Классификация батарейных систем зажигания

В батарейных системах зажигания используется катушка (или несколько катушек) зажигания в качестве источника импульсов высокого напряжения. Системы зажигания в представленной на рис. 3.2 классификационной схеме подразделены по шести основным признакам: способу управления (синхронизации) системы зажигания; способу регулирования угла опережения зажигания; способу накопления энергии; типу силового реле (способу коммутации первичной цепи катушки зажигания); способу распределения импульсов высокого напряжения по цилиндрам двигателя; типу защиты от радиопомех.

По способу управления системы зажигания делят на системы с контактным управлением (контактные) и системы с бесконтактным управлением (бесконтактные). Системам с контактным управлением присущи недостатки, связанные с износом и разрегулировкой контактов, ограниченные скоростные режимы из-за вибрации контактов и т. п. В бесконтактных системах зажигания управление осуществляется специальными бесконтактными датчиками, что позволяет избежать указанных недостатков систем с контактным управлением.

Внутри этих двух классов системы отличаются как схемными конструктивными решениями, так и применяемыми электронными коммутирующими приборами, датчиками, способами накопления энергии, регулирования угла опережения зажигания, распределением импульсов высокого напряжения по цилиндрам.

В более простых системах зажигания для регулирования угла опережения используются механические центробежный и вакуумный автоматы, которые реализуют весьма простые зависимости. Механические автоматы со временем изнашиваются, что приводит к погрешности момента искрообразования и ухудшению процесса сгорания рабочей смеси.

Дополнительные погрешности возникают также и в результате использования механической понижающей передачи от коленчатого вала двигателя к распределителю.

В последнее время благодаря большим достижениям в области электроники и микроэлектроники создаются системы зажигания, в которых полностью отсутствуют механические устройства управле­ния, а следовательно, и ограничения, свойственные им. Эти систе­мы, осуществляющие управление моментом зажигания по большо­му числу параметров, приближая угол опережения к оптимальному, получили общее название - системы с электронным регулировани­ем угла опережения зажигания.

 

Рис. 3.2. Классификационная схема батарейных систем зажигания

 

Среди способов реализации этих систем можно выделить два: аналоговый и цифровой. Цифровые системы зажигания благодаря развитию технологии производства цифровых интегральных схем средней и большой степеней инте­грации являются наиболее совершенными. Одним из последних достижений в этой области являются микропроцессорные системы.

Применение электроники позволяет полностью исключить меха­нические узлы, например вращающийся высоковольтный распре­делитель энергии. Функцию распределителя исполняют многовы­водные (на 2, 4, 6 выводов) катушки зажигания или катушечные мо­дули, управляемые контроллером. В системах со статическим распределением энергии благодаря отсутствию вращающегося бегунка и связанного с ним искрения значительно ниже уровень электромагнитных помех.

В ряде случаев, например на автомобилях высокого класса, требуется максимальное снижение уровня помех радиоприему, телевидению и средствам связи как на самом автомобиле, так и на внешних объектах. С этой целью высоковольтные детали и провода, а также сами узлы системы зажигания экранируются. Такие системы зажигания называются экранированными.

Все системы зажигания разделяются также на две группы, отличающиеся способами накопления энергии (в индуктивности или ем-кости) и способами коммутации первичной цепи катушки зажигания (типом силового реле). На автомобильных двигателях широкое применение нашли системы зажигания с накоплением электромагнитной энергии в магнитном поле катушки, использующие контактные или транзисторные прерыватели. В тиристорных системах зажигания энергия для искрового разряда накапливается в конденсаторе, а в качестве силового реле применяется тиристор. В этих системах катушка зажигания не накапливает энергию, а лишь преобразует напряжение. Характерной особенностью тиристорных систем зажигания является высокая скорость нарастания вторичного напряжения, поэтому пробой искрового промежутка свечи надежно обеспечивается даже при загрязненном и покрытом нагаром изоляторе свечи. Кроме того, в тиристорных системах вторичное напряжение может быть практически постоянным при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя до максимальной, так как конденсатор успевает полностью зарядиться на всех режимах работы двигателя. Однако тиристорные системы зажигания имеют сравнительно малую продолжительность индуктивной составляющей искрового разряда (не более 300 мкс), что приводит к ухудшению воспламеняемости и сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя на режимах частичных нагрузок. Многочисленными исследованиями установлено, что в режимах частичных нагрузок и при работе двигателя на сильно обедненных рабочих смесях требуется продолжительность индуктивной составляющей искрового разряда не менее 1,5-2 мс, что достаточно просто реализуется в системах зажигания с накоплением энергии в индуктивности. Последние достижения в области создания транзисторных систем зажигания, в частности применение принципа нормирования времени накопления энергии, позволили практически устранить такие недостатки индуктивных систем, как большая зависимость вторичного напряжения от шунтирующего сопротивления на изоляторе свечи и от частоты вращения коленчатого вала.

Перечисленные достоинства и простота реализации предопре­делили широкое использование систем зажигания с накоплением энергии в индуктивности на автомобильных двигателях. Системы зажигания с накоплением энергии в емкости нашли широкое при­менение на газовых и высокооборотных мотоциклетных двигате­лях, которые не критичны к длительности искрового разряда.

В соответствии с классификационной схемой (см. рис. 3.2) раз­личают следующие системы зажигания, которые серийно выпуска­ются у нас в стране и за рубежом или по прогнозам готовятся в производство в ближайшие годы: батарейная с механическим пре­рывателем, или классическая; контактно-транзисторная; контактно­тиристорная; бесконтактно-транзисторная; цифровая с механиче­ским распределителем; микропроцессорная система управления автомобильным двигателем (МСУАД).

ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ ЗАЖИГАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Исходя из условий работы ДВС к системам зажигания предъяв­ляют следующие основные требования:

- система зажигания должна развивать напряжения, достаточ­ные для пробоя искрового промежутка свечи, обеспечивая при этом бесперебойное искрообразование на всех режимах работы двига­теля;

- искра, образующаяся между электродами свечи, должна обла­дать достаточными энергией и продолжительностью для воспламе­нения рабочей смеси при всех возможных режимах работы двига­теля;

- момент зажигания должен быть строго определенным и соот­ветствовать условиям работы двигателя;

- работа всех элементов системы зажигания должна быть на­дежной при высоких температурах и механических нагрузках, кото­рые возникают на двигателе;

- эрозия электродов свечи должна находиться в пределах допуска.

Исходя из этих требований любая система зажигания характе­ризуется следующими основными параметрами:

- развиваемым вторичным напряжением в пусковом и рабочем режимах работы 1/_2гп;

-

Рис. 3.3. Влияние давления и темпера­туры на пробивное напряжение

коэффициентом запаса по вторичному напряжению К₃]

- скоростью нарастания вторичного напряжения dU_2m/df,

- энергией W_p и длитель­ностью индуктивной состав­ляющей искрового разряда т_р;

- зазором между элек­тродами свечей 5;

Коэффициентом запаса по вторичному напряжению К₃ назы­вается отношение вторичного напряжения U_2m, развиваемого сис­темой зажигания, к пробивному напряжению U_np между электрода­ми свечи, установленной на двигателе: К₃ = l/_2m / U_np.

Пробивным напряжением называется напряжение, при котором происходит пробой искрового промежутка свечи. При этом свеча, ввернутая в камеру сгорания двигателя, является своеобразным разрядником. Пробивное напряжение для однородных полей со­гласно экспериментальному закону Пашена прямо пропорциональ­но давлению смеси р и зазору между электродами 5 и обратно про­порционально температуре смеси Т, т. е.

U_np = f( p /Т) Кроме того,на напряжение U_np оказывают влияние состав смеси, длительность и форма приложенного напряжения, полярность пробивного напря­жения, материал электродов и условия работы двигателя. Так, на­пример, при пуске холодного двигателя стенки цилиндра и электро­ды свечи холодные, всасываемая топливно-воздушная смесь име­ет низкую температуру и плохо перемешана. При сжатии смесь слабо нагревается и капли топлива не испаряются. Попадая в межэлектродное пространство свечи, такая смесь увеличивает про­бивное напряжение на 15...20%. На рис. 3.3 приведены зависимо­сти и_пр от давления при различных температурах.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя пер­воначально вызывает некоторое увеличение пробивного напряже­ния ввиду роста давления сжатия, однако далее происходит уменьшение 1/_пр, так как ухудшается наполнение цилиндров свежей смесью и возрастает температура центрального электрода свечи.

 

Рис. 3.3. Влияние давления и температуры на пробивное напряжение

 

 

Рис. 3.4. Зависимость пробивного напряжения от частоты вращения коленчатого вала:

1 - при полной нагрузке: 2 - при половинной нагрузке; 3 - при малой нагрузке; 4 - при пуске и холостом ходе

 

Максимального значения пробивное напряжение достигает при пуске и разгоне двигателя, минимального - при работе на устано­вившемся режиме на максимуме мощности. На рис. 3.4 показаны зависимости пробивного напряжения U_np от частоты вращения ко­ленчатого вала двигателя при различных нагрузках.

В течение первых 2 тыс. км пробега нового автомобиля пробив­ное напряжение повышается на 20...25% за счет округления кромок электродов свечи. В дальнейшем напряжение растет за счет износа электродов и увеличения зазора, что требует проверки и регулиров­ки зазора в свечах через каждые 10... 15 тыс. км пробега. Если дви­гатель работает на неустановившихся режимах в результате неод­нородности рабочей смеси, поступающей в цилиндры, пробивное напряжение в отдельных цилиндрах может значительно отличать­ся, а в некоторых случаях могут наблюдаться даже перебои искро- образования.

Для современных систем зажигания коэффициент запаса по вторичному напряжению принимают не менее 1,5, а в экранирован­ных -1,3.

Параметры искрового разряда - энергия, длительность - влия­ют на развитие начала процесса сгорания в цилиндрах двигателя (в режимах пуска, холостого хода, неустановившихся режимах и при частичных нагрузках). Установлено, что увеличение энергии и продолжительности индуктивной составляющей искрового разряда обеспечивают большую надежность воспламенения смеси и сни­жение расхода топлива на этих режимах.

Момент зажигания - появление искрового разряда в свече - оказывает существенное влияние на мощность, экономичность и токсичность двигателя. Для каждого режима работы двигателя имеется оптимальный момент зажигания, обеспечивающий наи­лучшие его показатели. При слишком раннем зажигании сгорание смеси происходит целиком в такте сжатия при возрастании давле­ния. Поршень испытывает сильный встречный удар, тормозящий его движение. Внешними признаками раннего зажигания являются снижение мощности, металлический стук (детонация). При позднем зажигании после перехода поршня через ВМТ смесь сгорает в так­те расширения и может догорать даже в выпускном трубопроводе. При этом двигатель перегревается из-за увеличения отдачи тепло­ты в охлаждающую жидкость и мощность его снижается.

Угол опережения зажигания влияет на изменение давления в цилиндре двигателя (рис. 3.5). Процесс сгорания оптимально про­текает в том случае, когда угол опережения зажигания наивыгод­нейший (кривая 2). Максимум мощности двигатель развивает, если наибольшее давление в цилиндре создается после ВМТ через

10...15° угла поворота коленчатого вала двигателя, т. е. когда про­цесс сгорания заканчивается несколько позднее ВМТ Наивыгод­нейший угол опережения зажигания определяется временем, кото­рое отводится на сгорание смеси, и скоростью сгорания смеси. В свою очередь время, отводимое на сгорание, зависит от частоты вращения коленчатого вала, а скорость сгорания определяется со­ставом рабочей смеси и степенью сжатия.

Рис. 3.5. Изменение давления в цилиндре двигателя в зависимости от момента зажигания: а - момент зажигания; б - детона­ция, 1,2 и 3 - соответственно ран­нее, нормальное и позднее зажига­ние; р_г - максимум давления ци­линдре

 

 

По современным представлениям угол опережения зажигания должен выбираться с учетом частоты вращения коленчатого вала, нагрузки двигателя (рис. 3.6), температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха, атмосферного давления, состава отрабо­тавших газов, скорости изменения положения дроссельной заслон­ки (разгон, торможение).

Кроме обеспечения наивыгоднейшего угла опережения, система зажигания должна обеспечивать очередность подачи высокого на­пряжения на свечи соответствующих цилиндров двигателя в соот ветствии с порядком работы. Одним из важных требований экс­плуатации к системам зажигания является сохранение их исходных характеристик без изменений в течение всего срока службы двига­теля при минимуме ухода.

Рис. 3.6. Зависимости наилучшего угла опережения зажигания: а - от частоты вращения коленчатого вала двигателя; б - от нагрузки при различной частоте вращения