Адаптивная система зажигания ДВС

Петербургская фирма "Виктория" заключила с автором этой системы лицензионное соглашение на право использования патента в производстве. Первые же испытания адаптивной системы зажигания на двух двигателях новых снегоходов "Тайга" АО "Рыбинские моторы" показали, что ее применение позволяет существенно улучшить температурный режим работы ДВС — снизить температуру двигателя и выровнять температуры между цилиндрами при тех же выходных характеристиках.

Современные микропроцессорные системы управления зажиганием двигателей внутреннего сгорания (ДВС) представляют собой модельные системы.

Необходимый набор датчиков, как правило, состоит из датчика начала отсчета, датчика частоты вращения, датчика разрежения во впускном коллекторе, датчика температуры ДВС и датчика детонации.

Датчики начала отсчета и датчик частоты вращения коленчатого вала (КВ) устанавливаются либо на коленчатом, либо на распределительном валу. Широко применяемые датчики частоты вращения вала имеют 60 импульсов за один оборот КВ и, следовательно, максимальное разрешение 3 угловых градуса.

Датчик разрежения косвенно позволяет ввести информацию о нагрузке ДВС, хотя истинная информация о нагрузке ДВС заложена в изменении ускорения вращения коленчатого вала.

Датчик детонации по существу необходим для защиты ДВС от ошибок, возникающих в результате вычисления необходимого угла опережения зажигания и состава бензино-воздушной смеси системы карбюрации двигателя.

Микропроцессорные системы предъявляют дополнительные требования к точности изготовления и сборки двигателей и требуют коррекции программы по мере износа ДВС при его эксплуатации, т.е. требуют повышенного внимания и более высокого уровня обслуживания при эксплуатации.

Упростить систему зажигания и карбюрации ДВС, повысить качество управления двигателем и существенно снизить содержание вредных веществ в отработанных газах (особенно при городском цикле эксплуатации автомобилей) можно лишь в замкнутых адаптивных (самообучающихся) системах управления.

Создать адаптивную систему управления можно, если удастся замерить изменение ускорения движения поршней (или коленчатого вала) при любом возмущающем воздействии: изменении состава топливно-воздушной смеси; реакции автомобиля на качество дорожного покрытия (через колесо на коленчатый вал); изменении октанового числа топлива и т.д. Для каждого типа ДВС существует оптимальное ускорение движения каждого поршня от верхней до нижней мертвой точки, при котором пульсации крутящего момента на коленчатом валу будут минимальны. За счет снижения пульсаций крутящего момента на коленчатом валу возрастает средний крутящий момент при том же расходе топлива. В этом случае стабилизируются процессы горения в камере сгорания (нет раннего и нет позднего зажигания во всех режимах); происходит более полное сгорание топлива при меньшей температуре в камере сгорания, что приводит к существенному снижению массовых выбросов вредных веществ, особенно окиси азота NOx, в отработанных газах.


Если замерить ускорение каждого поршня при его движении от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки в момент всасывания бензиново-воздушной смеси (карбюратор) или испарения порции топлива при впрыске форсункой и одновременно измерить изменение ускорения КВ при воздействии возмущающих факторов (влияние нагрузки на КВ) в любой момент времени, и подать эти сигналы как сигнал рассогласования в систему обратной связи, то удается замкнуть систему по конечному параметру — коленчатому валу с учетом мгновенного состава бензиново-воздушной смеси в каждой камере сгорания.

Для этого необходимо на коленчатый или распределительный вал ДВС установить датчик положения коленчатого вала, датчик скорости и датчик ускорения коленчатого вала. Датчики должны быть определенным образом жестко связаны между собой в пространстве и во времени. Эти датчики должны снимать непрерывную информацию о мгновенном состоянии коленчатого вала. Вычислитель на основе сигналов положения, скорости и ускорения определяет необходимый угол опережения зажигания (впрыска для дизеля), исходя из заданных критериев оптимальности. Это может быть максимально возможный крутящий момент на валу во всех режимах работы ДВС, минимальные массовые выбросы окиси азота NOx, определенная температура выпускных газов и т.п.

Сигнал рассогласования, представляющий собой изменение угла опережения зажигания, является следствием мгновенного изменения пространственного и временного состояния коленчатого вала, и поступает (в виде изменения фазы управляющих импульсов) на свечи зажигания.

Адаптивная система зажигания ДВС предназначена для управления двигателями в реальном времени. Применение принципиально нового датчика положения коленчатого вала, его скорости и ускорения и нового способа обработки информации о вращении КВ позволило реализовать работу ДВС с максимальным моментом на КВ при оптимальном давлении в камере сгорания в любых переходных режимах. Способ управления моментом зажигания, устройство управления моментом зажигания и датчик положения и скорости защищены патентом РФ.


Датчик БЗМ-1 заменяет набор всех датчиков (начала отсчета, частоты вращения, разрежения во впускном коллекторе, температуры ДВС и детонации), необходимых для управления микропроцессорными системами зажигания. Он устанавливается на распределительном или коленчатом валу, работоспособен при температурах окружающей среды от минус 60°С до плюс 150°С и обеспечивает точность отработки угла опережения зажигания в пределах одной угловой минуты. Датчик способен передавать информацию без искажений через герметизирующие двигатель магнитно-нейтральные конструкционные материалы толщиной до 3 мм.

Основные технические характеристики адаптивной системы зажигания:

• 1. Диапазон возможных углов опережения зажигания, реализуемый ПИД-регулятором — 80 угловых градусов;
• 2. Время определения необходимого угла опережения зажигания ПИД-регулятором — 0.1 микросекунды;
• 3. Точность отработки угла опережения зажигания — одна угловая минута;
• 4. Энергия искры — 0.16 мДж;
• 5. Фронт искры при токе через свечу 0.3 А — не более одной микросекунды;
• 6. Длительность искры — 0.3-0.4 миллисекунды;
• 7. Максимальная потребляемая мощность при напряжении 13.4 В и 6000 об/мин — не более 50 ВА.

Адаптивная система зажигания может устанавливаться и на четырехтактные и на двухтактные двигатели. На двухтактных ДВС датчик устанавливается на КВ совместно с синхронным генератором маховичного типа. При наличии аккумулятора в системе зажигания имеется один общий импульсный стабилизатор напряжения питания. В случае отсутствия аккумулятора один импульсный стабилизатор обслуживает только систему зажигания, а второй импульсный стабилизатор регулирует бортовое напряжение; в этом случае ДВС сохраняет работоспособность при возникновении отказов в бортовой сети.

Особенностью адаптивной системы зажигания является ее способность работать без снижения выходных параметров ДВС на низкооктановом топливе — А-76 при степени сжатия до 9.5. При этом массовые выбросы вредных веществ СО, ОН и NOx снижаются еще на 10-30% по сравнению с бензином АИ-92.

Адаптивная система зажигания прошла апробацию на четырехтактных ДВС всех типов отечественных автомобилей под аббревиатурой БЗМ и АСУД (около 1000 изделий), постоянно эксплуатируется в клубе "4x4" С.-Петербурга в экстремальных условиях — на соревнованиях в России и за рубежом. Управление каждым поршнем ДВС отдельно в цикле позволяет адаптивной системе зажигания существенно увеличить мощность двигателя на переходных режимах и улучшить динамические показатели. Стендовые испытания ДВС показывают увеличение максимального момента при работе ДВС с адаптивной системой зажигания на 10%, по сравнению с модельными системами зажигания.

Испытания адаптивной системы АСУД, проведенные в НАМИ, показали эффективное суммарное снижение выбросов на 38% и соответственно такое же увеличение выбросов CO₂ без изменения расхода топлива.

В качестве примера приводим осциллограммы работы ДВС в переходных режимах серийного автомобиля с большим пробегом (рис.1) и полноприводного автомобиля клуба "4x4" (рис. 2), полученные при помощи портативного компьютера непосредственно на "грунте".