Узел электро-искрового зажигания автомобиля

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ 4

1 АНАЛИЗХАРАКТЕРИСТИКСХЕМЫ  ЭЛЕКТРОННОГОЗАЖИГАНИЯ 5

1.1 Системы зажигания современных автомобилей 5

1.2 Основные элементы системы зажигания 6

1.3 Классификация батарейных систем зажигания 7

1.4 Требование к системам зажигания. Основные параметры 11

1.5 Бесконтактные системы зажигания 16

1.6 Статическое распределение высокого напряжения по цилиндрам двигателя 19

2 СИНТЕЗ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГОЗАЖИГАНИЯ И  ОПИСАНИЕ ЕЕ РАБОТЫ 21

3 ОПИСАНИЕ  МЕТОДИКИ РАСЧЁТА, РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ  ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ, ОБОСНОВАНИЕ  ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТОВ 22

4 СИМУЛИРОВАНИЕ  РАБОТЫ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ  УСТРОЙСТВА НА КОМПЬЮТЕРЕ 24

5АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27

ПЕРЕЧЕНЬ  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 28

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

С каждым годом расширяется применение электронных  приборов и систем в автомобилях. Сейчас практически любая система  электрооборудования включает элементы электроники с комплектующими, как  отечественного, так и импортного производства. Это связано с решением таких задач, как обеспечение  безопасности движения, уменьшение загрязнения  воздуха отработавшими газами, улучшение  ходовых качеств автомобиля, его  надежность, улучшение условий работы водителя, снижение трудоемкости технического обслуживания.

Внедрение электронных устройств идет в  основном по двум направлениям: замена существующих механических устройств, функции которых электронные  устройства выполняют с большей  надежностью, качеством (электронные  системы зажигания, регуляторы напряжения, тахометры и др.); внедрение электронных  приборов, выполняющих функции, которые  не могут выполнять механические приборы (электронные противоблокировочные системы, различные автоматические устройства, задающие режим работы двигателя и движения автомобиля и др.). Применение указанных устройств  позволяет существенно повысить эксплуатационные качества автомобиля.     Электрооборудование современного автомобиля представляет собой сложную систему, включающую до 100 и более изделий. Его стоимость примерно равна 1/3 стоимости автомобиля.

Внедрение электронных устройств также  связано с решением проблемы создания специальной элементной базы, так  как условия работы изделий электрооборудования  автомобиля весьма специфичны. Это  широкий диапазон изменения температур (-50... +150°С), вибрации, подверженность агрессивному действию окружающей среды и др.

Усложнение электрооборудования  автомобилей имеет и отрицательную  сторону, связанную с увеличением  числа отказов, иногда из-за некачественной сборки, или из-за неграмотного обращения  с ним. По статистике более 30% неисправностей в автомобиле приходится на электрооборудование.  

1 АНАЛИЗХАРАКТЕРИСТИКСХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГОЗАЖИГАНИЯ

1.1 Системы зажигания  современных автомобилей

 

Система зажигания (СЗ) предназначена для  надежного и своевременного воспламенения  рабочей смеси в цилиндрах  двигателя импульсами высокого напряжения, распределяя их по свечам цилиндров  в соответствии с порядком, фазой  и режимом работы двигателя (частоты  вращения и нагрузкой).

Источником  высокого напряжения служит катушка  зажигания, потребляя ток низкого  напряжения аккумуляторной батареи, она преобразует его в ток высокого напряжения (12…30 кВ).

Искровой  разряд, образующийся между электродами  свечи, должен обладать необходимой  энергией, обеспечивающей надежное воспламенение  рабочей смеси на всех режимах  работы двигателя.

Напряжение, при котором происходит искровой разряд между электродами свечи, называют ПРОБИВНЫМ. Оно зависит от зазора между электродами свечи, давления смеси (степени сжатия) и температуры газов. Пробивное напряжение увеличивается с повышением степени сжатия и расстояния между электродами и снижается с повышением температуры рабочей смеси. Для степени сжатия ∑= 7 + 7,5[1] при пуске необходимо напряжение пробоя равное 16...18 кВ, а на установившемся рабочем режиме 12...14 кВ. Для ∑ = 8,5 + 10, соответственно 18...20 кВ и 13...15 кВ. Система зажигания должна развивать рабочее напряжение, превышающее пробивное не менее чем в 1,5 раза. В процессе эксплуатации напряжение пробоя увеличивается за счет округления кромок электродов свечи и увеличения зазора между ними.

Электрическая искра вызывает появление в ограниченном объеме рабочей смеси первых активных центров, от которых начинается развитие химической реакции окисления топлива. Воспламенение рабочей смеси  является началом бурной реакции  окисления топлива, сопровождающейся выделением тепла.

От мощности искры и момента зажигания  рабочей смеси в значительной степени зависит экономичность  и устойчивость работы двигателя, а  также токсичность отработавших газов. На прогретом двигателе к  моменту искрообразования рабочая  смесь сжата и имеет температуру, близкую к температуре самовоспламенения. В этом случае достаточно незначительной энергии электрического разряда, порядка 1...5 мДж[1]. Однако при пуске холодного двигателя, работе на обедненных смесях (а = 1,1...1,2) при частичном открытии дроссельной заслонки, работе на холостом ходу, работе при резких открытиях дроссельной заслонки, требуется значительная энергия искры, порядка 30...100 мДж и иметь продолжительность порядка 2 мс, чтобы пробить зазор в свече 0,6...1,1 мм. Для повышения мощности, экономичности и уменьшения токсичности двигателя, СЗ должна автоматически устанавливать оптимальный угол опережения зажигания (изменять установочный угол) в зависимости от различных скоростных и нагрузочных режимов работы и других параметров (состава и температуры смеси и двигателя, состава выпускных газов, а также на режимах пуска, разгона и торможения двигателем).

Момент  зажигания характеризуется углом  поворота коленчатого вала (КВ), отсчитываемый  от положения вала в момент подачи искры до положения, когда поршень  проходит в верхнюю мертвую точку (ВМТ).

Момент  зажигания рабочей смеси должен выбираться с таким расчетом, чтобы  смесь, сгорая, развивала максимальное давление сразу после прохода  поршнем ВМТ. Рабочая смесь сгорает  в течение определенного времени. Сразу после электрического разряда  происходит скрытый период горения, в течение которого давление в  цилиндре, обуславливаемое горением, еще не повышается. Затем следует  период видимого горения, при котором  фронт пламени распространяется со скоростью 20...40 м/с и резко повышается давление газов.

Угол  между положением КВ и ВМТ в  момент искрообразования, называют углом  опережения зажигания (УОЗ).

1.2 Основные элементы системы зажигания

 

Известные ныне системы зажигания получают необходимую энергию не непосредственно  от аккумуляторной батареи, а от промежуточного накопителя энергии. В зависимости  от накопителя различают системы с накоплением энергии в индуктивности и емкости.

На рисунке 1.1 представлена структурная схема батарейной системы зажигания и её основные

элементы:

- источник тока ИТ, функцию которого выполняет аккумуляторная батарея или генератор;

- выключатель цепи питания ВЗ, функцию которого выполняет замок зажигания;

- датчик-синхронизатор ДС, механическим способом связанный с коленчатым валом двигателя, определяет угловое положение коленчатого вала;

-  регулятор момента зажигания РМЗ, который механическим или электрическим способом вычисляет момент подачи искры в зависимости от частоты вращения или нагрузки двигателя;

-  источник высокого напряжения ИВН, содержащий накопитель энергии Н преобразователь низкого напряжения в высокое П, функцию которых выполняет катушка зажигания;

-датчик-управления ДУ, представляет собой электромеханический ключ (контакты прерывателя) или электронный ключ (мощный транзистор или тиристор), управляется РМЗ, служит для подключения и отключения ИТ к накопителю ИВН, т. е. управляет процессами накопления и преобразования энергии;

- распределитель импульсов высокого напряжения Р механическим либо электрическим способом распределяет высокое напряжение по соответствующим цилиндрам двигателя;

- элементы помехоподавления ПП, функции которых выполняют экранированные провода и помехо-подавительные резисторы, размещенные либо в распределителе Р, либо в свечных наконечниках, либо в высоковольтных проводах в виде распределенного сопротивления;

-  свечи зажигания СВ, которые служат для образования искрового разряда и зажигания рабочей смеси в камере сгорания двигателя.

Рисунок 1.1 – Структурная схема батарейной системы зажигания

1.3 Классификация батарейных систем зажигания

 

Классификационная схема батарейных систем зажигания, использующих катушку (или несколько  катушек) зажигания в качестве источника  импульсов высокого напряжения, представлена на рисунке1.2.

Системы зажигания в представленной классификационной  схеме подразделены по шести основным признакам:

► по способу  управления (синхронизации) системой зажигания;

► по способу  регулирования угла опережения зажигания;

► по способу  накопления энергии;

►по типу датчика управления (по способу размыкания первичной цепи катушки зажигания);

►  по способу распределения импульсов  высокого напряжения по цилиндрам двигателя;

►  по типу защиты от радиопомех.

По способу  управления системы зажигания делят  на системы с контактным управлением  и системы с бесконтактным  управлением (или бесконтактные системы). 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 конструктивными схемными 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. Среди способов реализации этих систем можно выделить два: аналоговый и цифровой. В настоящее время цифровые системы зажигания, благодаря развитию технологии производства цифровых интегральных схем средней и большой степени 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 выполняют  многовыводные (2-х, 4-х, 6-х - выводные) кагушки  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 экранируют. Такие системы зажигания называются экранированными.

Все системы  зажигания разделяются также  на две группы, отличающиеся способами  накопления энергии (в индуктивности или емкости) и способами размыкания 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 величина вторичного напряжения может быть практически постоянной 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 частных 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, такие, как использование высоковольтных транзисторов Дарлингтона, 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.