СПОСОБ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ
METHOD OF AUTOMOTIVE ENGINE IGNITION

Изобретение относится к автомобильной промышленности, а именно к электрооборудованию для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в производстве и эксплуатации автомобилей.
Известен способ зажигания двигателя автомобиля, описанный в книге [С.В.Акимов, Ю.П.Чижков. Электрооборудование автомобилей. - М.: «КЖИ «За рулем» - 2003, с.189]. Он заключается в том, что после каждого прохождения поршнем цилиндра двигателя характерной (реперной) точки осуществляют прерывание тока в первичной обмотке трансформатора зажигания и формируют высокое электрическое напряжение и мощный импульс зажигания во вторичной обмотке трансформатора зажигания и на свечах зажигания.
Фиксация прохождения поршнем цилиндра двигателя реперной точки и формирование мощного импульса зажигания являются признаками, входящими и в состав заявляемого способа.
Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, является искрение контактов в цепи первичной обмотки трансформатора зажигания, обусловленное механическим способом прерывания тока.
Известен также способ зажигания двигателя автомобиля, описанный в книге [С.В.Акимов, Ю.П.Чижков. Электрооборудование автомобилей. - М.: «ЮКИ «За рулем» - 2003, с.197]. Он состоит в том, что фиксируют моменты прохождения поршнем цилиндра двигателя реперной точки, расположенной за (5÷30)° до верхней мертвой точки, после каждого прохождения поршнем реперной точки формируют импульс управления транзистором в цепи прерывателя тока в первичной обмотке трансформатора зажигания и формируют мощный импульс зажигания во вторичной обмотке трансформатора зажигания и на свечах зажигания.
Такие действия, как фиксация моментов прохождения поршнем цилиндра двигателя реперной точки и формирование импульсов зажигания, входят и в состав заявляемого способа.
Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, является то обстоятельство, что угол опережения зажигания (угол поворота коленвала, отсчитываемый от положения коленвала в момент формирования искры до положения, когда поршень цилиндра двигателя входит в верхнюю мертвую точку) выбирается достаточно произвольно. При его выборе учитывается лишь период оборота коленвала. Это обстоятельство делает момент зажигания неоптимальным в смысле полноты сгорания рабочей смеси.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является способ зажигания двигателя, защищенный патентом РФ № 2209997, кл. F02P 5/15, 2003 г. В соответствии с этим способом фиксируют момент прохождения поршнем цилиндра двигателя реперной точки, измеряют период оборота коленвала и нагрузку на двигатель, по результатам этих измерений определяют угол опережения зажигания, и в моменты прохождения поршнем цилиндра двигателя точки, опережающей верхнюю мертвую точку на угол, равный полученному углу опережения зажигания, формируют импульс зажигания в катушке зажигания.
Все перечисленные признаки прототипа входят и в состав заявляемого способа.
Причиной, препятствующей достижению в прототипе технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, является отсутствие гарантии развития двигателем максимума крутящего момента. Эта причина обусловлена тем обстоятельством, что при определении требуемого угла опережения зажигания не учитывается ряд факторов, существенно влияющих на интенсивность сгорания рабочей смеси при полученном угле опережения зажигания. В частности не учитываются температура двигателя, температура воздуха и расход топлива.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение крутящего момента на валу двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе зажигания двигателя автомобиля дополнительно измеряют температуру двигателя, температуру поступающего воздуха и длительность открытия топливной форсунки, а при определении угла опережения зажигания диапазон его возможного изменения разбивают на ряд дискретных значений, для каждого из этих значений с учетом результатов проведенных измерений рассчитывают зависимость давления в цилиндре двигателя от угла поворота коленвала и определяют угол поворота коленвала, для которого это давление максимально, при этом в качестве требуемого угла опережения зажигания принимают то из его дискретных значений, для которого угол поворота коленвала, соответствующий максимальному давлению в цилиндре, наиболее близок к 10° после верхней мертвой точки.
Для достижения технического результата в известном способе зажигания двигателя автомобиля, в котором фиксируют момент прохождения поршнем цилиндра двигателя реперной точки, измеряют период оборота коленвала и нагрузку на двигатель, по результатам этих измерений определяют угол опережения зажигания, и в момент прохождения поршнем цилиндра двигателя точки, опережающей верхнюю мертвую точку на угол, равный определенному углу опережения зажигания, формируют импульс зажигания в катушке зажигания, дополнительно измеряют температуру двигателя, температуру поступающего воздуха и длительность открытия топливной форсунки, а при определении угла опережения зажигания диапазон его возможного изменения разбивают на ряд дискретных значений, для каждого из этих значений с учетом результатов проведенных измерений рассчитывают зависимость давления в цилиндре двигателя от угла поворота коленвала и определяют угол поворота коленвала, для которого это давление максимально, при этом в качестве требуемого угла опережения зажигания принимают то из его дискретных значений, для которого угол поворота коленвала, соответствующий максимальному давлению в цилиндре, наиболее близок к 10° после верхней мертвой точки.
Совокупность вновь введенных действий не следует явным образом из уровня техники. Отсутствуют какие-либо источники информации, в которых эти действия самостоятельно или в совокупности с остальными действиями заявленного способа были описаны. Это позволяет считать заявляемый способ зажигания новым и имеющим изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:
- на фиг.1 - типовые графики зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленвала;
- на фиг.2 - схема алгоритма определения угла опережения зажигания.
Для осуществления заявляемого способа зажигания двигателя автомобиля выполняют следующие действия.
1. Фиксируют моменты прохождения поршнем цилиндра двигателя реперной точки, например моменты прохождения им точки за 60° до верхней мертвой точки.
2. С каждым прохождением этой точки измеряют следующие изменяющиеся в процессе работы двигателя параметры двигателя, существенно влияющие на давление в цилиндре:
- период Т полного оборота коленвала;
а
- нагрузку Р на двигатель;
- температуру  воздуха (окружающей среды);
- температуру  двигателя (воздуха на впуске);
ф
- длительность Т открытия топливной форсунки.
Период Т оборота коленвала определяют с помощью датчика положения коленвала путем умножения промежутка времени между двумя соседними отсчетами положения коленвала на число этих отсчетов за полный оборот коленвала.
а
Нагрузка Р на двигатель определяется по датчику абсолютного давления.
Температура  воздуха и температура  двигателя определяются по датчикам температуры.
ф
Длительность Т открытия топливной форсунки определяется непосредственно по длительности электрического импульса открытия форсунки.
а
ф
3. Определяют угол Θ опережения зажигания, обеспечивающий максимум крутящего момента на валу двигателя и наиболее полное сгорание топлива для измеренных параметров Т, Р, ,  и Т.
Алгоритм определения угла Θ опережения зажигания рассмотрен ниже.
4. По достижении поршнем цилиндра двигателя точки, опережающей верхнюю мертвую точку на угол Θ опережения зажигания, формируют импульс зажигания в катушке зажигания.
Рассмотрим подробнее алгоритм определения угла Θ опережения зажигания.
1
2
3
а
ф
На фиг.1 приведены типовые графики зависимостей давления Р в цилиндре двигателя от угла φ поворота коленвала, отсчитываемого от положения коленвала, при котором поршень цилиндра двигателя находится в нижней мертвой точке. Кривая «а» соответствует раннему, кривая «б» - нормальному, а кривая «в» - позднему зажиганию. Кружочки на кривых соответствуют моментам искрообразования (углам опережения зажигания Θ, Θ, Θ соответственно). Вид зависимостей Р(φ) существенно зависит как от измеренных параметров Т, Р, ,  и Т, так и от угла Θ опережения зажигания.
Зависимости Р(φ) носят резонансный характер с одним максимумом, причем угол поворота коленвала, при котором этот максимум имеет место, существенно зависит от угла Θ опережения зажигания.
Максимум крутящего момента и наиболее полное сгорание топлива (а следовательно, и наилучшие экологические параметры) двигатель обеспечивает при таком угле Θ опережения зажигания, при котором максимум зависимости Р(φ) соответствует углу φ, равному 190°, то есть 10° после верхней мертвой точки.
Этот угол Θ и следует принять в качестве угла опережения зажигания при определении момента формирования импульса зажигания.
Следует отметить, что максимум крутящего момента двигателя не очень критичен к отклонению угла φ поворота коленвала, соответствующего максимальному давлению в цилиндре двигателя, от 190°. Можно считать, что если при выбранном угле Θ опережения зажигания максимум зависимости Р(φ) будет соответствовать углу φ поворота коленвала, находящемуся в пределах 185°-195°, то максимум крутящего момента двигателя и полнота сгорания топлива существенно не изменятся.
Для определения угла опережения зажигания кроме упомянутых выше измеряемых параметров используют ряд констант, конкретные численные значения которых у каждого двигателя свои.
Наименование, обозначение, размерность и ориентировочный диапазон численных значений этих констант приведены в нижеследующей таблице.
№№ п/п
Наименование константы
Размерность
Обозначение
Пределы изменения
1
Степень сжатия
-
ξ
9÷11
2
Коэффициент наполнения цилиндра
-
η<sub>ν</sub>
0,1÷1,4
3
Давление остаточных газов
атм
P<sub>r</sub>
0÷1,2
4
Коэффициент остаточных газов
-
γ
0,05÷0,09
5
Фактор теплоемкости
-
К
6
6
Показатель политропы
-
n<sub>1</sub>
1,2÷1,4
7
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна
-
λ
0,25÷0,30
8
Показатель характера сгорания топлива
-
m
3÷4
9
Полная удельная теплоемкость сгорания
МДж
q<sub>2</sub>
2,6
10
Начальное значение относительного объема рабочего тела
-
ν<sub>0</sub>
0,9
11
Угол опережения зажигания при максимально раннем искрообразовании
град
Θ<sub>max</sub>
15÷30
На фиг.2 приведена схема алгоритма для определения угла опережения зажигания.
Основой этого алгоритма является определение зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленвала при изменении этого угла с шагом в один градус.
В схеме алгоритма приняты следующие обозначения.
0
P - давление в цилиндре для начального (нулевого) угла поворота коленвала, отсчитываемого от положения коленвала, когда поршень цилиндра проходит нижнюю мертвую точку;
n
P - давление в цилиндре для текущего угла поворота коленвала;
max
Θ - угол опережения зажигания при максимально раннем искрообразовании;
Θ - угол опережения зажигания;
n - ячейка для записи номера угла поворота коленвала (номера шага расчета);
n' - содержимое ячейки n;
n-1
ν - ячейка для записи значения относительного объема рабочего тела на предшествующем шаге расчета;
n-1
- содержимое ячейки ν;
n-1
P - ячейка для записи значения давления в цилиндре на предшествующем шаге расчета;
n-1
- содержимое ячейки Р;
з
φ - ячейка для записи угла поворота коленвала, при котором формируется импульс зажигания;
з
- содержимое ячейки φ.
Алгоритм содержит 7 процессов (операторов).
0
0
а
В процессе 1 осуществляется определение давления P для начального угла поворота коленвала. Давление P определяется по результатам измерения параметров Р,  и  по формулам:
,
,
где  - коэффициент пропорциональности.
0
n-1
Полученное значение P записывается в ячейку P.
n-1
0
з
max
Кроме того, в этом процессе выполняются еще три вспомогательные операции: в ячейку n записывается единица, в ячейку ν записывается значение ν, а в ячейку φ записывается разность (180°-Θ). Учитывая, что положение коленвала, в котором поршень цилиндра проходит верхнюю мертвую точку, соответствует углу поворота коленвала 180°, выполнение этих операций позволяет приступить к выполнению операции определения зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленвала при максимально раннем зажигании.
Далее управление передается в процесс 2.
n
n
В процессе 2 определяются относительный объем ν рабочего тела и давление Р в цилиндре для текущего угла поворота коленвала (на втором и последующих шагах определения зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленвала).
ф
n
n
Для их определения используются результаты измерения параметров Т и Т и результат  определения давления в цилиндре на предыдущем шаге работы алгоритма. Относительный объем ν рабочего тела и давление Р определяются путем решения следующей системы уравнений:
;
;
;
;
;
n
где σ - кинематическая функция хода поршня;
- коэффициент пропорциональности;
n
φ - текущий угол поворота коленвала в градусах, численно равный n' (содержимому ячейки n);
n-1
n
φ - угол поворота коленвала в градусах на предыдущем шаге работы алгоритма (уменьшенный на один градус угол φ);
z
φ - условная длительность сгорания топлива;
nт
P - термодинамическая составляющая давления (давление в цилиндре до искрообразования);
nк
Р - кинетическая составляющая давления (давление в цилиндре после искрообразования).
n
n
Полученные результаты ν и Р оценки относительного объема рабочего тела и давления в цилиндре и дальнейшее управление передаются в процесс 3.
n
n
Процесс 3 реализует операцию условного перехода. В нем полученное в процессе 2 значение давления Р сравнивается с полученным  на предшествующем шаге работы. Выполнение условия  означает, что с увеличением угла поворота коленвала возможно дальнейшее увеличение давления в цилиндре двигателя. В этом случае управление передается в процесс 4. Выполнение же условия  означает, что давление в цилиндре двигателя максимально для текущего угла φ поворота коленвала и номера n' шага работы алгоритма, записанного в данный момент в ячейку n. В этом случае управление передается в процесс 5.
n
n-1
n
n-1
В процессе 4 полученный результат ν записывается в ячейку ν, а результат Р записывается в ячейку P вместо записанных туда ранее, а содержимое n' ячейки n увеличивается на единицу. Затем управление вновь передается в процесс 2.
n
n
n
Далее с помощью процессов 2, 3 и 4 вновь осуществляется определение относительного объема ν рабочего тела и давления Р в цилиндре двигателя, но уже для следующего значения φ угла поворота коленвала.
Описанный механизм функционирования алгоритма продолжается до выполнения условия  и передачи управления в процесс 5.
n
n
n
n
з
Таким образом, процессы 2, 3 и 4 реализуют операцию определения зависимости давления Р в цилиндре двигателя от угла φ поворота коленвала при изменении последнего от нуля до значения, на один градус превышающего значение, соответствующее максимальному давлению. При этом указанная зависимость Р(φ) соответствует углу опережения зажигания, жестко связанному со значением , записанным в ячейку φ.
Процесс 5, как и процесс 3, реализует операцию условного перехода.
з
В нем содержимое n' ячейки n уменьшается на единицу, а результат (n'-1) сравнивается с числом 190 - численным значением в градусах угла поворота коленвала, соответствующего максимуму давления в цилиндре двигателя при требуемом угле Θ опережения зажигания. Выполнение условия (n'-1)<190 означает, что угол Θ опережения зажигания, соответствующий содержимому  ячейки φ, превышает требуемый и его следует уменьшить. В этом случае управление передается в процесс 6. Выполнение же условия (n'-1)≥190 означает, что угол Θ опережения зажигания равен требуемому Θ или наиболее близок к нему. В этом случае управление передается в процесс 7.
з
n-1
0
n-1
0
В процессе 6 к содержимому  ячейки φ добавляется 1°, содержимое n' ячейки n заменяется единицей, содержимое  ячейки ν заменяется значением ν, а содержимое  ячейки Р рассчитанным значением P. Затем управление вновь передается в процесс 2.
n
n
n
Далее с помощью процессов 2, 3, 4, 5 и 6 вновь реализуется операция определения зависимости Р(φ) при изменении φ от нуля до значения, на один градус превышающего значение, соответствующее максимальному давлению, но уже для следующего дискретного значения угла опережения зажигания, на один градус меньшего предыдущего.
Описанный механизм функционирования алгоритма определения угла опережения зажигания продолжается до выполнения условия (n'-1)≥190 и передачи управления в процесс 7.
а
ф
Таким образом, процессы 5 и 6 совместно с описанными ранее процессами 1÷4 определяют то из перебранных ранее дискретных значений угла опережения зажигания, при котором угол поворота коленвала, соответствующий максимальному давлению в цилиндре, наиболее близок к 190°, то есть к 10° после верхней мертвой точки. Это значение угла опережения зажигания и является требуемым для совокупности параметров параметров Т, Р, ,  и Т, измеренных при прохождении поршнем цилиндра двигателя реперной точки при текущем обороте коленвала.
В процессе 7 определяется требуемый угол Θ опережения зажигания из уравнения:
.
з
При этом в ячейке φ содержится угол  поворота коленвала, по достижении которого следует формировать импульс зажигания. Этот угол равен (180°-Θ).
Таким образом, в заявленном способе зажигания двигателя автомобиля формирование импульса зажигания осуществляется в момент времени, обеспечивающий максимум крутящего момента на валу двигателя и наибольшую полноту сгорания топлива. При этом при определении этого момента времени учитываются все основные параметры режима работы двигателя, влияющие на правильность выбора угла опережения зажигания. В способах-аналогах и в прототипе такие факторы, как температура воздуха, температура двигателя и расход топлива при выборе угла опережения зажигания вообще не учитываются, что не гарантирует обеспечения максимального давления в цилиндре двигателя при угле поворота коленвала, близком к 190°, и в конечном итоге снижает крутящий момент на валу двигателя и полноту сгорания топлива.
Таким образом, заявляемый способ зажигания двигателя автомобиля развивает больший крутящий момент на валу двигателя и обеспечивает ему более полное сгорание топлива, а следовательно, и снижает токсичность выхлопных газов по сравнению со способами-аналогами и прототипом.
Заявляемый способ достаточно легко реализуем. Измерение параметров режима работы двигателя, изменяющихся в процессе его работы, может быть осуществлено стандартными средствами электрооборудования автомобиля. Результаты этих измерений могут быть введены в бортовой контроллер. Алгоритм определения оптимального угла опережения зажигания может быть реализован этим же контроллером. В качестве такового может служить электронный блок управления «Январь 5.1».