Пробой искрового промежутка свечи

Для зажигания рабочей смеси электрическим способом необхо­димо образование электрического разряда между двумя электрода­ ми свечи, которые находятся в камере сгорания. Протекание электрического разряда в газо­вом промежутке может быть представлено вольт-амперной характеристикой (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Вольт-амперная харак­теристика разряда в воздушном промежутке

Участок Оаb соответствует не­самостоятельному разряду. На­пряжение возрастает, ток остает­ся практически неизменным и по силе ничтожно мал. При даль­нейшем увеличении напряжения скорость движения ионов по на­правлению к электродам увели-

чивается. При начальном напряжении U_H начинается ударная иони­зация, т. е. такой разряд, который, однажды возникнув, не требует для своего поддержания воздействия постороннего ионизатора. Если поле равномерное, то процесс поляризации сразу перерастает в пробой газового промежутка. Если поле неравномерное, то вначале возникает местный пробой газа около электродов в местах с наи­большей напряженностью электрического поля, достигшей критиче­ского значения. Этот тип разряда называется короной и соответству­ет устойчивой части вольт-амперной характеристики bс. При даль­нейшем повышении напряжения корона захватывает новые области межэлектродного пространства, пока не произойдет пробой (точка с), когда между электродами проскакивает искра. Это происходит при достижении напряжением значения пробивного напряжения U_np.

Проскочившая искра создает между электродами сильно нагре­тый и ионизированный канал. Температура в канале разряда ра­диусом 0,2...0,6 мм превышает 10 ООО К.

Сопротивление канала зависит от силы протекающего по нему тока. Дальнейшее протекание процесса зависит от параметров га­зового промежутка цепи источника энергии. Возможен или тлеющий разряд (участок de), когда токи малы, или дуговой разряд (участок тп), когда токи велики вследствие большой мощности источника тока и малого сопротивления цепи. Оба эти разряда являются са­мостоятельными и соответствуют устойчивым участкам вольт- амперной характеристики. Тлеющий разряд характеризуется тока­ми 10^_5...10"¹ А и практически неизменным напряжением разряда. Дуговой разряд характеризуется большими токами при относитель­но низких напряжениях на электродах.

 

Рис. 3.19. Вольт-амперная харак­теристика разряда в воздушном промежутке

 

На втором этапе был рассмотрен процесс формирования вторичного напряжения при отсутствии электрического разряда в свече. В действительности пробивное напряжение U_nр ниже максимального вторичного напряжения U_2m, развиваемого системой зажигания, и поэтому, как только возрастающее напряжение достигает значения U_nр, в свече происходит искровой разряд, и колебательный процесс обрывается (рис. 3.20).

Электрический разряд имеет две составляющие: емкостную и индуктивную. Емкостная составляющая искрового разряда представляет собой разряд энергии, накопленной во вторичной цепи, обусловленной ее емкостью С2. Емкостный разряд характеризуется резким падением напряжения и резкими всплесками токов, по своей силе достигающих десятков ампер (см. рис. 3.20). Несмотря на незначительную энергию емкостной искры (С₂ U_nр² / 2), мощность, развиваемая искрой, благодаря кратковременности процесса может достигать десятков и даже сотен киловатт. Емкостная искра имеет яркий голубоватый цвет и сопровождается специфическим треском.

Высокочастотные колебания (106...107 Гц) и большой ток емкостного разряда вызывают сильные радиопомехи и эрозию электродов свечи. Для уменьшения эрозии электродов свечи (а в неэкранированных системах и для уменьшения радиопомех) во вторичную цепь (в крышку распределителя, бегунок, наконечники свечей, в провода) включается помехоподавляющий резистор. Поскольку искровой разряд происходит раньше, чем вторичное напряжение достигает своего максимального значения U_2m, а именно при напряжении 1/nр, на емкостный разряд расходуется лишь небольшая часть магнитной энергии, накопленной в сердечнике катушки зажигания.

Рис. 3.20. Изменение напряжения и тока искрового разряда:

а и б - соответственно емкостная и индуктивная фазы разряда; t_иp - время индуктивной составляющей разряда; /_ир - амплитудное значение тока индуктивной фазы разряда; U_ир - напряжение индук­тивной фазы разряда

 

Оставшаяся часть энергии выделяется в виде индуктивного разряда. При условиях, свойственных работе распределителей и разрядников, и при обычных параметрах катушек зажигания индуктивный разряд всегда происходит на устойчивой части вольт-амперной характеристики, соответствующей тлеющему разряду. Ток индуктивного разряда 20...40 мА. Напряжение между электродами свечи сильно понижается и слагается в основном из катодного падения напряжения UK и падения напряжения в положительном столбе E_d

Uиp =U_K + E_d,

 

где Uиp - напряжение искрового разряда; Е - напряженность поля в положительном столбе; Е = 100 В/мм; d - расстояние между электродами.

Падение напряжения U_K = 220...330 В.

Продолжительность индуктивной составляющей разряда на 2...3 порядка выше емкостной и достигает в зависимости от типа катушки зажигания, зазора между электродами свечи и режима работы двигателя (пробивного напряжения) 1...1.5 мс. Искра имеет бледный фиолетово-желтый цвет. Эта часть разряда получила название хеоста искры.

За время индуктивного разряда в искровом промежутке свечи выделяется энергия, которая может быть определена аналитически:

На практике широко используется приближенная формула для подсчета энергии искрового разряда Wиp = (1/2U_ирI_ирt_ир).

Расчеты и эксперименты показывают, что при низких частотах вращения двигателя энергия индуктивного разряда Wир = 15...20 мДж для обычных классических автомобильных систем зажигания.