1, а ротор датчика имеет две прорези (по числу цилиндров), что позволяет формировать две «рабочие» искры на каждый оборот вала датчика (т. е. на каждые два оборота коленвала). Поскольку свечи зажигания соединены последовательно, одновременно возникают две искры: «рабочая» и «паразитная». Последняя всегда проскакивает на такте выпуска отработавших газов из цилиндра двигателя, поэтому она практически не влияет на его работу. Потери энергии на паразитную искру весьма незначительны, они составляют порядка 10%. Дело в том, что основная энергия разряда выделяется на той свече зажигания, которая в данный момент времени обладает наибольшим электрическим сопротивлением, а такой свечой всегда является та, разряд в которой происходит на такте сжатия. Параметры искрообразования у этой системы приблизительно те же, что и у предыдущей БСЗ. Это объясняется тем, что хотя здесь и имеются потери энергии на паразитный разряд, но отсутствуют потери в зазоре распределителя зажигания.
Еще одна разновидность БСЗ с датчиком Холла разработана для нового двигателя «АЗЛК-21414» с рабочим объемом 1,8 л. Она напоминает предыдущую систему, но здесь используются уже две двухвыводные катушки зажигания типа 30.3705, поскольку этот двигатель четырехцилиндровый. Двухканальный коммутатор типа 6410.3734 поочередно управляет обеими катушками зажигания; датчик импульсов — типа 5510.3706.
Отечественной промышленностью выпускается множество вариантов тиристорных (конденсаторных) систем зажигания (ТСЗ) с блоками управления: «Электроника», «Электроника-М», «Электроника-1М», ПАЗ-2, ПАЗ-3, «Искра-1», «Искра-2», «Искра-3», БЭСЗ-1, «Старт», «Импульс» и др. Все они предназначены для переоборудования двигателей, имеющих классическую систему зажигания. При этом инициатором искрового разряда у всех этих систем по-прежнему являются контакты прерывателя (за исключением БЭСЗ-1, где применяется бесконтактный индуктивный датчик положения коленчатого вала), входящего в состав штатного распределителя зажигания. Катушка зажигания используется также штатная. Таким образом, с помощью одного из перечисленных блоков управления можно наиболее простым способом превратить обычную систему зажигания в электронную.
Достоинствами ТСЗ являются нетребовательность к регулировке зазора между контактами прерывателя, значительно повышенный срок службы этих контактов, стабильность параметров искрообразования при изменении напряжения бортовой сети и внешней температуры, улучшение пуска двигателя, в том числе в холодное время года и при частично разряженной аккумуляторной батарее. Кроме того, при установке на двигатель системы БЭСЗ-1 удается полностью отказаться от обслуживания прерывателя.
Основной недостаток ТСЗ состоит в том, что эти системы могут обеспечить лишь небольшую энергию разряда (около 10 мДж), а длительность разряда крайне мала (0,5 мс). Тем не менее они обладают одним преимуществом, которое выделяет их по сравнению с остальными системами зажигания. Это нечувствительность к шунтирующему действию нагара, оседающего на изоляторе свечи. Поэтому двигатель может долгое время работать без обслуживания свечей зажигания.
Один из последних вариантов ТСЗ — блок управления зажиганием *<Искра-К1». Эта разработка на сегодняшний день, пожалуй, наиболее совершенная из всех тиристорных систем. Ее отличительной особенностью является возможность совместной работы не только с контактами прерывателя, но и с магнитоэлектрическим датчиком или с датчиком Холла. Поэтому блок «Искра-К1» можно устанавливать взамен электронных коммутаторов 13.3734 (1302.3734) или 36.3734 (3602.3734), применяемых в уже описанных БСЗ. Кроме того, здесь впервые в состав промышленной ТСЗ введен электронный октан-корректор с ручной регулировкой. Это позволяет оперативно управлять установкой углов опережения зажигания непосредственно с места водителя. С одной стороны, такая регулировка дает возможность корректировать момент искрообразования в зависимости от качества или сорта бензина, а с другой — подбирать (при необходимости) опережение зажигания в разных условиях движения. На судне это необходимо, например, при буксировке других плавсредств, в процессе выхода катера на глиссирование, при различных перегрузках и при изменении внешних условий: атмосферного давления, температуры окружающей среды, относительной влажности воздуха.
Октан-корректоры (ЭК-1, ЭК-2) представляют собой приставки для совместной работы с промышленными ТСЗ и без этих систем работать не могут.
Правда, несколько раньше (в 1988 г.) блока «Искра-К1» калужский приборостроительный завод «Тайфун» имени Г. А. Титова освоил производство блока управления зажиганием БУЗ-06. В состав комплекта входят собственно электронный блок управления (с мощным транзистором на выходе, так что по существу это контактно-транзисторная система зажигания), а также соединительный кабель с разъемом и выносной релятор (ручной октан-корректор). При использовании БУЗ-06 штатные приборы зажигания (прерыватель-распределитель и катушка зажигания) сохраняются.
Упомянутые выше октан-корректоры (кроме БУЗ-06) позволяют сдвигать исходную характеристику опережения зажигания лишь параллельно самой себе (или, как говорят специалисты, эквидистантно). Вместе с тем известно, что возникновение детонации более вероятно при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя, чем при высоких. Поэтому для эффективного подавления детонации при сохранении приемлемых мощностных и экономических показателей двигателя необходимо уменьшать угол опережения зажигания в зоне низких оборотов сильнее, чем в зоне высоких. Именно это и делает октан-корректор системы с БУЗ-06. Кроме того, БУЗ-06 позволяет исправлять исходную характеристику в зоне пусковых частот вращения (известно, что в этой зоне с ростом оборотов угол опережения зажигания должен резко возрастать), что облегчает пуск двигателя. Наконец, БУЗ-06 обеспечивает пониженное потребление электроэнергии в режимах малых оборотов, предохраняет катушку зажигания от выхода из строя вследствие перегрева, а также аккумуляторную батарею от ненужного разряда при неработающем двигателе и включенном замке зажигания.
БУЗ-06 предназначен для работы в составе обычной системы зажигания двигателей автомобилей «ВАЗ», имеющих катушку зажигания типа Б117-А, а также с двигателями автомобилей «ГАЗ», «АЗЛК», «ИЖ», «ЗАЗ», укомплектованных катушкой Б115 или Б115-В.
Корректор системы БУЗ-06 монтируется под панелью приборов с помощью специальной крепежной пружины. Регулирование опережения зажигания производится путем поворота ручки корректора: по часовой стрелке угол опережения уменьшается, против — увеличивается. Градуировка корректора не предусмотрена, поскольку, по мнению разработчиков, она может отвлекать внимание водителя от процесса управления и окружающей обстановки. При этом судить о положении ручки можно на ощупь по выступу на ней. Кроме того, на блоке управления есть тумблер, позволяющий переходить с обычной системы зажигания на электронную, и наоборот.
Уже говорилось, что крайне важно формировать электрическую искру своевременно. Это требование с успехом обеспечивают микропроцессорные (цифровые) системы зажигания (МПСЗ). На автомобилях, кроме своего основного назначения — формирования искры, они обеспечивают еще и функцию ЭПХХ (экономайзер принудительного холостого хода). ЭПХХ служит для отключения подачи топлива в двигатель на режимах принудительного холостого хода, т. е. когда не двигатель вращает колеса, а наоборот — колеса крутят двигатель. Однако специфика эксплуатации двигателей на судах такова, что режимы принудительного холостого хода здесь крайне кратковременны.
Поэтому для судового двигателя ЭПХХ является почти бесполезным устройством, и мы не будем рассматривать его работу.
Сейчас МПСЗ устанавливается на серийные двигатели автомобилей « ВАЗ-21083», «ВАЗ-21093», «ЗИЛ-130», «АЗЛК-21412».
Схема МПСЗ «вазовских» двигателей (рис. 5) содержит две катушки зажигания Т1, Т2, контроллер (электронный блок управления) А1, двухканальный коммутатор А2, два индукционных датчика L1, L2, датчик RK1 температуры охлаждающей жидкости, а также так называемый датчик-винт S1 и электромагнитный клапан Y1 (два последних элемента нас не интересуют, поскольку они относятся к ЭПХХ).
Датчик L1 служит для регистрации углового перемещения коленчатого вала двигателя. Он реагирует на прохождение в его магнитном поле зубьев венца маховика В контроллере А1 используется удвоитель частоты импульсов датчика, благодаря чему угол опережения зажигания может регулироваться с дискретностью ±360°/2z, где z — число зубьев венца маховика (для «ВАЗ-21083» z=128, т. е. дискретность регулирования составляет около ±1,4° по углу поворота коленчатого вала).
Датчик L2 служит для регистрации определенного положения коленчатого вала, соответствующего положению поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке. Он реагирует на прохождение в его магнитном поле специального стального выступа (штифта), установленного на ободе маховика.
Кроме углового перемещения, импульсы датчика L1 позволяют судить о текущей частоте вращения коленчатого вала двигателя. Контроллер А1 подсчитывает число оборотов вала в течение известного интервала времени. Это позволяет учитывать скоростной режим работы двигателя. Нагрузку двигателя фиксирует миниатюрный полупроводниковый датчик разрежения (на схеме не показан), встроенный в контроллер А1 и пневматически связанный с впускным трубопроводом двигателя. Температурный режим работы двигателя контролируется с помощью сигнала датчика RK1.
Параметры искрообразования этой МПСЗ целиком определяются показателями катушки Т1 и коммутатора А2.
Почти так же устроена МПСЗ для двигателя «ЗИЛ-130». Там применен контроллер МС-2709 и одноканальный коммутатор 36.3734 (тот же, что и в БСЗ с датчиком Холла), а вот распределение высоковольтных импульсов по отдельным цилиндрам двигателя (их восемь) производится традиционным механическим способом с помощью распределителя зажигания типа 46.3706.
Несколько иначе устроена МПСЗ двигателя, устанавливаемого на легковые автомобили «АЗЛК-21412». Ее отличительной особенностью является использование контроллера (типа МС-4005) с встроенным коммутатором. Таким образом, она проще и надежнее. Почти такая же МПСЗ (с контроллером МС-4004) в ближайшее время будет применяться на «вазовских» двигателях.
Традиционно системы питания и зажигания рассматривались как существующие каждая «сама по себе». Современное развитие электроники позволяет достичь взаимного согласования работы этих систем на основе полной информации о режиме работы двигателя, получаемой от определенного набора датчиков, которые фиксируют параметры работы обеих систем. В этом смысле перспективны системы питания с впрыском топлива в цилиндры двигателя. При этом нагрузку двигателя можно учитывать с помощью неподвижных датчиков давления или термоанемометров. Подача топлива производится электромагнитными форсунками, запорный элемент которых совершает малые перемещения, что обеспечивает точность дозирования и высокую надежность. Лучшие образцы таких систем уже сейчас по надежности превосходят традиционные карбюраторные системы питания. Правда, наши успехи в области разработки систем питания с электронным управлением пока еще более чем скромны. А без этого невозможно создание эффективных комплексных многофункциональных систем, управляющих одновременно зажиганием, подачей топлива и другими функциями. И тем не менее, электроника уже сейчас позволяет успешно решать задачи по повышению эффективности ДВС, которые еще вчера считались неразрешимыми.
В. Банников, руководитель группы моторной электроники ПО «Москвич».
Примечания
1. Эффект Холла — явление возникновения разности потенциалов на гранях тонкой полупроводниковой пластинки определенной структуры под действием магнитного поля.