МУЛЬТИПЛИКАТОР НЕПРЕРЫВНОЙ КОММУТАЦИИ
CONTINUOUS COMMUTATION MULTIPLICATOR

Изобретение относится к бесконтактным коммутационным устройствам, осуществляющим последовательное во времени переключение электрических цепей, и может быть использовано в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), оптических модуляторах-прерывателях (optical choppers), энкодерах, распределительных устройствах автоматики и телемеханики, а также многих других мехатронных системах.
Широко известен бесконтактный оптический датчик зажигания /Т. Дентон. Автомобильная электроника. М., 2008, с. 75, 230-231/, принятый за прототип. Устройство представляет собой дисковый обтюратор, или экранирующий диск с прорезями, который при вращении периодически прерывает сфокусированный луч, испускаемый светодиодом в направлении фототранзистора перпендикулярно плоскости диска. Датчик формирует импульсы низкого напряжения первичной цепи системы зажигания, управляющие коммутатором для включения и выключения катушки зажигания - импульсного трансформатора. В целом устройство включает в себя неподвижный статор и вращающийся ротор, расположенный внутри статора по его оси симметрии. Функция статора - создание стационарного луча, связанного сенсорной оптопарой, а ротора - вращение обтюратора с прорезями, периодически прерывающего этот луч в поперечной плоскости. Число отверстий обтюратора равно числу цилиндров ДВС, так что за один полный оборот ротора датчик вырабатывает полный цикл сигналов для всех цилиндров. Что, в свою очередь, отвечает двум полным оборотам коленвала для четырехтактного ДВС. Таким образом, для системы зажигания по прототипу частота вращения ротора датчика зажигания только в два раза меньше частоты вращения коленвала. Такие оптические датчики использовались в системах зажигания автомобилей Chrysler (США) и некоторых японских автомобилей в конце 80-х годов. С тех пор частоты вращения коленчатых валов автомобильных двигателей постоянно возрастают и в настоящее время достигают 5000 - 8000 об/мин /В.Е. Ютт. Электрооборудование автомобилей. М., 2006/. Это обусловлено исключительно особенностями функционирования ДВС, а именно, их «скоростными характеристиками»: максимумы вырабатываемых ДВС мощностей и крутящих моментов лежат в достаточно узких высокочастотных диапазонах оборотов коленвала /Автомобильный справочник BOSH. М.: Изд-во «За рулем», 2012. - 1280 с./. Соответственно частоты вращения ротора датчика также высоки и должны составлять 2500 - 4000 об/мин. Но высокие частоты вращения ротора датчика зажигания совершенно не требуются для его оптимального функционирования. Более того, они вредны и весьма опасны. Действительно, столь высокая частота вращения ротора такого точного и ответственного устройства, каким является датчик зажигания, приводит к целому ряду причин, резко снижающих его функционально-эксплуатационные качества. Перечислим только некоторые из них.
1. Высокая частота вращения ротора-экрана приводит к весьма малому промежутку времени прохождения прорези экрана через единственный луч сенсорной пары, что аналогично малому времени замкнутого состояния контактов в контактной системе зажигания, а это не обеспечивает высокой надежности процесса воспламенения рабочей смеси. При этом большая часть времени вращения ротора датчика зажигания расходуется не на выполнение его главной функции - выработку управляющих напряжений, а на непроизводительные холостые повороты очередной прорези экрана к лучу.
2. Единственная сенсорная оптопара традиционной системы зажигания, последовательно обслуживающая все свечи цилиндров ДВС, испытывает весьма интенсивные высокочастотные переменные токовые нагрузки, вызывающие джоулево тепловыделение и температурный уход электрических свойств, а при выходе из строя оптопары полностью прекращается работа всей системы зажигания. Представляется рациональным эту высокочастотную электрическую нагрузку на одну сенсорную пару поровну распределить между несколькими парами, каждая из которых обслуживает свой цилиндр.
3. Высокая частота вращения ротора влечет повышенный износ подшипниковых узлов ротора и высокий уровень вибраций, снижающий точность устройства и приводящий к усталостным разрушениям и механическим тепловыделениям.
Иначе говоря, если для коленчатого вала ДВС высокооборотность - необходимое эксплуатационное условие, то для роторного устройства его системы зажигания - существенный конструктивный недостаток.
Разрешение этого противоречия удачно вписывается в используемую современную концепцию системы независимого, или многоканального, зажигания двигателя внутреннего сгорания (EFS - нем. Einzel Funken Spule - «отдельная катушка зажигания»), в которой каждый цилиндр, помимо свечи, снабжен своим сенсором, коммутатором и катушкой зажигания. Каждая катушка управляется независимо и дает искру только для одного цилиндра, значительно более высокой энергии. Коммутатор в таких системах может представлять собой один блок для всех катушек зажигания или отдельные блоки для каждой катушки зажигания. Катушки зажигания также могут стоять как отдельно, так и единым блоком, а, кроме того, могут быть объединены с коммутаторами. Одной из наиболее популярных разновидностей EFS-систем является так называемая COP-система (англ. Coil on Plug - «катушка на свече») - в этой системе катушка зажигания ставится прямо на свечу, что позволяет полностью избавиться еще от одного недостаточно надежного компонента системы зажигания - высоковольтных проводов. Преимуществом систем независимого зажигания ДВС против синхронного является и то, что электрическая нагрузка поровну распределена между несколькими ветвями системы зажигания, уменьшая токовую нагрузку, износ, температурный уход характеристик ее элементов; при выходе из строя сенсора или катушки перестает работать только один цилиндр двигателя, а система в целом сохраняет работоспособность.
Задачей заявляемого изобретения является многократное снижение частоты вращения ротора датчика зажигания за счет того, что полный цикл выдачи датчиком зажигания управляющих импульсов низкого напряжения на коммутатор и, далее, высокого напряжения по свечам зажигания всех цилиндров в порядке их работы осуществляется за время не полного оборота ротора датчика, а только за время весьма малого его поворота. При этом достигается возможность непрерывной коммутации, когда все время вращения ротора датчика зажигания полностью расходуется только на совершение главной его функции - выработку управляющих сигналов. Подобное решение было запатентовано применительно к распределителю зажигания ДВС /Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение № 2362242. Приоритет 21.05.2008, Свияженинов Е.Д. Модернизация распределителя зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». № 6, 2014, Свияженинов Е.Д. Модернизация классических роторных бесконтактных датчиков-распределителей зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». № 3, 2016/. Это устраняет перечисленные выше проблемы. Сопутствующим эффектом является общее повышение надежности и живучести устройства вследствие принятия концепции системы независимого зажигания ДВС.
Поставленная задача решается тем, что в оптическом датчике зажигания n-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания статор снабжен n равномерно распределенными по окружности лучами света, а ротор содержит светоэкранирующий обтюратор с равномерно распределенными по окружности mn+1 или mn-1 отверстиями, например, прорезями, где m - любое натуральное число: m = 1, 2, 3,…. При этом коммутация n низковольтных цепей для каждого цилиндра осуществляется последовательно и непрерывно за время не полного оборота ротора-экрана, а только за время его поворота на угол 2π/(mn+1) или 2π/( mn-1) в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора (прямая коммутация) или противоположном (обратная коммутация), соответственно.
Следовательно, требуемая частота вращения ротора коммутатора снижается в mn+1 или mn-1 раз соответственно по сравнению с датчиком зажигания по прототипу, снабженным одной сенсорной парой и экраном с n отверстиями. Время замкнутого состояния, равное времени прохождения прорези экрана через луч сенсорной оптической пары, увеличивается в это же число раз.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема мультипликатора непрерывной коммутации для m = 2, n = 4, на фиг. 2-4, фиг. 5-7 - последовательность прямой и обратной коммутации соответственно. Прямая коммутация показана на фиг. 2-4, тогда как обратная - на фиг. 5-7. В качестве примера приведена схема прямой коммутации для 4-цилиндрового двигателя, n = 4, и обратной - для 6-цилиндрового двигателя, n = 6. В обоих случаях используется обтюратор с последовательными значениями m = 1, 2, 3. На фиг. 8 а, б представлены временные развертки управляющих низковольтных сигналов, генерируемых устройством при непрерывной и дискретной коммутации соответственно. На фиг. 9, 10 приведены частоты вращения роторов традиционного n-щелевого датчика зажигания по прототипу и mn+1, mn-1-щелевых мультипликаторов соответственно как функции частот вращения коленвала ДВС.
Схема мультипликатора непрерывной коммутации системы зажигания ДВС
Мультипликатор непрерывной коммутации системы зажигания n-цилиндрового ДВС (фиг. 1) состоит из вращающегося дискового обтюратора 1 с равномерно распределенными по окружности отверстиями (прорезями) 2 угловой величины γ, периодически прерывающего неподвижные равномерно расположенные по окружности световые лучи 3, перпендикулярные плоскости обтюратора, число которых n, угловой величины γ. Обтюратор 1 содержит mn+1 или mn-1 прорезей 2, где m - любое натуральное число: m = 1, 2, 3,…. Обозначим через γ полный (суммарный) угол прорези и поперечного сечения луча:
γ = γ + γ.
При этом угол γ может быть как больше угла γ, (фиг. 1), так и меньше его. Соотношение углов γ и γ определяется конкретной реализацией устройства и совершенно не принципиально.
Обтюратор 1 содержит mn+1 прорезей 2 для реализации прямой коммутации или mn-1 прорезей 2 - для обратной. Для обеспечения раздельного прерывания каждого луча по времени, чтобы временные циклы срабатывания соседних сенсоров не перекрывали друг друга, полный угол γ соответственно должен удовлетворять условиям:
γ  δ =  (для реализации прямой коммутации) ,
γ  δ =  (для обратной) ,
а число лучей, как указано выше, равно n, где n - число цилиндров ДВС.
Отметим, что если угол γ - частная характеристика конкретной технической реализации многощелевого оптического датчика зажигания, определяющийся его геометрическими размерами, то угол δ - принципиальная универсальная (зависящая только от чисел m, n) характеристика устройства, при которой достигается его наиболее эффективный режим функционирования, полностью исключающий непроизводительное (холостое) вращение ротора всего лишь для поворота очередной прорези экрана к следующему лучу (непрерывная коммутация), о чем будет указано ниже.
Принцип работы мультипликатора непрерывной коммутации. Анализ прямой и обратной коммутации
Для пояснения принципа работы мультипликатора непрерывной коммутации, прямой и обратной, служат фиг. 2-7 соответственно. На фиг. 2-4 изображена схема прямой коммутации для 4-цилиндрового двигателя, n = 4, а на фиг. 5-7 - схема обратной коммутации для 6-цилиндрового двигателя, n = 6, посредством ротора с mn+1 или mn-1-прорезным обтюратором, m = 1, 2, 3, с указанием опорных углов.
Направление вращения обтюратора 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f. Далее f будет обозначать также частоту его вращения.
Передние края прорезей 2 обтюратора 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися радиусами r (сплошные линии), а передние края световых потоков 3 - неподвижными радиусами s (штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам прорезей 2 экрана 1 и световых потоков 3.
Ключевая особенность предложенной схемы, как видно из этих рисунков, состоит в том, что:
1. Последовательные углы между радиусами r, s, i = 2, 3, 4… составляют  (i-1)δ, т.е. образуют натуральную последовательность (1, 2, 3, …)δ.
2. Вращающееся устройство имеет осевую симметрию mn+1 или mn-1 порядка, т.е. при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой.
Именно эти два обстоятельства обуславливают непрерывный полный цикл коммутации отдельных цепей системы зажигания не за полный период вращения экрана 1, как в традиционном датчике, принятом за прототип, а только за mn+1 или mn-1 его часть.
Работает устройство следующим образом. Пусть в начальный момент времени передний край одной из mn+1 (фиг. 2-4) или mn-1 (фиг. 5-7) прорезей 2 экрана 1 совпадает с передней кромкой поперечного сечения одного из n световых потоков 3 (фиг. 1). Световой поток 3 открывается и начинается срабатывание соответствующей сенсорной пары, пока задний край прорези 2 экрана 1 не достигает задней кромки сечения луча 3, световой поток этого луча закрывается, и работа его оптопары заканчивается, что происходит при повороте ротора на угол γ. Сразу после этого (непрерывная коммутация, при γ = δ) или с некоторой задержкой во времени (дискретная коммутация, при γ < δ), происходит переключение сенсорных пар. Действительно, при повороте экрана 1 ровно на угол δ =  (при прямой коммутации) или на угол δ =  (при обратной) открывается световой поток соседнего луча по направлению или против вращения экрана 1. Конструктивным выбором угла γ относительно универсальной постоянной δ (зависящей лишь от чисел m, n) достигается требуемый вид цикличности коммутации - непрерывной или дискретной.
Очевидно, что полный цикл коммутации управляющих импульсов происходит не за полный период вращения экрана 1, как в традиционном датчике зажигания, а только за mn+1 или mn-1 его часть, в силу осевой симметрии устройства mn+1 или mn-1 порядка, когда при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой. Поэтому при повороте экрана 1 на угол 2π/(mn+1) = nδ или на угол 2π/(mn-1) = nδ произойдет последовательное и равномерное во времени срабатывание всех лучей в прямом или обратном направлении. Таким образом, частота коммутации при той же частоте вращения экрана 1 соответственно в mn+1 или mn-1 раз выше, чем в традиционном датчике зажигания по прототипу. Следовательно, требуемая частота вращения mn+1-прорезного или mn-1-прорезного экрана 1 будет соответственно в mn+1 или в mn-1 раз меньше частоты вращения n-прорезного экрана, дающего ту же частоту коммутации.
Таким образом, обтюратор по предложенной схеме устройства выполняет функцию мультипликатора, т.е. умножителя частоты коммутации в mn+1 или в mn-1 раз, и его частота вращения должна быть во столько же раз снижена. Но при сниженной частоте вращения экрана во столько же раз увеличивается время замкнутого состояния - время воздействия луча на сенсорную пару, пока этот луч открыт проходящей прорезью экрана.
Итак, частота полного цикла коммутации ν связана с частотой вращения экрана f следующими соотношениями: для прямой коммутации
ν = f (mn+1),
для обратной коммутации
ν = f (mn-1).
Случаю γ = δ отвечает непрерывная коммутация, когда последовательные срабатывания сенсоров происходят непрерывно, без разрывов во времени (фиг. 8 а), а случаю γ < δ - дискретная коммутация, когда последовательные срабатывания сенсоров происходят с определенными разрывами по времени, т.е. между последовательными срабатываниями сенсоров содержится некоторая временная пауза (фиг. 8 б).
Благодаря предложенной схеме устройства достигается возможность непрерывной коммутации - его важнейшее преимущество. При непрерывной коммутации все время вращения ротора обтюратора расходуется только на совершение главной его функции - выработку управляющих сигналов. Непроизводительное холостое вращение обтюратора только лишь для поворота очередной его прорези к световому лучу может быть полностью исключено. В прототипе же, из-за его конструкции, непрерывная коммутация принципиально невозможна.
Время замкнутого состояния (время отработки одного луча) составляет
τ = 1/(νn)
в случае непрерывной коммутации, когда γ = δ, и
τ = (γ/δ)/(νn) -
в случае дискретной коммутации, при γ < δ.
При пересечении экраном 1 луча 3 происходит прерывание светового потока, и в результате на выходе каждого оптического сенсора формируется сигнал об угловом положении коленчатого вала в виде прямоугольных импульсов низкого напряжения, поступающий далее в электронный коммутатор. На фиг. 8 а, б представлены временные развертки низковольтных сигналов, снимаемых с каждого оптического сенсора, для непрерывной и дискретной коммутации соответственно. Когда поток света 3 попадает на фототранзистор, он переходит в состояние насыщения. Если же луч 3 закрыт экраном, поток падающего на фототранзистор света блокируется, что вызывает переключение его выхода к высокому уровню. В результате устройство выдает прямоугольный импульс с низким уровнем при срабатывании сенсора (прохождении прорези 2 экрана 1 через луч 3) и высоким - при его закрытии (экранировании). Разумеется, возможен и инверсный вариант реализации устройства: с высоким уровнем сигнала при срабатывании сенсора и низким - при его экранировании. Далее по этим прямоугольным импульсам электронный коммутатор формирует токовый импульс, подаваемый к первичной обмотке катушки зажигания для обеспечения заданного уровня высокого напряжения и энергии искры.
Отметим, что оптические сенсоры - более высокоточные и безынерционные, чем многие другие электрические измерители. Источники света могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Современные оптические устройства работают и при высоких температурах, вплоть до 125°С /С. Сысоева. Актуальные классические принципы оптоэлектроники в автоэлектронике. «Компоненты и технологии», №5, 2006/.
Использование прерывания магнитного потока
Вместо принципа прерывания светового потока - лучей 3, связывающих оптопары, - без какого-либо изменения компоновочной схемы (фиг. 1) возможно использование прерывания магнитного потока. В этом случае магнитный поток поперечного сечения 3 связывает сенсорные холловские пары - постоянные магниты и датчики Холла /Д.А. Соснин. Электрическое, электронное и автотронное оборудование легковых автомобилей. М., 2010/.
Магнитный поток 3 открывается, если в зазоре между сенсорной холловской парой находится прорезь 2 экрана 1. Магнитный поток между постоянным магнитом и датчиком Холла прерывается, когда между ними появляется экран 1. В этом случае дисковый обтюратор 1 выполняется из любого магнитоэкранирующего материала.
Снижение частоты вращения магнитного экрана в mn+1 или в mn-1 раз, достигаемое предложенной схемой устройства, в такое же число раз снижает вихревые токи и тепловыделение в обтюраторе.
Пример расчета частоты вращения ротора мультипликатора непрерывной коммутации зажигания ДВС для прямого и обратного искрообразования
В качестве примера рассчитаем схему прямой коммутации для 4-цилиндрового ДВС, n = 4, и обратной - для 6-цилиндрового двигателя, n = 6, посредством соответственно mn+1 или mn-1-прорезного обтюратора ротора и n лучей статора. В обоих рассматриваемых случаях используем значения параметра системы m = 1, 2, 3.
Требуемая частота вращения ротора такого экрана будет ровно в mn+1 или mn-1 раз ниже частоты вращения ротора традиционного датчика с n-прорезным экраном по прототипу. Таким образом, если для традиционного датчика зажигания частота вращения ротора только в 2 раза ниже частоты вращения коленвала, то для предлагаемого - в 2(mn+1) или 2(mn-1) раз. На рис. 6, 7 приведены частоты вращения соответственно mn+1 и mn-1-прорезного обтюратора для значений параметра системы m = 1, 2, 3 по предлагаемой схеме устройства и n-прорезного обтюратора - по прототипу, как функции частоты вращения коленвала ДВС. Наглядно виден эффект мультипликации частоты коммутации, проявляющийся в mn+1 или mn-1-кратном снижении требуемых частот вращения ротора mn+1 или mn-1-прорезного обтюратора соответственно.
В результате ротор мультипликатора вращается ровно в 2(mn+1) или 2(mn-1) раз медленнее коленвала, а не в два раза, как в прототипе. Устраняются проблемы механических вибраций и тепловыделения, а также износа подшипниковых узлов ротора. Многократно уменьшается джоулево тепловыделение, температурный уход электрических характеристик и износ элементов системы зажигания ДВС. Главное, в mn+1 и mn-1 раз по сравнению с прототипом увеличивается время замкнутого состояния, что повышает надежность отработки искрового разряда на контактах свечей и, следовательно, надежность процесса воспламенения рабочей смеси. Это обусловлено тем, что все время вращения ротора датчика зажигания эффективно расходуется на совершение главной его функции - выработку управляющих сигналов, а непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота очередной прорези экрана к сенсору полностью исключено.
Выводы. Технический результат
1. Использование mn+1 или mn-1-прорезного обтюратора ротора и n лучей статора, где n - число цилиндров ДВС, снижает частоту вращения ротора датчика зажигания соответственно в mn+1 или в mn-1 раз при той же частоте вращения коленвала ДВС. В первом случае последовательность коммутации идет в прямом, а во втором - в обратном направлении относительно направления вращения ротора.
2. Увеличение натурального числа - параметра системы m = 1, 2, 3,… позволяет практически неограниченно снижать отношение частот вращений ротора датчика и коленвала ДВС.
3. Многократное снижение частоты вращения ротора датчика зажигания относительно частоты вращения коленвала весьма существенно для устранения механических вибраций, тепловыделения и динамических нагрузок на подшипниковые узлы ротора, что увеличивает механическую надежность.
4. Снижение частоты вращения экрана в mn+1 или в mn-1 раз, достигаемое предложенной схемой устройства, во столько же раз снижает вихревые токи и тепловыделение в магнитоэкранирующем обтюраторе.
5. Малая частота вращения ротора датчика зажигания в mn+1 или в mn-1 раз соответственно увеличивает время замкнутого состояния и, следовательно, повышает надежность отработки искрового разряда на контактах свечей и процесса воспламенения рабочей смеси.
6. Возможность непрерывной коммутации, при которой все время вращения ротора датчика зажигания полностью расходуется только на совершение главной его функции - выработку управляющих сигналов, - важнейшее преимущество предлагаемой схемы устройства. Непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота очередной прорези экрана к лучу может быть абсолютно исключено.
7. Применена система независимого зажигания двигателя внутреннего сгорания, в которой каждый из n цилиндров снабжен своим сенсором, коммутатором, катушкой зажигания и свечой. Каждая катушка управляется независимо и дает искру только для одного цилиндра. Следовательно, джоулево тепловыделение, температурный уход электрических характеристик и износ всех элементов системы зажигания будет в n раз меньше, чем в системе синхронного зажигания, что увеличивает электрическую надежность.
8. При выходе из строя одного элемента электрической цепи перестанет работать только один цилиндр двигателя, а система в целом сохраняет работоспособность, что повышает ее живучесть.
Использованная литература
1. Т. Дентон. Автомобильная электроника. М., 2008. с. 75, 230-231 (прототип).
2. В.Е. Ютт. Электрооборудование автомобилей. М., 2006.
3. Автомобильный справочник BOSH. М.: Изд-во «За рулем», 2012. - 1280 с.
4. Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение № 2362242. Приоритет 21.05.2008.
5. Свияженинов Е.Д. Модернизация распределителя зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». № 6, 2014.
6. Свияженинов Е.Д. Модернизация классических роторных бесконтактных датчиков-распределителей зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». № 3, 2016.
7. С. Сысоева. Актуальные классические принципы оптоэлектроники в автоэлектронике. «Компоненты и технологии», №5, 2006.
8. Д.А. Соснин. Электрическое, электронное и автотронное оборудование легковых автомобилей. М., 2010.