Общие сведения о системах зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения топливной смеси при пуске и работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Из известных способов воспламенения топливных смесей самое широкое распространение получило электрическое зажигание.

По принципу действия и виду разряда электрические системы зажигания делят на следующие:

1. накального действия;

2. искро­вые;

3. электродуговые.

В автотракторном электрооборудовании применяют систему зажигания от магнето и батарейную систему зажигания с иск­рой высокого напряжения (рис. 114).

Рис. 114. Электрические схемы системы, зажигания:

а - магнетной; б - батарейной; МП - магнитопровод; Р - распределитель;

Q - прерыватель; К катушка зажигания; ВЗ - выключатель зажигания;

С₁ - первич­ный конденсатор; R_d - добавочное сопротивление;

w₁, w₂ - обмотки, соответственно первичная и вторичная

Искра, воспламеняющая топливную смесь, возникает между электродами свечи зажига­ния, расположенными в цилиндре двигателя. Источником тока высокого напряжения является индукционная катушка зажи­гания.

Магнетная система зажигания отличается от батарейной тем, что источником электроэнергии является магнито­электрический генератор, конструктивно объединенный с индук­ционной катушкой. В батарейной системе зажигания источником электроэнергии является аккумуляторная батарея (при пуске двигателя) и генератор.

Батарейная и магнетная системы зажигания имеют много об­щего с точки зрения принципов их действия, которые можно рассмотреть на примере работы батарейной системы зажи­гания (Рис. 114).

Катушка зажигания К, представляет собой повышающий трансформатор. На сердечник, набранный из пластин трансформаторной стали, намотаны две обмотки: первичная w₁ и вторичная w₂, причем w₂ >> w₁.

Отношение числа витков w₂/w₁ = k_T >> 1 называют коэффициентом трансформации катушки зажига­ния. Обмотки катушки зажигания могут иметь как автотрансфор­маторную (с общей точкой), так и трансформаторную связь. Автотрансформаторная связь упрощает конструкцию и технологию изготовления катушки, а также незначительно увеличивает вторичное напряжение.

Кулачок прерывателя Q и распределитель Р установлены на общем валу, вращающемся от распределительного вала дви­гателя, который имеет частоту вращения вдвое меньшую, чем коленчатый вал. С помощью кулачка прерывателя обеспечивается, во-первых, размыкание контактов прерывателя, а во-вторых, точное распределение времени зажигания.

Для четырехтактного двигателя на один цикл приходится два оборота коленчатого вала. Очевидно, что за один цикл необходимо подать одну искру или произвести одно размыкание контактов прерывателя. Число размыканий в секунду (частота) при четырехтактном двигателе с числом цилиндров z

f_z = (zn/60)/2 = zn/120.

Полный период работы прерывателя состоит из суммы времени замкнутого t_з и разомкнутого состояния t_р,

Т = t_з + t_р = 1/f_z = 120/zn,

или

t_з = γ_зT = γ_з120/zn,

где γ_з = t_з/T – относительное время замкнутого состояния прерывателя.

Для уменьшения искрения на контактах параллельно контак­там прерывателя подключен конденсатор. Высоковольтный распределитель имеет неподвижные электроды, и вращающийся электрод, соединенный с вторичной обмоткой катушки зажигания. Число неподвижных электродов распределителя равно числу цилиндров двигателя, и каждый электрод соединен проводом с соответствующей свечой. Питание системы зажигания осуществляется через выключа­тель зажигания ВЗ.

Система зажигания работает следующим образом. При вклю­чении стартера или работе двигателя кулачок прерывателя, вращаясь, попеременно замыкает и размыкает контакты преры­вателя. При замыкании контактов прерывателя по первичной об­мотки w₁ катушки зажигания протекает ток, и как следствие образуется магнитное поле. К моменту размыкания контактов прерывателя в магнитном поле накапливается энергия

W_M = I²_pL₁/2,

где I_p – первичный ток в момент размыкания контактов; L₁ – индуктивность первиной обмотки катушки зажигания.

При размыкании контактов прерывателя первичная обмотка отключается от аккумуляторной батареи. Энергия, накопленная в магнитном поле, преобразуется в электрическую, при этом в об­мотках катушки зажигания индуцируются ЭДС

e₁ = -L₁di₁/dt

и

e₂ = e1k_т.

Так как коэффициент трансформации катушки зажигания >> 1, то ЭДС вторичной обмотки достигает величины, доста­точной для пробоя искрового промежутка между электродами свечи. Приложенное к электродам напряжение должно превышать так называемое пробивное напряжение U_пр (минимально необ­ходимое для электрического пробоя искрового промежутка свечи).

Величина пробивного напряжения зависит от многих факторов. По закону Пашена пробивное напряжение пропорционально давлению в цилиндре двигателя, расстоянию между электродами свечи и обратно пропорционально температуре топливной смеси.

U_np = f(pσ_з / t⁰C_тс).

Кроме того, оно зависит от состава топливной смеси, материала, формы и температуры электродов свечи, полярности приложенного напряжения и др. Многие из перечисленных факторов связаны непосредственно с режимом работы двигателя (частотой вращения коленчатого вала, нагрузкой).

Чтобы топливная смесь воспламенилась, искра должна иметь определенную энергию. Минимально необходимое для воспламе­нения смеси количество энергии, так же как и пробивное напря­жение, зависит:

1. от состава смеси;

2. степени сжатия двигателя;

3. зазора между электродами свечи.

С уве­личением степени сжатия энергия, необходимая для воспламене­ния смеси, уменьшается.

Учи­тывая требования стабильного зажигания и холодного пуска двигателя, энергия искры должна быть не менее 30 МДж.

Для надежной работы системы зажигания необходим запаса вторичного напряжения U_2м, который оценивают коэффициентом запаса. Коэффициент запаса системы зажигания определяют отношением максимальной величины вторичного напряжения, развиваемой системой зажигания, к пробивному напряжению свечи

k_з = U_2m/U_пр.

Обычно коэффициент запаса при­нимают k₃ = 1,4 - 1,6.

Сгорание топливной смеси происходит не мгно­венно, а в течение определенного промежутка времени.

Чтобы двигатель развивал максимальную мощность, необходимо некото­рое опережение зажигания. Воспламенение смеси должно проис­ходить раньше, чем поршень дойдет до верхней мертвой точки (в. м. т.). В этом случае процесс сгорания будет происходить в наибольшем объеме, а работа сгоревших газов достигнет максимального значения.

Момент зажигания принято характеризовать углом поворота коленчатого вала от момента пробоя искрового промежутка до ВМТ. Этот угол называют углом опережения зажигания. Угол опережения зажигания, при котором двигатель развивает макси­мальную мощность, зависит от частоты вращения двигателя, нагрузки топлива и т.д. Так, например, с увеличением частоты вращения двигателя необходимо увеличивать и угол опережения зажигания для того, чтобы смесь успевала полностью сго­реть.

С ростом нагрузки (увеличивается открытие дроссельной за­слонки) возрастает наполнение цилиндров и давление в конце сжатия, в результате чего процесс сгорания смеси ускоряется. Следовательно, при этом необходимо уменьшать угол опережения зажигания.

В результате применения топлива с более низким октановым числом возникает детонация, связанная с чрезвычайно быстрым сгоранием смеси. Детонация приводит к снижению долговечности двигателя. Чтобы устранить детонацию, необходимо уменьшить угол опережения зажигания.

Изменение угла опережения зажигания в зависимости от пере­численных факторов необходимо осуществлять автоматически. Следовательно, в систему зажигания должны быть включены сле­дующие элементы, осуществляющие изменение угла опережения зажигания:

1. регулятор угла опережения зажигания при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя;

2. регулятор угла опережения зажигания при изменении нагрузки (положения дроссельной заслонки).