Выходной каскад системы программного зажигания очень прост. Он состоит из мощного составного транзистора (пары Дарлингтона), интегрального, либо выполненного из двух отдельных транзисторов. Он позволяет просто управлять большим током первичной обмотки катушки зажигания. Точка выключения питания катушки будет управлять моментом зажигания, точка включения — периодом активации.
Распределение высокого напряжения
Распределение высокого напряжения очень похоже на распределение в обычной системе. Бегунок ротор установлен на конце вала распределителя и закрыт крышкой. Дли крышки используется материал velax, подобный эпоксидной смоле. но имеющий лучшие электрические характеристики — например, он менее склонен к утечкам. Крышка распределителя установлена на опорной пластине из материала Craslmc. Эта пластина является и монтажной, и рабочей, предотвращая попадание масла, просачивающегося от вала распределителя на бегунок и крышку. Другая важная функции монтажной пластины заключается в том, чтобы предотвратить накопление о распределителе агрессивных газов типа озона и окиси азота, выводя их в атмосферу. Эти газы образуются при искровом раз ряде, который возникает в воздушном промежутке между бегунком и сегментом в крышке распре делителя. Бегунок ротора также делают из материала Crasiine и укрепляют металлической вставкой, чтобы уменьшить усилия установки.
Система зажигания без распределителя
Принцип действия
Зажигание без распределителя имеет все черты рассмотренной системы программного зажигания, но при использовании катушки зажигания специального типа высокое напряжение поступает к свечам зажигания без участия высоковольтного распределителя. Система, вообще говоря используется только на двигателях с четырьмя цилиндрами, потому что для большего числа цилиндров система управления становится очень сложной. Основной принцип — это принцип «холостой искры». Распределение искры достигается при использовании двух симметричных катушек, которые поочередно активируются блоком управления. На рис. 8.24 показана блок-схема системы зажигания без распределения (distributorless ignition system - DIS). Выбор момента зажигания определяется по датчику скорости крашения и угловою положения коленчатого вала, а также по датчику нагрузки и другим корректировкам. Когда активирована одна из катушек, высокое напряжение поступает сразу к двум цилиндрам двигателя, например, I и 4 или 2 и 3. Искра, возникшая в цилиндре на такте сжатия, воспламенит смесь как нормальную. Искра, поникшая в другом цилиндре, не произведет никакого эффекта, поскольку этот цилиндр будет только заканчивать тает выхлопа. Из-за низкого давления выхлопных газов в цилиндре с «холостой искрой» требуемое для возникновения этой искры напряжение невелико — всего около 3 кВ. Примерно такое же напряжение теряется в обычных системах между бегунком и распределителем. Поэтому искра, произведенная в цилиндре на такте сжатия, никак не затрагивается. Здесь есть интересный момент - искра в одном из цилиндров проскочит с «земляного» электрода к центру свечи зажигания. Многие годы это было неприемлемо, так как качество искры с таким путем разряда было бы хуже, чем тогда, когда раз ряд идет с центрального электрода. Однако энергия, доступная в современных системах зажигания с постоянной энергией, произведет искру надлежащего качества при любом направлении разряда.
Компоненты системы DIS
Система зажигании без распределения (D1S) состоит из трех главных компонентов: электронного модуля, датчика углового положения коленчатого вала и DIS-катушки. Во многих системах с этим модулем объединен датчик абсолютного давления. Функции модуля почти такие же. как у описанного выше для системы с электронной регулировкой опережения зажигания. Датчик наложения коленчатого вала по своему действию подобен описанному в предыдущем разделе. Это — магнитный датчик, и он помешен напротив внешнего обола маховика или напротив колеса редуктора позади переднею шкива коленчатого вала. Зубчатый венец колес состоит из 35 зубцов, расположенных с промежутком 10*. Недостающий зубец - положение 90* от нижней мертвой точки или первого и четвертого цилиндров. Такое расположение позволяет отсчитывать момент зажигания как фиксированный угол после опорной метки. Батарея подключена к центральному выводу первичной обмотки катушки зажигания. Соответствующая половина обмотки потом коммутируется на землю и модуле управления. Обмотки высокого напряжения раздельные, одна из них предназначена первому и четвертому цилиндрам, другая - второму и третьему. На рис. 8.25 показа на типичная Р1 S-катушка.
Прямое зажигание
Общее описание
Прямое зажигание л некотором смысле ведет свою родословную от системы зажигания без распределителя. Эта система использует индивидуальную катушку зажигания для каждого цилиндра. Катушки установлены непосредственно на свечах зажигания. На рис. 8.26 показано поперечное сечение катушки прямого зажигания. Использование индивидуальной катушки для каждой свечи гарантирует; что время нарастания тока при низкой индуктивности первичной обмотки будет очень малым. А это обеспечит очень высокое напряжение, и будет создана искра с высокой энергией. Амплитуда напряжения может превышать 40 кВ, что обеспечивает эффективное инициирование процесса сгорания в условиях холодного запуска и бедных смесей. Некоторые системы прямого зажигания используют принцип зажигания с разрядом конденсатора. Чтобы переключать катушки зажигания, используются модули воспламенения. Они могут управлять сразу тремя катушками и являются просто мощными ключами блока управления, но в отдельном блоке. Это позволяет снизить наводки на основной блок управления от переключения больших токов за счет уменьшения длины проводов, несущих эти токи.
Управление зажиганием
Выбор момента зажигания и фазы активации регулируются способом, подобным описанному ранее для системы программного зажигания. Положение вала двигателя известно от датчика коленвала, но на некоторых системах важным дополнением к нему является датчик газораспределительного вала. Он предназначен для получения информации о том, какой цилиндр находятся на такте сжатии. Система, не имеющая датчика газораспределительного вала, получает нужную информацию, первоначально активируя все катушки. Напряжение на свечах позволяет измерить ток для каждой искры и покажет, какой цилиндр находится в фазе рабочего хода. Это возможно, поскольку горящая смесь имеет более низкое сопротивление. Цилиндр с самым высоким током в этот момент будет рабочим цилиндром. В некоторых системах есть одна особенность. Если при неудачном запуске двигателя свечи зажигания горючей смесью, то псе свечи подвергаются многократному разряду, после чего зажигание блокируется в этом состоянии в течение 5 секунд. Такой метод осушения свечей сжигает любой излишек топлива. Во время трудных условии запуска многоискровое зажигание используется также некоторыми системами в интервале угла вращения коленвала 70’ перед верхней мертвой точкой. Это помогает при запуске и затем, как только двигатель заработает выбор момента зажигания возвращается к его нормальному расчетному значению.
Свечи зажигания
Функциональные требования
Суть требований к свече зажигания заключается в том, что она должна сформировать искру в пределах камеры сгорания, которая инициирует горение топлива. Чтобы сделать это, свеча должна противостоять суровым условиям. Рассмотрим, например, четырехтактный четырехцилиндровый двигатель со степенью сжатия 9:1, работающим на скоростях до 5000 об/мин. При этой скорости четырехтактный цикл повторяется каждые 24 мс. Нижеследующие условия типичны:
♦ конец такта впуска: давление 0,9 Бар при температуре 65 ’С;
♦ начальный момент зажигания: 9 Бар при 350 ‘С;
♦ наивысшее значение давления в течение рабочего такта: 45 Бар при температуре 3000 “С;
♦ рабочий такт закончен: давление 4 Бар при температуре 1100 X.
Помимо вышеупомянутых условий, свеча зажигания должна противостоять серьезной вибрации и химически агрессивной окружающей среде. На конец, что самое важное, изоляция должна выдерживать напряжение до 40 кВ.
Конструкция
На рис. 8.27 показана стандартная и резисторная свечи зажигания. Центральный электрод связан с главным выводом стержня. Электрод сделан из сплава на основе никеля. В некоторых случаях используются даже серебро и платина. Если в электроде использован медный сердечник, это улучшает отвод тепла.
Изоляционный материал- керамика очень высокой чистоты, обычно окись алюминии А1,0, (чистота 95%). Изолятор заключен в металлический корпус и по внешней поверхности покрыт матери алом со следующими свойствами: ♦ модуль Юнга: 340 кН/мг;
♦ коэффициент теплового расширения: 7,8 к 10
♦ тепловая проводимость: 5—15 Вт/м*К. (диапазон температур 200-900 3С).
♦ электрическое сопротивление: более 10” Ом/м.
Вышеупомянутый список дан только для справки, поскольку реальные значения при относительно небольших производственных изменениях мо гут широко меняться. Электропроводный стержень из стеклокерамики между центральным электродом и выводом используется в качестве резистора. Этот резистор имеет две функции: предотвратить выгорание центрального электрода, и снизить радиопомехи. В обоих случаях достигается желательный эффект, потому что резистор ограничивает ток искры в момент зажигания. Пробой, или разряд, по внешней стороне изолятора свечи предотвращается ребрами, которые эффективно увеличивают поверхностное расстояние от вывода свечи до металлической крепежной гайки, которая, конечно, электрически связана с корпусом двигателя, то есть землей.
Тепловой диапазон свечи
Вследствие многих особенностей, связанных с конструкцией двигателя, диапазон температур, в котором функционирует свеча зажигания, может значительно изменяться. При этом критической является рабочая температура центрального электрода свечи зажигания. Если температура становится слишком высокой, тогда может произойти преждевременное зажигание, поскольку воздушно-топливная смесь может воспламениться из-за чрезмерного нагревал электродов свечи. С другой стороны, если температура электрода слишком низкая, тогда свеча загрязняется сажей и остатками масла, поскольку отложения не сгорают до конца. Загрязнение искрового промежутка может вызвать его шунтирование и срыв искрообразования. Эксперименты и опыт эксплуатации показывают, что идеальная рабочая температура электрода свечи находится между 400 и 900 ”С. На рис. 8.28 показано, как температура электрода меняется в зависимости от выходной мощности двигателя. Тепловой рабочий диапазон свечи зажигания определяется ее способностью отводить тепло от нейтрального электрода. Двигатель, работающий при больших температурах, будет требовать свечей с большей допустимой тепловой нагрузкой, чем более холодный двигатель (имеется в пилу температура сгорания топлива, а не эффективность системы охлаждения). Следующие факторы определяют тепловую емкость свечи зажигания:
♦ длина носика изолятора;
♦ материал электрода;
♦ длина электрода;
♦ конструкция электрода.
Все эти факторы зависят друг от друга. Свое влияние оказывает даже положение свечи в двигателе. Обнаружилось, что удлиненная конструкция электрода помогает уменьшить проблему загрязнения при работе с неполной мощностью, старт- стопном режиме вождения, а также в высотных условиях. Чтобы использовать большую протяженность электрода, необходима и лучшая тепловая проводимость свечи для обеспечения соответствующей теплопередачи на режимах с большей выходной мощностью. На рис. 8.29 показаны теплоотводящие части свечи зажигания вместе с изменениями в конструкции для разных тепловых диапазонов. Там же показан номер теплового диапазона для свечей NGK.
Материалы электрода
Материал, выбранный для электрода свечи зажигания, должен иметь следующие свойства:
♦ высокую теплопроводность;
♦ высокое сопротивление коррозии;
♦ высокую стойкость к выгоранию.
Для обычных применений в качестве материалов электродов используются сплавы никеля. В состав сплавов входит также хром, марганец, кремний, и магний. Эти сплавы показывают превосходные свойства в отношении коррозии к сопротивляемости выгоранию. Чтобы изменить в лучшую сторону теплопроводность, используются составные электроды. Они позволяют увеличить конструктивную длину носика свечи при сохранении температурного диапазона. Распространенный пример свечи этого типа — свеча зажигания с медным сердечником. Поскольку серебро имеет очень хорошие тепловые и электрические свойства, в особых случаях используются серебряные электроды. Опять же, длину носика этих свечей можно увеличить в пределах того же самого температурного диапазона, В списке для сравнения дана теплопроводность некоторых материалов электрода:
серебро 407 Вт/(м*К);
медь 384 Вт/(м*К)
платина 70 Вт/(м*К);
никель 59 Вт/(м*К).
Составные электроды имеют среднюю теплопроводность приблизительно 200 Вт/{м*К). Для некоторых конструкций используются платиновые покрытия электродов до причине очень высокой стойкости этого материала к выгоранию. По этой причине можно использовать электроды намного меньшего диаметра, увеличивая таким образом доступ смеси к свече. Платина к тому же обладает каталитическим эффектом, еще более ускоряя процесс сгорании на рис. 8.30 показана свеча с разделенным надвое внешним электродом, что предохраняет ее от обрастания нагаром.
