Устройство регулирования угла опережения зажигания

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания. Устройство регулирования угла опережения зажигания содержит источник питания, магнитоэлектрический датчик, исполнительный элемент для формирования искрового разряда, пороговое устройство, сумматор и интегратор. Выход магнитоэлектрического датчика соединен с одним из входов сумматора, выход которого соединен с пороговым устройством. Выход порогового устройства соединен с входами исполнительного элемента и интегратора, а выход интегратора соединен с другим входом сумматора. Технический результат - расширение диапазона регулировании угла опережения зажигания и оптимизация характеристики регулирования угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя. 5 ил.

 

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в любых двигателях, где регулирование угла опережения зажигания осуществляется за счет изменения управляющего сигнала магнитоэлектрического датчика.

Известно устройство для регулирований угла опережения зажигания бесконтактной системы зажигания по авторскому свидетельству №297793, МПК F02P 3/00, в котором увеличение диапазона регулирования угла опережения зажигания при увеличении скорости вращения вала двигателя обеспечивается последовательным срабатыванием электронного коммутатора вначале от каждой из двух обмоток пускового датчика импульсов, затем от рабочего датчика, что обеспечивается амплитудными характеристиками обмоток датчиков и параметрами стабилитронов, коммутирующих эти обмотки. Недостатком такого устройства является сложность конструкции за счет использования двух датчиков.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регулирования угла опережения зажигания в двигателе внутреннего сгорания по авторскому свидетельству №1746049, МПК F02Р 5/04, где расширение диапазона регулирования угла опережения зажигания достигается путем ориентирования сердечника с управляющей обмоткой относительно вращающегося магнита с учетом направления проката материала сердечника.

Устройство регулирования угла опережения зажигания, реализующее этот способ, содержит маховик с магнитной системой, генераторную катушку, магнитоэлектрический датчик, содержащий сердечник датчика и обмотку датчика, диоды, исполнительный элемент для формирования искрового разряда, содержащий конденсатор, высоковольтный трансформатор и тиристор, вход управления которого обеспечивает реализацию порогового устройства. В данном устройстве маховик с магнитной системой, генераторной катушкой и диодом при вращении маховика являются источником питания исполнительного элемента, формирующего искровой разряд по сигналу магнитоэлектрического датчика. Кроме того, тиристор совмещает функции порогового устройства для сигнала, формируемого магнитоэлектрическим датчиком, и ключа исполнительного устройства.

Недостатком технического решения по авторскому свидетельству №1746049 является узкий диапазон регулирования, недостаточный для обеспечения оптимального для двигателя внутреннего сгорания регулирования угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя во всем диапазоне рабочих скоростей, что обусловлено рядом факторов. Во-первых, при любом выборе ориентирования направления проката сердечника датчика общий диапазон регулирования по прежнему ограничен сверху конструкцией магнитной системы. Во-вторых, по мере увеличения скорости вращения вала двигателя все более начинает сказываться задержка управляющего сигнала, обусловленная индуктивностью обмотки датчика. В третьих, обороты запуска двигателя обычно в 3…5 раз меньше минимальной рабочей скорости вращения вала двигателя, и поскольку зажигание при запуске должно работать, то расходуемая при этом часть регулирования угла опережения зажигания берется из общего диапазона регулирования и, таким образом, оказывается исключенной из диапазона регулирования при рабочих скоростях вращения вала двигателя. Наибольшее отклонение момента искрообразования от оптимальной характеристики момента искрообразования в зависимости от скорости вращения вала двигателя наблюдается в зоне больших скоростей вращения. Попытка уменьшить задержку за счет уменьшения индуктивности обмотки датчика приводит к уменьшению формируемого магнитоэлектрическим датчиком управляющего сигнала, что, в свою очередь, приводит к увеличению минимально возможной скорости вращения вала двигателя, при которой величина управляющего сигнала достаточна для срабатывания порогового устройства. Поэтому в реальных условиях эксплуатации данного устройства приходится ориентироваться на компромиссное решение, вследствие чего соответствие момента искрообразования оптимальной характеристике зависимости момента искрообразования от скорости вращения вала двигателя удается обеспечить только в одной точке, т.е. для одной скорости вращения вала двигателя.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - расширение диапазона регулирования угла опережения зажигания и оптимизация характеристики угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство регулирования угла опережения зажигания, содержащее источник питания, магнитоэлектрический датчик, исполнительный элемент для формирования искрового разряда и пороговое устройство, выход которого соединен со входом исполнительного элемента, причем оно содержит сумматор и интегратор, выход сумматора соединен со входом порогового устройства, первый вход сумматора соединен с выходом магнитоэлектрического датчика, второй вход сумматора соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом порогового устройства.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства регулирования угла опережения зажигания. На фиг.2 приведены осциллограммы, поясняющие принцип регулирования угла опережения зажигания при использовании магнитоэлектрического датчика и порогового устройства при изменении скорости вращения вала двигателя. На фиг.3 приведены осциллограммы, поясняющие принцип работы предлагаемого устройства регулирования угла опережения зажигания. На фиг.4 приведена характеристика регулирования угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя для прототипа, на фиг.5 - характеристика регулирования угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя системы электронного зажигания, изготовленной в соответствии с предлагаемым изобретением.

Устройство регулирования угла опережения зажигания содержит источник питания, содержащий маховик с магнитной системой, генераторную катушку и диодный выпрямитель (на блок-схеме не показан), магнитоэлектрический датчик 1, выход которого подключен к первому входу сумматора 2. Выход сумматора 2 соединен со входом порогового устройства 3, выходной сигнал которого управляет работой исполнительного элемента 4, формирующего искровой разряд для воспламенения топливной смеси, и поступает на вход интегратора 5. Выходной сигнал интегратора 5 поступает на второй вход сумматора 2.

Регулирование угла опережения зажигания осуществляется за счет изменения амплитуды управляющего сигнала, формируемого магнитоэлектрическим датчиком. Фиг.2 поясняет принцип этого регулирования. На фиг.2 ось Θ -угол поворота вала двигателя, ось U_д - значение управляющего сигнала, поступающего на пороговое устройство, горизонтальная линия - уровень срабатывания порогового устройства (в случае прототипа - уровень отпирания тиристора по его управляющему электроду), осциллограммы n₁, n₂, n₃ - зависимости значений управляющих напряжений переднего (рабочего) фронта от угла поворота для трех скоростей вращения вала двигателя (n₁<n₂<n₃). С увеличением скорости вращения вала двигателя увеличивается и амплитуда импульса управляющего напряжения, формируемого магнитоэлектрическим датчиком. В результате момент времени, в который управляющий сигнал оказывается больше уровня срабатывания порогового устройства, смещается по переднему фронту управляющего сигнала в сторону опережения, что и обеспечивает увеличение угла опережения зажигания с ростом скорости вращения вала двигателя. Получаемая при этом характеристика регулирования угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя приведена на фиг.4 сплошной линией. В диапазоне рабочих скоростей вращения вала двигателя от n₁ до n₃ диапазон регулирования угла опережения зажигания составляет Θ₃₁. Скорости вращения вала двигателя менее n₁ - обороты запуска двигателя.

Предлагаемое устройство регулирования угла опережения зажигания работает следующим образом. В исходном состоянии выходной сигнал порогового устройства 3 отсутствует. Соответственно, отсутствует и выходной сигнал интегратора 5. При этом сумматор 2 работает в режиме повторителя по первому входу, т.е. выходной сигнал сумматора 2 определяется только сигналом магнитоэлектрического датчика 1, поступающим на первый вход сумматора 2. По мере увеличения скорости вращения вала двигателя сигнал магнитоэлектрического датчика 1 возрастает. При превышении сигналом магнитоэлектрического датчика 1 уровня срабатывания порогового устройства 3 последнее формирует импульсы, управляющие работой исполнительного элемента 4. Кроме того, эти же импульсы поступают на интегратор 5. Импульсы нормированы по длительности и амплитуде. Интегратор 5 выделяет постоянную составляющую поступающих на его вход импульсов, которая пропорциональна их частоте следования. Таким образом, выходной сигнал интегратора 5 оказывается пропорционален скорости вращения вала двигателя. Сумматор 2 выполняет операцию сложения сигналов, поступающих на его первый и второй входы. В результате выходной сигнал сумматора 2 представляет поступающий на первый вход сумматора 3 сигнал магнитоэлектрического датчика 1, сдвинутый вверх на величину выходного сигнала интегратора 5. Осциллограммы сигналов на входе порогового устройства 3 для различных скоростей n₁, n₂ и n₃ вращения вала двигателя приведены на фиг.4, где U_из - выходное напряжение интегратора при скорости вращения вала двигателя n₃. Наличие сдвига приводит к тому, что при увеличении скорости вращения вала двигателя момент времени, в который управляющий сигнал, поступающий на вход порогового устройства 3, оказывается больше уровня срабатывания порогового устройства 3, смещается в направлении от вершины управляющего импульса не только за счет роста амплитуды импульса управляющего сигнала, как то имеет место быть в исходном варианте, но также и за счет указанного сдвига этого импульса, формируемого сумматором 2. В результате в сравнении с исходным вариантом результирующее смещение момента времени, в который управляющий сигнал превышает порог срабатывания порогового устройства 3, оказывается дополнительно сдвинуто влево. А поскольку с повышением скорости вращения вала двигателя сдвиг управляющего сигнала, поступающего на вход порогового устройства 3, увеличивается за счет увеличения выходного сигнала интегратора 5, то подавляющая часть расширения диапазона регулирования угла опережения зажигания приходится на область скоростей вращения вала двигателя от средних до максимальных. То есть как раз на ту область скоростей вращения вала двигателя, где у прототипа регулирование угла опережения зажигания практически прекращается.

Изменением коэффициента передачи интегратора 5 можно изменять крутизну зависимости угла опережения зажигания от скорости вращения вала двигателя, что позволяет максимально приблизить характеристику угла опережения зажигания к оптимальной зависимости. В результате появляется возможность оптимальной настройки момента зажигания как минимум в двух точках - например, на скорости номинальной мощности и на минимальной рабочей скорости вращения вала двигателя, а также уменьшить отклонение характеристики угла опережения зажигания от оптимальной зависимости. Достигаемая при этом характеристика регулирования угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя приведена на фиг.5 сплошной линией.

Работоспособность предлагаемого устройства регулирования угла опережения зажигания проверена в составе электронной системы зажигания подвесного лодочного мотора магнетного типа, работоспособной без внешнего источника питания. Выход сумматора (например, резистивного) подключен к пороговому устройству, его первый вход - к выходу магнитоэлектрического датчика. Второй вход сумматора подключен к выходу интегратора, например резистивно-емкостного, на вход которого поступают импульсы с выхода порогового устройства. Эти же импульсы управляют работой исполнительного устройства, обеспечивающего искрообразование. Предлагаемое устройство регулирования угла опережения зажигания испытано в составе систем электрооборудования лодочных моторов «Нептун-25», «Вихрь-30», «Волгарь-15».

Экспериментально полученные характеристики регулирования угла опережения зажигания лодочного мотора «Нептун-25» в зависимости от скорости вращения вала двигателя показаны сплошной линией на фиг.4 - для прототипа и на фиг.5 - для предлагаемого устройства регулирования угла опережения зажигания. Линия, образованная вертикальными штрихами, соответствует оптимальной зависимости угла опережения зажигания от скорости вращения вала двигателя, заданной предприятием-изготовителем. Длина штрихов равна 2 градусам и показывает допустимое отклонение реальной характеристики регулирования угла опережения зажигания от оптимальной зависимости, не оказывающее существенного влияния на параметры двигателя. При изменении скорости вращения вала двигателя от 350 об/мин до 6000 об/мин диапазон регулирования угла опережения зажигания без предлагаемого устройства регулирования составляет 19 градусов (от 4 до 23 градусов), с устройством - 27 градусов (от 3 до 30 градусов). Для испытанного образца предлагаемого устройства регулирования угла опережения зажигания в пределах диапазона регулирования отклонение от оптимальной зависимости не превышает 1 градуса и находится в пределах зоны допуска, тогда как изначально отклонение от оптимальной зависимости составляло до 7 градусов.

По результатам эксперимента использование предлагаемого технического решения позволяет для рабочих скоростей вращения вала двигателя расширить диапазон регулирования угла опережения зажигания до 40%. Причем практически все расширение диапазона регулирования приходится на область скоростей вращения вала двигателя от средних до максимальных. Сопряжение характеристики угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя с оптимальной зависимостью выполнено в двух точках: на оборотах холостого хода (1000 мин^-1) и на скорости вращения вала двигателя, соответствующей номинальной мощности (5500 мин^-1).

Таким образом, с применением предлагаемого технического решения обе задачи - расширение диапазона регулирования угла опережения зажигания и оптимизация характеристики зависимости угла опережения зажигания в зависимости от скорости вращения вала двигателя - решены.

Устройство регулирования угла опережения зажигания, содержащее источник питания, магнитоэлектрический датчик, исполнительный элемент для формирования искрового разряда и пороговое устройство, выход которого соединен со входом исполнительного элемента, отличающееся тем, что оно содержит сумматор и интегратор, причем выход сумматора соединен со входом порогового устройства, первый вход сумматора соединен с выходом магнитоэлектрического датчика, второй вход сумматора соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом порогового устройства.