Требования к системам зажигания, основные параметры систем зажигания

Назначение и классификация систем зажигания

Рабочая смесь воспламеняется в камере сгорания автомобильного бензинового двигателя как в период пуска, так и во время его работы посредством электрического разряда между электродами свечи, ввер­нутой в головку цилиндра двигателя. 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 [2], [6], [9], [10].

Однако имеется ряд режимов работы двигателя, когда требуется значительная энергия искры – 30…100 мДж.

К таким режимам сле­дует отнести:

· пусковой режим;

· работу на бедных смесях при частич­ном открытии дросселя;

· работу на холостом ходу;

· работу при рез­ких открытиях дросселя.

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

· для синхронизации этих импульсов с требуемой фазой двигателя;

· для 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.

Рис. 6.1. Структурная схема батарейной системы зажигания

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

Батарейная система зажигания (рис. 6.1) состоит из следующих основных элементов:

- источника тока (электрической энергии) ИТ, функцию которого выполняют аккумуляторная батарея и генераторная установка;

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

- датчика синхронизатора Д, который механическим (электрическим, электронным, оптикоэлектронным и т.п.) способом связан с коленчатым валом двигателя и определяет угловое положение коленчатого вала;

- регулятора момента зажигания РМЗ, который механическим
или электрическим (электронным) способом управляет моментом подачи искры в зависимости от режима работы ДВС (например, частоты вращения коленчатого вала n, нагрузки двигателя – разрежение в коллекторе ∆Р_к);

- 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, управляется РМЗ и служит для подключения ИТ к накопителю ИВН и отключения от него, т. е. управляет процессами накопления и преобразования энергии;

- распределителя импульсов высокого напряжения Р, который
механическим, либо электрическим (электронным) 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.

Системы зажигания классифицируются по следующим основным признакам:

1. По способу управления (синхронизации) системы зажига­ния:

· контактные;

· бесконтактные.

2. По способу регулирования угла опережения зажигания:

· с механическим регулированием;

· с электронным регулированием.

3. По способу накопления энергии:

· с накоплением в индуктивности;

· с накоплением в емкости.

4. По типу силового реле (способу коммутации пер­вичной цепи катушки зажигания):

· механические;

· транзисторные;

· тиристорные.

5. По способу распределения импульсов высокого напряжения по цилиндрам двигателя:

· с механическим распределением;

· с электронным распределением.

6. По типу защиты от радиопомех:

· неэкранированные;

· экранированные.

Системам с контактным управлени­ем присущи недостатки, связанные с износом и разрегулировкой контактов, 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.

Внутри этих двух классов системы отличаются как схемными конструктивными решениями, так и применяемыми электронными коммутирующими приборами, датчиками, способами накопления энергии, регулирования угла опережения зажигания, распределе­нием импульсов высокого напряжения по цилиндрам.

В более простых системах зажигания для регулирования угла опережения используются механические центробежный и вакуум­ный автоматы, которые реализуют весьма простые зависимости. Механические автоматы со временем изнашиваются, что приводит к погрешности момента искрообразования и ухудшению процесса сгорания рабочей смеси.

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

В последнее время благодаря большим достижениям в области электроники и микроэлектроники созданы системы зажигания, в которых полностью отсутствуют механические устройства управле­ния, следовательно, и недостатки, свойственные им. Эти 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.

Цифровые системы зажигания благодаря развитию технологии производства цифровых интегральных схем средней и большой степеней интеграции являются наиболее совершенными. Одним из последних достижений в этой области являются микропроцессорные системы.

Применение электроники позволяет полностью исключить механические узлы, например вращающийся высоковольтный распре делитель 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.

В ряде случаев, например на автомобилях высокого класса, требуется максимальное снижение уровня помех радиоприему, те­левидению и средствам связи как на самом автомобиле, так и на внешних объектах. С этой целью высоковольтные детали и прово­да, а также сами узлы системы зажигания экранируются. Такие сис­темы зажигания называются экранированными.

Все системы зажигания разделяются также на две группы, отли­чающиеся способами накопления энергии (в индуктивности или ем­кости) и способами коммутации первичной цепи катушки зажигания (типом силового реле). На автомобильных двигателях широкое применение нашли системы зажигания с накоплением электромаг­нитной энергии в магнитном поле катушки, использующие контакт­ные или транзисторные прерыватели. В тиристорных системах за­жигания энергия для искрового разряда накапливается в конденса­торе, а в качестве силового реле применяется тиристор. В этих сис­темах катушка зажигания не накапливает энергию, а лишь преобра­зует напряжение. Характерной особенностью тиристорных систем зажигания является высокая скорость нарастания вторичного на­пряжения, поэтому пробой искрового промежутка свечи надежно обеспечивается даже при загрязненном и покрытом нагаром изоля­торе свечи. Кроме того, в тиристорных системах вторичное напря­жение может быть практически постоянным при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя до максимальной, так как конденсатор успевает полностью зарядиться на всех режимах ра­боты двигателя. Однако тиристорные системы зажигания имеют сравнительно малую продолжительность индуктивной составляю­щей искрового разряда (не более 300 мкс), что приводит к ухудше­нию воспламеняемости и сгорания рабочей смеси в цилиндрах дви­гателя на режимах частичных нагрузок. Многочисленными исследо­ваниями установлено, что в режимах частичных нагрузок и при ра­боте двигателя на сильно обедненных рабочих смесях требуется продолжительность индуктивной составляющей искрового разряда не менее 1,5…2 мс, что достаточно просто реализуется в системах зажигания с накоплением энергии в индуктивности. Последние дос­тижения в области создания транзисторных систем зажигания, в частности применение принципа нормирования времени накопления энергии, позволили практически устранить такие недостатки индуктивных систем, как большая зависимость вторичного напряжения от шунтирующего сопротивления на изоляторе свечи и от частоты вращения коленчатого вала.

Перечисленные 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 менее требовательны к длительности искрового разряда.

В соответствии с классификацией к серийно выпускаемым и перспективным системам зажигания и у нас в стране и за рубежом относятся:

· батарейная с механическим прерывателем (классическая);

· контактно-транзисторная;

· контактно-тиристорная;

· бесконтактно-транзисторная;

· цифровая с механическим распределителем;

· микропроцессорная система управления автомобильным двигателем (МСУАД).

Исходя из условий работы ДВС к системам зажигания предъявляются следующие основные требования:

· система зажигания должна развивать напряжения, достаточное для пробоя искрового промежутка свечи, обеспечивая при этом бесперебойное искрообразование на всех режимах работы двигателя;

· искра, образующаяся между электродами свечи, должна обладать достаточными энергией и продолжительностью для воспламенения рабочей смеси при всех возможных режимах работы двигателя;

· момент зажигания должен быть строго определенным и соответствовать условиям работы двигателя;

· работа всех элементов системы зажигания должна быть надежной при высоких температурах и механических нагрузках, которые возникают на двигателе;

· эрозия электродов свечи должна находиться в пределах допуска.

Исходя из этих требований любая система зажигания характеризуется следующими основными параметрами:

· развиваемым вторичным напряжением в пусковом и рабочем режимах работы U_2m;

· коэффициентом запаса по вторичному напряжению К_з;

· скоростью нарастания вторичного напряжения ;

· энергией W_р и длительностью индуктивной составляющей искрового разряда τ_р;

· зазором между элек­тродами свечей δ;

· углом опережения зажигания θ.

Коэффициентом запаса по вторичному напряжению К_з назы­вается отношение вторичного напряжения U_2m, развиваемого сис­темой зажигания, к пробивному напряжению U_пр между электрода­ми свечи, установленной на двигателе: .

Пробивным напряжением (напряжением пробоя) называется напряжение, при котором происходит пробой искрового промежутка свечи. При этом свеча, ввернутая в камеру сгорания двигателя, является своеобразным разрядником. Пробивное напряжение для однородных полей со­гласно экспериментальному закону Пашена прямо пропорциональ­но давлению смеси р и зазору между электродами δ и обратно про­порционально температуре смеси Т, т. е.

.

Кроме того, на напряжение U_пр оказывают влияние состав смеси, длительность и форма приложенного напряжения, полярность пробивного напря­жения, материал электродов и условия работы двигателя. Так, например, при пуске холодного двигателя стенки цилиндра и электро­ды свечи холодные, всасываемая топливно-воздушная смесь име­ет низкую температуру и плохо перемешана. При сжатии смесь слабо нагревается и капли топлива не испаряются. Попадая в ме­жэлектродное пространство свечи, такая смесь увеличивает про­бивное напряжение на 15…20%.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя пер­воначально вызывает некоторое увеличение пробивного напряже­ния ввиду роста давления сжатия, однако далее происходит уменьшение U_пр, так как ухудшается наполнение цилиндров свежей смесью и возрастает температура центрального электрода свечи.

Максимального значения пробивное напряжение достигает при пуске и разгоне двигателя, минимального – при работе на установившемся режиме на максимуме мощности.

В течение первых 2 тыс. км пробега нового автомобиля пробив­ное напряжение повышается на 20…25% за счет округления кромок электродов свечи. В дальнейшем напряжение растет за счет износа электродов и увеличения зазора, что требует проверки и регулиров­ки зазора в свечах через каждые 10...15 тыс. км пробега. Если двигатель работает на неустановившихся режимах в результате неод­нородности рабочей смеси, поступающей в цилиндры, пробивное напряжение в отдельных цилиндрах может значительно отличать­ся, а в некоторых случаях могут наблюдаться даже перебои искрообразования.

Для современных систем зажигания коэффициент запаса по вторичному напряжению принимают не менее 1,5, а в экранирован­ных – 1,3.

Параметры искрового разряда – энергия, длительность – влия­ют на развитие начала процесса сгорания в цилиндрах двигателя (в режимах пуска, холостого хода, неустановившихся режимах и при частичных нагрузках). Установлено, что увеличение энергии и продолжительности индуктивной составляющей искрового разряда обеспечивают большую надежность воспламенения смеси и сни­жение расхода топлива на этих режимах.

Момент зажигания – появление искрового разряда в свече – оказывает существенное влияние на мощность, экономичность и токсичность двигателя. Для каждого режима работы двигателя имеется оптимальный момент зажигания, обеспечивающий наи­лучшие его показатели. При слишком раннем зажигании сгорание смеси происходит целиком в такте сжатия при возрастании давле­ния. Поршень испытывает сильный встречный удар, тормозящий его движение. Внешними признаками раннего зажигания являются снижение мощности, металлический стук (детонация). При позднем зажигании после перехода поршня через ВМТ смесь сгорает в так­те расширения и может догорать даже в выпускном трубопроводе. При этом двигатель перегревается из-за увеличения отдачи тепло­ты в охлаждающую жидкость и мощность его снижается.

Рис. 6.2. Влияние момента зажигания на давление в цилиндре: 1 – правильная установка зажигания в точке Ѕ₁; 2 – раннее зажигание в точке Ѕ₂; 3 – позднее зажигание в точке Ѕ₃

Угол опережения зажигания влияет на изменение давления в цилиндре двигателя (рис. 6.2). Процесс сгорания оптимально про­текает в том случае, когда угол опережения зажигания оптимален (кривая 1). Максимум мощности двигатель развивает, если наибольшее давление в цилиндре создается после ВМТ через 10…15° угла поворота коленчатого вала двигателя, т.е. когда про­цесс сгорания заканчивается несколько позднее ВМТ. Оптимальный угол опережения зажигания определяется временем, кото­рое отводится на сгорание смеси, и скоростью сгорания смеси. В свою очередь время, отводимое на сгорание, зависит от частоты вращения коленчатого вала, а скорость сгорания определяется со­ставом рабочей смеси и степенью сжатия.

По современным представлениям угол опережения зажигания должен выбираться с учетом:

· частоты вращения коленчатого вала (рис. 6.3, а);

· нагрузки двигателя (рис. 6.3, б);

· температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха;

· атмосферного давления;

· состава отрабо­тавших газов;

· изменения положения дроссельной заслон­ки (разгон, торможение).

Рис. 6.3. Зависимости наилучшего (оптимального) угла опережения зажигания: а – от частоты вращения коленчатого вала двигателя; б – от нагрузки при различной частоте вращения

Кроме обеспечения оптимального угла опережения, система зажигания должна обеспечивать очередность подачи высокого на­пряжения на свечи соответствующих цилиндров двигателя в соответствии с порядком работы. Одним из важных требований экс­плуатации к системам зажигания является сохранение их исходных характеристик без изменений в течение всего срока службы двига­теля при минимуме ухода.

Дата добавления: 2014-12-27