книги из ГПНТБ / Можаев В.Н. Электрооборудование колесных и гусеничных машин учебное пособие

Р А З Д Е Л III

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАЖИГАНИЯ

Г Л А В А VIII

П РИ Н Ц И П Ы Э Л Е К Т Р И Ч Е С К О Г О З А Ж И ГА Н И Я ТО П Л И ВО -ВО ЗД УШ Н О Й С М ЕС И В Д В И Г А Т Е Л Я Х В Н У Т Р Е Н Н Е Г О С ГО РА Н И Я

Назначение систем зажигания, их типы и основные характеристики

Вкарбюраторных двигателях смесь топлива с воздухом вос­ пламеняется электрическим разрядом, возникающим между элек­ тродами свечи зажигания под действием импульсов высокого напряжения.

Всистемах зажигания, облегчающих пуск дизелей при низ­ ких температурах, а также в подогревных устройствах приме­ няют не только высокое, но и низкое напряжение. Системы зажигания подразделяют по назначению на рабочие, которые необходимы для работы двигателя, и пусковые.

Для воспламенения смеси топлива с воздухом используют электрический разряд, создаваемый низкочастотными (1 —1,5 кгц)

или высокочастотными (0,5—3 мгц) импульсами напряжения. В различных системах зажигания применяют источники электри­ ческой энергии постоянного или переменного тока. Чтобы смесь топлива с воздухом воспламенилась, необходимо на основании тепловой теории минимальный объем этой смеси (десятые доли кубического миллиметра) нагреть настолько, чтобы его температура превысила температуру вспышки.

По теории цепных реакций, разработанной академиком Н. Н. Семеновым, для воспламенения смеси бензина с возду­ хом необходимо подвести энергию, превышающую энергию ак­ тивации. Эта энергия примерно в 10—20 раз больше энергии теплового движения молекул.

Система электрического зажигания должна подводить энер­ гию к свече в таком количестве, чтобы обеспечить зажигание при всех режимах работы двигателя и его пуска.

Количество энергии, необходимое для зажигания рабочей

ленные газовым промежутком, равным 0,5—1 мм. К электро­ дам подводятся импульсы высокого напряжения, достигающие пробивного напряжения газового промежутка, в результате чегомежду электродами свечи появляется электрический разряд.

Рассмотрим вольтамперную характеристику разряда при про­ бое газового промежутка разрядника, к которому подводите»

шегося значения, так называемого тока насыщения (точка а). Величина тока насыщения очень мала и не превышает миллиард­ ных долей ампера.

Если напряжение еще увеличивать, то вследствие увели­ чения скорости ионы приобретают запас кинетической энергии,, достаточной для разрушения нейтральных молекул, (точка б)с

162

При достижении U„ (начальное напряжение) возникает удар­ ная ионизация, в результате которой в газовом промежутке образуются новые ионы и электроны. Количество образовав­ шихся ионов и электронов лавинообразно увеличивается, про­ исходит пробой газового промежутка (точка в) и между электро­ дами возникает искра. Напряжение Unp называют „пробивным напряжением11.

При остроконечных электродах электрическое поле очень неравномерное, и при достижении начального напряжения на электродах появляется све­ чение, т. е. наблюдается разряд, называемый „коро­ ной “.

Коронный разряд чаще всего заканчивается искро­ вым разрядом, так как при короне достаточно неболь­ шого повышения напряже­ ния, чтобы появилась ла­ винообразное увеличение количества электронов и ионов.

Искровой разряд сопро­ вождается звуком, который возникает в результате быстрого повышения тем­ пературы газа до 6000 — 10000 °С и его расширения.

При пробое газового промежутка его сопротив­

ление понижается и напряжение на электродах падает. При этом искровой разряд переходит в тлеющий разряд (участок в—г). Если источник электрической энергии имеет достаточную мощ­

вследствие большого сопротивления и малой мощности дуго­ вого разряда не наблюдается. Длительность искрового разряда не превышает нескольких миллисекунд.

Если к электродам прикладывается импульс напряжения, равный по величине пробивному при длительном воздействии, то искровой разряд происходит не одновременно с приложени­ ем напряжения, а с запаздыванием. Это объясняется тем, что от начала ударной ионизации до появления искрового разряда проходит некоторое время, за которое лавинообразный процесс заканчивается пробоем.

На рис. 95 представлены три импульса напряжения с различ­ ной амплитудой, но одинаковой длительностью. Над осью абцисс пунктиром отмечено пробивное напряжение U0 разрядника при

постепенном повышении напряжения, так называемое „статичес­

кое напряжение".

Из графика видно, что время запаздывания пробоя зависит от крутизны характеристики напряжения. Например, при им­

чина напряжения, при котором появляется разряд, больше при импульсе A (Ua ^> Us), т. е. при воздействии на разрядник им­ пульсным напряжением необходимо для получения разряда при­ кладывать большее напряжение. Указанное явление характери­ зуют коэффициентом импульса

как сжатая рабочая смесь содержит ионизированные молекулы газа от предыдущих разрядов.

Импульсы напряжения, создаваемые различными аппаратами зажигания, различны по длительности и амплитуде. Они пред­ ставляют затухающие синусоиды с наложенными на них высо­ кочастотными колебаниями. Время нарастания напряжения от нуля до максимума в системах батарейного зажигания и маг­ нето 100—250 мксек. Амплитудные значения напряжения 20—

30кв.

Электрические разряды в искровой свече зажигания, назы­

ваемые искрой, разделяются на два типа: емкостные и индук­ тивные искры. В первый момент пробоя газового промежутка происходит разряд статического электричества, за счет энергии электростатического поля. Эта часть разряда очень яркая, име­ ет высокую температуру и очень кратковременна. Она занимает доли микросекунды. Время развития разряда не превышает

и вновь появляющихся. Плотность тока в канале достигает 100—1000 ajMM1, температура канала — 6000 °С. Вокруг канала образуется факел, состоящий из паров металла электродов, а вокруг факела возникает пламя разряда, представляющее раскаленный газ.

В связи с тем, что в цепи источника электрической энергии,

дуктивный разряд, имеющий апериодический характер. Индуктивные искры не имеют такого яркого свечения, как

емкостные, так как ток в индуктивной части разряда значитель­

164

но меньше. Однако длительность индуктивного разряда в от­ личие от емкостного больше и измеряется десятками миллисе­ кунд.

Величина пробивного напряжения согласно эксперименталь­ ному закону Пашена зависит от плотности газа Р (мм. рт. ст.), расстояния газового промежутка между электродами разрядни­ ка и абсолютной температуры Т :

(60)

Для ориентировочных подсчетов можно пользоваться упро­

На работающем двигателе величина пробивного напряжения искровой свечи зависит от следующих факторов:

—степени сжатия;

—величины открытия дроссельной заслонки;

—полярности электродов;

—состава смеси;

—угла опережения зажигания.

При повышении температуры электродов свечи пробивное

электродами, аппарат зажигания должен давать импульсы напря­ жения в пусковой период 18—20 кв при степени сжатия 8,5—10,

а при 5 ^ 7 —7,5— 1,6—18 кв.

При работе двигателя величина напряжения достаточна: 13— 15 кв при еяк 8,5—10 и соответственно 12—14 кв при s ^ ;7 —7,5.

Воспламенение рабочей смеси в поршневых двигателях легкого топлива

Мощностные и экономические показатели двигателя в зна­ чительной мере зависят от момента зажигания рабочей смеси. На рис. 96 представлены индикаторные диаграммы четырехтакт­ ного двигателя при различном моменте появления электричес­

165

•случае горение смеси происходит при повышенном объеме, в связи с чем среднее эффективное давление газов уменьша­

скими стуками, вызываемыми детонацией топлива. Это особенно обнаруживается при увеличении нагрузки на двигатель. Он пере­ гревается и не развивает полной мощности. Удельный расход несколько выше нормы, износ шатуннокривошипной группы сильно увеличивается. Без нагрузки двигатель быстро набирает скорость, при малом числе оборотов работает неустойчиво.

При своевременном моменте зажигания (диаграмма 3, рис. 96) максимум давления достигается при повороте кривошипа на

двигатель не перегревается. Необходимость опережения зажи­

та применяемого топлива, т. е. октанового числа его, от числа обо­ ротов двигателя, его теплового состояния, а также состава смеси.

166

Вцелях своевременного воспламенения рабочей смеси при увеличении нагрузки на двигатель угол опережения зажигания необходимо уменьшать. Зависимость величины наивыгоднейше­ го угла опережения зажигания от степени сжатия в представ­ лена на рис. 97.

Вслучае применения наддува давление при сжатии увели­ чится, что вызывает необходимость в уменьшении угла опере­ жения зажигания. Топливо с большим октановым числом до­ пускает больший угол опережения зажигания, чем топливо с малым октановым числом.

Всвязи с тем, что смесь с различным коэффициентом из­ бытка воздуха горит с различной скоростью, величина угла опережения зажигания соответственно изменяется. На рис. 98 представлена зависимость 6 от коэффициента избытка воздуха а.

необходимо увеличить, чтобы обеспечить своевременное ее сгорание.

При увеличении числа оборотов двигателя угол опережения зажигания необходимо увеличивать (рис. 99), так как время на сгорание смеси уменьшается. Кроме того, с увеличением числа оборотов увеличивается количество остаточных газов в цилинд­ рах двигателя, в результате чего уменьшается скорость горения ■смеси.

С увеличением угла опережения зажигания сгорание смеси заканчивается в меньшем объеме, горение протекает при боль­ ших давлениях и температурах. В результате ускоряется акти­ вация смеси, что способствует возникновению детонации. Однако при очень большом опережении зажигания сгорание заканчи­ вается до верхней мертвой точки, т. е. при пониженных дав­

167