Назначение систем зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндрах бензинового двигателя. Топливовоздушная смесь воспламеняется в камере сгорания двигателя посредством электрического разряда между электродами свечи зажигания, установленной в головке блока цилиндров. Для создания искры между электродами свечи применяются системы зажигания от магнето и батарейные системы зажигания, источником тока высокого напряжения в которых являются катушки индуктивности.

В батарейной системе зажигания источником энергии является аккумуляторная батарея или генератор (в зависимости от режима работы двигателя). Система зажигания от магнето отличается от батарейной тем, что источник электроэнергии в ней — магнитоэлектрический генератор, конструктивно объединенный с индукционной катушкой. Система зажигания от магнето в настоящее время на автомобилях практически не применяется.

Посредством системы зажигания обеспечивается генерация импульсов высокого напряжения в нужный момент времени на тактах сжатия в рабочих цилиндрах двигателя и распределение этих импульсов по цилиндрам в соответствии с порядком их работы. Момент зажигания характеризуется углом опережения зажигания θ, который представляет собой угол поворота коленчатого вала φ от положения, соответствующего моменту подачи искры, до положения, когда поршень проходит через верхнюю мертвую точку (ВМТ).

Электрическая искра инициирует химическую реакцию оксидирования топливовоздушной смеси, сопровождающуюся выделением теплоты. Процесс сгорания топливовоздушной смеси разделяют на три фазы:

• начальную, когда формируется пламя в результате искрового разряда в свече;
• основную, когда пламя распространяется на большую часть камеры сгорания;
• конечную, когда пламя догорает у стенок цилиндра.

На начальную фазу сгорания топливовоздушной смеси влияют энергия и длительность искрового разряда между электродами свечи зажигания. На рабочих режимах к моменту искрообразования топливовоздушная смесь имеет температуру, близкую к температуре самовоспламенения, поэтому для формирования первоначального очага пламени достаточна энергия электрического разряда порядка 5 мДж. Однако при пуске двигателя и его работе в режиме холостого хода на обедненной топливовоздушной смеси, а также при частичном и резком открытиях дроссельной заслонки может потребоваться энергия искры до 30—100 мДж. Для бесперебойного искрообразования на свечу зажигания необходимо подать напряжение до 30 кВ.

Высокий уровень напряжения обеспечивает промежуточный источник энергии. По способу накопления энергии в промежуточном источнике различают системы зажигания с накоплением энергии в магнитном поле (в индуктивности) катушки индуктивности (рис. 1, а) или в электрическом поле (в емкости) конденсатора (рис. 1, б). В обоих случаях для получения импульса высокого напряжения используется катушка зажигания, представляющая собой трансформатор (или автотрансформатор), содержащий две обмотки: первичную L1 с малым числом витков и сопротивлением, равным долям ома, и вторичную L2 с большим числом витков и сопротивлением, равным единицам и десяткам килоом. Коэффициент трансформации катушек зажигания находится в пределах 50—225.




В системах зажигания с накоплением энергии в индуктивности первичная обмотка L1 катушки индуктивности подключается к аккумуляторной батарее GB последовательно через механический или электронный переключатель S2. В системах зажигания с накоплением энергии в емкости первичная обмотка катушки индуктивности периодически подключается к конденсатору управляемым электронным переключателем S2. Конденсатор предварительно заряжается от источника электропитания на автомобиле через статический преобразователь напряжения.



Батарейная система зажигания включает следующие основные элементы (рис. 2):

• источник тока (ИТ), функцию которого выполняет аккумуляторная батарея или генератор;
• выключатель (ВК) цепи электропитания (выключатель зажигания);
• датчик синхронизатора (Д), подающий сигналы об угловом положении коленчатого вала;
• регуляторы момента зажигания (РМЗ), которые задают определенный момент подачи высокого напряжения на свечу в зависимости от частоты вращения n коленчатого вала и разрежения Δр_к во впускном патрубке;
• источник высокого напряжения (ИВН), содержащий промежуточный накопитель энергии (Н) и преобразователь (П) низкого напряжения в высокое;
• силовое реле (СР), в качестве которого могут служить механические контакты прерывателя или электронный ключ (транзистор или тиристор);
• распределитель (Р) импульсов высокого напряжения по свечам;
• помехоподавительные устройства (ПП), экранирующие элементы системы зажигания или помехоподавительные резисторы, размещаемые в распределителе или в наконечниках свечей, или в высоковольтных проводах в виде распределенного сопротивления;
• свечи зажигания (СВ), на которые подается высокое вторичное напряжение, необходимое для возникновения искрового разряда между электродами.

Как видно из индикаторной диаграммы четырехтактного двигателя (рис. 3), для рабочих циклов характерно значительное изменение давления р в цилиндрах. С изменением давления изменяется и температура топливовоздушной смеси. Сжатие топливовоздушной смеси начинается после закрытия впускного клапана в точке а₂. Если топливовоздушная смесь не воспламеняется, то давление в цилиндре повышается до максимального значения в момент прохождения поршнем ВМТ (штриховая линия). Более резкий рост давления в цилиндре после подачи искры в точке К обусловлен воспламенением и последующим сгоранием топливовоздушной смеси. На такте расширения за счет теплоты, выделяемой при сгорании топливовоздушной смеси, совершается полезная работа.




Для большинства двигателей оптимальное положение точки z на диаграмме, когда давление сгорания достигает максимального значения, составляет 10—15° угла φ поворота коленчатого вала после ВМТ. Начальная фаза сгорания — фаза формирования фронта пламени соответствует участку индикаторной диаграммы от момента подачи искры в точке К до точки m, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты сгорания становится выше давления сжатия без подачи искры. На длительность этой фазы влияют состав топливовоздушной смеси, степень сжатия, частота вращения коленчатого вала, нагрузка двигателя, параметры искрового разряда и другие факторы.

После окончания начальной фазы до момента, когда давление достигает максимального значения, протекает основная фаза горения, которая мало зависит от физико-химических свойств топливовоздушной смеси. С увеличением частоты вращения коленчатого вала возрастает турбулентность смеси, но уменьшаются длительности начальной фазы и всего цикла сгорания. Поэтому угол φ, соответствующий основной фазе сгорания, изменяется незначительно. В течение основной фазы сгорает до 90% топливовоздушной смеси.

В конечной фазе (фазе догорания) сгорает топливовоздушная смесь, находящаяся у стенок цилиндра. На длительность конечной фазы параметры искрового разряда не влияют, так как свеча находится в зоне уже полностью сгоревшей смеси.

Сгорание топливовоздушной смеси на конечной стадии может сопровождаться возникновением ударных волн. Такое сгорание называется детонационным. Скорость детонационного сгорания превышает скорость распространения фронта пламени при нормальном протекании процесса сгорания. Внешним проявлением детонации является звонкий «металлический» звук, возникающий при отражении ударных волн от стенок цилиндра. Детонационное сгорание сопровождается повышенными тепловыми и механическими нагрузками на детали цилиндропоршневой группы. Детонация устраняется уменьшением угла θ опережения зажигания.

Воспламенение топливовоздушной смеси от электрической искры происходит благодаря локальному тепловыделению или сильной ионизации газа. Температура нагрева небольшого объема топливовоздушной смеси около электродов свечи зажигания и требуемая для воспламенения энергия искры зависят от состава топливовоздушной смеси и степени ее турбулизации, которая в свою очередь зависит от режимов работы двигателя и организации процессов топливоподачи и поступления рабочего заряда в цилиндры.