Цифровой прибор для проверки и установки момента зажигания

Этот прибор пригодится автомобилистам, эксплуатирующим автомобили с четырёхтактными карбюраторными двигателями. В отличие от современных двигателей с непосредственным впрыском топлива, где момент зажигания смеси в цилиндре задаёт контроллер управления двигателем, не требующий периодической проверки и подстройки, в карбюраторных двига­телях в этот процесс вовлечён ряд механических устройств — прерыватель-распределитель, вакуумный и центробежный регу­ляторы. Стабильность их работы невысока, поэтому контроль правильности установки момента зажигания в различных режи­мах работы двигателя весьма актуален, особенно с учётом солидного возраста автомобилей с такими двигателями.

Прибор компактен, не содержит де­фицитных деталей, не требует налаживания и может быть легко повто­рён даже начинающим радиолюбите­лем. Он позволяет измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя, угол опережения зажигания (УОЗ), про­верять функционирование вакуумного и центробежного регуляторов УОЗ.

Как известно, в классической систе­ме зажигания четырёхтактного двигате­ля поджиг горючей смеси (далее будем использовать термин «искра») в каждом из его цилиндров производится один раз за рабочий цикл — два оборота ко­ленчатого вала. Измерение частоты вращения коленвала может быть выпол­нено одним из двух методов:

1. Подсчётом числа искр в одном цилиндре за единицу времени. Частоту вращения вычисляют как половину числа искр за минуту.
2. Измерением интервала времени t между двумя последовательными иск­рами в одном цилиндре. Это длитель­ность рабочего цикла двигателя — двух оборотов коленвала. Частоту вращения коленвала W в оборотах в минуту в этом случае вычисляют по формуле W=120/t.

Недостатком первого метода можно считать большую длительность измере­ния, ввиду чего результат приходится ждать довольно долго. Второй метод даёт результат измерения за доли се­кунды, однако его недостаток — сущест­венные флюктуации результата от измерения к измерению. Причин этому немало, например, нестабильная рабо­та регулятора УОЗ и свечей. Разброс результатов, измеренный автором в ходе работы над прибором, достигал ±10…25% среднего значения. Безу­словно, нельзя доверять результатам, полученным с такой погрешностью, да и наблюдать мелькание цифр на индика­торе утомительно. Оптимальным я счи­таю первый метод с уменьшенной дли­тельностью счёта либо второй метод с усреднением результатов нескольких измерений. По сути, это одно и то же.

Рассматриваемый прибор измеряет частоту вращения в оборотах в минуту, подсчитывая число искр в одном ци­линдре за 6 с и умножая это число на 20. Результат получается с дискретностью 20 об/мин, что вполне достаточно для правильной установки УОЗ в карбюра­торном двигателе.

Все приведённые рассуждения спра­ведливы для системы зажигания клас­сического четырёхтактного двигателя, работающего по принципу одной искры в цилиндре за рабочий цикл (два оборо­та). Однако в одно- и двухцилиндровых двигателях ситуация чаще всего иная — искры в каждом цилиндре формируются на каждом обороте коленвала. Одна из них (рабочая) — в конце такта сжатия, а вторая (холостая) — в конце такта вы­пуска. Это позволяет отказаться от до­вольно ненадёжного элемента — высо­ковольтного распределителя зажига­ния. Так сделано, например, в системе зажигания автомобиля «Ока». Прибор корректно работает с такими система­ми зажигания, обеспечивая при этом вдвое меньшую дискретность отсчёта (10 об/мин). Это же позволяет ему ра­ботать и с двухтактными двигателями.

УОЗ — один из важнейших парамет­ров, определяющий экономичность, мощность и экологичность работы дви­гателя. Для проверки правильности ра­боты вакуумного и центробежного регу­ляторов УОЗ в приборе предусмотрен стробоскоп. Запускающие импульсы для него снимают с высоковольтного прово­да свечи первого цилиндра трансформа­торным датчиком тока искрового разря­да. Проверка сводится к наблюдению за поведением нанесённых на освещаемый импульсами стробоскопа шкив коленва­ла меток при изменении положения дроссельной заслонки Полностью мето­дика такой проверки изложена в ин­струкции по эксплуатации автомобиля.

Основные технические характеристики

При измерении частоты вра­щения коленвала:

• измеряемая частота, об/мин ……… 20…6000
• дискретность отсчёта, об/мин …….. 20 (10 При одной искре в цилиндре на каждый оборот коленвала.)

При измерении угла опере­жения зажигания:

• измеряемый угол, град …. 25…0
• дискретность отсчёта, град ….. 1

Напряжение питания, В …… 7…16

Потребляемый ток (в им­пульсе), мА ….. 650.

Схема прибора представлена на рис. 1. Он построен на микроконтрол­лере ATmega168-20PU, тактируемом от внутреннего RC-генератора частотой 8 МГц. Производитель гарантирует пре­дельное отклонение этой частоты от номинальной не хуже ±3 % во всём рабочем интервале температуры, что более чем достаточно для проводимых измерений. Все функции прибора реа­лизованы программно.

Импульсы с датчика (трансформато­ра) тока Т1, надетого на высоковольт­ный провод, соединяющий распредели­тель зажигания с одной из свечей зажи­гания, поступают на вход усилителя- формирователя, состоящего из резис­торов R2, R4, R5, R9, конденсатора С2, диодов VD2 и VD3, транзистора VT2. В случае пробоя изоляции высоковольт­ного провода есть вероятность попада­ния высокого напряжения во входную цепь прибора. Для защиты элементов этой цепи от повреждений применён газовый разрядник F1 с напряжением пробоя 90 В.

Положительная полуволна сигнала с датчика открывает транзистор VT2. Спа­дающий перепад напряжения на его коллекторе инициирует запрос преры­вания INTO или INT1 (в зависимости от режима работы прибора). По запросу вызывается программная процедура, реализующая установленный режим.

Для измерения УОЗ прибор оснащён стробоскопом — импульсным источни­ком световых импульсов на светодио­де EL1 (EDEW-1LS6 мощностью 1 Вт). Микроконтроллер управляет им с помо­щью электронного ключа на транзисто­ре VT1. Для сужения светового луча на светодиод надета коллиматорная линза EDOL-AA10-М15. Она сужает луч до 10 град., что существенно увеличивает яркость светового пятна. Резистор R8 ограничивает амплитуду импульса тока светодиода.

Результаты измерений прибор ото­бражает на четырёхразрядном семи­элементном светодиодном индикаторе с общими катодами разрядов HG1 (FYQ-3641AG-11). Аноды элементов индикатора подключены к выходам РВ0—РВ6 микроконтроллера через резисторы R12—R18, ограничивающие импульсный ток элементов до 12…13 мА. Уровнями напряжения на катодах разрядов индикатора микро­контроллер управляет через ключи на транзисторах VT3—VT6, так как нагру­зочная способность выходов микро­контроллера недостаточна для непо­средственного управления ими.

Органы управления прибора — кноп­ки SB 1 и SB2, которые используют при измерении УОЗ, и переключатель режи­мов работы SA1. Перемычка S1 предна­значена для установки типа проверяе­мой системы зажигания. При искре на каждом обороте коленвала она должна быть установлена, а при одной искре на два оборота — снята.

Все узлы прибора питают стабилизи­рованным напряжением +5 В. Первич­ное питание — бортсеть автомобиля с номинальным напряжением 12 В. При­бор сохраняет работоспособность при напряжении в бортсети от 7 до 16 В. Ди­од VD1 предохраняет прибор от подачи питания в неправильной полярности.

Прибор может работать в двух режи­мах: стробоскопа-тахометра («Ч») и из­мерения УОЗ («У»).

В режиме «Ч» (переключатель SA1 в нижнем по схеме положении) прибор по информации с датчика фиксирует иск­ры в цилиндре и в момент каждой из них формирует на выходе PD7 импульс высокого логического уровня длитель­ностью около 900 мкс. Этот импульс открывает транзистор VT1, и мощный светодиод EL1 излучает световой им­пульс той же длительности. Параллель­но с этим микроконтроллер ведёт под­счёт искр и через каждые 6 с вычисляет частоту вращения коленвала, после чего выводит результат расчёта на ин­дикатор HG1.

Проиллюстрировать логику работы микроконтроллера в этом режиме с помощью линейного алгоритма сложно, потому что в его программе широко используются прерывания, процедуры обработки которых асинхронно вклиниваются в главный цикл программы. Он начинается после старта программы (рис. 2) и повторяется многократно до выключения питания прибора. В этом цикле микроконтроллер читает пере­менную N, хранящую измеренное зна­чение частоты вращения коленвала, и отображает его на индикаторе. В начале своей работы программа присваивает этой переменной значение 1234, которое и отображает­ся на индикаторе до получе­ния результата первого из­мерения, что происходит лишь по окончании форми­руемого Таймером 1 интер­вала счёта длительностью 6 с.

С началом интервала счёта программа разблоки­рует внешнее прерывание INTO и обрабатывает каждую искру, как показано на рис. 3. Поступивший с датчика искры импульс генерирует запрос прерывания INTO. Процедура его обра­ботки запрещает реакцию на следую­щие запросы этого прерывания, фор­мирует сигнал включения светодиода EL1, запускает Таймер 2, инкрементиру­ет значение переменной, хранящей число зафиксированных искр.

Запрет прерываний INTO, запросы которых могут поступить через неболь­шие промежутки времени после перво­го, необходим для обеспечения работо­способности прибора при проверке систем зажигания с «длинной» искрой и многоискровых, а также для устранения влияния колебательных переходных процессов, возникающих в высоко­вольтных узлах системы зажигания по окончании искрового разряда. Продол­жительность запрета — 10 мс с момен­та начала обработки принятого запроса.

Канал сравнения А Таймера 2 на­строен на отсчёт интервала времени 900 мкс. По его истечении он генериру­ет запрос прерывания, обработка кото­рого гасит светодиод EL1. Таймер про­должает счёт до генерации запроса прерывания каналом сравнения В, настроенным на отсчёт интервала 10 мс. Процедура обработки этого пре­рывания останавливает и обнуляет Тай­мер 2, снимает флаги внешних преры­ваний и разрешает прерывание INTO. С этого момента микроконтроллер готов к приёму и обработке сигнала следующей искры.

Описанные действия выполняются на фоне главного цикла программы, в котором происходят чтение и отображе­ние на индикаторе измеренной частоты вращения коленвала двигателя. Через 6 с после запуска канал сравнения В Таймера 1 формирует запрос прерыва­ния, процедура обработки которого рассчитывает частоту вращения и при­сваивает её значение переменной N. Сам Таймер 1 будет обнулён и переза­пущен — начнётся следующий интервал счёта искр и последующего расчёта частоты вращения коленвала.

Только при следующем повторении главного цикла программы рассчитан­ное значение частоты вращения будет прочитано из переменной N и отобра­жено на индикаторе. Учтите, что на время обработки запросов прерывания выполнение главного цикла приоста­навливается. На рис. 2 это не показано, чтобы не усложнять его.

Для точного измерения УОЗ с дис­кретностью 1 град, при любой заранее установленной частоте вращения пред­назначен режим «У» (переключатель SA1 в верхнем по схеме положении). В этом режиме микроконтроллер, имея ин­формацию о частоте вращения коленва­ла, предварительно рассчитывает вре­мя At, за которое коленвал пово­рачивается на 1 град., затем начинает фиксировать искры в цилиндре и фор­мировать на каждую из них импульс стробоскопа. Однако, в отличие от ре­жима «Ч», имеется возможность задер­живать вспышку относительно искры. Длительность этой задержки можно изменять шагами по At, увеличивая её нажатиями на кнопку SB1 и уменьшая нажатиями на кнопку SB2. Методику измерения поясняет рис. 4. На нём схематично представлен шкив коленва­ла, на котором нанесена подвижная метка. Совмещение этой метки с непо­движной меткой на блоке цилиндров означает, что поршень первого цилинд­ра находится в ВМТ.

Но если вращающийся шкив коленвала работающего двигате­ля осветить импульсами стробоскопа, которые сов­падают по времени с искра­ми в первом цилиндре, подвижная метка будет вид­на на некотором угловом расстоянии от неподвижной (рис. 4, а), равном текущему значению УОЗ.

Если теперь нажать на кнопку SB1 и этим ввести задержку формирования импульсов стробоскопа от­носительно искры на время,

за которое коленвал повернётся на один градус, подвижная метка визуаль­но переместится на градус ближе к неподвижной (рис. 4, б). Продолжая нажатия на кнопку SB1, можно добиться совмещения этих меток (рис. 4,в). «Перебор» компенсируют нажатиями на кнопку SB2. Прибор показывает на инди­каторе введённую задержку в градусах. Когда метки совмещены, число на инди­каторе равно УОЗ.

В начале работы в режиме «У» про­грамма рассчитывает задержку на гра­дус на основании значения частоты вра­щения коленвала, полученного перед этим в режиме «Ч». Затем она разреша­ет обработку прерываний INT1 и выпол­няет главный цикл, в котором отобража­ет на индикаторе значение, хранящееся в переменной n.

Реакция на искру в этом режиме — запрос прерывания INT1, процедура обработки которого, показанная на рис. 5, блокирует дальнейший приём запросов этого прерывания с той же целью, с какой блокировались запросы прерывания INTO в режиме «Ч», и запус­кает Таймер 1. Содержимое регистра ОС1А канала А Таймера 1 пользователь может изменять шагами, равными дли­тельности поворота коленвала на один градус. Через заданный таким образом интервал времени таймер генерирует запрос прерывания. Процедура его об­работки запустит генерацию импульса стробоскопа аналогично тому, как было описано при рассмотрении режима «Ч». Разница лишь в том, что будут разблокированы запросы прерывания от INT1, а не от INTO.

В режиме «У» прибор частоту враще­ния коленвала не измеряет. Поэтому её необходимо измерить в режиме «Ч», а затем перевести прибор в режим «У». Информация о частоте будет передана в процедуру измерения УОЗ автомати­чески. Так как в режиме «У» программа считает частоту вращения постоянной, любое её изменение в ходе измерения УОЗ приводит к ошибке. Относительная погрешность измерения УОЗ равна от­носительному отклонению фактической частоты в момент измерения от образ­цовой, измеренной в режиме «Ч».

Опрос состояния кнопок происходит с частотой около 1 Гц, поэтому нажи­мать на них чаще не имеет смысла. Допустимо удерживать нужную кнопку нажатой. Её действие будет повторять­ся с частотой опроса в течение всего времени удержания.

Прибор смонтирован на трёх печат­ных платах. Чертёж первой из них (ос­новной) показан на рис. 6. Чертёж пла­ты управления (находящиеся на ней две кнопки, переключатель и два резистора обведены штрихпунктирной рамкой в левом нижнем углу рис. 1) изображён на рис. 7. Справа на рис. 1 также в штрихпунктирной рамке находятся детали, размещённые на плате индикации. Её чертёж — на рис. 8.

Контактные пло­щадки плат, помеченные одинаковыми буквами, должны быть соединены между собой отрезками плоского кабеля. Столь сложная конструкция обуслов­лена стремлением автора уместить при­бор в корпусе размерами 90x50x30 мм. Платы размещены в нём, как показано на рис. 9. Если такой необходимости нет, прибор можно собрать и на одной плате.

В приборе использованы в основном компоненты для поверхностного монта­жа типоразмера 1206 (конденсатор С3 типоразмера 1210). Исключение — мик­роконтроллер DD1, интегральный ста­билизатор DA1, индикатор HG1, конден­сатор С2 и газовый разрядник F1. Кон­денсатор С2 должен иметь номиналь­ное напряжение не ниже 100 В. Кнопки SB1, SB2 — тактовые, переключатель SA1 — движковый на два положения.

Для микроконтроллера на плате установлена панель, из которой уда­лено гнездо 3. Микроконтроллер ATmega168-20PU может быть заменён на Atmega88 или Atmega328 с такими же буквенными индексами без измене­ния топологии печатной платы. Замена потребует, однако, перекомпиляции программы под соответствующий мик­роконтроллер. Конфигурацию микро­контроллера программируют в соот­ветствии с рис. 10.

Транзистор ВС847С можно заме­нить любым кремниевым структуры n-p-n с коэффициентом передачи тока базы не ниже 50. Вместо транзисторов IRLML0040 подойдут любые полевые с изолированным затвором, каналом n-типа и допустимым током стока не менее 1 А.

Вывод 3 светодиодного индикатора FYG-3641AG-11, для которого на соот­ветствующей плате нет отверстия, за­гнут параллельно плате. Упомянутый индикатор может быть заменён любым аналогичным с общими катодами раз­рядов и обеспечивающим достаточную яркость свечения при токе элемента не более 20 мА.

Интегральный ста­билизатор снабжён ребристым теплоот­водом с площадью ох­лаждающей поверх­ности 20 см². Све­тодиод EL1 укреплён на предназначенном для него теплоотводе «звезда» диаметром 19 мм.

Датчик-трансфор­матор тока Т1 изго­товлен из П-образного ферритового магнитопровода с маг­нитной проницаемо­стью 2000…3000. Размер магнитопровода особого значе­ния не имеет. Главное, чтобы в его окно мож­но было пропустить высоковольтный провод, соединяющий распределитель зажигания со свечой (это первичная обмотка), и осталось бы место для вторичной обмотки из 120 витков лакированного провода диа­метром 0,15 мм.

Эскиз конструкции трансформатора показан на рис. 11. Половины магнитопровода не склеены, а сжаты прищеп­кой, сделанной из обрезков стеклотекс­толита (рис. 12). Это позволяет легко надевать трансформатор на провод свечи и снимать его. Вполне допустимо вместо П-образного магнитопровода применить ферритовое кольцо, раско­лов его на две приблизительно равные части. Грани магнитопровода перед намоткой следует притупить, а место расположения вторичной обмотки по­крыть изолирующей плёнкой. Готовую обмотку необходимо защитить изоля­ционным лаком. Её подключают к входу усилителя-формирователя экраниро­ванным проводом длиной 50… 100 см.

Кроме индуктивного датчика, с при­бором можно использовать и гораздо более простой по конструкции, ёмкост­ный. В общем случае он представляет собой металлическую пластину, плотно прижатую к проводу свечи. Пластина и провод образуют конденсатор, через который импульсы поступают на вход прибора. От пластины датчика экрани­рованный провод должен идти к точке соединения разрядника F1, резистора R2 и конденсатора С2. Экран соеди­няют с общим проводом только со сто­роны прибора.

Плата за простоту конструкции ёмкостного датчика — его весьма низ­кая помехоустойчивость. Трансфор­матор тока реагирует практически толь­ко на изменение тока в проводе, кото­рый проходит через окно его магнитопровода, остальные электромагнитные явления, которых в моторном отсеке автомобиля более чем достаточно, его «не интересуют». Ёмкостный же датчик охотно реагирует на изменения напря­жения не только в проводе, на который он установлен, но и в других цепях Поэтому каждый экземпляр такого дат­чика требует индивидуальной подбор­ки элементов входной цепи усилите­ля-формирователя. В частности, по­стоянный резистор R2 следует заме­нить подстроечным сопротивлением 100…120 кОм, включённым по схеме реостата. Вращая его движок, добей­тесь устойчивой работы прибора, после чего замените подстроенный резистор постоянным ближайшего номинала.

Автор испытывал прибор с ёмкост­ным датчиком, сделанным из обычного зажима «крокодил», зубцы на губках ко­торого были загнуты внутрь, а пружина ослаблена, чтобы исключить поврежде­ние изоляции провода свечи. Результа­ты в целом удовлетворительные, однако датчик довольно капризен и реагирует, например, на расстояние до проводов других свечей и до корпуса двигателя.

Правильно собранный из исправных деталей прибор не требует налажива­ния (за исключением варианта с ём­костным датчиком, о чём было сказано выше). Проверить правильность сборки и функционирования прибора несложно. Для этого следует включить режим «Ч» и подключить прибор к источнику питания с напряжением 7…16 В (датчик к проводу свечи не подключать, чтобы исключить поступление импульсов на вход прибора).

После включения прибора свето­диод EL1 вспыхивать не должен. Пер­вые 6 с на индикаторе должно отобра­жаться число 1234. Если цифры следу­ют в другом порядке, то разряды инди­катора перепутаны. При искажённом начертании цифр следует искать ошиб­ки в подключении элементов индика­тора к микроконтроллеру. По истечении 6 с в младших разрядах индикатора должны появиться три нуля — этим про­веряется гашение незначащего нуля в старшем разряде.

Далее следует перевести прибор в режим «У». Индикатор должен показать минус ноль градусов, а кнопки SB1 и SB2 должны быть заблокированы. На этом проверка закончена.

Работают с прибором в сле­дующем порядке:

1. Провода питания под­ключают к зажимам аккумуля­тора.
2. Датчик искры устанавли­вают на провод свечи первого цилиндра. Это следует делать при заглушенном двигателе.
3. Запускают двигатель.

Если измеренная частота вращения при неизменном режиме работы двигателя су­щественно изменяется от из­мерения к измерению, то индуктивный датчик (транс­форматор тока) следует снять с провода свечи и установить обратно, повернув на 180°.

Если необходимо измерить УОЗ, то прибором в режиме «Ч» предваритель­но измеряют частоту вращения колен­вала, а затем переключают прибор в режим «У» и измеряют УОЗ по методи­ке, описанной выше.

Следует помнить, что в режиме из­мерения УОЗ погрешность практически полностью определяется стабильно­стью частоты вращения коленвала дви­гателя. Приемлемой максимальной по­грешностью следует считать 8… 10%, поэтому и стабильность поддержания оборотов двигателя не должна быть хуже этого значения. Если системы двигателя не обеспечивают достаточно точного поддержания частоты его вра­щения, их следует проверить, а при не­обходимости отремонтировать.

Скачать архив (Файлы печатных плат прибора и программа микроконтроллера)

Автор: А. САВЧЕНКО, пос. Зеленоградский Московской обл.
Источник: Радио №4/2016