ДАТЧИК-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
IGNITION DISTRIBUTOR TRANSDUCER FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к устройствам для прерывистого токосъема и может быть использовано в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также в системах коммутации, телеметрии и вооружений, например, для управления активизацией боевых зарядов.
Широко известен датчик-распределитель зажигания, подающий высокое напряжение на свечи цилиндров, включающий неподвижный статор, снабженный крышкой с внутренней круглой поверхностью, на которой по окружности равномерно расположены контакты с выводами на свечи зажигания, и вращающийся ротор, расположенный внутри крышки по ее оси симметрии и снабженный токораздаточной пластиной в виде луча, исходящего из центра ротора к его периферии. Высокое напряжение подается на токораздаточную пластину в центре ротора через центральный угольный контакт крышки распределителя от катушки зажигания. Другой конец токораздаточной пластины взаимодействует с боковыми контактами на крышке распределителя. За время одного оборота ротора датчика-распределителя высокое напряжение подается последовательно на свечи всех цилиндров в порядке их работы. Сами же импульсы высокого напряжения вырабатываются катушкой зажигания через коммутатор на основе сигналов низкого напряжения датчика углового положения коленвала. Очевидно дальнейшее использование бесконтактных датчиков, прогрессивно заменяющих контактные и использующие различные физические явления: эффект Холла, магнитоэлектрические, оптоэлектронные, фотоэлектрические, т.д. Такие датчики-распределители зажигания установлены на большинстве автомобильных ДВС с принудительным воспламенением.
Например, известен датчик-распределитель 38.3706 /Автомобили ВАЗ-2107. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. К.Б.Пятков, А.П.Игнатов, С.Н.Косарев и др. М., Издательство "За рулем", 2001 г./, включающий ротор с однолучевой токораздаточной пластиной, контактирующей при вращении с боковыми контактами на крышке распределителя, датчиком углового положения коленвала которого служит система, включающая неподвижные радиально установленные с малым зазором датчик Холла (дополненный до магнитоуправляемой интегральной схемы), постоянный магнит и вращающийся между ними стальной экран с числом прорезей, равным числу цилиндров, принятый за прототип.
Недостатком такого датчика-распределителя является высокая частота вращения его ротора. Так, за два оборота коленчатого вала четырехтактного двигателя ротор датчика-распределителя должен совершить один оборот, т.е. частота вращения ротора равна половине частоты вращения коленвала двигателя. 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-распределителя должны составлять 2500-4000 об/мин. Но высокие частоты вращения ротора датчика-распределителя 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-распределитель, приводит к целому ряду причин, резко снижающих его функционально-эксплуатационные качества. Перечислим только некоторые из них.
1. Повышенный износ подшипниковых узлов, высокий уровень механических вибраций и тепловыделения.
2. Проблемы разбалансировки ротора вследствие изначально конструктивно несамоурановешенной схемы однолучевой токораздаточной пластины.
3. Высокая частота вращения приводит к весьма малому промежутку времени замкнутого состояния токораздаточной пластины с боковыми контактами крышки распределителя и, как следствие, небольшой продолжительности существования искрового разряда на контактах свечей, что не обеспечивает высокой надежности процесса воспламенения рабочей смеси. Существуют работы, специально посвященные увеличению контактирующей поверхности токораздаточной пластины с целью увеличения продолжительности искрового разряда на контактах свечей /Агошков О.Г., Белов А.В., Вандышев В.Н. и др. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение №2166818, 1999/.
4. Зависимость импульса высокого напряжения от частоты вращения коленвала.
5. Единственный проводящий луч традиционной токораздаточной пластины, последовательно обслуживающий все свечи цилиндров ДВС и поэтому вращающийся с весьма высокой угловой скоростью, непрерывно испытывает весьма интенсивные высокие токовые нагрузки, вызывающие износ контактов, джоулево тепловыделение и температурный уход электрических свойств, помимо упомянутой высокой частоты вращения, приводящей к механическим потерям на трение. Представляется рациональным эту высокую механическую и электрическую нагрузку на один токопроводящий луч поровну распределить между несколькими осесимметричными токопроводящими лучами. Тогда и скорость вращения ротора распределителя, и его нагруженность уменьшится в это же число раз. Такое решение применительно к распределителю зажигания ДВС было запатентовано в /Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение №2362242. Приоритет 21.05.2008/.
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-распределителей в пользу систем зажигания, совсем не имеющих вращающихся частей /Р.Демидович. Система зажигания легковых автомобилей. Минск, 1998/.
Задачей заявляемого изобретения является многократное снижение частоты вращения ротора датчика-распределителя за счет того, что импульсы высокого напряжения последовательно распределяются по свечам зажигания всех цилиндров в порядке их работы за время не полного оборота ротора датчика-распределителя, а только за время малого его поворота, как и выдача датчиком распределителя управляющих импульсов низкого напряжения на коммутатор. Это устраняет перечисленные выше проблемы. Сопутствующим эффектом является многократное снижение износа узлов трения и контактов токораздаточной пластины, а также более стабильное выходное высокое напряжение на свечи цилиндров.
Поставленная задача решается тем, что в датчике-распределителе зажигания n-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания, включающем:
неподвижный статор, снабженный крышкой с внутренней круглой поверхностью, на которой по окружности равномерно расположены n контактов с выводами на свечи зажигания, и вращающийся ротор, расположенный внутри статора по его оси симметрии с закрепленными на нем соосно и параллельно токораздаточной пластиной и магнитоэкранирующей цилиндрической оболочкой с равномерно распределенными по окружности прорезями, разделяющей установленные на статоре радиально с малым зазором датчик Холла и постоянный магнит, токораздаточная пластина выполнена в виде правильной (n+1) или (n-1) - лучевой звезды, а экран-цилиндр содержит (n+1)n или (n-1)n прорезей соответственно, при этом высокое напряжение подается последовательно на свечи всех цилиндров в порядке их работы за время не полного оборота ротора распределителя, а только за время поворота ротора на угол 2π/(n+1) или 2π/(n-1) соответственно. Следовательно, требуемая частота вращения ротора датчика-распределителя снижается в (n+1) или (n-1) раз соответственно по сравнению с традиционным датчиком-распределителем, снабженным однолучевой токораздаточной пластиной и экраном с n прорезями.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 изображены соответственно схемы распределителя (высоковольтная часть цепи) и датчика (низковольтная) зажигания двигателя внутреннего сгорания, на фиг.3 - последовательность распределения высокого напряжения по боковым контактам крышки для прямого и обратного искрообразования, на фиг.4 - схема работы распределителя зажигания для прямого и обратного искрообразования, на фиг.5 - последовательность работы датчика управляющего сигнала низкого напряжения для прямого и обратного искрообразования, на фиг.6 - схема работы датчика распределителя зажигания для прямого и обратного искрообразования. Прямое искрообразование показано на правых частях фиг.3, 4, 5, 6, тогда как обратное - на левых. 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 один и тот же ротор с пятилучевой токораздаточной пластиной. В первом случае число прорезей вращающегося магнитного цилиндрического экрана равно 20, тогда как во втором - 30. На фиг.7 приведены частоты вращения роторов традиционного однолучевого датчика-распределителя зажигания и пятилучевого как функции частот вращения коленвала ДВС.
Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания (фиг.1) содержит статор, снабженный крышкой 1 с внутренней круглой поверхностью, на которой по окружности равномерно расположены n контактов 2 с выводами на свечи зажигания (на чертеже не показаны), ротор 3, расположенный внутри статора и крышки 1 по ее оси симметрии и снабженный токораздаточной пластиной 4. Токораздаточная пластина 4 выполнена в виде правильной (n+1) или (n-1) - лучевой звезды.
Высокое напряжение подается в центр токораздаточной пластины 4 через центральный угольный контакт крышки распределителя 1. При вращении ротора 3 лучи токораздаточной пластины 4 последовательно взаимодействуют с боковыми контактами 2 на крышке 1 распределителя: в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора 3, в случае (n+1) (прямое, или попутное, искрообразование) или в противоположном направлении (обратное, или встречное, искрообразование) в случае (n-1).
Датчик распределителя (фиг.2) состоит из вращающейся вместе с ротором магнитоэкранирующей цилиндрической оболочки 1 с равномерно распределенными по окружности прорезями 2, разделяющей установленные на статоре радиально с малым зазором датчик Холла 3 и постоянный магнит 4. Магнитный экран-цилиндр 1 содержит (n+1)n или (n-1)n прорезей 2.
На фиг.3 справа наглядно видна схема прямого искрообразования для 4-цилиндрового двигателя, на фиг.3 слева - схема обратного искрообразования для 6-цилиндрового двигателя. В обоих случаях использован один и тот же ротор с пятилучевой токораздаточной пластиной.
Принцип работы и анализ прямого и обратного искрообразования на боковых контактах крышки распределителя
Для анализа прямого и обратного искрообразования на боковых контактах крышки распределителя служит фиг.4. На фиг.4 по-прежнему справа изображена схема прямого искрообразования для 4-цилиндрового двигателя, а слева - схема обратного искрообразования для 6-цилиндрового двигателя посредством ротора с пятилучевой токораздаточной пластиной в увеличенном масштабе с указанием опорных углов.
Пусть в начальный момент времени один из (n+1) (справа) или (n-1) (слева) лучей токораздаточной пластины 4 совпадает с одним из n боковых контактов 2 крышки распределителя 1 (фиг.4). Высокое напряжение из центра пластины по этому лучу передается на свечу зажигания соответствующего цилиндра. При повороте ротора 3 на угол  (при прямом искрообразовании) или на угол  (при обратном) напряжение передается на соседний боковой контакт 2 крышки - по направлению вращения ротора 3 или против вращения ротора 3 через соседний луч. При повороте ротора 3 на угол 2π/(n+1)=nδ или на угол 2π/(n-1)=nδ напряжение полностью последовательно распределится на все боковые контакты 2 крышки 1 в прямом или обратном направлении.
Следовательно, требуемая частота вращения (n+1) - лучевого или (n-1) - лучевого ротора 3 будет соответственно в (n+1) или в (n-1) раз меньше частоты вращения однолучевого ротора, т.е. импульсы напряжений будут последовательно передаваться на соседние боковые контакты 2 через те же интервалы времени. Таким образом, многолучевой ротор выполняет функцию мультипликатора, т.е. умножителя частоты искрообразования в (n+1) или в (n-1) раз, и его частота вращения должна быть во столько же раз снижена.
Конструкция модифицированного вращающегося экрана:
формула для числа прорезей
Датчик-распределитель предназначен для выдачи управляющих импульсов низкого напряжения на коммутатор и для распределения импульсов высокого напряжения по свечам зажигания. Анализу распределения высокого напряжения по свечам цилиндров посвящен предыдущий раздел.
Для анализа выдачи управляющих импульсов низкого напряжения при соответственно прямом и обратном искрообразовании служат фиг.5, 6, на которых по-прежнему справа изображена схема прямого искрообразования для 4-цилиндрового двигателя, а слева - схема обратного искрообразования для 6-цилиндрового двигателя посредством ротора с пятилучевой токораздаточной пластиной. Фиг.6 служит для указания опорных углов в увеличенном масштабе.
Рассмотрим систему формирования управляющих импульсов низкого напряжения. Цилиндрический магнитный экран датчика 1, снабженный прорезями 2 и закрепленный параллельно токораздаточной пластине распределителя на одной оси ротора, вращается с той же угловой скоростью (фиг.5). При прохождении тела экрана 1 в зазоре между датчиком Холла 3 и магнитом 4 магнитные силовые линии замыкаются через экран 1 и поэтому на датчик Холла 3 не действуют. В эти отрезки времени разность потенциалов в датчике не возникает. При прохождении через зазор прорезей экрана 2 на датчик Холла 3 действует магнитное поле и с него снимается разность потенциалов. Таким образом, при прохождении экрана в зазоре между магнитом и датчиком происходит периодическое шунтирование магнитного потока, и формируется сигнал об угловом положении коленчатого вала в виде прямоугольных импульсов низкого напряжения, поступающий далее в электронный коммутатор. Коммутатор по этому управляющему сигналу датчика прерывает ток низкого напряжения в первичной цепи катушки зажигания - импульсном трансформаторе, и со вторичной цепи катушки зажигания через центральный контакт крышки распределителя на токораздаточную пластину подается импульс высокого напряжения, предназначенный для поджигания рабочей смеси в очередном цилиндре ДВС.
Следовательно, начало управляющего импульса датчика должно быть синхронизировано с моментом приближения очередного токопроводящего луча распределителя к боковому контакту крышки распределителя, что и определяет число прорезей магнитного экрана предлагаемого датчика-распределителя. При прямом искрообразовании угловой шаг прорезей должен составлять , а при обратном -  (фиг.6).
Таким образом, число прорезей магнитного экрана должно быть (n+1)n для прямого искрообразования и (n-1)n - для обратного, где n - число цилиндров ДВС.
Использование оптического датчика
Обратимся еще раз к схеме датчика распределителя (фиг.2), состоящего из вращающейся вместе с ротором магнитоэкранирующей цилиндрической оболочки 1 с равномерно распределенными по окружности прорезями 2, разделяющей установленные на статоре радиально с малым зазором датчик Холла 3 и постоянный магнит 4. Магнитный экран-цилиндр 1 содержит (n+1)n или (n-1)n прорезей 2.
Вместо сенсорной холловской пары - датчика Холла 3 и постоянного магнита 4, - без какого-либо изменения компоновочной схемы (фиг.2) возможно использование сенсорной оптопары - фоточувствительного элемента и светодиода соответственно. Излучающие светодиоды могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Существенно повысить разрешение оптопары позволяют лазерные диоды. 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/.
Луч света от светодиода попадает на фоточувствствительный элемент (фототранзистор или фотодиод), если в зазоре между ними находится прорезь экрана. Оптический канал между светодиодом и фоточувствительным элементом прерывается, когда в зазоре появляется непрозрачный элемент - экран ротора. Поэтому цилиндрическая оболочка-экран выполняется из любого непрозрачного материала, т.е. должна быть не магнитоэкранирующая, а всего лишь светоэкранирующая.
Отсюда следует функционально эквивалентный вариант исполнения датчика управляющих импульсов, входящего в цепь низкого напряжения датчика-распределителя зажигания ДВС. Формулировка его следующая.
Датчик распределителя (фиг.2) состоит из вращающейся вместе с ротором светоэкранирующей цилиндрической оболочки 1 с равномерно распределенными по окружности прорезями 2, разделяющей установленные на статоре радиально с малым зазором фоточувствительный элемент 3 и светодиод 4. Световой экран-цилиндр 1 содержит (n+1)n или (n-1)n прорезей 2.
Пример расчета частоты вращения ротора датчика-распределителя с многолучевой токораздаточной пластиной для прямого и обратного искрообразования
5
1
В качестве примера рассмотрим схему прямого искрообразования для 4-цилиндрового двигателя, n=4, и обратного искрообразования для 6-цилиндрового двигателя, n=6. Тогда в обоих рассматриваемых случаях должна быть использована одна и та же пятилучевая токораздаточная пластина. В первом случае число прорезей вращающегося магнитного или светового цилиндрического экрана равно (n+1)n=20, тогда как во втором - (n-1)n=30. Требуемая частота вращения такого ротора будет ровно в 5 раз ниже частоты вращения ротора датчика-распределителя с однолучевой токораздаточной пластиной. На фиг.7 приведены частоты вращения роторов с пятилучевой f и однолучевой f токораздаточными пластинами как функции частоты вращения f коленвала ДВС. Наглядно виден эффект мультипликации частоты искрообразования, проявляющийся в пятикратном снижении частот вращения ротора датчика-распределителя.
В результате ротор датчика-распределителя вращается ровно в десять раз медленнее коленвала, а не в два раза, как в прототипе. В пять раз увеличивается время замкнутого состояния токораздаточной пластины ротора с боковыми контактами крышки распределителя, что повышает продолжительность существования искрового разряда на контактах свечей и, следовательно, надежность процесса воспламенения рабочей смеси. В пять раз по сравнению с прототипом уменьшается джоулево тепловыделение, температурный уход электрических характеристик и износ контактов многолучевой пластины. Устраняются проблемы механических вибраций, износа подшипниковых узлов ротора и его балансировки.
Выводы. Технический результат
1. Использование (n+1) или (n-1) -лучевой токораздаточной пластины, где n - число боковых контактов на крышке датчика-распределителя, снижает частоту вращения ротора соответственно в (n+1) или в (n-1) раз. В первом случае последовательность искрообразования идет в прямом, а во втором - в обратном направлении относительно направления вращения ротора.
2. Многократное снижение частоты вращения ротора датчика-распределителя зажигания весьма существенно для устранения механических вибраций, тепловыделения и динамических нагрузок на его подшипники.
3. Токораздаточная пластина в виде правильной многолучевой звезды самоуравновешена, в отличие от однолучевой, что конструктивно обеспечивает балансировку ротора.
4. Малая частота вращения ротора датчика-распределителя в (n+1) или в (n-1) раз увеличивает время замкнутого состояния токораздаточной пластины ротора с боковыми контактами крышки датчика-распределителя и, следовательно, увеличивает продолжительность существования искрового разряда на контактах свечей, что обеспечивает высокую надежность процесса воспламенения рабочей смеси.
5. При одном полном цикле искрообразования (однократном последовательном распределении напряжения по всем цилиндрам) (n+1) или (n-1) - лучевого ротора токовая нагрузка воспринимается не одним, а целым набором входящих в звезду лучей. Следовательно, джоулево тепловыделение, температурный уход электрических характеристик и износ контактов многолучевой пластины будет в (n+1) или в (n-1) раз меньше, чем однолучевого.
Литература
1. Автомобили ВАЗ-2107. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. К.Б.Пятков, А.П.Игнатов, С.Н.Косарев и др. М.: Издательство "За рулем", 2001 г. (прототип).
2. В.Е.Ютт. Электрооборудование автомобилей. М., 2009.
3. Агошков О.Г., Белов А.В., Вандышев В.Н. и др. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение №2166818, 1999.
4. Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение №2362242. Приоритет 21.05.2008.
5. Р.Демидович. Система зажигания легковых автомобилей. Минск, 1998.
6. С.Сысоева. Актуальные классические принципы оптоэлектроники в автоэлектронике. «Компоненты и технологии», №5, 2006.