Рабочий процесс батарейной системы зажигания

Принцип работы классической системы батарейного зажигания

Классическая система зажигания.

Классификация батарейных систем зажигания

Искровые свечи зажигания

Электронные системы зажигания.

Классическая система зажигания.

Классификация батарейных систем зажигания.

Тема 3. Система зажигания

Лекция №3

Рабочая смесь воспламеняется в камере сгорания автомобильного бензинового двигателя:

a) в период его пуска;

b) во время его работы посредством электрического разряда между электродами свечи, ввернутой в головку цилиндра двигателя.

Режимы работы ДВС

I. Номинальный (рабочий) режим. На прогретом двигателе к моменту искрообразования рабочая смесь сжата и имеет температуру, близкую к температуре самовоспламенения. В этом случае достаточно незначительной энергии электрического разряда - около 5 мДж.

II. Пусковой режим.

III. Режимработы на бедных смесях при частичном открытии дросселя.

IV. Режим холостого хода.

V. Режим работы при резких открытиях дросселя.

Для последних четырех режимов требуется значительная энергия искры - 30...100 мДж.

Электрическая искра вызывает появление в ограниченном объеме рабочей смеси первых активных центров, от которых начинается развитие химической реакции окисления топлива. Воспламенение рабочей смеси является началом бурной реакции окисления топлива, сопровождающейся выделением тепла.

Система зажигания двигателя предназначена для:

1) генерации импульсов высокого напряжения, вызывающих вспышку рабочей смеси в камере сгорания двигателя;

2) синхронизации этих импульсов с требуемой фазой двигателя;

3) распределения импульсов зажигания по цилиндрам двигателя.

От энергии искры в момент зажигания рабочей смеси в значительной степени зависят экономичность и устойчивость работы двигателя, а также токсичность отработавших газов.

В настоящее время на автомобильных бензиновых двигателях широко применяют батарейные системы зажигания, которые позволяют преобразовать напряжение автомобильной аккумуляторной батареи в высокое напряжение, необходимое для возникновения электрического разряда, и в требуемый момент подать это напряжение на соответствующую свечу зажигания. Момент зажигания характеризуется углом опережения зажигания, который представляет собой угол поворота коленчатого вала, отсчитываемый от положения вала в момент подачи искры до положения, когда поршень приходит в верхнюю мертвую точку (ВМТ). Известные ныне системы зажигания получают необходимую энергию не непосредственно от аккумуляторной батареи, а от промежуточного накопителя энергии.

В зависимости от накопителя различают системы с накоплением энергии в индуктивности и емкости.

Рис. 3.1. Структурная схема батарейной системы зажигания

Батарейная система зажигания (рис. 3.1) состоит из следующих основных элементов:

- источника тока ИТ, функцию которого выполняет аккумуляторная батарея;

- выключателя цепи питания ВК, функцию которого выполняет выключатель зажигания;

- датчика синхронизатора Д который механическим способом связан с коленчатым валом двигателя и определяет угловое положение коленчатого вала;

- регулятора момента зажигания РМЗ, который механическим или электрическим способом управляет моментом подачи искры в зависимости от частоты вращения n или нагрузки двигателя (ΔР_к - разрежение в коллекторе);

- источника высокого напряжения ИВН, содержащего накопитель энергии Н и преобразователь П низкого напряжения в высокое;

- силового реле СР, которое представляет собой электромеханический ключ (контакты прерывателя) или электронный ключ (мощный транзистор), управляется РМЗ и служит для подключения и отключения ИТ к накопителю ИВН, т. е. управляет процессами накопления и преобразования энергии;

- распределителя импульсов высокого напряжения Р, который механическим, либо электрическим способом распределяет высокое напряжение по соответствующим цилиндрам двигателя;

- элементов помехоподавления ПП, функции которых выполняют экранированные провода и помехоподавительные резисторы, размещенные либо в распределителе Р, либо в свечных наконечниках, либо в высоковольтных проводах в виде распределенного сопротивления;

- свечей зажигания СВ, которые служат для образования искрового разряда и зажигания рабочей смеси в камере сгорания двигателя.

В батарейных системах зажигания используется катушка (или несколько катушек) зажигания в качестве источника импульсов высокого напряжения. Системы зажигания в представленной на рис. 3.2 классификационной схеме подразделены по шести основным признакам:

1) способу управления (синхронизации) системы зажигания;

2) способу регулирования угла опережения зажигания;

3) способу накопления энергии;

4) типу силового реле (способу коммутации первичной цепи катушки зажигания);

5) способу распределения импульсов высокого напряжения по цилиндрам двигателя;

6) типу защиты от радиопомех.

Рис. 3.2. Классификационная схема батарейных систем зажигания

1. По способу управления системы зажигания делят на системы с контактным управлением (контактные) и системы с бесконтактным управлением (бесконтактные). Недостатки контактных систем управления:

a) износ и разрегулировка контактов;

b) ограниченные скоростные режимы из-за вибрации контактов и т. п.

В бесконтактных системах зажигания управление осуществляется специальными бесконтактными датчиками, что позволяет избежать указанных недостатков систем с контактным управлением.

2. Для регулирования угла опережения используются механические центробежный и вакуумный автоматы, которые реализуют весьма простые зависимости. Недостатки:

a) механические автоматы со временем изнашиваются, что приводит к погрешности момента искрообразования и ухудшению процесса сгорания рабочей смеси.

b) дополнительные погрешности возникают также и в результате использования механической понижающей передачи от коленчатого вала двигателя к распределителю.

3. Системы, осуществляющие управление моментом зажигания по большому числу параметров, приближая угол опережения к оптимальному, получили общее название - системы с электронным регулированием угла опережения зажигания. Среди способов реализации этих систем можно выделить два: аналоговый и цифровой. Одним из последних достижений в этой области являются микропроцессорные системы.

4. Все системы зажигания можно разделить по способу накопления энергии:

a) в индуктивности

b) в емкости.

Достоинства и простота реализации предопределили широкое использование систем зажигания с накоплением энергии в индуктивности на автомобильных двигателях. Системы зажигания с накоплением энергии в емкости нашли широкое применение на газовых и высокооборотных мотоциклетных двигателях, которые не критичны к длительности искрового разряда.

5. Применение электроники позволяет полностью исключить механические узлы, например вращающийся высоковольтный распределитель энергии. Функцию распределителя исполняют многовыводные (на 2, 4, 6 выводов) катушки зажигания или катушечные модули, управляемые контроллером. В системах со статическим распределением энергии благодаря отсутствию вращающегося бегунка и связанного с ним искрения значительно ниже уровень электромагнитных помех.

Классическая система батарейного зажигания с одной катушкой и многоискровым механическим распределителем до сих пор применяется на автомобилях. Главным достоинством этой системы является ее простота, обеспечиваемая двойной функцией механизма распределителя:

- прерывание цепи постоянного тока для генерирования высокого напряжения;

    Рис. 3.3. Принципиальная схема классической системы зажигания

- синхронное распределение высокого напряжения по цилиндрам двигателя.

Принципиальная схема классической системы зажигания состоит из следующих элементов (рис 3.3):

- источника тока-аккумуляторной батареи 1; катушки зажигания (индукционной катушки) 5, которая преобразует токи низкого напряжения в токи высокого напряжения. Между первичной и вторичной обмотками существует автотрансформаторная связь;

- прерывателя 17, содержащего рычажок 6 с подушечкой 7 из текстолита, поворачивающийся около оси, контакты прерывателя 8, кулачок, имеющий число граней, равное числу цилиндров. Неподвижный контакт прерывателя присоединен к «массе»; подвижный контакт укреплен на конце рычажка. Если подушечка не касается кулачка, контакты замкнуты под действием пружины. Когда подушечка находит на грань кулачка, контакты размыкаются. Прерыватель управляет размыканием и замыканием контактов и моментом подачи искры;

- конденсатора первичной цепи 18, подключенного параллельно контактам 8, который является составным элементом колебательного контура в первичной цепи после размыкания контактов;

- распределителя 14, включающего в себя бегунок 12, крышку 10, на которой расположены неподвижные боковые электроды 11 (число которых равно числу цилиндров двигателя) и неподвижный центральный электрод, который подключается через высоковольтный провод к катушке зажигания. Боковые электроды через высоковольтные провода соединяются с соответствующими свечами зажигания. Высокое напряжение к бегунку 12 подается через центральный электрод с помощью скользящего угольного контакта. На бегунке имеется электрод 13, который отделен воздушным зазором от боковых электродов 11. Бегунок 12 распределителя и кулачок 16 прерывателя находятся на одном валу, который приводится во вращение зубчатой передачей от распределительного вала двигателя с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала. Прерыватель и распределитель расположены в одном аппарате, называемом распределителем зажигания;

- свечей зажигания 15, число которых равно числу цилиндров двигателя;

- выключателя зажигания 2;

- добавочного резистора 3 (R_ДОБ), который уменьшает тепловые потери в катушке зажигания, дает возможность усилить зажигание. (При пуске двигателя R_ДОБ шунтируется выключателем 4 одновременно с включением стартера.) Добавочный резистор изготовляют из нихрома или константана и наматывают на керамический изолятор.

При вращении кулачка 16 контакты 8 попеременно замыкаются и размыкаются. После замыкания контактов (в случае замкнутого выключателя 2) через первичную обмотку катушки зажигания 5 протекает ток, нарастая от нуля до определенного значения за данное время замкнутого состояния контактов. При малых частотах вращения валика 9 распределителя 14 ток может нарастать до установившегося значения, определенного напряжением аккумуляторной батареи и омическим сопротивлением первичной цепи (установившийся ток). Протекание первичного тока вызывает образование магнитного потока, сцепленного с витками первичной и вторичной обмоток, и накопление электромагнитной энергии.

После размыкания контактов прерывателя, как в первичной, так и во вторичной обмотке индуцируется ЭДС самоиндукции. Согласно закону индукции вторичное напряжение тем больше, чем быстрее исчезает магнитный поток, созданный током первичной обмотки, больше первичный ток в момент разрыва и больше число витков во вторичной обмотке.

В результате переходного процесса во вторичной обмотке возникает высокое напряжение, достигающее 15...20 кВ. В первичной обмотке также индуцируется ЭДС самоиндукции, достигающая 200...400 В, направленная в ту же сторону, что и первичный ток, и стремящаяся задержать его исчезновение. При отсутствии конденсатора 18 ЭДС самоиндукции вызывает образование между контактами прерывателя во время их размыкания сильной искры, носящей дуговой характер. При наличии конденсатора 18 искрообразование уменьшается, так как ЭДС самоиндукции создает ток, заряжающий конденсатор. В следующий период времени конденсатор разряжается через первичную обмотку катушки и аккумуляторную батарею. Таким образом, конденсатор 18 практически устраняет дугообразование в прерывателе, обеспечивая долговечность контактов и индуцирование во вторичной обмотке достаточно высокой ЭДС.

Вторичное напряжение подводится к бегунку распределителя, а затем через электроды в крышке и высоковольтные провода поступает к свечам соответствующих цилиндров.

Нормальным рабочим режимом любой системы батарейного зажигания, использующей индукционную катушку в качестве источника высокого напряжения, является переходный режим, в результате чего образуется искровой разряд в свече зажигания. Рабочий процесс может быть разбит на три этапа.

1. Замыкание контактов прерывателя. На этом этапе происходит подключение первичной обмотки катушки зажигания (накопителя) к источнику тока. Этап характеризуется нарастанием первичного тока и, как следствие этого, накоплением электромагнитной энергии, запасаемой в магнитном поле катушки.

2. Размыкание контактов прерывателя. Источник тока отключается от катушки зажигания. Первичный ток исчезает, в результате чего накопленная электромагнитная энергия превращается в электростатическую. Возникает ЭДС высокого напряжения во вторичной обмотке.

3. Пробой искрового промежутка свечи. В рабочих условиях при определенном значении напряжения происходит пробой искрового промежутка свечи с последующим разрядным процессом.

Принцип работы схемы, изображенной на рис. 3.4, характерен для всех систем зажигания, устанавливаемых на автомобилях.

а) б)

Рис. 3.4. Схема замещения системы зажигания (а) и временные диаграммы тока в первичной цепи и вторичного напряжения системы зажигания

Выключатель зажигания S1 включает систему в сеть питания. В некоторых системах роль выключателя S1 играют контакты реле, управляемого выключа­телем зажигания. При вращении вала двигателя происходит замыкание контактов прерывательного механизма S2, и ток начинает нарастать в первичной цепи катушки зажигания по экспоненте, как это показано на рис. 3.4, б.

В момент, необходимый для подачи искрового импульса на зажигание, прерыватель S2 разрывает свои контакты, после чего возникает колебательный процесс, связанный с обменом энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем в емкостях С1 и С2. Амплитуда колебаний напряжения, приложенного к электродам свечи U₂, убывает по экспоненте, как показано на рис. 3.4,б пунктиром. Однако интерес представляет лишь первая полуволна напряжения, т.к., если ее максимальное значение U_2m превышает напряжение пробоя искрового промежутка U_n, возникает необходимая для зажигания искра. Величина U_2m зависит от коэффициента трансформации катушки зажигания К_т = W₂/W₁ (W₂ и W₁ соответственно число витков вторичной и первичной обмо­ток катушки), величины тока первичной обмотки в момент разрыва I _1р, а также индуктивности L, и емкости С₁ первичной и С₂ вторичной цепей.

Дата добавления: 2014-01-20