Принцип работы систем зажигания

Система зажигания

Л е к ц и я

Принцип работы систем зажигания

Для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания необходимо воспламенить топливо–воздушную смесь в его цилиндрах в строго определенный момент времени. Совокупность устройств, осуществляющих воспламенение топливо–воздушной смеси, называют системой зажигания.

В первые двадцать лет ХХ века двигатели автомобилей для целей зажигания обычно оснащались магнето. Магнето – это генератор высокого напряжения, который приводится от двигателя и не требует аккумулятора. В настоящее время такое зажигание сохранилось на мотоциклах и авиационных двигателях. В 1908 году К. Ф. Кеттерингом впервые была запатентована катушечная система зажигания, которая, будучи более прогрессивной, вытеснила с автомобилей систему зажигания с магнето.

Требования к системе зажигания

Система зажигания (СЗ) предназначена для надежного и своевременного воспламенения топливо–воздушной смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания импульсами высокого напряжения, распределяя их по свечам цилиндров в соответствии с фазой работы двигателя. Момент искрообразования, вызванный импульсами высокого напряжения, должен также зависеть от режима работы двигателя (частоты вращения и нагрузкой). В современных системах зажигания на момент искрообразования может влиять температура двигателя (холодный, горячий пуск), состав выхлопных газов (наличие окиси углерода) и другие факторы.

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 зажигания, должен обладать необходимой энергией и длительностью, обеспечивающей надежное воспламенение топливо–воздушной смеси на всех режимах работы двигателя.

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

От мощности искры и момента зажигания топливо–воздушной смеси в значительной степени зависит экономичность и устойчивость работы автомобильного двигателя, а также токсичность отработавших газов. На прогретом двигателе к моменту искрообразования топливо–воздушная смесь сжата и имеет температуру, близкую к температуре самовоспламенения. В этом случае достаточно незначительной энергии электрического разряда, порядка 1 – 5 мДж. Однако при пуске холодного двигателя, работе на обедненных смесях (коэффициент избытка воздуха l = 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 она должна иметь продолжительность 2 – 4 мс, чтобы обеспечить устойчивый разряд при зазоре в свече зажигания 0, 6 – 1, 1 мм.

Момент зажигания характеризуется углом поворота коленчатого вала двигателя, отсчитываемый от положения вала в момент подачи искры до положения, когда поршень проходит верхнюю мертвую точку. Он должен выбираться с таким расчетом, чтобы смесь, сгорая, развивала максимальное давление сразу после прохода поршнем верхней мертвой точки.

Топливо–воздушная 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 положениями коленчатого вала двигателя в момент искрообразования и в момент прохода поршнем верхней мертвой точки, называют углом опережения зажигания.

От мощности искры в момент зажигания топливо–воздушной смеси в значительной степени зависит экономичность и устойчивость работы двигателя, а также токсичность отработавших газов.

Таким образом, исходя из условий работы двигателя внутреннего сгорания, к системам зажигания предъявляют следующие 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 зажигания, должна обладать достаточной энергией и продолжительностью для воспламенения топливо–воздушной 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 внутреннего сгорания.

Основные элементы системы зажигания

Современные системы зажигания получают необходимую для воспламенения топливо–воздушной смеси энергию не непосредственно от аккумуляторной батареи или генератора, а от промежуточного накопителя энергии. Наибольшее распространение получили батарейные системы зажигания с накоплением энергии в индуктивности.

На рис.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, который определяет угловое положение коленчатого вала;

– регулятор момента зажигания РМЗ, который механическим или электрическим способом вычисляет и регулирует момент подачи искры в зависимости от частоты вращения коленчатого вала или нагрузки двигателя автомобиля;

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

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

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

– элементы помехоподавления ПП, функции которых выполняют экранированные провода и помехоподавляющие 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.

Рис. 1. Структурная схема батарейной системы зажигания

Классификация батарейных систем зажигания

В зависимости от промежуточного накопителя энергии различают системы с накоплением энергии в индуктивности и емкости (например, транзисторная и тиристорная).

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

Рис. 2. Классификационная схема батарейных систем зажигания

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

- по способу управления (синхронизации) системой зажигания;

- по способу регулирования угла опережения зажигания (УОЗ);

- по способу накопления энергии;

- по способу коммутации первичной цепи катушки зажигания;

- по способу распределения импульсов высокого напряжения;

- по типу защиты от радиопомех.

В соответствии с классификационной схемой (рис.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 система зажигания;

- контактно–транзисторная система зажигания;

- 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 система зажигания с магнето;

- 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).