Работа системы зажигания

Работу системы зажигания можно разделить на три этапа: замыкание контактов прерывателя и нарастание первичного тока; размыкание контактов прерывателя и индуцирование вторичного напряжения; искровой разряд между электродами свечи зажигания.

Рабочим режимом любой системы батарейного зажигания, использующей индукционную катушку в качестве источника высокого напряжения, является переходный режим, в результате чего образуется искровой разряд в свече зажигания.

Первый этап — замыкание контактов прерывателя

Здесь происходит подключение первичной обмотки катушки зажигания (накопителя) к источнику тока. Данный этап характеризуется нарастанием первичного тока и, как следствие этого, накопление электромагнитной энергии, запасаемой в магнитном поле катушки.

Второй этап — размыкание контактов прерывателя

Источник тока отключается от катушки зажигания. Первичный ток исчезает, в результате чего накопленная электромагнитная энергия превращается в электростатическую. Возникает ЭДС высокого напряжения во вторичной обмотке.

Третий этап — искровой разряд между электродами свечи зажигания

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

Рассмотрим рабочий процесс на примере классической системы зажигания.

Рис. 6.4. Схема замещения классической схемы зажигания после замыкания контактов прерывателя

Первый этап — замыкание контактов прерывателя

На этом 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 замкнут накоротко контактами К (рис. 6.4).

Процесс нарастания первичного тока (напряжение аккумуляторной батареи) согласно второму закону Кирхгофа описывается уравнением

где L_{ — индуктивность первичной цепи; i_x — ток в первичной цепи; t — текущее значение времени; /?, — омическое сопротивление первичной цепи.

В начальный момент времени при t= 0 ток /' = 0. При этом скорость нарастания первичного тока {dijdt)_i=0= UJL_X максимальна и не зависит от сопротивления R_v

При / = оо ток достигает установившегося значения i=UJR_x, а скорость его изменения равна нулю (di_x/dt)_l=ao = 0.

Для современных автомобильных катушек зажигания первичный ток достигает своего максимального значения примерно за 0,02 с.

ЭДС взаимоиндукции мала по величине и также изменяется по экспоненциальному закону.

В какой-то момент времени контакты размыкаются. Величина тока разрыва при прочих равных условиях зависит от времени замкнутого состояния контактов t_y

Время t₃ зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя (п), числа цилиндров (z), профиля кулачка, т. е. соотношения между углами замкнутого и разомкнутого состояния контактов.

Частоту размыкания контактов при четырехтактном двигателе или число искр в секунду можно найти по формуле

Глава 6. Система зажигания

117

Время полного периода работы прерывателя находится так:

где t_p — время разомкнутого состояния контактов.

Таким образом, ток разрыва уменьшается с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя и числа цилиндров и увеличивается с увеличением времени замкнутого состояния контактов, которое определяется формой кулачка. Ток разрыва зависит также от параметров первичной цепи: он прямо пропорционален напряжению аккумуляторной батареи {/_б, возрастает с уменьшением /?, и уменьшается с увеличением индуктивности L_v

Чтобы найти потери в первичной цепи, необходимо вычислить величину действующего значения тока, которая определяется из выражения

где д -f,₃ = 1,256.

А

Определив величину Ь_1д, находят мощность потерь Р_1пот, которая рассеивается в первичной обмотке катушки зажигания, на добавочном сопротивлении и в проводах:

Второй этап — размыкание контактов прерывателя

После окончания процесса накопления в момент зажигания контакты прерывателя размыкают цепь и тем самым прерывают первичный ток. В этот момент магнитное поле исчезает и в первичной и вторичной обмотках катушки индуцируется напряжение. По закону индукции напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, тем выше, чем больше коэффициент трансформации и величина первичного тока в момент его прерывания.

При выводе расчетных формул для подсчета первичного и вторичного напряжений воспользуемся упрощенной схемой, приведенной на рис. 6.5.

В данной схеме имеются два магнитосвязанных контура каждый из которых содержит емкость (С_|5 С₂), индуктивность (А, А)> эквивалентное сопротивление (/?,, R₂). Во вторичный контур включены шунтирующее сопротивление Я_ш и сопротивление потерь R_n, имитирующие утечки тока на свече зажигания и магнитные потери.

Рис. 6.5. Упрощенная схема замещения классической системы зажигания после размыкания контактов прерывателя

В момент размыкания контактов прерывателя электромагнитная энергия, запасенная в катушке, преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов С, и С₂ и частично переходит в теп-

лоту. Величину максимального вторичного напряжения можно получить из уравнения электрического баланса в контурах первичной и вторичной цепей, пренебрегая потерями в них:

где /_р —рабочий ток; U_Xm, U_2m — максимальные значения первичного и вторичного напряжения соответственно.

Заменяя U_Xm на iW_x/W₂}U_2m, где W_x и W₂ — число витков первичной и вторичной обмоток катушки зажигания, получим аналитическое выражение для расчета максимальной величины вторичного напряжения:

Данное выражение не учитывает потери энергии в сопротивлении нагара, шунтирующего искровой промежуток ИП свечи зажигания, магнитных потерь в стали, электрических потерь в искровом промежутке распределителя и в дуге на контактах прерывателя, которые приводят к снижению величины вторичного напряжения. Для учета потерь в контурах вводят коэффициент х, выражающий уменьшение максимального напряжения из-за потерь:

где W₂/W_x — коэффициент трансформации катушки зажигания; р — коэффициент затухания, величина которого для контактных систем зажигания составляет 0,75—0,85.

Изменения первичного тока i_x и вторичного напряжения U₂ в процессе работы прерывателя показаны на рис. 6.6.

При размыкании контактов прерывателя первичный ток /, совершает несколько периодов затухающих колебаний (рис. 6.6, а) до тех пор, пока энергия, запасенная в магнитном поле катушки, не израсходуется на теплоту в контуре с сопротивлением R_{. Если искровой промежуток вторичной цепи сделать настолько большим, чтобы пробоя не произошло (режим холостого хода или открытой цепи), то вторичное напряжение U₂, также как первичный ток, совершит несколько затухающих колебаний (рис. 6.6, б).

Третий этап — пробой искрового промежутка Для зажигания рабочей смеси электрическим способом необходимо образование электрического разряда между двумя электродами свечи зажигания, которые находятся в камере сгорания. Протекание электрического разряда в газовой среде может быть представлено вольт-амперной характеристикой (рис. 6.7).

Участок 0ab иллюстрирует процесс несамостоятельного разряда. Напряжение возрастает, ток остается практически неизменным и по величине ничтожно малым. При дальнейшем увеличении напряжения скорость движения ионов по направлению к электродам увеличивается. При начальном напряжении U_H начинается ударная ионизация, т. е. такой разряд, который, однажды возникнув, не требует для своего поддержания воздействия постороннего ионизатора. Если поле равномерное, то процесс поляризации сразу перерастает

Рис. 6.6. Переходные процессы в системе зажигания: а — затухание тока; б — затухание напряжения

Рис. 6.7. Вольт-амперная характеристика разряда в пробой. Если поле неравномерное, то вначале возникает местный пробой около электродов в местах с наибольшей напряженностью электрического поля, достигшей критического значения. Этот разряд называется «короной» и соответствует устойчивой части вольт- амперной характеристики (участок Ьс). 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 величины пробивного напряжения ?/ .

Проскочившая искра создает между сильно нагретыми электродами ионизированный канал. Температура в канале разряда радиусом 0,2—0,6 мм превышает 10 000 К. Сопротивление канала зависит от величины протекающего по нему тока. Дальнейшее протекание процесса зависит от параметров газового промежутка, цепи источника энергии.

Может иметь место 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 разрядами

Рис. 6.8. Изменение напряжения и силы тока искрового разряда: а — емкостная фаза разряда; б — индуктивная фаза разряда; г_ир — время индуктивной составляющей разряда; /_ир — амплитудное значение тока индуктивной фазы разряда

и соответствуют устойчивым участкам вольт-амперной характеристики. Тлеющий разряд характеризуется токами от КГ⁵ до КГ¹ А и практически неизменным напряжением. Дуговой разряд характеризуется значительными токами при относительно низких напряжениях на электродах.

На втором этапе был рассмотрен процесс формирования вторичного напряжения при отсутствии электрического разряда в свече зажигания. В действительности пробивное напряжение U_np ниже максимального вторичного напряжения U_2m, развиваемого системой зажигания, и поэтому, как только возрастающее напряжение достигает величины U_np в свече зажигания происходит искровой разряд, колебательный процесс обрывается (рис. 6.8).

Глава 6. Система зажигания

121