Рік тому мій друг придбав авто.
Це ГАЗ 31105 "Волга". Велика машина, досить комфортабельна, правда не дуже економічна :-). Проте, цей екземпляр оснащений не новим інжекторним двигуном, а застарілим карбюраторним ЗМЗ 402, який, правда, невибагливий до якості бензину і має хорошу ремонтопридатність. Ну і ціна такої машини значно нижча. Під час поступового "тюнінгу" авто, дійшла справа і до нього, а точніше до системи запалювання.
В оригіналі 402 ий мотор оснащений безконтактною системою запалювання з індукційним датчиком. Трохи розповім про існуючі системи запалювання бензинових двигунів.
В усіх системах запалювання основним елементом, що спричиняє запалювання горючої суміші в циліндрі двигуна є свіча запалювання.
Фактично, вона являє собою розрядник, що складається з бічного електрода 1, з'єднаного з корпусом двигуна і центрального електрода, що виведений на "ковпачок" свічі. Електроди розділені керамічним ізолятором, який є корпусом свічі. При подачі на електроди високої напруги, відбувається пробій іскрового проміжку Х, "іскра" що спричиняє запалювання горючої суміші. Напруга, що потрібна для пробою залежить від величини зазору Х та інших факторів. У сучасних системах запалювання вона досягає 20 000 - 35 000 вольт, що забезпечує надійне виникнення іскри за будь яких умов.
Другим важливим елементом є джерело імпульсів високої напруги. В усіх системах використовується високовольтний трансформатор, більш відомий як "котушка запалювання".
Як і будь який трансформатор він містить первинну (низьковольтну) обмотку з малою кількістю витків та вторинну (високовольтну) з великим числом витків.
Для того, щоб на вторинній обмотці зформуввся високовольтний імпульс, на первинну слід подати імпульс струму від джерела живлення (акумулятора чи генератора).
По принципу формування цього імпулься розрізняють два основних види систем запалювання - конденсаторні та з індуктивним накопиченням енергії.
Конденсаторні системи (CDI - capacitor discharge ignition) містять конденсатор, що заряджається від бортової мережі (в основному через підвищуючий перетворювач) і в потрібний момент запалювання перемикається на первинну обмотку котушки запалювання, розряджаючись на неї. В автомобілях конденсаторні системи не набули великої популярності, проте вони широко використовуються на мототранспорті. Котушка для таких систем зазвичай відрізняється меньшими розмірами і вагою, основним недоліком є мала довжина високовольтного імпульсу.
Системи з індуктивним накопиченням енергії використовують явище самоіндукції. Тобто, якщо спробувати різко розімкнути коло, в якому струм тече через індуктивність, на виводах котушки індуктивності формується імпульс напруги, що багатократно перевищує початкову напругу живлення. В такому випадку, в якосты ындуктивносты використовуэться первинна обмотка котушки запалювання:
А от сам процес "переривання" може відбуватися двома різними способами. Перший, що використовувався у всіх старих автомобілях, це контактний. Практично повторює зображену на малюнку схему. Контакти "переривача" входять у склад датчика-розподілювача запалення, який ще називають "трамблер"
Паралельно контактам у таких системах вмикають конденсатор, який при правильному підборі ємності запобігає обгоранню контактів і подовжує високовольтний імпульс. Така система проста, проте надійність її невисока із-за наявності механічних контактів, які можуть обгорати, забруднюватись, вигинатися і тим самим впливати на роботу системи. Адже важливою є не тільки величина струму через котушку, а і момент спрацювання контактів відносно кута повороту колінчастого вала двигуна (кут випередження запалювання). Крім того, в даній системі не можна отримати велику потужність імпульсу, так як при збільшенні струму в колі котушки контакти будуть активно вигорати в момент розмикання.
Нові двигуни оснащують, як правило, безконтактними електронними системами запалювання, де датчитком моменту запалювання є будь-який безконтактний датчик (найчастіше це магнітний датчик Холла, проте зустрічаються і інші типи датчиків), а безпосередня комутація котушки здійснюється транзистором, що входить у склад спеціального пристрою, що називається комутатором.
Тут енергія іскри фактично обмежується лише можливостями котушки і параметрами транзистора. Можна розрізнити два типи комутаторів для таких систем.
У старих комутаторах єдиною їх функцією було керування вихідним транзистором по сигналу з датчика. Сила струму через котушку обмежується опором первинної обмотки і не є високою. Енергія іскри в таких системах не набагато вища від контактних систем. Крім того, на високих оборотах енергія іскри зменшується, так як за період між розрядами високоомна котушка не встигає накопичити максимальну енергію Саме такий комутатор встановлено у даному авто.
Сучасні комутатори керуються від датчиків Холла або від сигналів з електронного блока керування двигуном і можуть працювати на низькоомну первинну обмотку котушки запалювання. Обмеження струму виконане схемою комутатора, спеціалізована мікросхема аналізує частоту вхідних імпульсів від датчика і вмикає "заряд" котушки в момент, який забезпечить максимально допустимий струм через котушку як раз до моменту наступного "розмикання". (адже струм через котушку зростає поступово). Така система дозволяє отримати стабільну потужність іскри на різних обертах двигуна. Максимальний струм в первинному колі котушки запалювання може досягати 7-10 ампер, що дозволяє отримати потужну іскру у збільшеному іскровому зазорі свічі запалювання. Такі системи називають ще системами високої енергії іскри.
Проте, крім отримання іскри в системах запалювання автомобільних двигунів існує ще одна проблема. Вона пов'язана з тим, що двигун зазвичай має декілька циліндрів, запалювання в яких відбувається почергово. Отже, високовольтні імпульси від котушки запалювання необхідно розподіляти між свічками, направляючи їх то на одну, то на іншу. До недавнього часу, більшість автомобілів оснащувалися механічним розподільником, часто суміщеним з датчиком моменту запалювання.
Як бачимо, розподілювач являє собою звичайний механічний перемикач, що складається з чотирьох контактів, розміщених по колу, і одного рухомого контакту - "бігунка", який обертається і замикається почергово з одним з нерухомих. Цей вузол не додає надійності навіть самій ефективній електронній системі з комутатором. Контакти розподілювача забруднюються, обгорають, але найчастішим дефектом є вихід з ладу бігунка. На ньому, зазвичай розміщений резистор для придушення радіоперешкод від системи запалювання (іскріння на контактах розподілювача генерує широкий спектр радіоперешкод), і саме цей резистор часто перегрівається і згорає. Як не дивно, такий розподілювач зустрічається і в автомобілях з інжекторним двигуном, де все керування запалюванням виконує електронний блок керування двигуном, а не датчик моменту запалювання.
У новітніх авто з інжекторними двигунами почали застосовувати іншу систему, яку називають системою запалювання із статичним розподілом енергії. Принцип її дії полягає у використанні декількох котушок запалювання і комутаторів. Є два види такої системи - з двохвивідними котушками запалювання (кожна котушка працює на 2 свічки запалювання) і з окремими котушками на кожну свічу.
Перша система працює завдяки особливостям роботи двигуна внутрішнього згорання - іскра одночасно виникає у двох свічках, проте друга розміщена в циліндрі, де в даний момент відбувається такт випуску відпрацьованих газів і відповідно не впливає на роботу цього циліндра. через оберт колінчастого вала циліндри по циклу "міняються місцями". Така система проста, для чотирьохциліндрового двигуна містить дві котушки і два комутатора (іноді об'єднаних у суцільний модуль запалювання). Єдиний її недолік - різна полярність високовольтних імпульсів на свічках, що призводить до різного зносу електродів свічок у парі.
Система з окремими котушками на кожен циліндр (зазвичай котушка тут виконана у вигляді модуля, що надівається на ковпачок свічі), дорожча в реалізації, тому використовується на авто дорожчого сегменту (наприклад AUDI A6).
Проте тут можна досягти практично ідеальних характеристик системи, всі свічки працюють абсолютно в однакових умовах, відсутні будь які втрати у високовольтних проводах (якщо котушка надіта напряму на ковпачок свічки).
Думка про переробку системи запалювання виникла, коли після заміни старого комутатора, що вийшов з ладу, почалися "глюки" з новим. Основний дефект - при нагріванні від тривалої роботи комутатор починав давати збої, пропускаючи імпульси від датчика. Заміна комутатора на інший усунула проблему, але через деякий час це саме почало з'являтися знову. Скоріше ща все, комутатори цього старого типу тепер зараз роблять якісь "кустарі" і якість їх явно не вілповідає нормальній. Крім того, бігунок розподілювача частенько виходив з ладу.
Отже було прийняте рішення замінити штатну систему запалювання ЗМЗ 402 на "двохкотушкову" зі статичним розподілом іскри. Котушки запалювання вирішили використати від інжекторної "Волги" як найбільш доступні (бувають російського виробництва і фірми Bosch).
Були вибрані російські котушки типу 406.3705-10 так як бошевські вдвічі дорожчі і не так розповсюджені в магазинах.
В оригіналі котушки керуються від блока керування двигуном, але в нас старий карбюраторний двигун і все керування запалюванням здійснюється від датчика-розподілювача. Як бути?
Так як я вже реалізовував раніше подібну систему на своєму колишньому "Москвичі 2140", і система вже декілька років працєю в наступного власника (який є моїм знайомим) то вирішення не зайняло багато часу. Отже:
1. Безпосереднє керування котушками доручаємо парі комутаторів типу 3620.3734 або 0529.3734 компанії VTNAUTO (Україна) (http://www.vtnauto.com/ru/about.html).
2. датчик-розподілювач переробляємо на використання датчиків Холла, причому датчики повинні генерувати два сигнали почергово для керування двома комутаторами.
В інтернеті зустрічається використання двох датчиків Холла від системи запалювання ВАЗ2108, встановлених в точках, що відповідають 90 градусам повороту вала датчика-розподілювача і спеціальної магнітної шторки-екрана:
Така система потребує точного виготовлення "шторки" і посадочних місць під датчики, інакше кут запалювання буде різний для першої і другої котушки.
Другим варіантом є система з одним датчиком Холла і спеціальною шторкою, що має два вирізані сектори під 90 градусів. Тут впливає тільки точність шторки, але сигнал від датчика повинен проходити через спеціальний блок узгодження, який виробляє імпульси на один комутатор, коли датчик змінює стан з 0 в 1 і на другий - коли з 1 в 0. Такі системи є в продажі, але орієнтовані на переробку розподілювачів ВАЗ:
Виготовити її самому під конструктив "волговського" розподілювача заважала та сама точність шторки.
Тому, я вирішив піти третім шляхом. Спосіб не мій, він був знайдений ще давно на форумах. Існує вже готова система, де є і датчик і магніт, поділений рівно на 4 частини, притому датчик там двухполюсний і зразу видає сигнали для керування через 90 градусів! Причому вона загальнодоступна і дуже недорога. Це - комп'ютерний вентилятор для корпусів/блоків живлення.
Справа в тому, що він містить безколекторний двигун, який керується за допомогою такого датчика Холла, а магнітом є сам магнітний ротор (4 полюсний). До речі, аналогічний датчик використаний у моїх експериментах з перериваннями МК. Експерименти показали, що точність розміщення полюсів магітного ротора є досить високою (думаю це обумовлено самою фізикою магніта, при однаковому по колу січенні магніта він просто не може намагнітитись нерівномірно, щоб полюса змістились.) Правда, слід обережно поводитись з магнітом при його демонтажі щоб не допустити механічних пошкоджень.
Отже, в такому випадку, сама система запалювання получається простою і не потребує ніяких критичних елементів, які потрібно виготовляти самому (як то точна шторка або блок узгодження що розподіляє сигнали з датчика). Для переробки розподілювача необхідно буде виготовити плату з датчиком і втулку, в яку вставляється магніт від вентилятора.
Єдине, що при такій системі не буде коректно працювати тахометр і, можливо, блок економайзера холостого ходу (електронний блок що вимикає подачу палива при гальмуванні двигуном). Справа в тому, що ці системи отримують імпульси з виходу штатного комутатора (з виводу К котушки запалювання), а отже їх частота становить 2 імпульса на оберт колінчастого вала. У нашій системі, кожна котушка спрацьовує 1 раз на оберт, тобто потрібно якби сумувати імпульси з двох котушок. Цю проблему спробуємо вирішити блоком узгодження на основі мікроконтролера. Так як безпосередньо на роботу двигуна він не впливає, то вважаємо, що надійності саморобного блоку вистачить :-).
На цьому поки що завершую і іду писати список для замовлення компонентів :-). У наступних статтях я буду поетапно відображати хід розвитку :-) проекту. До зустрічі!
Немає коментарів:
Дописати коментар