Цифровые системы зажигания

Тема 10. Направления развития электронного оборудования
Цифровые системы зажигания
Системы зажигания с электронными регуляторами угла опережения
зажигания
Бесконтактные системы зажигания с механическими центробежным и
вакуумным регуляторами угла опережения зажигания (УОЗ) не позволяют
воспроизводить сложные характеристики управления по частоте вращения
коленчатого вала и нагрузке двигателя с учетом его теплового состояния и
различных дестабилизирующих факторов. Кроме того, угловые погрешности
привода датчика-распределителя в период эксплуатации автомобиля приводят к
повышенному асинхронизму искрообразования.
Такие недостатки отсутствуют у бесконтактных систем зажигания, в которых
автоматическое регулирование УОЗ осуществляется средствами электроники. К
таким системам относятся аналоговые, цифровые и микропроцессорные системы
зажигания.
В аналоговых системах зажигания для преобразования информации от
датчиков в соответствии с заданным законом управления моментом
искрообразования используются типовые функциональные устройства. Закон
регулирования УОЗ определяется свойствами полупроводниковых приборов
(диодов, стабилитронов и т.д.). К достоинствам аналоговых систем зажигания с
электронным регулированием момента искрообразования относятся:
- простота построения;
- сравнительно невысокая стоимость;
- возможность зажигания даже обедненных топливо- воздушных смесей за счет
более точного регулирования УОЗ.
Однако возможности аналоговых систем зажигания по реализации сложных
характеристик управления УОЗ ограничены. Они не могут надежно работать в
напряженных температурных условиях подкапотного пространства без
применения цепей термокомпенсации и требуют подстройки и регулирования в
процессе эксплуатации.
Цифровые системы зажигания (ЦСЗ) позволяют с большей точностью
воспроизводить характеристики управления УОЗ любой сложности при высокой
температурной устойчивости и надежности. В ЦСЗ информация от датчиков
параметров рабочего процесса двигателя, используемая при выработке сигнала
управления УОЗ, преобразуется в серии дискретных электрических импульсов,
синхронно связанных с вращательным движением коленчатого вала. Амплитуда
импульсов постоянна, а их число пропорционально значению измеряемого
параметра. Начальные числа, характеризующие отдельные параметры рабочего
процесса двигателя, с помощью импульсных устройств и логических элементов
преобразуются в кодовые комбинации, определяющие закон управления
моментом искрообразования.
ЦСЗ подразделяют на системы с аппаратным принципом регулирования УОЗ с
блоком памяти и без него и на системы с программной обработкой поступающей от
датчиков информации на базе микропроцессоров и микроЭВМ.
При аппаратном принципе регулирования УОЗ для изменения характеристик
управления двигателей различных модификаций необходимо изменять логические
1
связи между элементами системы зажигания, что создает определенные
неудобства при их проектировании и промышленном производстве. «Жесткая»
логика алгоритма управления является существенным недостатком системы
зажигания с аппаратным принципом электронного регулирования УОЗ.
Системы зажигания с программным управлением позволяют гибко
воспроизводить любые заданные и адаптируемые по детонации и другим
показателям качества рабочего процесса двигателя характеристики регулирования
момента искрообразования. В этих системах программа работы определяется
логическими связями между функциональными устройствами, а данные,
учитывающие индивидуальные особенности характеристик регулирования,
реализуемые системой, хранятся в ее блоке памяти в виде комбинаций кодов чисел.
Достоинством системы с блоком памяти, представляющим собой
перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), является
наличие большого массива информации об оптимальных значениях УОЗ,
возможность длительного хранения этой информации и, при необходимости, ее
изменения на различных этапах проектирования без значительных переработок
схемы. Применение ППЗУ позволяет использовать систему зажигания на
различных модификациях двигателей.
Основные принципы управления двигателем
Автомобильный двигатель представляет собой сложную систему,
состоящую из отдельных подсистем: топливоподачи, зажигания, охлаждения,
смазочной и т.д. Все подсистемы связаны друг с другом. При
функционировании они образуют единое целое.
Скоростные и нагрузочные режимы работы двигателя зависят от
скоростных режимов движения автомобиля в различных условиях
эксплуатации, которые включают в себя разгоны и замедления, движения с
относительно постоянной скоростью, остановки.
Водитель, воздействуя на дроссельную заслонку, изменяет скоростной и
нагрузочный режимы двигателя. Выходные характеристики двигателя при
этом зависят от состава топливовоздушной смеси и угла опережения
зажигания, управление которым обычно осуществляется автоматическими
системами.
ЭСАУ
Блок управления
Сигналы(импульсы) датчиков
управления
водите
ль
Двигатель
КП
Vа
2
Рис. 1. ЭСАУ – электронная система автоматического управления; КП –
коробка передач; VА – скорость движения автомобиля.
Входные
параметры
Выходные
параметры
Рис. 2. Схема двигателя как объекта управления
Схема двигателя как объекта автоматического управления приведена на рис.
2.
Входные параметры (угол открытия дроссельной заслонки  др , угол
опережения зажигания  , цикловой расход топлива GТ другие) — это те
параметры, которые влияют на протекание рабочего цикла двигателя. Их
значения определяются внешними воздействиями на двигатель со стороны
водителя или системы автоматического управления, поэтому они называются
также управляющими.
Выходные параметры, которые называются управляемыми, характеризуют
состояние двигателя в рабочем режиме. К ним относятся: частота вращения
коленчатого вала n, вращающий момент Ме, показатель топливной
экономичности ge и токсичность отработавших газов (например, содержание
СО), а также многие другие.
Кроме входных управляющих параметров на двигатель во время его
работы воздействуют случайные возмущения, которые мешают
управлению. К случайным возмущениям можно отнести изменение
параметров состояния внешней среды (температура Т, давление
окружающей среды p, влажность), свойств топлива и масла и т.д.
Для двигателя внутреннего сгорания характерна периодическая
повторяемость рабочих циклов. Как объект управления двигатель считается
нелинейным, так как реакция на сумму любых внешних воздействий не
равна сумме реакций на каждое из воздействий в отдельности. Учитывая,
что двигатель в условиях городской езды работает на нестационарных
режимах, возникает проблема оптимального управления им. Возможность
оптимального управления двигателем на нестационарных режимах появилась
с развитием электронных систем управления.
Из-за сложности конструкции, наличия допусков на размеры деталей
двигатели одной и той же модели имеют различные характеристики.
Кроме того, по конструктивным параметрам (степень сжатия, геометрия
впускного и выпускного трубопроводов и т.д.) отличаются и отдельные
цилиндры многоцилиндрового двигателя.
Автомобильный двигатель представляет собой многомерный объект
управления, так как число входных параметров у него больше одного и
каждый входной параметр воздействует на два и более выходных. В таком
случае система управления также должна быть многомерной.
3
Чрезвычайно широкое распространение автомобильных двигателей
предопределило и большое разнообразие их конструкций. Естественно, это
приводит к многовариантности систем управления.
Экономичность двигателя может быть значительно повышена благодаря
электронному управлению его системой топливоподачи. Система
электронного впрыскивания позволяет обеспечить строго дозированную
подачу топлива в зависимости от режима работы двигателя.
Перспективным
является
совмещение
электронного
управления
впрыскиванием топлива и зажиганием. Широко распространена система
автоматического управления экономайзером принудительного холостого хода
(САУ ЭПХХ).
4