Частина, що залишилася, енергії виділяється у вигляді індуктивного розряду. При умовах, властивих роботі розподільників і розрядників, і при звичайних параметрах котушок запалювання індуктивний розряд завжди відбувається на стійкій частині вольтамперної характеристики, що відповідає тліючому розряду. Струм індуктивного розряду 20.. .40 ма. Напруга між електродами свічі сильно знижується й складається в основному з катодного спадання напруги UK і спадання напруги в позитивному стовпі Ed:
(3.16)
де Uпр -- напруга іскрового розряду; Е -- напруженість поля в позитивному стовпі; В/мм; d -- відстань між електродами.
Спадання напруги Uк=220...330 У.
Тривалість індуктивної складової розряду на 2...3 порядку вище ємнісної й досягає залежно від типу котушки запалювання, зазору між електродами свічі й режиму роботи двигуна (пробивної напруги) 1...1.5 мс. Іскра має бліді фіолетово-жовті кольори. Ця частина розряду одержала назву хвоста іскри.
За час індуктивного розряду в іскровому проміжку свічі виділяється енергія, що може бути визначена аналітично:
(3.17)
На практиці широко використається наближена формула для підрахунку енергії іскрового розряду
Розрахунки й експерименти показують, що при низьких частотах обертання двигуна енергія індуктивного розряду Wиp=15...20 мДж для звичайних класичних автомобільних систем запалювання.
3.2. Електронні системи запалювання
3.2.1. Основні напрямки створення перспективних систем
запалювання.
Розвиток сучасного двигунобудування відбувається в напрямку підвищення економічності й зниження питомої ваги при одночасному збільшенні частоти обертання колінчатого вала двигуна й ступеня стиску. Ступінь стиску становить 7,0...8,5, але на перспективних автомобілях установлюються двигуни зі ступенем стиску 9,0...10 і більше. Таке підвищення ступеня стиску вимагає значного збільшення вторинної напруги, необхідного для пробою іскрового проміжку свічі [5].
Частота обертання колінчатого вала автомобільних двигунів також неухильно зростає й у цей час досягає 5000...8000 хв-1, діапазон робочих температур двигуна лежить у межах --40...+100 °С. Прагнення підвищити паливну економічність двигуна змушує використати збіднену суміш, для надійного запалення якої потрібна більша довжина іскрового проміжку свічі, тобто потрібна більша енергія розряду. Іскровий проміжок свічі лежить у межах 0,8...1,2 мм [3]. Таким чином, до сучасної системи запалювання пред'являються більше високі вимоги: збільшення вторинної напруги при одночасному підвищенні надійності; енергія іскрового розряду повинна бути достатньої для запалення суміші на всіх режимах роботи двигуна (15....50 мдж і більше); стійке іскроутворювання в різних експлуатаційних умовах (забруднення свіч, коливання температури, коливання напруги бортової мережі й т.д.); усталена робота при значних механічних навантаженнях; простота обслуговування системи; мінімальне споживання енергії джерел живлення; мінімальні маса, габарити й низька вартість. Крім того, необхідно враховувати, які показники двигуна є найбільш важливими: потужність, паливна економічність, мала токсичність газів, що відробили.
Такі вимоги не можуть бути задоволені при використанні класичної (батарейної) системи запалювання, тому що в цьому випадку практично єдиним реальним способом збільшення вторинної напруги є збільшення сили струму розриву. Однак збільшення сили струму розриву понад певне значення (3,5...4,0 А при 12 У) приводить до ненадійної роботи контактів переривника й різкому скороченню їхнього терміну служби.
Перераховані вимоги до системи запалювання викликали необхідність створення нових пристроїв, що дозволяють поліпшити умови запалення робочої суміші в циліндрах.
Одним зі шляхів підвищення запалювання вторинної напруги, що розвиває системою, є застосування напівпровідникових приладів, що працюють як керовані ключі, що служать для переривання струму в первинній обмотці котушки запалювання. Найбільш широке використання в якості напівпровідникових реле знайшли потужні транзистори, здатні комутирувати струми амплітудою до 10 А в індуктивному навантаженню без якого-небудь іскріння й механічного ушкодження, характерних для контактів переривника. Функцію електронного реле можуть виконувати також і силові тиристори, але широкої промислової реалізації в системах запалювання з накопиченням енергії в індуктивності вони не мали.
Таким чином, застосування транзисторів у системі запалювання дозволило принципово усунути основний недолік класичної системи запалювання. Сила струму розриву вже не обмежується стійкістю контактів переривника, а залежить лише від параметрів транзистора.
По конструктивному виконанню контактно-транзисторні системи різні й можуть містити від одного до декількох напівпровідникових підсилювальних елементів. Таким чином, у системах з контактним керуванням режим роботи контактів переривника значно полегшений і тому їхній термін служби більше. Однак цим системам як і раніше властиві недоліки класичної системи запалювання (механічне зношування контактів переривника й обмежений швидкісний режим через вібрацію контактів переривника й т.п.).
Системами, що не мають перерахованих недоліків, є системи з безконтактним керуванням моментом іскроутворювання (безконтактні системи запалювання - БСЗ) - системи запалювання I покоління. У БСЗ контакти переривника замінені безконтактним датчиком, що виробляє електричні імпульси в строго задані моменти часу. Ці імпульси надходять у схему керування струмом (імпульсний підсилювач) первинної обмотки котушки запалювання. Безконтактні датчики не мають механічного контакту й тому практично не піддані зношування.
Відзначений недолік не дозволяє в рамках БСЗ із постійним кутом включеного стану вихідного транзистора вести подальшу інтенсифікацію вихідних характеристик. Тому наступним етапом у розвитку БСЗ з'явилося створення систем запалювання з нормованим часом накопичення енергії. У таких системах у всьому діапазоні частот обертання вала двигуна й значень живлячої напруги визначається мінімальний час, за яке струм розриву досягає сили, необхідної для індукування необхідного значення вторинної напруги.
Нормування часу накопичення енергії дозволяє знизити потужність втрат у котушці й комутаторі при низьких і середніх частотах обертання вала двигуна при одночасному збільшенні струму розриву й відповідно енергії іскрового розряду, забезпечити оптимальний закон зміни вторинної напруги й енергії іскри залежно від частоти обертання вала двигуна, стабілізувати вихідна напруга системи при коливаннях напруги живлення.
Безконтактні системи з нормуванням часу накопичення енергії реалізуються шляхом введення в комутатор спеціального електронного регулятора часу накопичення.
Основними недоліками БСЗ є механічний спосіб розподілу енергії по циліндрах двигуна, недосконалість механічних автоматів кута випередження запалювання, погрішності моменту іскроутворювання через механічну передачу від колінчатого вала двигуна до розподільника.
Найбільше повно відповідають всім вимогам, пропонованим до сучасних систем запалювання, системи з електронним регулюванням кута випередження запалювання. Серед способів реалізації цих систем можна виділити два основних: аналоговий і цифровий. Аналоговий спосіб ставиться до електронних систем запалювання більше раннього покоління, коли елементна база, використовувана для їхньої побудови, мала малий ступінь інтеграції (системи запалювання II покоління). Цифрові системи запалювання (системи запалювання III покоління) є більше зробленими. В основу їхньої роботи покладені принципи, широко застосовувані в обчислювальній техніці. Цифрові регулятори являють собою невеликі, різні по складності обчислювачі, порядок роботи яких задається спеціальним алгоритмом. Під час роботи двигуна датчики передають інформацію про частоту обертання й навантаженню двигуна, про положення колінчатого вала, про температуру двигуна й температурі навколишнього середовища. На підставі цієї інформації, обробленої в інтерфейсі, обчислювальний пристрій визначає оптимальний для даного режиму кут випередження запалювання. У рамках цифрової системи запалювання можливе застосування як традиційного механічного розподільника, у функції якого залишається лише високовольтний розподіл енергії по циліндрах 1Ц... 4Ц двигуна, так і електронного розподілу. У цьому випадку для чотирициліндрового двигуна, наприклад, застосовується двохканальний комутатор, два вихідних транзистори якого поперемінно комутирують струм у первинних обмотках двохвыводних або однієї чотирьохвиводний котушці запалювання. При цьому блок керування формує два сигнали, керуючих роботою комутатора.
3.2.2 Мікропроцесорні системи запалення
І все-таки цифрові системи запалювання з'явилися перехідним етапом. Останнім досягненням у цій області стали мікропроцесорні системи (системи IV покоління). Вони практично не відрізняються від керуючих ЕОМ, широко застосовуваних у цей час у багатьох галузях науки й техніки. Мікропроцесорні системи керування автомобільним двигуном умовно можна віднести до систем запалювання, тому що функція безпосереднього запалювання є в них частиною рішення питання про оптимізацію характеристик двигуна, однак саме в комплексних системах керування двигуном і укладений прогрес системи запалювання [15].
4 РОЗРАХУНОК СИСТЕМИ ЗАПАЛЕННЯ
У даному розділі представлено розрахунок класичної контактної системи запалення для чотирьох тактного бензинового двигуна. Метою розрахунку є визначення максимального значення напруги вторинної обмотки U2M та струму первинної обмотки відповідний моменту розмикання контактів переривника Ір.
Нижче приведені вихідні дані для розрахунку.
Розрахунок наведено для наступних обертів колінчатого валу двигуна: 800, 3000, 4000 та 6000 про-1.
Схеми для розрахунку представлені на мал. 3.1 і 3.2.
Вторинна напруга залежить від величини первинного струму, параметрів котушки запалення, кількості циліндрів, кутової швидкості колінчатого вала двигуна та ін. Вторинна напруга може бути представлена сумою двох складових, одна з яких визначається параметрами вторинного контуру та є переважаючою за амплітудою.
Максимальна величина вторинної напруги приблизно визначається наступним чином за формулою (3.14):
де: Ip - струм первинного ланцюга в момент розмикання контактів переривника;
= 67 - коефіцієнт трансформації котушки запалення;
L1 = 4.7 мГн - індуктивність первинної обмотки котушки запалення;
C1 = 0,2 мкф - ємність конденсатори первинного ланцюга, приєднаного паралельно контактам переривника;
C2 = 0,5 мкф - ємність вторинного ланцюга системи;
з - коефіцієнт затухання.
Коефіцієнт затухання:
де: - еквівалентний опір втрат системи запалення;
Rш = 0,05 Ом - опір, шунтірующій іскрову відстань свічі запалення;
Rn = 1,4 Ом - опір втрат у системі (без урахування Rш);
Cэ = З1+З2? (щ2/щ1) 2 - еквівалентна ємність.
Струм первинної обмотки відповідний моменту розмикання контактів переривника, визначається наступним чином, за формулою (3.5):
де: Uбат = 12 В - напруга живлення;
R1 = 0,43 Ом- сумарний омічний опір первинного ланцюга;
- відносна замкнутість контактів переривника
(tз - час замкнутого стану контактів переривника;
tр - час роз'єднаного стану контактів переривника);
nд - кутова швидкість обертання колінчатого вала двигуна;
Z = 4 - число циліндрів двигуна.
1. При холостому ході розрахунок буде мати такий вигляд:
Максимальна величина вторинної напруги приблизно визначається наступним чином:
кВ
де: Ip - струм первинного ланцюга в момент розмикання контактів переривника;
= 67 - коефіцієнт трансформації котушки запалення;
L1 = 4,7 мГн - індуктивність первинної обмотки котушки запалення;
C1 = 0,2 мкф - ємність конденсатори первинного ланцюга, приєднаного паралельно контактам переривника;
C2 = 0,5 мкф - ємність вторинного ланцюга системи;
з - коефіцієнт затухання.
Коефіцієнт затухання:
де: мОм - еквівалентний опір втрат системи запалення;
Rш = 0,05 Ом - опір, шунтірующій іскрову відстань свічі запалення;
Rn = 1,4 Ом - опір втрат у системі (без урахування Rш);
Cэ=З1+З2? (щ2/щ1) 2=1512 мкф - еквівалентна ємність.
Струм первинної обмотки відповідний моменту розмикання контактів переривника, визначається наступним чином:
де: Uбат = 12 В - напруга живлення;
R1 = 0,43 Ом сумарний омічний опір первинного ланцюга;
- відносна замкнутість контактів переривника
(tз - година замкнутого стану контактів переривника;
tр - година роз'єднаного стану контактів переривника);
nд = 800 про-1 - кутова швидкість обертання колінчатого вал двигуна;
Z = 4 - число циліндрів двигуна.
2. При 3000 обертів колінчатого вала двигуна розрахунок буде мати такий вигляд:
Максимальна величина вторинної напруги приблизно визначається наступним чином:
кВ
де: Ip - струм первинного ланцюга в момент розмикання контактів переривника;
= 67 - коефіцієнт трансформації котушки запалення;
L1 = 4,7 мГн - індуктивність первинної обмотки котушки запалення;
C1 = 0,2 мкф - ємність конденсатори первинного ланцюга, приєднаного паралельно контактам переривника;
C2 = 0,5 мкф - ємність вторинного ланцюга системи;
з - коефіцієнт затухання.
Коефіцієнт затухання:
де: мОм - еквівалентний опір втрат системи запалення;
Rш = 0,05 Ом - опір, шунтірующій іскрову відстань свічі запалення;
Rn = 1,4 Ом - опір втрат у системі (без урахування Rш);
Cэ=З1+З2? (щ2/щ1) 2=1512 мкф - еквівалентна ємність.
Струм первинної обмотки відповідний моменту розмикання контактів переривника, визначається наступним чином:
де: Uбат = 12 В - напруга живлення;
R1 = 0,43 Ом- сумарний омічний опір первинного ланцюга;
- відносна замкнутість контактів переривника
(tз - година замкнутого стану контактів переривника;
tр - година роз'єднаного стану контактів переривника);
nд = 3000 про-1 - кутова швидкість обертання колінчатого вал двигуна;
Z = 4 - число циліндрів двигуна.
3. При 4000 обертів колінчатого вала двигуна розрахунок буде мати такий вигляд:
Максимальна величина вторинної напруги приблизно визначається наступним чином:
кВ
де: Ip - струм первинного ланцюга в момент розмикання контактів переривника;
= 67 - коефіцієнт трансформації котушки запалення;
L1 = 4,7 мГн - індуктивність первинної обмотки котушки запалення;
C1 = 0,2 мкф - ємність конденсатори первинного ланцюга, приєднаного паралельно контактам переривника;
C2 = 0,5 мкф - ємність вторинного ланцюга системи;
з - коефіцієнт затухання.
Коефіцієнт затухання:
де: мОм - еквівалентний опір втрат системи запалення;
Rш = 0,05 Ом - опір, шунтірующій іскрову відстань свічі запалення;
Rn = 1,4 Ом - опір втрат у системі (без урахування Rш);
Cэ=З1+З2? (щ2/щ1) 2=1512 мкр - еквівалентна ємність.
Струм первинної обмотки відповідний моменту розмикання контактів переривника, визначається наступним чином:
де: Uбат = 12 В - напруга живлення;
R1 = 0,43 Ом- сумарний омічний опір первинного ланцюга;
- відносна замкнутість контактів переривника
(tз - година замкнутого стану контактів переривника;
tр - година роз'єднаного стану контактів переривника);
nд = 4000 об-1 - кутова швидкість обертання колінчатого вал двигуна;
Z = 4 - число циліндрів двигуна.
4. При 6000 обертів колінчатого вала двигуна розрахунок буде мати такий вигляд:
Максимальна величина вторинної напруги приблизно визначається наступним чином:
кВ
де: Ip - струм первинного ланцюга в момент розмикання контактів переривника;
= 67 - коефіцієнт трансформації котушки запалення;
L1 = 4,7 мГн - індуктивність первинної обмотки котушки запалення;
C1 = 0,2 мкф - ємність конденсатори первинного ланцюга, приєднаного паралельно контактам переривника;
C2 = 0,5 мкф - ємність вторинного ланцюга системи;
з - коефіцієнт затухання.
Коефіцієнт затухання:
де: мОм - еквівалентний опір втрат системи запалення;
Rш = 0,05 Ом - опір, шунтуючий іскрову відстань свічі запалення;
Rn = 1,4 Ом - опір втрат у системі (без урахування Rш);
Cэ=З1+З2? (щ2/щ1) 2=1512 мкр - еквівалентна ємність.
Струм первинної обмотки відповідний моменту розмикання контактів переривника, визначається наступним чином:
де: Uбат = 12 В - напруга живлення;
R1 = 0,43 Ом- сумарний омічний опір первинного ланцюга;
- відносна замкнутість контактів переривника
(tз - година замкнутого стану контактів переривника;
tр - година роз'єднаного стану контактів переривника);
nд = 6000 про-1 - кутова швидкість обертання колінчатого вал двигуна;
Z = 4 - число циліндрів двигуна.
Отримані при розрахунках параметри наведені в таблиці 4.1
Таблиця 4.1
Оберти колінчатого валу, про-1 | 800 | 3000 | 4000 | 6000 | |
Величина вторинної напруги U2М, кВ | 9,7 | 8,2 | 6,7 | 5,6 | |
Струм первинної обмотки, Ір, А | 26 | 22 | 18 | 15 |
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
