датчик углового положения и частоты вращения распределительного вала для системы зажигания

Формула изобретения

1. Датчик углового положения и частоты вращения распределительного вала на основе эффекта Холла, содержащий корпус датчиков Холла из немагнитного материала, закрепленный на крышке распределителя зажигания, причем датчики Холла в корпусе размещены последовательно в ряд вдоль оси вала; магнитный ротор с чередующимися магнитными полюсами для определения углового положения и частоты вращения распределительного вала, выполненный в виде верхнего и нижнего магнитопроводов, кольцевого постоянного магнита, намагниченного в осевом направлении, и немагнитной фиксирующей втулки, соединяющей указанные элементы в единое целое; задатчика фазы для распределения искры в необходимую группу цилиндров, выполненного из немагнитного корпуса, в котором закреплены радиально намагниченные постоянные магниты, формирующие комбинационный код группы цилиндров на соответствующих им датчиках Холла, зафиксированного на валу распределителя зажигания посредством ввода оси от центробежного груза в соответствующее отверстие или прорезь в корпусе задатчика.

2. Датчик по п.1, отличающийся, тем, что в задатчике фазы установлен один постоянный магнит для синхронизации, а определение группы цилиндров для воспламенения проводится расчетом периода от момента синхронизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Предлагаемое устройство является датчиком углового положения и частоты вращения распределительного вала с преобразователями на эффекте Холла.

Аналогом изобретения является микропроцессорная система управления зажиганием карбюраторного двигателя ВАЗ [1].

Недостатком вышеупомянутой системы зажигания автомобилей ВАЗ является необходимость в использовании двух датчиков - датчика начала отсчета и датчика угловых импульсов. Данные датчики индукционного типа, сигнал от которых невелик при малой частоте вращения, что усложняет пуск двигателя при разряженном аккумуляторе или на морозе. Кроме того, индукционные датчики микропроцессорной системы зажигания ВАЗ снимают сигнал с маховика двигателя, что затрудняет переоборудование автомобилей на данную систему зажигания из-за сложности монтажа датчиков.

Ближайшим аналогом данного изобретения является электронная система зажигания по заявке № 98100421/06 (Россия F02P 7/07, F02P 3/00, дата публикации 1999.10.27), в котором представлена электронная система зажигания, содержащая диск из материала, не содержащего железо, с двумя постоянными магнитами противоположной полярности, закрепленными на нем, установленный на кулачковом валу двигателя внутреннего сгорания, несколько датчиков, работающих по холловскому принципу с защелкой, каждый из которых предназначен для определения полярности постоянных магнитов во время вращения вращающегося диска, причем датчики разнесены в окружном направлении относительно друг друга вокруг оси вращения диска и размещены в плоскости, параллельной диску и примыкающей к нему, средство генерирования высоковольтных сигналов зажигания, выдаваемых по меньшей мере на одну свечу зажигания в двигателе внутреннего сгорания, в ответ на детектирование датчиками, работающими по холловскому принципу полярности постоянных магнитов.

Сходство данного аналога с заявляемым изобретением заключается в использовании немагнитного диска, в котором размещаются постоянные магниты, и датчиков, работающих на основе эффекта Холла.

Недостатком этой системы зажигания является необходимость в использовании нескольких датчиков Холла для формирования угла опережения зажигания в разных группах цилиндров многоцилиндрового двигателя. Из-за разброса чувствительности датчиков Холла может потребоваться независимое перемещение датчиков в корпусе распределителя. Это затрудняет настройку момента зажигания и неприемлемо увеличивает габариты устройства.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является создание недорогого, надежного датчика для переоборудования двигателей с распределителем зажигания на бесконтактную систему зажигания с электронным управлением.

Решение указанной задачи достигается тем, что разработанный малогабаритный датчик устанавливается в штатный корпус распределителя зажигания без проведения каких-либо станочных или слесарных работ над ним. Контактная система распределения высокого напряжения по свечам заменяется электронным распределением по методу «холостой искры». Штатный механический центробежный регулятор фиксируется в заданном положении, а расчет угла опережения проводится в электронном блоке управления на основе показаний датчиков.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении достаточного уровня сигнала с датчика даже при малой частоте вращения коленчатого вала вследствие того, что предлагаемый датчик углового положения и частоты вращения для системы зажигания на основе эффекта Холла лишен недостатков датчиков индуктивного типа. Используя предлагаемый датчик, любой двигатель с распределителем зажигания можно оборудовать системой зажигания с электронным управлением, которая имеет ряд эксплутационных преимуществ [2] перед системами зажигания с механическими регуляторами. В частности, улучшаются динамические характеристики двигателя, уменьшаются расход топлива и выбросы вредных веществ, двигатель работает более устойчиво на малых оборотах, где усилия от центробежного регулятора были недостаточны.

Проведенные испытания системы зажигания, основанной на предлагаемом датчике, смонтированном в корпус распределителя зажигания 33.3706 автомобиля УАЗ-31519, выявили следующие преимущества данной системы зажигания над штатной системой зажигания с магнитоэлектрическим датчиком и с механическим распределителем высокого напряжения [3].

1. Высокая угловая точность срабатывания, независящая от частоты вращения двигателя.

2. Уровень выходного сигнала, независим от частоты вращения двигателя и достаточен для непосредственной обработки контроллером электронного блока управления.

3. Хорошая стойкость к вибрации и влиянию окружающей среды, так как все электрические компоненты размещены в небольшом экранированном герметичном корпусе.

4. Отсутствие подвижных, изнашивающихся частей (бегунка, уголька, механического центробежного регулятора, вакуумного корректора).

5. Уменьшение нагрузки на подшипники распределителя зажигания, так как балансировка вала распределителя не нарушается при изменении частоты вращения.

6. Простая диагностика состояния и легкая замена при необходимости. Для замены датчика, достаточно снять разъем и открутить 4 винта.

7. Оптимальная характеристика угла опережения зажигания в зависимости от оборотов и нагрузки на двигатель. Возможность индивидуальной настройки этой характеристики в зависимости от применяемого топлива и состояния двигателя.

8. Большая допустимая энергия искры, так как отсутствует опасность пробоя бегунка или крышки распределителя высоким напряжением.

9. Хорошая живучесть при частичных повреждениях, так как в системе используются две катушки зажигания со своими формирователями тока. Отказ одной катушки зажигания не приводит к остановке двигателя.

Предлагаемая конструкция датчика отличается от аналога размещением датчиков Холла. В аналоге датчики устанавливаются в примыкающей к диску параллельной плоскости с разносом в окружном направлении, а в заявляемом изобретении датчики Холла размещены вдоль прямой параллельной оси вращения диска.

Кроме того, в отличие от аналога угол поворота определяется одним датчиком Холла, а фаза другим датчиком Холла, вследствие данного технического решения появляется возможность выставлять начальный угол опережения зажигания одновременно для всех цилиндров поворотом корпуса распределителя зажигания.

Сравнение предлагаемой конструкции с аналогом показывает, что заявляемая конструкция имеет существенные признаки, отличные от аналога. Следовательно, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна".

Анализ источников информации, использованных для определения уровня техники, показал отсутствие источников, в которых бы была описана совокупность отличительных от аналога признаков. При этом совокупность отличительных признаков не является очевидной, так как не следует непосредственно из уровня техники. Следовательно, заявляемая конструкция соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень". Кроме того, предлагаемая конструкция осуществима в промышленных условиях и, следовательно, является промышленно применимым.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана конструкция датчика. На фиг.2 показан способ внутреннего размещения двух датчиков Холла для четырехцилиндрового двигателя. На фиг.3 приведена подробная деталировка предлагаемого датчика.

Датчик углового положения и частоты вращения распределительного вала состоит из следующих частей: корпуса датчиков Холла 1, магнитного ротора 2, задатчика фазы 3, вала распределителя зажигания 4. Магнитный ротор 2 предназначен для определения углового положения и частоты вращения распределительного вала. Он состоит из верхнего 6 и нижнего 8 магнитопроводов, кольцевого постоянного магнита 7, намагниченного в осевом направлении, и немагнитной фиксирующей втулки 9, которая соединяет указанные позиции в единое целое. Магнитопроводы 6 и 8 звездообразной формы изготовлены из магнитомягкой стали. Количество лучей звезды равно числу цилиндров обслуживаемых распределительным валом, лучи отогнуты на прямой угол в своем основании. Например, для 4-цилиндрового двигателя используются 4 луча, охватывающие после отгиба сектора угол в 30-45 градусов. При сборке ротора постоянный магнит 7 зажимается между магнитопроводом 6 и магнитопроводом 8, который повернут вокруг оси распределителя на 45°. Таким образом, на боковой поверхности магнитного ротора формируются 8 полюсов с попеременной полярностью. Задатчик фазы 3 служит для выбора группы цилиндров, в которой необходимо произвести воспламенение. Для 4 цилиндрового двигателя задатчик фазы состоит из немагнитного корпуса 11 и двух диаметрально противоположно расположенных постоянных магнитов 10 и 12, с вектором магнитной индукции направленным по радиусу. Для многоцилиндрового двигателя с числом цилиндров более четырех радиально намагниченные постоянные магниты задатчика фазы размешаются со смешением в осевом и окружном направлениях, кодируя текущую группу цилиндров для воспламенения. В качестве примера однозначного кодирования 8 цилиндров можно привести следующую комбинацию расположения трех магнитов по высоте задатчика фазы и с разнесением групп по азимуту на 45°: 1) 000, 2) 001, 3) 010, 4) 011, 5) 100, 6) 101, 7) 110, 8) 111. Здесь 1 обозначает наличие магнита на данном уровне высоты, 0 обозначает отсутствие магнита. Как вариант исполнения задатчика фазы, можно рассмотреть немагнитный корпус 11 с одним радиально намагниченным постоянным магнитом 10. В этом случае определение группы цилиндров для воспламенения проводится подсчетом импульсов от датчика углового положения, а задатчик фазы служит лишь для синхронизации счета со сжатием в одном из цилиндров. Пусть, например, магнит задатчика фазы оказывается напротив своего датчика Холла во время такта сжатия в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-4-2. Тогда второй импульс от датчика углового положения с этого момента соответствует периоду сжатия в 3 цилиндре, третий импульс - в 4 цилиндре, четвертый импульс - во 2 цилиндре. В дальнейшем, вся последовательность повторяется. Задатчик фазы фиксируется на валу распределителя зажигания 4 посредством ввода оси от центробежного груза в соответствующее отверстие (прорезь) в корпусе 11. В дальнейшем, вращающий момент с корпуса задатчика фазы 11 через шлиц на его торцевой поверхности передается на шлиц фиксирующей втулки 9, которая жестко связана с магнитным ротором 2. Корпус датчиков Холла 1 выполнен из немагнитного материала и заключает в себе датчик Холла для работы с магнитным ротором 2 и датчики Холла для работы с задатчиком фазы 3. Для четырехцилиндрового двигателя применяются два датчика Холла - один для работы с магнитным ротором 2, другой для работы с задатчиком фазы 3. Для двигателей с числом цилиндров более четырех, для считывания кода группы цилиндров с задатчика фазы соответствующие датчики Холла размещаются в корпусе последовательно в ряд вдоль оси вращения вала. На фиг.2 показан способ внутреннего размещения двух датчиков Холла для четырехцилиндрового двигателя. Приведенный на рисунке корпус датчиков Холла 1 выполнен на основе разъема 2РМ14Б добавлением цилиндрической крышки. Конструкция полностью экранирована и защищена от воздействия окружающей среды. Корпус датчиков Холла 1 закрепляется на крышке распределителя зажигания 5 параллельно валу распределителя с минимальным зазором L от боковой поверхности магнитного ротора, как показано на фиг.2. Чувствительные площадки датчиков Холла в расчетном положении пересекаются вектором индукции магнитного поля под прямым углом.

Принцип работы датчика основан на измерении магнитного поля создаваемого магнитным ротором с чередующимися магнитными полюсами. Количество одноименных полюсов на роторе равно количеству цилиндров обслуживаемых распределителем. При вращении ротора напряженность магнитного поля в районе датчиков Холла периодически проходит через ноль. Момент прохождения магнитного поля через ноль при зафиксированном датчике Холла определяется угловым положением распределительного вала. Датчик Холла использован с симметричным расположением порогов включения и выключения относительно нуля магнитного поля, например, биполярный датчик Холла SS41 фирмы Honeywell (включение 150G, выключение при -150G при 85°С). Магнит ротора намагничивается так, чтобы максимальное поле в районе датчика было намного больше порогов переключения. Это позволяет избежать угловой погрешности при изменении намагниченности ротора или температуры. Частота вращения распределительного вала двигателя обратно пропорциональна периоду импульсов от магнитного ротора. Поворотом корпуса распределителя зажигания выставляют начальный угол опережения зажигания, соответствующий моменту включения (выключения) датчика Холла. Коррекция угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения и нагрузки на двигатель проводится в электронном блоке управления путем задержки искрообразования на расчетное время относительно момента включения (выключения) датчика Холла.

В системе зажигания, работающей совместно с рассматриваемым датчиком, может применяться бесконтактный метод распределения искры, называемый методом «холостой искры». Цилиндры 4 цилиндрового двигателя объединены в пары 1-4 и 2-3, и искрообразование в них происходит одновременно в двух цилиндрах: в цилиндре, в котором заканчивается такт сжатия (рабочая искра), и в цилиндре, в котором происходит такт выпуска (холостая искра). Выбор группы цилиндров проводится электронным блоком управления в зависимости от логического уровня сигнала от датчика фазы в момент принятия решения. Для уменьшения влияния электромагнитных помех желательно использовать униполярный датчик со смещением порогов переключения в одну сторону, например, датчик Холла SS441А фирмы Honeywell (включение 120G, выключение при 15G при 85°С). Для многоцилиндрового двигателя с числом цилиндров более 4 объединение цилиндров в пары зависит от порядка их работы, а выбор группы цилиндров для искрообразования проводится в момент одновременного прохождения нескольких радиально намагниченных постоянных магнитов задатчика фазы напротив соответствующих датчиков Холла, разнесенных вдоль оси вращения вала. При этом каждой группе цилиндров для искрообразования соответствует своя комбинация одновременно замыкаемых датчиков Холла, то есть свой комбинационный код.

Литература

1. Пятков К.Б., Игнатов А.Д., Косарев С.Н., Новокшонов К.В., Яметов В.А. Автомобили семейства ВДЗ-2108, -2109. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. Книжно-журнальное издательство «За рулем», 1999 г.

2. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1989

3. Орлов Э.Н. Автомобили УАЗ. Техническое обслуживание и ремонт. - М.: Транспорт, 1993 г.

4. Глезер Г.Н., Опарин И.М. Автомобильные электронные системы зажигания. М.: Машиностроение, 1977.

5. Патент РФ № 2289721.

6. Патент РФ № 98100421.

7. Патент РФ № 2073794.

8. DE 2501247 В2, 08.01.1976.

9. FR 2361548 А1, 14.04.1978.

10. ЕР 0173590 А1, 05.03.1986.

11.DE 2557834 А1, 07.10.1976.