МНОГОЩЕЛЕВОЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
MULTI-SLOT OPTICAL SENSOR OF IGNITION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к бесконтактным датчикам искрообразования и может быть использовано в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также других мехатронных системах управления: коммутации, телеметрии, распределительных устройств автоматики и телемеханики, автоматических роторно-конвейерных линий, оптических модуляторах-прерывателях (optical choppers) и многих других.
Используется концепция системы независимого, или многоканального, зажигания двигателя внутреннего сгорания (EFS - нем. Einzel Fimken Spule), в которой, в отличие от систем синхронного зажигания, каждый цилиндр, помимо свечи, снабжен своим сенсором, коммутатором и катушкой зажигания. Каждая катушка управляется независимо и дает искру только для одного цилиндра. 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 СОР-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 является 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 /Д.А. Соснин. Электрическое, электронное и автотронное оборудование легковых автомобилей. М., 2010; Т. Дентон. Автомобильная электроника. М., 2008/.
Широко известен бесконтактный датчик зажигания 38.3706, принятый за прототип /Автомобили семейства BA3-2107. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. К.Б. Пятков, А.П. Игнатов, С.Н. Косарев и др. М.: Издательство "За рулем", 2004 - стр. 166/. Датчик формирует импульсы низкого напряжения первичной цепи системы зажигания, управляющие коммутатором для включения и выключения катушки зажигания - импульсного трансформатора. Устройство включает в себя неподвижный статор и вращающийся ротор, расположенный внутри статора по его оси симметрии. Функция статора - размещение одной сенсорной пары, а ротора - экранирующего экрана с прорезями, разделяющего два элемента этой сенсорной пары. Число прорезей экрана 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 медленнее частоты вращения коленвала.
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: максимумы вырабатываемых ДВС мощностей и крутящих моментов лежат в достаточно узких высокочастотных диапазонах оборотов коленвала.
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 единственную сенсорную пару, 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 непроизводительную холостую транспортировку очередной прорези экрана к сенсору.
2. Единственная сенсорная пара традиционной системы зажигания, последовательно обслуживающая все свечи цилиндров ДВС, непрерывно испытывает весьма интенсивные высокочастотные переменные токовые нагрузки, вызывающие джоулево тепловыделение и температурный уход электрических свойств. При выходе из строя сенсора 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.
Эти проблемы, как правило, приводят к постепенному отказу от применения роторных датчиков в пользу систем зажигания, не имеющих вращающихся частей вовсе /Р. Демидович. Система зажигания легковых автомобилей. Минск, 1998/. А именно, в пользу цифровых электронных и микропроцессорных систем зажигания с зашитой программой, управляемой входными сигналами, снимаемыми с многочисленных датчиков. Сложность и многокомпонентность таких систем отрицательно сказывается на надежности и ремонтопригодности. Прежде всего, классический роторный датчик зажигания не подвержен радиационному, электромагнитному или тепловому воздействию (имея в виду боевые условия военной техники), как все сложные микроэлектронные компоненты. Он не требует электронных прошивок, зачастую дающих сбои. А при непредвиденных обстоятельствах его можно починить вне ремонтной базы.
Таким образом, микропроцессорные электронные системы зажигания не обладают достаточной ремонтопригодностью в полевых условиях, а также электромагнитной, тепловой и радиационной устойчивостью при боевых использованиях. Между тем возможна модернизация роторных датчиков, закрывающая вышеуказанные проблемы, считавшиеся ранее тупиковыми.
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. 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/. Это устраняет перечисленные выше проблемы. Сопутствующим эффектом является общее повышение надежности и живучести вследствие принятия концепции системы независимого зажигания ДВС.
Поставленная задача решается тем, что в оптическом датчике зажигания n-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания статор снабжен центральным радиальным источником света и содержит п равномерно расположенных по окружности фоточувствительных электрических элементов (фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), а ротор состоит из светоэкранирующей цилиндрической оболочки, разделяющей источник света и фотоэлементы, с равномерно распределенными по окружности mn+1 или mn-1 прорезями, где m - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …. При этом низкое управляющее напряжение снимается с фотоэлементов последовательно на цепи свечей зажигания всех цилиндров в порядке их работы за время не полного оборота ротора-экрана, а только за время его поворота на угол 2π/(mπ+1) или 2π/(mn-1) в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора (прямое искрообразование) или противоположном (обратное искрообразование), соответственно.
Следовательно, требуемая частота вращения ротора датчика снижается в mn+1 или mn-1 раз соответственно по сравнению с традиционным датчиком зажигания, снабженным одной сенсорной парой и экраном с n прорезями. Время замкнутого состояния, равное времени прохождения прорези экрана между сенсорной оптической парой, увеличивается в это же число раз.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема многощелевого оптического датчика зажигания двигателя внутреннего сгорания для m=2, на фиг. 2-4, фиг. 5-7 - последовательность и схема работы датчиков управляющих сигналов низкого напряжения для прямого и обратного искрообразования соответственно. Прямое искрообразование показано на фиг. 2-4, тогда как обратное - на фиг. 5-7. В качестве примера приведена схема прямого искрообразования для 4-цилиндрового двигателя, n=4, и обратного искрообразования для 6-цилиндрового двигателя, n=6. В обоих случаях используется ротор с последовательными значениями m=1, 2, 3. На фиг. 8 представлены временные развертки управляющих низковольтных сигналов, снимаемых с каждого фотоэлемента при непрерывной коммутации, и высоковольтных напряжений, поступающих на свечи каждого из n цилиндров, для прямого искрообразования. На фиг. 9, 10 приведены частоты вращения роторов традиционного n-щелевого датчика зажигания по прототипу и mn+1, mn-1-щелевого соответственно по предлагаемой схеме устройства как функции частот вращения коленвала ДВС.
Схема многощелевого оптического датчика зажигания ДВС
r
s
Многощелевой оптический датчик зажигания n-цилиндрового ДВС (фиг. 1) состоит из вращающегося ротора со светоэкранирующей цилиндрической оболочкой 1 (далее - экран) с равномерно распределенными по окружности прорезями 2 угловой величины γ, отделяющей равномерно установленные по окружности статора n фотоэлементов 3 угловой величины γ от расположенного в центре источника света 4. Экран 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 фотоэлемента:
r
s
γ=γ+γ.
r
s
r
s
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, в частности длиной сенсоров 3, радиусом экрана 1, и совершенно не принципиально.
Экран 1 содержит mn+1 прорезей 2 для реализации прямого искрообразования или mn-1 прорезей 2 - для обратного. Для обеспечения раздельной отработки каждого сенсора по времени, чтобы временные циклы срабатывания соседних сенсоров не перекрывали друг друга, полный угол γ соответственно должен удовлетворять условиям:
(для реализации прямого искрообразования),
(для обратного),
а число фотоэлементов, 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, определяющийся соотношениями:
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 фотоэлементу (непрерывная коммутация), о чем будет указано ниже.
На фиг. 2-4 изображена схема прямой коммутации (искрообразования) для 4-цилиндрового двигателя, n=4, а на фиг. 5-7 - схема обратной коммутации (искрообразования) для 6-цилиндрового двигателя, n=6. В обоих случаях использован ротор со значениями m=1, 2, 3.
Принцип работы многощелевого оптического датчика зажигания ДВС. Анализ прямой и обратной коммутации
Для пояснения принципа работы многощелевого оптического датчика зажигания, а также анализа прямой и обратной коммутации, служат фиг. 2-7 соответственно. На фиг. 2-4 изображена схема прямой коммутации для 4-цилиндрового двигателя, а на фиг. 5-7 - схема обратной коммутации для 6-цилиндрового двигателя посредством ротора с многощелевым экраном с указанием опорных углов.
Направление вращения экрана 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f. Далее f будет обозначать частоту вращения экрана 1.
i
j
Передние края прорезей 2 экрана 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися лучами r (сплошные линии), а передние края фотоэлементов 3 - неподвижными лучами s (штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам прорезей 2 экрана 1 и фотоэлементов 3.
Ключевая особенность предложенной схемы, как видно из этих рисунков, состоит в том, что:
i
i
1. Последовательные углы между лучами 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 эффективно обеспечивают полный цикл равновременной (равномерной во времени) коммутации управляющих импульсов 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 одного из n фотоэлементов 3 (фиг. 4). Световой поток постоянного источника 4 открывается и начинается срабатывание этого фотоэлемента, пока задний край прорези 2 экрана 1 не достигает задней кромки фотоэлемента, падающий на него световой поток закрывается, и работа этого оптического сенсора 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), начинается работа следующего фотоэлемента. Действительно, при повороте экрана 1 на угол  (при прямой коммутации) или на угол  (при обратной) открывается световой поток центрального источника света на соседний фотоэлемент 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 всех оптических сенсоров.
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 равновременное, т.е. равномерное по времени срабатывание всех фотоэлементов 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-щелевого или mn-1-щелевого экрана 1 будет соответственно в mn+1 или в mn-1 раз меньше частоты вращения n-щелевого экрана, дающего ту же частоту коммутации. Таким образом, экран по предложенной схеме устройства выполняет функцию мультипликатора, т.е. умножителя частоты искрообразования 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 работы сенсорной пары (фотоэлемент-центральный источник света), пока внутри нее проходит прорезь экрана, при том же угле прорези.
Итак, частота 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, или слитно, а случаю γ<δ - дискретная коммутация, когда последовательные срабатывания сенсоров происходят с определенными разрывами по времени, или раздельно, т.е. между последовательными срабатываниями датчиков содержится некоторая временная пауза /Свияженинов Е.Д. Вращающийся коммутатор. Патент на изобретение №2413347. Приоритет 15.12.2009, Свияженинов Е.Д. Малооборотный датчик зажигания двигателя внутреннего сгорания. «Автомобильная промышленность». №4, 2014/.
Благодаря предложенной схеме достигается возможность непрерывной коммутации роторного датчика зажигания ДВС - его важнейшее преимущество. При непрерывной коммутации все время вращения ротора датчика зажигания расходуется только на совершение главной его функции - выработки управляющих сигналов. Непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота очередной прорези экрана к сенсору может быть полностью исключено. В прототипе же, из-за его конструкции, непрерывная коммутация принципиально невозможна.
Время замкнутого состояния (время срабатывания одного фотоэлемента) составляет 1/(νn) в случае непрерывной коммутации, когда γ=δ, и (γ/δ)/(νn) - в случае дискретной коммутации, при γ<δ.
При прохождении экрана 1 в зазоре между источником света 4 и фотоэлементом 3 происходит периодическое прерывание светового потока, и на выходе каждого оптического сенсора 3 формируется сигнал об угловом положении коленчатого вала в виде прямоугольных импульсов низкого напряжения, поступающий далее в электронный коммутатор. На фиг. 8 представлены временные развертки низковольтных сигналов, снимаемых с каждого оптического сенсора, для прямой непрерывной коммутации, а также временные развертки высоковольтных напряжений, поступающих на свечи каждого из n цилиндров. Когда свет от источника 4 попадает на фототранзистор 3, он переходит в состояние насыщения. Если он закрыт экраном, поток падающего на него света блокируется, что вызывает переключение выхода фототранзистора к высокому уровню. В результате устройство выдает прямоугольный импульс с низким уровнем при срабатывании сенсора 3 (прохождению прорези 2 экрана 1 внутри сенсорной пары 3, 4) 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/.
Пример расчета частоты вращения ротора многощелевого оптического датчика зажигания ДВС для прямого и обратного искрообразования
В качестве примера рассчитаем схему прямого искрообразования для 4-цилиндрового двигателя, n=4, и обратного искрообразования для 6-цилиндрового двигателя, n=6 посредством соответственно mn+1 или mn-1-прорезного экрана ротора и n фотоэлементов 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 датчика с n-прорезным экраном по прототипу. Таким образом, если для традиционного датчика зажигания, принятого за прототип, частота вращения ротора только в 2 раза ниже частоты вращения коленвала, то для предлагаемого - в 2(mn+1) или 2(mn-1) раз. На фиг. 9, 10 приведены частоты вращения соответственно mn+1 и mn-1-прорезного экрана по предлагаемой схеме устройства и n-прорезного экрана по схеме прототипа, как функции частоты вращения коленвала ДВС. Наглядно виден эффект мультипликации частоты искрообразования, проявляющийся в mn+1 или mn-1-кратном снижении требуемых частот вращения ротора многощелевого оптического датчика зажигания.
В результате ротор датчика 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. 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 экрана ротора и n фотоэлементов 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 искрообразования 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. 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.
5. 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 сенсору может быть абсолютно исключено.
6. 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 п раз меньше, чем в системе синхронного зажигания, что увеличивает электрическую надежность.
7. 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. Д.А. Соснин. Электрическое, электронное и автотронное оборудование легковых автомобилей. М., 2010.
2. Т. Дентон. Автомобильная электроника. М., 2008.
3. Автомобили семейства ВАЗ-2107. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. К.Б. Пятков, А.П. Игнатов, С.Н. Косарев и др. М.: Издательство "За рулем", 2004. (прототип).
4. В.Е. Ютт. Электрооборудование автомобилей. М., 2006.
5. Р. Демидович. Система зажигания легковых автомобилей. Минск, 1998.
6. Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение №2362242. Приоритет 21.05.2008.
7. Свияженинов Е.Д. Модернизация распределителя зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». №6, 2014.
8. Свияженинов Е.Д. Вращающийся коммутатор. Патент на изобретение №2413347. Приоритет 15.12.2009.
9. Свияженинов Е.Д. Малооборотный датчик зажигания двигателя внутреннего сгорания. «Автомобильная промышленность». №4, 2014.
10. С. Сысоева. Актуальные классические принципы оптоэлектроники в автоэлектронике. «Компоненты и технологии», №5, 2006.