Тема 3. Системы зажигания

ЛЕКЦИЯ 8. КЛАССИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Первые системы зажигания работали от магнето. Но они достаточно быстро были вытеснены батарейными системами зажигания, которые в различных вариантах применяются и в настоящее время. Большое влияние на развитие систем зажигания оказывают требования к повышению экономичности ДВС, к снижению токсичности отработавших газов, к снижению габаритов и массы ДВС, к увеличению частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия.

Принцип действия батарейных систем зажигания основан на накоплении энергии в магнитном или электрическом поле с последующим быстрым выделением её в искровом промежутке в нужный момент такта сжатия в рабочем цилиндре. На автомобильных двигателях широкое применение нашли системы зажигания с накоплением электромагнитной энергии в магнитном поле катушки, использующие контактные или транзисторные прерыватели. Рассмотрим принцип работы такой системы.

Упрощенная схема системы зажигания двигателя с одним цилиндром приведена на рис. 8.1, а. Принцип ее работы легко применить к любому числу цилиндров. Схема включает аккумуляторную батарею Е, катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками, прерыватель К₂, конденсатор первичной цепи С₁, добавочный резистор R, выключатель К₁ и свечу зажигания. Частота, с которой замыкаются контакты прерывателя К₂, определяется частотой вращения вала двигателя – n(об/мин). Выключатель К₁ замыкается во время пуска двигателя.

При замыкании контактов прерывателя К₂ через первичную обмотку катушки протекает ток, нарастая от нуля до некоторого значения. Его величину можно определить выражением:

где L₁ – индуктивность первичной обмотки, R_э – эквивалентное сопротивление цепи первичной обмотки (сумма сопротивлений первичной обмотки, добавочного резистора R и проводов).

Время t, в течение которого нарастает ток i, зависит от частоты вращения вала двигателя n, числа цилиндров z, конструкции прерывателя. Обозначим ток к концу интервала нарастания i_р. Величина электромагнитной энергии, запасаемой в магнитном поле катушки зажигания, определяется выражением

.

В момент зажигания контакты прерывателя К₂ размыкают цепь первичной обмотки. Теперь схема замещения системы зажигания принимает вид рис. 8.1, б. Схема представляет два контура, связанные магнитным потоком. Емкость С₂ – это распределенная емкость цепи вторичной обмотки, L₁, L₂ – индуктивности первичной и вторичной обмоток катушки зажигания, R₁, R₂ – эквивалентные сопротивления цепей, R_П, R_Ш – сопротивления, имитирующие утечки тока на свече и магнитные потери.

При размыкании контактов прерывателя ток цепи первичной обмотки не может уменьшиться до нуля мгновенно. Чтобы сократить время уменьшения тока, а вместе с ним и магнитного потока, в цепь первичной обмотки включен конденсатор С₁. Сопротивление разряженного конденсатора переменному току значительно (в m раз) меньше R₁. Следовательно, падение напряжения на конденсаторе и между контактами прерывателя уменьшается в m раз. Это способствует уменьшению искрения.

Электромагнитная энергия, запасенная в катушке, преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов и частично превращается в тепло. Уравнение энергетического баланса в контурах (без учета потерь) имеет вид

(8.1)

где U_1м, U_2м – максимальные значения первичного и вторичного напряжения соответственно.

Так как

,

то из (8.1) легко получить выражение для расчета максимального значения напряжения на свече зажигания:

(8.2)

Выражение (8.2) приближенное, так как не учитывает потери энергии в контурах. Оно показывает, что напряжение на свече зажигания тем больше, чем быстрее исчезает магнитный поток, созданный током первичной обмотки, чем больше ток в момент разрыва контактов и число витков вторичной обмотки . В реальных катушках зажигания оно достигает 15÷20 кВ. В первичной обмотке также индуцируется Э.Д.С. самоиндукции. Но, поскольку , E₁ достигает значений 200÷400 В, направлена в ту же сторону, что и первичный ток и стремится задержать его исчезновение

Переходный процесс, после размыкания контактов прерывателя, носит колебательный характер (рис. 8.2). Ток первичной обмотки совершает несколько периодов затухающих колебаний до тех пор, пока энергия, запасенная в магнитном поле катушки, не израсходуется на тепло в сопротивлении R₁ контура.

Нагрузкой цепи вторичной обмотки является свеча. Напряжение электрического пробоя U_пр в свече меньше максимального – U_2м. Поэтому, как только выполняется равенство U₂ = U_пр, в свече возникает искровой разряд и колебательный процесс обрывается.

После пробоя искрового промежутка вторичное напряжение U_2м резко уменьшается (рис. 8.2). Искра в искровом промежутке имеет две фазы. Первая фаза называется емкостной и возникает в результате разряда емкостей. Эта фаза кратковременна, а искра имеет яркое голубоватое свечение. Вторая фаза называется индуктивной. Она обусловлена выделением энергии магнитного поля катушки, отличается большей, в сравнении с первой фазой, продолжительностью, небольшой силой тока и красноватым свечением искры. В исправной системе искра должна иметь яркое ядро, окружённое пламенем красноватого цвета.

Процесс сгорания рабочей смеси разделяется на три фазы: начальную, когда формируется пламя, возникающее от искрового разряда в свече, основную, когда пламя распространяется на большей части камеры сгорания, и конечную, когда пламя догорает у стенок камеры. На начальную фазу сгорания влияет энергия и длительность искрового разряда в свече. В современных системах энергия разряда достигает 50 МДж, а его длительность – 1 ÷2,5 мс. Вторая и третья фазы сгорания также требуют определённого времени. Наиболее полное сгорание рабочей смеси достигается своевременной подачей сигнала на воспламенение, т. е. установкой оптимального угла опережения зажигания в зависимости от режима работы двигателя.

Угол опережения зажигания определяется по углу поворота коленчатого вала двигателя от момента возникновения искры до момента достижения поршнем верхней мёртвой точки.

Если угол опережения зажигания больше оптимального, то зажигание раннее. Давление в камере сгорания достигает максимума до достижения поршнем верхней мёртвой точки и оказывает противодействующее воздействие на поршень. Раннее зажигание может явиться причиной возникновения детонации. Если угол опережения зажигания меньше оптимального, зажигание позднее, в этом случае двигатель перегревается.

Принцип работы схемы рис. 8.1 легко применить к любому числу цилиндров. Распределение зажигания по цилиндрам может производиться как на высоковольтной, так и на низковольтной стороне. В настоящее время наиболее распространено высоковольтное распределение зажигания.

В зависимости от конструктивных и схемных особенностей системы зажигания разделяются на контактные (классические), контактно-транзисторные и бесконтактные электронные.

2. КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ

Классическая система зажигания с одной катушкой и механическим распределителем широко применяются на современных автомобилях. Их главное достоинство – простота конструкции – обеспечивается тем, что механический распределитель выполняет две функции: прерывание цепи постоянного тока (для генерирования высокого напряжения) и синхронное распределение высокого напряжения по цилиндрам двигателя.

В контактной системе зажигания (рис. 8.3, а) коммутация в первичной цепи зажигания осуществляется механическим кулачковым прерывательным механизмом. Кулачок прерывателя (рис.8.3, б) связан с коленчатым валом двигателя через зубчатую или зубчато-ременную передачу, причём, частота вращения вала кулачка вдвое меньше частоты вращения вала двигателя.

Угол опережения зажигания устанавливается изменением положения кулачка относительно приводного вала или углового положения пластины прерывателя, на которой закреплена ось его подвижного рычажка. Время замкнутого и разомкнутого состояния контактов определяется конфигурацией кулачка, частотой вращения и зазором между контактами.

Закономерность изменения угла опережения зажигания по частоте вращения коленчатого вала двигателя и его нагрузке различна для разных типов двигателя и подбирается экспериментально. Однако во всех случаях с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается скорость движения поршня, поэтому, чтобы смесь успела сгореть при увеличении частоты вращения, угол опережения зажигания должен быть увеличен.

С увеличением нагрузки двигателя процесс сгорания смеси ускоряется. Следовательно, с увеличением нагрузки (т. е. с увеличением угла открытия дроссельной заслонки) угол опережения зажигания должен уменьшаться.

Автоматическое регулирование угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала обеспечивается центробежным регулятором (рис. 8.4).

На ведущем валике 4 закреплена пластина с осями 7 для установки грузиков 2. Грузики могут проворачиваться вокруг осей 7 и связаны между собой пружинами 6. На каждом грузике имеется штифт 5, входящий в прорези пластины 3, укреплённой на втулке кулачка 1. Привод кулачка осуществляется от валика через грузики.

С увеличением частоты вращения, начиная с некоторого её значения, грузики под действием центробежной силы расходятся. При этом штифты, двигаясь в прорезях пластины, поворачивают её и связанный с ней кулачок в сторону вращения ведущего валика. В результате такого перемещения размыкание контактов происходит раньше. При уменьшении частоты вращения грузики под действием пружин возвращаются в исходное положение.

Пример зависимости угла опережения θº, устанавливаемого центробежным регулятором при изменении частоты вращения n, приведён на рис. 8.4, г. Ломаный характер зависимости определяется подбором жёсткости пружины, массы и конфигурации грузиков. Максимальное значение θº ограничивается упором и лежит в пределах 30 ÷ 40º по углу поворота коленчатого вала (этот угол вдвое меньше по углу поворота ведущего валика распределителя).

Изменение угла опережения зажигания по нагрузке двигателя осуществляет вакуумный регулятор (рис. 8.5). При малых нагрузках двигателя уменьшается наполнение цилиндров рабочей смесью и, следовательно, давление в момент воспламенения. Одновременно увеличивается загрязнение смеси остаточными газами, что приводит к уменьшению скорости сгорания, а это требует увеличения угла опережения зажигания. С увеличением нагрузки процент остаточных газов уменьшается. Коэффициент избытка воздуха находится в пределах 0,8 ÷ 0,9. Такая смесь имеет наибольшую скорость сгорания, поэтому угол опережения зажигания должен быть минимальным.

Полость вакуумного регулятора, в которой размещена пружина 6, соединяется трубкой 5 со смесительной камерой карбюратора над дроссельной заслонкой. Полость регулятора с левой стороны диафрагмы сообщается с атмосферой. К диафрагме 7 прикреплена тяга 9. Она связана шарниром с подвижной пластиной 11, на которой установлен прерыватель. При уменьшении нагрузки двигателя дроссельная заслонка прикрывается и разрежение в месте подсоединения вакуумного регулятора и в полости правой стороны диафрагмы увеличивается. Под действием разности давлений диафрагма, преодолевая усилия пружины, перемещается и тягой поворачивает подвижную пластину вместе с прерывателем навстречу направлению вращения кулачка. Угол опережения зажигания увеличивается.

С увеличением нагрузки двигателя дроссельная заслонка открывается, разрежение в полости регулятора уменьшается и пружина перемещает диафрагму и связанную с ней тягу влево. Тяга поворачивает подвижную пластину и прерыватель в направлении вращения кулачка, уменьшая угол опережения зажигания.

Отверстие для подсоединения трубки регулятора располагают так, что при холостом ходе двигателя заслонка карбюратора перекрывает его. Отверстие оказывается на стороне диффузора, где разрежение минимально. В этом случае регулятор не работает.

Для установления начального угла опережения в зависимости от октанового числа топлива регуляторы оборудуются ручной регулировкой. Для ручной регулировки корпус большинства распределителей делается подвижным, снабжается установочным винтом и шкалой с делениями. В зависимости от октанового числа бензина корпус распределителя закрепляется в нужном положении. При применении топлива с меньшим октановым числом корпус следует поворачивать в сторону уменьшения угла опережения зажигания. Это устройство называют октан-корректором.

Центробежный и вакуумный регуляторы работают независимо. Реальный угол опережения зажигания складывается из угла начальной установки и углов автоматически устанавливаемых центробежным и вакуумным регуляторами.

3. КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

3.1 Катушки зажигания.

По конструкции магнитной цепи катушки зажигания разделяются на два типа:

– с разомкнутым магнитопроводом,

– с замкнутым магнитопроводом.

В катушках с замкнутым магнитопроводом затраты меди меньше. Однако в отечественном автомобилестроении широкое распространение получили катушки с разомкнутым магнитопроводом.

Катушки с разомкнутым магнитопроводом также разделяются на два типа:

– с внутренней первичной обмоткой,

– с наружной первичной обмоткой.

Катушки с наружной первичной обмоткой имеют лучшие условия охлаждения, меньшую массу провода и меньшее сопротивление вторичной обмотки. Поэтому катушки отечественного производства выполняются с наружной первичной обмоткой.

Разрез типовой автомобильной катушки зажигания приведён на рис. 8.6. Катушка представляет собой автотрансформатор с разомкнутым магнитопроводом. Магнитопровод 9 катушки набран из пластин электротехнической стали толщиной 0,35 мм, изолированных друг от друга окалиной. На магнитопровод надета изолирующая трубка, на которую намотана вторичная обмотка 7. Каждый слой этой обмотки изолирован конденсаторной бумагой, а последние слои намотаны с зазором 2 ÷ 3 мм, чтобы уменьшить опасность пробоя изоляции.

Первичная обмотка 6 намотана поверх вторичной обмотки, что облегчает отвод от неё тепла. Корпус 10 катушки штампованный из листовой электротехничекой стали. Внутри корпуса установлен наружный магнитопровод 11 из электротехнической стали. Фарфоровый изолятор 8 и карболитовая крышка 2 предотвращают возможность пробоя между магнитоповодом и корпусом катушки. Крышка имеет четыре выходных клеммы: центральную высоковольтную 17 и три низковольтных – безымянную 3, а также клеммы «ВК» 16 и «ВК-Б» (на рис 8.6. не показана).

Один конец вторичной обмотки выводится к клемме высокого напряжения 17 через контактную пластину 15, магнитопровод и пружину 4. Высоковольтная клемма 17 с помощью наконечника 1 соединяется через высоковольтный провод с центральным электродом крышки распределителя. Другой конец вторичной обмотки и конец первичной обмотки соединены между собой (автотрансформаторная связь обмоток) и соединены с безымянной клеммой 3 на крышке. Эта клемма соединяется с клеммой «Р» распределителя (рис. 8.3). Другой конец первичной обмотки соединён с клеммой «ВК».

Число витков катушки зажигания зависит от её типа и находится в пределах 220 ÷ 330 для первичной и 18 ÷ 26 тыс. для вторичной. Диаметр провода первичной обмотки 0,52 ÷ 0,86 мм, а вторичной 0,07 ÷ 0,09 мм. Коэффициент трансформации находится в пределах 62 ÷ 80.

Пространство между обмотками и корпусом заполнено изолирующим наполнителем – трансформаторным маслом. Герметичность карболитовой крышки в кожухе обеспечивается прокладкой 5.

К клеммам «ВК-Б» подсоединён добавочный резистор 12, установленный в керамическом изоляторе 13. Добавочный резистор может крепиться как на самой катушке, так и отдельно от неё. Сопротивление резистора в зависимости от типа катушки составляет 1,0 ÷ 1,9 Ом.

При пуске двигателя катушка зажигания питается от аккумуляторной батареи, напряжение которой понижено до 6 ÷ 8 В из-за потребления стартером большого тока. Это приводит к снижению тока в первичной обмотке и к снижению вторичного напряжения. Именно поэтому первичная обмотка катушки зажигания рассчитывается на напряжение 6 ÷ 8 В, а остальное напряжение источника гасится в добавочном резисторе. При пуске двигателя добавочный резистор шунтируется. Ток первичной обмотки возрастает и обеспечивает достаточную величину вторичного напряжения для пробоя искрового промежутка свечи.

В некоторых системах зажигания (например, для автомобилей семейства ВАЗ) добавочный резистор отсутствует, что обусловлено высокими характеристиками системы пуска, благодаря чему напряжение аккумуляторной батареи при пуске снижается незначительно.

3.2. Распределители зажигания

Распределитель прерывает цепь первичной обмотки катушки зажигания и распределяет высокое напряжение по свечам в необходимой последовательности. В состав распределителя входят:

– прерыватель с контактами,

– распределитель импульсов высокого напряжения,

– центробежный и вакуумный автоматы опережения зажигания,

– привод.

Наиболее ответственными узлами распределителя являются прерыватель и его контакты. Надёжность и срок службы прерывателя ограничены из-за эрозии и коррозии контактов. Эрозия контактов, как правило, сопровождается переносом металла с одного контакта на другой. Коррозия вызывает образование на контактах непроводящих плёнок и частичное или полное нарушение электрического контакта.

Перенос металла вызывает образование на одном из контактов бугров, а на другом – кратеров, которые приводят к нарушению установленного зазора. В свою очередь, зазор между контактами играет большую роль в обеспечении надёжной работы системы зажигания, так как от величины зазора зависит угол замкнутого состояния контактов или время, в течение которого нарастает ток в цепи первичной обмотки катушки зажигания. У большинства конструкций распределителей зазор между контактами прерывателя лежит в пределах 0,35 ÷ 0,45 мм.

Лучшим материалом для контактов прерывателя является вольфрам, так как он мало подвержен эрозии. Вольфрамовые контакты не свариваются и мало поддаются износу.

Распределители изготавливаются в зависимости от числа цилиндров двигателя 4-х, 6-ти, 8-ми-искровыми, а в зависимости от направления рабочего вращения кулачка прерывателя – левого и правого вращения.

Конструктивно прерыватель тока низкого напряжения и распределитель тока высокого напряжения объединены в одном корпусе. Там же находятся центробежный и вакуумный регуляторы опережения зажигания, октан-корректор. Разрез конструкции распределителя 30.3706 автомобилей семейства ВАЗ приведён на рис. 8.7.

Распределитель имеет корпус 4 из алюминиевого сплава, в котором вращается валик 15. Через маслёнку 6 закапывается масло для предотвращения сухого трения между валиком и втулкой 16 корпуса, которая изготавливается из металлокерамики. Прерыватель 7 смонтирован в одном узле с подшипниками. Наружная обойма подшипника запрессована в корпус прерывателя. На корпусе установлен конденсатор 17. На пластине кулачка 14 закреплён ротор-бегунок 8 с помехоподавительным сопротивлением.

Корпус прерывателя закрыт крышкой 11, в центре которой установлен уголёк 10, нагруженный пружиной. Крышка крепится к корпусу двумя пружинными защёлками 13. Для предотвращения проникновения моторного масла под корпусом распределителя на валу установлен маслоотражательный диск 1.

Распределитель приводится в действие от шестерни привода масляного насоса, в которую входят шлицы вала распределителя. На корпусе устанавливается вакуумный автомат, который работает в зависимости от нагрузки двигателя (на рис. 8.7 не показан).

Особенностью конструкции распределителя 30.3706 является то, что центробежный регулятор 8 расположен в верхней части распределителя над четырёхгранным кулачком 14 прерывателя.

3.3. Свечи зажигания

Свеча зажигания должна обеспечивать гарантированное воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя при подаче на неё высокого напряжения. Расположение свечи в головке блока цилиндров и частично в камере сгорания создаёт чрезвычайно напряжённые условия её работы.

При работе двигателя температура в камере сгорания колеблется от 70 до 2500 ºС, максимальное давление достигает 5 ÷ 6 МПа, напряжение на свече достигает 20 кВ. Это накладывает отпечаток на конструкцию свечи (рис. 8.8).

Корпус свечи представляет собой полую резьбовую конструкцию с головкой под шестигранный ключ. Внутри корпуса располагается керамический изолятор, выполненный из уралита, боркорунда, синоксаля, хелумина или других материалов, обдадающих высокой температурной, электрической и механической стойкостью. Изолятор должен выдерживать напряжение не менее 30 кВ при максимальной температуре.

Внутри изолятора закреплён центральный электрод и контактный стержень. Центральный электрод изготавливается из хромотитановой стали 13Х25Т или хромоникелевого сплава Х20Н80. В свечах с расширенным температурным диапазоном («термоэластик») центральный электрод выполняется из меди, серебра или платины с термостойким покрытием рабочей части.

Герметизация центрального электрода и контактного стержня производится специальной токопроводящей стекломассой.

К корпусу свечи приварен боковой электрод из никельмарганцевого или хромоникелевого сплава. Некоторые фирмы, например, Bosch, применяют до четырёх боковых электродов в свече. Увеличение числа боковых электродов способствует снижению устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя за счёт более разветвлённой и стабильной искры. Между центральным и боковым электродами устанавливается зазор 0,5 ÷ 1,2 мм. Чем больше зазор, тем больше воспламеняющая способность искры, но при этом от системы зажигания требуется более высокое напряжение. Зимой рекомендуется использовать минимальные зазоры или даже уменьшать их на 0,1 ÷ 0,2 мм.

Герметизированные экранированные свечи, например, СН443 имеют встроенный помехоподавительный резистор.

Тепловые свойства свечей оцениваются калильным числом – важнейшей числовой характеристикой. Нормальная работа свечи происходит при температуре теплового конуса изолятора 400 ÷ 900 ºС. При температуре ниже 400 ºС на свече образуется нагар, который вызывает перебои в работе двигателя. При температуре выше 920 ºС возникает калильное зажигание – самовоспламенение топливной смеси от нагретого конуса свечи. Калильное число определяют на специальном одноцилиндровом эталонном двигателе, степень сжатия которого изменяют до возникновения калильного зажигания. Среднее индикаторное давление при возникновении калильного зажигания соответствует калильному числу, которое должно принадлежать ряду: 8; 11; 14; 17; 20; 23; 26.

Теплоотдача свечи определяется рядом параметров и, в частности, зависит от длины теплового конуса изолятора. Длинный конус затрудняет теплоотвод, нижняя часть свечи плохо охлаждается. Такую свечу называют «горячей». Она соответствует малым значениям калильного числа и рекомендуется для двигателей с низкой степенью сжатия. Короткий тепловой конус характерен для «холодной» свечи с большими значениями калильного числа. Такие свечи рекомендуются для быстроходных форсированных двигателей.

Маркировка свечей зажигания должна содержать:

– обозначение резьбы на корпусе (А – резьба М14 1,25 или М – 18 1,5);

– калильное число;

– обозначение длины резьбовой части корпуса (Н – 11 мм, Д – 19 мм); длину резьбовой части корпуса (12 мм) не обозначают;

– обозначение выступления теплового конуса изолятора за торец корпуса – В; отсутствие выступления не обозначают;

– обозначение герметизации по соединению изолятор – центральный электрод термоцементом – Т; герметизацию другим герметиком не обозначают.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

8.1. Используя рис. 8.1, а, поясните принцип работы контактной системы зажигания.

8.2. Полагая Е = 8 В, Rэ = 1,6 Ом, L1 = 1,28 мГн, определите максимальное значение тока разрыва i _р.м, время Т, необходимое для достижения i _р.м и частоту вращения коленчатого вала n четырехцилиндрового ДВС, соответствующую Т.

Ответы: i_р.м = 5 А, Т = 5 мс, n = 3000 мин^-1.

8.3. Полагая i_р = 5 А, L₁ = 1,28 мГн, С₁ = 0,2 мкФ, , , определите U_2м , если С₂ = 10^-10 Ф.

Ответ: U_2м ≈ 15 кв.

8.4. Как определяется угол зажигания в ДВС? Почему при позднем зажигании ДВС перегревается?

8.5. Используя рис. 8.4 и рис. 8.5, поясните принцип регулирования угла опережения зажигания. Почему с увеличением нагрузки угол опережения зажигания должен уменьшаться?

8.6. Почему отечественной промышленностью выпускаются катушки зажигания с разомкнутым магнитопроводом и наружной первичной обмоткой?

8.7. Пользуясь рис. 8.7, поясните, в чем заключаются достоинства и недостатки распределителей контактной системы зажигания.

8.8. Какие факторы учитываются при определении величины зазора между центральным и боковым электродами свечей зажигания?

8.9. Каким параметром свечей зажигания определяется длина их теплового конуса?

8.10. Какие параметры свечи зажигания можно определить по ее маркировке – А20ДВ?

Дата добавления: 2015-05-06