Датчики углового положения коленчатого вала двигателя

Для работы любой системы зажигания необходима информация о положении коленчатого вала двигателя. При этом датчик углового положения коленвала должен выдерживать достаточно суровые условия работы в отсеке двигателя, обладать высокой надежностью, должен функционировать при очень низкой частоте вращения и иметь низкую стоимость. Известен ряд бесконтактных датчиков, в основу работы которых положены различные физические явления: магнитоэлектрические, индуктивные и взаимноиндуктивные, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлектронные, токовихревые, на эффекте Виганда, фотоэлектрические, пьезодатчики, датчики на магнисторах и др.

Взаимоидуктивные датчики вырабатывают сигнал управления при изменении магнитной связи между обмотками или их индуктивности.

Датчики на магнисторах изменяют напряжение на выводах обмотки, намотанной на отрезок специально обработанной магнитной проволоки. При перемагничивании этого отрезка проволоки за счет коммутации магнитного потока от неподвижных магнитов или от вращающихся магнитов в обмотке возникают кратковременные импульсы напряжения.

В фотодатчиках используются фотоэлементы, преобразующие энергию световых импульсов в электрическую энергию, а также фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы, сопротивление которых изменяется с изменением силы падающего на них света. Для изменения силы света между источником света и фотодатчиком устанавливается непрозрачная цилиндрическая шторка или диск с прорезями. Число прорезей должно быть равно числу цилиндров двигателя. Привод шторки или диска осуществляется от коленчатого вала двигателя.

В пьезодатчиках управляющим сигналом является импульс ЭДС, возникающий в некоторых кристаллах при механическом воздействии на них.

Исходя из стоимости производства, требований к точности момента искрообразования, помехозащищенности, стойкости к внешним воздействиям магнитоэлектрический датчик и датчик на эффекте Холла получили наибольшее распространение в бесконтактных системах зажигания на автомобилях отечественного производства.

Магнитоэлектрические датчики

Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим потоком. Принцип действия такого датчика заключается в изменении магнитного сопротивления магнитной цепи, содержащей магнит и обмотку, при изменении зазора с помощью распределителя потока (коммутатора). На рис. 8 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа.

Рис. 8.Принципиальная схема коммутаторного датчика:

1 - магнитная цепь (статор); 2 - магнит; 3 - обмотка,

4 - распределитель потока (коммутатор)

При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соответствии с законом индукции возникает переменное напряжение. Когда один из зубцов ротора 4 приближается к полюсу статора 1, в обмотке 3 нарастает напряжение. При совпадении фронта зубца ротора с полюсом статора (со средней линией обмотки) напряжение на обмотке достигает максимума, затем быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума (рис. 9) при удалении зубца.

Рис. 9. Магнитный поток Ф и напряжение обмотки Uвых в

зависимости от угла поворота a распределителя потока (коммутатора)

Нетрудно заметить, что выходное напряжение Uвых генераторного датчика коммутаторного типа с пульсирующим потоком очень быстро изменяется от положительного максимума до отрицательного, поэтому точка перехода через ноль между двумя максимумами может быть использован для управления системой зажигания с таким датчиком при получении точного момента искрообразования.

Распределитель потока, или зубчатый ротор, устанавливается на распределительный валик распределителя зажигания и изготавливается из мягкой стали. Число зубцов зависит от числа цилиндров двигателя. Необходимое магнитное поле создает постоянный магнит.

Датчик на эффекте Холла

Благодаря развитию микроэлектроники широкое распространение получили датчики углового положения на эффекте Холла.

Эффект Холла возникает в полупроводниковой пластине, внесенной в магнитное поле, при пропускании через нее электрического тока (рис. 8). Если поместить элемент толщиной h в магнитном поле таким образом, чтобы направление индукции В магнитного поля было перпендикулярно плоскости пластины, и пропустить ток I через пластину, то между противоположными гранями пластины возникает ЭДС Холла.

Рис. 8. Принцип действия полупроводникового элемента Холла

Для изготовления элементов Холла используются германий, кремний, арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb).

Электродвижущая сила самоиндукции Холла очень мала и поэтому должна быть усилена вблизи кристалла для того, чтобы устранить влияние радиоэлектрических помех. Поэтому конструктивно и технологически элемент Холла и преобразовательная схема выполняются в виде интегральной микросхемы, которая называется магнитоуправляемой интегральной схемой.

Путем изменения магнитного поля от 0 до Вmax с помощью магнитного экрана на выходе магнитоуправляемой интегральной схемы можно получить дискретный сигнал высокого или низкого уровня. Объединив магнитоуправляемую схему с магнитной системой в жестко сконструированный пластмассовый корпус, получают микропереключатель на эффекте Холла, который устанавливается в традиционный распределитель, например, на поворотный механизм вакуумного автомата.

Магнитоуправляемая интегральная схема на эффекте Холла является, как и все электронные компоненты, чувствительной к воздействиям внешних условий. Устанавливаемая в распределитель зажигания схема должна выдерживать жесткие требования для изделий автомобильного применения, устанавливаемых в моторном отсеке на двигателе.

Электронное зажигание с магнитоэлектрическим датчиком

Рис. 9. Упрощенная схема БТСЗ с МЭД

При замкнутых контактах выключателя S1 зажигания и неподвижном роторе датчика G ток в управляющей цепи база–эмиттер транзистора VT1 отсутствует. Транзистор VT1 находится в состоянии отсечки. Высокое напряжение на коллекторе транзистора VT1 способствует переводу в состояние насыщения транзистора VT2, а затем и выходного коммутирующего транзистора VT3. Через открытый эмиттер–коллекторный переход транзистора VT3 в первичную обмотку L1 катушки зажигания Т поступает ток и в ее магнитном поле начинается процесс накопления энергии.

При вращении ротора МЭД положительная полуволна генерируемого датчиком напряжения переводит транзистор VT1 в состояние насыщения. Переход база–эмиттер транзистора VT2 шунтируется эмиттер–коллекторным переходом транзистора VT1, поэтому транзисторы VT2 и VT1 лавинообразно закрываются. Сила тока в первичной обмотке L1 катушки зажигания Т резко уменьшается, а во вторичной обмотке L2 возникает высоковольтный импульс вторичного напряжения, который распределителем S2 подается к соответствующей свече FV зажигания.

Электронное зажигание с датчиком Холла

В БТСЗ с МЭД и в классических системах зажигания с контактным управлением моментом зажигания при уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличиваются время замкнутого состояния первичной цепи катушки зажигания и тепловые потери в ней. Энергия, накапливаемая в магнитном поле катушки зажигания, возрастает в меньшей степени. Поэтому для более рационального использования энергии, потребляемой от источника электроснабжения, и снижения тепловой нагрузки на элементы системы зажигания время t_Н накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания необходимо регулировать.

Принцип регулирования времени t_Н накопления энергии в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя и напряжения бортовой сети электрооборудования реализован в БТСЗ автомобиля ВАЗ‑ 2108, в состав которой входят электронный коммутатор 36.3734, датчик–распределитель 40.3706 и катушка зажигания 27.3705.

В качестве синхронизатора момента зажигания в БТСЗ с регулируемым временем накопления энергии используется датчик Холла, установленный в датчике–распределителе с центробежным и вакуумным регуляторами опережения зажигания обычной конструкции.

Цифровые системы зажигания

Бесконтактные системы зажигания с механическими центробежным и вакуумным регуляторами угла опережения зажигания (УОЗ) не позволяют воспроизводить сложные характеристики управления по частоте вращения коленчатого вала и нагрузке двигателя с учетом его теплового состояния и различных дестабилизирующих факторов. Кроме того, угловые погрешности привода датчика–распределителя в период эксплуатации автомобиля приводят к повышенному асинхронизму искрообразования. Такие недостатки отсутствуют у бесконтактных систем зажигания, в которых автоматическое регулирование УОЗ осуществляется средствами электроники.

Таким образом, наиболее полно отвечают всем требованиям, предъявляемым к современным системам зажигания, системы с электронным регулированием угла опережения зажигания. Среди способов реализации этих систем можно выделить два основных: аналоговый и цифровой.

Аналоговый способ относится к электронным системам зажигания более раннего поколения, когда элементная база, используемая для их построения, имела малую степень интеграции (системы зажигания II поколения). В аналоговых системах зажигания для преобразования информации от датчиков в соответствии с заданным законом управления моментом искрообразования используются типовые функциональные устройства, широко применяемые в аналоговых вычислительных машинах. Закон регулирования УОЗ определяется свойствами полупроводниковых приборов (диодов, стабилитронов и т.д.). К достоинствам аналоговых систем зажигания с электронным регулированием момента искрообразования относятся простота построения, сравнительно невысокая стоимость и возможность зажигания даже обедненных топливо–воздушных смесей за счет более точного регулирования УОЗ. Однако возможности аналоговых систем зажигания по реализации сложных характеристик управления моментом искрообразования ограничены. Они не могут надежно работать в напряженных температурных условиях подкапотного пространства автомобиля без применения цепей термокомпенсации и, кроме того, требуют подстройки и регулирования в процессе эксплуатации.

Цифровые системы зажигания (системы зажигания III поколения) являются более совершёнными. Они позволяют с большей точностью воспроизводить характеристики управления УОЗ любой сложности при высокой температурной устойчивости и надежности. В основу их работы положены принципы, широко применяемые в вычислительной технике. В цифровых системах зажигания информация от датчиков параметров рабочего процесса двигателя, используемая при выработке сигнала управления УОЗ, преобразуется в серии дискретных электрических импульсов, синхронно связанных с вращательным движением коленчатого вала. Амплитуда импульсов постоянна, а их число пропорционально значению измеряемого параметра. Начальные числа, характеризующие отдельные параметры рабочего процесса двигателя, с помощью импульсных устройств и логических элементов преобразуются в кодовые комбинации, определяющие закон управления моментом искрообразования.

Цифровые системы зажигания представляют собой небольшие, различные по сложности вычислители, порядок работы которых задается специальным алгоритмом. Блок–схема цифровой системы зажигания представлена на рис. 10.

Рис. 10. Блок–схема цифровой системы зажигания со статическим распределением энергии по цилиндрам: 1 - датчик положения коленчатого вала двигателя;

2 - датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя; 3 - датчик нагрузки;

4 - датчик температуры; 5 - интерфейс; 6 - вычислитель:

7 - двухканальный коммутатор; 8, 9 - двухвыводные катушки зажигания

Во время работы двигателя датчики 1 - 4 передают информацию о частоте вращения и нагрузке двигателя, о положении коленчатого вала, о температуре двигателя и температуре окружающей среды. На основании этой информации, обработанной в интерфейсе 5, вычислительное устройство 6 определяет оптимальный для данного режима угол опережения зажигания. В рамках цифровой системы зажигания возможно применение как традиционного механического распределителя, в функции которого остается лишь высоковольтное распределение энергии по цилиндрам двигателя, так и метода статического распределения энергии. В этом случае для четырехцилиндрового двигателя, например, применяется двухканальный коммутатор 7, два выходных транзистора которого попеременно коммутируют ток в первичных обмотках двухвыводных или одной четырехвыводной катушке зажигания. Приэтом блок управления формирует два сигнала, управляющих работой коммутатора.

Цифровые системы зажигания подразделяют на системы с аппаратным принципом регулирования УОЗ с блоком памяти и без него, и на системы с программной обработкой поступающей от датчиков информации на базе микропроцессоров и микроЭВМ.

И все же цифровые системы зажигания явились переходным этапом. Последним достижением в этой области стали микропроцессорные системы (системы IV поколения). Они практически не отличаются от управляющих ЭВМ, широко применяемых в настоящее время во многих областях науки и техники. Микропроцессорные системы управления автомобильным двигателем лишь чисто условно можно отнести к системам зажигания, так как функция непосредственного зажигания является в них частью решения вопроса об оптимизации характеристик двигателя, однако именно в комплексных системах управления двигателем и заключен прогресс системы зажигания.

Функцию регулирования УОЗ в цифровых и микропроцессорных системах зажигания выполняет электронный блок управления (БУ) — контроллер на базе цифровых интегральных схем. Коммутацию тока в первичной обмотке катушки зажигания осуществляет другой электронный блок — коммутатор.