Принцип работы.

Классическая система батарейного зажигания с одной катушкой и многоискровым механическим распределителем до сих применя­ется на автомобилях. Главным достоинством этой системы являет­ся ее простота, обеспечиваемая двойной функцией механизма рас­пределителя: прерывание цепи постоянного тока для генерирова­ния высокого напряжения и синхронное распределение высокого напряжения по цилиндрам двигателя.

Принципиальная схема классической системы зажигания состо­ит из следующих элементов (рис 1.1):

· источника тока - аккумуляторной батареи 7 (генератора);

· катушки зажигания (индукционной катушки) 5, которая преобразует токи низкого напряжения в токи высокого напряжения (между первичной и вторичной обмотками существует трансформаторная связь);

· прерывателя 17, содержащего рычажок 6 с подушечкой 7 из
текстолита, поворачивающийся около оси, контакты прерывателя 8, кулачок 16, имеющий число граней, равное числу цилиндров. Неподвижный контакт прерывателя присоединен к «массе»; подвижный контакт укреплен на конце ры­чажка. Если подушечка не каса­ется кулачка, контакты замкнуты под действием пружины. Когда подушечка находит на грань кулачка, контакты размыкаются. Прерыватель управляет размы­канием и замыканием контактов и моментом подачи искры;

· конденсатора первичной цепи 18, подключенного парал­лельно контактам 8, который является составным элементом колебательного контура в первичной цепи после размыкания контактов;

· распределителя 14, включающего в себя бегунок 12, крышку
10, на которой расположены неподвижные боковые электроды 11
(число которых равно числу цилиндров двигателя) и неподвижный
центральный электрод, который подключается через высоковольт­ный провод к катушке зажигания. Боковые электроды через высоко­вольтные провода соединяются с соответствующими свечами за­жигания. Высокое напряжение к бегунку 12 подается через цен­тральный электрод с помощью скользящего угольного контакта. На бегунке имеется электрод 13, который отделен воздушным зазором от боковых электродов 11. Бегунок 12 распределителя и кулачок 16 прерывателя находятся на одном валу, который приводится во вращение зубчатой передачей от распределительного вала двига­теля с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала. Прерыватель и распределитель расположены в одном аппарате, называемом распределителем зажигания;

· свечей зажигания 15, число которых равно числу цилиндров
двигателя;

· выключателя зажигания 2;

· добавочного резистора 3 (R_доб), который уменьшает тепловые
потери в катушке зажигания (при пуске двигателя R_доб шунтируется выключателем 4 одновременно с включением стартера.) Добавочный резистор изготовляют из нихрома или константана и наматывают на керамический изолятор.

Принцип работы классической системы батарейного зажигания состоит в следующем. При вращении кулачка 16 контакты 8 попере­менно замыкаются и размыкаются. После замыкания контактов (в случае замкнутого выключателя 2) через первичную обмотку катушки зажигания 5 протекает ток (рис. 6.4), нарастая от нуля до определенного зна­чения за данное время замкнутого состояния контактов. При малых частотах вращения валика 9 распределителя 14 ток может нарастать до установившегося значения, определенного напряжением аккумуляторной батареи и омическим сопротивлением первичной цепи (установившийся ток). Протекание первичного тока вызывает образова­ние магнитного потока, сцепленного с витками первичной и вторич­ной обмоток, и накопление электромагнитной энергии.

После размыкания контактов прерывателя, как в первичной, так и во вторичной обмотке индуцируется ЭДС самоиндукции. Согласно закону индукции вторичное напряжение тем больше, чем больше скорость изменения магнитного потока, созданного током первичной обмотки, больше первичный ток в момент разрыва и больше число витков во вторичной обмотке.

В результате переходного процесса во вторичной обмотке возни­кнет высокое напряжение, достигающее 15 – 20 кВ. В первичной об­мотке также индуцируется ЭДС самоиндукции, достигающая 200 – 400 В, препятствующая уменьшению (исчезновению) тока в первичной обмотке. При отсутствии конденсатора 18 ЭДС самоиндукции вызывает образование между контактами прерывателя во время их размыкания сильной искры, нося­щий дуговой характер. При наличии конденсатора 18 искрообразование уменьшается, так как ЭДС самоиндукции создает ток, заря­жающий конденсатор. В следующий период времени конденсатор разряжается через первичную обмотку катушки и аккумуляторную батарею. Таким образом, конденсатор 18 практически устраняет дугообразование в прерывателе, обеспечивая долговечность контактов и индуцирование во вторичной обмотке высокой ЭДС.

Вторичное напряжение подводится к бегунку распределителя, а затем через электроды в крышке и высоковольтные провода посту­пает к свечам соответствующих цилиндров.

Рис. 1.2. Временные диаграммы тока первичной цепи и вторичного напряжения.

Таким образом, рабочий процесс любой батарейной системы зажигания, использующей для получения высокого напряжения индукционную катушку можно разбить на три этапа:

1.Замыкание контактов прерывателя. На этом этапе происходит
подключение первичной обмотки катушки зажигания (накопителя) к
источнику тока. Этап характеризуется нарастанием первичного тока
и, как следствие этого, накоплением электромагнитной энергии, запасаемой в магнитном поле катушки.

2. Размыкание контактов прерывателя. Источник тока отключается
от катушки зажигания. Первичный ток быстро уменьшается, в результате чего накопленная электромагнитная энергия превращается в электростатическую. Возникает ЭДС высокого напряжения во вторичной обмотке.

3. Пробой искрового промежутка свечи. В рабочих условиях при
определенном значении напряжения происходит пробой искрового
промежутка свечи с последующим разрядным процессом.

На 1 -м этапе вторичная цепь практически не влияет на процесс нарастания первичного тока. Токи и напряжения во вторичной цепи при относительно малой скорости нарастания первичного тока незначительны. Вторичную цепь можно считать разомкнутой. Первич­ный конденсатор С₁ замкнут накоротко контактами К. Схема замеще­ния для этого рабочего этапа приведена на рис.1.3.

Процесс нарастания первичного тока согласно второму закону Кирхгофа описывается дифференциальным уравнением

, (1.1)

где - напряжение первичного источника питания (аккумулятора или генератора); - индуктивность первичной обмотки; - ток в первичной цепи; - сопротивление первичной цепи.

Рис. 1.3. Схема замещения клас­сической системы зажигания после замыкания контактов прерыватели (К – контакты прерывателя, М - взаимоиндукция).

Решением этого уравнения является выражение

или , (1.2)

где - постоянная времени первичного контура ( ).

На 2 – м этапе контакты размыкаются. Ток разрыва зависит от времени замкнутого состояния контактов :

. (1.3)

где - зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя , числа цилиндров , профиля кулачка (т.е. соотношения между углом замкнутого и разомкнутого состояния контактов); - постоянная времени первичного контура. Частота размыкания контактов для четырехтактного двигателя определяется

_. (1.4)

Время полного периода работы прерывателя

, (1.5)

где - время разомкнутого состояния контактов.

Запасенная электромагнитная энергия в первичной обмотке катушки зажигания

. (1.6)

Схема замеще­ния для этого рабочего этапа приведена на рис.1.4.

Рис. 1.4. Упрощенная схема за­мещения классической системы зажигания после размыкания кон­тактов прерывателя.

Согласно этой схеме имеем два магнитосвязанных кон­тура, каждый из которых содержит емкость (С₁ - конденсатор пер­вичной цепи; С₂ - распределенная емкость вторичной цепи), индук­тивность (L₁, L₂ - индуктивности соответственно первичной и вто­ричной обмоток катушки зажигания), эквивалентное активное со­противление (R₁, R₂ - суммарные активные сопротивления соот­ветственно первичной и вторичной цепей). Во вторичный контур включены шунтирующее сопротивление R_ш и сопротивление потерь R_п, учитывающее соответственно утечки тока на свече и магнитные потери.

В момент размыкания контактов прерывателя электромагнитная энергия, запасенная в катушке, преобразуется в энергию электри­ческого поля конденсаторов С₁ и С₂ и частично превращается и теплоту. Значение максимального вторичного напряжения можно получить из уравнения электрического баланса в контурах первич­ной и вторичной цепей, пренебрегая потерями в них:

, (1.7)

где , - максимальные значения соответственно первичного и вторичного напряжений.

Так как , то . (1.8)

Однако, это выражение не учитывает потери энергии в сопротивлении нагара, шунтирующего искровой промежуток свечи, маг­нитные потери в стали, электрические потери в искровом промежутке распределителя и в дуге на контактах прерывате­ля. Указанные потери приводят к снижению вто­ричного напряжения. На практике для учета потерь в контурах вводят в виде множителя коэффициент затухания , выражающий уменьше­ние максимума напряже­ния из-за потерь энергии:

, (1.9)

где - коэффициент затухания составляет для контактных систем зажигания 0,75 – 0,85.

Для зажигания рабочей смеси электрическим способом необхо­димо образование электрического разряда между двумя электрода ми свечи, которые находятся в камере сгорания. Протекание электрического разряда в газо­вом промежутке может быть представлено вольт-амперной характеристикой (рис. 1.5).

Участок Оаbсоответствует не­самостоятельному разряду. Напряжение возрастает, ток остает­ся практически неизменным и по силе ничтожно мал. При даль­нейшем увеличении напряжения скорость движения ионов по направлению к электродам увеличивается. При начальном напряжении U_н, начинается ударная иони­зация, т. е. такой разряд, который, однажды возникнув, не требует для своего поддержания воздействия постороннего ионизатора. Если поле равномерное, то процесс ионизации сразу перерастает в пробой газового промежутка. Если поле неравномерное, то вначале возникает местный пробой газа около электродов в местах с наи­большей напряженностью электрического поля, достигшей критиче­ского значения. Этот тип разряда называется короной и соответству­ет устойчивой части вольт-амперной характеристики bс. При дальнейшем повышении напряжения корона захватывает новые области межэлектродного пространства, пока не произойдет пробой (точка с), когда между электродами проскакивает искра. Это происходит при достижении напряжением значения пробивного напряжения U_пр.

Проскочившая искра создает между электродами сильно нагре­тый и ионизированный канал. Температура в канале разряда ра­диусом 0,2 – 0,6 мм превышает 10 000 К.

Сопротивление канала зависит от силы протекающего по нему тока. Дальнейшее протекание процесса зависит от параметров га­зового промежутка цепи источника энергии. Возможен или тлеющий разряд (участок de), когда токи малы, или дуговой разряд (участок тп), когда токи велики вследствие большой мощности источника тока и малого сопротивления цепи. Оба эти разряда являются са­мостоятельными и соответствуют устойчивым участкам вольт-амперной характеристики. Тлеющий разряд характеризуется тока­ми величиной 10^-5 – 10^-1 А и практически неизменным напряжением разряда. Дуговой разряд характеризуется большими токами при относитель­но низких напряжениях на электродах.

Пробивное на­пряжение ниже мак­симального вторичного напряжения , разви­ваемого системой зажига­ния, и поэтому, как только возрастающее напряже­ние достигает значения , в свече происходит искровой разряд, и коле­бательный процесс обры­вается (рис. 1.2 и 1.6).

Электрический разряд имеет две составляющие; емкостную и индуктивную. Емкостная составляющая искрового разряда пред­ставляет собой разряд энергии, накопленной во вторичной цепи, обусловленной ее емко­стью С₂. Емкостный разряд характеризуется резким падением на­пряжения и резкими всплесками токов, по своей силе достигающих десятков ампер (см. рис. 1.6). Несмотря на незначительную энергию емкостной искры ( ), мощность, развиваемая искрой, благо­даря кратковременности (высокой скорости) процесса может достигать десятков и даже сотен киловатт. Емкостная искра имеет яркий голубоватый цвет и сопровождается специфическим треском.

Высокочастотные колебания (10⁶ – 10⁷ Гц) и большой ток емко­стного разряда вызывают сильные радиопомехи и эрозию элек­тродов свечи. Для уменьшения эрозии электродов свечи (а в не­экранированных системах и для уменьшения радиопомех) во вторич­ную цепь (в крышку распределителя, бегунок, наконечники свечей, в провода) включается помехоподавляющий резистор.

Рис. 1.6. Изменение напряжения и тока искрового разряда:

а и б - соответственно емкостная и ин­дуктивная фазы разряда; - время ин­дуктивной составляющей разряда; -амплитудное значение тока индуктивной фазы разряда; - напряжение индук­тивной фазы разряда.

Поскольку ис­кровой разряд происходит раньше, чем вторичное напряжение дости­гает своего максимального значения , а именно при напряжении , на емкостный разряд расходуется лишь небольшая часть магнитной энергии, накопленной в сердечнике катушки зажигания.

Оставшаяся часть энергии выделяется в виде индуктивного раз­ряда. При условиях, свойственных работе распределителей и раз­рядников, и при обычных параметрах катушек зажигания индуктив­ный разряд всегда происходит на устойчивой части вольт-амперной характеристики, соответствующей тлеющему разряду. Ток индуктивного разряда составляет 20 – 40 мА. Напряжение между электродами свечи сильно понижается до величины 220 – 330 В.

Продолжительность индуктивной составляющей разряда на 2 – 3 порядка выше емкостной и достигает в зависимости от типа катуш­ки зажигания, зазора между электродами свечи и режима работы двигателя (пробивного напряжения) 1 – 1.5 мс. Искра имеет блед­ный фиолетово-желтый цвет. Эта часть разряда получила название хвоста искры.

За время индуктивного разряда в искровом промежутке свечи вы­деляется энергия, которая может быть определена аналитически:

. (1.10)

На практике широко используется приближенная формула для подсчета энергии искрового разряда:

. (1.11)

Расчеты и эксперименты показывают, что при низких частотах вра­щения двигателя энергия индуктивного разряда W_ир = 15 – 20 мДж для обычных классических автомобильных систем зажигания.