|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 51-100---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 101-150---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 151-200
Экономайзер принудительного холостого хода для автомобиля Жигули.
Л. Синельников
Как известно, двигатели автомобилей ВАЗ-2105 оборудованы новой системой питания, получившей название «Каскад» и позволяющей повысить экономичность автомобиля на 15 % [2].
Основным элементом этой системы является специальное устройство, которым снабжен карбюратор, и называемое экономайзером принудительного холостого хода (ЭПХХ). Кроме того, в систему входят электронный блок управления, электропневмоклапан и микровыключатель, устанавливаемый на карбюраторе.
Принцип действия системы состоит в том, что в режиме принудительного холостого хода, т. е. при торможении двигателем или при движении под уклон с включенной передачей и отпущенной педалью акселератора, подача топливной смеси в двигатель отключается. Это и создает указанную выше экономию и, кроме того, резко снижает токсичность отработавших газов.
Система «Каскад» может быть установлена на любую модель автомобилей «Жигули», но при условии соответствующей замены карбюратора и установки дополнительных элементов — электронного блока и пневмоклапана. Однако эти элементы весьма дефицитны и дорогостоящи.
Вместе с тем на моделях ВАЗ-2103, 2106, 21021 система «Каскад» или ей подобная может быть установлена и без замены карбюратора и установки пневмоклапана. Дело в том, что карбюратор у этих моделей автомашин имеет специальный клапан в системе холостого хода, предназначенный для прекращения подачи топливной смеси после выключения зажигания (во избежание калильного зажигания). Этот клапан и может быть использован на принудительном холостом ходу.
Такая система описана в [1], однако ее практическое использование затруднено в связи с существенными недостатками, а именно:
отсутствие устройства временной задержки, без которого двигатель глохнет при переходе на нейтральную передачу после движения со скоростью, соответствующей частоте вращения вала двигателя больше 1500...1600 об/мин (когда электромагнитный клапан обесточен);
в электронном блоке отсутствует петля гистерезиса: включение и отключение электромагнитного клапана происходит при одной и той же частоте, что вызывает автоколебания частоты вращения вала двигателя вблизи частоты переключения;
отсутствие элементов с плавной регулировкой и вытекающая отсюда трудность настройки;
наличие электромагнитного реле, являющегося малонадежным элементом.
Приведенная ниже система свободна от указанных недостатков. Принцип ее работы рассмотрим по структурной схеме, приведенной на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема системы ЭПХХ
Здесь:
ВЗ — выключатель зажигания;
MB — микровыключатель;
РД — рычаг дроссельной заслонки карбюратора;
ЭБ — электронный блок, состоящий из тахометрического устройства ТХУ и устройства временной задержки УВЗ;
ЭК — электромагнитный клаиан карбюратора;
СД — светодиод.
Тахометрическое устройство (ТХУ) имеет частотную характеристику, показанную на рис. 2.
Рис. 2. Частотная характеристика ТХУ
После включения питания выключателем ВЗ на выходе ТХУ сразу же появляется полное напряжение питания 12 В (Uвых) и остается после пуска двигателя до тех пор, пока частота вращения коленчатого вала (n) не достигнет 1600 об/мин. При достижении этой частоты напряжение на выходе ТХУ исчезает и при дальнейшем увеличении частоты больше не появляется. При уменьшении частоты вращения вала двигателя напряжение на выходе ТХУ появляется при частоте 1200 об/мин. Гистерезис (400 Гц) характеристики тахометрического устройства предотвращает автоколебания частоты вращения вала двигателя на режимах работы вблизи частоты переключения.
Напряжение с выхода ТХУ поступает на электромагнитный клапан карбюратора ЭК. Напряжение на ЭК поступает также с выхода устройства временной задержки УВЗ, временные диаграммы работы которого показаны на рис. 3.
Рис. 3. Временные диаграммы работы устройства временной задержки
При подаче напряжения Uвх на вход УВЗ (от микровыключателя MB) такое же напряжение (Uвых) сразу появляется на его выходе. При снятии же напряжения со входа УВЗ напряжение на его выходе исчезает не сразу, а лишь через некоторое время t в момент t2. Временная задержка t предотвращает остановку двигателя в случае перехода на нейтральную передачу после движения со скоростью, соответствующей частотам вращения вала двигателя больше 1600 об/мин. При этом происходит следующее. Двигатель начинает работать на холостом ходу. Рычаг карбюратора нажимает на кнопку микровыключателя и его контакты размыкаются. Электромагнитный клапан карбюратора обесточивается. Частота вращения вала двигателя резко падает, и канал холостого хода карбюратора не успевает заполниться топливной смесью за время убывания частоты от 1200 об/мин, когда электромагнитный клапан вновь включается, до частоты минимально устойчивых оборотов холостого хода (примерно 500 об/мин), двигатель заглох бы, если бы не указанная задержка t, устраняющая этот недостаток.
Когда педаль акселератора нажата, контакты MB замкнуты, и на ЭК от УВЗ поступает напряжение питания. Кроме того, напряжение на ЭК может поступать и от ТХУ, если частота вращения вала двигателя n <1600 об/мин. При n>1600 об/мин напряжение на ЭК поступает только от УВЗ.
Иначе говоря, напряжение на ЭК может поступать или одновременно от УВЗ и ТХУ, или от одного из них. Однако если частота вращения вала двигателя n > 1600 об/мин (или n>1200 об/мин при уменьшении частоты вращения вала) и дроссельная заслонка закрыта, что соответствует режиму принудительного холостого хода, напряжение на ЭК вообще не поступает.
Принципиальная электрическая схема электронного блока системы ЭПХХ с цепями подключения на автомобиле приведена на рис. 4.
Электронный блок, как было указано выше, состоит из тахометрического устройства и устройства временной задержки.
Тахометрическое устройство собрано на транзисторах V2, V3, V5, V13...V17 и микросхеме А1. Оно состоит из следующих узлов: заторможенного мультивибратора на транзисторах V2, V3, электронного ключа на транзисторе V5, компаратора на микросхеме A1, триггера Шмитта на транзисторах V13, V14, электронных ключей на транзисторах V15...V17.
Временные диаграммы работы тахометрического устройства приведены на рис. 5.
Рис. 5. Временные диаграммы работы ТХУ:
После включения питания заторможенный мультивибратор устанавливается в первое устойчивое состояние. Транзистор V2 открыт током в его базу через резистор R3 и диод V1, а транзистор V3 заперт. Конденсатор С2 заряжен почти до полного напряжения питания через резистор R6, диод V1 и переход база—эмиттер транзистора В2. Плюс напряжения при этом находится на правой по схеме обкладке конденсатора. Транзистор V5 заперт, и конденсатор С4 заряжен через резисторы R9, R10 до напряжения стабилизации стабилитрона V10 (t1 на рис. 5). Положительное напряжение с конденсатора С4 через диод V6 поступает на неинвертирующий вход 10 микросхемы А1, на инвертирующий вход 9 которой подается опорное напряжение Uоп с делителя R11 R12, причем меньшее по величине напряжения на конденсаторе С4. В результате на выходе 5 микросхемы в исходном состоянии (при неработающем двигателе) имеется положительное постоянное напряжение, которое через диод V11 и резистор R17 поступает на вход триггера Шмитта и переключает триггер во второе неустойчивое состояние. Транзистор V13 окрывается, а транзистор V14 закрывается. Следовательно, закрывается и транзистор V16, а транзисторы V17, V15 открываются, первый током в его базу через резистор R33, а второй коллекторным током транзистора V17 через резистор R30. Напряжение питания поступает к электромагнитному клапану и светодиоду.
Вывод X электронного блока с помощью пружинного зажима «крокодил» подключен к изоляции центрального высоковольтного провода распределителя. Импульсы высокого напряжения (импульсы зажигания), возникающие в момент искрообразования (t2 на рис. 5), проходят через емкость между высоковольтным проводом и зажимом «крокодил» (X1), ослабляются делителем напряжения на резисторах R1R2 и через конденсатор С1 поступают на вход заторможенного мультивибратора.
Отрицательная полуволна импульса зажигания закрывает диод V1, вследствие чего транзистор V2 закрывается, а транзистор V3 открывается током в его базу через резистор R5. Мультивибратор переключается во второе неустойчивое состояние. Заряженный конденсатор С2 через переход коллектор—эмиттер открытого транзистора V3 и резистор R4 подключается к диоду V1 в запирающей полярности и тем самым удерживает мультивибратор в указанном неустойчивом состоянии после окончания действия импульса зажигания. Конденсатор С2 начинает перезаряжаться через резистор R3 и переход коллектор—эмиттер открытого транзистора V3. Через некоторое время, значение которого определяется постоянной времени цепи R3C2, напряжение на левой, по схеме обкладке конденсатора С2 становится положительным. Диод V1 и транзистор V2 отпираются, а транзистор V3 закрывается, мультивибратор возвращается в основное устойчивое состояние (t3 на рис. 5).
В результате на выходе мультивибратора (на коллекторе транзистора V3) во время работы двигателя появляется последовательность прямоугольных положительных импульсов, длительность которых обратно пропорциональна частоте искрообразования, а промежутки между импульсами имеют фиксированную длительность (примерно 0,5 мс), определенную постоянной времени цепи R3C2.
Положительные импульсы с выхода мультивибратора поступают через диод V4 и конденсатор С3 на базу транзистора V5 и открывают его на время зарядки конденсатора С3 через резистор R6 (примерно на 0,05 мс). В результате конденсатор С4 в течение нескольких микросекунд разряжается через переход коллектор—эмиттер открытого транзистора V5. После закрывания транзистора V5 конденсатор С4 снова заряжается через резисторы R9, R10, причем напряжение, до которого он зарядится (t4 на рис. 5), зависит от длительности положительного импульса на коллекторе транзистора V3 или, что то же самое, от частоты вращения вала двигателя, Чем частота выше, тем импульс короче и тем до меньшего напряжения зарядится конденсатор С4.
При низких частотах вращения коленчатого вала двигателя конденсатор С4 успевает зарядиться до напряжения, превышающего опорное (см. рис. 5, а), в результате на выходе 5 микросхемы А1 появляется последовательность положительных импульсов. Эти импульсы выпрямляются (диод V11 и конденсатор С6) и через резистор R17 поступают на вход триггера Шмитта, удерживая его во втором неустойчивом состоянии. Транзисторы V15, V17 остаются открытыми, и напряжение питания продолжает поступать к электромагнитному клапану и светодиоду.
При увеличении частоты вращения вала двигателя длительность положительных импульсов на коллекторе транзистора V3 уменьшается (см. рис. 5, б), следовательно, уменьшается и время зарядки конденсатора С4. Теперь он успевает зарядиться до меньшего напряжения. Длительность импульсов на выходе 5 микросхемы А1 уменьшается, уменьшается и положительное напряжение, поступающее от выпрямителя V11C6 на вход триггера Шмитта. Однако триггер до определенного уровня входного напряжения остается во втором неустойчивом состоянии, и электромагнитный клапан и светодиод не обесточиваются. При дальнейшем увеличении частоты наступает момент, когда напряжение на конденсаторе С4 не успевает достичь опорного напряжения (см. рис. 5, в), и положительное напряжение на входе триггера Шмитта исчезает. Триггер переключается в основное устойчивое состояние. Транзистор V13 закрывается, a V14 открывается током в его базу через резистор R21. Транзистор V16 открывается коллекторным током транзистора V14 в его базу через резистор R25, а транзисторы V17 и V15 закрываются. Электромагнитный клапан и светодиод обесточиваются. Точность работы тахометрического устройства обеспечивается тем, что зарядка конденсатора С4 и питание делителя опорного напряжения R11 R12 производится от одного и того же и притом стабилизированного источника питания — стабилитрона V10, а также соответствующим выбором типа конденсатора С4.
Цепь, состоящая из транзистора V15, диода V12 и резисторов R13, R14, служит для получения заданной глубины гистерезиса характеристики тахометрического устройства. Когда электромагнитный клапан и светодиод обесточены, транзистор V15 закрыт, диод V12 тоже закрыт, и эта цепь не оказывает влияния на работу тахометрического устройства. Когда же, при уменьшении частоты, транзистор V15 открывается, резистор R13 через диод V12 и переход коллектор—эмиттер открытого транзистора V15 подключается параллельно резистору R12, вследствие чего величина опорного напряжения на входе 9 микросхемы А1 уменьшается и переключение схемы (подача питания на электромагнитный клапан и светодиод) происходит теперь уже при большей частоте. С помощью переменного резистора R9 выставляется частота включения электромагнитного клапана и светодиода «n» — при уменьшении частоты вращения вала двигателя, а с помощью переменного резистора R13 — величина гистерезиса «дельта n».
Диоды V8, V9 ограничивают напряжение между входами микросхемы А1 на допустимом уровне.
Устройство временной задержки (УВЗ) состоит из времязадающей цепи C5R18R20, триггера Шмитта на транзисторах V20, V21 и электронного ключа на транзисторах V22, V23, причем триггер Шмитта и электронный ключ такие же, как и в тахометрическом устройстве.
Устройство временной задержки работает следующим образом. Допустим, что контакты микровыключателя MB разомкнуты. Тогда, после включения питания, триггер Шмитта устанавливается в основное устойчивое состояние—транзистор V20 закрыт, а V21 открыт. Следовательно, открыт также транзистор V22, а транзистор V23 закрыт. Напряжение к электромагнитному клапану и светодиоду от устройства временной задержки не поступает. После замыкания контактов MB (t1 на рис. 3) конденсатор С5 быстро заряжается через низкоомный резистор R15, и транзистор V20 триггера открывается током базы через резисторы R15, R18, R20. Триггер переключается во второе неустойчивое состояние. Транзисторы V21, V22 закрываются, а V23 открывается. Таким образом, напряжение на электромагнитный клапан и светодиод поступает сразу же после замыкания контактов MB. При размыкании же контактов MB (t2 на рис. 3) триггер переключается в основное устойчивое состояние не сразу. Конденсатор С5 в течение некоторого времени разряжается через резисторы R18, R20 и переход база— эмиттер транзистора V20, удерживая его в течение некоторого времени в открытом состоянии. Следовательно, момент открывания транзисторов V21, V22 и запирание транзистора V23 задерживается и происходит примерно через 0,5 с после размыкания контактов микровыключателя MB (t2 на рис. 3). О смысле этой задержки говорилось выше. Величину задержки можно регулировать с помощью переменного резистора R18.
Наличие триггеров Шмитта в тахометрическом устройстве и устройстве временной задержки позволяет
повысить достоверность контроля за работой системы — благодаря им напряжение на электромагнитный клапан и светодиод поступает скачком, и загорание светодиода однозначно показывает, что электромагнитный клапан сработал (если он, конечно, исправен). Отпускание клапана происходит в момент погасания светодиода.
Диод V19 устраняет выбросы напряжения, возникающие в обмотке электромагнитного клапана при разрыве тока, тем самым предохраняя транзисторы V17 и V23 от пробоя.
Конструкция и детали. Конструкция электронного блока показана на рис. 6.
Рис. 6. Чертеж кронштейна для установки микровыключателя
Корпус блока изготовлен из листового дюралюминия толщиной 1,5 мм и состоит из двух частей: основания 1 и крышки 2. Основание имеет две лапки с отверстиями диаметром 6 мм, расположенные на расстоянии 60 мм, что позволяет закрепить блок на автомашине без сверления дополнительных отверстий, используя саморезные винты, крепящие штатные реле (например, реле РС-752 на модели ВАЗ-2106).
На боковой стенке основания имеется отверстие диаметром 8 мм, снабженное резиновой втулкой, через которое выходит жгут проводов. В нижней части основания имеется четыре отверстия диаметром 2 мм для крепления печатных плат. Два отверстия с резьбовыми втулками М2 в верхней части основания служат для ввинчивания винтов, крепящих крышку. В крышке имеются три отверстия для переменных резисторов R9, R13, R18.
Все детали, кроме переменных резисторов, расположены, на двух печатных платах типа «шахматное поле». На нижней плате собрано тахометрическое устройство, а на верхней — устройство временной задержки.
Переменные резисторы применены типа СПО-0,5. Конденсаторы С1, С2, С3 могут быть любого типа на напряжение не менее 25 В. Конденсатор С4 типа К73П-3 на 160 В. От качества этого конденсатора зависит термостабильность ТХУ. Конденсаторы С5 и С6 типа К53-1 на напряжение 15 В. Выводы блока 2, 4, 5 — стандартные автомобильные вилки Х2, Х4, Х5, а вывод 3 — специальный штекер-переходник Х3, состоящий из вилки и штыря, который можно изготовить из стандартной вилки, припаяв к ней П-образную пластинку-штырь. Вывод 1 оканчивается пружинным зажимом X1 типа «крокодил», зубья которого нужно спилить, чтобы не разрушать изоляцию высоковольтного провода.
Микровыключатель МВ — МП 10. Он устанавливается с помощью двух винтов М2 на специальном кронштейне, который закрепляется на шпильках крепления карбюратора.
Светодиод устанавливается на кронштейне.
Налаживание правильно собранного из исправных деталей прибора сводится лишь к установке соответствующих значений частоты включения электромагнитного клапана n, гистерезиса характеристики тахометрического устройства дельта n и величины временной задержки t.
Для налаживания блока требуется источник питания постоянного тока с напряжением 13... 14 В и током не менее 150 мА и какой-либо генератор прямоугольных импульсов с частотой от 20 до 100 Гц и амплитудой импульсов не менее 5 В (например, Г5-50, Г5-75 и т. п.).
«Плюс» источника подключают к штырю вывода Х3, а «минус» — к корпусу- блока. Между выводом Х4 и корпусом подключают обмотку электромагнитного клапана карбюратора или эквивалентный ей постоянный резистор сопротивлением 90... 100 Ом на 2 Вт. К выводу Х5 подключают анод фотодиода, а между выводом Х2 и гнездом вывода Х3 включают замыкающие контакты микровыключателя. Генератор импульсов подключают между корпусом блока, и выводом X1. Сопротивление резистора R1 на время налаживания уменьшают до 5... 10 кОм. Движки переменных резисторов R9 и R13 устанавливают в среднее положение, a R18 — в крайнее левое по схеме рис. 4.
Включают питание и от генератора импульсов подают сигнал частотой 5...10 Гц с амплитудой 5... 10 В. Светодиод должен гореть. Если он не горит, вращением оси переменного резистора R9 добиваются, чтобы он зажегся, иначе — блок неисправен, произошла ошибка при сборке или использованы неисправные элементы.
Затем увеличивают частоту импульсов генератора до тех пор, пока светодиод не погаснет, и, наоборот, плавно уменьшают ее до зажигания светодиода. Изменяя сопротивление переменного резистора R9, добиваются, чтобы светодиод зажигался при частоте 40± 1 Гц. Увеличение сопротивления резистора R9 уменьшает частоту зажигания светодиода.
После этого, изменяя значение резистора R13, добиваются, чтобы светодиод (при увеличении частоты) погасал при частоте 53±1 Гц, т. е. чтобы гистерезис характеристики был в пределах нормы. Уменьшение сопротивления резистора R13 увеличивает зону гистерезиса, а увеличение — уменьшает. Правильно отрегулированное тахометрическое устройство должно иметь частотную характеристику, показанную на рис. 2. В случае необходимости частоты градуировки можно рассчитать по формуле
F=n/30,
где F — частота вращения вала двигателя в об/мин.
Регулировку ТХУ можно также производить непосредственно на автомобиле, пользуясь имеющимся на моделях ВАЗ-2103, 2106, 21021 тахометром. Однако такой способ менее точен и более трудоемок.
Работу устройства временной задержки проверяют следующим образом. Частоту от генератора импульсов увеличивают до тех пор, пока светодиод не погаснет (n>1600 об/мин), после чего нажимают на кнопку микровыключателя. Светодиод сразу же должен зажечься. При отпускании кнопки светодиод должен погаснуть не сразу, а примерно через 0,3...0,5 с. Величину задержки можно регулировать переменным резистором R18. При его уменьшении задержка уменьшается. Регулировку величины задержки производят после установки прибора на автомобиле, о чем будет сказано ниже.
Установка на автомобиле. Электронный блок устанавливают под капотом на правом крыле автомобиля, сзади реле РС-752, и закрепляют самонарезными винтами этого реле (вместе с ним).
Кронштейн с микровыключателем крепится на шпильках крепления карбюратора с помощью штатных гаек. Кронштейн должен быть установлен таким образом, чтобы при отпущенной педали акселератора рычаг дроссельной заслонки давил бы на кнопку микровыключателя, не смещая его корпус. При этом контакты микровыключателя должны быть разомкнуты. При малейшем нажатии на педаль акселератора контакты микровыключателя должны замыкаться. Положение микровыключателя относительно рычага дроссельной заслонки регулируется передвижением самого кронштейна относительно шпилек и микровыключателя относительно кронштейна после ослабления соответствующих гаек и винтов. Кроме того, консольную часть кронштейна с микровыключателем подгибая можно перемещать вниз или вверх.
Подключение выводов блока производится в соответствии со схемой рис. 4.
Пружинный зажим X1 надевают на изоляцию центрального высоковольтного провода, идущего от катушки зажигания к распределителю. Гнезда выводов Х2 и Х3 подключают к выводам микровыключателя, причем полярность подключения не имеет значения. Штырь вывода Х3 подключают к гнезду провода, снятого с электромагнитного клапана. Гнездо вывода Х4 надевают на штырь электромагнитного клапана. Гнездо вывода Х5 соединяют с анодом светодиода, катод которого подключают к массе. Светодиод устанавливают в салоне автомобиля на приборном щитке таким образом, чтобы он был в поле зрения водителя (например, между спидометром и тахометром на специальном кронштейне, который закрепляют гайкой втулки троса спидометра дневного пробега). Когда светодиод не горит, топливная смесь в карбюратор не поступает. Наблюдая в процессе движения автомобиля за светодиодом, водитель может выбрать оптимальный режим движения, обеспечивающий максимальную экономию топлива.
Проверка и регулировка системы на автомобиле производится при прогретом двигателе с полностью открытой воздушной заслонкой карбюратора.
Одновременно с включением зажигания должен загореться светодиод и продолжать гореть после пуска
двигателя и работе его на холостом ходу (n = 700... 1000 об/мин) при отпущенной педали акселератора. Затем, нажимая на педаль акселератора, устанавливают частоту вращения вала двигателя 2000...2500 об/мин и резко отпускают педаль. Светодиод не должен гаснуть, и двигатель не должен глохнуть. После этого С помощью переменного резистора R18 (t) уменьшают величину
временной задержки до тех пор, пока светодиод при резком отпускании педали акселератора не будет кратковременно гаснуть. При этом двигатель может глохнуть или работать некоторое время неустойчиво. С точки зрения экономии горючего, величина временной задержки должна быть минимальной, однако такой, чтобы двигатель при резком отпускании педали акселератора не глох.
Затем проверяют работу системы при движении автомобиля. Разгоняют автомобиль на прямой передаче до скорости, соответствующей 2500...3000 об/мин вала двигателя. Светодиод должен при этом гореть. Затем отпускают педаль акселератора и, наблюдая эа показаниями тахометра, двигаются по инерции с включенной передачей и сцеплением. Через 0,3...0,5 с после отпускания педали акселератора светодиод должен погаснуть и зажечься лишь при снижении частоты примерно до 1200oб/мин.
Экономия топлива, получаемая при установке описываемой системы, во многом зависит от стиля езды водителя, от того, насколько полно используется режим принудительного холостого хода. Наличие светодиода на панели (когда светодиод не горит, двигатель топлива не потребляет) позволяет водителю максимально использовать этот режим.
В заключение следует отметить, что если при установке ЭПХХ доработать карбюратор, как это описано в [3], перенеся электромагнитный клапан в нижнюю часть системы холостого хода с тем, чтобы он перекрывал не только топливный жиклер, но и всю систему холостого хода, исключая тем самым ее продувку в режиме ПХХ через воздушный жиклер, то устройство временной задержки УВЗ делается ненужным и микровыключатель MB подсоединяется непосредственно к электромагнитному клапану. Эффективность ЭПХХ при этом возрастает.
ВРЛ №86
Литератуpa
1. Банников В., Янковский А. Экономайзер для автомобильного двигателя.—Радио, 1982, № 11, с. 27—28.
2. Осипов Г., Яковлев Г. ВАЗ-2105. Система питания.— За рулем, 1980, № 12, с. 16.
3. Моисеевич 3. А. ЭПХХ в работе.—За рулем, 1983, № 7, с. 6—7.
|
