Moim pierwszym samochodem był maluch Polski FIAT 650, którym z duma podróżowałem po całej Polsce od morza  do Bieszczad. Zrobiłem ponad 100 tysięcy km, ale woziłem sobą cały zestaw naprawczy włącznie z świecami zapłonowymi, kopułką i palcem rozdzielacza, aparatu zapłonowego. O innych częściach nie wspomnę ze względu na szacunek do mojego wehikułu, który zasłużył się dobrze w historii Rodziny.  Ponieważ częstą usterka były problemy z odpaleniem silnika, opracowałem cały algorytm sprawdzenia instalacji zapłonowej, w ramach którego było sprawdzenie wymiarów szczeliny przerywacza oraz poziomu iskry na dwóch świecach. Dzisiaj kiedy mechaniczny system zapłonowy został zastąpiony przez elektroniczne sterowniki silnika ECU Engine Control Unit można tylko powspominać problemy z eksploatacja historycznej  instalacji zapłonowej samochodów.

US1474152 INDUCTION COIL , A.A. Kent, Data patent: 8.01.1921. Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja  indukcyjnej cewki zapłonowej, w szczególności do wytwarzania iskier zapłonowych w silnikach spalinowych wewnętrznego spalania, które wywołują zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach o zapłonie iskrowym. Ogólna budowa i zasada działania nie zmieniła się od bardzo dawna, o czym może świadczyć  w/w patent. Głównymi elementami tego układu jest świeca zapłonowa oraz cewka. Ze względu na budowę układ zapłonowy dzielimy na: elektryczno-mechaniczny i elektroniczny. Głównym elementem poza cewką i świecami jest aparat zapłonowy. Składa się z kopułki, do której dochodzą przewody wysokiego napięcia, a wewnątrz znajduje się przerywacz. Przerywacz jest wyłącznikiem sterowanym przez układ mechaniczny napędzany z wałka rozrządu. Równolegle do przerywacza włączony jest kondensator, który zmniejsza  iskrzenie na stykach przerywacza oraz zwiększa szybkość spadku natężenia prądu, co powoduje zwiększenie napięcia i czas trwania iskry w obwodzie wtórnym.

Fig.1 to pionowy przekrój przez cewkę indukcyjną według  wynalazeku; Fig.2 jest przekrojem poziomym wykonanym na linii 2-2 z Fig.1; Fig.3 jest fragmentarycznym widokiem z boku konstrukcji pokazanej  z Fig.1;  Fig.4 to schemat obwodu zapłonowego wyposażonego w/w cewkę W.N.

Cewka indukcyjna zawiera podatny na magnesowanie rdzeń, uzwojenie wtórne otaczające ten rdzeń i izolowane od niego, uzwojenie pierwotne otaczające uzwojenie wtórne, metalową obudowę izolowaną od wspomnianych uzwojeń i od wspomnianego rdzenia, nasadkę z materiału izolacyjnego zamykającą wspomnianą obudowę. Nasadka posiada gniazdo wyjściowe połączone z jednym końcem wspomnianego uzwojenia wtórnego oraz dwa zaciski uzwojenia pierwotnego przy czym jeden ze wspomnianych zacisków pierwotnych jest połączony z drugim końcem wspomnianego uzwojenia wtórnego. Nawiązując do Fig.1,2,3, gdzie C jest rdzeniem wewnętrznym złożonym z licznych drutów żelaznych zamkniętych w szpuli lub owiniętych materiałem izolacyjnym a.   Wewnątrz dolnego końca elementu a znajduje się masa b materiału izolacyjnego. Cewka wtórna lub uzwojenie S zawierające naprzemienne warstwy papieru d  i  warstwy cienkiego drutu  e, które mogą być nawinięte na izolacje  a,  lub mogą być nawinięte oddzielnie jako zespół, który następnie jest nasunięty na rurkę izolacyjną aż do wskazanej pozycji.  Masy asfaltu lub równoważnego materiału izolacyjnego mogą być nakładane na końce jednostki drugorzędnej S, przy czym asfalt w pewnym stopniu wsiąka między warstwy papieru d, dzięki czemu służy do wiązania końcówek. Uzwojenie pierwotne P nawinięte jest na odizolowanym uzwojeniu wtórnym S, a całość znajduje się w obudowie H zamkniętej z jednej  strony podstawą składająca się z elementów m,n,o,q oraz górna pokrywa A. Zasada działania akumulatorowego obwodu zapłonowego ilustruje  Fig.4,  która przedstawia uproszczony  schemat obwodu w składzie akumulator, cewka w.n.,  przerywacz ( iskrownik)  połączony mechanicznie z krzywka wału korbowego silnika, oraz rozdzielacz iskier w postaci kopułki aparatu zapłonowego.  Jeden zacisk akumulatora B,  jest połączony z masą i1 ramy  pojazdu silnikowego, a  drugi  zacisk akumulatora B jest podłączony przez przełącznik r1 do dowolnego zacisku  pierwotnego uzwojenia cewki P. Drugi zacisk uzwojenia  P  łączy się ze ruchomym   stykiem   j1  przerywacz, sprzężonego mechanicznie z krzywka obrotowa m1, którego  styk  k1 połączony  jest do masy i1.  Ruchomy rozdzielacz obrotowy o1 obracający się synchronicznie z krzywką m1 łączy kolejne świece zapłonowe q1 z wyjściem uzwojenia wtórnego S cewki zapłonowej.

UWAGA: Tak naprawdę, cewka zapłonowa to transformator impulsowy w bateryjnym układzie zapłonowym spalinowych jednostek napędowych. Głównym zadaniem cewki zapłonowej jest przetwarzanie niskiego napięcia (6-12 V) na wysokie napięcie (~20kV), dzięki czemu następuje przeskok iskry elektrycznej w świecy zapłonowej. Cewka zapłonowa w samochodzie składa się z dwóch elektrycznych uzwojeń (pierwotne i wtórne) nawiniętych na wspólny żelazny rdzeń. Pozwala to koncentrować indukowane pola magnetyczne. Cewka zapłonowa działa na zasadach elektromagnetyzmu. W chwili dotarcia prądu z akumulatora do uzwojenia pierwotnego, we wnętrzu cewki powstaje pole magnetyczne. W trakcie wymuszonej przerwy w obwodzie pierwotnym cewki w.n,  wywołanej przez styki przerywacza, następuje generacja SEM samoindukcji, która wytwarza  prąd o napięciu od ok. 250 do ok. 400 V. Następnie wytworzone napięcie transformuje się  do uzwojenia wtórnego, które umożliwia zwielokrotnienie wartości napięcia o wielokrotność liczby zwojów, czego efektem jest otrzymanie napięcia o wartości od ok. 25 000 do ok. 40 000 V. Powstałe napięcie wychodzi z cewki zapłonowej i trafia poprzez kopułkę rozdzielacza do kolejnych świec zapłonowych w kolejnych cylindrach silnika spalinowego.

PL155536 Rozdzielacz zapłonu, Zakłady Elektrotechniki Motoryzacyjnej •ZELMOT, Władysław RostkowskI, Ryszard Werzejski, Data patentu:29.05.1992.  Przedmiotem wynalazku jest rozdzielacz zapłonu bateryjnego do silników spalinowych z zapłonem iskrowym, zwłaszcza do silników samochodowych. Celem wynalazku jest skonstruowanie rozdzielacza zapłonu z dwupłytkowym zespołem przerywacza zapłonu, w którym opory tarcia płytki górnej o dolną przy działaniu regulatora podciśnieniowego byłyby minimalne.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig.1 przedstawia rozdzielacz zapłonu w widoku z góry, fig.2 przekrój przez obie płytki przerywacza, a fig.3 inne usytuowanie bieżni kulek. W przykładzie tym rozdzielacz zapłonu pokazany jest bez kopułki i palca rozdzielczego. 

Rozdzielacz zapłonu pokazany na rysunku, zawiera dwupłytkowy zespół przerywacza zapłonu oraz regulator podciśnieniowy 1 wyprzedzenia zapłonu. Dolna płytka 2 zespołu przerywacza, zamocowana jest na stałe w korpusie 3 rozdzielacza zapłonu. W tym celu posiada ona dwie łapki 4 i 4′, które wkrętami 5 przykręcone są do korpusu 3. Na płytce dolnej 2 obrotowo osadzona jest płytka górna 6 zespołu przerywacza, w ten sposób, że w tulejce 7, uformowanej w płytce dolnej 2 osadzona jest tulejka 8, uformowana w płytce górnej 6. Między obydwoma płytkami 2 i 6 w odstępach około 120° umieszczone są 3 kulki łożyskowe 9. W tym celu w obydwu płytkach 2 i 6 uformowane są bieżnie 10  i 11 dla ruchu kulek 9. W płytce dolnej 2 bieżne 10 w postaci płaskich przetłoczeń poniżej powierzchni głównej płytki 2, a w płytce górnej 6 bieżna 11 w postaci rowków wykonanych na obwodzie koła po którym poruszają się kulki 9. Długość bieżni 10 i 11 przekracza nieco długość drogi liniowej kulek 9 przy pełnym zakresie regulatora podciśnieniowego 1. Do brzegu płytki dolnej 2 jednym końcem zamocowana jest płaska sprężyna 12, zapewniająca docisk płytki górnej 6 do płytki dolnej 2. Sprężyna 12 jest tak ukształtowana, że omija brzeg płytki górnej 6, zaś wolny jej koniec posiada miseczkę 13, mieszczącą kulkę 14. Kulka 14 stanowi właściwy element dociskający płytkę górną 6 do dolnej 2, nie ograniczając możliwości ruchu płytki górnej 6, podczas działania regulatora podciśnieniowego 1. Płytka górna 6 w miejscu styku z kulką 14 posiada języczek 15 odgięty pod pewnym kątem do góry i skierowujący docisk płytki górnej S do dolnej 2 w kierunku przerywacza.  Płytka górna 6 z zamocowanym na niej przerywaczem 16 połączona jest sztywnym cięgłem 17 z elastyczną membraną 18 w puszce 19 regulatora podciśnieniowego 1. Gdy obciążenie silnika z  zamontowanym rozdzielaczem zapłonu zmienia się,  działa wówczas regulator podciśnieniowy 1, powodując poprzez cięgło 17 obrót o pewien kąt płytki górnej 6 zespołu przerywacza, a tym samym przyśpieszenie zapłonu przy zmniejszeniu obciążenia i opóźnienie przy wzroście obciążenia. Podczas ruchu płytki górnej 6 po dolnej 2 opory tarcia są minimalne, gdyż kulki 9 toczą się po bieżniach 10 i 11, a kulka 14 po języczku 15.

Rozdzielacz według wynalazku wyposażony jest w dwie płytki przerywaczowe,  z  których dolna połączona jest na stałe z korpusem rozdzielacza, a górna osadzona jest obrotowo na płytce dolnej,w ten sposób, że w tulejce uformowanej w płytce dolnej osadzona jest tulejka uformowana w płytce górnej, zaś między obydwoma płytami umieszczone są w przybliżeniu w równych odstępach kątowych minimum 3 kulki łożyskowe. W obydwu płytkach uformowane są bieżnie dla ruchu tych kulek, w płytce dolnej w postaci płaskich przetłoczeń poniżej powierzchni głównej płytki, a w płytce górnej w postaci rowków wykonanych na obwodzie koła, po którym poruszają się kulki. Minimalna długość bieżni przekracza długość drogi liniowej kulek przy pełnym zakresie pracy regulatora podciśnieniowego. Do brzegu płytki dolnej, jednym końcem zamocowana jest płaska sprężyna, zapewniająca docisk płytki górnej do dolnej. Sprężyna ta jest tak uformowana, że omija brzeg płytki górnej, zaś wolny jej koniec posiada miseczkę, mieszczącą kulkę. Kulka ta stanowi właściwy element dociskający płytkę górną do dolnej, nie ograniczając jednocześnie możliwości ruchu płytki górnej, podczas działania regulatora podciśnieniowego. Płytka górna w miejscu styku z kulką posiada języczek skierowujący docisk płytki górnej do dolnej w kierunku przerywacza. Płytka górna z zamocowanym na niej przerywaczem zapłonu połączona jest sztywnym cięgłem z elastyczną membraną w puszce regulatora podciśnieniowego. Kulki między obydwoma płytkami przerywaczowymi wraz z ich bieżniami stanowią pewnego rodzaju oporowe łożysko kulkowe, dzięki któremu tarcie potoczyste między obu płytkami jest minimalne, co stanowi główną zaletę rozdzielacza według wynalazku.

Gdy obciążenie silnika maleje, wzrasta podciśnienie w rurze kolektora ssącego i części podciśnieniowej regulatora podciśnieniowego, a tym samym różnica ciśnień po obydwu stronach membrany regulatora powodując odkształcenie membrany w kierunku części podciśnieniowej. Odkształcająca się membrana poprzez połączone z nią cięgło powoduje obrót górnej płytki przerywacza w kierunku odwrotnym do kierunku obrotów wałka rozdzielacza zapłonu, zwiększając kąt wyprzedzenia zapłonu. W momencie wzrostu obciążenie silnika maleje podciśnienie w rurze kolektora ssącego i części podciśnieniowej regulatora, a tym samym różnica ciśnień po obu stronach membrany, a poprzez cięgło kąt wyprzedzenia zapłonu. Podczas ruchu płytki górnej jej ślizgacze ślizgają się po powierzchniach ślizgowych płytki dolnej, a sprężyna z kulką lub ślizgaczem dociska płytkę górną do dolnej, przy czym kulka w miseczce sprężyny lub ślizgacz na zakończeniu sprężyny ślizgają się po języczku, uformowanym w płytce górnej.

  US4489689 Device for controlling the ignition and fuel injection of an internal combustion engine, Regie Nationale Des Usines Renault, Avian et al. Data patentu: 25.12.1984. Wynalazek dotyczy urządzenia do sterowania zapłonem i wtryskiem paliwa silnika spalinowego wewnętrznego spalania, posiadającego cyfrowy system komputerowy zaprogramowany do obliczania wyprzedzenia zapłonu i czasu wtrysku w funkcji prędkości i obciążenia silnika.  Aby optymalnie sterować pracą silnika spalinowego należy mierzyć prędkość obrotową silnika i określać z dużą dokładnością chwilowe położenie kątowe wału korbowego, aby wywołać zapłon pod obliczonym kątem w funkcji zmierzonej prędkości i obciążenia. W tym celu wykorzystuje się obrotową tarczę połączoną sztywno z wałem korbowym, która posiada na swoim obwodzie jedną lub więcej nieregularności przechodzących przed czujnikiem, który dostarcza sygnał synchronizacji  Sy  przy każdym przejściu tłoka do  z góry określonego położenie, takiego jak górny martwy punkt (TDC – top dead center ) lub dolny martwy punkt (BDC-bottom dead center). Urządzenie do sterowania zapłonem i wtryskiem paliwa silnika spalinowego, zawiera tarczę obracającą się z wałem korbowym i połączoną z czujnikiem położenia kątowego, co najmniej cewką zapłonową, co najmniej czujnik ciśnienia w kolektorze dolotowym silnika,  wtryskiwacze oraz układ obliczeniowy, w którym przechowywane są wartości kąta wyprzedzenia i czasu wtrysku adresowalne w funkcji parametrów prędkości obrotowej silnika i ciśnienia w kolektor dolotowy.

Układ sterownika  na podstawie sygnału wyjściowego czujnika położenia wału korbowego przetwarza sygnał synchronizacji identyfikujący przejście każdego tłoka przez z góry określone położenie, takie jak TDC lub BDC  i  oblicza prędkość obrotową silnika, przy czym  sterownik zawiera pierwszy zaprogramowany mikrokomputer podłączony do czujnika ciśnienia i sterujący wtryskiwaczem oraz drugi mikrokomputer podłączony do stanowiska czujnik i realizujący sterowanie cewką zapłonową. Według rysunku, system obliczeniowy obejmuje zasadniczo pierwszy komputer 1 składający się z zaprogramowanego mikroprocesora, takiego jak na przykład mikroprocesor MC 6801, oraz drugi komputer 2.

Mikroprocesor 1 odbiera z czujnika 3 dane o ciśnieniu w kolektorze dolotowym przetworzone na postać cyfrową przez przetwornik analogowo-cyfrowy 4, a z  komputera 2 sygnał synchronizacji Sy,  na podstawie  którego oblicza prędkość obrotową silnika  i  który umożliwia identyfikację przejście każdego tłoka do górnego martwego położenia  TDC.  Mikroprocesor 1 przechowuje  w pamięci wartości kąta wyprzedzenia i czasu wtrysku adresowalne w funkcji parametrów prędkości i ciśnienia oraz oblicza pod kontrolą sygnału synchronizacji Sy czas wtrysku do sterowania jednym lub kilkoma wtryskiwaczami 6 oraz pompy wtryskowej 7 odpowiednio przez obwody zasilania 8 i 9. Mikroprocesor wysyła swoimi wyjściami Po, P1 i P2 i P3 obliczoną wartość kąta wyprzedzenia zapłonu do komputera 2.

Komputer 2 ma pierwszą sekcję 2a i drugą sekcję 2b.  Pierwsza sekcja 2a składa się z bloku 13 przetwarzania cyfrowego, który odbiera sygnał przetworzony w  przetworniku analogowym 5, który wcześniej jest pobierany przez czujnik położenia 11, który wykrywa przejście zębów znajdujących się na obwodzie tarczy 10 zamocowanej na wale korbowym 12 silnika spalinowego wewnętrznego spalania, która  obraca się synchronicznie   z  wałem  korbowym  12.  Z sygnału wyjściowego Sd obwodu analogowego 5, blok 13 wytwarza sygnał synchronizacji Sy  i sygnał prędkości obrotowej  V, n razy większy niż Sd. Ten blok 13 i sposób, w jaki sygnały Sy i nSd są przetwarzane są opisane w Patencie U.S. nr 4321580, do których można się odnieść.

Sekcja 2b ma blok obliczeniowy 19, który odbiera sygnał synchronizacji Sy na wejściu 16 i sygnał prędkości  obrotowej V na drugim wejściu 17. Zasadnicza część bloku obliczeniowego 19 zawiera: sekwencer 30; stopień  do pomiaru  prędkości obrotowej 31; pamięć tylko do odczytu 32; stopień 33 pomiaru ciśnienia; stopień bezpieczeństwa 34 do ochrony przed wszelkimi problemami operacyjnymi bloku obliczeniowego 19;  stopień korekcyjny 35 połączony trzema przewodami wejściowymi 38a, 38b, 38c odpowiednio na wyjściach Po, P1 i P2 mikroprocesora 1 oraz stopień 36 do obliczania kąta wyprzedzenia zapłonu odbierający dane z wyjścia P3 mikroprocesora 1 przez wejście 41 szeregu impulsy. Ten blok obliczeniowy został opisany w patencie U.S. nr 4 127 091 i 4 239 024.

Blok obliczeniowy 19 dostarcza na swoich wyjściach 21 i 22 dwie liczby binarne, które odpowiadają odpowiednio kątowi przewodzenia cewki 27 wyrażonemu jako liczba zębów tarczy 10 na jej wyjściu 21 oraz kątowi wyprzedzenia zapłonu wyrażonemu jako liczba zębów tarczy  10  i  jako liczba podziałów między dwoma zębami wspomnianej tarczy na jego wyjściu 22. Te dwie liczby binarne docierają do przewodów 21 i 22 jako wejście na bloku 20 do generowania sygnału sterującego cewki 27.  Blok 20 odbiera również na wejściach trzy sygnały przez przewody 14, 15 i 18, które są odpowiednio sygnałem czujnika w postaci Sd, sygnałem prędkości V i sygnałem synchronizacji Sy. Blok 20 do generowania sygnału sterującego cewki dostarcza na swoim wyjściu 23 sygnał o małej mocy, który jest wysyłany do stopnia wzmacniacza mocy 24, którego wyjście 28 jest połączone z cewką zapłonową 27.

Cewka 27 ma uzwojenie pierwotne 26  i  uzwojenie wtórne 29 połączone jednym z jego końców z centralną częścią dystrybutora 42.  Ruchome ramię 43 obraca się wokół środkowej części rozdzielacza 42 i sukcesywnie łączy, podczas jego obrotu, wtórny 29 cewki zapłonowej 27 ze świecami zapłonowymi różnych cylindrów silnika, powodując zapłon  i spalanie zawartej mieszanki paliwowej w cylindrach. Ta ostatnia grupa, obejmująca blok 20 do generowania sygnału sterującego cewką 27 i stopniem 24 wzmacniacza mocy, została opisana w patencie U.S. nr 4367710. Mikroprocesor 1 bezpośrednio odbiera te dane z przetwornika analogowo-cyfrowego 4, co umożliwia zastosowanie pojedynczego czujnik ciśnienia 3 do obliczania kąta wyprzedzenia zapłonu i czasu wtrysku.

Tarcza  10 zawiera, na przykład, 44 regularnie rozmieszczone zęby,  z  których  dwa zęby zostały usunięte pod kątem 90° dla  każdego górnego martwego punktu lub dolnego martwego punktu w przypadku silnika czterocylindrowego.  Sygnał Sd wysłany z czujnika 11 poprzez przetwornik analogowy 5 jest podawany do komputera 2. Blok 13 przetwarza sygnał Sd  tak aby wytworzyć sygnał Sy, który identyfikuje przejście tłoków w górnym martwym punkcie. Ponadto mikroprocesor odbierający ten sygnał Sy może następnie obliczyć prędkość obrotową silnika i na podstawie danych o ciśnieniu pochodzących z przelicznika 4 kąt wyprzedzenia zapłonu i czas wtrysku, zsynchronizowane z skokami silnika, zgodnie z odpowiednimi algorytmami, które są dobrze znane specjalistom w tej  dziedzinie. Sygnału synchronizacji Sy stanowi  wewnętrzny zegara, mikroprocesor 1, który steruje początkiem wtrysku w  chwili gdy tłok znajduje się w  górnym martwym punkcie. Mikroprocesor 1 wyznacza kat wyprzedzenia, który następnie jest przekazywany do  bloku 19 na  trzy jego wejścia 38a, 38b i 38c. System obliczeniowy urządzenia do sterowania i zapłonu według wynalazku jest zatem prosty, ponieważ wymaga tylko jednego czujnika ciśnienia, oraz jest powiązany z komputerem zaprojektowanym początkowo do niezależnego generowania reguły zapłonu i produkowanym w dużych seriach przy niskim koszcie,  dzięki mikroprocesorowi o małej mocy obliczeniowej w/w typu.

US5101788  INTERNAL-COMBUSTION ENGINE CONTROL, MITSUBISHI ELECTRIC CORP, DEMIZU AKIRA et al., Data patentu: 7.04.1992. Wynalazek dotyczy urządzenia sterującego silnikiem o spalaniu wewnętrznym do sterowania stosunkiem powietrze/paliwo w mieszance paliwowej, która ma być dostarczana do silnika o spalaniu wewnętrznym (zwanego dalej silnikiem) oraz regulacji zapłonu.

FIG.1 jest schematycznym widokiem wyjaśniającym urządzenie sterujące silnikiem spalinowym wewnętrznego spalania wykonane zgodnie z pierwszym przykładem wykonania niniejszego wynalazku; FIG.2(A) jest widokiem z góry czujnika ciśnienia stosowanego w tym samym przykładzie wykonania; FIG. 2(B) jest przekrojem wzdłuż linii X-X z FIG.2(A); FIG.3 jest przekrojem pokazującym zainstalowany stan głowicy cylindra czujnika ciśnienia opisanego powyżej; FIG.4 jest schematem blokowym pokazującym wewnętrzną budowę urządzenia sterującego według tego samego przykładu wykonania; FIG.5 jest charakterystycznym wykresem wskazanego średniego efektywnego ciśnienia do stosunku powietrza do paliwa w celu wyjaśnienia tego samego przykładu wykonania; FIG.6 jest charakterystycznym wykresem wskazanego średniego ciśnienia do czasu zapłonu w celu wyjaśnienia tego samego przykładu wykonania; FIG.7 jest poglądowym widokiem działania sterowania w oparciu o związek między stosunkiem powietrza do paliwa a wskazanym średnim ciśnieniem skutecznym w celu wyjaśnienia tego  przykładu wykonania; FIG.8 jest schematem blokowym pokazującym komponenty i funkcje głównej części tego przykładu wykonania; FIG.9 jest charakterystycznym wykresem pokazującym zależność między kątem obrotu wału korbowego a ciśnieniem w cylindrze w celu wyjaśnienia tego  przykładu wykonania; FIG.10 jest schematem blokowym pokazującym procedurę działania dla uzyskania maksymalnej wartości wskazanego średniego efektywnego ciśnienia w celu wyjaśnienia tego przykładu wykonania; FIG 11 do 21 są schematami blokowymi, z których każdy przedstawia procedurę przetwarzania w odniesieniu do każdej flagi w Tabeli 2; FIG.22 schematyczny widok silnika spalinowego wewnętrznego spalania wykonanego według drugiego przykładu wykonania niniejszego wynalazku; FIG.23 przedstawia schemat blokowy pokazujący wewnętrzną budowę urządzenia sterującego według  przykładu wykonania z FIG.22; FIG.24 jest schematem blokowym pokazującym komponenty i funkcje głównej części silnika spalinowego wewnętrznego spalania wykonanego według trzeciego przykładu wykonania niniejszego wynalazku; FIG.25 i 26 są widokami wyjaśniającymi działania sterowania w oparciu o zależność między stosunkiem powietrza do paliwa a zilustrowanym średnim ciśnieniem skutecznym w celu wyjaśnienia przykładu wykonania z FIG.24; FIG.27 do 35 są schematami blokowymi, z których każdy przedstawia procedurę przetwarzania w odniesieniu do każdej flagi w Tabeli 3; FIG.36 przedstawia schemat blokowy urządzenia według czwartego przykładu wykonania niniejszego wynalazku; FIG.37 przedstawia schemat blokowy pokazujący jeden przykład działania urządzenia sterującego; FIG.38 przedstawia schemat blokowy pokazujący bardziej szczegółowo etap 117A na FIG.37;

FIG.39 jest charakterystycznym wykresem wskazanego średniego ciśnienia efektywnego do stosunku powietrze/paliwo; FIG.40 przedstawia schemat blokowy pokazujący inny przykład działania urządzenia sterującego według piątego przykładu wykonania; FIG.41 jest dalszym szczegółowym schematem działań etapu 110 na FIG.40; FIG.42 przedstawia widok objaśniający pokazujący mapę górnych i dolnych wartości granicznych zmiennych kontrolnych stosunku powietrza do paliwa odpowiadających warunkom pracy; FIG.43 jest widokiem objaśniającym pokazującym zależność pomiędzy rozrządem zapłonu a wskazanym średnim ciśnieniem skutecznym oraz definiującym rozrząd zapłonu; FIG.44 jest widokiem objaśniającym pokazującym zależność ciśnienia w cylindrze do kąta obrotu korby; FIG.45 przedstawia schematyczny widok wyjaśniający urządzenie sterujące ze stanu techniki dla silników spalinowych wewnętrznego spalania; FIG.46 jest charakterystycznym wykresem współczynnika korekcji wzrostu temperatury wody; FIG.47 jest charakterystycznym wykresem współczynnika korekcji przy dużym obciążeniu; FIG.48 przedstawia charakterystyczny wykres współczynnika korekcji napięcia akumulatora; FIG.49 i 50 to wykresy charakterystyki wyprzedzenia iskry. 

Schemat blokowy silnika, FIG.45 wyposażony w urządzenie sterujące silnikiem ze stanu techniki ilustruje jego pracę. Jak pokazano rysunku, paliwo jest wciągane do pompy paliwowej 2 ze zbiornika paliwa 1, powstrzymywane przed pulsowaniem przez tłumik paliwa 3, oczyszczane z brudu i wody przez filtr paliwa 4 i  utrzymywane pod stałym ciśnieniem przez regulator ciśnienia 5, a następnie doprowadzany do zaworu wtrysku paliwa 6. Cyfra 7 oznacza zawór zimnego rozruchu do wtrysku paliwa, aby zapewnić łatwiejszy rozruch silnika w zimnym klimacie. Powietrze, które przeszło przez filtr powietrza 8 jest mierzone przez przepływomierz powietrza 9 , który kontroluje jego natężeniem za pomocą zaworu dławiącego 10 w   kolektorze dolotowy 11, a następnie mieszane z paliwem (w mieszankę ) za pomocą  wtryskiwacza paliwa 6. Tak wytworzona mieszanka paliwowo-powietrzna jest dostarczana do cylindrów 12.  W cylindrach 12 mieszanka paliwowo-powietrzna jest sprężana i zapalana przez świece zapłonową 13 w odpowiednim czasie. Gazy spalinowe przepływają w kolektorze 14 i urządzeniu do oczyszczania spalin, które nie zostały pokazane i są odprowadzane do atmosfery. Cyfra 40 oznacza czujnik spalin, który wykrywa stężenie składu spalin (np. stężenie tlenu). Cyfra 15 to czujnik temperatury wody do wykrywania temperatury wody chłodzącej silnik; cyfra 16 oznacza czujnik kąta obrotu wału korbowego wbudowany w rozdzielacz do wykrywania kąta obrotu wału korbowego silnika; cyfra 17 to układ zapłonowy; a liczba 18 oznacza urządzenie sterujące, które steruje stosunkiem powietrza do paliwa w mieszance, która ma być podawana do silnika oraz regulacją zapłonu.

Czujnik kąta wału korbowego 16 wysyła impuls położenia odniesione do kąta obrotu wału korbowego (co 180 stopni w silniku czterocylindrowym i co 120 stopni w silniku sześciocylindrowym), a także wysyła impuls kąta jednostkowego przy każdej jednostce kąta (dla przykład co 2 stopnie). Możliwe jest również poznanie kąta korby, zliczając liczbę impulsów kąta jednostkowego po wprowadzeniu tego impulsów położenia  w urządzeniu sterującym 18. 

Urządzenie sterujące 18 składa się z mikrokomputera zawierającego, na przykład, CPU (jednostkę centralną), RAM (pamięć o dostępie swobodnym), ROM (pamięć tylko do odczytu) i interfejs we/wy. Sterownik odbiera sygnał przepływu powietrza dolotowego X1 z przepływomierza 9 powietrza, sygnał X2  z czujnika temperatury wody 15, sygnału kąta obrotu wału korbowego X3  z  czujnika 16 kąta obrotu wału korbowego, sygnału jakości spalin X10 z czujnika spalin 40, sygnału napięcia akumulatora oraz sygnał  pełnego zamknięcia przepustnicy (nie pokazano). Na podstawie zmierzonych danych sterownik oblicza ilość paliwa, która ma być wtryskiwana do silnika oraz czas otwarcia zaworu wtrysku paliwa 6 za pomocą wyprowadzonego  sygnału wtrysku X5. Obliczenie ilości wtryskiwanego paliwa (czas wtrysku paliwa) Ti   w urządzeniu sterującym 18 wykonuje się za pomocą następującego równania: Ti=Tp×(1+Ft +KMR/100)×β+Ts; gdzie Tp jest podstawową ilością wtryskiwanego paliwa (podstawowy czas otwarcia zaworu), która może być wyrażona wzorem Tp =K×Q/N ;  gdzie Q to ilość wprowadzonego powietrza dolotowego na obrót, N to prędkość obrotowa silnika, a K to stała. Ft to współczynnik korygujący odpowiadający temperaturze wody chłodzącej silnik; Składnik KMR jest współczynnikiem korygującym przy pracy z dużym obciążeniem. Jest on używany do odczytywania, na przykład, przez przeszukiwanie tabeli, wartości podanych w tabeli danych jako wartości odpowiadających podstawowej wielkości wtrysku paliwa Tp  i  prędkości obrotowej silnika N, jak pokazano na FIG. 47.  Ponadto Ts jest współczynnikiem korekcji o napięcie akumulatora, to jest współczynnikiem korekcji wahań napięcia do napędzania zaworu wtryskowego paliwa 6 oraz β jest współczynnikiem korekcyjnym odpowiadającym sygnałowi spalin X10 z czujnika spalin 40. Wykorzystując współczynnik β można przeprowadzić kontrolę ze sprzężeniem zwrotnym stosunku powietrza do paliwa do określonej wartości, np. wartości bliskiej teoretycznemu stosunkowi powietrza do paliwa wynoszącemu 14.8.

Elektroniczny układ regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu jest tak skonstruowany, że optymalne wartości wyprzedzenia zapłonu odpowiadające prędkości obrotowej silnika N i bazowej wielkości wtrysku paliwa Tp są z góry zapisywane w postaci tabeli danych, jak pokazano na przykład na FIG. 49 i 50, a wartości odpowiadające prędkości obrotowej silnika i bazowej ilości wtrysku paliwa są odczytywane przez przeszukiwanie tabeli, dzięki czemu  wartość kąta wyprzedzenia zapłonu może być kontrolowana poprzez wyprowadzenie sygnału zapłonu X6 do układu zapłonowego 17, który steruje świecą zapłonową 13. 

Pierwszy przykład wykonania wynalazku odnosi się do schematu funkcjonalnego FIG.1, który  jest uproszczonym widokiem wyjaśniającym budowę urządzenia sterującego silnikiem spalinowym wewnętrznego spalania według pierwszego korzystnego przykładu wykonania. Nowość wynalazku polega na zastosowaniu czujnika ciśnienia  19  w cylindrach, który jest   elementem piezoelektrycznym wykonanym w postaci podkładki, jak pokazano na FIG.2(A) (widok z góry) i FIG.2(B). Ten czujnik ciśnienia 19 jest zamontowany w głowicy 22 cylindra, jak pokazano na FIG.3 za pomocą świecy zapłonowej 13 zamiast podkładki, który wyprowadza  zmianę ciśnienia w cylindrze 12  w postaci  sygnału elektrycznego.  Schemat blokowym pokazującym wewnętrzną budowę urządzenia sterującego 21 przedstawia FIG.4, na którym widoczne są sygnały wejściowe:  sygnał przepływu powietrza dolotowego X1 z przepływomierza powietrza 9, sygnał temperatury wody X2 z czujnika temperatury wody 15, sygnał ciśnienia X4 z czujnika ciśnienia 19 i sygnał napięciowy VB z akumulatora 23A są wprowadzane do multipleksera 21a w urządzeniu sterującym 21. Sygnał kąta obrotu wału korbowego  X3 poprzez  obwód zatrzaskowy 21b zostanie wyprowadzony do multipleksera 21a, który przełączając wejście sygnału przepływu powietrza dolotowego X1,  sygnału temperatury wody X2, sygnału ciśnienia X4 i sygnału napięciowego VB,  oraz selektywnie wyprowadza każdy z tych sygnałów  do przetwornika A/C (analogowo/cyfrowego) 21.

Każdy w/w sygnałów w tym sygnał kąta obrotu korby X3, jest  przekonwertowany na sygnał cyfrowy za pomocą przetwornika A/D 21d,  które są przesyłane do CPU (jednostki centralnej) 21e przez obwód wejściowy 21c, gdzie  następnie są przetwarzane zgodnie z opisanym schematem blokowy. Sygnał wtrysku X5 (odpowiednik opisanego dalej sygnału sterującego stosunkiem powietrza do paliwa), jest wysyłany do zaworu wtrysku paliwa 6 po wzmocnieniu  przez obwód wyjściowy 21f.  Sygnał sterujący regulacją zapłonu uzyskany w wyniku przetwarzania przez CPU 21e jest przekształcany na sygnał zapłonu X6 przez obwód wyjściowy 21f, a następnie wysyłany do układu zapłonowego 17. Pamięć 21g, składa się z pamięci RAM (pamięć o dostępie swobodnym), która tymczasowo przechowuje dane przetwarzane przez CPU 21e oraz pamięci ROM (pamięć tylko do odczytu), która wstępnie przechowuje procedurę przetwarzania i różne dane (np. tabelę danych KMR opisany powyżej).

Schemat funkcjonalno-blokowy FIG.8 ilustruje funkcję głównej części urządzenia sterującego, gdzie: silnik 23, wyposażony jest w  czujnik obciążenia 24, który może mieć postać  przepływomierzem powietrza 9 z FIG.1  lub czujnika otwarcia przepustnicy (nie zilustrowany) do wykrywania stopnia otwarcia przepustnicy 10 na FIG.1. Do pozostałych czujników można zaliczyć: obwód  pomiarowy 25, sygnałów czujnika kata obrotu wału korbowego 16; obwód  pomiarowy 26 sygnału czujnika ciśnienia 19  w cylindrze 12; obwód  pomiarowy 27 prędkości obrotowej silnika, który przetwarza sygnały z obwodu 25;  obwód  wyznaczający  28 średnie ciśnienia efektywne w cylindrze oraz obwód  uśredniający 29  średnie ciśnienie efektywne w cylindrze. Z kolei obwód  oceniający stan pracy 30 służy do oceny, na podstawie sygnału wyjściowego czujnika obciążenia 24  i  sygnału wyjściowego czujnika 27 prędkości silnika, czy stan roboczy silnika 23 spełnia określone wymagania.

Układ  arytmetyczno-sterujący 31 ocenia silnik 23 pracujący w określonych warunkach na podstawie danych wyjściowych obwodów  oceniających warunki pracy 30 i danych wyjściowych wskazanego obwodu  uśredniającego średnie ciśnienie efektywne 29 oraz określa stosunek powietrza do paliwa oraz czas  zapłon,, w którym średnia wartość wskazanego średniego ciśnienia efektywnego staje się wartością maksymalną. Element  32 oznacza środek do regulacji stosunku powietrza do paliwa, który steruje ilością mieszanki powietrzno-paliwowej dostarczanej do silnika 23 zgodnie z sygnałem sterującym stosunkiem powietrza do paliwa ze środków arytmetycznych i sterujących 31. Jako element wykonawczy 32 regulujących stosunek powietrza do paliwa zastosowany jest zawór wtrysku paliwa 6 przedstawiony na FIG.1. Obwód zapłonowy 33 zapłonu mieszanki powietrzno-paliwowej zapewnia odpowiednią regulacją zapłonu zgodnie z sygnałem sterującym regulacją zapłonu z układu procesora  31; na przykład w układzie  tranzystorowego zapłonnika (urządzenie składające się z obwodu przełączającego tranzystor mocy i cewki zapłonowej) oraz świecę zapłonową 13. 

Zasada działania sterownika silnika polega na tym, że wskazywane średnie ciśnienie efektywne staje się wartością maksymalną w wyniku regulacji stosunku powietrza do paliwa i regulacji czasu zapłonu. FIG.5 jest wykresem charakterystycznym pokazującym zależność między stosunkiem powietrze/paliwo, a wskazywanym średnim ciśnieniem efektywnym, podającym wartości stosunku powietrzno-paliwowego i wskazywanym średnim ciśnieniem efektywnym pod warunkiem, że silnik pracuje ze stałą prędkością (np. 2000obr./min) i przy szeroko otwartym zaworze dławiącym. Ponieważ z  wykresu wynika, że wskazane średnie ciśnienie efektywne silnika osiąga wartość maksymalną, gdy stosunek powietrza do paliwa wynosi około „13”, to  możliwe jest zawsze utrzymanie optymalnego stosunku powietrzno-paliwowego (LBT) podczas pracy silnika z dużym obciążeniem poprzez regulacje w/w  stosunku  w taki sposób, aby zapewnić jego wartość maksymalną. 

Podobnie zależność między czasem zapłonu a wskazanym średnim ciśnieniem skutecznym ilustruje FIG.6, według której, możliwe jest ustawienie i utrzymanie kąta wyprzedzenia zapłonu w punkcie MBT przez cały czas poprzez określenie kąta wyprzedzenia iskry tak, aby wskazywane średnie ciśnienie efektywne w stosunku do ustawionego kąta wyprzedzenia iskry stało się wartością maksymalną, tzn. przy nastawie zmieniany jest kąt wyprzedzenia iskry, podobnie jak ustawienie maksymalnej wartości indykowanego średniego ciśnienia efektywnego podanego przy zmianie stosunku powietrza do paliwa. Reasumując oznacz to, że wskazane średnie ciśnienie efektywne można ustawić na maksymalną wartość, kontrolując stosunek powietrza do paliwa i czas zapłonu, jak opisano powyżej

Szczegółowe omówienie zasad ustawiania stosunku powietrze/paliwo, przy której wskazywane średnie ciśnienie efektywne staje się wartością maksymalną, wykracza ze względów objętościowych poza ramy artykułu, co nie oznacza, że osoby zainteresowane mogą  przeanalizować we własnym zakresie  szczegóły zaproponowanego rozwiązania technicznego urządzenia sterującego silnikiem spalinowym. Urządzenie sterujące do silnika spalinowego wewnętrznego spalania zapewnia  kontrolowania co najmniej jednego spośród stosunku powietrza do paliwa i czasu zapłonu tak, aby średnia wartość wskazanego średniego ciśnienia efektywnego stała się wartością maksymalną, w wyznaczonych warunkach pracy, ocenianych przez wspomniane obwody pomiarowe sterownika w/w silnika .

Wnioski: Generalnie istota działania urządzenia ECU ENGINE CONTROL UNIT sterującego praca silnika spalinowego wewnętrznego spalania posiadającego co najmniej jeden cylinder, sprowadza się do tego, że silnik zawiera: czujnik ciśnienia do wykrywania ciśnienia w wymienionym co najmniej jednym cylindrze silnika spalinowego wewnętrznego spalania; środki pomiarowe kąta obrotu korby wspomnianego co najmniej jednego cylindra;  środki do obliczania średniego efektywnego ciśnienia na podstawie sygnału wyjściowego wspomnianych środków czujnikowych ciśnienia i sygnału wyjściowego wspomnianych środków czujnikowych kąta obrotu korby; elementy wykrywające obciążenie do wykrywania obciążenia wspomnianego silnika spalinowego; elementy wykrywające prędkość obrotową do wykrywania prędkości obrotowej wspomnianego silnika spalinowego, na podstawie sygnału wyjściowego wspomnianych elementów wykrywających kąt obrotu wału korbowego; środki oceniające stan pracy wspomnianego silnika spalinowego wewnętrznego spalania na podstawie sygnału wyjściowego wspomnianych czujników obciążenia i sygnału wyjściowego środków wykrywających prędkość obrotową;  Ostatecznie za regulacje w/w silnika odpowiadają  środki sterujące do kontrolowania co najmniej jednego parametru, spośród stosunku powietrza do paliwa i czasu zapłonu tak, aby średnia wartość wskazanego średniego efektywnego ciśnienia stała się wartością maksymalną, w wyznaczonych warunkach pracy, ocenianych przez wspomniane środki oceny warunków pracy silnika.

Z powodu złożoności omawianej tematyki zmuszony jestem rozłożyć dostępne materiały patentowe na dwie części co pozwoli zaprezentować szeroki wachlarz rozwiązań technicznych w dziedzinie ECU.

Zgodnie z dotychczasowa praktyka proponuje obejrzeć materiał filmowy kanału YouTube : Engine Management System  https://youtu.be/PFNe7NyJeb0

C.D.N