Назначение и принцип действия

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Развитие автомобилей первоначально было связано с системой зажигания от магнето, но оно достаточно быстро было вытеснено батарейной системой зажигания, которая в различных вариантах и применяется на современных автомобилях.

Тенденции развития ДВС связаны с повышением их экономичности, снижением токсичности отработавших газов, уменьшением массы и габаритных размеров, повышением частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия.

Это оказывает влияние на конструкцию и схемное исполнение систем зажигания, не затрагивая, однако, основного принципа их действия — накопления энергии в магнитном или электрическом поле с последующим мгновенным выделением ее в искровом промежутке свечи в нужный момент такта сжатия в рабочем цилиндре и в соответствии с заданным порядком работы цилиндров двигателя.

Разряд в искровом промежутке вызывается импульсом напряжения, величина которого зависит от температуры и давления в камере сгорания, конфигурации и размеров искрового промежутка. Величина импульса должна обеспечиваться системой зажигания с определенным запасом, с учетом износа электродов свечи в эксплуатации. Обычно коэффициент запаса составляет 1,5 - 1,8 , а величина импульса напряжения лежит в пределах 20 - 30 кВ.

Процесс сгорания рабочей смеси разделяется на три фазы: начальную, когда формируется пламя, возникающее от искрового разряда в свече, основную, кoгда пламя распространяется на большей части камеры сгорания, и конечную, когда пламя догорает у стенок камеры. Этот процесс требует определенного 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 мертвой точки. Если угол опережения зажигания больше оптимального, то зажигание раннее. Давление в камере сгорания при этом достигает максимума до достижения поршнем верхней мертвой 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. 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. По способу накопления энергии различаются системы с накоплением энергии в индуктивности и в емкости (рис. 6.1). В обоих случаях для получения импульса высокого напряжения используется катушка зажигания, представляющая собой высоковольтный трансформатор, содержащий две обмотки: первичную с малым числом витков и омическим сопротивлением в доли и единицы ома и вторичную с большим числом витков и омическим сопротивлением в единицы и десятки к0м. Коэффициент трансформации катушки лежит в пределах 50 -150. Значительное количество энергии, которое требуется для воспламенения рабочей смеси, накопить в конденсаторе приемлемых размеров при достаточно низком напряжении бортовой сети невозможно. Поэтому система по рис. 8.1,б оборудована высоковольтным преобразователем напряжения. Такое усложнение схемы не дает существенных преимуществ, поэтому системы с накоплением энергии в емкости на автомобилях практически не применяются. Принцип работы схемы, изображенной на рис. 8.1, а, характерен для всех систем зажигания, устанавливаемых на автомобилях. Выключатель зажигания S1 включает систему в сеть питания. В некоторых системах роль выключателя S1 играют контакты реле, управляемого выключателем зажигания. При вращении вала двигателя происходит замыкание контактов прерывательного механизма S2, и ток начинает нарастать в первичной цепи катушки зажигания по экспоненте, как это показано на рис. 8.2, а. В момент, необходимый для подачи искрового импульса на зажигание, прерыватель S2 разрывает свои контакты, после чего возникает колебательный процесс, связанный с обменом энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем в емкостях С1 и С2. Амплитуда колебаний напряжения, приложенного к электродам свечи U2, убывает по экспоненте, как показано на рис. 8.2 пунктиром. Однако интерес представляет лишь первая полуволна напряжения, т.к. если ее максимальное значение U2m превышает напряжение пробоя искрового промежутка Uп, возникает необходимая для зажигания искра. Величина U2m зависит от коэффициента трансформации катушки зажигания Кт = W2/W1 (W2 и W1 соответственно число витков вторичной и первичной обмоток катушки), величины тока первичной обмотки в момент разрыва l1p, а также индуктивности L1 и емкости C1 первичной и C2 вторичной цепей

Коэффициент Kп учитывает потерю энергии в активных сопротивлениях первичной R1 и вторичной R2 цепей, в сопротивлении нагара Rш, шунтирующего искровой промежуток, а также в сердечнике катушки при его перемагничивании. Обычно Кп лежит в пределах 0,7 - 0,8. Влияние нагара на свечах на искрообразование значительно снижается с увеличением скорости нарастания вторичного напряжения. В современных системах эта скорость лежит в пределах 200 - 700 В/мкс.

После пробоя искрового промежутка вторичное напряжение резко уменьшается (см. рис.8.2). При этом в искровом промежутке сначала искра имеет емкостную фазу, связанную с разрядом емкостей на промежуток, а затем индуктивную, во время которой в искре выделяется энергия, накопленная в магнитном поле катушки. Емкостная составляющая искры обычно кратковременна, очень ярка, имеет голубоватое свечение. Сила тока в искре велика даже при малом количестве протекающего в ней электричества. Индуктивная составляющая отличается значительной продолжительностью, небольшой силой тока, большим количеством электричества и неярким красноватым свечением. Осциллограмма вторичного напряжения, соответствующая рис. 8.2, является признаком нормальной работы системы зажигания. О нормальной работе свидетельствует и вид искры между электродами свечи. В исправной системе она имеет яркое ядро, окруженное пламенем красноватого цвета.