Стабилизированный блок электронного зажигания.
Достоинства электронного зажигания в ДВС хорошо известны. Вместе с тем распространенны в настоящее время системы электронного зажигания пока не достаточно полно отвечают комплексу конструктивных и эксплуатационных требований. Системы с импульсным накоплением энергии [1,2]сложны и не всегда надежны и практически недоступны для изготовления большинству автомобилей. Простые системы с непрерывным накоплением энергии не обеспечивают стабилизации запасаемой энергии [3],а когда стабилизация достигнута – они почти так же сложны, как и импульсные [3,4].
Не удивительно поэтому, что опубликована в журнале “Радио” статья Ю. Сверчкова [5] вызвала большой интерес читателей. Хорошо продуманный, предельно простой стабилизированный блок зажигания может, без всякого преувеличения, служить хорошим примером оптимального решения в конструировании подобных устройств.
Результатом эксплуатации блока по схеме Ю. Сверчкова показали, что при общем достаточно высоком качестве его работы и высокой надежности ему присущи и существенные недостатки. Главным из них – это малая длительность искры ( не более 280мск ) и соответственно малая ее энергия ( не более 5 мДж ).
Этот недостаток, присущий всем конденсаторным системам зажигания с одним периодом колебания в катушке, приводит к неустойчивой работе холодного двигателя ,неполному сгоранию обогащенной смеси во время прогрева, затрудненному пуску горячего двигателя. Кроме этого, стабильность напряжения на первичной обмотке катушки зажигания в блоке Ю. Сверчкова несколько ниже , чем в лучших импульсных системах. При изменении напряжения питания от 6 до 15 В первичное напряжение изменяется от 330 до 390 В (±8%), тогда как в сложных импульсных схемах это изменение не превышает ±2%.
С увеличением частоты искрообразования напряжение на первичной обмотке катушки зажигания уменьшается. Так, при изменении частоты от 20 до 200 Гц ( частота вращения коленчатого вала 600 и 6000 мин¯1соответственно ) напряжение изменяется от 390 до 325 В, что также несколько хуже, чем в импульсных блоках. Однако этот недостаток можно не принимать во внимание, поскольку при частоте 200 Гц пробивное напряжение искрового промежутка свечей ( из за остаточной ионизации и других факторов ) уменьшается почти вдвое.
Автор этих строк , который более 10 лет экспериментировал с различными электронными системами зажигания, поставил задачу улучшить энергетические характеристики блока Ю. Сверчкова, сохранив простату конструкции. Решение ее оказалось возможным благодаря внутренним резервам блока, поскольку энергия накопителя использована в нем лишь наполовину.
Поставленная цель достигнута введением режима многопериодной колебательной разрядки накопительного конденсатора на катушке зажигания, приводящей к практически полной его разрядке. Сама идея такого решения не нова [6], но используется редко. В результате разработан усовершенствованный блок электронного зажигания с характеристиками, которыми обладает далеко не все импульсные конструкции.
При частоте искрообразования в пределах 20…200 Гц блок обеспечивает длительность искры не менее 900мкс. Энергия искры, выделяемая в свече зажигания при зазоре 0.9…1мм, -не менее 12 мДж. Точность поддерживания энергии в накопительном конденсаторе при изменении напряжения питания от 5,5 до 15 В и частоте искрообразования 20 Гц – не хуже ±5%. Остальные характеристики блока не изменились.
Существенно, что увеличение длительности искрового разряда достигнуто именно продолжительным колебательным процессам разрядки накопительного конденсатора . Искра в этом случае представляет собой серию из 7-9 самостоятельных разрядов. Такой знакопеременный искровой разряд ( частота около 3,5 кГц ) способствует эффективному сгоранию рабочей смеси при минимальной эрозии свечей, что выгодно отличает его от простого удлинения апериодической разрядки накопителя [2].
Система преобразователя блока (рис.1) практически не изменилась. Заменен только транзистор для некоторого увеличения мощности преобразователя и облегчения теплового режима. Исключены элементы, обеспечивающие неуправляемый многоискровой режим работы. Существенно изменены цепи коммутации энергии и цепи управления разрядкой накопительного конденсатора С3. Он разряжается теперь в течение трех (а на частоте ниже 20 Гц – и более) периодов соответственных колебаний контура,состоящего из первичной обмотки катушки зажигания и конденсатора С3. Обеспечивают такой режим элементы С2, R3, R4, VD6.
Учитывая, что работа преобразователя подробно описана в [5], рассмотрим только процесс колебательной разрядки конденсатора С3. При размыкании контактов прерывателя конденсатор С4,разряжается через управляющий переход транзистора VS1, диод VD8 и резисторы R7, R8, открывает транзистор, который подключает заряженный конденсатор С3 к первичной обмотке катушки зажигания. Постепенно увеличивающийся ток через обмотку по окончании первой четверти периода имеет максимальное значение ,а напряжение на конденсаторе С3 в этот момент становится равным нулю (рис. 2).
Вся энергия конденсатора (за вычетом тепловых потерь) преобразована в магнитное поле катушки зажигания, которое, стремятся сохранить значение и направление тока, начинает перезаряжать конденсатор С3 через открытый тринистор. В результате по окончанию второй четверти периода ток и магнитное поле катушки зажигания равны нулю, а конденсатор С3 заряжен до 0,85 исходного (по напряжению) уровня в противоположной полярности. С прекращением тока и сменой полярности на конденсаторе С3 закрывается тринистор VS1, но открывается диод VD5. Начинается очередной процесс разрядки конденсатора С3 через первичную обмотку катушки зажигания, направление тока через которую меняется на противоположное. По окончании периода колебаний (т.е. приблизительно через 280 мкс) конденсатор С3 оказывает заряженным в исходной полярности до напряжения, равного 0,7 начального. Это напряжение закрывает диод VD5, разрывая цепь разрядки.
В рассмотренном интервале времени малое сопротивление попеременно открывающихся элементов VD5 и VS1 шунтируют подключенную параллельно им цепь R3R4C2, вследствие чего напряжение на ее концах близко к нулю. По окончании же периода, когда тринистор и диод закрываются, напряжение конденсатора С3 (около 250 В) через катушку зажигания прокладывается к этой цепи. Импульс напряжения, снимаемый с резистора R3, пройдя через диод VD6, вновь открывает тринистор VS1, и все процессы, описаны выше, повторяются.
Затем следует третий, а иногда (при пуске) и четвертый цикл разрядки. Процесс продолжается до тех пор, пока конденсатор С3, теряющий при каждом цикле около 50% энергии, не разрядится почти полностью. В результате длительности искры возрастает до 900…1200 мкс, а ее энергия – до 12…16 мДж.
На рис.2 показан примерный вид осциллограммы напряжения на первичной обмотке катушки зажигания. Для сравнения штриховой показано такая же осциллограмма блока Ю. Сверчкова (первые периоды колебаний на обоих осциллограммах совпадают).
Для повышения защищенности от дребезга контакто прерывателя пусковой узел пришлось несколько изменить. Постоянная времени цепи зарядки конденсатора С4 путем выбора соответствующего резистора R6 увеличена до 4 мс; увеличен также разрядной ток конденсатора (т.е. ток запуска тринистора), определяемый сопротивлением цепи резисторов R7, R8.
Блок электронного зажигания был испытан в течение трех лет на автомобиле <Жигули> и очень хорошо зарекомендовал себя. Резко повысилась устойчивость работы двигателя после пуска. Даже зимой при температуре около -30°С пуск двигателя был легким , начинать движение можно было после прогрева в течение 5 мин. Прекратились наблюдавшиеся при использовании блока Ю. Сверчкова перебои в работе двигателя в первые минуты движения, улучшилась динамика разгона.
В трансформаторе Т1 использован магнитопровод ШЛ 16×8. Зазор 0,25 мм обеспечен тремя прессшпановыми прокладками. Обмотка 1 содержит 50 витков провода ПЭВ-2 0,55; Обмотка 2 содержит 70 витков провода ПЭВ-2 0,25; Обмотка 3 содержит 450 витков ПЭВ-2 0,14. В последней обмотке между всеми слоями следует проложить по одной прокладке из конденсаторной бумаги, а всю обмотку отделить от остальных одним-двумя слоями кабельной бумаги.
Готовый трансформатор покрывают 2-3 раза эпоксидной смолой полностью в пластмассовой или металлической коробке. Не следует применять Ш-образный магнитопровод, поскольку, как показывает опыт, трудно выдержать по всей толщине набора заданный зазар, а так же избежать замыкания наружных пластин. Оба этих фактора, особенно второй, резко снижает мощность генератора зарядных импульсов.
При налаживании генераторной части блока можно использовать рекомендации Ю. Сверчкова в [5].
Благодаря высокой надежности блок можно подключать без разъема Х1 (отключение конденсатора Спр прерывателя обязательно), который предназначен для возможного аварийного перехода на батарейное зажигание, но первичная установка момента зажигания при этом будет существенно сложнее. При сохранении же разьема Х1 переход на батарейное зажигание очень прост – в гнездовую часть разъема Х1 вуместо колодки блока вставляют колодку - замыкатель, у которой соединены контакты 2, 3,и 4.
Г.Ленинград
Литература
1. А. Синельников. Чем различаются блоки. – За рулем, 1977,№ 10, с. 17.
2. А. Синельников. Блок электронного зажигания повышенной надежности. Сб. <В помощь радиолюбителю>, вып. 73. – М. ДОСААФ СССР. С. 38
3. А. Синельников. Электроника в автомобиле. - М. Энергия, 1976.
4. А. Синельников. Электроника в автомобиле. – М Радио и связь, 1985.
5. Ю. Сверчков. Стабилизированный многоискровой блок зажигания. – Радио, 1982, № 5. С. 27.
6. Э. Литке. Конденсаторная система зажигания. Сю. <В помощь радиолюбителю>, вып. 78. – М. ДОСААФ СССР, с. 35.
Статья из Журнал РАДИО 9/88
