Системы зажигания

Общие сведения о зажигании

Основным источником воспламенения топливовоздушной смеси в поршневых авиационных двигателях легкого топлива является электрическая дуга, проскакивающая между электро­дами запальной свечи, ввернутой в головку цилиндра двигателя.

Для того чтобы обеспечить электрический разряд между элек­тродами свечи, необходимо создать на них достаточно высокое напряжение. Напряжение, при котором наступает электрический разряд, называется пробивным напряжением.

Величина пробивного напряжения возрастает с увеличением расстояния между электродами и плотности среды (топливовоз­душной смеси), в которой происходит разряд. При существую­щих зазорах между электродами свечей, равных 0,3 ÷ 0,5 мм, и давлениях в конце сжатия порядка 15 ÷ 20 кг/см² пробивное на­пряжение составляет несколько тысяч вольт. В качестве источ­ника тока для зажигания в современных поршневых двигателях применяют магнето, обеспечивающие получение напряжений по­рядка 12 ÷ 18 тысяч вольт.

Агрегаты, входящие в систему зажигания, и их назначение

Для обеспечения запуска двигателя и бесперебойного зажи­гания топливовоздушной смеси на всех режимах, помимо маг­нето, требуется иметь ряд других агрегатов и арматуру, которые вместе с магнето составляют систему зажигания двигателя.

В систему зажигания двигателя входят-.

— две запальные свечи на каждый цилиндр, ввернутые в го­ловку цилиндра;

— два магнето с распределителями, приводимые во вращение от двигателя;

— пусковые катушки с аккумулятором, установленные на самолете(вертолете);

— один переключатель, расположенный в кабине самолета;

— арматура (плавкий предохранитель, дополнительные вы­ключатели, кнопки пусковых катушек, коробки и муфты разъема

и др.);

— экранированные электропровода, соединяющие агрегаты зажигания.

Свечи обеспечивают искрообразование в камере сгорания ци­линдра. Два магнето обеспечивают получение двойного зажига­ния, независимо друг от друга: одна свеча цилиндра работает от одного магнето, вторая — от другого. Двойное зажигание улучшает условия сгорания топливовоздушной смеси вследствие воспламенения ее от двух электрических искр и увеличивает на­дежность работы двигателя. В случае отказа в работе одного магнето двигатель продолжает работать, так как зажигание в цилиндрах производится свечой, связанной с другим магнето. При этом мощность двигателя несколько падает. При загрязне­нии одной свечи зажигание топливовоздушной смеси продол­жается от другой, что часто приводит к очистке (прожиганию) загрязненной свечи и к включению ее в работу.

Распределители служат для направления-тока, вырабатывае­мого в магнето, к отдельным цилиндрам в соответствии с поряд­ком их работы.

Пусковая катушка и аккумулятор служат для получения тока высокого напряжения при запуске двигателя, когда магнето еще не вступило в работу.

Переключатель необходим для включения и выключения за­жигания, а также для проверки работы магнето и свечей.

Система зажигания авиационных двигателей должна удовле­творять ряду требований, главнейшими из которых являются: достаточная мощность электрической искры для надежного воспламенения смеси как в условиях нормальной работы, так и в условиях запуска двигателя, когда число его оборотов состав­ляет 40 ÷ 60 в минуту; надежность работы при всех условиях эксплуатации и в особенности в условиях полетов на больших " высотах; возможность изменения момента зажигания в соответ­ствии с режимом работы двигателя; отсутствие влияния на ра­боту радиоустановок; малый вес и габариты; простота уста­новки, сборки и разборки, а также регулировки.

Типы магнето, строение и принципы функционирования.

Системы низкого и высокого напряжения.

Магнето высокого напряжения представляет собой магнито­электрическую машину, принцип действия которой основан на законе индукции токов.

Ток высокого напряжения в магнето получается следующим образом:

1. Механическая энергия, получаемая от двигателя, преобра­зуется при помощи индукции в электрическую энергию перемен­ного тока низкого напряжения (30 ÷ 40 В).

2. Переменный ток низкого напряжения трансформируется в ток высокого напряжения (12 000—18 000 В) и подается к све­чам цилиндров.

Преобразование механической энергии в электрическую до­стигается при пересечении проводниками силовых линий магнит­ного поля, вследствие чего в проводниках возникает индуктиро­ванная электродвижущая сила (ЭДС) и при наличии замкнутой электрической цепи — электрический ток.

Магнитное поле создается постоянными искусственными маг­нитами, неподвижными или приводимыми во вращение от ко­ленчатого вала двигателя при помощи шестеренчатой передачи.

Электрический ток низкого напряжения может быть получен следующими способами:

— перемещением проводника относительно магнитного по­тока неподвижного магнита;

— перемещением магнита относительно неподвижного про­водника;

— перемещением промежуточного, элемента, который создает изменение магнитного потока, при неподвижном проводнике и неподвижном магните.

В зависимости от способа получения тока низкого напряже­ния магнето делятся на следующие типы:

— с вращающимися обмотками и неподвижными магнитами;

— с вращающимися магнитами и неподвижными обмотками;

— с неподвижными магнитами и обмотками и вращающимся промежуточным элементом.

На современных авиационных двигателях применяются маг­нето типа БСМ с вращающимися магнитами и неподвижными обмотками. Условное обозначение БСМ расшифровывается так: Б — большая; С — серия; М — магнето, а цифра, приписанная к условному обозначению, например, БСМ-5, означает число ци­линдров двигателя, которое может обслуживать магнето. Маг­нето БСМ могут быть двухискровыми, т. е. дающими две искры, и четырехискровыми, дающими четыре искры за один оборот ро­тора магнето.

Магнето этого типа снабжены механизмом автоматического опережения зажигания и могут быть собраны как для правого, так и для левого вращения ротора.

На рис. 5.10 показана принципиальная схема магнето типа БСМ, в электрическую цепь которого для упрощения схемы включены переключатель 1 и одна запальная свеча 2. Штрихпунктирной линией М изображена масса корпуса магнето и дви­гателя.

Магнето БСМ состоит из двух основных систем — магнитной и электрической.

Магнитная система служит для создания переменного маг­нитного потока в сердечнике трансформатора и состоит из ро­тора 3, двух башмаков 4 и сердечника 5. Башмаки и сердечник являются магнитопроводами, а ротор представляет собой посто­янный четырехполюсный магнит. Ротор приводится в дви­жение от коленчатого вала через шестеренчатую передачу, валик 6 и центробежные грузики 7 механизма опережения зажи­гания.

Электрическая система состоит из двух цепей — цепи тока низкого напряжения и цепи тока высокого напряжения.

Обмотка 5, служащая для получения тока низкого напряже­ния, называется первичной; соответственно этому сам ток низ­кого напряжения носит название первичного тока.

Первичная обмотка одним концом 10 присоединена к сердеч­нику, а другим концом 11 — к прерывателю.

Прерыватель имеет два контакта, периодически размыкаю­щие и замыкающие цепь первичного тока. Неподвижный кон­такт 12 соединен с массой М, а подвижной 13 — с первичной обмоткой. В сомкнутом состоянии контакты удерживаются пру­жиной 14.

Размыкание контактов осуществляется кулачковой шайбой 15 с числом кулачков, равным числу цилиндров двигателя.

Таким образом, полная цепь низкого напряжения образуется первичной обмоткой, прерывателем и массой. Путь первичного тока в цепи показан на схеме стрелками.

Ток высокого напряжения индуктируется в обмотке 16. Эта обмотка называется вторичной, а появляющийся в ней ток — вторичным током.

Вторичная обмотка одним концом соединена с первичной обмоткой, а другим концом — с бегунком 17 распределителя 20. Последовательное соединение вторичной обмотки с первичной делается для того, чтобы использовать витки первичной обмотки при получении вторичного тока.

При помощи бегунка вторичный ток распределяется по све­чам отдельных цилиндров; для этого на бегунке имеется рабо­чий электрод, один конец 18 которого непрерывно связан с вто­ричной обмоткой, а другой 19 подходит последовательно к непо­движным электродам 25 распределителя 20, соединенным с про­водниками свечой. Число электродов распределителя равно числу цилиндров двигателя. Для правильной работы зажигания элек­троды распределителя последовательно присоединены (по на­правлению вращения бегунка) к свечам тех цилиндров, в кото­рых согласно принятому порядку зажигания должен происходить искровой разряд.

Бегунок имеет второй электрод 21 (пусковой), соединенный посредством медного кольца 22 с проводником 23 высокого на­пряжения от пусковой катушки.

Каждая свеча имеет два электрода, разделенных искровым зазором; один из этих электродов 24 (центральный) соединяется с одним из электродов 25 распределителя, а второй элек­трод 26 — с массой М. Таким образом, цепь тока высокого на­пряжения образуется вторичной обмоткой, бегунком, распредели­телем, свечой, массой и первичной обмоткой. Путь вторичного тока в цепи на схеме показан стрелками.

Работает система зажигания следующим образом.

Четырехполюсный постоянный магнит ротора, вращаясь между неподвижными полюсными башмаками, создает в сердеч­нике переменный магнитный поток, вследствие чего в располо­женныхна сердечнике витках обмоток индуктируется перемен­ная по величине и направлению электродвижущая сила (вели­чина ЭДС прямо пропорциональна числу витков в обмотках и скорости изменения магнитного потока в сердечнике). При этом в первичной обмотке при замкнутых контактах прерывателя воз­буждается электрический ток, который вызывает в сердечнике появление дополнительного электромагнитного потока. Когда ток в первичной цепи достигает максимальной величины, прерыва­тель размыкается, вследствие чего магнитный поток, создавае­мый ротором в сердечнике, под действием исчезающего тока в первичной обмотке резко изменяется. Резкое изменение маг­нитного потока ротора индуктирует во вторичной и разомкнутой первичной обмотках большую ЭДС, причем интенсивность ин­дукции повышается наличием конденсатора 27. Так как обе обмотки соединены последовательно, то индуктированные ЭДС обеих обмоток складываются. Индуктированная ЭДС передается через бегунок на неподвижные электроды распределителя и да­лее на электроды свечей и, преодолевая сопротивление искро­вого зазора, образует искровой разряд, воспламеняющий смесь.

Один оборот бегунка происходит за два оборота коленчатого вала двигателя, а прерыватель (при максимальной силе первич­ного тока) размыкается при каждом подходе рабочего электрода бегунка к очередному электроду распределителя.

Так как все цилиндры двигателя обслуживаются одним маг­нето, то число оборотов ротора должно обеспечивать необходи­мое количество искровых разрядов за рабочий цикл двигателя, т. е. за два оборота коленчатого вала.

Передаточное число q от коленчатого вала к ротору магнето определяется по формуле

где i— число цилиндров двигателя;

е—число искр, вырабатываемых магнето за один оборот ротора;

2—коэффициент, вводимый в формулу только для четырех­тактных двигателей.

Чтобы прекратить искровые разряды в свечах, необходимо выключить зажигание. Для выключения зажигания устанавли­вается переключатель 1. Как видно из схемы, при замыкании переключателя первичная обмотка соединяется с массой М по­мимо прерывателя. Вследствие этого размыкание прерывателя не сопровождается разрывом первичной цепи, поэтому во вто­ричной обмотке не может индуктироваться ЭДС, достаточная для образования искровых разрядов в свечах. Путь первичного тока в цепи через переключатель на схеме показан пунктирными стрелками.

Анализ работы магнето

Чтобы ясно представить себе работу магнето, рассмотрим сле­дующие процессы, происходящие в магнитной и электрической системах магнето:

1) изменение магнитного потока в сердечнике трансформа­тора;

2) работу магнето при постоянно разомкнутой первичной цепи;

3) работу магнето при постоянно замкнутой первичной цепи;

4) рабочий процесс магнето.

Изменение магнитного потока в сердечнике трансформатора

Величина и направление магнитного потока в сердечнике трансформатора (в зависимости от положения

ротора) пред­ставлены на рис.5.11. По горизонтальной оси отложены углы α

поворота ротора, а по вертикальной — величины магнитного по­тока Ф, соответствующие данному углу поворота ротора.

Величина магнитного потока одного направления на графике отложена вверх от горизонтальной оси, а противоположного направления — вниз.

При нахождении ротора в положении І магнитный поток направляется от северного полюса к южному по магнитной цепи Д-Е-Ж, намагничивая сердечник Е. При этом величина магнитного потока в сердечнике будет максимальная, на кривой она будет соответствовать точке 1. При повороте ротора по часовой стрелке от 0 до 45° величина магнитного потока, проходящего через сердечник, уменьшается вследствие уменьшения числа магнитных силовых линий, поступающих из ротора в цепь Д-Е-Ж, по которой замыкается магнитный поток. При нахождении ротора в положении ІІ (называемом нейтральным) магнитные силовые линии, выходящие из северного полюса ротора, замкнутся через башмаки на два соседних южных полюса по пути, указанному стрелками, и магнитный поток от ротора в цепь Д-Е-Ж через сердечник прекратится.

Вследствие явления гистерезиса в сердечнике задерживается остаточный магнетизм. Этому состоянию соответствует на кривой точка 2.

При дальнейшем повороте ротора магнитный поток замкнется через сердечник по пути Ж-Е-Д от северного полюса ротора к южному в обратном направлении. Вначале магнитный поток размагнитит сердечник, причем полное размагничивание произойдет при повороте ротора на 2 ~ 4° (точка 3) от ней­трального положения, а затем вновь намагнитит сердечник, но уже в обратном направлении. Максимальной величины магнит­ный поток достигнет при нахождении ротора в положении ІІІ, чему соответствует поворот ротора на 90° от начального положе­ния (точка 4).

При повороте ротора из положения ІІІ до положении IV маг­нитный поток уменьшается до величины остаточного магнетизма (точка 5), а при повороте из положения IV до положения V остаточный магнетизм упадет до нуля (точка 6), после чего маг­нитный поток изменит свое направление и вновь возрастет до максимальной величины (точка 7), чему соответствует поворот ротора от начального положения на 180°. При дальнейшем вра­щении ротора все описанные явления повторятся.

Таким образом, при вращении ротора магнитный поток Ф₀ в сердечнике трансформатора будет переменным как по напра­влению, так и по величине и за один оборот ротора он изменит четыре раза свое направление и четыре раза свою величину от нулевого значения до максимума.

Если участок поворота ротора от 0 до 45° разделить пополам, то за первую половину, равную углу 22°30', магнитный поток в сердечнике уменьшится на величину Б, за вторую половину — 22°30' — на величину В, а затем за 2° поворота ротора от ней­трального положения до полного размагничивания магнитный поток уменьшится на величину Г. Отсюда становится ясным, что магнитный поток изменяет свою величину неравномерно. Наи­большая скорость его изменения соответствует моменту пере­мены направления. Когда магнитный поток в сердечнике имеет максимальную величину, скорость его изменения равняется нулю, так как в рассматриваемый момент за небольшой угол по­ворота ротора число магнитных силовых линий в сердечнике остается почти постоянным. За один оборот ротора скорость изменения величины магнитного потока в сердечнике четыре раза будет равняться нулю и четыре раза достигнет наибольшей величины.

Работа магнето при постоянно разомкнутой первичной цепи

Этот случай возможен только при неисправности системы за­жигания, вызванной или попаданием масла на контакты преры­вателя, или их окислением и механическим повреждением, или, наконец, обрывом первичной цепи.

Выше было установлено, что вращение ротора вызывает изме­нение магнитного потока в сердечнике трансформатора. Так как на сердечнике имеются две обмотки — первичная и вторичная, то на основании закона электромагнитной индукции в них дол­жны индуктироваться электродвижущие силы.

Если в первичной обмотке имеется витков, а во вторичной, то соответствующие индуктированные ЭДС в обмотках отно­сятся как число витков:

где отношение называется коэффициентом трансформации. Если, например, число витков в первичной об­мотке равно =165, а во вторичной обмотке =12000, то коэффициент трансформации равен

Так как скорость изменения магнитного потока при различ­ных положениях ротора различна, то и величина индуктирован­ной ЭДС в соответствующие моменты времени будет различной. В момент, когда скорость изменения магнитного потока больше, индуктированные ЭДС в обмотках также будут больше.

На рис. 5.12 нанесены в зависимости от положения ротора рассмотренные нами выше изменения магнитного потока Ф₀ и индуктированной этим потоком электродвижущей силы Е.

Когда магнитный поток в сердечнике достигает максималь­ного значения (точка І), скорость его изменения равна нулю и индуктированная ЭДС тоже равна нулю (точка 2). При макси­мальной скорости изменения магнитного потока (точка 3) значе­ние ЭДС также максимально (точка 4). Это соответствует пово­роту ротора на 2—4° от нейтрального положения. При дальней­шем повороте ротора ЭДС уменьшается, становится равной нулю

при (т. е. когда Ф₀ максимально), после чего ЭДС из­меняет свое направление и вновь достигает наибольшей вели­чины, когда скорость изменения магнитного потока становится максимальной.

За один оборот ротора индуктированная ЭДС в обмотках че­тыре раза достигает максимального значения, четыре раза па­дает до нуля и четыре раза меняет свое направление. Характер изменения ЭДС во вторичной обмотке будет таким же, как и в первичной, так как эти обмотки находятся под воздействием одного и того же магнитного потока, причем максимальная вели­чина ЭДС во вторичной обмотке будет больше, чем в первичной, во столько раз, во сколько раз число витков больше числа витков.

При постоянно разомкнутой первичной обмотке и скорости вращения ротора 1000 об/мин максимальная величина ЭДС в первичной обмотке достигает 25—30 B.

Зная величину ЭДС первичной обмотки и коэффициент трансформации, можно определить ЭДС вторичной обмотки:

.

Этой величины ЭДС недостаточно для образования искро­вого разряда между электродами свечи.