СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ АВТОМОБИЛЯ
AUTOMOBILE IGNITION SYSTEM

Изобретение относится к автомобильной промышленности, а именно к электрооборудованию для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в производстве и эксплуатации автомобильной техники.
Известна система зажигания рабочей смеси в двигателе автомобиля, содержащая трансформатор зажигания, распределитель напряжения, соединенный со вторичной обмоткой трансформатора, свечи зажигания, соединенные с распределителем напряжения, прерыватель тока первичной обмотки трансформатора, датчик положения поршня в цилиндре двигателя, контактирующий с прерывателем и механически соединенный с валом распределителя напряжения [А.Г.Сергеев, В.Е.Ютт. Диагностирование электрооборудования автомобилей. - М.: Транспорт. - 1987 г.].
Все перечисленные элементы этого аналога входят и в состав заявляемой системы зажигания.
Работа этого аналога основана на формировании высокого электрического напряжения путем прерывания тока в первичной обмотке трансформатора зажигания путем разъединения электрических контактов в промежуток времени, когда интенсивность горения рабочей смеси максимальна, то есть после точки максимального сжатия или верхней мертвой точки (ВМТ).
Недостатком этого аналога является искрение на контактах при прерывании тока, обусловленное механическим способом его прерывания.
Известна также система зажигания двигателя внутреннего сгорания автомобиля, содержащая трансформатор зажигания, распределитель напряжения, соединенный со вторичной обложкой трансформатора зажигания, свечи зажигания, соединенные с распределителем напряжения, электронный прерыватель тока первичной катушки трансформатора зажигания, датчик положения поршня в цилиндре двигателя, соединенные с прерывателем и механически соединенный с валом распределителя [Данов Б.А., Рогачев В.Д. Электрооборудования автомобилей КамАЗ. - М.: Транспорт. - 1997 г.].
Все перечисленные элементы этого аналога также входят в состав заявляемой системы зажигания.
В этом аналоге прерывание тока осуществляется с помощью транзистора с электронным управлением, что исключает искрение на контактах. Управляющие сигналы поступают от индукционного датчика, механически связанного с коленчатым валом двигателя, что позволяет формировать сигналы для управления транзистором с учетом положения поршня в цилиндре. Длительность промежутка времени от момента подачи управляющего сигнала на транзисторный прерыватель до момента наиболее интенсивного горения рабочей смеси зависит от многих факторов (скорость вращении, состава рабочей смеси, разряжения и т.д.) Поэтому электрическое напряжение на свечи зажигания подается с опережением времени до положения ВМТ. Для совмещения времени наиболее интенсивного горения рабочей смеси (времени детонации) с нужным положением поршня, способным максимально преобразовать энергию горения в механическую энергию, используются механические регуляторы угла опережения зажигания.
Недостатком этого аналога является то, что механические регуляторы не позволяют учесть все имеющиеся факторы, существенно влияющие на время возгорания рабочей смеси (развитие искрового заряда). Это существенно ограничивает диапазон рабочих условий работы двигателя в режиме, близком к наиболее экономичному.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой (прототипом) является система зажигания автомобиля, защищенная патентом РФ №2306451 кл. F02P 1/00, 2006 г. Она содержит датчик положения поршня в цилиндре с тремя индукционными обмотками, имеющими фазовые углы, соответствующие верхней мертвой точке положения поршня в цилиндре, до и после ВМТ, четыре формирователя импульсов, последовательно включенные управляемый элемент задержки, усилитель-формирователь, прерыватель тока, трансформатор зажигания, распределитель высокого напряжения и свечи зажигания, расположенные в цилиндре двигателя, датчик давления, размещенный в цилиндре двигателя, измеритель временного сдвига, первый и второй входы которого через первый и второй формирователи импульсов подключены соответственно к выводам индукционной обмотки с фазой после ВМТ датчиков положения поршня и выходу датчика давления, фазоамплитудный преобразователь «время-напряжение», включенный между выходом измерителя временного сдвига и управляющим входом управляемого элемента задержки, сигнальный вход которого через третий формирователь импульсов подключен к выводам индукционной обмотки с фазой до ВМТ, и синхронизатор, вход которого через четвертый формирователь импульсов подключен к выводам индукционной обмотки с фазой, соответствующей ВМТ, а первый и второй выходы подключены к синхровходам соответственно управляемого элемента задержки и измерителя временного сдвига.
Все перечисленные элементы прототипа, кроме индукционных обмоток с фазами до ВМТ и ВМТ, третьего и четвертого формирователей импульсов, синхронизатора и измерителя временного интервала, входят и в заявляемую систему.
Работа прототипа основана на формировании трех аппаратных каналов управления зажиганием автомобиля, соответствующим трем положениям поршня в цилиндре, и управлении задержкой импульса индукционной обмотки датчика положения с фазой до ВМТ, поступающего в цепь прерывания тока таким образом, чтобы импульс детонации датчика давления совпадал с импульсом индукционной обмотки датчика положения поршня с фазой после ВМТ.
Недостатками прототипа являются сложность и относительно низкая надежность, обусловленные большим количеством входящих в его состав элементов. Еще одним недостатком системы-прототипа является слабая способность адаптации к резкому изменению скорости автомобиля. Дело в том, что при резком изменении угловой скорости коленчатого вала, например при резком торможении или трогании с места, система может оказаться в таком режиме, что соответствующий фактической скорости момент искрообразования окажется настолько разнесен во времени с оптимальным, что искрообразование не состоится. В этом случае датчик давления не срабатывает, и в системе исчезает информация о том, в какую сторону и насколько нужно изменить угол опережения зажигания. Механизм же поиска угла опережения зажигания, близкого к оптимальному, в режиме отсутствия импульсов датчика давления в системе не предусмотрен. Эти обстоятельства делают систему недостаточно устойчивой.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение и повышение надежности и устойчивости системы.
Решение указанной задачи достигается тем, что в известную систему зажигания автомобиля, содержащую датчик положения поршня в цилиндре двигателя, индукционная обмотка которого имеет фазовый угол, соответствующий положению поршня после ВМТ, первый формирователь импульсов, входы которого подключены к выводам индукционной обмотки, последовательно включенные усилитель-формирователь, прерыватель тока, трансформатор зажигания, распределитель высокого напряжения и свечи зажигания, расположенные в цилиндре двигателя, датчик давления, размещенный в цилиндре двигателя, и второй формирователь импульсов, введен контроллер, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго формирователей импульсов, а выход - ко входу усилителя-формирователя.
Отсутствуют какие-либо источники информации, в которых вновь введенная совокупность контроллера с остальными элементами и связями системы зажигания обеспечила бы такой же технический эффект. Поэтому заявляемую систему зажигания автомобиля следует считать новой и имеющий изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:
- на фиг.1 - структурная схема заявляемой системы зажигания;
- на фиг.2 - блок-схема алгоритма работы контроллера.
Предлагаемая система зажигания содержит датчик 1 с магнитным двухполюсным ротором 2, соединенным механически с коленчатым валом двигателя и имеющим однозначные угловые положения, соответствующие угловым положениям коленчатого вала и положениям поршня в цилиндре двигателя. На статоре датчика расположена индукционная обмотка 3. Ее положение соответствует углу максимальной отдачи мощности (примерно 10 градусов после ВМТ). В состав системы входят также формирователи 4 и 5 импульсов, контроллер 6, усилитель-формирователь 7, прерыватель 8 тока, трансформатор 9 зажигания, распределитель 10 высокого напряжения, свечи 11 зажигания, расположенные в цилиндре 12 двигателя. В первом цилиндре 12 двигателя расположен датчик 13 давления.
Выход индукционной обмотки 3 через формирователь 4 подключен к первому входу контроллера 6. Канал импульсов зажигания содержит последовательно включенные контроллер 6, усилитель-формирователь 7, прерыватель 8, трансформатор 9 зажигания, распределитель 10 и свечи 11. Выход датчика 13 через формирователь 5 подключен ко второму входу контроллера 6.
Работа системы зажигания состоит в следующем.
При вращении коленчатого вала двигателя датчик 1 периодически с периодом Т, соответствующим скорости вращения вала, вырабатывает в обмотке 3 напряжение, из которого формирователь 4 формирует короткие импульсы. Эти импульсы вырабатываются в моменты времени, соответствующие углу максимальной отдачи мощности (порядка 10 градусов после ВМТ). Сформированные импульсы поступают на первый вход контроллера 6.
В контроллере 6 поступившие на его вход импульсы задерживаются на время порядка 0,9Т. Ниже будет показано, как это осуществляется.
С каждым импульсом формирователя 4, начиняя со второго, на выходе контроллера 6 появляется импульс управления транзисторным прерывателем 8 тока первичной обмотки трансформатора 9. Он появляется в момент времени, соответствующий примерно 30 градусам до ВМТ. Далее этот импульс усиливается формирователем 7, срабатывает прерыватель 8 тока в цепи трансформатора 9, и с помощью распределителя 10 высокого напряжения и свечей 11 осуществляется зажигание рабочей смеси в цилиндре 12. По сигналу с датчика 13 формирователь 5 вырабатывает короткий импульс, который поступает на второй вход контроллера 6. По времени появления этот импульс несколько опережает соответствующий импульс формирователя 4 или несколько отстает от него. Описанный процесс повторяется с каждым импульсом формирователя 4.
Это осуществляется следующим образом.
i
i
i-1
i
i
i
i
i
Контроллер 6 для каждой пары импульсов формирователей 4 и 5 осуществляет следующие действия. Фиксирует моменты t и  их появления. По моменту появления t текущего импульса и моменту появления t предыдущего импульса определяет текущий период T следования импульсов, соответствующий угловой скорости коленчатого вала. По моментам t и  появления импульсов формирователей 4 и 5 (если момент  имел место) определяет величину и знак рассогласования Δ между ними. Определяет время τ опережения зажигания - промежуток времени между моментом t появления импульса формирователя 4 и требуемым моментом  формирования импульса управления транзисторным прерывателем 8. Уточняет это время с учетом величины и знака измеренного рассогласования.
На фиг.2 приведена блок-схема алгоритма работы контроллера 6. Он содержит 12 операторов.
0
0
Оператор 1 формирует начальный период T следования импульсов на первом входе контроллера. Период Т выбирается примерно равным половине максимально возможного периода следования импульсов. Кроме того, он записывает единицу в ячейку i - счетчик номера цикла работы двигателя.  Далее управление передается оператору 2.
i
Оператор 2 осуществляет фиксацию момента t появления импульса формирователя 4 и фиксацию момента  появления импульса формирователя 5, если оно имело место, и передает управление оператору 3.
i
Оператор 3 определяет текущий период T следования импульсов формирователя 4 и передает управление оператору 4.
i
Оператор 4 осуществляет выдержку времени в течение 0,05T, чтобы с помощью оператора 5 определить, сработал ли датчик 13 (то есть сформирован ли импульс формирователем 5) в текущем цикле работы двигателя. Далее управление передается оператору 5.
i
Оператор 5 определяет рассогласование . между моментами t и  появления импульсов формирователей 4 и 5 по формуле
где i' - содержимое ячейки i'.
i
В случае если i'=1, то есть если поступил только первый импульс формирователя 4, а соответствующего ему импульса формирователя 5 еще не поступало, рассогласование Δ принимается равным ∞. Далее оператор 5 осуществляет проверку условия . Выполнение этого условия означает, что импульс формирователя 5 в текущем цикле работы двигателя не был сформирован. В этом случае управление передается оператору 6. Отметим, что в первом цикле работы двигателя, при i'=1, управление всегда передается оператору 6, так как в этом случае . Если же это условие не выполняется, то есть если , это означает, что импульс формирователя 5 в данном цикле работы двигателя был сформирован, то управление передается оператору 9.
i
i
i
i
i
i
Оператор 6 осуществляет проверку выполнения условия Δ≥3T. Выполнение этого условия означает отсутствие импульсов формирователя 5 в течение не менее трех циклов работы двигателя. Это свидетельствует о том, что текущее время τ опережения зажигания далеко от оптимального либо вообще не определено. В этом случае управление передается оператору 7. Отметим, что именно этот случай будет иметь место и в первом цикле работы двигателя, при i'=1. Если же это условие не выполняется, то есть Δ≥3T, то это означает отсутствие импульсов формирователя 5 в течение менее трех циклов работы двигателя. Поэтому, вероятно, это простой сбой в работе двигателя, возможно его возвращение в нормальный режим работы и изменение времени τ опережения зажигания нецелесообразно. В этом случае управление передается оператору 8.
i
i
1
Оператор 7 устанавливает текущее значение времени τ опережения зажигания равным 0,9 Т; (для первого цикла работы двигателя, то есть для i'=1, это будет начальное время τ опережения зажигания, равное 0,9T, что обеспечивает появление импульса формирователя 5 в ближайшем цикле работы двигателя. Далее управление передается оператору 10.
i
Оператор 8 оставляет текущее значение времени τ опережения зажигания без изменения и передает управление оператору 10.
i
i
Оператор 9 уточняет текущее время τ опережения зажигания, рассчитывая его новое значение τ по формуле
i
i-1
i
τ=τ+Δ
i-1
где τ - значение времени опережения зажигания в предыдущем цикле работы.
i
i
i-1
i
i
i-1
i
В случае, если рассогласование Δ>0, то есть импульс формирователя 5 отстает от импульса формирователя 4, то новое значение τ времени опережения зажигания превышает предыдущее τ и в новом цикле работы двигателя это отставание уменьшится или превратится в опережение. Если же Δ<0, то есть импульс формирователя 5 опережает импульс формирователя 4, то новое значение τ времени опережения зажигания меньше предыдущего τ, и в новом цикле работы двигателя это опережение уменьшится или превратится в отставание. Таким образом, в любом случае в результате изменения времени τ опережения зажигания уменьшается рассогласование между импульсами формирователей 4 и 5 или даже изменяется его знак.
i
После уточнения времени τ опережения зажигания оператор 9 передает управление оператору 10.
Оператор 10 рассчитывает требуемый момент времени  формирования импульса управления прерывателем 8 и передает управление оператору 11.
Оператор 11 осуществляет выдержку времени до наступления момента времени  и формирование импульса управления прерывателем 8. Далее управление передается оператору 12.
Оператор 12 увеличивает на единицу содержимое счетчика i и передает управление оператору 2.
Далее описанный процесс работы операторов 2÷12 повторяется.
Таким образом, как в предлагаемой системе зажигания, так и в прототипе поддерживается минимальное рассогласование между импульсом, сформированным по сигналу индукционного датчика, и импульсом, сформированным по сигналу датчика давления. Однако система-прототип при резком изменении угловой скорости коленчатого вала может попасть в режим, при котором соответствующий фактической скорости момент искрообразования настолько сдвинут во времени относительно требуемого, что искрообразование не состоится. Это приводит к неустойчивой работе системы. Заявляемая же система адаптирована к изменению скорости, в том числе и резкому.
Заявляемая система требует наличия контроллера. Однако обычно контроллер, как правило, все равно входит в состав автомобиля. Помимо управления зажиганием, он выполняет ряд других функций. Поэтому можно считать, что применение в системе зажигания контроллера не приводит к какому-либо усложнению системы, а лишь приводит к более полному использованию контроллера. В остальной части заявляемая система зажигания гораздо проще системы-прототипа. Большая простота обеспечивает предлагаемой системе, кроме большей устойчивости, еще и более высокую надежность.
Ориентировочный расчет показывает, что наработка на отказ у заявляемой системы примерно на 15% больше, чем у системы - прототипа.
Таким образом, достигаемым в заявляемой системе техническим результатом является упрощение системы и повышение ее надежности.
Предлагаемая система зажигания достаточно легкореализуема. В качестве контроллера 6 может служить «Infinion SAF-C509-LM».
Остальные элементы системы не отличаются от соответствующих элементов системы-прототипа.