Статья по теме: «ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ»

ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

Преобразование энергии источника тока в энер­гию искрового разряда. Протекание рабочих процессов в системе зажигания можно разде­лить на три этапа:

накопление энергии в одном из реактивных элементов электриче­ской схемы (в индуктивности или в емкости);

индуктирование импульса высокого напряжения во вторичной цепи катушки зажигания;

пробой искрового промежутка между электродами свечи зажига­ния и выделение энергии в искровом разряде.

В системе зажигания с накоплением энергии в индуктивности первый этап начинается после замыкания цепи питания первичной обмотки катушки зажигания. Сила тока в первичной обмотке, имею­щей не только активное, но и реактивное сопротивление, нарастает постепенно по экспоненциальному закону (рис. 6.6, а):

Нарастающая сила первичного тока стремится достигнуть макси­мального значения I_1m = U_АБ/R₁. Максимальная энергия, которую можно накопить в индуктивном элементе, определяется по формуле

W_Lm = 0,5 L₁L²_1m .

В системе зажигания с накоплением энергии в емкости по экспо­ненциальному закону нарастает напряжение заряда конденсатора. Энергия, которую можно накопить в электрическом поле конденса­тора, W_c = 0,5C₁U_c², где U_c - напряжение на выводах конденсатора в момент его подключения к первичной обмотке катушки зажигания; С₁ - емкость конденсатора.

Нарастание тока в первичной обмотке катушки в системе зажига­ния с накоплением энергии в индуктивности происходит в течение

определенного времени, которое зависит от частоты следования ис­кровых разрядов, а следовательно, от числа цилиндров и частоты вра­щения коленчатого вала двигателя. К моменту размыкания первич­ной цепи сила тока возрастает до силы тока разрыва I_p. Время полно­го цикла замкнутого и разомкнутого состояния первичной цепи ка­тушки зажигания определяется по формуле

T =120/(Z _ц n), где Z_ц - число цилиндров двигателя.

Время замкнутого состояния первичной цепи t_ax = v_зсТ зависит от относительного времени v_зх роста силы тока в первичной цепи (отно­сительного времени замкнутого состояния контактов прерывателя в контактной системе зажигания или относительного времени, в тече­ние которого силовой транзистор электронной системы зажигания находится в состоянии насыщения).

После отключения первичной обмотки катушки зажигания от источ­ника электроснабжения в первичной цепи образуется колебательный контур, содержащий катушку индуктивности L1, конденсатор емкостью С, (активное сопротивление), в котором возникают затухающие колеба­ния силы тока I, и напряжения U, первичной цепи. Емкость C, первичной цепи в контактной системе зажигания - емкость конденсатора, подклю­чаемого параллельно контактам прерывателя. Применение конденсатора в контактной системе зажигания обусловлено необходимостью уменьше­ния скорости роста напряжения первичной цепи в начальный момент размыкания контактов. При малых частотах вращения коленчатого вала и, следовательно, низкой скорости размыкания контактов напряжение U₁ превысит напряжение пробоя воздушного пространства между контакта­ми, в результате чего в межконтактном промежутке возникает электриче­ская дуга, которая поглощает значительную часть запасаемой в магнит­ном поле катушки зажигания энергии. Это приводит к интенсивному электроэрозионному изнашиванию контактов и снижению напряжения вторичной цепи. Выбор емкости С₁ связан с поиском компромисса между двумя противоречивыми требованиями. Увеличение емкости С, способ­ствует устранению дугообразования, но при этом уменьшаются скорость исчезновения магнитного поля и напряжения вторичной цепи. В систе­мах с механическим прерывателем тока в первичной цепи катушки зажи­гания оптимальной является емкость в пределах 0,22-0,28 мкФ.

В системах зажигания с электронным коммутирующим устройст­вом первичной цепи емкостный элемент обеспечивает переключение мощного транзистора с минимальным рассеянием мощности. Для не­которых типов высокочастотных транзисторов наличие емкостного элемента не обязательно.

Вторичная обмотка вместе с конденсатором емкостью С₂ вторич­ной цепи также образуют колебательный контур, индуктивно связан­ный с колебательным контуром первичной цепи. При отсутствии пробоя искрового промежутка свечи колебания напряжения U₂ вто­ричной цепи, так же как и напряжение U₁ первичной цепи, будут за­тухающими. Максимальная амплитуда колебаний вторичного напря­жения U_2m представляет собой высоковольтный импульс (рис. 6.6, б).

В системе индуктивно связанных контуров энергия, запасенная в магнитном поле катушки зажигания, преобразуется в энергию элек­трического поля конденсаторов емкостью С₁ и С₂ и частично выделя­ется в виде теплоты на активных элементах первичной и вторичной цепей и в магнитопроводе катушки зажигания.

Уравнение баланса энергии имеет вид:

Поскольку катушка зажигания является трансформатором, макси­мальное напряжение вторичной цепи может быть найдено по формуле

Исходя из баланса энергии, максимальное напряжение вторичной цепи определяется по формуле

Сила тока I_p разрыва первичной цепи возрастает с уменьшением ее индуктивности L₁, так как сила тока первичной цепи будет нарастать быстрее и при том же времени подключения первичной обмотки ка­тушки зажигания к источнику электроснабжения достигнет большего значения. При этом должно возрасти напряжение вторичной цепи.

Однако чрезмерное уменьшение индуктивности L, может привести к уменьшению напряжения вторичной цепи. Следовательно, для раз­личных комбинаций параметров системы зажигания должно сущест­вовать оптимальное значение индуктивности L,. Значения индуктив­ности L, в системах с накоплением энергии в магнитном поле нахо­дятся в пределах 3-10 мГн.

Увеличить силу тока 1_р разрыва первичной цепи можно за счет уменьшения сопротивления R_b повышения напряжения на выводах первичной обмотки и большего времени т_{з с} подключения катушки зажигания к источнику. Однако в контактной системе зажигания сила тока разрыва не должна превышать 3,5-5,0 A, в противном слу­чае контакты быстро подгорают и выходят из строя.

С уменьшением емкости С₁ вторичное напряжение возрастает, но до определенного предела, когда резко возрастают потери энергии на дугообразование между контактами.

Напряжение вторичной цепи должно уменьшаться с увеличением емкости С₂, которая складывается из емкостей вторичной обмотки ка­тушки зажигания (40-50 пФ), распределителя (15-25 пФ), свечей за­жигания (емкость каждой свечи около 60 пФ) и высоковольтных про­водов (0,9-1,2 пФ). Уменьшать емкость С₂ ниже определенного пре­дела, составляющего 40-70 пФ, невозможно. Емкость С₂ зависит от конструктивного исполнения элементов системы зажигания и суще­ственно увеличивается при их экранировании.

Поскольку в системе зажигания с накоплением энергии в электри­ческом поле конденсатора катушка зажигания не является накопите­лем энергии, индуктивность ее первичной обмотки можно выбирать в пределах 0,1-10 мГн, т.е. в большем диапазоне, чем для систем с на­коплением энергии в магнитном поле.

Следующий этап рабочего процесса системы зажигания начинает­ся, когда напряжение U₂ вторичной цепи на первой полуволне высо­ковольтного импульса становится равным напряжению пробоя. На­пряжение, достаточное для пробоя, должно быть существенно мень­ше напряжения U_2m. Так как в момент пробоя межэлектродного про­странства свечи не вся энергия магнитного поля катушки зажигания преобразуется в энергию электрического поля емкостью Q и С₂, ис­кровой разряд имеет емкостную и индуктивную составляющие.

Емкостная фаза разряда наблюдается в виде яркой искры голубо­ватого цвета. В данной фазе сила тока достигает единиц и десятков ампер. Продолжительность емкостной фазы разряда не превышает 1- 2 мкс. Емкостный разряд сопровождается специфическим треском.

Индуктивный разряд происходит при значительно меньшем вто­ричном напряжении (0,7-1,0 кВ). Сила тока в этой фазе искрового разряда составляет 40-100 мА. Индуктивный разряд происходит в те­чение 1-1,5 мс и имеет желтоватый или красновато-фиолетовый цвет. В контактных системах зажигания во время индуктивной фазы разряда выделяется энергия 15-20 мДж.

Воспламенение топливовоздушной смеси обеспечивается в основ­ном емкостной составляющей разряда. Благодаря большей продол­жительности индуктивный разряд способствует большему нагреву на­чального объема уже воспламенившейся смеси, что очень важно для режима пуска холодного двигателя.

Распределение высокого напряжения по цилиндрам двигателя

В системах зажигания используют два способа распределения вы­сокого напряжения по цилиндрам двигателя - высоковольтный и низковольтный. Высоковольтный способ реализуется с помощью распределителя в высоковольтной вторичной цепи катушки зажига­ния (рис. 6.7, а).

Для систем зажигания с низковольтным распределе­нием искровых разрядов характерно наличие распределительного устройства (коммутатора) в низковольтной цепи одной или несколь­ких катушек (рис. 6.7, б).

При распределении искровых разрядов на высоковольтной стороне (см. рис. 6.7, а) вывод вторичной обмотки катушка зажигания соединя­ют с электродом (бегунком), находящимся на одном валу с кулачком ме­ханического прерывателя или ротором бесконтактного датчика. Вра­щающийся бегунок, проходя около каждого из электродов крышки рас­пределителя, последовательно, в соответствии с порядком работы ци­линдров, соединяют высоковольтную цепь катушки со свечами зажига­ния. Прохождение электрода бегунка мимо электродов крышки распре­делителя должно быть строго синхронизировано с моментом прерыва­ния тока в первичной цепи катушки зажигания и возникновением в ее вторичной обмотке высоковольтного импульса. При высоковольтном способе распределения вторичного напряжения можно применять одну катушку зажигания для двигателей с числом цилиндров до восьми. Од­нако при таком способе распределения увеличивается длина высоко­вольтных проводов, их емкость, и снижается напряжение вторичной цепи. В воздушном зазоре между электродами бегунка и крышкой рас­пределителя при подаче высоковольтного импульса к свечам проскаки­вает искра, которая является дополнительным источником радиопомех. Для изготовления деталей высоковольтных аппаратов необходимо при­менять стойкие к высокому напряжению изоляционные материалы.

При низковольтном способе распределения искровых разрядов в системах зажигания с накоплением энергии в электростатическом поле (см. рис. 6.7, б) к конденсатору С можно подсоединить парал­лельно столько управляемых переключателей, сколько цилиндров у двигателя. Каждый переключатель, в качестве которых обычно ис­пользуются тиристоры, работает на соединенную с ним катушку за­жигания, выполняющую в конденсаторной системе функцию только преобразователя напряжения. Порядок чередования искр задается ге­нераторным датчиком-распределителем, имеющим равное числу ци­линдров двигателя число независимых обмоток на статоре. Импульсы управления, формируемые в обмотках статора, подаются на тиристо­ры VS1-VS4 (для четырехцилиндрового двигателя), которые подклю­чают первичные обмотки катушек к накопительному конденсатору.

Низковольтный способ распределения может быть реализован и в системах зажигания с накоплением энергии в магнитном поле катушки зажигания. Поскольку в таких системах катушка выполняет функции преобразователя напряжения и накопителя энергии, ее параметры по индуктивности обмоток выше, чем у катушек в системах с накоплени­ем энергии в емкости. Период накопления энергии в них больше, чем в конденсаторных системах, поэтому низковольтный способ распределения можно применять только при малом числе цилиндров и относи­тельно низких частотах вращения коленчатого вала двигателя.

Для низковольтного распределения импульсов высокого напряжения на двух- и четырехцилиндровых двигателях применяют двух- и четырех- выводные катушки зажигания (рис. 6.8). Появление высоковольтных импульсов высокого напряжения на свечах обеспечивается поперемен­ным открытием и закрытием транзисторов VT1 и VT2 (рис. 6.8, а).

Вторичные обмотки катушек в схеме на рис. 6.8, а подсоединены попарно к свечам цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового двигателя, в которых процессы сжатия сдвинуты на один оборот ко­ленчатого вала. Искрообразование происходит одновременно в све­чах этих двух цилиндров, но в одном - на такте сжатия, а в другом - на такте расширения. Воспламенение топливовоздушной смеси про­исходит в цилиндре, в котором заканчивается такт сжатия. В парном цилиндре энергия искрового разряда расходуется вхолостую.

Основная часть энергии, которая поступает во вторичную цепь катуш­ки зажигания, выделяется при возникновении искрового разряда между электродами свечи в цилиндре, в котором заканчивается такт сжатия. В тот же момент в парном цилиндре открыты впускной и выпускной клапа­ны, избыточное давление отсутствует и в искровом промежутке свечи за­жигания выделяется энергия, приблизительно равная энергии, выделяе­мой в воздушном зазоре между бегунком и контактами в крышке распре­делителя. В данном цилиндре сжатие и эффективное искрообразование произойдут через один оборот коленчатого вала двигателя. Таким обра­зом, через каждые пол-оборота коленчатого вала искрообразование будет происходить на такте сжатия с последовательностью, соответствующей порядку работы цилиндров двигателя (1-3-4-2 или 1-2-4-3).

Четырехвыводная катушка (рис. 6.8, б) имеет двухсекционную пер­вичную обмотку и одну вторичную обмотку, концы которой соедине­ны с двумя парами свечей. Полярность высоковольтного импульса во вторичной обмотке изменяется при поочередном включении транзи­сторов VT1 и VT2, так как при этом изменяется направление магнитно­го потока в магнитопроводе катушки. Высоковольтные диоды на сто­роне вторичной обмотки при одной полярности импульса обеспечива­ют протекание тока высокого напряжения через свечи F1 и F4, а при другой через свечи F2 и F3. Взаимное влияние связанных индуктивно первичных обмоток в период образования высоковольтного импульса предотвращается включением в цепи электроснабжения обеих секций первичной обмотки разделительных диодов VD1 и VD2.

Особенности рабочего процесса транзисторной системы зажигания

Классические контактные и транзисторные системы зажигания мало отличаются по характеру протекания процессов увеличения силы тока в первичной цепи и разрядных процессов во вторичной цепи катушки зажигания. Различие в основном заключается в том, что происходит в первичной цепи при размыкании контактов в клас­сической системе и при переходе выходного транзистора коммутато­ра в состояние отсечки в транзисторных системах зажигания.

Запирание транзистора, т.е. переход транзистора из состояния на­сыщения в состояние отсечки, может происходить в течение несколь­ких микросекунд. За это время напряжение первичной цепи может существенно возрасти, а напряжение вторичной цепи увеличится не­значительно, так как свободные колебания силы тока и напряжения в катушке зажигания, которые вызывают появление высокого напря­жения во вторичной цепи, начинаются после запирания транзистора.

В процессе перехода транзистора в состояние отсечки и при свобод­ных колебаниях в первичном и вторичном контурах катушки зажига­ния рабочая точка транзистора не должна выходить за пределы зоны безопасной работы транзистора в импульсном режиме. Сила тока в первичной цепи не должна превышать максимально допустимой силы тока коллектора транзистора, а напряжение на эмиттер-коллекторном переходе не должно быть больше граничного значения - напряжения первичного пробоя.

Граничное напряжение зависит от условий запирания транзистора. Напряжение пробоя эмиттер-коллекторного перехода транзистора все­гда меньше напряжения пробоя диодного перехода база-коллектор, что обусловлено возникновением эффекта лавинного умножения носителей тока в коллекторном переходе. Граничное напряжение меньше при об­рыве цепи базы и больше при активном запирании транзистора. Если допустимый уровень граничного напряжения выше, можно уменьшить коэффициент трансформации катушки, увеличить индуктивность ее первичной обмотки, уменьшить силу тока разрыва первичной цепи и, следовательно, температуру нагрева элементов системы зажигания.

ЭДС, индуктируемая в первичной обмотке катушки зажигания при запирании транзистора или при возникновении свободных коле­баний в первичном и вторичном контурах системы зажигания, как правило, ограничивается стабилитроном.

В коммутаторах электронных систем зажигания транзисторы обычно работают в ключевом режиме. Параметрами, характеризую­щими транзисторный ключ, являются:

сила тока коммутации;

падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора в со­стоянии насыщения (или сопротивление насыщения);

время коммутации;

допустимое напряжение на эмиттер-коллекторном переходе тран­зистора в состоянии отсечки.

Сила тока коммутации мощных выходных транзисторов в комму­таторах электронных систем зажигания находится в пределах 5-10 А. Сопротивление насыщения и, как следствие, падение напряжения на эмиттер-коллекторном переходе зависят от материала полупроводни­ка и способа изготовления транзистора. У германиевых транзисторов сопротивление насыщения составляет 0,05-0,2 Ом, а для кремниевых может достигать 0,5 Ом.

Время коммутации тока транзисторным ключом определяется фи­зическими свойствами транзистора и видом нагрузки, которая может быть активной, индуктивной, емкостной и смешанной. Это время не­велико и мало влияет на процесс увеличения силы тока в индуктив­ной нагрузке первичной цепи катушки зажигания.

Время перехода транзистора из состояния насыщения в состояние отсечки определяется, главным образом, продолжительностью жизни носителей тока в базовой области. Чтобы ускорить процесс запирания транзистора и тем самым уменьшить степень нагрева транзистора, при­меняют различные схемы, например шунтируют эмиттерный переход транзистора резистором, вводят источники активного запирания и т.д.

После перехода выходного транзистора коммутатора в состояние насыщения сила тока в первичной цепи катушки зажигания нараста­ет по экспоненциальному закону.

Сила тока разрыва первичной цепи в начале перехода транзистора в состояние отсечки определяется по формуле

При низких частотах вращения коленчатого вала двигателя сила тока разрыва первичной цепи катушки зажигания в основном опреде­ляется суммарным сопротивлением первичной цепи, а при высоких частотах вращения коленчатого вала зависит от индуктивности пер­вичной обмотки катушки зажигания.

Так же, как и в контактной системе зажигания, в транзисторных системах на напряжение вторичной цепи влияют индуктивность пер­вичной обмотки и емкость вторичной цепи катушки зажигания. Кон­денсатор в первичной цепи влияет не только на вторичное напряжение и условия запирания транзистора, но и на мощность тепловых потерь в транзисторе. Подключение конденсатора параллельно первичной об­мотке катушки зажигания способствует ускорению запирания транзи­стора, поэтому нагрев транзистора с увеличением емкости конденсато­ра уменьшается. Необходимая емкость конденсатора определяется час­тотными свойствами и допустимым напряжением эмиттер-коллектор­ного перехода транзистора и не зависит от индуктивности первичной обмотки катушки зажигания и параметров вторичной цепи.

Разрядные процессы в транзисторной системе зажигания протекают так же, как и в контактной системе. Время разряда возрастает с увеличе­нием силы тока разрыва первичной цепи и индуктивности вторичной цепи катушки зажигания. В транзисторной системе зажигания запас энергии в катушке больше, поэтому время разряда в 1,5 - 2 раза превышает время разряда в классической контактной системе зажигания.