8.3.1. СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ. Система зажигания двс
8.3.1. СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ. История электротехники
8.3.1. СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ
Низковольтная магнитоэлектрическая машина, названная впоследствии «магнето низкого напряжения», была впервые применена для зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в 1875 г. От магнето осуществлялось зажигание на отрыв — внутри цилиндра ДВС помещались два электрода, которые механическим путем раздвигались. В дальнейшем система была дополнена индукционной катушкой зажигания (бобиной), получавшей питание от магнето низкого напряжения, и зажигание стало осуществляться электрической искрой высокого напряжения. В первоначальных конструкциях магнето обмотка якоря совершала качательное движение в поле постоянного магнита, затем движение стало вращательным.
Распределение энергии зажигания по цилиндрам первоначально осуществлялось на стороне низкого напряжения. В частности, на первых моделях автомобиля «Форд» устанавливалось по числу цилиндров четыре катушки зажигания, четыре электромагнитных прерывателя и магнето низкого напряжения.
Однако после 1910 г. система с магнето низкого напряжения была вытеснена системой с магнето высокого напряжения. В то же время был осуществлен переход на распределение высокою напряжения по свечам.
Магнето высокого напряжения было изобретено в 1900 г. М. Будевиллем и усовершенствовано в 1901 г. Г. Хонольдом в фирме «Бош» (Германия).
Выпуск отечественных автомобильных магнето был освоен с использованием конструкции магнето фирмы «Сцентилла» (Чехословакия).
В своем окончательно сформированном виде магнето отечественных автомобилей представляло собой однофазную электрическую машину переменного тока с двух- или многополюсным ротором, несущим на себе постоянные магниты с полюсными наконечниками и вращающимся между выступами магнитопровода трансформатора высокого напряжения, ток в первичной обмотке которого коммутировался прерывательным механизмом. При разрыве тока во вторичной обмотке наводилось высокое напряжение (10–17 кВ), подводящееся через распределительный механизм к свечам. Регулировка момента искрообразования (опережения зажигания) производилась либо вручную, либо центробежным автоматом.
Недостатком магнето является малое вторичное напряжение при низких частотах вращения и, в частности, при пуске. Поэтому батарейная система зажигания в 20–30-х годах нашего века стала вытеснять магнето сначала в США, потом в Европе.
На легковых автомобилях «Форд-А» и грузовых «Форд-АА», выпуск которых был начат в 1927–1928 гг., уже было установлено батарейное зажигание.
Зажигание от магнето применялось на первых отечественных грузовых автомобилях завода АМО (ЗИЛ) «АМО-Ф-15», выпуск которых начался в 1924 г.
Магнето дожило до наших дней в виде магдино — совокупности электрического генератора и магнето, которое устанавливается на мопеды, мотоциклы легкого класса и применяется в комплекте с вынесенным трансформатором высокого напряжения и полупроводниковым коммутатором.
В батарейном зажигании электрический ток, получаемый от аккумуляторной батареи, превращается в высокое напряжение индукционной катушкой (катушкой зажигания — бобиной). Основными элементами этой системы являются выключатель зажигания, прерыватель-распределитель и катушка зажигания. Число витков вторичной обмотки катушки зажигания в 50–250 раз больше, чем первичной. Поэтому при размыкании тока в первичной обмотке прерывателем исчезающий магнитный поток наводит во вторичной обмотке высокое напряжение, поступающее через бегущий контакт распределителя на свечи.
Первоначально регулировка момента зажигания осуществлялась вручную («Форд-А», «Форд-АА», Г A3-А, ГАЗ-АА и др.), затем появился центробежный регулятор опережения зажигания, изменяющий момент зажигания по скорости (Ml, ЗИС-5, ЗИС-101), а затем и вакуумный регулятор, осуществляющий регулировку по нагрузке (М20 «Победа», ГАЗ-51, ЗИС-150). В окончательном виде прерыватель-распределитель современных автомобилей содержит оба этих регулятора.
Катушка зажигания классической батарейной системы зажигания имеет разомкнутый магнитопровод, т.е. обмотки располагаются на стержневом сердечнике, набранном из листов электротехнической стали.
С изобретением в 1948 г. транзистора, появилась возможность устранить существенный недостаток контактной батарейной системы зажигания — повышенный износ контактов прерывателя. Первоначально возникли контактно-транзисторные системы («Дженерал моторс» — 1962 г., отечественные — 1966 г.), где ток в катушке зажигания коммутировался транзистором, базовая цепь которого управлялась контактами прерывателя. Применение контактно-транзисторной системы позволило увеличить запас энергии в катушке, что благотворно сказалось на зажигании.
С появлением контактно-транзисторного зажигания на автомобилях возникло новое изделие — электронный коммутатор, включающий в себя силовой коммутирующий транзистор, схему его управления и защиты.
Благодаря простоте и дешевизне контактно-транзисторная система более четверти века обеспечивала нормальное зажигание восьмицилиндровых бензиновых двигателей грузовых автомобилей ЗИЛ и ГАЗ.
Однако развитие электроники позволило перейти на бесконтактные электронные системы зажигания (США — 1964 г., СССР — 1973 г.).
В таких системах механический контактный прерыватель заменен датчиком, управляющим электронным коммутатором, — магнитоэлектрическим («Искра») или датчиком Холль («Бош», зажигание ВАЗ-2108).
Применение электронной системы зажигания с регулируемым временем накопления энергии, впервые установленной на автомобилях ВАЗ-2108, позволило избежать снижения вторичного напряжения с ростом частоты вращения ДВС.
Развитие электронной промышленности привело к появлению после 1967 г. на автомобилях интегральных микросхем. В 1973 г. фирма «Дженерал электрик» использовала в системе зажигания интегральную схему на монокристалле кремния.
Электронные системы позволили увеличить энергию воспламенения на свечах, но их развитие обеспечило и решение глобальных задач, связанных с экономией топлива и снижением токсичности отработанных газов. При этом был осуществлен переход на электронное управление углом опережения зажигания.
Аналоговая система управления углом опережения зажигания была установлена на автомобиле «Крайслер» в 1975 г. Однако аналоговые системы не нашли широкого распространения. В 1976 г. фирма «Дженерал моторc» применила цифровую систему управления углом опережения зажигания МИСАР. Центральным узлом системы являлся микропроцессор. Микропроцессор по заданной программе управлял блоком высокого напряжения, содержащим электронный коммутатор, катушку зажигания и переключатель, выполняющий функции распределителя. На отечественных автомобилях микропроцессорные системы появились в конце 80-х годов.
Электронные коммутаторы позволили повысить ток в первичной обмотке катушки зажигания и перейти на конструкцию с замкнутым магнитопроводом.
В рассмотренных выше системах накопления энергии, используемой затем для воспламенения смеси, осуществлялось в магнитном поле катушки зажигания. Однако в основном для двухтактных двигателей мопедов, мотоциклов легкого класса и т.п. нашли применение системы зажигания с накоплением энергии в конденсаторе. Конденсаторная система дополнительно содержит преобразователь напряжения бортовой сети в высокое для заряда конденсатора либо конденсатор заряжается от специальной обмотки генератора с повышенным напряжением. Коммутация в цепи конденсатор — первичная обмотка катушки зажигания осуществляется тиристором.
Первоначально искровые свечи зажигания имели разборную и неразборную конструкции, причем в отечественном производстве предпочтение было отдано разборной свече, у которой изолятор вместе с центральным электродом прижимался ниппелем, ввернутым в верхнюю часть корпуса свечи. Это позволяло заменять изолятор или очищать центральный электрод без извлечения корпуса свечи из головки блока цилиндров. Изолятор изготавливался из керамики или слюды, но слюда применялась только для гоночных двигателей.
До 1930 г. основным типом американских свечей были свечи с дюймовой резьбой в Европе — с метрической. В дальнейшем дюймовые свечи были вытеснены метрическими.
В настоящее время конструкция свечи стабилизировалась и применяется только в неразборном варианте. Свеча состоит из металлического корпуса, одного или нескольких боковых электродов, изолятора с центральным электродом и контактной головкой. Первоначально изоляторы автомобильных свечей изготавливались в основном из стеатита, сейчас из уралита, боркорунда, хилумина, синоксаля и т.п.
В настоящее время все большее распространение находят свечи с расширенным температурным диапазоном. Теплоотдача таких свечей увеличена за счет выполнения центрального электрода комбинированным.
Определенную специфику имеют провода, соединяющие распределительный механизм со свечами: подведение к свечам высокого напряжения (20–30 кВ) при малых значениях тока и излучении радиопомех. Обычно помехоподавление осуществляется резисторами, устанавливаемыми в свечах, распределителе или отдельно, а также экранированием всей системы. Однако помехоподавляющие свойства могут обеспечиваться и конструкцией самого провода. Провода такого типа бывают с распределенным активным сопротивлением (резистивный провод) и с распределенным активно-индуктивно-емкостным сопротивлением (реактивный провод).
Развитие электроники на современном этапе ведет к объединению систем управления зажиганием и топливоподачей двигателя, а также коробкой перемены передач и сцеплением.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
tech.wikireading.ru
Система зажигания бензиновых двигателей
Система зажигания бензиновых двигателей
Общая информация
Схема системы зажигания с бесконтактным датчиком-распределителем
 |
|
|
1 - Свечи зажигания 2 - Распределитель зажигания 3 - Коммутатор |
4 - Катушка зажигания 5 - Выключатель зажигания 6 - Батарея |
 |
Системы Bosch Mono-Motronic, Simos 2P и Magneti-Marelli 1AV являются подсистемами единой системы управления двигателем, контролирующей подачу питания и порядок воспламенения топлива. Настоящая Часть Главы посвящена лишь компонентам, имеющим отношение к зажиганию. |
Система зажигания предназначена для преобразования тока низкого напряжения, поступающего от аккумуляторной батареи или генератора, в ток высокого напряжения, а также для подачи этого ВВ напряжения в соответствующие моменты на свечи зажигания, поджигающие воздушно-топливная смесь в цилиндрах двигателя.
На карбюраторных моделях рассматриваемых автомобилей используется система зажигания с бесконтактным датчиком-распределителем и коммутатором. Схема такой системы зажигания представлена на иллюстрации.
В НВ контуре системы зажигания ток протекает через контакты выключателя зажигания к клемме "15" катушки зажигания, а затем - с клеммы "1" катушки к коммутатору.
В ВВ контуре индуцированный во вторичной обмотке катушки зажигания (создается в моменты прерывания тока в первичной обмотке катушки) ток поступает на центральную клемму крышки распределителя и, далее - через бегунок и ВВ провода - на свечи зажигания.
Bosch Mono-Motronic и Magneti-Marelli 1AV
В состав обеих систем входят четыре свечи зажигания, пять ВВ проводов, распределитель зажигания, электронная катушка зажигания, электронный блок управления (ECU), а также комплект информационных датчиков, исполнительных устройств и соединительная электропроводка. Схемы размещения компонентов систем несколько различны, однако по принципу функционирования системы практически идентичны.
ECU выдает опорное напряжение на входную ступень катушки зажигания, возбуждая первичную обмотку катушки. Периодически опорное напряжение прерывается ECU, что ведет к сворачиванию магнитного поля первичной обмотки и вырабатыванию ВВ напряжения во вторичной. Далее, созданное в катушке высокое напряжение через распределитель по ВВ проводам подается на свечи зажигания, генерирующие мощную искру на такте зажигания поршня каждого из цилиндров. Искра образуется между электродами свечи в момент подачи на нее ВВ напряжения и обеспечивает гарантированный поджиг впрыскиваемой в цилиндр воздушно-топливной смеси. Угол опережения зажигания и длительность замкнутого состояния контактов прерывателя определяется и контролируется ECU, исходя из поступающей от датчиков системы управления двигателем информации об оборотах двигателя, положении коленчатого вала и глубине разрежения во впускном трубопроводе. К числу прочих параметров, оказывающих влияние на выбор угла опережения зажигания, относятся положение и скорость открывания дроссельной заслонки, температура всасываемого воздуха и охлаждающей жидкости, а в системе Magneti-Marelli, - также детонация воздушно-топливной смеси (информация поступает на ECU от соответствующих датчиков).
Контроль детонации воздушно-топливной смеси предусмотрен на моделях 1.6 л, оборудованных системой впрыска Magneti-Marelli 1AV. Датчик детонации установлен на блоке цилиндров и по возрастанию вибраций выявляет момент, когда зажигание становится слишком ранним. Своевременно получив информацию от датчика, ECU производит замедление зажигания, предотвращая появления связанных с детонацией звуковых эффектов. Далее ECU в несколько этапов возвращает угол опережения зажигания к нормальному значению. В случае повторного возникновения детонации цикл повторяется.
Управление оборотами холостого хода осуществляется отчасти посредством электронного модуля положения дроссельной заслонки, установленного стенке корпуса дросселя, а отчасти - системой зажигания путем своевременной корректировки угла опережения зажигания. Ввиду сказанного, необходимость в ручной регулировке оборотов отпадает, а возможность ее выполнения конструкцией системы не предусмотрена.
В некоторых системах ECU способен организовать многоразовое зажигание при запуске холодного двигателя. В момент проворачивания двигателя стартером свечи зажигания вырабатывают искру на каждом такте многократно, что существенно повышает эффективность воспламенение смеси и облегчает запуск двигателя.
Следует отметить, что описываемая в настоящей Главе диагностика неисправностей системы возможна лишь с применением специального электронного оборудования. Если выявить причину отказа в ходе выполнения перечисленных в Разделе Диагностика неисправностей системы зажигания и проверка состояния ее компонентов настоящей Главы проверок не удается, автомобиль следует отогнать на станцию техобслуживания. Описания процедур снятия и установки вышедших из строя компонентов приведены в соответствующих Разделах Главы.
Simos 2P
В системе Simos 2P используется статическое зажигание (без распределителя). В состав системы зажигания входят две заключенные в кожухи и объединенные в единый модуль катушки зажигания. Модель устанавливается непосредственно над свечами зажигания, а потому никаких ВВ проводов не предусмотрено.
Каждая из катушек модуля обслуживает по два цилиндра (одна - 1-й и 4-й, вторая - 2-й и 3-й).
По выдаваемым ECU командам катушки генерируют в цилиндрах по две искры зажигания - одну на такте сжатия и одну на выпускном такте. Напряжение пробоя свечи на такте сжатия в результате повышения давления оказывается весьма значительным. На такте выпуска, когда компрессия незначительна, генерируется очень слабая искра, не оказывающая никакого воздействия на выпускаемые из цилиндра отработавшие газы и называемая холостой. Такая схема зажигания позволяет избежать необходимости установки отдельной катушки на каждую из свечей.
ECU управляет функционированием системы на базе получаемых от различных информационных датчиков сигналов. На основе поступающей информации о температуре двигателя, текущей нагрузке и оборотах ECU определяет параметры для корректировки момента зажигания и времени заряда катушек. на холостом ходу ECU, корректируя соответствующим образом угол опережения зажигания, изменяет крутящий момент двигателя с целью поддержания стабильности оборотов. Система функционирует в тесном контакте с потенциометром положения дроссельной заслонки.
В состав системы зажигания входит также датчик детонации. Установленный в задней части блока цилиндров, датчик реагирует на изменение частоты вибраций двигателя и определяет момент начала возникновения детонации смеси в цилиндрах. На основании получаемой от датчика информации, ECU своевременно производит пошаговую корректировку угла опережения зажигания, предотвращая дальнейшее развитие детонации.
carmanz.com
| В карбюраторных и большинстве газовых двигателей зажигание горючей смеси происходит посредством электрической искры, получаемой от источника электрического тока высокого напряжения. Исключение составляют газодизели, у которых в конце хода сжатия при помощи топливного насоса в цилиндр впрыскивается небольшая доза запального топлива, которая самовоспламеняется и поджигает горючую смесь, находящуюся в цилиндре. При электрическом зажигании, в зависимости от устройств, служащих источником тока высокого напряжения, различают две основные системы зажигания: батарейное и от магнето. Вне зависимости от системы зажигания запал производится с помощью запальных свеч, изображенных на фиг. 129.
Запальная свеча состоит из стального корпуса 7, в котором помещается фарфоровый или слюдяной изолятор 5 с заделанным в нем центральным электродом 1. Верхний конец центрального электрода имеет резьбу, и гайку 6 для присоединения токоподводящего провода. Изолятор устанавливается в корпусе свечи на уплотненных прокладках 3. В корпусе свечи закреплен боковой электрод 2. Между центральным и боковым электродами должен быть искровой промежуток от 0,4 до 0,8 мм. Свеча ввертывается в крышку цилиндра с тем, чтобы нижняя ее часть с электродами входила в полость пространства сжатия. Для герметичности под свечу ставится медноасбестовая прокладка 8. При включении электрического тока, подводимого к центральному электроду свечи, между центральным и боковым электродом возникает искровой разряд. Электрическая искра воспламеняет сжатую горючую смесь. При системе зажигания от магнето последнее служит источником электрического тока. Магнето представляет собой магнитоэлектрическую машину. Различают два основных типа магнето: с вращающимся магнитом и с вращающимися обмотками. В СССР промышленность выпускает магнето первого типа; простейшая схема его представлена на фиг. 130.
Между двумя стойками 1, изготовленными из мягкого железа, с расположенным на них железным сердечником 2 вращается постоянный магнит 3. При положении магнита, указанном на фиг. 130, а, магнитный поток от северного полюса направляется по железным стойкам и сердечнику к южному полюсу, образуя в сердечнике 2 магнитный поток, устремляемый слева направо. Когда магнит повернется на 90° (фиг. 130, б), магнитный поток минует сердечник. При дальнейшем повороте магнита на 90° (фиг. 130, в) магнитный поток опять проходит по сердечнику 2, но теперь уже справа налево. При дальнейшем вращении магнита рассмотренные явления повторяются. Таким образом, за один оборот магнита 3 в сердечнике 2 магнитный поток дважды меняет свое направление и дважды достигает своей наибольшей величины. На сердечнике имеются две обмотки — толстая 4 с относительно небольшим числом витков, называемая первичной обмоткой, и тонкая 5 с большим числом витков — вторичная обмотка. Один конец первичной обмотки присоединен к сердечнику (массе), а другой — ко вторичной обмотке. При прохождении магнитного потока по сердечнику 2 появляющиеся и исчезающие магнитные силовые линии пересекают витки первичной обмотки 4, вызывая появление в нем электрического тока низкого напряжения. Направление и сила тока зависят от направления и силы магнитного потока. Возбуждаемые током первичной обмотки, вокруг нее возникает пульсирующее магнитное поле, которое, пересекая витки вторичной обмотки, возбуждает в них переменный ток высокого напряжения. В многоцилиндровом двигателе число запальных свечей равно числу цилиндров, поэтому ток высокого напряжения сначала подводится к распределителю, который включает свечи в цепь высокого напряжения поочередно. Батарейная система зажигания отличается от зажигания с магнето тем, что источником тока низкого напряжения служит аккумуляторная батарея. Этот ток подводится к катушке, являющейся трансформатором и состоящей из сердечника, первичной и вторичной обмоток. При помощи механического прерывателя ток в цепи первичной обмотки периодически прерывается, вследствие чего магнитное поле первичной обмотки, пульсируя, индуктирует во вторичной обмотке ток высокого напряжения, вызывающий искровой разряд в запальной свече. |
vdvizhke.ru
Система зажигания двс
Изобретение относится к области автомобилестроения, а именно к системам искрового зажигания двигателей внутреннего сгорания. Технический результат заключается в увеличении мощности искры и надежности искрообразования системы зажигания, что дает возможность повысить надежность работы двигателя в условиях низких температур и/или высокой влажности, а также при не очень высоком качестве топливно-воздушной смеси. Согласно изобретению система зажигания ДВС содержит катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмоток и магнитопровода, и разрядный промежуток, включенный в цепь вторичной обмотки катушки зажигания. При этом катушка зажигания изготовлена таким образом, что волновое сопротивление ρ колебательного контура, образованного индуктивностью и эффективной емкостью во вторичной обмотке, с учетом токов утечки лежит в интервале: , где Uпроб - минимальное значение напряжения на разрядном промежутке, при котором гарантированно происходит пробой, Iдоп - максимально допустимый ток искрового разряда, при котором искра не переходит в низковольтный дуговой разряд. Обмотки катушки зажигания могут быть выполнены с увеличенным потоком рассеяния магнитного поля, например, в виде галеты, а магнитопровод катушки зажигания может быть изготовлен из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на частоту 400 Гц. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относиться к автомобилестроению, а именно к электронным системам зажигания двигателей внутреннего сгорания. Изобретение может быть использовано в системах искрового зажигания для более надежной работы двигателей в условиях низких температур и/или высокой влажности, а также при не очень высоком качестве топливно-воздушной смеси.
Известно устройство для увеличения плазменного объема искры в свече зажигания (пат. RU 2171909, М. кл. 7 F 02 P 3/04, F 02 P 3/08, публ. 2001 г.). Это устройство содержит последовательный LC-контур, подключенный параллельно искровому промежутку непосредственно около свечи зажигания, чтобы исключить влияние высокоомного провода вторичной цепи катушки зажигания. Устройство, продлевая время горения искры в 8-10 раз, увеличивает ее объем в 3-4 раза, повышает ионизирующее и тепловое действие. Это известное устройство решает задачу по увеличению тока искры, но при этом в схему вводятся дополнительные элементы. Основным недостатком такой системы зажигания является высокое волновое сопротивление колебательного контура ρ˜1 МОм, образованного вторичной обмоткой катушки зажигания и эффективной емкостью в высоковольтной цепи катушки зажигания, которое легко шунтируется сопротивлением утечки в этой цепи.
Получить необходимую, регулируемую по времени, длительность непрерывного разряда позволяет релаксационно-колебательная система электронного зажигания ДВС (пат. RU 2054575, М. кл. 7 F 02 P 3/04, публ. 1996 г.). В систему зажигания ДВС, содержащую в первичной цепи катушки зажигания тиристорно-конденсаторный блок высокого напряжения, низковольтный блок вольтодобавки и транзисторный ключ, введены дополнительно два диода. Первый диод подключен параллельно цепи из тиристора и конденсатора и соединяет анод тиристора с блоком вольтодобавки. При этом второй диод соединяет среднюю точку тиристорно-конденсаторной цепи с выводом первичной обмотки катушки зажигания. Система зажигания создает релаксационные колебания, что позволяет поддерживать непрерывный ток разряда нужное время и формирует широкий начальный фронт пламени. Система зажигания обеспечивает эффективный процесс горения топливной смеси и повышает экономичность расхода топлива. Недостатком этой системы является введение дополнительных элементов. Использование стандартных существующих катушек зажигания не позволяет решить проблему высокого волнового сопротивления ρ колебательного контура вторичной обмотки катушки. Это снижает надежность работы и запуска двигателя в неблагоприятных условиях за счет шунтирования разрядного промежутка свечи сопротивлением утечки.
Облегчить запуск двигателя в неблагоприятных условиях, особенно в зимнее время, позволяет искровая система зажигания ДВС, известная по патенту RU 2107184, М. кл. 7 F 02 P 3/04, опубл. 1998. Эта система зажигания содержит последовательно соединенные преобразователь напряжения, удвоитель напряжения, стабилизатор напряжения, прерыватель, включенные в первичную обмотку катушки зажигания. А в цепь вторичной обмотки катушки зажигания перед разрядным промежутком свечи введен больший дополнительный искровой промежуток. Такая конструкция уменьшает нежелательное влияние токов утечки, при этом почти вся энергия идет на образование искры в свече зажигания. Но это не исключает емкостную фазу разряда, когда большая часть энергии тока в разрядном промежутке идет на разрушение электродов свечи. Другим недостатком является усложнение схемы, введение ряда дополнительных блоков для стабилизации напряжения и дополнительная эрозия материала на добавленном искровом промежутке.
Наибольшее количество общих элементов с предлагаемой системой зажигания содержит штатная система зажигания (см., например, С.В.Акимов, Ю.П.Чижов. "Электрооборудование автомобилей". Учебник для ВУЗов, стр.188-191. Изд. "За рулем", 2001 г.), которая выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа). Система зажигания-прототип содержит источник питания, коммутатор, катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмотки и магнитопровода, искровой промежуток, а также емкости и активные сопротивления в цепях первичной и вторичной обмоток катушки. Недостатком стандартной системы зажигания является ее ненадежная работа. Копоть и влага на изоляторе свечи, грязь и конденсат в распределителе зажигания и на высоковольтных проводах приводят к перебоям в работе двигателя или полному отказу всей системы зажигания. Особенно часто такие ситуации возникают при эксплуатации автомобиля зимой при низких температурах.
Анализ показывает, что в типовых системах зажигания значительная часть энергии, запасаемой в катушке зажигания, теряется в процессе формирования высокого напряжения на свече зажигания и при протекании разрядного тока в ней. Основные потери связаны с токами утечки в высоковольтной цепи, и, кроме того, есть значительные индукционные потери в магнитопроводе катушки и в процессе протекания емкостной фазы разряда.
Предлагаемым изобретением решается задача увеличения мощности искры и надежности искрообразования системы зажигания за счет исключения "непроизводительных" потерь путем согласования величины волнового сопротивления ρ контура, образованного индуктивностью и емкостью, входящих в состав системы зажигания, с параметрами искрового разряда - напряжением пробоя и током разряда.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая система зажигания, так же как и прототип, содержит катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмоток и магнитопровода, и искровой промежуток, включенный в цепь вторичной обмотки катушки зажигания.
Новым в разработанной системе зажигания является то что, катушка зажигания изготовлена таким образом, что волновое сопротивление ρ колебательного контура, образованного индуктивностью и эффективной емкостью во вторичной обмотке, с учетом токов утечки, лежит в интервале:
,
где Uпроб - минимальное значение напряжения на разрядном промежутке, при котором гарантированно происходит пробой,
Iдоп - максимально допустимый ток искрового разряда. Максимальная величина тока разряда ограничена условием перехода процесса горения высоковольтной искры в режим низковольтного плазменно-дугового разряда, при котором основная энергия дуги идет не на нагрев ТВС, а на разрушение электродов свечи.
В частном случае целесообразно с целью исключения потерь при емкостной фазе разряда при изготовлении обмоток катушки зажигания делать их с увеличенным потоком рассеяния магнитного поля, например, в виде галеты.
В другом частном случае, с целью уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопровод катушки зажигания целесообразно изготавливать из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на частоту 400 Гц.
В процессе формирования высоковольтного напряжения неконтролируемые потери энергии связаны с токами утечки. Расчеты показывают, что наиболее типичное значение волнового сопротивления системы зажигания со стандартной катушкой составляет величину ρ˜1 МОм. При наличии токов утечки в такой системе через сопротивление утечки, равное волновому, напряжение на искровом промежутке уменьшается практически вдвое, что приводит либо к отказу системы зажигания, либо к значительному уменьшению энергии искры.
В процессе горения искры основные потери энергии связаны с теплопроводностью топливно-воздушной смеси, и при малой мощности искры, даже при увеличении ее длительности, топливно-воздушная смесь может не воспламениться.
Обеспечение заявленного технического результата можно объяснить следующим образом.
Решение волнового уравнения для параллельного колебательного контура, которым является цепь вторичной обмотки системы зажигания, можно написать в виде напряжения в контуре:
где Ua - амплитудное значение напряжения, ω и t - частота и время, соответственно,
a L, С, Rут - параметры контура в общепринятых обозначениях.
После выключения ключа в первичной цепи катушки зажигания напряжение достигает максимального значения при Rут=ρ к моменту времени 
. Необходимым условием возникновения искры в свече зажигания в этот момент является Umax≥Uпроб, где
Из уравнения (2) для сопротивления утечки, при котором сохраняется условие пробоя разрядного промежутка, находим:
Из уравнения (3) находим величину волнового сопротивления ρ при минимальном значении сопротивления утечки:
Считая приемлемым условие надежной работы системы зажигания при Rут, увеличенным в 1,5 раза относительно минимального, для волнового сопротивления ρ найдем интервал допустимых значений:
Учитывая, что типовые значения Uпроб составляют ˜10÷15 кВ, Iдоп составляет ˜0,3 А, получаем интервал числовых значений ρ, соответствующих условию (5):
Величина сопротивления утечки, при котором сохраняется работоспособность системы зажигания, находится из того же уравнения (3), и можно показать, что его минимальная величина равна волновому сопротивлению, т.е. Rут=ρ.
На чертеже приведена эквивалентная схема предлагаемой системы зажигания.
Система зажигания содержит источник питания 1, активное сопротивление 2, конденсатор 3 и коммутатор 4, включенные в цепь первичной обмотки 5 катушки зажигания. Катушка зажигания включает в себя также магнитопровод, выполненный в виде магнитного сердечника 6, и вторичную обмотку 7, цепь которой содержит собственную индуктивность 8 вторичной обмотки 7, емкость 9, пересчитанную из первичной цепи, сопротивление утечки 10 и разрядный промежуток 11 свечи зажигания.
В качестве источника питания 1 используется аккумуляторная батарея, сопротивление 2 представляет собой активное сопротивление первичной цепи. Катушка зажигания изготавливается таким образом, что коэффициент трансформации составляет величину К≈15÷30. При этом получаем систему с волновым сопротивлением ρ≈100 кОм, соответствующим расчетному (4). Максимальное напряжение в первичной обмотке 5 катушки зажигания достигает величины 1000÷1500 В, что повышает требование к выбору элементной базы для коммутатора 4.
Магнитный сердечник 6 катушки зажигания может быть выполнен из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на рабочую частоту 400 Гц.
Вторичная обмотка 7 может также быть выполнена в виде галеты. При этом собственная индуктивность 8 вторичной обмотки 7 (не связанная магнитным потоком с первичной) ограничивает ток искры и исключает потери при емкостной фазе разряда.
Исходя из требования накопить определенную энергию в системе, необходимую для образования искры, параметры катушки выбираем такие же, как и для серийной катушки зажигания промышленного изготовления. В случае конкретной реализации индуктивность первичной обмотки 5 катушки зажигания составляет величину L≈4 мГн, ток в ней I≈6÷8 А, емкость конденсатора 3, защищающего электронный ключ (коммутатор 4) от перегрузки по напряжению С≈0,1 мкФ.
Предлагаемая система зажигания, представленная на фиг.1, работает следующим образом: при включенном коммутаторе 4 в первичной обмотке 5 катушки зажигания появляется ток, протекающий от источника 1, через первичную обмотку 5 катушки и коммутатор 4. При достижении током максимально допустимой величины в катушке запасается энергия, достаточная для формирования в последующем искрового разряда свечи. При выключении по сигналу с датчика положения коленвала (не показан) коммутатора 4 ток первичной обмотки 5 заряжает конденсатор 3, индуктируя во вторичной обмотке 7 высокое напряжение. При достижении в этой цепи напряжения, достаточного для пробоя искрового промежутка 11, происходит пробой, и через вторичную обмотку 7 катушки зажигания начинает протекать ток. Этот ток складывается из тока самой катушки зажигания и тока разряда конденсатора 3, который пересчитывается во вторичную цепь катушки зажигания в емкость 9 по формуле
С2=С1/К2,
где К - отношение количества витков во вторичной обмотке 7 катушки к количеству витков в первичной обмотке 5 катушки зажигания.
Использование современной элементной базы при изготовлении электронного ключа (коммутатора 4) и катушки зажигания с измененным соотношением витков в первичной 5 и вторичной 7 обмотках позволило получить систему зажигания с низким волновым сопротивлением ρ˜100 кОм, соответствующим условию (5), значительно менее чувствительную к токам утечки, и существенно увеличенной мощностью искры при увеличенном токе искрового разряда до Iдоп≈0,3 А.
Система зажигания с заявленными свойствами получена при неизменном потреблении энергии (величине максимального тока катушки зажигания). Система получается менее чувствительной к токам утечки по сравнению с известными аналогами, поскольку величина сопротивления утечки 10 практически всегда остается больше, чем волновое сопротивление ρ контура вторичной обмотки 7, и не может его шунтировать, что позволяет исключить "непроизводительные" потери, тем самым решить поставленную задачу.
Особенностью работы системы зажигания по п.2 формулы является ограничение тока искрового разряда за счет увеличенного по сравнению с аналогами потока рассеяния магнитного поля, например, за счет изготовления вторичной обмотки 7 катушки зажигания в виде галеты, что позволяет исключить потери при емкостной фазе разряда.
Особенностью работы системы зажигания по п.3 формулы является то, что в процессе формирования высоковольтного напряжения потери энергии (нагрев магнитопровода) значительно уменьшаются за счет изготовления сердечника 6 катушки из трансформаторного железа с низкими удельными потерями.
Испытания системы зажигания, изготовленной, как указано в примере конкретной реализации, подтвердили высокую стабильность искрообразования в свечах, которые сохранили работоспособность даже при пробеге на автомобиле порядка 100 тысяч км. Наличие нагара, бензина и антифриза на изоляторе свечи не влияло на устойчивую работу двигателя.
Количество витков вторичной обмотки катушки зажигания составило ˜2000, что при серийном изготовлении должно снизить ее себестоимость, т.к. обычно это число лежит в пределах 16-40 тысяч витков.
Увеличение энергии разряда, обеспечиваемое разработанной системой зажигания, приводит к более полному сжиганию топливной смеси и тем самым уменьшает токсичность выхлопа.
1. Система зажигания ДВС, содержащая катушку зажигания, состоящую из первичной и вторичной обмоток и магнитопровода, и разрядный промежуток, включенный в цепь вторичной обмотки катушки зажигания, отличающаяся тем, что катушка зажигания изготовлена таким образом, что волновое сопротивление ρ колебательного контура, образованного индуктивностью и эффективной емкостью во вторичной обмотке, с учетом токов утечки лежит в интервале
где Uпроб - минимальное значение напряжения на разрядном промежутке, при котором гарантировано происходит пробой,
Iдоп - максимально допустимый ток искрового разряда, при котором искра не переходит в низковольтный дуговой разряд.
2. Система зажигания по п.1, отличающаяся тем, что конструктивно обмотки катушки зажигания выполнены с увеличенным потоком рассеяния магнитного поля, например, в виде галеты.
3. Система зажигания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что магнитопровод катушки зажигания изготовлен из материала с низкими удельными потерями, например из трансформаторного железа, рассчитанного на частоту 400 Гц.
www.findpatent.ru
