ТО и ремонт автомобильного транспорта

Тема 1.2 «Устройство и основы теории двигателя»

Урок № 1.2.84. Тема: «Классификация, общее устройство и работа систем зажигания»

 

Назначение и требования, предъявляемые к системе зажигания. К системе зажигания предъявляют следующие жесткие требо­вания: работа в любых климатических условиях эксплуатации при вибрации, воздействии пыли, влаги и других факторов; надежное искрообразование на любых режимах работы двигателя; достаточ­ная энергия и продолжительность искры; строго определенный момент зажигания в соответствии с нагрузочным и скоростным режимами работы двигателя; допустимая эрозия электродов свечи.

Система зажигания двигателя предназначена для принудительного воспламене­ния рабочей смеси в камере сгорания бензиновых двига­телей при помощи электрической искры, точно в заданный момент времени в соответствии с порядком и режимом работы двигателя. Для выполнения этого должны быть созданы импульсы высокого напряжения требуемой мощности, обеспечено надежное зажигание рабочей смеси в опре­деленный момент рабочего цикла двигателя, распределены им­пульсы высокого напряжения по цилиндрам в соответствии с по­рядком работы цилиндров двигателя.

Общие понятия образования электрической искры. Искровая свеча зажигания (далее – везде свеча) представляет собой разрядник с двумя электродами, разделенными воздушным промежутком. При создании разности потенциалов между электро­дами свечи возникает сначала тлеющий разряд – слабый ток в ионизированном воздухе. При увеличении напряжения ток в этом разряде увеличивается, ионы и электроны вытесняют из зоны тока нейтральные молекулы (толчок), и при дальнейшем увеличении тока зазор пробивается. Газ в столбе тока нагревается до состояния плазмы – видна искра. Таким образом, пробой воздушного проме­жутка происходит за счет пробивного напряжения, а основная энергия заряда переносится в плазменном столбе при относительно небольшом напряжении, но достаточно большой силе тока.

Пробивное напряжение U _пр – напряжение, при котором проис­ходит пробой искрового промежутка свечи. При атмосферном давлении для пробоя воздушного промежутка 1 мм требуется при­мерно 10 кВ.

Процесс образования искры состоит из двух фаз.

Емкостная фаза (рис. 1, период а - б). После достижения пробивного напряжения в момент а резко падает напряжение и возникают резкие колебания силы тока (до десятков ампер). Не­смотря на малую энергию искры (0,5 С ₂ U ²_пр, где С ₂ – емкость заря­да), мощность (за очень малое время) может достигать десятков киловатт.

Рис. 1. Осциллограмма искрового разряда: U 2 – вторичное напряжение; t – время; а-б – емкостная фаза; б - в – индуктивная фаза (дуговой разряд); 1 – максимальное вторич­ное напряжение катушки зажигания; 2 – пробивное напряжение (напряжение зажига­ния); 3 – напряжение электрической дуги (увеличено)

Искра голубого цвета. Высокочастотные колебания (10⁴...10⁶ Гц) вызывают сильные радиопомехи и эрозию электро­дов свечи.

Индуктивная фаза (период б - в). Соответствует тлеющему раз­ряду. Сила тока составляет 20...40 мА. Напряжение U ₃ = {220...330 В + 100[В/мм]d} (здесь d – зазор между электрода­ми). Это напряжение составляет 300...400 В (сравните: пробивное напряжение равно 10... 12 кВ). Время периода 1...1,5 мс, что на два-три порядка больше времени емкостной фазы. Искра бледно- фиолетово-желтого цвета («хвост искры»).

Рис. 2. Зависимость пробивного U _пр (а) и вторичного U ₂ (б) напряжений от частоты вращения n и нагрузки: 1 – при полной нагрузке; 2 – при 1/2 нагрузки; 3 – при малой нагрузке; 4 – при пуске и хо­лостом ходе; 5 – максимальное вторичное напряжение (напряжение холостого хода катушки зажигания); 6 а – для четырехцилиндрового двигателя; 6 б – для шестицилиндрового двигателя

 

Энергия искры обычно составляет W _и = 15...20 мДж. Для про­гретого двигателя на номинальном нагрузочном режиме требуется энергия искры около 5 мДж. Но на режиме пуска холодного дви­гателя и холостого хода энергия должна достигать 30... 100 мДж.

Таким образом, для большей надежности зажигания рабочей смеси на электродах свечи необходимо создать требуемое пробив­ное напряжение 16...25 кВ (с запасом) и возможно большие энер­гию искры и продолжительность индуктивного периода разряда.

Пробивное напряжение воздушного промежутка согласно экс­периментально установленному закону зависит от давления среды и зазора между электродами (прямо пропорционально) и темпера­туры (обратно пропорционально) (рис. 2, а). С увеличением ча­стоты вращения U _пр уменьшается, так как ухудшается наполнение и возрастает температура центрального электрода свечи.

После первых 2 тыс. км пробега округляются кромки электро­дов свечи, и увеличивается зазор из-за эрозии металла. Это требует большего (на 20...25%) пробивного напряжения. Поэтому через 10... 15 тыс. км пробега нужно регулировать зазор между электро­дами свечи.

Классификация систем зажигания. Различают следующие систе­мы зажигания:

по способу синхронизации искрообразования – контактные и бесконтактные;

по способу накопления энергии – ин­дуктивные и емкостные;

по способу разрыва первичной цепи – с ме­ханическим разрывом и транзисторные;

по способу распределения им­пульсов высокого напряжения – с механическим и электронным распределением;

по способу регулирования угла опережения зажига­ния – с механическими автоматами и электронным регулированием.

Общая компоновка системы зажигания. Обобщенно структуру системы зажигания можно представить следующим образом (рис. 3):

Рис. 3. Общая структура системы зажигания: 1 – источник питания для системы зажигания; 2 – выключатель (замок) зажигания; 3 – накопитель энергии; 4 – устройство управления накоплением энергии; 5 – система распределения зажигания; 6 – высоковольтные провода; 7 – свечи зажигания.

 

Рассмотрим каждый из элементов системы:

1. Источник питания для системы зажигания – аккумуляторная батарея (АКБ) и генератор.

2. Выключатель (замок) зажигания,предна­значен для включения и отключения цепей за­жигания, пуска, контрольных приборов, фонарей и др.

3. Накопитель энергии. Накопители энергии, используемые в системах зажигания делятся на две группы: а) с накоплением энергии в индуктивности – катушка или катушки зажигания; б) с накоплением энергии в емкости – конденсаторе.Энергия накапливается в первичной обмотке катушки зажигания и при размыкании первичной цепи во вторичной цепи индуцируется высокое напряжение, подаваемое на свечи.

4. Устройство управления накоплением энергии – определяет момент начала накопления энергии и момент «сброса» энергии на свечу (момент зажигания).

5. Система распределения зажигания – предназначена для распределения тока высокого напряжения, создаваемого накопителем энергии, между свечами зажигания каждого цилиндра в соответствии с порядком работы двигателя;

6. Высоковольтные провода – соединяют накопитель энергии c распределителем или свечами и распределитель со свечами.

7. Свечи зажигания – необходимы для образования искрового разряда и зажигания рабочей смеси в камере сгорания двигателя.

Контактная система зажигания. Системы с индуктивным накопле­нием энергии (с катушками зажигания), контактным способом синхронизации, механическим распределением импульсов и ме­ханическими автоматами регулирования угла опережения зажига­ния называют классическими (батарейными).

Состав классической контактной системы зажигания (рис. 4, а): источник энергии постоянного тока (аккумулятор или генера­тор), прерыватель, конденсатор, катушка зажигания и искровые свечи.

Рис. 4. Схема контактной системы зажигания (а) и электрические сигналы первичной и вторичной цепи (б): G – источник энергии (генератор или аккумуляторная батарея); ПР – прерыватель; С1 – кон­денсатор; К – кулачок; КЗ – катушка зажигания; ИС – искровые свечи; 1 – первичный ток; 2 – импульс напряжения первичной цепи; 3 – импульс вторичного напряжения; ЗАМ – кон­такты замкнуты; РАЗ – контакты разомкнуты

 

Эти элементы составляют две цепи: первичную и вторич­ную. Первичная цепь: источник энергии G – прерыватель – первичная обмотка L1 катушки зажигания и конденсатор С1, подключенный параллельно контактам прерывателя. Вторичная цепь: вторичная обмотка L2 катушки зажигания – искровые свечи.

Работа классической системы зажигания. Контакты прерывателя ПР размыкаются механически от кулачка К (связь показана на ри­сунке штриховой линией), который имеет привод от распредели­тельного вала, следовательно, у четырехтактных двигателей вра­щается в 2 раза медленнее коленчатого вала. При замыкании кон­тактов в первичной цепи нарастает ток, создавая в первичной об­мотке L1 магнитное поле. Его силовые линии пересекают также и витки вторичной обмотки L2.

Катушка зажигания является повы­шающим трансформатором. Коэффициент трансформации i _тp = w ₂/ w ₁ = 55...90 (здесь w ₂ и w ₁ – число витков соответственно вторичной и первичной обмоток). Если в первичной обмотке на­пряжение составляет 10...12 В, то во вторичной обмотке оно дос­тигает 300...400 В.

Для пробоя воздушного промежутка в свече нужно 16 000...20 000 В. Такой импульс высокого напряжения возникает при размыкании контактов прерывателя, когда первичная цепь разрывается, ток исчезает и магнитное поле цепи резко сокраща­ется. Силовые линии поля с большой скоростью пересекают вит­ки вторичной обмотки. По закону Фарадея электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости пересечения проводника магнитным полем. В этот момент во вторичной обмотке наводится ЭДС высокого напряжения (16...25 кВ), благодаря чему проис­ходит пробой зазора между электродами разрядника (свечи ИС).

При разрыве первичной цепи в ее обмотке L1 возникает ЭДС самоиндукции (при напряжении 200...400 В), которая направлена в обратную сторону. Она создает искру между контактами преры­вателя, что приводит к их обгоранию. Конденсатор С1, включен­ный в цепь параллельно контактам, поглощает ЭДС самоиндук­ции, чем предотвращает возникновение искры между контактами. Затем конденсатор разряжается через первичную обмотку, что приводит к возникновению тока во вторичной обмотке и продле­нию индуктивной фазы разряда («хвост искры»), который обеспе­чивает лучшее зажигание смеси.

Процесс создания высокого напряжения можно разделить на три этапа (рис. 11.3, б): 1) контакты прерывателя замкнуты – ЗАМ; 2) контакты прерывателя разомкнуты – РАЗ; 3) пробой ис­крового промежутка — начало этапа РАЗ.

Первый этап: подключение первичной обмотки катушки зажи­гания (накопителя) к источнику тока. Ток I ₁, в первичной цепи (верхний график) нарастает по экспоненте:

где U _и – напряжение источника тока; R ₁– суммарное активное сопротивление первичной цепи; t – текущее время; t ₁ = L ₁ /R ₁ – постоянная первичного контура; L ₁– индуктивность катушки.

При этом в катушке зажигания накапливается электромагнит­ная энергия.

Таким образом, сила тока в первичной обмотке зависит от вре­мени первого этапа, т. е. времени замкнутого состояния контак­тов. Следовательно, ток разрыва:

Второй этап. Размыкание контактов приводит к отключению катушки от источника тока. Первичный ток исчезает. Накоплен­ная энергия превращается в электростатическую. Магнитное поле исчезает, и во вторичной обмотке индуцируется ЭДС высокого напряжения. Напряжение во вторичной обмотке тем больше, чем больше коэффициент трансформации, ток в первичной обмотке в момент размыкания контактов и скорость сокращения магнитно­го поля.

Уравнение баланса энергии в первичной и вторичной цепях (без учета потерь) – электромагнитная энергия катушки преобра­зуется в энергию электрического поля конденсаторов и частично расходуется на тепловые потери:

Принимая U ₁ = (w ₂/ w ₁) U ₂ = i _тp U ₂, получаем

где h — коэффициент затухания; h = 0,75...0,85; С ₁ — емкость первичной цепи (конденсатора); С ₂ – емкость вторичной цепи.

 

На рисунке 3, б показаны переходные процессы в системе зажигания: верхняя часть — в прерывателе (изменение первичного тока), нижняя – во вторичной обмотке (изменение вторичного тока). В момент разрыва контактов ток в первичной обмотке резко снижается. В этот момент во вторичной обмотке резко нарастает импульс высокого напряжения (нижний график). Затем первич­ный ток затухает с колебаниями – происходит нагрев первичной цепи. Если напряжение недостаточно для пробоя искрового про­межутка свечи, то и во вторичной обмотке происходят затухаю­щие колебания.

Энергия искрового разряда

где h _p – коэффициент передачи запасенной энергии в энергию искры: для тради­ционной (цилиндрической формы) катушки зажигания h _p – 0,35...0,45. Этот ко­эффициент характеризует магнитную связь между первичной и вторичной обмот­ками.

Из этой формулы видно, что увеличить энергию искры можно за счет увеличения индуктивности L ₁ первичной цепи (катушки) или тока разрыва I _р. Для классических систем зажигания ток раз­рыва I _р = 3,5...4А из-за резкого снижения ресурса контактов. Уве­личение индуктивности L ₁ ограничивается условием обеспечения бесперебойности искрообразования на максимальных частотах вращения, так как при постоянном напряжении батареи с увели­чением частоты вращения индуктивность должна уменьшаться.

Направления совершенствования классической системы зажига­ния. Напряжение во вторичной цепи системы зажигания можно увеличить за счет изменения значений тока разрыва и параметров первичной (L ₁, R ₁, С ₁) и вторичной (С ₂, Цепей. Параметры первичной цепи зависят от режима двигателя (частота вращения и число цилиндров) и работы прерывателя (время замкнутого состо­яния контактов).

Ток разрыва I _р в основном зависит от времени замкнутого со­стояния контактов. При воздействии на контакты вращающегося кулачка специального профиля это время определяется углом зам­кнутого состояния контактов, увеличивая который, можно увели­чить ток разрыва. Однако конструктивно добиться более 60...65 % времени замыкания контактов невозможно. Хотя есть зарубежные модели, в которых этот период достигает 85 % (при наличии двух прерывателей и одной катушки).

Время замкнутого состояния контактов t = α /6 n, здесь α – угол замкнутого состояния контактов.

С повышением частоты вращения это время уменьшается, вследствие чего снижается напряжение во вторичной цепи U ₂ (см. рис. 2, б). На низких частотах напряжение падает из-за дугообразования на контактах. При высоких частотах напряжение падает из-за уменьшения времени их замкнутого состояния.

Нарастание тока пропорционально отношению напряжения батареи к индуктивности катушки U _б/ L и сопротивления R ₁ цепи. Значит, чтобы увеличить ток разрыва, можно уменьшить сопро­тивление первичной цепи. Однако чрезмерное уменьшение со­противления и увеличение угла замкнутого состояния контактов приводят к увеличению обгорания контактов, особенно на низких частотах вращения.

Уменьшить емкость конденсатора С ₁ не позволяет возникаю­щее в момент разрыва контактов дугообразование, что вызывает дополнительные потери энергии. Значения С ₁ выбирают в преде­лах 0,15-0,35 мкФ.

Величину С ₂ (емкость свечи и вторичной обмотки катушки за­жигания) уменьшить не позволяет технология изготовления. Она находится в пределах 40...75 пкФ, в экранированных системах – до 150 пкФ, т. е. вторичное напряжение в экранированных систе­мах меньше.

Увеличивая коэффициент трансформации i _тр, можно повысить вторичное напряжение, однако оно снижается затем из-за сопро­тивления свечи. Для существующих систем при индуктивности первичной обмотки 6,5...9,5 мГн оптимальный коэффициент трансформации равен 55-95.

Из сравнения формулы по определению энергии искрового разряда и вторичного напряжения видно, что обе величины зави­сят оттока разрыва. Значит, для повышения эффективности зажи­гания смеси нужно увеличить ток разрыва.

 

Д.З.

1. Шестопалов С.К. Устройство легковых автомобилей: В 2 ч. Ч. 1 Классификация и общее устройство автомобилей, двигатель, электрооборудование. Издание: 4-е изд., стер. Год выпуска: 2016. Стр. 222.

2. Богатырев А.В. и др. Автомобили. Стр. 148.