Статья: «СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ»

СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Назначение систем зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндрах бензинового двигателя. Топливовоздушная смесь воспламеняется в камере сгорания двигателя посредством электрического разряда между электродами свечи зажигания, установленной в головке цилиндров. Для создания искры между электродами свечи зажигания применяют системы зажигания от магнето и батарейные системы зажигания, источ­никами высокого напряжения в которых являются индукцион­ные катушки.

Система зажигания включает в себя следующие основные элемен­ты (рис. 6.1):

источник тока ИТ, функцию которого выполняет аккумуляторная батарея или генератор;

выключатель ВК цепи электроснабжения (выключатель зажига­ния);

датчик Д углового положения коленчатого вала;

регуляторы момента зажигания РМЗ, которые задают определен­ный момент подачи высокого напряжения на свечу в зависимости от частоты вращения n коленчатого вала, разрежения Ар_К во впускном трубопроводе и октанового числа бензина;

источник высокого напряжения ИВН, содержащий промежуточ­ный накопитель энергии НЭ и преобразователь низкого напряжения в высокое;

силовое реле СР, в качестве которого могут служить механические контакты прерывателя или электронный ключ (транзистор или тири­стор);

распределитель Р импульсов высокого напряжения по свечам; помехоподавительные устройства ПП (экранирующие элементы системы зажигания или помехоподавительные резисторы);

свечи зажигания СВ, на которые подается высокое вторичное на­пряжение.

В батарейной системе зажигания источником энергии является аккумуляторная батарея или генератор (в зависимости от режима ра­боты двигателя). Система зажигания от магнето принципиально от­личается от батарейной тем, что источник электроэнергии в ней - магнитоэлектрический генератор, конструктивно объединенный с индукционной катушкой. Система зажигания от магнето в настоя­щее время на автомобилях практически не применяется, однако на­ходит применение на пусковых бензиновых двигателях тракторных дизелей.

Система зажигания обеспечивает генерацию импульсов высокого напряжения в нужный момент времени на тактах сжатия в цилиндрах двигателя и их распределение по цилиндрам в соответствии с поряд­ком их работы. Момент зажигания характеризуется углом опереже­ния зажигания УОЗ, который представляет собой угол поворота ко­ленчатого вала от положения в момент подачи искры до положения, когда поршень проходит через верхнюю мертвую точку ВМТ.

Электрическая искра вызывает появление в ограниченном объеме топливовоздушной смеси первых активных центров, от которых на­чинается развитие химической реакции оксидирования топлива, со­провождающейся выделением теплоты.

Процесс сгорания рабочей смеси разделяют на три фазы:

начальная, в которой формируется пламя, инициированное ис­кровым разрядом в свече;

основная, в которой пламя распространяется на большую часть камеры сгорания;

конечная, в которой пламя догорает у стенок цилиндра.

Для бесперебойного искрообразования на свечу зажигания необ­ходимо подать напряжение до 30 кВ.

Высокий уровень напряжения обеспечивает промежуточный ис­точник энергии. По способу накопления энергии в промежуточном источнике различают системы с накоплением энергии в магнитном поле (в индуктивности) или в электрическом поле конденсатора (в емкости). В обоих случаях для получения импульса высоко­го напряжения используется катушка зажигания, представляющая со­бой трансформатор (или автотрансформатор), содержащий две об­мотки: первичную L1 с малым числом витков и электросопротивле­нием в доли и единицы ома и вторичную обмотку L2 с большим чис­лом витков и сопротивлением в единицы и десятки килоом.

Автотрансформаторная связь обмоток упрощает конструкцию и технологию изготовления катушки, а также несколько увеличивает вторичное напряжение. Коэффициент трансформации катушек зажи­гания находится в пределах 50-225.

В системах зажигания с накоплением энергии в катушках зажига­ния (в индуктивности) первичная обмотка L1 катушки подключается к источнику электроснабжения последовательно через механический или электронный пре­рыватель £2. В системах зажигания с накоплением энергии в электри­ческом поле конденсатора (в емкости) первичная обмотка катушки периодически подключается к конденсатору управляемым электрон­ным переключателем S2. Конденсатор предварительно за­ряжается от источника электроснабжения на автомобиле через стати­ческий преобразователь напряжения.

Рабочий процесс бензинового двигателя

Как видно из индикаторной диаграммы (рис. 6.3), для рабочих цик­лов двигателя характерно значительное изменение давления р в цилин­драх. С изменением давления изменяется и температура топливовоздушной смеси. Сжатие топливовоздушной смеси начинается после за­крытия впускного клапана в точке а₂. Если смесь не воспламеняется, то давление в цилиндре повышается до максимального значения в мо­мент прохождения поршнем ВМТ (штриховая линия). Более резкий рост давления в цилиндре после подачи искры в точке К обусловлен воспламенением и последующим сгоранием рабочей смеси. На такте расширения за счет теплоты, выделяемой при сгорании топлива, со­вершается полезная работа цикла.

Для большинства двигателей оптимальное положение точки г на диаграмме, когда давление сгорания достигает максимального значе­ния, составляет 12-15° угла ф_в поворота коленчатого вала после ВМТ.

Начальная фаза сгорания топливовоздушной смеси - фаза форми­рования фронта пламени - соответствует участку индикаторной диа­граммы от момента подачи искры в точке К до точки m, когда давле­ние в цилиндре в результате выделения теплоты сгорания топлива становится выше давления сжатия без подачи искры. На длитель­ность данной фазы влияют состав смеси, степень сжатия, частота вра­щения коленчатого вала, нагрузка двигателя, параметры искрового разряда и другие факторы.

После окончания начальной фазы до момента, когда давление достигает максимального значения, протекает основная фаза горе­ния, которая мало зависит от физико-химических свойств рабочей смеси. С увеличением частоты вращения коленчатого вала возрастает турбулентность смеси и длительность начальной фазы уменьшается, однако одновременно уменьшается и длительность всего цикла сгора­ния. Поэтому угол ф_в поворота коленчатого вала, соответствующий основной фазе сгорания, изменяется незначительно. В течение ос­новной фазы сгорает до 90 % рабочей смеси.

В конечной фазе (фазе догорания) сгорает рабочая смесь, находя­щаяся у стенок цилиндра. На длительность конечной фазы парамет­ры искрового разряда не влияют, так как свеча находится в зоне уже полностью сгоревшей рабочей смеси.

Сгорание рабочей смеси на конечной стадии может сопровождать­ся возникновением ударных волн. Такое сгорание называется детона­ционным. Скорость детонационного сгорания превышает скорость распространения фронта пламени при нормальном протекании про­цесса сгорания. Внешним проявлением детонации является звонкий "металлический" звук, возникающий при отражении ударных волн от стенок цилиндра. Детонационное сгорание сопровождается повы­шенными тепловыми и механическими нагрузками на детали цилин- дропоршневой группы. Детонация устраняется уменьшением УОЗ.

Воспламенение топливовоздушной смеси электрической искрой происходит благодаря локальному тепловыделению (тепловая теория) или сильной ионизации газа (ионизационная теория). Температура нагрева небольшого объема топливовоздушной смеси около электро­дов свечи зажигания и требуемая для воспламенения энергия искры зависят от состава смеси и степени ее турбулизации, которая, в свою очередь, зависит от режимов работы двигателя и организации процес­сов топливоподачи и поступления рабочего заряда в цилиндры.

Классификация батарейных систем зажигания

Батарейные системы зажигания можно классифицировать по шес­ти основным признакам (рис. 6.4):

способу синхронизации подачи искры в цилиндры;

способу регулирования угла опережения зажигания;

способу накопления энергии;

типу силового реле, размыкающего цепь первичной обмотки ка­тушки зажигания;

способу распределения импульсов высокого напряжения по ци­линдрам двигателя;

типу защиты от радиопомех.

По способу управления системы зажигания подразделяют на контактные и бесконтактные. При контактном управлении воз­никают проблемы, связанные с износом, разрегулировкой кон­тактов и их вибрацией при высоких частотах вращения валика распределителя. Избежать указанные недостатки контактных сис­тем можно применением системы зажигания с бесконтактным управлением.

УОЗ регулируется механическими центробежными и вакуумны­ми автоматами, а также электронными системами. Механические автоматы во время эксплуатации изнашиваются, что приводит к появлению погрешностей при регулировании момента искрообразования. Эффективность процесса сгорания снижается. Кроме того, механические автоматы реализуют сравнительно простые за­висимости УОЗ от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя.

Системы с электронным управлением регулируют УОЗ по боль­шому числу параметров, обеспечивая оптимальный УОЗ для различ­ных режимов и условий работы двигателя. Способы реализации элек­тронных систем управления могут быть аналоговыми и цифровыми. Наиболее совершенными являются цифровые системы зажигания с применением интегральных схем средней и большой степеней инте­грации, а также микропроцессорные системы.

В системах с накоплением энергии в электрическом поле невоз­можно накопить достаточную для воспламенения топливовоздушной смеси энергию в конденсаторе приемлемых размеров при низ­ком напряжении системы электрооборудования автомобиля. Поэто­му в схему такой системы зажигания вводится преобразователь на­пряжения, что усложняет схему и не дает существенных преиму­ществ, поэтому системы зажигания с накоплением энергии в элек­трическом поле конденсатора (в емкости) на автомобилях практиче­ски не применяются.

При накоплении энергии в емкости цепь первичной обмотки ка­тушки зажигания размыкает управляемый тиристор. Такие системы называют тиристорными. В тиристорных системах катушка зажига­ния не накапливает энергию, что является функцией конденсатора, а только преобразует напряжение.

Для тиристорных систем зажигания характерна высокая ско­рость роста вторичного напряжения, что обеспечивает надежное искрообразование при загрязненном и покрытом нагаром изолято­ре свечи. Так как конденсатор успевает полностью зарядиться на всех режимах работы двигателя, вторичное напряжение остается практически неизменным при изменении частоты вращения колен­чатого вала.

При пуске двигателя, его работе на режимах частичных нагрузок и на очень обедненных топливовоздушных смесях важную функцию выполняет индуктивная составляющая искры, продолжительность которой в системах с накоплением энергии в индуктивности состав­ляет 1,5-2,0 мс, а в тиристорных системах зажигания не превышает 300 мкс.

Нормирование времени накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания средствами электроники позволило практически исключить зависимость вторичного напряжения от частоты вращения коленчатого вала и от шунтирующего сопротивления нагара на изо­ляторе свечи. Благодаря отмеченным преимуществам системы зажи­гания с накоплением энергии в индуктивности нашли широкое рас­пространение на автомобильных бензиновых двигателях.

В качестве силовых реле, размыкающих и замыкающих цепь пер­вичной обмотки катушки зажигания, используются контактные пары с механическим управлением, транзисторные и тиристорные преры­ватели.

На автомобилях высокого класса и некоторых спецмашинах требуется максимально возможное снижение радиопомех. Для это­го высоковольтные аппараты и провода системы зажигания экра­нируются.

Требования к системам зажигания

Основными тенденциями развития автомобильных бензиновых двигателей являются:

повышение экономичности;

снижение токсичности отработавших газов;

увеличение удельной мощности;

повышение частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия; уменьшение затрат времени и трудоемкости при техническом об­служивании в эксплуатации.

Все перечисленные тенденции отражаются на конструкции двига­теля и его системы зажигания.

Повышение экономичности и снижение токсичности отработав­ших газов двигателей достигается за счет обеднения состава топливо- воздушной смеси, повышения степени сжатия, совершенствования конструкций камер сгорания и впускных трубопроводов, увеличения зазора в свечах, использования близких к детонационным процессам сгорания топливовоздушной смеси.

К системам зажигания современных бензиновых двигателей предъявляются следующие требования:

вторичное напряжение должно быть достаточным для пробоя ис­крового промежутка между электродами свечи зажигания и обеспече­ния бесперебойного искрообразования на всех режимах работы дви­гателя;

энергия и длительность искрового разряда должна обеспечивать надежное воспламенение топливовоздушной смеси при пуске и на всех режимах самостоятельной работы двигателя;

скорость нарастания вторичного напряжения должна быть доста­точно высокой, чтобы обеспечить надежное искрообразование при наличии нагара и загрязнений на изоляторе свечи;

регулирование УОЗ в зависимости от частоты вращения коленча­того вала, нагрузки двигателя, температуры окружающей среды и ряда других параметров должно быть автоматическим;

электронные изделия системы зажигания должны сохранять рабо­тоспособность при возникновении в системе электрооборудования импульсных перенапряжений;

вторичное напряжение, развиваемое системой зажигания, должно с определенным запасом превышать напряжение пробоя искрового промежутка свечи;

система зажигания должна надежно работать при ее экранирова­нии и применении других помехоподавительных устройств.

При сравнительно низкой стоимости и простоте конструкций ап­паратов зажигания классической контактной системе зажигания при­сущи серьезные недостатки:

малый запас по вторичному напряжению при низких и высоких частотах вращения коленчатого вала у многоцилиндровых двигате­лей;

недостаточная энергия искрового разряда из-за ограниченной силы тока в первичной цепи катушки зажигания;

изнашивание контактов и кулачка прерывательного механизма вследствие электрической эрозии, что приводит к асинхронизму искрообразования и необходимости систематического технического об­служивания в эксплуатации (зачистка контактов, регулирование зазо­ра между ними);

возможность перегрева катушки зажигания при низких частотах вращения коленчатого вала и выключенном выключателе зажигания после остановки двигателя;

разброс характеристик центробежных и вакуумных автоматов, приводящий к существенным погрешностям регулирования момента зажигания;

невозможность реализации сложных функций управления процес­сом зажигания с помощью электромеханических аппаратов.

Важнейшее требование к системе зажигания - автоматическое обеспечение заданных характеристик на всех режимах работы двига­теля, включая режим пуска холодного двигателя при низких темпера­турах. Реализация сложных законов управления процессами воспла­менения и сгорания топливовоздушных смесей в цилиндрах двигате ля возможна только при использовании систем зажигания с элек­тронным регулированием УОЗ.

Для увеличения вторичного напряжения необходимо увеличивать силу тока разрыва первичной цепи катушки зажигания, что в элек­тронных системах зажигания обеспечивается применением полупро­водниковых силовых ключей. Наибольшее распространение в качест­ве электронных ключей нашли мощные транзисторы, которые могут коммутировать токи до 10 А при индуктивной нагрузке без искрения и механических повреждений, характерных для прерывательного ме­ханизма классических контактных систем зажигания.

Основными параметрами, характеризующими систему зажигания, являются:

коэффициент К_з запаса по вторичному напряжению;

максимальное вторичное напряжение U_2m;

скорость роста по времени т вторичного напряжения dU₂/dT;

энергия W_p искрового разряда и длительность его индуктивной со­ставляющей;

длина искрового промежутка между электродами свечи зажига­ния;

момент зажигания (УОЗ 9).

Коэффициент запаса по вторичному напряжению

Коэффициент К_з запаса по вторичному напряжению представляет собой отношение максимального вторичного напряжения U_2m, разви­ваемого системой зажигания, к напряжению пробоя и_п.

Напряжение пробоя по закону Пашена зависит от давления р в ка­мере сгорания в момент искрообразования, длины искрового про­межутка между электродами свечи и абсолютной температуры Т рабо­чей смеси в зоне искрового промежутка в момент его пробоя:

U п = f (p8/ T).

Кроме того, напряжение пробоя зависит от состава топливовоздушной смеси по коэффициенту избытка воздуха а, скорости движе­ния и степени турбулизации рабочей смеси в зоне искрового проме­жутка свечи, материала, формы и температуры электродов свечи, ско­рости роста и полярности подаваемого на электроды вторичного на­пряжения.

После 1,5-2,0 тыс. км пробега автомобиля изменяется форма электродов свечи в результате электроэрозии. Электрическое поле между электродами свечи становится более равномерным, что приво­дит к увеличению напряжения пробоя на 20-25 %. После 2,0-2,5 тыс. км пробега автомобиля напряжение пробоя возрастает вследствие из­носа электродов свечи и увеличения длины искрового промежутка. По данной причине в пределах гарантийного пробега автомобиля на­пряжение пробоя также может увеличиться на 20-25 %. Следователь­но, за время гарантийного пробега, после которого предусматривает­ся регулирование зазора между электродами свечи, напряжение про­боя возрастает на 40-50 %. Поэтому при проектировании системы за­жигания коэффициент запаса по вторичному напряжению принима­ется большим 1,5. В экранированных системах зажигания коэффици­ент К_з должен быть еще больше.

Величина напряжения пробоя существенно выше при пуске хо­лодного двигателя по сравнению с рабочими режимами, так как стен­ки цилиндра, электроды свечи и поступающая в цилиндры топливо- воздушная смесь имеют низкую температуру. Топливовоздушная смесь плохо перемешана и содержит неиспарившиеся во впускном тракте капли топлива, которые, попадая между электродами свечи, повышают напряжение пробоя на 15-20 % или полностью исключа­ют искрообразование.

Напряжение пробоя несколько возрастает при разгоне коленчато­го вала двигателя после его пуска и в большинстве случаев уменьша­ется с увеличением частоты вращения коленчатого вала на рабочих режимах двигателя.

Энергия искры

На начальную фазу сгорания топливовоздушной смеси влияют энергия и длительность искрового разряда между электродами свечи зажигания. На рабочих режимах к моменту искрообразования топли- вовоздушная смесь имеет температуру, близкую к температуре само­воспламенения, поэтому для формирования первоначального очага пламени достаточна энергия электрического разряда около 5 мДж. Однако при пуске двигателя и работе его в режиме холостого хода, на обедненной топливовоздушной смеси, а также при частичном и рез­ком открытиях дроссельной заслонки может потребоваться энергия до 30-100 мДж.

С увеличением длительности индуктивной фазы искрового разря­да можно расширить диапазон воспламеняемости смеси в сторону ее обеднения, что способствует повышению экономичности двигателя.

От энергии искры в значительной мере зависят экономичность и ус­тойчивость работы двигателя, а также полнота сгорания топливовоз­душной смеси и токсичность отработавших газов.

Момент зажигания

Топливовоздушная смесь в цилиндрах должна воспламеняться в определенный момент в зависимости от режима работы двигателя. В таком случае обеспечиваются наилучшие показатели двигателя по вы­бранному критерию (мощности, экономичности или токсичности). Работа двигателя будет наиболее эффективной, если давление в ци­линдре достигает максимального значения p_z (рис. 6.5, кривая 2) через 10-15° угла ф поворота коленчатого вала на такте расширения после прохождения поршнем ВМТ.

При позднем зажигании топливовоздушной смеси ее догорание будет происходить на такте расширения при быстро увеличивающих­ся объеме цилиндра и поверхности теплоотдачи. В результате умень­шаются максимальное давление сгорания топливовоздушной смеси (см. рис. 6.5, кривая 3), развиваемая двигателем мощность, происхо­дит перегрев системы выпуска отработавших газов и увеличивается количество токсичных компонентов, выбрасываемых в окружающую среду.

При слишком раннем зажигании большая часть топливовоздуш­ной смеси сгорает на такте сжатия и давление газов в цилиндре мо­жет достигнуть максимума до прихода поршня в ВМТ. В таком слу­чае не только уменьшается мощность, но и резко возрастают нагруз­ки на детали шатунно-поршневой группы, что ускоряет их изнаши­вание. При раннем зажигании вероятность возникновения детона­ции больше (см. рис. 6.5, кривая 1).

Оптимальный УОЗ зависит от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя. Для того чтобы топливовоздушная смесь успела сгореть, с увеличением частоты вращения коленчатого вала УОЗ не­обходимо увеличивать. С ростом нагрузки при постоянной частоте вращения коленчатого вала увеличивается степень открытия дрос­сельной заслонки карбюратора, что способствует лучшему наполне­нию цилиндров и уменьшению продолжительности процесса сгора­ния, поэтому УОЗ необходимо уменьшать.

В многоцилиндровых двигателях система зажигания должна обес­печивать подачу высокого напряжения к свечам в строго определенной последовательности в соответствии с порядком работы цилиндров. Важным требованием к системам зажигания является сохранение ста­бильности ее параметров и регулировочных характеристик во время эксплуатации автомобиля, так как даже небольшое их изменение сни­жает мощностные показатели двигателя, ухудшает его экономичность и повышает содержание токсичных веществ в отработавших газах.