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 АрК 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 50225.
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 Ј2. 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 1215° угла фв 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 фв 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 1,52,0 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 Кз запаса по вторичному напряжению;
максимальное вторичное напряжение U2m;
скорость роста по времени т вторичного напряжения dU2/dT;
энергия Wp искрового разряда и длительность его индуктивной составляющей;
длина искрового промежутка между электродами свечи зажигания;
момент зажигания (УОЗ 9).
Коэффициент запаса по вторичному напряжению
Коэффициент Кз запаса по вторичному напряжению представляет собой отношение максимального вторичного напряжения U2m, развиваемого системой зажигания, к напряжению пробоя ип.
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 1,52,0 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 2025 %. После 2,02,5 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 2025 %. Следовательно, за время гарантийного пробега, после которого предусматривается регулирование зазора между электродами свечи, напряжение пробоя возрастает на 4050 %. Поэтому при проектировании системы зажигания коэффициент запаса по вторичному напряжению принимается большим 1,5. В экранированных системах зажигания коэффициент Кз 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 1520 % 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 pz (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.


15