Принципы построения узлов бесконтактных систем зажигания для автомобильных ДВС.

Датчики углового положения коленчатого вала двигателя. Для работы любой системы зажигания необходима информация о положении коленча­того вала двигателя. При этом датчик углового положения вала 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, на эффекте Холла, высокочастотные, опто-электронные, токовихревые, на эффекте Виганда, фотоэлектрические.

Исходя из стоимости производства, требований к точности момента искрообразования, помехозащищенности, стойкости к внешним воздейст­виям два первых типа датчиков получили наибольшее применение и про­изводятся у нас в стране и за рубежом крупносерийно.

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. 3.29 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа.

Рис. 3.29 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

где k — коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; w — количество витков обмотки; п — частота вращения распределителя потока;

изменение потока Ф в зависимости от угла поворота.

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. 3.30) при удалении зубца.

Рис. 3.30 Магнитный поток Ф и напряжение обмотки U_вых в зависимости от угла поворота a распределителя потока.

Из формулы 3.11 видно, что пиковое значение U_вых линейно изменяется с частотой вращения распределителя потока. На рис. 3.31 показан характер изменения сигнала U_вых по углу поворота коленчатого вала при разной частоте вращения n распределителя потока. Нетрудно видеть что напряжение очень быстро изменяется от положительного максимума до отрицательного, поэтому нулевой переход (точка 0) между двумя максимумами может быть использован рядя управления системой зажигания при получении точного момента искро­образования. Однако точку перехода через ноль сложно детектировать с помощью электроники, так как схема будет чувствительна к сигналам помехи, т. е. не будет удовлетворять требованиям помехозащищенности. Поэтому для получения момента искрообразования используют точки а и b, которые выбираются на допустимых низких уровнях. При этом обеспечивается нечувствительность схемы детектирования к помехам и надежное срабатывание схемы в период пуска двигателя.

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

Рассмотренная магнитная система генераторного датчика чувствительна к влиянию изменений зазора, происходящих из-за конструктивных допусков, вибраций, передаваемых от двигателя деталям, входящим в состав магнитной цепи, что приводит к недопустимому асинхронизму момента искрообразования по цилиндрам двигателя. Поэтому на практике применяется симметричная магнитная система, которая обеспечивает для каждого положения распределителя потока средний зазор, являющийся суммой элементарных зазоров. Принципиальная схема генераторного дат­чика коммутаторного типа с симметричной магнитной системой для четырехцилиндрового двигателя представлена на рис. 3.32.

Разработка постоянных магнитов, выполненных на основе новых маг­нитных материалов, таких, как магнитоэласты, магниторезина, позволила резко снизить стоимость и массу датчика, увеличить его надежность.

Другим типом магнитоэлектрических датчиков, нашедших примене­ние в автомобильных системах зажигания, является датчик с переменным потоком.

Он состоит из неподвижной катушки и постоянного магнита, жестко связанного с валиком распределителя зажигания, причем число пар полю­сов в магните равно числу цилиндров двигателя. Такие магнитные системы называются датчиками с вращающимися магнитами (рис. 3.33). Работа датчика характеризуется знакопеременным магнитным потоком и симмет­ричной формой выходного напряжения (рис. 3.34). Сигнал датчика с враща­ющимся магнитом требует более тщательной обработки в цепи детектиро­вания с целью компенсации электрического смещения момента искрообразования в зоне низких частот вращения распределительного валика.

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. 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

где k — постоянная Холла, м²/ A; k = cq; c — подвижность носителей тока, м² /В; q — удельное сопротивление материала пластины, Ом.

Чувствительность элемента Холла зависит от соотношения между длиной и шириной пластины и повышается при уменьшении ее толщины. Для пленки толщина h достигает10^-6м, для пластины из полупроводникового кристалла 10^-4м. Для изготовления элементов Холла используются германий, кремний, арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индиа (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, содержащая усилитель У, поро­говый элемент St, выходной каскад VT и стабилизатор напряжения СТ, выполняются в виде интегральной микросхемы, которая называется магнитоуправляемой интегральной схемой (рис. 3.35).

Очевидно, что путем изменения магнитного поля от 0 до B_max с помощью магнитного экрана на выходе магнитоуправляемой интегральной схемы можно получить (при подключении к ее выходу соответствующей нагрузки) и дискретный сигнал высокого или низкого уровня. Объединив магнитоуправляемую схему с магнитной системой в жестко сконструированный пла-