Записи с меткой ‘коммутатор’

Альтернативная система зажигания для Январь-5.1

Штатный модуль системы зажигания зажигания Январь-5.1 к сожалению имеет очень низкую надежность. Особенно сильно обострилась ситуация с надежностью после прекращения АвтоВАЗом оснащения товарных автомобилей системой Январь-5. Производители уникальных компонентов (к которым относятся модули зажигания) тут же потеряли крупного заказчика а вместе с ним и интерес поддерживать на должном уровне качество своей продукции, магазины мгновенно наводнили как просто модули низкого качества, так и откровенные подделки, которые оставались работоспособными несколько часов максимум неделю. Такая же ситуация возникла на рынке высоковольтных проводов для двигателей 16v так же снятых с производства. Таким образом уже в 2006 году практическая эксплуатация автомобилей оснащенных системой Январь-5 сильно затруднилась, поскольку качественные комплектующие стало сложно доставать.

В подобных условиях мы вынуждены были искать решение, позволяющее исключить из системы "модуль зажигания ВАЗ 2112" и заменить его более надежными и главное недорогими компонентами. Один из приемлемых вариантов - использование новых модулей зажигания от систем Январь-7 с внешним двухканальным электронным коммутатором.

Немного теории.

Основными требованиями к системе зажигания являются, обеспечение необходимого выходного напряжения, времени его нарастания, энергии искры, и ее длительности. При этом для разных автомобилей двигателей  и разных режимов их работы эти требования могут становится взаимоисключающими. Требования к выходному напряжению вытекают из возможности бесперебойного искра-образования при любых условиях работы двигателя. Напряжение пробоя искрового промежутка определяется давлением конца такта сжатия, температуры конца такта сжатия и зазором между электродами свечи. Оно может быть приблизительно рассчитано по полуэмпирической формуле (см. закон Пашена): V=A*X+B*SQRT(X)+С;  X=l*(p/100)*293/(t+273) где: V - напряжение пробоя в киловольтах, l - зазор между электродами в сантиметрах, p - давление конца такта сжатия абсолютное (кПа), t - температура конца такта сжатия (градусов Цельсия), A=25, B=7, C=0 - коэффициенты влияния...

Из формулы следует, что требования к выходному напряжению могут быть обоснованы расчетом для точки, где давление конца такта сжатия максимально (точка максимального крутящего момента на ВСХ) с использованием необходимого коэффициента запаса. Поскольку турбокомпрессорные двигатели обычно имеют большие значения давлений конца такта сжатия они при равных условиях требуют большего выходного напряжения системы для пробоя искрового промежутка. Однако в этом случае есть более простой выход из ситуации - достаточно просто уменьшить зазор между электродами свечей l до значения 0.8mm (обычно в NA двигателе это значение 1.1mm), что позволит использовать на турбокомпрессорном двигателе те же самые компоненты системы зажигания без увеличения выходного напряжения системы. Так же при этом следует избегать на режимах частичных нагрузок и ХХ использования смесей беднее, чем указано в таблице ниже:

Зазор между электродами (мм) 1.5 1.25 1.0 0.75 0.5
Предел обеднения смеси (AFR) 20 19 18 17.5 14

Требования к энергии искры вытекают из возможности бесперебойного поджига топливовоздушной смеси в любых режимах работы двигателя. Для воспламенения бензина в стехиометрической смеси с воздухом при нормальных условиях по разным источникам достаточно очень маленьких значений энергии искры - 0.2-0.6 mJ. Однако в реальном двигателе это значение может меняться в очень больших пределах. В частности наибольшее влияние на энергию искры оказывает состав топливовоздушной смеси - любое отклонение от стехиометрии приводит к резкому возрастанию требований к энергии искры. В  частности для смеси с AFR 10.0 требуется уже около 2-5 mj. (на порядок большие значения энергии, чем для смеси 14.7). Так же больших энергий требуют и бедные смеси. Таким образом эмпирический график зависимости требуемой энергии искры от состава представляет собой параболу. При понижении температуры окружающего воздуха требования к энергетике системы так же возрастают, связано это с понижением температуры смеси в конце такта сжатия, что приводит к большим энергетическим затратам на ее поджиг. Зависимость требований к энергии искры в зависимости от нагрузки на двигатель напрямую связана с давлением конца такта сжатия и количеством остаточных газов - чем больше давление конца такта сжатия и чем меньше в камере сгорания остаточных газов, тем меньше требуется энергии для поджига топливовоздушной смеси! Таким образом на прогретом двигателе наиболее чувствительным  к энергии участком является режим холостого хода и частичные нагрузки (меньше нагрузка и больше всего остаточных газов), а наименее чувствительной - точка крутящего момента на ВСХ. Поскольку давление конца такта сжатия является функцией степени сжатия - с ростом степени сжатия чувствительность двигателя к энергетике системы зажигания падает. Таким образом атмосферные двигатели менее требовательны к этому параметру, чем турбо двигатели.  Не существует абсолютно никакой связи требований по энергии искры с оборотами двигателя. (кроме уже описанных выше связи с количеством остаточных газов и физической связи с временем накопления). Практическим доказательством этого в частности является тот факт, что в двигателях F1 c оборотами 18000 используются катушки, энергия которых более чем в 2 раза меньше, чем у модуля ВАЗ-2112 (за одно кстати снижаются затраты на систему зажигания - а следовательно и мощность двигателя не расходуется зря).

На основании вышесказанного можно сделать серию простых логических выводов:

1) В полной мере требования по энергии искры реализуются зимой при пуске холодного двигателя (богатая смесь, холодный воздух, низкие обороты).

2) Турбо двигатели из за низкой степени сжатия и использования более богатых смесей более требовательны к обеспечению определенных значений энергии искры, чем атмосферные.

3) Для абсолютного большинства двигателей на любым режиме достаточно значений в 30-40mJ.

Управление временем накопления.

На практике при конструировании систем зажигания используют 2 метода стабилизации энергии искры.

1) Адаптивное управление временем накопления с целью получения определенных значений тока разрыва Iр.

2) Управление временем накопления средствами ЭБУ по законам заложенным в его микропрограмму с целью получения требуемого тока разрыва и энергии искры.

Первый метод применяется во всех системах зажигания с электронными коммутаторами (в частности в карбюраторных ВАЗ). 2-й как правило только в системах с электронным впрыском топлива с управлением временем накопления.

Достоинством первого метода является поддержание абсолютно одинаковой энергии искры в любых режимах работы двигателя автомобиля, при любых температурах окружающего воздуха и элементов коммутатора, причем значение этой энергии зависит только от тока разрыва Iр для конкретного электронного коммутатора и характеристики применяемой в паре с ним катушки зажигания. Недостатками является тот фактор, что при использовании такого метода в системе управления с по цилиндровой коррекцией угла зажигания могут возникать проблемы связанные с фазовым сдвигом фронтов сигналов начала накопления энергии и момента искрообразования у разных цилиндров в паре, что может приводить к ошибкам в работе адаптивной функции управления временем накопления, в результате чего будут формироваться импульсы зажигания с разной энергией искры по цилиндрам.

Недостатки метода с управлением временем накопления от ЭБУ связаны с тем что коэффициенты передачи по току у элементов коммутации могут сильно меняться в зависимости от партии элементов и температуры коммутатора. Таким образом возможно возникновение ситуации, когда ток разрыва превысит определенные заданные значения, определяемые физической моделью, что приведет к выходу из строя коммутатора или катушки зажигания, однако эксплуатация реальной системы показывает, что такое развитие ситуации практически не возможно.

Конкретный метод применяемый в системе определяется схемотехнической реализацией электронного коммутатора.

Решение.

В 2006 году для систем управления Январь-5.1 в DTT Motorsport налажено мелкосерийное производство двухканальных электронных коммутаторов обоих типов c унифицированной схемой подключения к ЭБУ Январь-5.1:

Коммутаторы могут использоваться совместно с модулями зажигания BOSCH 0.221.503.001 (Волга), 4601.3705 (Январь-7),а также сдвоенными катушками 3022.3705 4412.3705 (Волга,Ока). Итп... При использовании 2-х коммутаторов возможно применение индивидуальных катушек зажигания работающих в режиме с генерированием холостой искры. В этом случае выводы 2,3,4,5,6 2-х коммутаторов соединяются параллельно, выводы 1,7 коммутаторов используются для управления 4-мя катушками раздельно, в частности подобное решение применено на автомобиле 2108 2.1 turbo 4wd...

 Характеристики электронных коммутаторов приведены в таблице:

Вариант 1 Вариант 2
Ток разрыва (ампер) 8 (+-0.5) до 15 (определяется ЭБУ).
Ток потребления (ампер) 2.7 до 4
Напряжение питания  (в) 6-16
Диапазон рабочих температур -40...+85

Энергия искры на выходе вторичной обмотки для 1 варианта коммутатора (ток разрыва 8А):

Тип катушки зажигания 0.221.503.001 4601.3705 4412.3705 3012.3705 3022.3705 52.3705 (элемент МЗ)
Е (mj) 52 50.5 52.8 38.4 39-43 44.64

 (поскольку конструктивно катушки одинаковые - кпд для всех принят за 0.5)