Блок зажигания на микроконтроллере

Несмотря на повсеместное распространение впрысковых  (инжекторных) двигателей  , где приготовлением топливной смеси и моментом зажигания управляет электроника, карбюраторные двигатели с механическим регулятором опережения зажигания , вероятно еще долго будут находиться в эксплуатации.

• Полный текст описания в формате PDF

Как известно мощность, развиваемая двигателем, во многом зависит от того, на сколько угол опережения зажигания,  формируемый центробежным и вакуумными регуляторами  соответствует оптимальному углу опережения.  (Тюфяков А. Система зажигания без секретов: Сб.  Автомобилист -86-М.: ДОСААФ, 1986).

Тюфяков считает, что даже при условии нормальной работы центробежного регулятора двигатель теряет 5 -10 % мощности из-за  того, что характеристика  центробежного регулятора не соответствует оптимальной. Реально эти потери значительно больше:

• необходимо  учесть различные люфты в приводе датчика-распределителя (трамблера);
• износ подшипника, на котором крепится прерыватель (или датчик Холла в  бесконтактном варианте системы зажигания);
• изменение упругости пружин центробежного регулятора в процессе эксплуатации, его инерционность  и т.д.

главное - невозможность при помощи простого механического устройства воспроизвести кривую зависимости УОЗ сначала по границе детонации ( до 2800 мин^-1), а далее по кривой  оптимального УОЗ   ( кривые 2 и 4 на Рис.1)

Рис.1. График зависимости оптимального УОЗ из статьи А.Тюфякова "Зажигание без секретов".
1 - граница детонации для АИ-95.
2 - для АИ-92.
3 - для А-76.
4 - кривая оптимального УОЗ.
5,6,7 - характеристики центробежного регулятора при различном начальном УОЗ.

Для сокращения потерь мощности двигателя,  вследствие указанных причин, были разработаны два устройства на микроконтроллерах.

Первое устройство формирует угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя  (Рис.2).
Кривая графика УОЗ в диапазоне от 830 до 2800 мин^-1  проходит по  границе детонации для бензина АИ - 92 и двигателя ВАЗ – 2101…ВАЗ- 2107.  Далее кривая графика соответствует оптимальному углу опережения зажигания в диапазоне частот от 2800 мин^-1  до 6000 мин^-1 . 

Рис.2

Расчет характеристики производился  в Excel  , по формулам из статьи Ю. Архипова “ ЦИФРОВОЙ РЕГУЛЯТОР УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ЗАЖИГАНИЯ“ (стр.129 -149) РАДИОЕЖЕГОДНИК за 1991год.

На основании данных расчета написана программа для микроконтроллера.

Программа использует данные о предыдущем периоде импульсов зажигания для расчета угла ОЗ в текущем периоде. Расчет УОЗ,  на основе данных о периоде импульсов зажигания, позволяет использовать как прерыватель так и датчик  Холла (незначительно изменив схему устройства не меняя программы ). Работа программы  не зависит от скважности входных импульсов.
На Рис.3 - приведена принципиальная схема устройства для прерывателя ,а на Рис.4 -  для датчика Холла.
Работает устройство следующим образом - импульсы с прерывателя, после ограничения до уровня 4,7в, поступают на  вывод 6 микроконтроллера, если частота вращения коленчатого вала менее 830 мин^-1 программа микроконтроллера устанавливает на выводе 17 , уровень напряжения такой же как на выводе 6 , т.е  угол опережения равен 0  .
В случае отсутствия импульсов на входе устройства  в течении 8 секунд ( постоянный 0й  уровень на выводе 6) , программа устанавливает на выводе 17 высокий уровень , транзистор VT2 закрывается и катушка зажигания отключается .
При частоте более 830 мин^-1 , программа  формирует угол ОЗ  в зависимости от периода импульсов зажигания в соответствии с графиком на  Рис.2.

В качестве ключа (VT2 на Рис.3 или VT3 на Рис.4)  применен  транзистор КТ898А, который позволяет непосредственно  коммутировать катушку зажигания  Б117А .

Устройство собрано в  корпусе  от блока электронного зажигания. Транзистор  КТ898А изолирован от корпуса блока прокладкой из слюды . 

Сигнал на выводе 11 микроконтроллера  можно использовать для включения пневмоклапана ЭПХХ, для этого необходимо дополнительно установить транзисторный ключ.  Уровень логической 1 устанавливается на выводе 1, при снижении частоты вращения коленчатого вала до 1300 мин^-1.  

Рис.3

Рис.4

При установке устройства на автомобиль блокируется работа центробежного регулятора -  грузы  центробежного регулятора должны быть зафиксированы любым удобным способом, автор сделал это  при помощи скобок из проволоки вместо штатных пружин.

Начальный угол ОЗ должен быть равен “0”, и установлен по меткам на шкиве коленчатого вала и блоке  цилиндров .Угол замкнутого состояния контактов прерывателя , желательно установить больше чем рекомендуют инструкции по эксплуатации – около 65 градусов вместо рекомендуемых  55 (для достижения больших максимальных оборотов) .

Ниже приведена “прошивка” микроконтроллера  PIC16F84A для схем на Рис.3 и Рис.4 .

• Файл прошивки RUOZ+84.HEX

Формирователь угла опережения зажигания

Второе устройство формирует угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала  , и от разряжения во впускном коллекторе – в этом случае блокируются и центробежный и вакуумный регуляторы .
На Рис.5 приведены графики угла опережения зажигания, формируемые устройством .          

Кривая “0,9в” формируется при минимальном разряжении  (напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера  равно 0,9в, дроссельная заслонка полностью открыта ), а кривая “0,6в” формируется при максимальном разрежении. График зависимости УОЗ,  при 1/2 от максимального разрежения (кривая “0,75 в”), от 830 до 2800 мин-1, проходит по границе детонации для бензина АИ - 92 и двигателя ВАЗ – 2101…ВАЗ- 2107.  Далее кривая графика соответствует оптимальному углу опережения зажигания в диапазоне частот от 2800 мин-1  до 6000 мин-1 . Кривая “0,75 в ”  соответствует  кривым  2 и 4 на графике из статьи Тюфякова  (Рис. 1) .          

Схемы  регуляторов УОЗ  приведены на Рис.6 и Рис.7 .
Программа , в части регулировки УОЗ в зависимости от частоты вращения коленчатого вала , полностью идентична программе  первого устройства.

Здесь дополнительно введена подпрограмма коррекции формируемого УОЗ в зависимости от разряжения во впускном коллекторе двигателя . Диапазон регулировки УОЗ в зависимости от разряжения был определен в ходе испытания устройства на автомобиле .
Угол ОЗ корректируется в зависимости от напряжения на входе аналого-цифрового преобразователя  ( вывод 8 PIC16F676 ) в соответствии с графиком на  Рис.5 .

В программе так же предусмотрено ограничение диапазона регулирования  угла  ОЗ по разряжению. Угол ОЗ изменяется в пределах  указанных на Рис.5 , даже если напряжение на входе АЦП будет меньше 0,6в  или   больше 0,9в .

Работа датчика разрежения - основана на изменении индуктивного сопротивления катушки L1, при  вводе внутрь сердечника из феррита.

Датчик разрежения сделан из дополнительного  вакуумного регулятора (штатный вакуумный регулятор оставлен на двигателе, тяга его зафиксирована и шланг отбора разрежения отключен). Шланг отбора разрежения для регулятора  угла ОЗ на микроконтроллере , соединяется с патрубком отбора разряжения на карбюраторе .

Сердечник  катушки L1 связан с тягой предварительно переделанного вакуумного регулятора. К тяге вакуумного регулятора прикреплен удлинитель (стержень   из стеклотекстолита диаметром 7мм ), на котором  закреплены 1-2 ферритовых кольца 7x10x12, являющиеся  сердечником катушки L1. Ход тяги увеличен до 5,5-6мм. На катушку с вывода 3 микроконтроллера через R11
поступает переменное напряжение с частотой 1,0мгц и амплитудой около 4в. При втягивании сердечника в катушку  увеличивается индуктивное сопротивление и следовательно напряжение на  C3, это напряжение поступает на вход АЦП микроконтроллера.

Рис. 6.

Рис.7

Настройка устройства сводиться к установке на входе АЦП пределов изменения напряжения от 0,6в, при сердечнике вне катушки (максимальное разрежение во впускном коллекторе) до 0,9в при сердечнике, полностью введенном в катушку (минимальное разрежение). Это достигается  подбором ферритовых колец  (количества колец или марки феррита) и подбором резистора R8 на Рис.6 или R7 на  Рис.7 .

Катушка L1 намотана  на каркасе длиной 6мм и диаметром 12мм и имеет 80 -100 витков провода  ПЭВ-0,2 .
Устройство собрано в металлическом корпусе  от блока электронного зажигания, вакуумная камера регулятора закреплена снаружи корпуса, в корпусе просверлено отверстие для тяги вакуумного регулятора .Катушка  L1  
закреплена на плате устройства . Транзистор  КТ898А изолирован от корпуса блока прокладкой из слюды . Ниже приведена “прошивка” микроконтроллера PIC16F676 .

В блоках зажигания   не предусмотрена защита ключей на  КТ898А от короткого замыкания  .  Оба устройства  рассчитаны на работу с катушкой зажигания типа Б117А  .

Программу блока зажигания  на PIC16F676  несложно адаптировать для совместной  работы с датчиком абсолютного давления типа 45.3829 .

• "Прошивка" микроконтроллера  ruoz+676.HEX

Результаты  испытания устройств на автомобиле ВАЗ-21053 удовлетворили автора :

1. Двигатель работает ровно, без пропусков зажигания на холостых оборотах. 
2. Увеличилась мощность на низких оборотах .
3. Значительно улучшилась динамика разгона автомобиля, при разгоне двигатель уверенно набирает обороты, на педаль “газа” реагирует мгновенно, без былой “задумчивости”, исчез эффект “стенки “- когда сколько ни жми на “газ”-  обороты не увеличиваются.

Далее приведен усовершенствованный вариант блока зажигания

В схему добавлена емкость C4 , которая входит в колебательный контур L1…C4 . (Рис.8)
Это упрощает настройку датчика разрежения .
Сначала добиваемся подбором C4 максимального напряжения на C3
(резонанса в контуре C4..L1 на частоте 1,0мгц ), при сердечнике полностью введенном в катушку (минимальное разрежение , дроссельная заслонка полностью открыта).
Затем резистором R8 устанавливаем диапазон изменения напряжения на входе АЦП ( от 0,6 – до 0,9в) соответственно при сердечнике вне катушки  и сердечнике в катушке .
С этой схемой (Рис.8)  можно использовать как старую прошивку так и новую.
В новую прошивку добавлены две команды калибровки тактового RC
генератора 4,0мгц 
              CALL         03FF
              MOVWF    OSCCAL
Если у вас новый микроконтроллер , то необходимо в окне Icprog 105D
прочитать содержимое ячейки памяти программ с адресом 03FF.
Там будет записано что-то вроде 34xx .Это значение необходимо сохранить и перед программированием заносить в эту же (03FF) ячейку .

Если не сделать этого, то программа не будет работать  вообще (зациклиться).
В старой прошивке, команд  калибровки  нет, но и частота тактового генератора может отличаться от 4,0мгц  на 7-10% .

Рис.8

• "НОВАЯ" прошивка (с калибровкой тактового генератора).

Проконтролировать работу системы зажигания можно при помощи устройства  , которое позволяет измерить частоту вращения коленчатого вала двигателя ,  угол замкнутого состояния контактов прерывателя и угол опережения зажигания ,формируемый приведенными выше устройствами .

Тахометр , измеритель угла замкнутого состояния контактов прерывателя и измеритель угла опережения зажигания на PIC16F84A.

В данном устройстве при измерении частоты вращения вала двигателя  , также как и в тахометре из “Радио” № 7 за 2004г.  стр.45-46 ( автор А.Ульянов ) , используется метод измерения  периода  импульсов зажигания с дальнейшим пересчетом  в мин-1  (Рис.8) .
Тахометр дополнен функцией измерения угла замкнутого состояния контактов прерывателя и угла опережения зажигания  .
Основной режим  устройства  –  режим тахометра  ,  при нажатой кнопке “ УЗСК “  устройство измеряет угол замкнутого состояния контактов прерывателя  (от 0 до 900 по углу поворота вала трамблера ) , при нажатой кнопке   “ УОЗ “  , устройство измеряет  угол опережения зажигания ( от 0 до 1800  по углу поворота коленчатого вала двигателя ), формируемый регулятором угла ОЗ на микроконтроллере .

Вывод показаний на светодиодный дисплей происходит посегментно  (в каждый момент времени горит только один сегмент) , с гашением незначащих нулей , поэтому  устройство потребляет ток  всего около 30мА .

Тахометр-измеритель УЗСК – измеритель УОЗ  , собран на самодельной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита ,  размер платы  33*55 мм  , с одной стороны платы на предварительно нарезанных дорожках распаян светодиодный дисплей , на противоположной стороне контроллер и остальная часть схемы . Монтаж выполнен проводом МГТФ .
Тахометр подключается следующим образом : R3 к прерывателю , R6 к катодам VD3, VD4 (Рис.3) .
Работа устройства проверена на автомобиле ВАЗ-21053 . 

Рис.9

• "Прошивка" для тахометра  3_oatax.HEX

PS.   В настоящее время , на автомобиле автора работают устройства  , приведенные на Рис.8 и Рис.9 .

Литература

1. Ю. Архипов “ ЦИФРОВОЙ РЕГУЛЯТОР УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ЗАЖИГАНИЯ“(стр.129-149) РАДИОЕЖЕГОДНИК за 1991год .
2. Тюфяков А. Система зажигания без секретов : Сб. Автомобилист -86-М.: ДОСААФ ,1986 .
3. В.С.Яценков “Микроконтроллеры MicroCHIP “ практическое руководство 2-е издание Москва Горячая линия – Телеком 2005.
4. А. Долганов  “Регулятор угла ОЗ на  PIC16F84 “   РАДИО № 3 , 2006 г.