Электронное управление бензиновым отопителем

Бензиновые отопительные установки широко применяются на автотранспорте из-за таких положительных свойств, как автономность работы, высокая теплопроизводительность и др. Однако бензиновый отопитель автомобиля Запорожец имеет существенные недостатки, снижающие его эксплуатационные качества: значительное, до 20 А, потребление тока от аккумуляторной батареи в процессе розжига; большое время розжига, доходящее до 2...3 мин; малая эксплуатационная надежность температурного переключателя, состоящего из кварцевого стержня в стальной трубке и микропереключателя; значительный промежуток времени (до 5 мин), необходимый для повторного розжига отопителя; постоянная (максимальная) теплопроизводительность установки, что создает некомфортные условия в салоне автомобиля при небольших отрицательных температурах наружного воздуха и вызывает необходимость осуществлять приток в салон холодного наружного воздуха, что снижает экономичность отопительной установки в целом.

Предлагается электронное устройство управления бензиновым отопителем, которое позволяет регулировать температуру теплого воздуха, выходящего из отопителя, в диапазоне от 25 °С до максимальной 80...100°С. При небольшой температуре нагретого воздуха отопитель потребляет бензина в 2...3 раза меньше, чем обычно. Кроме того, сила потребляемого тока в режиме розжига снижена в 7...8 раз и не превышает 2,5...3 А.

Принципиальная схема блока управления отопителем приведена на рис. 1. Его можно условно разбить на три части: узел электроискрового розжига, узел индикации и устройство поддержания заданной температуры. Рассмотрим их в указанной последовательности.

Узел электроискрового розжига включает в себя мультивибратор на микросхеме DD1 (элементы DD1.3 и DD1.4), ключевые каскады на транзисторах VT4 и VT5 и высоковольтный трансформатор (бобину) Т1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема блока управления отопителем

Мультивибратор вырабатывает сигнал с частотой около 40 Гц, причем генерация происходит при подаче на вход 4 элемента DD1.3 уровня логической 1. Этот сигнал подается на ключевые каскады VT4, VT5, а затем на высоковольтный трансформатор Т1 (бобину), к вторичной обмотке которого подключена электроискровая свеча. Поскольку свеча работает при нормальном атмосферном давлении, высокое напряжение может быть уменьшено по сравнению с его величиной на свечах зажигания двигателя. Это достигается введением резистора R22, ограничивающего ток в первичной обмотке высоковольтного трансформатора. Одновременно уменьшается и импульсное напряжение на коллекторе транзистора VT5, что позволяет отказаться от установки ограничивающего стабилитрона параллельно переходу коллектор — эмиттер транзистора VT5.

Узел индикации состоит из мультивибратора на элементах DD1.1, DD1.2, ключевых каскадов на транзисторах VT2, VT3 и индикаторной лампы HL1. При подаче уровня логической 1 на вход 12 элемента DD1.1 мультивибратор вырабатывает сигнал с частотой около 1 Гц, индикаторная лампа HL1 — штатная, установленная в приборном щитке. Таким образом, в режиме розжига индикаторная лампа мигает с частотой 1 Гц. В автомобилях ЗАЗ-965, 966, 968 второй вывод индикаторной лампы соединен не с корпусом, а с шиной +12 В. Вариант схемы узла индикации для этого случая приведен на рис. 2. Здесь отсутствует инвертор на транзисторе VT2 и изменен тип транзистора VT3.

Устройство поддержания заданной температуры работает по принципу позиционного регулирования. В качестве чувствительного элемента применен терморезистор типа КМТ-4, который установлен в потоке теплого воздуха, выходящего из отопителя.

Рис. 2. Схема узла индикации для автомобилей типаЗАЗ-965, ЗАЗ-966, ЗАЗ-968

Терморезистор R3 вместе с резисторами R1 и R2 образуют делитель напряжения. Потенциал, снимаемый с него, подается на сигнальный вход 2 компаратора DA1. На неинвертирующий вход 3 компаратора подано стабильное напряжение, составляющее половину питающего напряжения и снимаемое со средней точки соединения двух стабилитронов VD1, VD2, которые также стабилизируют напряжение питания компаратора DA1. В режиме розжига и разогрева отопителя сопротивление терморезистора R3 велико, и на инвертирующем входе 2 компаратора DA1 напряжение больше, чем на входе 3 во всех положениях движка резистора R2. В этом случае на выходе 6 компаратора присутствует низкий потенциал. На транзисторе VT1 выполнен ключевой каскад, нагрузкой его является реле К1. Когда транзистор VT1 закрыт, на его коллекторе присутствует высокий потенциал. С делителя R13, R14 уровень логической 1 подается на входы 12 и 4 элементов DD1.1 и DD1.3 соответственно. Как было описано ранее, при этом работают узлы розжига и индикации. По мере разогрева воздуха, выходящего из отопителя, сопротивление терморезистора R3 уменьшается, что приводит к понижению потенциала, снимаемого с делителя Rl, R2, R3 и поступающего на вход 2 компаратора DA1. В момент равенства потенциалов входов 2 и 3 состояние компаратора изменяется. Этот момент зависит, конечно, от положения движка резистора R2 установки температуры: чем ближе движок к верхнему по схеме выводу R2, тем при меньшем сопротивлении терморезистора (а значит, и при более высокой температуре нагретого воздуха) это произойдет. При появлении на выходе 6 компаратора DA1 высокого потенциала срабатывает (через ключевой каскад) реле К1. Одновременно уровень логического 0 поступает на входы 12 и 4 элементов DD1.1 и DD1.3 соответственно. Это приведет к прекращению работы узла розжига (транзистор VT5 остается закрытым) и узла индикации (индикаторная лампа горит непрерывно). Контакты К1.1, К1.2 реле размыкаются, закрывшийся электромагнитный клапан прекращает поступление бензина в отопи-тель, и спустя некоторое время горение в отопителе прекращается. Происходит остывание отопителя, при этом возрастает сопротивление терморезистора R3 и соответственно потенциал на входе 2 компаратора DA1. Когда этот потенциал превысит половину напряжения питания компаратора, последний изменит свое состояние на первоначальное, и вновь начнется режим розжига и разогрева. За счет инерционности процессов разогрева и остывания (а розжиг обычно происходит в первые 10... 15 с после подачи топлива в отопитель) температуры начала разогрева и начала остывания, соответствующие моментам изменения состояния компаратора, разнятся на 8...10°С. Однако средняя температура нагретого воздуха остается практически неизменной. При нагревании воздуха до невысоких температур, например до 30... 40 °С, укорачиваются фазы розжига и разогрева, за счет чего расход бензина снижается до 150...200 г/ч против 350...400 г/ч в режиме непрерывного горения (штатном). Когда необходимо выключить отопитель, поворачивают ручку на оси резистора R2 установки температуры до размыкания выключателя SA1, спаренного с ним. При таком положении движка резистора R2 потенциал на входе 2 компаратора DA1 обязательно окажется ниже потенциала на входе 3 компаратора. Вследствие этого компаратор DA1 перейдет в состояние высокого потенциала на его выходе 6, и реле К1 сработает, что будет соответствовать прекращению горения и остыванию отопителя независимо от режима, который предшествовал выключению отопителя.

Рис. 3. Функциональная схема электроустройства отопительной установки

Реле К1 своими замкнувшимися контактами блокирует контакты выключателя SA1.1, и напряжение питания продолжает поступать на блок управления отопителем. На рис. 3 приведена функциональная схема электроустройства отопительной установки, из которой видно, что в рассматриваемый момент времени отключена цепь питания электромагнитного клапана, подача бензина в отопитель прекращена, но продолжает работать вентилятор, осуществляя продувку отопителя от сгоревших газов. При температуре воздуха, выходящего из отопителя, около 20 °С компаратор DA1 вновь изменит свое состояние, реле К1 выключится и своими нормально разомкнутыми контактами разорвет цепи питания блока управления и вентилятора. Как видно из функциональной схемы рис. 3, штатный переключатель SA2 находится постоянно включенным во второе положение, и все управление отопителем производится только с помощью переключателя SA1. Однако иногда может возникнуть ситуация, когда случайно включат и тут же выключат отопитель. При этом произойдет подача топлива в камеру сгорания отопителя и возможен даже его запуск. Но продувки камеры сгорания при выключении SA1 не произойдет, так как воздух, выходящий из отопителя, еще не нагрелся. В такой ситуации необходимо перевести штатный переключатель SA2 в положение 1 и снова включить SA1. При этом питание будет поступать только на вентилятор, и после минутной продувки в ручном режиме выключатель SA1 можно выключить, а переключатель SA2 снова перевести в положение 2. В теплое время года рекомендуется постоянно переводить переключатель SA2 в положение 1, тогда вентилятором можно будет пользоваться для обдува холодным воздухом лобового стекла или салона. Управление и в этом случае производится выключателем SA1, но регулировка температуры резистором R2 уже не действует.

Рис. 4. Арматура электроискровой свечи

Детали. Самодельными деталями являются арматура электроискровой свечи и резистор R22. В устройстве можно использовать любую автомобильную или мотоциклетную свечу зажигания, однако предпочтение следует отдать свечам с длинным тепловым конусом. Доработка самой свечи сводится к извлечению керамического стержня свечи с центральным электродом из ее штатной арматуры (резьбовой части с боковым электродом). Для этого при помощи ножовки аккуратно распиливают металлическую арматуру вдоль оси свечи до керамики в двух диаметрально противоположных местах, разнимают арматуру и извлекают керамическую часть свечи с центральным электродом. Затем необходимо изготовить новую арматуру, чертеж которой приведен на рис. 4. Материал можно применить любой: сталь, дюралюминий, латунь.

Продольные пазы юбки новой арматуры делают также ножовкой, причем заусенцы с внутренней стороны удалять не следует, так как они улучшают искрообразование между центральным электродом керамической вставки и внутренней поверхностью арматуры.

Резистор R22 наматывают на корпусе резистора типа ВС-1 нихромовым проводом диаметром 0,4...0,4 мм. Транзистор VT5 (через слюдяную прокладку), резистор R22 на изолированных стойках и катушка зажигания Т1 размещены на специальной пластине из дюралюминия возле отопителя. Изготавливается она по месту, и чертеж ее здесь не приводится. Остальная часть блока управления размещена на печатной плате размером 85X60 мм, чертеж которой приведен на рис. 5.

Автор использовал следующие радиодетали: резисторы МЛТ-0,25 (R20—МЛТ-1), конденсаторы типов К52-1, КМ-5, переменный резистор типа СПЗ-30. Возможна замена микросхемы DA1 другим операционным усилителем, удовлетворительно работающим при напряжении питания ±5 В и имеющим коэффициент усиления при этом не менее нескольких тысяч, например К140УД6, К140УД8, К284УД1 и др. В качестве реле К1 можно применить РЭС-9 с паспортом РС4.524.202, а также и другие типы реле, имеющие обмотку с сопротивлением 80...200 Ом и напряжение срабатывания не более 10 В.

Рис. 5. Печатная плата блока управления: а — вид со стороны печатных проводников; б — вид со стороны установки деталей

Контактная группа реле должна быть рассчитана на коммутацию тока 3...4 А. Не следует применять конденсаторы типа К50-6, как имеющие низкие надежность и морозостойкость. Катушку зажигания можно использовать любую автомобильную или мотоциклетную: Б1, Б7, Б115, Б300 и др.

Правильно собранное устройство в налаживании не нуждается. Однако следует учесть, что сопротивления резисторов Rl, R2, R3 взаимосвязаны. Поэтому если применяется терморезистор R3 с другим сопротивлением, то необходимо изменить и сопротивление резисторов R1 и R2. Для этого следует определить сопротивления терморезистора при 20 °С и при 100 °С по графикам, таблицам или экспериментально, а затем рассчитать значения R1 и R2 по формулам

где R 3” и R 3”” — сопротивления терморезистора при 20 °С и 100° С соответственно.

Печатная плата по рис. 5 крепится вертикально на специальном кронштейне, чертеж развертки которого приведен на рис. 6. На этом же кронштейне в нижнем отверстии крепится штатный переключатель SA2 осью вниз, а в переднем отверстии — резистор R2 установки температуры (рис. 7).

Рис. 6. Кронштейн (развертка) Гайкой крепления этого резистора кронштейн крепится под приборным щитком автомобиля в отверстии для штатного переключателя SA2. Терморезистор крепится к специальному держателю (рис. 8), который располагается в потоке воздуха, выходящего из отопителя, между направляющим пластмассовым раструбом и корпусом автомобиля. Держатель закреплен винтами крепления раструба, причем один из выводов терморезистора необходимо соединить с винтом крепления раструба. Электроискровая свеча, вставленная в новую арматуру, размещается в отверстии для прежней свечи накаливания с использованием медной прокладки. Закрепляется свеча гайкой от прежней свечи.

Рис. 7. Расположение платы и элементов блока управления на кронштейне

Рис. 8. Держатель датчика

Высоковольтный вывод свечи соединяется отрезком высоковольтного провода с соответствующим выводом катушки зажигания. В качестве проводника, соединяющего транзистор VT5 с блоком управления, можно использовать существующий провод, идущий от микропереключателя к индикаторной лампе. В заключение два замечания:

Если при установке ручки на оси резистора R2 в крайнее правое положение не происходит переключения отопителя в режим остывания более чем через 15... 25 мин после включения, то это значит, что отопитель не может развить в данных условиях ту максимальную температуру, что была заложена при расчете величин R1 и R2. В этом случае надо несколько повернуть ручку резистора R2 обратно до момента прекращения мигания индикаторной лампы. Это положение и будет соответствовать максимальной температуре нагреваемого отопителем воздуха в данных условиях.

Так как предлагаемое устройство использует многократно повторяющийся запуск отопителя, для гарантии этого необходимо перед началом холодного сезона уделить внимание надежности работы устройств отопительной установки (регулятору расхода бензина, электромагнитному клапану, бензонасосу), а также снимать нагар с арматуры и с центрального электрода электроискровой свечи.