Разработка автомобильного стробоскопа

Автомобилистам хорошо известно, насколько важна правильная установка начального момента зажигания, а также исправная работа центробежного и вакуумного регуляторов опережения зажигания. Неправильная установка момента зажигания всего на 2—3° и неисправности регуляторов могут явиться причиной повышенного расхода топлива, перегрева двигателя потери мощности и могут даже сократить срок службы двигателя.

Автомобильный стробоскоп позволяет упростить обслуживание системы зажигания. С его помощью даже малоопытный автолюбитель может в течение 5÷10 мин проверить и отрегулировать начальную установку момента зажигания, а также проверить исправность центробежного и вакуумного регуляторов опережения.

Работа стробоскопа основана на так называемом стробоскопическом эффекте. Суть его состоит в следующем: если осветит движущийся в темноте объект очень короткой яркой вспышкой, он зрительно будет казаться как бы неподвижно “застывшим’ в том положении, в каком его застала вспышка. Освещая, например, вращающееся колесо вспышками, следующими с частотой, равной частоте его вращения, можно зрительно остановить колесо, что легко заметить по положению какой - либо метки на нем.

Для установки момента зажигания запускают двигатель на холостые обороты и стробоскопом освещают специальные установочные метки. Одна из них – подвижная – размещена на коленчатом валу (либо на маховике, либо на шкиве привода генератора), а другая — на корпусе двигателя. Вспышки синхронизируют с моментами искрообразования в запальной свече первого цилиндра, для чего емкостный датчик стробоскопа крепят на ее высоковольтном проводе.

В свете вспышек будут видны обе метки, причем, если они находятся точно одна против другой, угол опережения зажигания оптимален, если же подвижная метка смещена, корректируют положение прерывателя – распределителя до совпадения меток.

Основным элементом прибора является импульсная безынерционная стробоскопическая лампа, вспышки которой происходят в моменты появления искры в свече первого цилиндра двигателя. Вследствие этого установочные метки, нанесенные на маховике или шкиве коленчатого вала, а также другие детали двигателя, вращающиеся или перемещающиеся синхронно с коленчатым валом, при освещении их стробоскопической лампой кажутся неподвижными. Это позволяет наблюдать сдвиг между моментом зажигания и моментом прохождения поршнем верхней мертвой точки на всех режимах работы двигателя, т. е. контролировать правильность установки начального момента зажигания и проверять работоспособность центробежного и вакуумного регуляторов опережения зажигания.

1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРОБОСКОПОВ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ

Рассмотрим три стробоскопа обладающих различными функциями и по ним составим сравнительную таблицу.

Таблица 1.1 – Стробоскопы

Из таблицы видно, что стробоскоп Focus F10 обладает самой большой функциональностью. Большая часть функций данного стробоскопа для рядового автовладельца будет излишний. Данные функции включены в стоимость стробоскопа, следовательно, произойдет переплата.

Стробоскоп Astro M5 обладает также излишней функциональностью и высокой стоимостью.

Стробоскоп MULTITRONICS SC-10 обладает следующими преимуществами:

а) непрерывное время работы;

б) малый потребляемый ток.

Но с помощью него нельзя померить угол опережения зажигания (УОЗ), определить количество оборотов и померить напряжение аккумуляторной батареи.

Выделим основные функции среди стробоскопов:

1) измерение напряжения;

2) измерение количества оборотов двигателя;

3) измерение УОЗ.

Необходимо разработать стробоскоп, который будет обладать основными функциями и отличаться от представленных легкостью восприятия на жидкокристаллическом модуле (ЖКМ) информации.

2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПОРЯДОК РАБОТЫ СТРОБОСКОПА

Автомобильный стробоскоп с регулируемой задержкой предназначен для проверки регулировки и измерения угла опережения зажигания, измерения оборотов двигателя, а также для проверки работоспособности центробежного и вакуумного регуляторов опережения зажигания автомобильных карбюраторных двигателей.

2.1 Подготовка к работе

Провод стробоскопа с черным зажимом присоединить к “массе” автомобиля.

Провод с красным зажимом присоединить к плюсовой клемме аккумулятора или к клемме катушки зажигания на которой появляется напряжение +12 вольт при включении зажигания (например +б для “классики”).

Провод с белым (желтым) зажимом подключить к клемме катушки зажигания, соединенной с механическим прерывателем или электронной системой зажигания. В случае установки прибора на автомобиль оборудованный нештатной системой зажигания (например, многоискровой), подключение провода с белым (жёлтым) зажимом осуществляется непосредственно с выходом механического прерывателя или датчиком холла.

При невозможности соединения с сигналом прерывателя (коммутатора) используется емкостной синхронизатор на высоковольтном проводе свечи первого цилиндра в непосредственной близости от неё.

2.2 Подготовка автомобиля к проверке

Необходимо проверить и если это необходимо отрегулировать зазор между контактами прерывателя. Проверить наличие меток для установки зажигания поставленных заводом изготовителем. Очистить метки от грязи, при необходимости зачистить область метки на шкиве шкуркой или провести мелом по метке. Протереть сухой тряпкой высоковольтный провод 1-го цилиндра, а также центральный высоковольтный провод катушки.

 Прогреть двигатель и отрегулируйте обороты холостого хода при помощи встроенного цифрового тахометра, установив их штатными.

Подключение стробоскопа производится при остановленном двигателе и выключенном зажигании.

2.3 Программирование режима работы тахометра

Подключить прибор в соответствии c пунктом 2.2.

При наличии соединения с сигналом прерывателя (коммутатора) позволит измерять обороты и регулировать угловую задержку классического четырехцилиндрового четырехтактного двигателя с одной катушкой зажигания имеющему два импульса на выходе прерывателя за один оборот колен вала.

В случае, если подключение осуществляется только емкостным синхронизатором, то одному импульсу на высоковольтном проводе свечи первого цилиндра соответствует два оборота коленвала.

2.4 Порядок работы

Измерение оборотов холостого хода, а так же проверку и измерение угла опережения зажигания и работы регуляторов угла опережения зажигания производите только на прогретом двигателе в следующей последовательности:

1) подключить стробоскоп согласно пункту 2.1;

2) проверить правильность установки начального угла опережения зажигания. Для этого необходимо запустить двигатель и при штатных оборотах холостого хода нажать на кнопку осветить лучом стробоскопа установочные метки. При правильной установке зажигания и устойчивой работе двигателя метка на шкиве двигателя вследствие стробоскопического эффекта будет казаться неподвижной и совпадать с меткой на корпусе двигателя. При несовпадении меток необходимо остановить двигатель, ослабить винт (или гайку) крепежной скобы распределителя, повернуть корпус распределителя влево или вправо на необходимую величину и повторите проверку. При совпадении меток закрепить корпус распределителя. Если при проверке положение подвижной метки в луче стробоскопа не стабильно, это может быть вызвано чрезмерным износом деталей привода распределителя, втулок приводного валика, заеданием рычага прерывателя на оси;

3) для проверки работы центробежного регулятора опережения зажигания необходимо отсоедините трубку вакуумного регулятора от распределителя. Плавно увеличивать скорость вращения коленчатого вала двигателя и наблюдать за положением метки освещаемой стробоскопом. При исправной работе центробежного регулятора подвижная метка должна плавно смещаться относительно неподвижной в сторону увеличения угла опережения зажигания. При неисправном регуляторе смещение метки будет отсутствовать или происходить рывками. В этом случае распределитель нужно отремонтировать или заменить на исправный;

4) для проверки работы вакуумного регулятора опережения зажигания необходимо установить обороты двигателя, соответствующие наибольшему центробежному регулированию и, наблюдая за положением метки, подключить трубку вакуумного регулятора. В случае исправности последнего подвижная метка должна отклониться в сторону противоположную вращению. Если метка остается в той же точке, то нужно проверить камеру разряжения распределителя и соединительную трубки. Возможными причинами неисправностей может быть неплотное соединение, засорение, трещины в трубке;

5) измеряемый параметр индицируется на дисплее прибора. Для того чтобы перейти на необходимую опцию измерений необходимо сначала нажать на кнопку «Режим». Если необходимо знать напряжение бортовой сети то нужно нажать на кнопку «Выбор» один раз; для того чтобы измерить количество оборотов двигателя необходимо нажать на кнопку «Вверх» два раза тем самым произведется выход в режим «Тахометр». а для того чтобы перейти в режим «Стробоскоп» необходимо нажать на кнопку «Вверх» три раза. Данный алгоритм реализован в блок схеме;

6) для перехода в режим «Стробоскоп» необходимо нажать на кнопку «Вверх» три раза. Для измерения угла опережения необходимо циклически перебирать последовательность от 0 до 40. Каждое изменение на единицу соответствует одному градусу.

Изменяя задержку и наблюдая стробоскопический эффект добиваемся совмещения установочной метки и метки верхней мертвой точки (ВМТ) на валу двигателя. Цифра на дисплее прибора в момент совмещения меток будет соответствовать углу опережения зажигания.

При нахождении прибора в режиме управляемой задержки, вспышка стробоскопа происходит в соответствии с индицируемой в градусах задержкой.

Для выхода из режима «Стробоскоп» нужно нажать на кнопку «Режим» и на дисплеи появится надпись «Работа»

Точные измерения угла опережения зажигания гарантированы только при стабильном измерении оборотов (разброс в показаниях тахометра не более 10-20 оборотов в минуту, например перед измерением угла тахометр стабильно показывает 750 ÷760), поэтому если показания тахометра скачут, перед измерением угла нужно добиться устойчивых показаний тахометра.

Погрешность П, в град. при измерении угла определяется формулой 2.1

  (2.1)

α – угловая задержка, в градусах;

Δω – разброс показаний тахометра, об/мин;

ωср - усредненные показания тахометра, об/мин

Погрешность установки угловой задержки и соответствующее ей визуальное “дрожание” метки напрямую связано с нестабильностью оборотов двигателя.

2.5 Временные диаграммы работы управления углом опережения зажигания

При скорости вращения равной скорости холостого хода метка на шкиву совпадает с меткой на двигателе (если исправно работает прерыватель – распределитель).

Если скорость вращения стала больше скорости холостого хода, то метка на шкиву плавно сместится в сторону противоположную вращению на угол α.

Для того чтобы определить угол α необходимо сместить вспышки на эту величину. Далее микроконтроллер обрабатывает входную информацию и выдает числовое значение угла на дисплеи.

3. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

В качестве излучающих элементов могут использоваться как мощный светодиод, так и импульсная лампа - вспышка. В зависимости от выбранной модификации будут различаться системы питания этих элементов.

3.1 Принципиальная электрическая схема стробоскопа со светодиодом

В принципиальной электрической схеме в качестве излучающего элемента используется мощный светодиод. Он обеспечивает узконаправленный луч высокой интенсивности, что позволяет контролировать работу системы зажигания во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя.

Для синхронизации вспышек с моментом искрообразования использован емкостной датчик (6).

Основная часть стробоскопа - микроконтроллер DD1.

По фронту сигнала на входе PD2, микроконтроллера на его выходе PA1 формируется импульс высокого уровня в результате открывается транзистор VT1, в цепь коллектора которого включен излучатель - светодиод VD1.

Использованный светодиод LXHL-LW3C серии "STAR" фирмы LUMILEDS обеспечивает световой поток 65 Лм. При токе 700 мА прямое падение напряжения на нем около 3,7 В, максимально допустимый ток - 1 А. Даже кратковременное превышение этого значения может необратимо повредить светодиод, поэтому последовательно с ним включен токоограничивающий резистор R1. Диод VD1 защищает прибор от ошибочной перемены полярности напряжения питания.

Управляющая программа микроконтроллера формирует импульсы, длительность которых равна приблизительно 1,3 мс. Например, 3000 об/мин соответствует частоте искрообразования 25 Гц, период импульсов в этом случае равен 40 мс, а длительность вспышки приблизительно 1,3 мс для емкостного датчика.

Учитывая, что микроконтроллер работает в условиях мощных электромагнитных помех, его неиспользуемые выводы соединены с общим проводом, а вывод RESET подключен непосредственно к источнику питания +5 В.

Светодиод LXHL-LW3C имеет угол излучения 140 град, но для серии "STAR" фирма LUMILEDS выпускает линзу-коллиматор LXHL-NX05, применение которой позволяет получить световой пучок с углом 10 град.

Кнопки SB1, SB2, управляют работой стробоскопа. SB1 – разрешает работу стробоскопу, SB2 –осуществляет выбор между режимами работы стробоскопа.

Через разъем ХР1 на входы контроллера (PD1, PD4)поступают дискретные информационные сигналы, которые подлежат дальнейшей логической обработке и в зависимости от выбранной функции пользователем (тахометр или стробоскоп), выдается результат на жидкокристаллический модуль по восьми битной шине данных.

С вывода порта РА1 поступает последовательность импульсов идущих на светодиод стробоскопа.

От аккумулятора аналоговый сигнал поступает на вход цифро-аналового преобразователя (АЦП) контроллера (РА0). После логической обработки этого сигнала результата выдается на ЖКМ.

Конденсатор С4 обеспечивает аппаратный сброс контроллера при включении питания. При отсутствии напряжения или его пропадании конденсатор С4 оказывается разряженным. После появления напряжения питания на контакте RESET микроконтроллера удерживается низкий уровень до тех пор, пока конденсатор С4 не зарядится через резистор.

Для АЦП используется внешний источник опорного напряжения к которому подключен фильтр (L1С5) для повышения помехозащищенности.

Для регулировки подцветки ЖКМ используется резистор R8.

Резистор R12 необходим для управления контрастностью ЖКМ.

3.2 Принципиальная электрическая схема стробоскопа с лампой вспышкой

Импульсные лампы обеспечивают высокую яркость вспышек, но имеют ограниченный срок службы и требуют источника повышенного напряжения.

3.2.1 Физические принципы построения ламп-вспышек

Принцип работы любой лампы-вспышки основан на явлении отдачи мощного светового импульса инертным газом в момент прохождения через него импульса тока большой величины (11). В качестве рабочего наполнителя для ламп-вспышек часто используются такие газы, как ксенон и криптон. Ксеноновые лампы-вспышки предназначены для использования в фотографических аппаратах, высокоскоростных копирах, стробоскопах и т. д. Лампы, в которых наполнителем служит криптон, предназначены в основном для использования в схемах накачки лазеров.

3.2.2 Конфигурация ламп-вспышек

Лампа-вспышка конструктивно представляет собой баллон из кварцевого или боросиликатного стекла, заполненный под высоким давлением инертным газом ксеноном или криптоном. В баллон впаяны два электрода – анод и катод. На внешней стороне баллона наносится полоска токопроводящего покрытия, к которому присоединяется третий — поджигающий электрод.

Часто функции поджигающего электрода выполняют несколько витков тонкой проволоки, намотанной на баллон снаружи.

Формы баллона бывают самые различные: дугообразные, кольцевые, спиральные и т. д.

Устройство лампы-вспышки показано на рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 – Устройство лампы-вспышки

Вне зависимости от материала используемого стекла и электродов, лампы-вспышки имеют три основных конструктивных характеристики, определяющих степень их применения. К таким параметрам относятся:

1) расстояние между внутренними электродами (e);

2) внутренний диаметр колбы (r);

3) используемый газ.

Соотношение этих величин определяет длительность разряда, интенсивность светового излучения и, соответственно, сферу применения. Так, например, если отношение e/r<5, лампы будет иметь короткую разрядную дугу и высокую интенсивность излучения, если же это соотношение находится в пределах 10<e/r<20, лампа будет обладать большим внутренним сопротивлением и длительной фазой разряда.

3.2.3 Разрядная характеристика

Процесс вспышки можно условно разделить на две основные фазы: фазу поджига и фазу разряда. На рисунке 3.6 приведена разрядная характеристика, поясняющая процессы, происходящие в лампе.

В момент подачи напряжения на поджигающий электрод напряжение между анодом и катодом лампы максимально и равно значению, до которого заряжен разрядный конденсатор. По мере ионизации газа внутри лампы происходит постепенное снижение напряжения между анодом и катодом при незначительном увеличении анодного тока, что является следствием постепенного образования ионной дорожки между электродами внутри лампы. В какой-то момент времени внутреннее сопротивление лампы достигнет такого предела, при котором произойдет резкое увеличение анодного тока и разряд конденсатора, иными словами, наступает электрический пробой. Внутри лампы в этот момент происходит образование плазмы, разогретой до температуры 7000÷10000 К, и высвобождение яркого светового импульса с длительностью от 10 мкс до 10 мс. Сопротивление лампы в этот период времени составляет примерно 0,1÷5 Ом. Процесс образования плазмы показан на рисунке 3.5.

По мере разряда конденсатора происходит уменьшение анодного напряжения при постепенном снижении разрядного тока, что ведет к прекращению процесса. Вспышка продолжает «гореть», пока напряжение на лампе не упадет до уровня гашения.

Такой процесс генерации светового импульса является разовым и краткосрочным по времени своего действия. Для его возобновления необходимо повторение описанных выше фаз.

3.2.4 Световая энергия вспышки

Световая энергия определяется произведением светового потока вспышки на ее длительность и косвенно может быть выражена электрической энергией заряженного конденсатора W, Дж:

 (3.1)

где С — емкость конденсатора, Ф;

U — напряжение, до которого заряжается конденсатор, В.

Таким образом, изменять световую энергию (мощность) вспышки можно путем увеличения емкости накопительного конденсатора или изменением напряжения на лампе. При этом необходимо учитывать, что электрическая энергия заряда конденсатора может превышать аналогичный параметр самой лампы не более чем на 20% (за счет потерь в соединительных проводах лампы и источника питания). Напряжение должно быть не ниже напряжения зажигания лампы и не должно приближаться к напряжению самопробоя.

3.2.5 Схема включения

Инициация вспышки происходит в момент подачи высоковольтного импульса величиной 2–20 кВ на поджигающий электрод лампы.

Импульс высокого напряжения снимается со вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора. Как правило, эти трансформаторы двухобмоточные и имеют соотношение витков первичной обмотки к виткам вторичной обмотки от 1:20 до 1:100.

Рисунок 3.2 – Типовая схема включения

Первичная обмотка имеет небольшое количество витков, предназначена для разряда «поджигающего» конденсатора и выполняется, как правило, «толстым» медным проводом.

Типовая схема включения лампы-вспышки приведена на рисунке 3.2.

Принцип работы управляющей схемы следующий. При подаче напряжения U на схему начинается заряд конденсатора C_Z через ограничивающее сопротивление R и первичную обмотку трансформатора. Одновременно с этим происходит процесс заряда накопительного конденсатора C_B.

Тиристор VS в этот момент находится в закрытом состоянии. При подаче запускающего импульса на управляющий электрод тиристора VS он открывается, тем самым замыкая разрядный конденсатор C_Z на «землю». В этот момент времени конденсатор C_Z начинает разряжаться по цепочке тиристор — «земля» — первичная обмотка трансформатора. Образуется своеобразный колебательный контур, в котором возникают затухающие гармонические колебания, частота которых зависит от параметров L и C. Вокруг первичной обмотки трансформатора возникает переменное магнитное поле, которое, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, наводит в нем ЭДС.

Величина ЭДС зависит от коэффициента трансформации и соотношения витков первичной и вторичной обмоток. Напряжение U_Z, равное единицам или десяткам киловольт и снимаемое со вторичной обмотки трансформатора, подается на поджигающий электрод лампы, тем самым вызывая разряд накопительного конденсатора C_B через лампу.

4 ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МИКРОСХЕМ

4.1 Описание модуля MT–16S2H

Жидкокристаллический модуль MT–16S2H состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели. Контроллер управляется КБ1013ВГ6, производства ОАО «АНГСТРЕМ», аналогичен HD44780 фирмы HITACHI. Модуль выпускается со светодиодной подсветкой.

Модуль позволяет отображать 2 строки по 16 символов. Символы отображаются в матрице 5*8 точек. Между символами имеется интервал в одну отображаемую точку. Каждому отображаемому на ЖКИ символу соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля.

Модуль содержит два вида памяти – кодов отображаемых символов и пользовательского знакогенератора, а также логику для управления ЖК панелью.

Недопустимо воздействие статического электричества больше 30 вольт.

Модуль позволяет:

– модуль имеет программно – переключаемые две страницы встроенного знакогенератора;

– работать как по 8 –ми, так и по 4-х битной шине данных;

– принимать команды с шины данных;

– записывать данные в ОЗУ с шины данных;

– читать данные из ОЗУ на шину данных;

– читать статус состояния на шину данных;

– выводить мигающий (или не мигающий) курсор двух типов;

– управлять контрастностью и подсветкой.

Таблица 4.1- Характеристики модуля MT–16S2H