Назначение и принцип действия

Тема № 2. СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

Содержание

Тема № 2. СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

Лекция №2

План

2.1. Назначение и принцип действия

2.2. Контактно-транзисторная система зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в ци­линдрах бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Развитие автомобилей первоначально было связано с системой зажигания от магнето, но оно достаточно быстро было вытеснено батарейной системой зажигания, которая в различных вариантах и применяется на современных ав­томобилях.

Тенденции развития ДВС связаны с повышением их экономичности, снижени­ем токсичности отработавших газов, уменьшением массы и габаритных разме­ров, повышением частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия.

Это оказывает влияние на конструкцию и схемное исполнение систем зажига­ния, не затрагивая, однако, основного принципа их действия, — накопления энер­гии в магнитном или электрическом поле с последующим мгновенным выделени­ем ее в искровом промежутке свечи в нужный момент такта сжатия в рабочем ци­линдре и в соответствии с заданным порядком работы цилиндров двигателя.

Разряд в искровом промежутке вызывается импульсом напряжения, величи­на которого зависит от температуры и давления в камере сгорания, конфигура­ции и размеров искрового промежутка. Величина импульса должна обеспечи­ваться системой зажигания с определенным запасом, с учетом износа электро­дов свечи в эксплуатации. Обычно коэффициент запаса составляет 1,5 - 1,8, а величина импульса напряжения лежит в пределах 20 - 30 кВ.

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. Этот процесс требует определенного 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 мертвой точки.

Если угол опережения зажигания больше оптимального, то зажигание ран­нее. Давление в камере сгорания при этом достигает максимума до достиже­ния поршнем верхней мертвой 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.

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.

По способу накопления энергии раз­личаются системы с накоплением энер­гии в индуктивности и в емкости (рис. 2.1).

В обоих случаях, для получения импульса высокого напряжения ис­пользуется катушка зажигания, пред­ставляющая собой высоковольтный трансформатор, содержащий две об­мотки: первичную с малым числом вит­ков и омическим сопротивлением в до­ли и единицы ома и вторичную с боль­шим числом витков и омическим сопро­тивлением в единицы и десятки кОм. Коэффициент трансформации катушки лежит в пределах 50 - 150.

Рис. 2.1. Системы зажигания:

а - с накоплением энергии в индуктивности; б - с накоплением энергии в емкости

Значитель­ное количество энергии, которое тре­буется для воспламенения рабочей смеси, накопить в конденсаторе прие­млемых размеров при достаточно низком напряжении бортовой сети невозможно. Поэтому система по рис. 2.1, б обо­рудована высоковольтным преобразователем напряжения. Такое усложнение схемы не дает существенных преимуществ, поэтому системы с накоплением энергии в емкости на автомобилях практически не применяются.

Принцип работы схемы, изображенной на рис. 2.1, а, характерен для всех си­стем зажигания, устанавливаемых на автомобилях.

Выключатель зажигания S1 включает систему в сеть питания. В некоторых системах роль выключателя S1 играют контакты реле, управляемого выключа­телем зажигания. При вращении вала двигателя происходит замыкание конта­ктов прерывательного механизма S2, и ток начинает нарастать в первичной це­пи катушки зажигания по экспоненте, как это показано на рис. 2.2, а.

В момент, необходимый для подачи искрового импульса на зажигание, преры­ватель S2 разрывает свои контакты, после чего возникает колебательный про­цесс, связанный с обменом энергией между магнитным полем катушки и элект­рическим полем в емкостях С1 и С2. Амплитуда колебаний напряжения, прило­женного к электродам свечи U₂, убывает по экспоненте, как показано на рис. 2.2 пунктиром. Однако интерес представляет лишь первая полуволна напряжения, т.к., если ее максимальное значение U_2m превышает напряжение пробоя искро­вого промежутка U_n, возникает необходимая для зажигания искра. Величина U_2m зависит от коэффициента трансформации катушки зажигания К_Т = W2/W1 (W₂ и W₁ соответственно число витков вторичной и первичной обмо­ток катушки), величины тока первичной обмотки в момент разрыва 1_1р, а также индуктивности L₁ и емкости С₁ первичной и С₂ вторичной цепей

. (2.1)

Рис. 2.2. Временные диаграммы тока в первичной цепи I₁ (а) и вторичного напряжения U₂ (б) системы зажигания

Коэффициент К_П учитывает потерю энергии в активных сопротивлениях первич­ной R₁и вторичной R₂ цепей, в сопротивлении нагара R_Ш, шунтирующего искровой промежуток, а также в сердечнике катушки при его перемагничивании. Обычно К_П лежит в пределах 0,7 - 0,8. Влияние нагара на свечах на искрообразование значи­тельно снижается с увеличением скорости нарастания вторичного напряжения. В современных системах эта скорость лежит в пределах 200 - 700 В/мкс.

После пробоя искрового промежутка вторичное напряжение резко уменьша­ется (см. рис. 2.2). При этом в искровом промежутке сначала искра имеет емко­стную фазу, связанную с разрядом емкостей на промежуток, а затем индуктив­ную, во время которой в искре выделяется энергия, накопленная в магнитном поле катушки. Емкостная составляющая искры обычно кратковременная очень ярка, имеет голубоватое свечение. Сила тока в искре велика даже при малом количестве протекающего в ней электричества. Индуктивная составляющая отличается значительной продолжительностью, небольшой силой тока, боль­шим количеством электричества и неярким красноватым свечением. Осцилло­грамма вторичного напряжения, соответствующая рис. 2.2, является признаком нормальной работы системы зажигания. О нормальной работе свидетельствует и вид искры между электродами свечи. В исправной системе она имеет яркое ядро, окруженное пламенем красноватого цвета.

Распределение зажигания по цилиндрам может производиться как на высо­ковольтной, так и на низковольтной стороне (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Способы распределения зажигания по цилиндрам двигателя:

а - высоковольтное распределение; низковольтное распределение двух- (6) и четырехвыводной (в) катушек зажигания.

При низковольтном рас­пределении каждая катушка зажигания обслуживает два либо четыре цилин­дра. В первом случае катушка имеет два высоковольтных вывода (двухвыводная катушка), во втором четыре (четырехвыводная). Импульсы напряжения на обоих выводах двухвыводной катушки появляются одновременно, но один из них подается в цилиндр в такте сжатия и производит воспламенение рабочей смеси, в другом цилиндре в это время избыточное давление отсутствует и вы­деленная в искре энергия расходуется вхолостую.

Четырехвыводная катушка снабжена первичной обмоткой, состоящей из двух секций, работающих попере­менно. Высоковольтные диоды обеспечивают разделение цепей, так как высо­ковольтные импульсы такой системы разнополярны. Это является недостатком системы с четырехвыводной катушкой, поскольку, в зависимости от полярно­сти импульса, пробивное напряжение на свече может отличаться на 1,5 - 2 кВ. Катушка может обслуживать и один цилиндр, в этом случае она обычно распо­лагается на свече.

В настоящее время наиболее распространено высоковольтное распределение зажигания, однако развитие электроники позволяет перейти, вернее вернуться, к низковольтному распределению, как, например, на первых автомобилях фир­мы «Форд», где имелись 4 прерывателя и 4 катушки зажигания.

При одинаковом принципе работы системы зажигания по своим конструктив­ным и схемным выполнениям делятся на контактную систему (иначе ее называ­ют классической), контактно-транзисторную и бесконтактную электронные си­стемы зажигания.