Способ программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов конденсаторного зажигания

Предлагаемое изобретение относится к системам зажигания. Технический результат заключается в более эффективной эксплуатации ДВС и в повышении экологической безопасности, термического КПД и удельной габаритной мощности. Сущность способа заключается в программном задании и последующей реализации уровней высокого напряжения каждого отдельного искрового разряда в любом диапазоне оборотов ДВС с использованием контроллера, в ПЗУ которого загружаются программы с константами программирования параметров высокого напряжения в функциональной зависимости от сочетания и интенсивности задействованных в его регулировании режимов работы ДВС, выбираемых из числа его оборотов, нагрузки, пороговой температуры охлаждающей жидкости, степени рабочего сжатия (в том числе переменной). В процессе работы ДВС процессор контроллера выбирает по технической информации датчиков выбранных режимов в рабочей программе ПЗУ константу программирования оптимального уровня высокого напряжения предстоящего искрового разряда с последующей реализацией этого параметра в каждом цилиндре ДВС, при этом в интервале напряжений от минимально допустимого по условиям пробоя разрядников свечей зажигания до максимального, ограничиваемого пределом электрической прочности высоковольтного тракта. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электрооборудованию систем зажигания с емкостным накоплением энергии искрового разряда и конкретно направлено на дальнейшее усовершенствование одного из вариантов этих систем, ранее раскрытого в заявке на изобретение «Способ модернизации конденсаторного зажигания с непрерывным накоплением энергии», по заявочным материалам которой выдан патент РФ на изобретение с регистрационным номером 2364745 (опубликован 20 августа 2009 г., бюллетень №23). Эта модернизированная система конденсаторного зажигания (далее МКС, источник Л1) является прототипом предлагаемого способа программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов конденсаторного зажигания (далее «Способ»), разработанного с целью расширения арсенала технических средств этого назначения по микропроцессорному (МП) регулированию высокого напряжения искровых разрядов и позволяющего в сочетании с аналогичным способом программного регулирования длительности искровых разрядов (заявка на изобретение peг. №2014111903 от 27 марта 2014 г.) осуществить программное управление искрообразованием с учетом индивидуальной функциональной зависимости оптимального уровня этих параметров от интенсивности режимов работы ДВС (совместимое с работой МП систем угла опережения зажигания и комплексного управления автомобильным двигателем - МС2713 «Электроника», ЭСАУ-ВАЗ, МИКАС и т.п.), открывающее возможность наиболее эффективного использования режимов глубокого обеднения ТВС и степени (в том числе переменной) ее рабочего сжатия, остающихся (в сочетании с остальными режимами) основным резервом повышения экологической безопасности, улучшения термического КПД и удельной габаритной мощности ДВС. Для успешного осуществления этих режимов необходимо искрообразование с энергией искровых разрядов, значительно превышающей ее оптимальный уровень для нормальной или слабо обедненной ТВС. Величина этой энергии обеспечивается параметрами уровней высокого напряжения и длительности искровых разрядов, имеющих различную степень индивидуальной зависимости от режимов работы ДВС: уровень высокого напряжения - в первую очередь от степени рабочего сжатия топливных зарядов ТВС и в определенной мере от нагрузки, температуры, числа оборотов, а длительность искрового разряда - прежде всего от типа моторного топлива, энергии воспламенения и глубины обеднения его ТВС и также от температуры, нагрузки, числа оборотов ДВС. Из этого следует, что оптимальные величины этих параметров формально не обладают жесткой взаимной зависимостью, которая на практике обусловлена только недостатками их формирования, исключающего возможность наиболее рационального, соответствующего реальной потребности, использования величины каждого параметра. Поэтому для повышения эффективности искрообразования с учетом этих особенностей наиболее целесообразно его осуществление с разделенным (индивидуальным) регулированием высокого напряжения (а косвенно и энергии) искровых разрядов. Конкретной задачей предлагаемого «Способа» является осуществление такого индивидуального программного регулирования.

Однако пути решения этой задачи весьма ограничены. Например, у всех разновидностей доминирующей (далее транзисторной) системы с накоплением энергии искрообразования в магнитном поле сердечника специализированной катушки зажигания параметры высокого напряжения и длительности искровых разрядов зависят только от скромной величины фактически неуправляемой ЭДС ее самоиндукции, что делает физически невозможным их регулирование, тем более индивидуальное. Тот же вывод справедлив и в отношении искрообразования всех известных в уровне техники классических конденсаторных систем, у которых параметры высокого напряжения и длительности искровых разрядов также жестко взаимосвязаны их обоюдной зависимостью от нерегулируемого по величине заряда электрической энергии, однократно запасаемой в разрядном (накопительном) конденсаторе во временных интервалах между разрядами.

В этом ряду систем зажигания исключение составляет прототип «Способа» - модернизированная конденсаторная система зажигания МКС (источник Л1). Она разработана на базе классической системы с непрерывным накоплением энергии искрового разряда путем включения в ее электрическую схему (фиг.1, Л1) аккумулирующего конденсатора 9, заряжаемого выходным напряжением преобразователя постоянного напряжения (ППН), и транзисторного ключа 32, управляемого импульсными сигналами (фигура 2, Л1) вторичной обмотки трансформатора тока 30, работающего в режиме дифференцирования тока первичной обмотки катушки зажигания 29. Эти изменения позволили исключить экстремальные нагрузки ППН (замыкающие на корпус его выходное напряжение у всех аналогов МКС в течение времени генерации каждого искрового разряда), а также использовать в ее электрической схеме ППН с независимым (внешним) возбуждением, обеспечившим возможность сохранения фиксированного уровня напряжения заряда аккумулирующего конденсатора 9 при отборе его энергии на искрообразование, а также поддержания в течение всего процесса искрообразования напряжения заряда накопительного (разрядного) конденсатора 18 на стабильном исходном (начальном) уровне путем восполнения затрат его энергии (из аккумулирующего конденсатора 9) на генерацию каждого периода тока искрового разряда включением транзисторного ключа 32 в конце каждого периода первичного тока катушки зажигания 29. Такое восполнение обеспечило независимость стабильного исходного уровня напряжения заряда разрядного конденсатора и соответствующего ему высокого напряжения от частоты следования и длительности искровых разрядов. Но в МКС этот технический результат использован только лишь в режиме поддержания стабильного уровня напряжения заряда аккумулирующего и разрядного конденсаторов при росте нагрузок и колебаниях напряжения бортового питания, вместе с тем он позволяет (при внешнем управлении возбуждением ППН) в широких пределах оперативно изменять уровень этого зарядного напряжения и, как следствие, регулировать пропорционально соответствующий (с учетом коэффициента трансформации катушки зажигания) напряжению заряда конденсатора 18 уровень высокого напряжения искровых разрядов в диапазоне от минимально допустимого по условиям пробоя искрового промежутка свечей зажигания до максимального, ограничиваемого пределом электрической прочности изоляции высоковольтного тракта. Это позволяет наиболее продуктивно использовать этот диапазон на практике в связи с тем, что максимальный уровень высокого (пробивного) напряжения необходим при пуске ДВС, а также на холостых оборотах или при полной нагрузке, и этот уровень существенно снижается при повышении температуры охлаждающей жидкости, при работе ДВС на частичных нагрузках или при возрастании числа его оборотов (стр.12, рис.1.3; рис 1.4; «Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей. Электронные системы зажигания». Авт. А.Г. Ходасевич. Москва, изд. Солон-Пресс, 2001; далее Л2). Следовательно, не регулируемый уровень высокого напряжения может быть достаточным для одних режимов и избыточным для других или наоборот, что логично свидетельствует о необходимости коррекции его оптимальной величины в упомянутом выше диапазоне. Наиболее эффективно такой диапазон изменения этого параметра искрового разряда может быть реализован только при микропроцессорном (МП) управлении с программным заданием его текущей величины по жесткому алгоритму трехмерной характеристики матричного типа (аналогичной рис.9.6, стр.82; «Электрическое, электронное и автотронное оборудование легковых автомобилей». Автор Соснин Д.А. Москва, изд. Солон-Пресс, 2010, источник Л3) в функциональной зависимости, например, от сочетания числа оборотов и нагрузки ДВС, числа оборотов и переменной степени рабочего сжатия ТВС или же в другой, более простой зависимости от одного из режимов работы ДВС, задействованных в регулировании и выбираемых исходя из планируемой эффективности его работы (варианты таких альтернативных программ из числа возможных показаны на матричных диаграммах фигуры 1 и фигуры 2 подробнее далее). В предлагаемом «Способе» подобное программное регулирование оптимальной величины высокого напряжения каждого искрового разряда осуществляется с использованием рабочих программ, разрабатываемых в двух вариантах : для «холодного» с температурой охлаждающей жидкости до 65 градусов Цельсия и прогретого ДВС (по аналогии с МП системами регулирования угла опережения зажигания). При этом важное практическое значение приобретает возможность корректировки констант программирования этих программ в процессе их стендовых испытаний с запланированными режимами работы ДВС.

Для осуществления программного регулирования высокого напряжения в предлагаемом «Способе» использованы отличительные существенные признаки прототипа: заряд аккумулирующих и разрядных конденсаторов выходным напряжением ППН, восполнение энергии заряда разрядных конденсаторов из аккумулирующих для поддержания высокого напряжения и длительности искровых разрядов до момента ее принудительного ограничения, а также технические средства реализации этих признаков: преобразователь постоянного напряжения, аккумулирующие и разрядные конденсаторы, транзисторные и тиристорные ключи, управляемые импульсными сигналами вторичных обмоток трансформаторов тока, и аналоговая система ограничения длительности искровых разрядов. Отличительными признаками «Способа» являются: программное регулирование высокого напряжения искровых разрядов с использованием контроллера, в ПЗУ которого загружаются программы с константами программирования уровней высокого напряжения искровых разрядов в функциональной зависимости от интенсивности задействованных в регулировании режимов работы ДВС, в реальном времени определяемой по технической информации датчиков этих режимов, по преобразованной (оцифрованной в УВВ) величине которой процессор контроллера выбирает в программе своего ПЗУ константу программирования уровня высокого напряжения предстоящего искрового разряда с последующей реализацией этого уровня под управлением выходного сигнала контроллера во всех цилиндрах ДВС (при этом константы программирования выражены масштабными эквивалентами высокого напряжения МЭВН, подробнее см. блок зажигания). Частными случаями реализации «Способа» являются варианты сочетания задействованных в регулировании режимов работы ДВС, выбираемых из его: числа оборотов, нагрузки, пороговой температуры охлаждающей жидкости, степени (в том числе переменной) рабочего сжатия ТВС.

На блок-схеме фигуры 3 приведен один из вариантов реализации «Способа» для обеспечения работы четырехцилиндрового ДВС. Он состоит из блока зажигания 1, нагрузкой которого являются двухвыводные катушки 2/1, 2/2 со свечами зажигания 3, и блока программного управления-контроллера (БПУ) 4. Блок зажигания выдает в БПУ сигнал обратной связи В1 о текущем значении напряжения заряда аккумулирующих (и, соответственно, разрядных) конденсаторов и получает из этого блока сигнал управления И1, регулирующий уровень напряжения этого разряда (и пропорционально соответствующего ему высокого напряжения), а также получает из внешней системы угла опережения зажигания УОЗ 5 управляющие сигналы У1 и У2, поочередно включающие в работу каналы искрообразования. Контроллер (БПУ) 4 осуществляет программное управление искрообразованием с использованием технической информации датчиков режимов работы ДВС 6 и собственных программ зависимости текущего значения параметров высокого напряжения искровых разрядов от интенсивности этих режимов. Для электроснабжения блоков использован стабилизированный источник напряжения 7, обеспечивающий независимость работы блоков от глубокой посадки напряжения источника 8 бортового питания 12 вольт и от аварийного его возрастания. Синхронизация функционирования блоков зажигания и программного управления с работой ДВС осуществляется по управляющим сигналам исходной точки начала отсчета НО, выдаваемой датчиком его оборотов Д1. Функционирование «Способа» заключается в нижеследующем взаимодействии блока зажигания и контроллера. При пуске, а также при работе ДВС по сигналу начала отсчета НО датчика оборотов контроллер 4 осуществляет цикл определения текущего значения задействованных в регулировании высокого напряжения режимов работы ДВС по показаниям их датчиков 6, на основе этой информации выбирает в своем ПЗУ заданную по программе (и соответствующую интенсивности этих режимов) константу программирования МЭВН предстоящего искрового разряда и выдает в блок зажигания 1 управляющий сигнал И1, обеспечивающий поддержание этого параметра на программно заданном уровне с контролем его исполнения по сигналу обратной связи В1, поступающему из блока зажигания в процессе подготовки и генерации искровых разрядов. Момент начала искрового разряда по сигналам У1, У2 внешней системы УОЗ синхронизирован с работой блока зажигания, БПУ и ДВС. Задние фронты этих сигналов (соответствующие моменту начала искрового разряда) в реальном времени появляются по отношению к сигналу контроллера И1 с определенной задержкой, зависящей от расчетной величины угла опережения зажигания.

БЛОК ЗАЖИГАНИЯ (фигура 4)

Блок зажигания предназначен для генерации искровых разрядов с регулированием их высокого напряжения по управляющим сигналам БПУ и принципиально отличается от аналогичной схемы МКС только методом программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов (изменением уровней напряжения зарядов аккумулирующих и разрядных конденсаторов). Он состоит из двух идентичных каналов искрообразования со статическим распределением высокого напряжения по четырем цилиндрам ДВС с использованием двухвыводных катушек зажигания 2/1, 2/2 и общего двухконтурного ППН с независимым (внешним) возбуждением. Его задающий генератор выполнен на ждущих мультивибраторах 11/1 и 11/2, выдающих сдвинутые на 180 электрических градусов сигналы управления на первичный контур возбуждения ППН (состоящий из биполярных транзисторов 12/1, 12/2 и трансформатора 13) при подаче на их входы сброса R1, R2 управляющего сигнала высокого логического уровня И1 из блока БПУ (включающего в работу ППН). Силовой контур ППН состоит из биполярных транзисторов 14/1, 14/2 с трансформатором 15. Его одинаковые по величине выходные напряжения, выпрямленные на мостовых выпрямителях 16/1 и 16/2, заряжают аккумулирующие конденсаторы 17/1, 17/2 каналов. Напряжения этих зарядов подаются на резисторный делитель напряжения 18, с выхода которого их масштабный эквивалент В1 поступает в БПУ (вход «А» компаратора 38 УВВ контроллера, фигура 7), где сравнивается в процессе регулирования высокого напряжения искровых разрядов с аналогичным, извлекаемым из ПЗУ контроллера программно заданным масштабным эквивалентом этого высокого напряжения (МЭВН), равным по величине частному от деления требуемого уровня высокого напряжения предстоящего искрового разряда на коэффициент трансформации катушки зажигания и масштабный коэффициент делителя напряжения 18 (и преобразованном в УВВ в аналоговую форму). При наступлении равенства этих эквивалентов, обеспечиваемого импульсным релейным (ключевым) включением ППН по управляющему сигналу И1 из БПУ (фигура 6), меняется логический уровень этого управляющего сигнала с высокого на низкий, прекращающий работу ППН. При потере этого равенства, превышающей гистерезис (зону нечувствительности) системы регулирования в результате утечек в силовых цепях аккумулирующих конденсаторов или отбора их энергии на искрообразование, а также при изменении программно заданного БПУ значения масштабного эквивалента высокого напряжения (МЭВН) искровых разрядов в сторону его увеличения, процесс восстановления взаимного соответствия этих эквивалентов повторяется. Физическая сущность силовой части поддержания этого соответствия заключается в том, что выпрямленное выходное напряжение ППН (неизменное по величине для каждой конкретной конструкции зажигания) по уровню превышает верхний предел диапазона программного регулирования напряжения зарядов аккумулирующих конденсаторов 17/1, 17/2, и при нарушении равенства масштабных эквивалентов происходит включение ППН с восполнением количества электричества зарядов конденсаторов с поднятием напряжения их заряда до программно заданной величины по методу импульсной ключевой стабилизации (но без уравнивания с выходным напряжением ППН). Быстродействие этого процесса зависит от мощности ППН и величины превышения его выходного напряжения над заданным по программе напряжением (МЭВН) заряда аккумулирующих конденсаторов, а погрешность поддержания равенства заданного и фактического уровней напряжения этих зарядов во всем диапазоне оборотов ДВС - от разрешающей способности регулирующего органа, выдающего управляющий сигнал И1 (в данном варианте реализации «Способа» - компаратора К554СА3, фигура 7, подробнее далее). Транзисторные ключи 19/1, 19/2 служат для восполнения энергии заряда разрядных конденсаторов 20/1, 20/2 из аккумулирующих 17/1, 17/2 в процессе искрообразования. Они управляются импульсными сигналами вторичных обмоток трансформаторов тока 21/1, 21/2 (фигура 5). Тиристорные ключи 22/1, 22/2 (с диодами 23/1, 23/2) обеспечивают колебательный процесс первичного тока в контурах, состоящих из разрядных конденсаторов 20/1, 20/2 и первичных обмоток катушек зажигания 2/1, 2/2. Они открываются импульсными сигналами, формируемыми на транзисторах 24/1, 24/2, индуктивностях 25/1, 25/2, конденсаторах 26/1, 26/2 (по задним фронтам сигналов У1, У2 системы УОЗ) в начале искрового разряда, а затем при его продолжении повторно включаются сигналами вторичных обмоток трансформаторов тока 27/1, 27/2 (фигура 5). Аналоговая система регулирования длительности искровых разрядов (программа-автомат) состоит из транзистора 28, переменных резисторов 29, 30, конденсатора 31, компаратора 32 и выходных транзисторов 33/1, 33/2.

Процесс генерации искровых разрядов в «Способе» подобен принципу одноканального искрообразования МКС. При подаче питающего напряжения (без пуска ДВС) аккумулирующие конденсаторы 17/1 и 17/2 заряжаются до уровня дежурного (предпускового), а при пуске и работе ДВС - до рабочего, программно заданного напряжения, обеспечиваемого включением ППН по управляющему сигналу И1 из БПУ (фигура 7, подробнее далее). При этом разрядные конденсаторы 20/1 и 20/2 в дежурном режиме заряжаются (с постоянной времени около 0,1 секунды) от аккумулирующих 17/1, 17/2 через резисторы, постоянно шунтирующие коллекторные и эмиттерные выводы транзисторных ключей (далее СТК) 19/1 и 19/2, а в процессе искрообразования - включением этих ключей. В этом процессе на управляющие электроды тиристорных ключей (далее ТКС) 22/1 и 22/2 поочередно подаются импульсные сигналы, сформированные из импульсно-потенциальных У1 и У2, приходящих из внешней (в данном варианте бесконтактной системы регулирования углов опережения зажигания УОЗ, фигура 3), инициирующие начало генерации каждого искрового разряда, то есть первого периода первичного тока катушки зажигания, а далее включение тиристорных ТКС и транзисторных СТК ключей и формирование остальных периодов этого тока регулируется самим колебательным процессом, также при этом обеспечивающим восполнение энергии этих колебаний в разрядных конденсаторах 20/1 и 20/2 из аккумулирующих 17/1 и 17/2. Так, например, в первом канале искрообразования при поступлении сигнала У1 высокого логического уровня системы УОЗ открывается транзистор 24/1, создающий цепь протекания тока через индуктивность 25/1 от источника стабилизированного напряжения +5 вольт. При смене уровня сигнала У1 с высокого на низкий, означающего момент начала искрового разряда, закрывается транзистор 24/1. В результате этого ЭДС самоиндукции индуктивности 25/1, суммированная с напряжением +5 вольт источника питания 7, поступает в виде короткого импульса через конденсатор 26/1 на управляющий электрод тиристорного ключа ТКС 22/1, в результате открытия которого в колебательном контуре, образованном емкостью разрядного конденсатора 20/1 и индуктивностью первичной обмотки катушки зажигания 2/1, возникают гармонические колебания первичного тока этой катушки по цепи: разрядный конденсатор 20/1, анод ТКС 22/1, корпус, первичная обмотка катушки зажигания 2/1, первичные обмотки трансформаторов тока 27/1, 21/1 и разрядный конденсатор 20/1 (с встречно-параллельным шунтированием ТКС 22/1 диодом 23/1 при перезаряде в этом колебательном процессе конденсатора 20/1 с исходной полярностью). Напряжение этих колебаний трансформируется вторичной обмоткой катушки зажигания в высокое напряжение искрового разряда. Также как и у МКС, в эту цепь первичного тока включены трансформаторы ПТТ 27/1 и ПТТ 21/1, выдающие на своих вторичных обмотках импульсные сигналы, образованные дифференцированием каждого полупериода этого первичного тока (фигура 5). При этом импульсы ПТТ 21/1 отрицательной полярности, соответствующие в реальном времени перезаряду разрядного конденсатора 20/1 в полярности, обратной исходной (т.е. с отрицательным потенциалом на аноде тиристорного ключа ТКС 22/1) и совпадающие с переходом первичного тока через его нулевое значение (моменты t1, t3, t5 и другие; фигура 5), не используются, а импульсы, соответствующие перезаряду этого конденсатора в исходной полярности (моменты t2, t4. t6 и другие), соответствующие окончанию первого и следующих за ним других периодов первичного тока и также совпадающие с нулевым его значением, прикладываются к базово-эмиттерному р-n-переходу транзисторного ключа СТК 19/1, который открывается на короткое время действия каждого импульса, создавая цепь повышения напряжения заряда разрядного конденсатора 20/1 до уровня напряжения аккумулирующего 17/1. В результате этого открытия восполняется количество энергии, затраченной разрядным конденсатором на генерацию первого периода тока искрового разряда (и аналогично всех последующих его периодов). При этом импульсы отрицательной полярности (t1, t3, t5 и другие, фигура 5) трансформатора тока 27/1 также не используются, а его импульсы положительной полярности (t2, t4, t6 и другие), соответствующие в колебательном процессе окончанию перезаряда разрядного конденсатора 20/1 с исходной полярностью напряжения и совпадающие с окончанием первого и всех последующих периодов первичного тока, подаются на управляющий электрод тиристорного ключа ТКС 22/1, открытие которого инициирует генерацию очередного периода первичного тока и дальнейшее продолжение искрового разряда до момента его ограничения в результате открытия аналоговой схемой контроля его длительности (см. далее) транзистора 33/1, замыкающего на корпус цепь повторного включения колебательным процессом (четными импульсами ПТТ27/1) тиристорного ключа ТКС 22/1, этим замыканием предотвращая возможность его повторного открытия и генерацию очередного, лишнего по программе, периода первичного тока (с аналогичным воздействием на такую же цепь не работающего в это время второго канала открытием транзистора 33/2). В результате колебательный процесс в работающем канале заканчивается перезарядом разрядного конденсатора 20/1 в исходной полярности с восполнением его энергии, затраченной на генерацию последнего периода тока искрового разряда, путем включения транзисторного ключа СТК 19/1 последним (четным) импульсом трансформатора тока 21/1, полученного дифференцированием последнего периода первичного тока катушки зажигания. При этом работа аналоговой схемы контроля длительности искровых разрядов идентична такой же схеме прототипа - при поступлении сигнала У1 высокого уровня открывается транзистор первого канала 24/1 и закрывается транзистор 28. В результате начинается заряд конденсатора 31 из источника +5 вольт через резистор переменного сопротивления 29. Время этого заряда равно длительности сигнала У1, обратно пропорциональной числу оборотов ДВС, а величина напряжения заряда корректируется резистором 29. Это напряжение поступает на вход компаратора 32, в котором сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на его инверсный вход с потенциометрического делителя напряжения 30. При смене уровня сигнала У1 с высокого на низкий (соответствующий моменту начала искрового разряда) закрывается транзистор 24/1 и образуется цепь разряда конденсатора 31 через открывшийся транзистор 28. В результате, при снижении напряжения заряда до уровня опорного напряжения компаратора 32 (по времени равного длительности текущего искрового разряда) на его выходе появляется напряжение, открывающее транзисторы 33/1 и 33/2, замыкающие на корпус цепи повторного включения тиристорных ключей 22/1 и 22/2 обоих каналов. Длительность искровых разрядов в начале и конце диапазона оборотов устанавливается резисторами 29 и 30.

Второй канал искрообразования работает аналогично при появлении управляющего сигнала У2 из системы УОЗ (фигура 3), инициирующего генерацию очередного рабочего (идентичного) искрового разряда в следующем цилиндре ДВС по порядку включения их в работу. При этом параллельно функционирует блок программного управления, обеспечивающий заданный уровень высокого напряжения этих разрядов.

БЛОК ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ БПУ (фигура 6)

БПУ-контроллер используется для программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов. Он состоит из портов ввода 6 входной информации датчиков задействованных в регулировании режимов работы ЛВС и сигнала обратной связи В1 из блока зажигания и порта вывода 34 управляющего сигнала И1; устройства ввода-вывода УВВ 35, процессора 36 и постоянного запоминающего устройства ПЗУ 37 (с общей структурной схемой, подобной изображенной на рисунке 9.5, стр.81, Л3 для МП систем УОЗ).

В портах ввода 6 происходит преобразование информации датчиков режимов работы ДВС в электрические величины, приемлемые для работы контроллера с формированием крутизны их фронтов и логических уровней.

Входные сигналы портов ввода 6 представляют информацию:

В1 - о текущей величине масштабного эквивалента напряжения заряда аккумулирующих конденсаторов 17/1 и 17/2;

Д1 - об исходной точке начала отсчета НО, выдаваемой датчиком оборотов и соответствующей в реальном времени положению верхней мертвой точки такта сжатия первого цилиндра четырехцилиндрового ЛВС;

Д2 - о текущем значении числа оборотов ДВС;

Д3 - о величине текущей переменной степени рабочего сжатия ТВС (для ДВС в таком конструктивном исполнении), получаемой из МП системы впрыска топлива;

Д4 - о величине нагрузки ДВС, определяемой по разрежению во впускном коллекторе;

Д5 - о пороговом значении температуры охлаждающей жидкости ДВС (с уровнем срабатывания датчика 65 градусов Цельсия).

УВВ формирует из импульса исходной точки начала отсчета НО опережающий на половину периода оборота коленчатого вала ДВС нормализованный сигнал НО1 (по аналогии с УВВ КМ1823 ВВ1 системы УОЗ), необходимый для согласованного функционирования процессора с работой ДВС; по команде процессора осуществляет преобразование электрических величин датчиков задействованных в регулировании режимов работы ДВС в цифровые коды, по которым устанавливает во внешнем ПЗУ адреса константы программирования масштабного эквивалента высокого напряжения предстоящего искрового разряда, обеспечивает временное хранение и цифроаналоговое преобразование его величины, по которой вырабатывает управляющий сигналы И1 для исполнения блоком зажигания программно заданного уровня высокого напряжения и осуществляет контроль его исполнения по сигналу обратной связи В1. Формирование управляющего сигнала И1 в данном варианте реализации «Способа» обеспечивается следящей системой на компараторе 38 и цифроаналоговом преобразователе 40 (фигура 7).

Процессор осуществляет по сигналу НО1 адресный выбор в ПЗУ рабочей программы и запуск по команде «Старт АЦП» цикла выбора в ней константы программирования масштабного эквивалента высокого напряжения предстоящего искрового разряда, при определении которой используется информация входных сигналов датчиков задействованных в этом регулировании режимов работы ДВС, преобразуемая в УВВ в цифровой код и выбранная процессором рабочая программа ПЗУ, в которую внесена в виде констант программирования зависимость определяемого параметра МЭВН от нормализованных (оцифрованных) текущих значений задействованных в регулировании режимов работы ДВС.

ПЗУ контроллера служит для хранения программ с константами программирования уровней МЭВН, записанными в форме жесткого алгоритма их матричной трехмерной характеристики индивидуальной функциональной зависимости от текущего значения задействованных в регулировании режимов работы ДВС, подобной по принципу построения изображенной на диаграмме рисунка 9.6 страницы 82 источника Л3 для МП системы угла опережения зажигания. Информация в эти программы внесена в двух вариантах - для «холодного» (с температурой охлаждающей жидкости до 65 градусов Цельсия) и прогретого ДВС. Выбор рабочего варианта программ происходит по сигналу датчика пороговой температуры Д5, поступающему на младший разряд адреса А11 постоянного запоминающего устройства.

На диаграмме фигуры 1 представлен вариант построения матричной трехмерной характеристики масштабных эквивалентов высокого напряжения искровых разрядов в функции числа оборотов и нагрузки ДВС, а на диаграмме фигуры 2 - такой же характеристики функциональной зависимости от числа оборотов и переменной степени рабочего сжатия ТВС для двух частных случаев реализации «Способа». Искомое значение константы программирования МЭВН предстоящего искрового разряда определяется процессором в диаграмме фигуры 1 на пересечении столбцов и строк, представленных соответственно младшими (от А0 до А4) и старшими (от А5 до А9) разрядами адресов ПЗУ, формируемыми в УВВ по оцифрованным текущим значениям числа оборотов и нагрузки ДВС (фигура 6). Аналогично определяется константа программирования по оцифрованным значениям числа оборотов и переменной степени рабочего сжатия (фигура 2). Режим работы с переменной степенью рабочего сжатия ТВС в случае широкого применения в конструкциях ДВС является для «Способа» доминирующим при определении параметров высокого напряжения искровых разрядов, а его датчик Д3 (фигура 6) показан условно с перспективой возможного приоритетного использования в будущем. Также условно показаны матричные диаграммы, для построения которых необходим теоретический расчет констант программирования параметров искрообразования для конкретного типа ДВС с последующей практической их проверкой в ходе стендовых испытаний с использованием всех предусмотренных (задействованных) в программе режимов его работы.

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ «СПОСОБА»

При подаче питающего напряжения включается в работу блок зажигания и БПУ, формирующие дежурный уровень напряжения заряда аккумулирующих конденсаторов 17/1, 17/2. В этом предпусковом (дежурном, без пуска ДВС) режиме на вход опорного напряжения «Б» компаратора 38 УВВ (К554СА3; фигура 7) подается ограниченный стабилитроном 39 потенциал, эквивалентный (с учетом масштабного коэффициента делителя напряжения 18) дежурному (предварительному) напряжению заряда аккумулирующих конденсаторов. На вход «А» компаратора при этом постоянно подается из блока зажигания потенциал масштабного эквивалента напряжения заряда аккумулирующих конденсаторов В1 (фигура 4). При напряжении на входе «Б» компаратора, превышающем его на входе «А», на его выходе «Г» формируется сигнал высокого логического уровня И1, который поступает с усилением по мощности из порта вывода 34 контроллера в блок зажигания, обеспечивая включение ППН и предварительный заряд (с постоянной времени не более 0,1 секунды) аккумулирующих 17/1, 17/2 и разрядных 20/1, 20/2 конденсаторов в режиме предпускового дежурного ожидания с напряжением заряда, равным минимальному в диапазоне его программного регулирования. Заданный стабилитроном уровень этого напряжения заряда контролируется по равенству напряжений на входах «А» и «Б» компаратора, при достижении которого логический уровень управляющего сигнала И1 меняется с высокого на низкий с отключением возбуждения ППН. При работающем ДВС на вход «Б» компаратора подается преобразованное в аналоговое в цифроаналоговом преобразователе 40 (фигура 7), заданное по программе в двоичном коде напряжение МЭВН, превышающее по уровню дежурный потенциал, с аналогичным процессом поддержания фактического напряжения заряда аккумулирующих конденсаторов программно заданному. Выбор каналов искрообразования, синхронизированный с работой ДВС, обеспечивает внешняя система УОЗ 5 (фигура 4) по ее сигналам У1, У2. При вращении коленчатого вала во время пуска и последующей работы ДВС с появлением каждого сигнала начала отсчета НО1 (формируемого в УВВ из сигнала НО; фигура 6) процессор 37 выбирает по адресу А12 в ПЗУ рабочую программу констант функциональной зависимости уровней МЭВН искровых разрядов от задействованных в их регулировании режимов работы ДВС и формирует команду «Старт АЦП», по которой в УВВ 35 начинается преобразование информации датчиков числа оборотов Д2 и нагрузки Д4 в цифровые коды (для данного частного случая регулирования, фигура 1). На основе полученных кодов УВВ устанавливает в сети адреса ПЗУ в разрядах от А0 до А4 и от А5 до А9 с доступом к необходимой информации в этой программе и выдает сигнал «Конец преобразования», по которому процессор выбирает в ней выраженную в двоичном коде константу программирования уровня МЭВН предстоящего искрового разряда. После цифроаналогового преобразования в УВВ (ЦАП 40, фигура 7) аналоговая величина этой константы подается на вход опорного напряжения «Б» компаратора, в котором сравнивается с текущим значением масштабного эквивалента В1 напряжения заряда аккумулирующих конденсаторов, непрерывно поступающего в аналоговой форме на его вход «А». По результату сравнения этих напряжений компаратор выдает на своем выходе «Г» сигнал управления И1 в блок зажигания, обеспечивающий равенство их аналоговых величин (и соответствие высокого напряжения предстоящего искрового разряда заданному по программе). В случае понижения заданного по программе уровня высокого напряжения в сравнении с предшествующим сигнал управления И1 появится, когда в течение начавшегося искрового разряда величины масштабного эквивалента заряда конденсаторов и МЭВН уравняются. При этом программное задание уровня высокого напряжения на входе компаратора 38 сохраняется неизменным до прихода следующего сигнала НО1, при поступлении которого повторяется цикл определения заданного по программе уровня высокого напряжения очередного искрового разряда с последующей реализацией его параметров в четырех цилиндрах блоком зажигания, обеспечивающим непрерывность процесса новообразования с жестким соблюдением очередности работы каналов этого блока.

В этом процессе программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов возможно использование и иных вариантов сочетания задействованных в регулировании режимов работы ДВС, нежели приведенные выше, а также применение более простых алгоритмов с зависимостью высокого напряжения от одного из режимов работы ДВС: числа оборотов, нагрузки, температуры охлаждающей жидкости или переменной степени рабочего сжатия ТВС. При этом важное практическое значение приобретает возможность предварительной проверки и коррекции констант программирования в разработанных программах в процессе проведения их стендовых испытаний с использованием всех предусмотренных в этих программах режимов работы ДВС. Подобная предварительная проверка позволяет обнаружить и устранить недостатки программирования и практически исключить пропуски воспламенения ТВС по вине искрообразования и этим существенно облегчить работу экологических систем автомобиля, а также с максимальной эффективностью использовать моторные топлива с высокой степенью допустимого рабочего сжатия их ТВС.

Технический результат способа программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов конденсаторного зажигания позволяет:

1) формировать искровые разряды с программным заданием уровней высокого напряжения каждого из них с учетом их индивидуальной функциональной зависимости от интенсивности режимов работы ДВС, задействованных в этом регулировании;

2) обеспечить получение любых необходимых параметров высокого напряжения искровых разрядов, не зависящих от частоты их следования и длительности;

3) обеспечить дозированное, оптимально соответствующее реальной потребности (косвенно регулируемое по величине комбинацией уровней высокого напряжения и длительности) использование энергии искровых разрядов, исключающее излишнюю перегрузку высоковольтного тракта и блока зажигания;

4) обеспечить устранение недостатков программирования при проведении стендовых испытаний программ с использованием всех предусмотренных режимов работы ДВС, позволяющих практически исключить пропуски воспламенения ТВС по вине искрообразования;

5) обеспечить зависимость надежной реализации программируемых параметров искрообразования только от мощности и быстродействия бортового ППН блока зажигания (достаточно простой инженерной задачи).

Способ программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов конденсаторного зажигания недоступен для всех известных в уровне техники систем подобного рода. Поэтому реализация «Способа», раскрывающая потенциальные возможности конденсаторных систем зажигания, достаточно убедительно расширяет арсенал технических средств этого назначения, а его сочетание с аналогичным способом программного регулирования длительности искровых разрядов конденсаторного зажигания (заявка на изобретение peг. №2014111903 от 27 марта 2014 г.) позволяет обеспечить решение любых насущных и прогнозируемых задач искрообразования, связанных с модернизацией ДВС.

Для практической реализации конструкции зажигания по электрической схеме «Способа» пригодны радиодетали широкого применения. При выборе транзисторных ключей СТК (219/1 и 19/2) следует учитывать периодическое увеличение их коллекторного потенциала до суммарной величины напряжений зарядов аккумулирующих (17/1, 17/2) и разрядных (20/1, 20/2) конденсаторов в моменты перезаряда последних в полярности, противоположной исходной (с отрицательным потенциалом на анодах тиристорных ключей ТКС 22/1 и 22/2). Также разрядные конденсаторы следует применять с малым значением тангенса угла диэлектрических потерь. Для комплектации блока могут быть использованы датчики МП системы угла опережения зажигания: датчик температуры 19.3828; датчик синхронизации 141.3847; датчик разряжения тензометрический; двухвыводные катушки зажигания типа 29.3705. При совместном использовании «Способа» с комплексными системами управления автомобильным двигателем (ЭСАУ-ВАЗ МИКАС и др.), а также с МП системами регулирования угла опережения зажигания (МС2713 «Электроника» и др.) отпадает необходимость в этой комплектации, ибо вся необходимая информация о текущих режимах работы ДВС может быть позаимствована у этих систем. Для построения контроллера достаточен набор МП комплекта КР588 с использованием ПЗУ повышенной емкости 537РУ8А (или 27.128). Для формирования его выходного управляющего сигнала возможно использование компаратора К554СА3А и цифроаналогового преобразователя КР572ПА2. При определенной доработке контроллер «Способа» может быть встроен в МП систему УОЗ. Например, в УВВ КМ1823ВВ1 этой системы обрабатывается входная информация датчиков числа оборотов и нагрузки ДВС, достаточная для реализации рассмотренного выше варианта реализации «Способа».

Перечень чертежей

Фигура 1 - вариант матричной диаграммы трехмерной характеристики констант программирования (МЭВН) высокого напряжения искровых разрядов в функциональной зависимости от числа оборотов и нагрузки ДВС.

Фигура 2 - вариант матричной диаграммы трехмерной характеристики констант программирования (МЭВН) высокого напряжения искровых разрядов в функциональной зависимости от числа оборотов ДВС и переменной степени рабочего сжатия ТВС.

Фигура 3 - блок-схема реализации «Способа».

Фигура 4 - принципиальная электрическая схема блока зажигания.

Фигура 5 - форма электрических сигналов вторичных обмоток трансформаторов тока ПТТ21 и ПТТ27.

Фигура 6 - блок-схема контроллера (блока программного управления БПУ).

Фигура 7 - блок-схема формирования и вывода управляющего сигнала И1 регулирования высокого напряжения искровых разрядов.

1. Способ программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов конденсаторного зажигания, состоящий из того, что выходным напряжением ППН заряжают аккумулирующие и разрядные конденсаторы каналов искрообразования, сигналом внешней системы угла опережения зажигания открывают тиристорный ключ работающего канала, через который разряжают разрядный конденсатор на первичную обмотку катушки зажигания, в результате чего возбуждают в контуре, образованном этим разрядным конденсатором и первичной обмоткой катушки зажигания, гармонические колебания напряжения первичного тока этой катушки, трансформируемого ее вторичной обмоткой в высокое напряжение искрового разряда, для поддержания высокого напряжения и длительности которого восполняют энергию и напряжение заряда разрядного конденсатора из аккумулирующего в конце каждого периода первичного тока включением транзисторного ключа в моменты времени, совпадающие с перезарядом разрядного конденсатора в исходной полярности его зарядного напряжения, и также в эти моменты производят повторное включение тиристорного ключа, ограничивают длительность искрового разряда блокированием этого повторного включения, отличающийся тем, что регулируют высокое напряжение искровых разрядов, для чего применяют контроллер, в ПЗУ которого используют программу констант программирования функциональной зависимости этого высокого напряжения, выраженного его масштабными эквивалентами, от текущих значений задействованных в его регулировании режимов работы ДВС, согласованно с работой которого в реальном времени по технической информации датчиков режимов работы устанавливают эти текущие значения, по которым в УВВ определяют в используемой программе ПЗУ адреса константы программирования высокого напряжения предстоящего искрового разряда, по которым извлекают эту константу, и на ее основе выдают на выходе контроллера управляющий сигнал, обеспечивающий равенство текущего значения параметра высокого напряжения его заданной по программе величине, поочередно реализуемой в каждом цилиндре ДВС по управляющим сигналам внешней системы регулирования углов опережения зажигания.

2. Способ по п. 1 программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов, отличающийся тем, что используют в ПЗУ контроллера программу функциональной зависимости высокого напряжения искровых разрядов от числа оборотов и нагрузки ДВС.

3. Способ по п. 1 программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов, отличающийся тем, что используют в ПЗУ контроллера программу функциональной зависимости длительности искровых разрядов от числа оборотов и переменной степени рабочего сжатия топливно-воздушной смеси.

4. Способ по п. 1 программного регулирования высокого напряжения искровых разрядов, отличающийся тем, что загружают в ПЗУ контроллера программу функциональной зависимости длительности искровых разрядов по п. 2 или 3 в двух вариантах - для пороговой температуры охлаждающей жидкости ДВС до 65 градусов Цельсия и выше.