Aizdedzes spoles. 2.sērija
Laikmetā, kad cilvēki plāno doties uz Marsu, ne īpaši loģiski šķiet, ka BMW nespēj radīt stabilu un drošu dzinēja aizdedzes sistēmu. Darbojoties ar savu aizdedzes spoļu testa stendiņu, pamanīju aizdomīgas nianses spoles darbībā un nolēmu šo situāciju papētīt reālam dzinējam.
Zemāk seko tehnisks apraksts speciālistiem; ja šī sadaļa nav aktuāla, droši var pāriet uz beigām - sadaļu ''Risinājums''.
Apbruņojos ar osciloskopu un skatīju, kas notiek uz aizdedzes spoles primārās ķēdes kontakta.
BMW savos tehniskajos dokumentos Ignition strategy un BMW engine diagnosis norāda, ka homogēna degmaisījuma apstākļos lokizlāde tiek uzturēta pie 2..3kV, sākotnējais izsitiens 2 - 3 reizes virs šī līmeņa.
Tiesa gan, pat BMW dokumentā ''firing line'' ir krietni ņiprāka kā pašu norādītās 2 - 3 reizes virs (3) līmeņa.
Tad nu ķeros pie mērīšanas.
Slēguma shēma klasika, šeit-nekā interesanta:
Pirmā bilde jau parāda zināmas dīvainības.
Josla 100MHz; 2Gs
Mērogs pa vertikāli 1:10, t.i.: 1 iedaļa ir 100V.
Mērījums veikts tukšgaitā, homogēna maisījuma režīmā.
Kā redzam, lokizlādes laikā primārajā ķēdē ir 30..40V spriegums, kas pie transformācijas koeficienta 1:100 tiešām atbilst 3..4kV sekundārajā ķēdē (aptuveni atbilst BMW dokumentos minētajam, ņemot vērā, ka N53 dzinējā izmantotās sveces ir ar lielāku gaisa spraugu kā ''parastam'' dzinējam).
Taču sākotnējais izsitiens primārajā ķēdē sasniedz 380V, kas atbilst ap 38kV, jeb kādas 10(!) reizes virs lokizlādes sprieguma. Saprotams, ka šim dzinējam ir apstākļi, kad vajadzēs lielāku spriegumu lokizlādes uzturēšanai, piem., Homogenius lean režīms, kad Lambda visā degkamerā ir ap 1.5. Bet desmit reizes - tas ir daudz par šerpu, pat ņemot vērā N53 darbības nianses.
Interesants šķita fakts, kā tik augsts spriegums vispār ir iespējams - visi nosacījumi, lai sāktos lokizlāde, ir jau pie krietni zemāka sprieguma!
Iezoomojam bildi, lai redzētu detaļas:
Lūk, aizdedzes procesa sākums visā tā ''skaistumā''. Ne tuvu tāds, kā aprakstīts grāmatās! Kas tad šeit notiek?
MSD80 izejas kaskādēs izmanto Fairchild ražotos ISL9V5036 ''inteliģentos'' IGBT.
Ražotāja datasheet šeit:
ISL9V5036S3ST Datasheet
Jau paskatoties datasheet, pamanu pāris interesantas nianses:
a) pārsprieguma aizsardzības clamp slēgums ieslēgts starp tranzistora kolektoru un gate (nevis kolektoru un emiteru), kas zināmos apstākļos var būt cēlonis ģenerācijai;
b) tranzistora fall time norādīts 15us maksimālā vērtība, bet tipveida: ap 2.8us, kas ir reizes 5 mazāk. Respektīvi, šī parametra izkliede ir ļoti plaša - arī visas shēmas darbība var stipri atšķirties atkarībā no slēdža konkrētā eksemplāra (arī no temperatūras, citiem apstākļiem, piem.: vai tas ir primārais aizdedzes impulss, vai atkārtotais, u.t.t.).
Kas tad īsti notiek redzamajā attēlā?
ISLV5036 pēc pāris ms atvērta stāvokļa, kad tā Ic sasniegusi aptuveni 6..9A, no MCU saņem komandu aizvērties. Pēc Toff laika iztecēšanas (un Millera sprieguma sasniegšanas uz gate) tranzitors sāk aizvērties.
Tā kā tipveida Tfall ir salīdzinoši ātrs, pāris us laikā Uc sasniedz 350..380V, kas atbilst tranzistora aizsardzības nostrādāšanas slieksnim. Tā kā gate pa šo Toff un Tfall laiku nav paspējis izlādēties īpaši zemāk par sliekšņa (Millera) spriegumu (lielā mērā - pateicoties rezistoram no MCU, jādomā: tipveida 1K + 75R uz clamp ķēdi), tranzistora clamp ķēde nostrādā ātri (bez atkārtota Ton laika aiztures), liekot tranzistoram atkārtoti (parazītiski) vērties vaļā. Tā kā tranzistora atvēršanās notiek ar nelielu aizturi, un Ugate atkal ir uzlādēts virs atvēršanās (Millera sprieguma) sliekšņa, tranzistors nevis ierobežo spriegumu 350..380V līmenī, bet tā Uc strauji krīt līdz gandrīz 0 līmenim.
Gate šajā posmā caur rezistoru no MCU un iekšējo virknes rezistoru atkal sāk izlādēties, kas pēc pāris us aizver tranzistoru un Uc atkal sāk pieaugt.
Optimistiskais scenārijs paredz, ka nākošie 2 gab. pīķi ir pašas spoles parazītiskas rezonanses svārstības, bet tranzistors (beidzot) ir korekti aizvēries. Es neesmu tāds optimists, tāpēc domāju, ka arī šie pīķi ir ar tranzistora darbu aktīvā režīmā (clamp ķēde nav paspējusi ''aizvērties'').
Pēc aptuveni 10us beidzot sākas lokizlāde - strauji nokrīt spriegums sekundārajā ķēdē, taču lēni krītošu svārstību process turpinās.
Pirmajā brīdī varētu padomāt - tā ir primārās ķēdes bilde - nesaistītās induktivitātes izraisīts izsitiens, taču nē... Tests ''uz galda'' parādīja, ka ar strauju tranzistora aizvēršanās scenāriju tiek novērotas divu veidu dzirksteles: viena ir ar augstāku ''spriegumu'', bet plāna un ar mazāku enerģiju, otra: spēcīga, bet caursit mazāku gaisa spraugu. Palēninot tranzistora aizvēršanās laiku (bet nemainot maksimālo Uc), paliek tikai otrā - spēcīgākā dzirkstele. T.i., šis pāris us izsitiens uzreiz pēc tranzistora aizvēršanās ir novērojams arī sekundārajā ķēdē. Acīmredzot lokveida izlādes jonizēšanās laiks ir 2..3us, ja impulss ir īsāks par šo laika mirkli - nepieciešamais caursišanas spriegums būtiski pieaug.
Kādas ir sekas šādam pārejas procesam?
1. Ļoti (nepamatoti) augsts spriegums sekundārajā ķēdē pirmās pāris us: šāds spriegums demolē spoļu "pīpītes", ierosina lokizlādi sveces ārpusē un var radīt spoles bojājumus tās iekšpusē (caursistus tinumus);
2. Izejas IGBT tranzistoru papildus karšana - pirmās 10us tie strādā aktīvā režīmā, daļu spoles enerģijas pārvēršot siltumā;
3. Samazinās lokizlādei paredzētā enerģija, un tik svarīgajā tās veidošanās posmā potenciāls sekundārajā ķēdē nav stabils un augsts (bet vairākas reizes krīt stipri zemāk par optimālo).
Kāpēc šāda situācija izveidojusies?
Kopš senseniem laikiem aizdedzes spoļu vadību autoražotāji ir veidojuši ļoti primitīvi: tranzistors un spole. Viss, vairāk nekādu ''izvirtību''. Arī MSV70, tad MSV80, tad MSD80 - visiem izejas kaskādes ir identiskas. Taču aizdedzes spoles ir pat ļoti mainījušās. MSD80 izmanto spoles ar lielāku induktivitāti, lielāku transformācijas koeficientu,līdz ar to arī daudz lielāku uzkrāto enerģiju. Ja ar ''parastām'' spolēm iepriekšminētās problēmas nebija izteiktas un īpašu ļaunumu nenodarīja, tad ar N53 dzinējam paredzētajām spolēm situācija patiesībā ir katastrofāla.
Ko šajā situācijā darīt?
Testam izveidoju vienkāršu snubber ķēdi, kas sastāv no 0.15uF plēves kondensatora un 10R 4W rezistora, kas saslēgti virknē. Šo ķēdi pieslēdzu paralēli aizdedzes spoles primārajai ķēdei.
Lūk, oscilogramma pēc snubber pievienošanas:
Šeit vetikālās ass mērogs jau ir 50V/iedaļa.
Kā redzam, svārstību process ir pazudis, pirmais izsitiens ir nokritis gandrīz 2 reizes, pirmās 8..10us veidojas glīts plato, kas pēc 10us pāriet stabilā lokizlādē.
Ar šādi modificētu vienu testa cilindru nobraucu vairākas motorstundas dažādos dzinēja darbības režīmos, lai pārliecinātos, ka neseko misfire, ka snubber rezistors iztur īslaicīgās pārslodzes (kādi 500W uz pāris us katrā ciklā).
Pēc nominālu optimizēšanas izvēlējos 0.1uF 305VAC plēves kondensatoru un 3gab. 22R 2W rezistorus, saslēgtus paralēli (lai palielinātu pīķa jaudas izkliedes spēju).
Ar šādu ķēdi nedaudz pieauga izsitiens pirmajās pāris us: līdz kādiem 230..240V, taču samazinājās slodze uz snubber rezistoriem.
Protams, ir arī samazināts dU/dt pēc tranzistora aizvēršanās. Pirms snubber pievienošanas tas bija ap 200..300V/us, pēc: ap 50V/us.
Papildus tiek atslogoti IGBT to aizvēršanās fāzē. Dinamiskie zudumi tiek būtiski samazināti, jo tranzistora Ic krīt ātrāk kā I caur snubber. IGBT agrākā hard switching režīma vietā nu darbojas soft switching režīmā.
Lūk, final edition bilde reālos apstākļos:
Pirmais izsitiens ap 230V, praktiski uzreiz redzams lauziens - šajā brīdī sāk veidoties lokizlāde. Pēc tās izveidošanās svārstību process ir neizteikts un ātri rimstošs. Problēma ar tranzistora atkārtotu atvēršanos, darbu aktīvā režīmā, jaudas zudumiem un pārlieku augstu spriegumu pirmajās pāris us ir pilnībā novērsta.
Risinājums.
Vienkāršots apraksts Wikipedia:
RC snubbers
Shēma
Komponenti:
a) rezistori: ar lielu impulsa jaudu (regulāra pārlodzes spēja virs 300..500W pie 1us impulsa garuma), 2..3W vidējo izkliedi, metāla filma (wirewound - neder!). Piemēram, Vishay PR02 sērija;
b) kondensatori: ar mazu dissipation factor (0.1% pie 1kHz vai mazāk), lielu impulsa strāvu, dielektriķis: polipropilēns vai poliesteris
Komponentu izmaksas ap 5EUR 6 cilindru dzinējam.
Attēlā: augšpusē 22R 2W rezistori, apakšā: 0.1uF 305VAC kondensatori:
Visi komponenti ievietoti termoizolācijas trubiņās:
Testu procesā:
Tā viss izskatās ieinstalētā veidā. Snubberi iemesti nišās starp aizdedzes spolēm, vadi pietīti stock vadiem.
Zemāk seko tehnisks apraksts speciālistiem; ja šī sadaļa nav aktuāla, droši var pāriet uz beigām - sadaļu ''Risinājums''.
Apbruņojos ar osciloskopu un skatīju, kas notiek uz aizdedzes spoles primārās ķēdes kontakta.
BMW savos tehniskajos dokumentos Ignition strategy un BMW engine diagnosis norāda, ka homogēna degmaisījuma apstākļos lokizlāde tiek uzturēta pie 2..3kV, sākotnējais izsitiens 2 - 3 reizes virs šī līmeņa.
Tad nu ķeros pie mērīšanas.
Slēguma shēma klasika, šeit-nekā interesanta:
Pirmā bilde jau parāda zināmas dīvainības.
Josla 100MHz; 2Gs
Mērījums veikts tukšgaitā, homogēna maisījuma režīmā.
Kā redzam, lokizlādes laikā primārajā ķēdē ir 30..40V spriegums, kas pie transformācijas koeficienta 1:100 tiešām atbilst 3..4kV sekundārajā ķēdē (aptuveni atbilst BMW dokumentos minētajam, ņemot vērā, ka N53 dzinējā izmantotās sveces ir ar lielāku gaisa spraugu kā ''parastam'' dzinējam).
Taču sākotnējais izsitiens primārajā ķēdē sasniedz 380V, kas atbilst ap 38kV, jeb kādas 10(!) reizes virs lokizlādes sprieguma. Saprotams, ka šim dzinējam ir apstākļi, kad vajadzēs lielāku spriegumu lokizlādes uzturēšanai, piem., Homogenius lean režīms, kad Lambda visā degkamerā ir ap 1.5. Bet desmit reizes - tas ir daudz par šerpu, pat ņemot vērā N53 darbības nianses.
Interesants šķita fakts, kā tik augsts spriegums vispār ir iespējams - visi nosacījumi, lai sāktos lokizlāde, ir jau pie krietni zemāka sprieguma!
Iezoomojam bildi, lai redzētu detaļas:
Lūk, aizdedzes procesa sākums visā tā ''skaistumā''. Ne tuvu tāds, kā aprakstīts grāmatās! Kas tad šeit notiek?
MSD80 izejas kaskādēs izmanto Fairchild ražotos ISL9V5036 ''inteliģentos'' IGBT.
Ražotāja datasheet šeit:
ISL9V5036S3ST Datasheet
Jau paskatoties datasheet, pamanu pāris interesantas nianses:
a) pārsprieguma aizsardzības clamp slēgums ieslēgts starp tranzistora kolektoru un gate (nevis kolektoru un emiteru), kas zināmos apstākļos var būt cēlonis ģenerācijai;
b) tranzistora fall time norādīts 15us maksimālā vērtība, bet tipveida: ap 2.8us, kas ir reizes 5 mazāk. Respektīvi, šī parametra izkliede ir ļoti plaša - arī visas shēmas darbība var stipri atšķirties atkarībā no slēdža konkrētā eksemplāra (arī no temperatūras, citiem apstākļiem, piem.: vai tas ir primārais aizdedzes impulss, vai atkārtotais, u.t.t.).
Kas tad īsti notiek redzamajā attēlā?
ISLV5036 pēc pāris ms atvērta stāvokļa, kad tā Ic sasniegusi aptuveni 6..9A, no MCU saņem komandu aizvērties. Pēc Toff laika iztecēšanas (un Millera sprieguma sasniegšanas uz gate) tranzitors sāk aizvērties.
Tā kā tipveida Tfall ir salīdzinoši ātrs, pāris us laikā Uc sasniedz 350..380V, kas atbilst tranzistora aizsardzības nostrādāšanas slieksnim. Tā kā gate pa šo Toff un Tfall laiku nav paspējis izlādēties īpaši zemāk par sliekšņa (Millera) spriegumu (lielā mērā - pateicoties rezistoram no MCU, jādomā: tipveida 1K + 75R uz clamp ķēdi), tranzistora clamp ķēde nostrādā ātri (bez atkārtota Ton laika aiztures), liekot tranzistoram atkārtoti (parazītiski) vērties vaļā. Tā kā tranzistora atvēršanās notiek ar nelielu aizturi, un Ugate atkal ir uzlādēts virs atvēršanās (Millera sprieguma) sliekšņa, tranzistors nevis ierobežo spriegumu 350..380V līmenī, bet tā Uc strauji krīt līdz gandrīz 0 līmenim.
Gate šajā posmā caur rezistoru no MCU un iekšējo virknes rezistoru atkal sāk izlādēties, kas pēc pāris us aizver tranzistoru un Uc atkal sāk pieaugt.
Optimistiskais scenārijs paredz, ka nākošie 2 gab. pīķi ir pašas spoles parazītiskas rezonanses svārstības, bet tranzistors (beidzot) ir korekti aizvēries. Es neesmu tāds optimists, tāpēc domāju, ka arī šie pīķi ir ar tranzistora darbu aktīvā režīmā (clamp ķēde nav paspējusi ''aizvērties'').
Pēc aptuveni 10us beidzot sākas lokizlāde - strauji nokrīt spriegums sekundārajā ķēdē, taču lēni krītošu svārstību process turpinās.
Pirmajā brīdī varētu padomāt - tā ir primārās ķēdes bilde - nesaistītās induktivitātes izraisīts izsitiens, taču nē... Tests ''uz galda'' parādīja, ka ar strauju tranzistora aizvēršanās scenāriju tiek novērotas divu veidu dzirksteles: viena ir ar augstāku ''spriegumu'', bet plāna un ar mazāku enerģiju, otra: spēcīga, bet caursit mazāku gaisa spraugu. Palēninot tranzistora aizvēršanās laiku (bet nemainot maksimālo Uc), paliek tikai otrā - spēcīgākā dzirkstele. T.i., šis pāris us izsitiens uzreiz pēc tranzistora aizvēršanās ir novērojams arī sekundārajā ķēdē. Acīmredzot lokveida izlādes jonizēšanās laiks ir 2..3us, ja impulss ir īsāks par šo laika mirkli - nepieciešamais caursišanas spriegums būtiski pieaug.
Kādas ir sekas šādam pārejas procesam?
1. Ļoti (nepamatoti) augsts spriegums sekundārajā ķēdē pirmās pāris us: šāds spriegums demolē spoļu "pīpītes", ierosina lokizlādi sveces ārpusē un var radīt spoles bojājumus tās iekšpusē (caursistus tinumus);
2. Izejas IGBT tranzistoru papildus karšana - pirmās 10us tie strādā aktīvā režīmā, daļu spoles enerģijas pārvēršot siltumā;
3. Samazinās lokizlādei paredzētā enerģija, un tik svarīgajā tās veidošanās posmā potenciāls sekundārajā ķēdē nav stabils un augsts (bet vairākas reizes krīt stipri zemāk par optimālo).
Kāpēc šāda situācija izveidojusies?
Kopš senseniem laikiem aizdedzes spoļu vadību autoražotāji ir veidojuši ļoti primitīvi: tranzistors un spole. Viss, vairāk nekādu ''izvirtību''. Arī MSV70, tad MSV80, tad MSD80 - visiem izejas kaskādes ir identiskas. Taču aizdedzes spoles ir pat ļoti mainījušās. MSD80 izmanto spoles ar lielāku induktivitāti, lielāku transformācijas koeficientu,līdz ar to arī daudz lielāku uzkrāto enerģiju. Ja ar ''parastām'' spolēm iepriekšminētās problēmas nebija izteiktas un īpašu ļaunumu nenodarīja, tad ar N53 dzinējam paredzētajām spolēm situācija patiesībā ir katastrofāla.
Ko šajā situācijā darīt?
Testam izveidoju vienkāršu snubber ķēdi, kas sastāv no 0.15uF plēves kondensatora un 10R 4W rezistora, kas saslēgti virknē. Šo ķēdi pieslēdzu paralēli aizdedzes spoles primārajai ķēdei.
Lūk, oscilogramma pēc snubber pievienošanas:
Šeit vetikālās ass mērogs jau ir 50V/iedaļa.
Kā redzam, svārstību process ir pazudis, pirmais izsitiens ir nokritis gandrīz 2 reizes, pirmās 8..10us veidojas glīts plato, kas pēc 10us pāriet stabilā lokizlādē.
Ar šādi modificētu vienu testa cilindru nobraucu vairākas motorstundas dažādos dzinēja darbības režīmos, lai pārliecinātos, ka neseko misfire, ka snubber rezistors iztur īslaicīgās pārslodzes (kādi 500W uz pāris us katrā ciklā).
Pēc nominālu optimizēšanas izvēlējos 0.1uF 305VAC plēves kondensatoru un 3gab. 22R 2W rezistorus, saslēgtus paralēli (lai palielinātu pīķa jaudas izkliedes spēju).
Ar šādu ķēdi nedaudz pieauga izsitiens pirmajās pāris us: līdz kādiem 230..240V, taču samazinājās slodze uz snubber rezistoriem.
Protams, ir arī samazināts dU/dt pēc tranzistora aizvēršanās. Pirms snubber pievienošanas tas bija ap 200..300V/us, pēc: ap 50V/us.
Papildus tiek atslogoti IGBT to aizvēršanās fāzē. Dinamiskie zudumi tiek būtiski samazināti, jo tranzistora Ic krīt ātrāk kā I caur snubber. IGBT agrākā hard switching režīma vietā nu darbojas soft switching režīmā.
Lūk, final edition bilde reālos apstākļos:
Pirmais izsitiens ap 230V, praktiski uzreiz redzams lauziens - šajā brīdī sāk veidoties lokizlāde. Pēc tās izveidošanās svārstību process ir neizteikts un ātri rimstošs. Problēma ar tranzistora atkārtotu atvēršanos, darbu aktīvā režīmā, jaudas zudumiem un pārlieku augstu spriegumu pirmajās pāris us ir pilnībā novērsta.
Risinājums.
Vienkāršots apraksts Wikipedia:
RC snubbers
Shēma
Komponenti:
a) rezistori: ar lielu impulsa jaudu (regulāra pārlodzes spēja virs 300..500W pie 1us impulsa garuma), 2..3W vidējo izkliedi, metāla filma (wirewound - neder!). Piemēram, Vishay PR02 sērija;
b) kondensatori: ar mazu dissipation factor (0.1% pie 1kHz vai mazāk), lielu impulsa strāvu, dielektriķis: polipropilēns vai poliesteris
Komponentu izmaksas ap 5EUR 6 cilindru dzinējam.
Attēlā: augšpusē 22R 2W rezistori, apakšā: 0.1uF 305VAC kondensatori:
Visi komponenti ievietoti termoizolācijas trubiņās:
Testu procesā:
Tā viss izskatās ieinstalētā veidā. Snubberi iemesti nišās starp aizdedzes spolēm, vadi pietīti stock vadiem.
Komentāri
Ierakstīt komentāru