Узел электро-искрового зажигания автомобиля

Системы зажигания с накоплением энергии  в емкости нашли широкое применение на газовых и высокооборотных  мотоциклетных двигателях, которые  не критичны к длительности искрового  разряда.

Рисунок 1.2 – Классификационная схема батарейных систем зажигания автомобильных двигателей

 

В соответствии с классификационной схемой (рисунок1.2) различают следующие системы зажигания, которые серийно выпускаются в настоящее время у нас в стране и за рубежом:

► контактная с механическим прерывателем и катушкой зажигания, или классическая;

► контактно-транзисторная;

► контактно-тиристорная  с накоплением энергии в емкости:

► бесконтактно-тиристорная  с накоплением энергии в емкости  и индукционным датчиком;

► бесконтактно-тиристорная  с накоплением энергии в емкости  с датчиком Холла;

► бесконтактно-транзисторная  с накоплением энергии в индуктивности  и индукционным датчиком;

► бесконтактно-транзисторная  с накоплением энергии в индуктивности  с датчиком Холла;

► бесконтактно-транзисторная  с накоплением энергии в емкости  с датчиком Холла;

► цифровая с механическим распределителем;

► цифровая со статическим распределителем;

► микропроцессорная  система управления автомобильным  двигателем (МСУАД).

 

 

1.4 Требование 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 достаточной 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 имеют место 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 U_2m;

- энергией Wp и длительностью индуктивной составляющей - искрового разряда τр;

- углом опережения зажигания φ;

- скоростью нарастания вторичного напряжения;

- зазором между электродами свечей δ;

- коэффициентом запаса по вторичному напряжению Кз;

Коэффициентом запаса по вторичному напряжению Кз называется отношение вторичного напряжения U:m, развиваемого системой зажигания, к пробивному напряжению Uпp между электродами свечей, установленных на двигателе: .

Пробивное напряжение. Свеча, ввернутая в камеру сгорания двигателя, является своеобразным разрядником. Напряжение, при котором происходит пробой искрового промежутка свечи, называется пробивным.

Величина  пробивного напряжения для однородных полей, согласно экспериментальному закону Пашена, прямо пропорциональна давлению смеси ри расстоянию между электродами и

обратно пропорциональна  температуре смеси Т: т. е.

Кроме того, на величину Uпp 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 прогревается и капли топлива не испаряются. Попадая в межэлектродное пространство свечи, такая смесь увеличивает пробивное напряжение на 15...20 %.

На рисунке1.3а приведены зависимости Unp от давления при различных температурах.

                         а)                                                                б)

Рисунок1.3–а) влияние давления и температуры на пробивное напряжение;б) зависимость пробивного напряжения от частоты вращения коленчатого вала при различных нагрузках: 1 - пробивное напряжение при полной нагрузке; 2 - то же при 1/2 нагрузки; 3 - то же при малой нагрузке; 4 - то же при пуске и холостом ходе.

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

Максимального значения пробивное напряжение достигает  при пуске и разгоне двигателя, минимального, при работе на установившемся режиме на максимуме мощности.

На рисунке 1.3б показаны зависимости пробивного напряжения Unp 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, искрообразо-вания.

Для современных  систем зажигания коэффициент запаса по вторичному напряжению принимают не менее 1,5, а в экранированных системах 1,8.

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

Момент зажигания (угол опережения зажигания). Существенное влияние на мощность, экономичность и токсичность двигателя оказывает момент зажигания (появление искрового разряда в свече). Для каждого режима работы двигателя имеется оптимальный момент зажигания, обеспечивающий наилучшие его показатели.

Угол  опережения, при котором двигатель  развивает максимальную мощность на данном скоростном и нагрузочном  режимах, называют оптимальным.

При раннем зажигании (угол опережения больше оптимального) максимальное давление в цилиндре создается  до прихода поршня в ВМТ. В результате поршень принимает сильные встречные  удары, что приводит к потере мощности с характерными металлическими стуками и форсированным износом деталей двигателя.

При позднем  зажигании после перехода поршня через ВМТ (угол опережения зажигания  меньше оптимального) смесь горит  в такте расширения и в процессе выпуска. Давление газов не достигает  своей максимальной величены, мощность и экономичность двигателя снижаются. Происходит повышение токсичности  выхлопных газов и температуры (двигатель перегревается из-за увеличения отдачи тепла в охлаждающую жидкость).

С повышением частоты вращения KB проходит больший угловой путь за время горения смеси, и угол опережения зажигания надо увеличить.

При непрерывно изменяющейся частоте вращения KB, угол опережения зажигания автоматически корректирует центробежный регулятор.

С уменьшением  нагрузки (прикрытием дроссельной заслонки), при постоянной частоте вращения наполнение цилиндров свежей смесью уменьшается, а процентное содержание остаточных газов в рабочей смеси увеличивается, она горит медленнее и требует увеличения угла опережения зажигания. Автоматическое изменение угла опережения зажигания при изменении нагрузки осуществляет вакуумный регулятор опережения зажигания. При переходе на топливо, имеющее меньшее октановое число, угол опережения уменьшают в ручную, с помощью октан -корректора.

На рисунке1.4 показано, изменение давления в цилиндре двигателя в зависимости от угла опережения зажигания. Оптимальное протекание процесса сгорания происходит в том случае, когда угол опережения зажигания наивыгоднейший (кривая 2). Максимум мощности двигатель развивает в том случае, 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.

 

Рисунок 1.4– Изменение давления в цилиндре двигателя в зависимости от момента зажигания: 1  - раннее зажигание; 2 - нормальное зажигание;

3 - позднее зажигание; а - момент зажигания; б - детонация; Pz - максимум давления в цилиндре.

 

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

На рисунках1.5 и 1.6 приведены зависимости наивыгоднейшего угла опережения зажигания от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя.

Рисунок1.5– Зависимость угла опережения зажигания от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

 

Рисунок1.6– Зависимость угла опережениязажигания от нагрузки при

различной частоте вращения.

 

Кроме обеспечения  наивыгоднейшего угла опережения, система  зажигания должна обеспечивать очередность подачи высокого напряжения на свечи соответствующих цилиндров двигателя в соответствии с порядком работы.

Одним из важных требований эксплуатации к системам зажигания является сохранение ее исходных характеристик без изменений  в течение всего срока службы двигателя при минимуме ухода.

 

 

 

1.5 Бесконтактные системы зажигания

 

В бесконтактных  СЗ контакты прерывателя заменены бесконтактным  датчиком, который вырабатывает электрические  импульсы в строго заданные моменты  времени. Эти импульсы поступают  в схему управления током (импульсный усилитель) первичной обмотки катушки  зажигания. Бесконтактные датчики  не имеют механического контакта и поэтому практически не подвержены износу.

 

Рисунок 1.7– Блок схема бесконтактной системы зажигания: 1 - бесконтактный датчик углового положения KB двигателя; 2 - формирующий каскад; 3 выходной каскад; 4 - коммутатор; 5 - катушка зажигания; 6 - свеча зажигания.

 

В наиболее простых бесконтактных системах зажигания (рисунок 1.7) устройство управления 4 преобразует сигналы с датчика 1, осуществляя усиление его мощности, и производит коммутацию выходного каскада, нагрузкой которого служит катушка зажигания 5, т. е. реализуются характеристики, присущие ранее рассмотренным системам зажигания. При этом используются те же механические автоматы опережения зажигания, что и в классической, и. контактно-транзисторной системах.

Электронное устройство 4, функционально и конструктивно  объединяющее формирователь 2 и выходной каскад 3, в отечественной литературе принято называть коммутатором.

По аналогии с углом замкнутого состояния  контактов в классических и контактно-транзисторных  системах зажигания угол включенного  состояния выходного транзистор α, в этих БСЗ постоянный и не зависит  от частоты вращения вала двигателя  и напряжения батареи. Следовательно, время накопления t_H, энергии в зависимости от частоты вращения коленчатого вала изменяется по жесткому закону: , т. е. время накопления энергии увеличивается с уменьшением частоты вращения n. В такой системе увеличение тока разрыва неизбежно приводит к увеличению мощности, рассеиваемой катушкой зажигания, добавочным сопротивлением и транзисторным коммутатором в диапазоне малых и средних частот вращения вала двигателя.

Отмеченный  недостаток не позволяет в рамках БСЗ с постоянным углом включенного  состояния выходного транзистора  вести дальнейшую интенсификацию выходных характеристик. Поэтому дальнейшим этапом в развитии БСЗ явилось  создание систем зажигания с нормируемым временем накопления энергии. В таких системах во всем диапазоне частот вращения вала двигателя и значений питающего напряжения определяется минимальное время, за которое ток разрыва Iр достигает величины, необходимой для индуцирования требуемого значения вторичного напряжения.