Система зажигания

Система зажигания

 

В бензиновом двигателе (SI) про­цесс сгорания топлива инициируется внеш­ним зажиганием. Поджог сжатой топливо­воздушной смеси в нужный момент времени осуществляется системой зажигания. Зажи­гание осуществляется электрической искрой, образуемой между электродами свечи зажи­гания в камере сгорания. Вот о том, как устроена система зажигания в бензиновом двигателе, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Стабильное, надежное зажигание при лю­бых условиях абсолютно необходимо для обеспечения бесперебойной работы двига­теля. Сбои в системе зажигания вызывают:

  • Пропуски зажигания смеси;
  • Повреждение или разрушение каталитиче­ского нейтрализатора;
  • Увеличение содержания токсичных ве­ществ в отработавших газах;
  • Увеличение расхода топлива;
  • Снижение эффективной мощности двига­теля.

 

Искровое зажигание

 

Напряжение на свече зажигания при статической или полустатической топливной смесиЭлектрическая искра может возникнуть на свече зажигания только по достижении необхо­димого напряжения зажигания (см. рис. «Напряжение на свече зажигания при статической или полустатической топливной смеси» ). На­пряжение зажигания зависит от зазора между электродами свечи зажигания и плотности топливно-воздушной смеси на момент зажига­ния. После электрического пробоя напряжение на свече зажигания снижается до напряжения горения искры. Напряжение горения искры за­висит от длины искры (определяемой зазором между электродами и отклонением искры по­током топливно-воздушной смеси).

В течение времени горения искры энергия, запасенная в системе зажигания, преобразу­ется в искру зажигания. Затем искра гаснет, и напряжение спадает до нуля.

 

Смесеобразование и энергия зажигания

 

Электрическая искра между электродами свечи зажигания создает высокотемператур­ную плазму. При наличии смеси соответству­ющего состава в области свечи зажигания и при подаче системой зажигания достаточ­ного количества энергии дуга создает фронт пламени, который затем распространяется независимо.

Система зажигания должна обеспечивать этот процесс при любых условиях работы двигателя. При идеальных условиях, когда топливно-воздушная смесь неподвижна, од­нородна и имеет стехиометрический состав, для каждого отдельного процесса зажига­ния требуется количество энергии, равное 0,2 мДж. В реальных условиях работы двига­теля требуется значительно больше энергии. Некоторая часть энергии искры преобразу­ется во время пробоя, а оставшаяся часть — во время горения искры.

При увеличении зазора между электро­дами искра увеличивается, однако для этого требуется более высокое напряжение за­жигания. При бедной топливно-воздушной смеси или на двигателях с наддувом также требуется увеличенное напряжение зажига­ния. При данном уровне энергии продолжи­тельность искры при увеличении напряже­ния зажигания уменьшается. Как правило, более продолжительная искра стабили­зирует процесс горения топлива; неодно­родность смеси в области свечи в момент зажигания может быть скомпенсирована за счет увеличения продолжительности искры Турбулентность топливно-воздушной смеси, подобная турбулентности, имеющей место в режиме послойного распределения заряда топлива, может вызвать значительное от­клонение искры, приводящее к ее погаса­нию. Для повторного зажигания топливно-воздушной смеси требуются многоискровые системы зажигания.

Необходимость в более высоких напря­жениях зажигания, большей продолжитель­ности искры и обеспечении многоискрового зажигания вызвала создание систем с более высокой энергией зажигания. Недостаточная энергия зажигания является причиной про­пусков зажигания топлива. Поэтому система зажигания должна обеспечивать достаточное количество энергии при любых условиях ра­боты двигателя.

Эффективное распыление топлива и сво­бодный доступ топливно-воздушной смеси к искре повышают воспламеняемость смеси и способствуют увеличению продолжительности и длины искры. Расположение и длина искры определяются размерами свечи зажигания. Продолжительность искры зависит от типа и конструкции системы зажигания, а также от условий в камере сгорания. В зависимости от особенностей двигателя (впрыск топлива во впускной трубопровод, прямой впрыск то­плива или наличие наддува) требуемая энергия искры составляет от 30 до 100 мДж.

 

 

Момент зажигания

 

Начало сгорания топлива в двигателе вну­треннего сгорания определяется моментом зажигания. Момент зажигания всегда ука­зывается относительно верхней мертвой точки поршня. Самый ранний возможный момент зажигания определяется пределом возникновения детонации, а самый позд­ний — пределом воспламеняемости смеси или максимальной допустимой температу­рой отработавших газов. Момент зажигания оказывает влияние на:

  • Крутящий момент двигателя;
  • Состав отработавших газов;
  • Расход топлива.

 

Базовая точка зажигания

 

Скорость распространения фронта пламени в камере сгорания увеличивается при уве­личении заряда смеси в цилиндре и частоты вращения коленчатого вала. Для создания максимального крутящего момента двига­теля максимальная скорость сгорания и, следовательно, максимальное давление продуктов горения должны достигаться вскоре после прохождения поршнем верх­ней мертвой точки (см. рис. «Характеристика давления в камере сгорания в зависимости от момента опережения зажигания» ). Следова­тельно, зажигание должно происходить до верхней мертвой точки, и момент зажигания должен сдвигаться в сторону опережения по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала или уменьшения заряда смеси.

 

Характеристика давления в камере сгорания в зависимости от момента опережения зажигания

 

Также момент зажигания должен быть сдвинут в сторону опережения в случае бедной топливно-воздушной смеси (λ > 1), поскольку в этом случае имеет место более низкая скорость распространения фронта пламени. Таким образом, установка момента зажигания зависит от частоты вращения ко­ленчатого вала, величины заряда смеси и со­става смеси (коэффициента избытка воздуха λ). Моменты опережения зажигания опреде­ляются на испытательном стенде, и в случае электронных систем управления двигателем сохраняются в программной памяти блока управления (см. рис. «Диаграмма момента зажигания в функции частоты вращения коленчатого вала и относительной величины заряда воздуха» ).

 

 

Коррекция момента опережения зажигания в зависимости от условий работы двигателя

 

Осуществляя управление моментом опереже­ния зажигания, электронные системы управ­ления двигателем, кроме частоты вращения коленчатого вала, могут учитывать и другие факторы. Базовый момент опережения зажига­ния может быть изменен посредством аддитив­ных коррекций или, для определенных рабочих точек или диапазонов, заменен в соответствии со специальными программными таблицами. В качестве примеров аддитивной коррекции можно привести коррекцию момента опереже­ния зажигания для предотвращения детонации, или при работе двигателя с системой прямого впрыска топлива на бедной смеси и во время прогрева. Примерами использования специаль­ных значений угла опережения зажигания или программных таблиц является коррекция угла опережения зажигания в режиме послойного распределения заряда смеси и во время пуска двигателя. Окончательная реализация зависит от архитектуры блока управления двигателем.

Состав отработавших газов и расход топлива

 

Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания аz на состав отработавших газовМомент опережения зажигания оказывает значи­тельное влияние на состав отработавших газов. Однако различные критерии оптимизации, такие как состав отработавших газов, расход топлива, динамика автомобиля и т.д., не всегда могут быть совместимы, поэтому определить «идеальный» момент опережения зажигания не всегда пред­ставляется возможным.

Изменения момента опережения зажигания вызывают взаимно противоположные измене­ния расхода топлива и состава отработавших газов (см. рис. «Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания аz на состав отработавших газов» и «Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания аz на расход топлива и крутящий момент» ). При увеличении опереже­ния зажигания возрастает мощность двигателя, снижается расход топлива, но также увеличи­вается содержание в отработавших газах угле­водородов и особенно оксидов азота. Слишком большое опережение зажигания может приве­сти к детонации двигателя и, как следствие, к его выходу из строя. Позднее зажигание приводит к повышению температуры отработавших газов, что также негативно влияет на работу двигателя.

Системы электронного управления работой двигателя по программируемым зависимостям изменения момента опережения зажигания обе­спечивают его корректировку в соответствии с изменениями таких параметров, как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, темпера­тура и т.п. Также электронные системы могут использоваться для получения оптимального сочетания взаимоисключающих параметров.

 

Предотвращение детонации

 

Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания аz на расход топлива и крутящий моментЭлектронные системы управления моментом опережения зажигания дают возможность точ­ного регулирования угла опережения зажигания в зависимости частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, температуры и т.д. Тем не менее, даже при отсутствии специальной системы кон­троля детонации должны быть предусмотрены средства предельно допустимых значений угла опережения зажигания.

Это необходимо, чтобы даже в экстремальных условиях, касающихся допусков изготовления, износа двигателя, окружающих условий, каче­ства топлива и т.д., ни в одном из цилиндров не могла возникать детонация. В результате прихо­дится снижать степень сжатия и сдвигать момент опережения зажигания в сторону запаздывания, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению крутящего момента двигателя.

Этих недостатков позволяет избежать си­стема контроля детонации. Опыт показывает, что эта система позволяет увеличить степень сжатия, значительно снизить расход топлива и повысить крутящий момент. В настоящее время требуемая коррекция угла опережения зажигания должна быть определена не для наи­худших, а, напротив, для наилучших возможных условий (например, для минимального разброса допусков, наилучшего качества топлива, для ци­линдра, менее всего склонного к детонации и т.д.). Теперь на протяжении всего срока службы двигателя стало возможным управлять каждым отдельным цилиндром таким образом, чтобы при любых условиях он работал вблизи порога детонации, т.е. с максимальной возможной эффективностью. Для создания такой системы особенно важно иметь надежный метод опреде­ления детонации. Этот метод должен позволять определять детонацию в каждом цилиндре во всем диапазоне условий работы двигателя, на­чиная с определенной интенсивности детонации.

Система контроля детонации

 

Блок-схема системы защиты двигателя от детонацииСистема контроля детонации (см. рис. «Блок-схема системы защиты двигателя от детонации» ) включает:

  • Датчик детонации:
  • Оценка сигнала;
  • Блок детектирования детонации;
  • Адаптивную систему регулирования угла зажигания.

 

Датчик детонации

 

Типичным симптомом детонации является вы­сокочастотная вибрация, накладывающаяся на кривую низкого давления в камере сгорания. Лучше всего эта вибрация определяется непо­средственно в камере сгорания при помощи датчиков давления. Датчик детонацииОднако, поскольку уста­новка датчиков давления в головке блока ци­линдров для каждого цилиндра все еще связана с высокими дополнительными затратами, эти вибрации обычно определяются при помощи датчиков детонации, устанавливаемых снаружи двигателя. Эти датчики представляют собой пье­зоэлектрические датчики ускорения (см. рис. «Датчик детонации» ), воспринимающие детонационную вибрацию и преобразующие ее в электрический сигнал.

Существуют датчики детонации двух ти­пов: широкополосный датчик с типичной полосой частот от 5 до 20 кГц и резонанс­ный датчик, передающий сигнал детонации только одной резонансной частоты. Гибкая система оценки сигнала в блоке управления дает возможность оценки различных или не­скольких резонансных частот при помощи одного широкополосного датчика детонации. Это повышает надежность системы, в связи с чем в настоящее время в основном приме­няются широкополосные датчики детонации.

Для надежного определения детонации во всех цилиндрах и при любых условиях работы двигателя количество и расположение датчиков детонации необходимо определить для каждого типа двигателя. На четырехцилиндровых ряд­ных двигателях обычно устанавливают один или два датчика детонации, на 5- и 6-цилиндровых двигателях — два, а на 8- и 12-цилиндровых дви­гателях — четыре датчика детонации.

 

 

Оценка сигнала датчика детонации

 

Специальный блок оценки сигнала в блоке управления обрабатывает сигнал широко­полосного датчика детонации и генерирует показательную переменную для каждого процесса сгорания топлива. Эта чрезвычайно гибкая система оценки сигнала, использую­щая широкополосный датчик детонации, дает значительно лучшие результаты по сравне­нию с резонансным датчиком детонации. Это связано с тем, что резонансный датчик передает только одну резонансную частоту для анализа состояния всех цилиндров при любых условиях работы двигателя.

Детектирование детонации

 

Переменная величина, генерируемая блоком оценки сигнала, классифицируется в алго­ритме детектирования детонации как «де­тонация» или «отсутствие детонации» для каждого цилиндра и каждого процесса сго­рания топлива. Это выполняется посредством сравнения величины переменной, характери­зующей текущий процесс сгорания топлива с переменной, представляющей процесс без детонации.

Адаптивная система регулирования угла опережения зажигания

 

В случае детектирования детонации в цилин­дре момент опережения зажигания для этого цилиндра сдвигается в сторону запаздывания (см. рис. «Система контроля детонации» ). Система контроля детонацииКогда детонация прекращается, угол опережения зажигания возвращается к исходному значению. Алгоритмы детектирования детонации и регулирования угла опережения зажигания согласованы таким образом, чтобы исключить слышимую и вредную для двигателя детонацию, несмотря на то, что каждый цилиндр работает вблизи предела детонации в пределах диапазона оптимальной эффективности.

В реальных условиях работы двигателя имеют место различные пределы детонации для отдельных цилиндров, что требует для них различных моментов опережения зажигания. Для адаптации момента опережения зажигания к пределу детонации значения запаздывания опережения зажигания для каждого цилиндра и для каждой рабочей точки двигателя записы­ваются в память блока управления. Эти значе­ния для различных нагрузок и частот вращения коленчатого вала заносятся в программные таблицы, которые хранятся в энергонезависи­мом запоминающем устройстве и в ОЗУ с по­стоянным питанием. Таким образом, двигатель может работать без детонации с оптимальной эффективностью в любой рабочей точке, а также в условиях быстрого изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Эта адаптация позволяет даже использовать бензин с более низким октановым числом.

Системы зажигания двигателя

 

На современных автомобилях системы зажи­гания почти всегда представляют собой часть системы управления двигателем. Система зажигания с индивидуальными катушками зажигания для каждого цилиндраАвтоном­ные системы зажигания в настоящее время используются только в некоторых случаях (например, на автомобилях с двигателями малого рабочего объема). В основном приме­няются системы распределения статического высокого напряжения с отдельными катуш­ками зажигания для каждого цилиндра (ин­дуктивные системы зажигания, см. рис. «Система зажигания с индивидуальными катушками зажигания для каждого цилиндра» ). Значительно реже (на малолитражных дви­гателях) используются системы зажигания на основе высоковольтных конденсаторов (емкостное зажигание) или специальные кон­струкции, такие как магнето. В следующем разделе будут рассмотрены только системы с использованием катушек зажигания.

 

Техника безопасности при работе с системой зажигания

 

Все электронные системы зажигания являются системами высокого напряжения. Во избежание любых рисков, перед тем как приступить к работам по обслуживанию систем зажигания всегда выключайте зажигание или отсоединяйте аккумуляторную батарею. Такие работы могут включать:

  • Замену компонентов системы (свечей зажига­ния, катушек или трансформаторов зажигания, распределителей зажигания, проводов высо­кого напряжения);
  • Подсоединение контрольно-измерительных приборов, таких как стробоскопические лампы, измерители угла замкнутого состояния, частоты вращения коленчатого вала, осцилло­графов.

 

Производя проверку системы зажигания, помните, что при включенном зажигании в системе присутствуют опасные высокие сопряжения. Все работы должны выполняться только квалифицированным персоналом.

 

Индуктивные системы зажигания

 

Контур индуктивной системы зажигания (см. рис. «Структура контура зажигания в системе с отдельными катушками зажигания для каждого цилиндра» ) включает:

  • катушку зажигания с первичной и вторич­ной обмотками;
  • Задающий (усилительный) каскад, как правило на биполярных полевых транзи­сторах с изолированным затвором (IGBT), встроенный в блок управления двигателем или катушку зажигания. Этот элемент слу­жит для подачи электрического тока на первичную обмотку катушки зажигания и отключения электрического тока.
  • Свечу зажигания, подключенную к вторич­ной обмотке катушки зажигания.

 

Структура контура зажигания в системе с отдельными катушками зажигания для каждого цилиндраПеред требуемым моментом зажигания за­дающий (усилительный) каскад открывается, и через первичную обмотку катушки начинает протекать электрический ток, источником ко­торого является электрическая система авто­мобиля. В течение времени протекания тока по первичной обмотке (период протекания тока), в первичной обмотке создается магнитное поле.

В момент зажигания электрический ток че­рез первичную обмотку снова прерывается, и энергия магнитного поля разряжается через вторичную обмотку катушки зажигания. В ходе этого процесса во вторичной обмотке генери­руется высокое напряжение, которое, в свою очередь, генерирует искру на свече зажигания. Требуемое напряжение зажигания на свече всегда должно быть меньше максимального возможного напряжения, которое может соз­дать система.

После электрического пробоя оставшаяся часть энергии преобразуется на свече зажи­гания в течение периода горения искры.

Функции индуктивной системы зажигания

 

Основными функциями индуктивной си­стемы зажигания являются:

  • Определение момента зажигания;
  • Определение периода протекания электри­ческого тока в первичной обмотке;
  • Инициирование зажигания.

 

Определение момента зажигания

 

Текущий момент зажигания определяется в каждом случае программным образом, в за­висимости от условий работы и эффективной выходной мощности двигателя.

 

 

Определение периода протекания электри­ческого тока

 

Требуемая энергия зажигания должна быть доступна в момент зажигания. Количество на­копленной энергии зависит от силы электри­ческого тока протекающего через первичную обмотку катушки (тока отсечки) и индуктив­ности первичной обмотки. Сила тока отсечки, в основном, зависит от времени протекания тока через первичную обмотку и от напряжения в электрической системе автомобиля. Значения периодов протекания тока, требуемых для до­стижения желаемого тока отсечки, содержатся в характеристических кривых или программных таблицах в функции напряжения в установив­шемся состоянии. Также может быть предусмо­трена коррекция периода протекания тока в пер­вичной обмотке в зависимости от температуры

Инициирование зажигания

 

Система инициирования зажигания обеспе­чивает возникновение искры в соответствую­щем цилиндре в нужный момент времени с требуемым уровнем энергии зажигания. В системах зажигания с электронной систе­мой управления на коленчатом вале закре­плен импульсный зубчатый диск (обычно 60 зубцов) с установочной меткой, который сканируется генератором импульсов индук­тивного типа (датчиком). По сигналу датчика блок управления вычисляет угол поворота коленчатого вала и моментальную скорость вращения коленчатого вала. Катушка зажи­гания может быть включена и выключена при любом требуемом положении коленча­того вала. Для системы также требуется до­полнительный фазовый сигнал положения распределительного вала для однозначной идентификации цилиндра.

Для каждого процесса сгорания топлива блок управления вычисляет момент вклю­чения, исходя из желаемого момента зажи­гания, периода протекания электрического тока и текущей частоты вращения коленча­того вала, и в этот момент включает задаю­щий (усилительный) каскад. Выключение задающего каскада в соответствии с требуе­мым моментом зажигания, производится по истечении периода протекания тока или по достижении требуемого угла поворота колен­чатого вала.

В следующей статье я расскажу о катушке зажигания.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *