CS226770B1 - Zapojení pro číslicové řízení předstihové charaktristiky spalovacího motoru - Google Patents

Description

Vynález se týká zapojení pro řízení předstihové charakteristiky spalovacích motorů.

Jak je všeobecně známo, lze vlastnosti zapalovací soustavy spalovacího motoru značně (zlepšit mechanickou regulací předstihu s použitím analogových elektrických obvodů. Systémy analogové regulace předstihu mají však celou řadu nevýhod, jako například možnost zajištění poměrně jednoduché předstihové charakteristiky, značná teplotní závislost analogových obvodů a β tím spojená změna nastavené předstihové charakteristiky. Současné zkušenosti řešitelů nových typů zapalovacích soustav ukazují, že dnešní a hlavně příští požadavky na činnost těchto soustav jsou schopny splnit pouze bezkontaktní zapalovací soustavy s číslicovou regulací předstihu. V takovýchto soustavách lze naprogramovat libovolně složité předstihové charakteristiky a složitější číslicové regulátory s pamětmi dokonce umožňují (řízení předstihu podle předstihové plochy, kde každý bod je určen velikostí otáček klikového hřídele a zatížení spalovacího motoru, popřípadě hodnotami dalších sledovaných para* metrů jako je poloha škrtící klapky, teplota chladicího média, velikost momentu motoru atd.

Jestliže lze u zapalovacích soustav s číslicovou regulací předstihu dosáhnout vyšší .přesnosti, je nutno pro řídící část dodávat vstupní informace s.vyšší přesností než tomu (bylo u analogových soustav. To platí především pro informace o poloze pístu ve válci a o v

otáčkách klikového hřídele. Zatímco u analogových soustav tyto informace dodaval bud původní kontakt rozdělovače nebo byl tento nahrazen některým druhem bezkontaktního snímače, i 226 770

226 770 at již optoelektronickou dvojicí či generátorovým snímačem, získávají se zmíněné údaje u soustav s číslicovou regulací předstihu přímo na klikovém hřídeli motoru,

Jak již bylo uvedeno, potřebují zapalovací soustavy s číslicovou regulací předstihu mimo informaci ó poloze a otáčkách klikového hřídele také přesné informace o dalších para metrech spalovacího motoru, především o jeho zatížení. Tato informace se v naprosté větši ně získává podobně jako u konvenčních zapalovacích soustav z velikosti podtlaku v sacím potrubí motoru. U analogových zapalovacích soustav se většinou ppužívá klasické podtlakové regulace s membránou, jejíž pohyb se mechanickými táhly přenáší na základovou desku rozdělovače nebo na stator synchronního generátorku. Takový způsob získávání informace o podtlaku však není vhodný pro číslicové zapalovací systémy, nebot by do soustavy zanášel chyby známé z klasických a elektronických analogových zapalovacích soustav, to je chyby mechanických převodů a jejich opotřebování během provozu.

Při zpracování informací o podtlaku většinou postačuje velmi hrubý kvantovací krok, to je vyžaduje se změna pouze při přechodu z jedné oblasti podtlaku do druhé, přičemž těchto oblastí je jen několik. V takových případech se používá většinou kontaktů ovládaných podtlakovou membránou až desetipolohovým spínačem. Je-li notřeba zajistit více stupňů podtlakové regulace, pak se používá indukčnostního nebo kapacitního snímače ve spojení s podtlakovou membránou nebo je možno použít velmi perspektivní tenzometrické polovodičové membrány.

Zpracování dalších vstupníoh informací, jako je teplota chladicího média, poloha škr tící klapky, moment na klikové hřídeli či jiných, již nemá prozatím rozhodující význam pro řízení předstihu. Většinou se používá jen dvoupolohové regulace.

Vlastní řídicí část zapalovacích soustav s číslicovou regulací předstihu je ve světě řešena celou řadou způsobů. Existují provedení s poměrně velkým zastoupením analogových částí až po soustavy s čistě číslicovým zpracováním a soustavy řízené mikroprocesorem.

Nejjednodušší řešení vychází z aplikace číslicových integrovaných obvodů pro soustavy s analogovým zpracováním. Příklad řešení je uveden například ve švýcarském patentu č. 606 792. Řídící část v tomto případě pracuje buď s původním přerušovacím kontaktem nebo impulzním snímačem na klikové hřídeli. Výstupní impulzy-snímače odpovídající předem stáno vené úhlové vychýlce klikového hřídele jsou co do polohy a délky upravovány pomocí zpožďovacích a Časovačích obvodů vytvořených z logických hradel tak, aby byl dosažen potřebný průběh předstihové charakteristiky. Zapalovací soustava má tedy celou řadu nedostatků charakteristických pro zapalovací soustavy s analogovým řízením předstihu. Podobným způsobem pracuje řídicí část zapalovací soustavy podle i)0Su 2 623 733. Zde jsou časovači obvody vytvořeny na rozdíl od předchozího zařízení pomocí operačních zesilovačů, u kterých je třeba navíc kompenzovat celou řadu driftů.

Největší zastoupení mají v číslicovém řízení předstihu ty zapalovací soustavy, u kterých se poloha vyhodnocuje čítáním polohových impulsů v čítači synchronizovaném synchronizačními pulzy. Stav čítače se přes číslicově analogový převodník převádí na odpovídající úroveň stejnosměrného napětí, které je přivedeno na jeden vstup analogového koinparátoru. Toto napětí většinou s počtem polohových pulzů lineárně, respektive schodovitě,

226 770 narůstá. Současně se opět s použitím číslicově analogového převodníku zpracovává rychlost otáčení klikového hřídele, popřípadě další parametry jako je podtlak a podobně. Odpovídající úrovně stejnosměrného napětí jsou zpracovány ve funkčních měničích a přes součtový obvod vedeny na -druhý vstup napětového komparátoru. Při shodě úrovní obou vstupních napětí dává komparátor na výstupu vybavovací signál pro koncový stupen. Předstihová křivka je v těchto případech dána nastavením převodníků a funkčních měničů. Protože tyto obvody jsou většinou’ realizovány pomocí operačních zesilovačů, je nutno opět provádět příslušné kompenzace driftů.

Uvedený typ provedení řídící části vykazují zapalovací soustavy popsané v patentových spisech DOS 2 010 999, DOS 2 326 187, DOS 2 623 733.

S analogovou komparací signálu na výstupu řídící části zapalovací soustavy pracuje také systém popsaný v HDR patentu 133 696. Zde je však použito jiného zpracování informací o poloze a otáčkách klikového hřídele. Tyto informace se získávají pomocí dvou vzájemně posunutých bezdotykových snímačů oscilátorového typu a nevodivého kotouče s kovovými segmenty nestejné délky v určitých polohách. Tím ae v soustavě získávají dvě posloupnosti pravoúhlých impulzů nestejné délky, které jsou vůči sobě navíc fázově posunuty. Z časových posunutí jednotlivých pulzů obou posloupností se detekují informace o otáčkách a poloze klikového hřídele, časová posunutí se opět v číslicově analogových převodnících převádějí na stejnosměrná napětí, jejichž úrovně jsou porovnávány v komparátoru.

Existují rovněž zapalovací soustavy, kde je použito pro vytváření požadované předstihové charakteristiky analogového zpracování vstupních informací a řídící signál pro koncový stupen se zpracovává naopak číslicovým způsobem. Otáčky klikového hřídele a podtlak v sacím potrubí jsou převedeny na napětový signál, který se dále upravuje funkčními měniči. Získané napětí se vede na analogově číslicový převodník, jehož výstup spolu se synchronizačními pulzy řídí čítači zařízení. Ha výstupu čítacího obvodu se pak vytváří pravoúhlý pulz, jehož nástupní hrana určuje začátek plnění cívky a sestupná hrana konec plnění, to je bod zážehu. V tomto systému lze tedy řídit nejen předstih zážehu, ale i dobu plnění cívky.

Další velkou skupinou číslicových zapalovacích soustav jsou typy používající dvou čítačů. V takových případech se jedním čítačem vytvářejí informace o poloze klikového hřídele a druhým čítačem informace o velikosti otáček klikového hřídele· Číslicovým porovnáním těchto dvou informací se získává vybavovací pulz pro výkonjovou jednotku zapalovací soustavy. Tyto soustavy řídí bud jenom předstih zážehu nebo jsou navíc doplněny o řízení konstantního úhlu (resp. doby) plnění cívky. Předpokládá se vždy, že koncový stupeň zapalovací soustavy je vybaven obvodem pro zajištění konstahtního proudu cívky. Systém s dvěma Čítači je však možno vybavit.i adaptivní regulací doby plnění cívky pomocí proudové zpětné vazby. Takovouto zpětnou vazbu lze provést například podle DOSu 2 608 755 přes zesilovač proudového omezení, který na výstupu vytváří pulz po dobu překročení předem nastavené hranice proudu zapalovací cívky. Tímto pulzem se potom ovlivňuje činnost čítače otáček.

Předchozí systém se dvěma čítači lze obměnit s použitím jednoho vratného čítače podle

DOSu 2 325 479 nebo australského patentu č. 492 649. 7 těchto soustavách se od snímačů na klikovém hřídeli vyžaduje, aby dodaly pulz, jehož šířka odpovídá předem pevně nastavené

226 770 úhlové výchylce klikového hřídele. Během tohoto pulzu se čítají jedním směrem hodinové pulzy z krystalem řízeného oscilátoru. Po skončení pulzu je tedy stav čítače úměrný otáčkám oklikového hřídele. V další fázi potom obvykle dochází k přepnutí směru čítání, přičemž se pak čítá většinou s jiným modulem.- Po dosažení předem nastaveného stavu vydá dekodér vybavovací signál pro zážeh. Po zavedení dalších parametrů se nastavení tohoto dekodéru ovlivňuje vyrovnávací pamětí, jejíž stav je vždy úměrný sledovaným parametrům, jako například momentu na hřídeli, podtlaku v nacím potrubí a natočení škrtící klapky. Tyto syjatémy jsou doplněny dále dalším vratným čítačem a dekodérem. Tato část řídící jednotky pracuje podobným způsobem jako obvod pro nastavení bodu zážehu a má za úkol vymezení začátku doby plnění cívky. Výstupní signály nastavení začátků a konců plnění cívky z dekodérů .pak řídí výkonový stupen zapalovací soustavy.

Zvláštní skupinu zapalovacích soustav s číslicovou regulací předstihu tvoří systémy využívající kódovacích kotoučů popsané v DOSu 2 352 268 a DOSu 2 626 598. V těchto případech je s klikovým hřídelem spojený kódovací kotouč vytvořený například pomocí kovových segmentů v několika stopách. Bodle počtu stop potom se dostane příslušný rozsah binárních informací o otáčkách klikového hřídele. V číslicovém komparátoru se potom porovnávají tyto informace ještě s informacemi o podtlaku, teplotě atd. Vhodnou volbou vodivých segmentů a jejich rozložení lze již na kódovém kotouči ovlivnit nastavení předstihové charakteristiky.

Podstatně přesnější a variabilnější jsou takové systémy číslicového řízení předstihu, které pro každý válec motoru počítají okamžik zážehu na základě proměnných odpovídajících sledovaným parametrům motoru a naprogramovaných konstant, které odpovídají požadované předstihové charakteristice. Tyto konstantní hodnoty se ukládají do pamětí typu ROM, PROM nebo EPROM. K vytvoření obvodů řešících příslušnou rovnici pro výpóčet požadovaného předstihu se používají pořítací obvody známé z techniky číslicových počítačů, to je především děliče kmitočtu a sčítací obvody k sečítání binárních čísel, popsané ve francouzském patentu č. 2 381 919 a 2 379 708. Zatím nej dokonalejší číslicovou zapalovací soustavou s pamětí je pak systém, u kterého je v pevné paměti naprogramovaná složitá předstihová plocha. Na základě informací o otáčkách klikového hřídele se vytváří například adresa příslušného sloupce a podle informací o podtlaku adresa řádku paměti. Odpovídající obsah pamětových buněk, slovo v binárním kódu, pak ovládá dekodér polohového počítače. Pokud je třeba provádět řízení i doby plnění cívky, pak musí být podobný pámětový obvod i pro naprogramování; začátku plnění. Při zajištování složité předstihové plochy je však v takovém případě nutno použít pamětí s dostatečnou kapacitou, což zvyšuje náklady na zapalovací soustavu. V tako-j vém případě je potom vhodnější použít jen jedné paměti pro naprogramování předstihové plo-í chy, například body zážehu, a dobu plnění cívky vypočítat. Navíc tento systém umožňuje adaptivní regulaci energie jiskry popřípadě předstihu. Takovýto systém potom vyžaduje použití mikroprocesoru a to vede zatím k nejvyššírau stupni vývoje v zapalovacích soustavách.

Použití mikroprocesoru v zapalovacích soustavách poskytuje již mnohem větší možnosti j než pouhou regulaci předstihu. Proto se v budoucnu požitá s využitím palubního mikropočí- ;

tače, který bude mimo zapalovací soustavu řídit i ostatní skupiny automobilu, jako je brzdový systém, elektronické vstřikování paliva atd. Takovéto komplexní systémy však nejsou i

226 770 předmětem tohoto vynálezu.

Předmětem vynálezu je zapojení pro číslicové řízení předstihové charakteristiky spalovacího motoru srovnáváním údajů o otáčkách motoru, podtlaku a případně dalších parametrech s optimální charakteristikou určující úhel předstihu, ve kterém snímač zubů s počítačem otáček a pamětovým obvodem a také snímač značkových zubů s čítačem polohy jsou zapojeny do komparátoru, na jehož výstupu je zpožďovací obvod, na který je také zapojen snímač a čitač dalšího parametru.

Na obr. 1 je znázorněn tvar typické předstihové charakteristiky spalovacího motoru.

Na ose x jsou vyznačeny kanály odpovídající otáčkám motoru, na ose y je optimální úhel před stihu. Diskrétní číslicová charakteristika 1 leží uvnitř regulačních mezí 2 zajištujících optimální výkon motoru a přijatelné složení spalných plynů s nízkým obsahem škodlivých zplo din.

Na obr. 2 je uveden příklad blokového schéma zařízení pro číslicové řízení předstihové charakteristiky spalovacího motoru dle vynálezu.

Snímač zubů 2 spojený s čítačem otáček 4 a pamětovým obvodem 2 ^a snímač značkových zubů 6 s čítačem polohy 2, se kterým je též spojen snímač zubů 3, jsou zapojeny do komparátoru 8, na jehož výstupu je zpožďovací obvod 9 spojený se snímačem a čítačem dalšího parametru 10.

Informace o poloze a otáčkách klikového hřídele jsou vytvářeny pomocí snímače zubů 3, snímače značkových zubů 6, čítače otáček 4 a čítače polohy χ. Snímač zubů 3 a snímač značkových zubů 6 snímají průchody zubů ozubeného kola spojeného pevně s klikovým hřídelem, čítač otáček £ vyhodnocuje počet zubů spočtených během určeného časového intervalu, čítač polohy 7 vyhodnocuje počet zubů od nulové polohy dané značkovým zubem. Počet značkových zubů je roven počtu taktů spalovacího motoru během jedné otáčky klikového hřídele, tedy pro čtyřválcový motor jsou potřebné dva značkové zuby umístěné na ozubeném kole s roztečí 180°. Potřebný interval čítání čítače otáček £ je odvozen pomocí časových obvodů tak, aby na konci tohoto intervalu odpovídal stav čítače otáček £ okamžité hodnotě otáček klikového hříde le. Stav čítače otáček £ vyjadřuje svou číselnou hodnotou diskrétní otáčkový kanál znázorněný na ose x na obrázku i a je adresou pro vybavení předem zakódovaných poloh klikového hřídele v pamětovém obvodu 2·

Průběh optimální předstihové charakteristiky je v oítáčkové ose rozdělen na úseky konstantní šíře. Počet těchto kanálů se volí tak, aby byla splněna přesnost programované předstihové charakteristiky s pamětovým obvodem 2 ^s minimálním rozsahem. Údaj o počtu otáček , snímaný číslicovým čítačem otáček £ se porovnává s údajem o poloze klikové hřídele z čitače polohy 2, který měří polohu a ve vhodném kódu ji vysílá na vstup komparátoru 8. V okamžiku,, kdy dojde pro příslušný otáčkový kanál ke shodě na komparátořových vstupech, vyšle komparátor 8 impuls k ovládání zážehu. Tento impuls je možno pomocí číslicově řízených

V A zpožďovacích obvodů regulovat pomocí dalších parametrů, jako je údaj o podtlaku,a tak korigovat tvar předstihové charakteristiky.

V komparátoru 8 se porovnává okamžitá hodnota polohy klikového hřídele daná obsahem čítače polohy 2 θ vybaveným obsahem paměti 2· ^Ha výstupu komparátoru 8 dostáváme impuls

226 770 odpovídající požadovanému okamžiku vybavení jiskry. Polohu získaných impulsů je možno dále ovlivňovat pomooí řiditelných zpoždovacích členů podle stavu dalších sledovaných parametru vyhodnoceného snímačem a čítačem dalšího parametru 10. Takovým parametrem může být např. podtlak nebo teplota.

Výhodou zapojení pro číslicová řízení předstihové charakteristiky spalovacího motoru vůči zapojením pro analogové řízení je vyšší přiléhavost a spolehlivost, menší závislost na provozních podmínkách, především teplotě.

Vzhledem k známým zapojením pro číslicové řízení, využívajícím počítače umožňuje zapojení dle tohoto vynálezu zjednodušení konstrukce řídícího zařízení při zachování hlavní oh charakteristik. To umožňuje poměrně levnou maloseriovou výrobu zařízení pro číslicové řízení předstihové charakteristiky spalovacího motoru s využitím běžných stavebních elektronických prvků a tím využití tohoto způsobu u spalovacích motorů letadel a speciálních vozidel, vyráběných v malých sériích, kde by vývoj speciálních řídících počítačů nev byl racionální, na druhé straně umožňuje způsob dle vynálezu i masovou výrobu zjednodušených řídících zařízení pro maloobsahová dvojstopá a jednostopá vozidla.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU.

   Zapojení pro číslicové řízení předstihové charakteristiky spalovacího motoru vyznačené tím, že snímač zubů /3/ je přes čítač otáček /4/ a pamětový obvod /5/ připojen ke komparátoru /8/ a současně snímač značkových zubů /6/ je přes čítač polohy /7/ zapojen ke komparátoru /8/, k jehož výstupu je připojen zpožďovací obvod /9/, na který je také připojen snímač a čítač pro další parametr /10/.