Тема 3. Системы зажигания лекция 8. Классическая система зажигания

1. Назначение и принцип действия

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Первые системы зажигания работали от магнето. Но они достаточно быстро были вытеснены батарейными системами зажигания, которые в различных вариантах применяются и в настоящее время. Большое влияние на развитие систем зажигания оказывают требования к повышению экономичности ДВС, к снижению токсичности отработавших газов, к снижению габаритов и массы ДВС, к увеличению частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия.

Принцип действия батарейных систем зажигания основан на накоплении энергии в магнитном или электрическом поле с последующим быстрым выделением её в искровом промежутке в нужный момент такта сжатия в рабочем цилиндре. На автомобильных двигателях широкое применение нашли системы зажигания с накоплением электромагнитной энергии в магнитном поле катушки, использующие контактные или транзисторные прерыватели. Рассмотрим принцип работы такой системы.

Упрощенная схема системы зажигания двигателя с одним цилиндром приведена на рис. 8.1, а. Принцип ее работы легко применить к любому числу цилиндров. Схема включает аккумуляторную батарею Е, катушку зажигания с первичной и вторичной обмотками, прерыватель К₂, конденсатор первичной цепи С₁, добавочный резистор R, выключатель К₁ и свечу зажигания. Частота, с которой замыкаются контакты прерывателя К₂, определяется частотой вращения вала двигателя – n(об/мин). Выключатель К₁ замыкается во время пуска двигателя.

При замыкании контактов прерывателя К₂ через первичную обмотку катушки протекает ток, нарастая от нуля до некоторого значения. Его величину можно определить выражением:

где L₁ – индуктивность первичной обмотки, R_э – эквивалентное сопротивление цепи первичной обмотки (сумма сопротивлений первичной обмотки, добавочного резистора R и проводов).

Время t, в течение которого нарастает ток i, зависит от частоты вращения вала двигателя n, числа цилиндров z, конструкции прерывателя. Обозначим ток к концу интервала нарастания i_р. Величина электромагнитной энергии, запасаемой в магнитном поле катушки зажигания, определяется выражением

.

В момент зажигания контакты прерывателя К₂ размыкают цепь первичной обмотки. Теперь схема замещения системы зажигания принимает вид рис. 8.1, б. Схема представляет два контура, связанные магнитным потоком. Емкость С₂ – это распределенная емкость цепи вторичной обмотки, L₁, L₂ – индуктивности первичной и вторичной обмоток катушки зажигания, R₁, R₂ – эквивалентные сопротивления цепей, R_П, R_Ш – сопротивления, имитирующие утечки тока на свече и магнитные потери.

При размыкании контактов прерывателя ток цепи первичной обмотки не может уменьшиться до нуля мгновенно. Чтобы сократить время уменьшения тока, а вместе с ним и магнитного потока, в цепь первичной обмотки включен конденсатор С₁. Сопротивление разряженного конденсатора переменному току значительно (в m раз) меньше R₁. Следовательно, падение напряжения на конденсаторе и между контактами прерывателя уменьшается в m раз. Это способствует уменьшению искрения.

Электромагнитная энергия, запасенная в катушке, преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов и частично превращается в тепло. Уравнение энергетического баланса в контурах (без учета потерь) имеет вид

(8.1)

где U_1м, U_2м – максимальные значения первичного и вторичного напряжения соответственно.

Так как

,

то из (8.1) легко получить выражение для расчета максимального значения напряжения на свече зажигания:

(8.2)

Выражение (8.2) приближенное, так как не учитывает потери энергии в контурах. Оно показывает, что напряжение на свече зажигания тем больше, чем быстрее исчезает магнитный поток, созданный током первичной обмотки, чем больше ток в момент разрыва контактов и число витков вторичной обмотки . В реальных катушках зажигания оно достигает 15÷20 кВ. В первичной обмотке также индуцируется Э.Д.С. самоиндукции. Но, поскольку , E₁ достигает значений 200÷400 В, направлена в ту же сторону, что и первичный ток и стремится задержать его исчезновение

Переходный процесс, после размыкания контактов прерывателя, носит колебательный характер (рис. 8.2). Ток первичной обмотки совершает несколько периодов затухающих колебаний до тех пор, пока энергия, запасенная в магнитном поле катушки, не израсходуется на тепло в сопротивлении R₁ контура.

Нагрузкой цепи вторичной обмотки является свеча. Напряжение электрического пробоя U_пр в свече меньше максимального – U_2м. Поэтому, как только выполняется равенство U₂ = U_пр, в свече возникает искровой разряд и колебательный процесс обрывается.

После пробоя искрового промежутка вторичное напряжение U_2м резко уменьшается (рис. 8.2). Искра в искровом промежутке имеет две фазы. Первая фаза называется емкостной и возникает в результате разряда емкостей. Эта фаза кратковременна, а искра имеет яркое голубоватое свечение. Вторая фаза называется индуктивной. Она обусловлена выделением энергии магнитного поля катушки, отличается большей, в сравнении с первой фазой, продолжительностью, небольшой силой тока и красноватым свечением искры. В исправной системе искра должна иметь яркое ядро, окружённое пламенем красноватого цвета.

Процесс сгорания рабочей смеси разделяется на три фазы: начальную, когда формируется пламя, возникающее от искрового разряда в свече, основную, когда пламя распространяется на большей части камеры сгорания, и конечную, когда пламя догорает у стенок камеры. На начальную фазу сгорания влияет энергия и длительность искрового разряда в свече. В современных системах энергия разряда достигает 50 МДж, а его длительность – 1 ÷2,5 мс. Вторая и третья фазы сгорания также требуют определённого времени. Наиболее полное сгорание рабочей смеси достигается своевременной подачей сигнала на воспламенение, т. е. установкой оптимального угла опережения зажигания в зависимости от режима работы двигателя.

Угол опережения зажигания определяется по углу поворота коленчатого вала двигателя от момента возникновения искры до момента достижения поршнем верхней мёртвой точки.

Если угол опережения зажигания больше оптимального, то зажигание раннее. Давление в камере сгорания достигает максимума до достижения поршнем верхней мёртвой точки и оказывает противодействующее воздействие на поршень. Раннее зажигание может явиться причиной возникновения детонации. Если угол опережения зажигания меньше оптимального, зажигание позднее, в этом случае двигатель перегревается.

Принцип работы схемы рис. 8.1 легко применить к любому числу цилиндров. Распределение зажигания по цилиндрам может производиться как на высоковольтной, так и на низковольтной стороне. В настоящее время наиболее распространено высоковольтное распределение зажигания.

В зависимости от конструктивных и схемных особенностей системы зажигания разделяются на контактные (классические), контактно-транзисторные и бесконтактные электронные.