Основные принципы работы систем зажигания

Глава 8

Системы зажигания

Основные принципы работы систем зажигания

Функциональные требования

Основное назначение системы зажигания состоит в том, чтобы обеспечивать ценообразование в цилиндре в конце фазы сжатия и воспламенять сжатый объем воздушно-топливной смеси. Чтобы искра пробила воздушный промежуток 0,6 мм при нормальных атмосферных условиях (I бар) требуется напряжение 2—3 кВ. Чтобы искра пробила подобный промежуток в цилиндре двигателя, имеющего степень сжатия 8:1, потребуется уже приблизительно 8 кВ. Для более высоких степеней сжатия и более слабых смесей, может понадобиться напряжение до 20 кВ. Система зажигания должна преобразовывать нормальное напряжение батареи 12 В до уровня порядка 8-20 кВ и, кроме того, должна подвести это высокое напряжение к нужному цилиндру и в нужное время. Некоторые системы зажигания могут развивать напряжение порядка 40 кВ. Обычное (классическое) зажигание — предшественник современной системы, которой управляет электроника. Стоит заметить, что принципы функционирования большинства систем зажигания очень похожи. Одна обмотка катушки подключается к источнику питания, затем ток в ней прерывается, создавая высокое напряжение во второй обмотке. Система зажигания с катушкой

состоит на различных компонентов и узлов, параметры и конструкция которых зависят в основном от двигателя, в котором система должна использоваться. При рассмотрении конструкции системы зажигания необходимо принимать в расчет множество факторов, и самыми важными из них будут:

♦ конструкция камеры сгорания;

♦ качество воздушно-топливной смеси;

♦ диапазон скоростей двигателя;

♦ нагрузка двигателя;

♦ температура сгорания топлива;

♦ предназначение двигателя;

♦ регулирование состава продуктов сгорания.

Типы систем зажигания

Классификация систем зажигания показана в табл. 8.1.

Генерация высокого напряжения

Если две катушки (первичная и вторичная обмотки) памятны на одном и том же железном сердечнике, то любое изменение магнитного поля одной катушки вызовет изменение напряжения в другой. Это произойдет, когда ток в первичной обмотке будет, изменялся (включаться и выключаться). Если число витков провода во вторичной катушке больше, чем в первичной, напряжение повышается. Это называется эффектом трансформации и составляет принцип действия катушки зажигания.

Величина этого «взаимонаведенного» напряжения зависит:

♦ от тока первичной обмотки;

♦ от отношения витков между первичными и вторичными обмотками;

♦ от скорости, с которой изменяется магнитное поле.

На рис. 8.1 показана типичная катушка зажигания в разрезе. Две обмотки намотаны на железном сердечнике из тонких пластин, концентрирующем магнитное поле. Некоторые катушки заполнены маслом, что способствует лучшему охлаждению и электрической изоляции.

Компоненты классической системы зажигания

Свеча зажигания

Свеча изолирует электроды, чтобы обеспечить образование искры в цилиндре. Она должна противостоять очень высоким напряжениям, давлениям и температурам.

Катушка зажигания

Катушка зажигания накапливает энергию в виде магнитного поля и подает се к распределителю через высоковольтный провод (high tension — НТ). Состоит из первичной и вторичной обмоток

Ключ зажигания

Обеспечивает водителю управление системой зажигания и обычно используется для включения стартера.

Балластный резистор

Замыкается накоротко на период запуска, чтобы обеспечить более мощную искру. Также вносит вклад в улучшение искрообразования на более высоких скоростях.

Контакты прерывателя

Замыкают и размыкают первичную цепь зажигания для заряда и разряда катушки.

Конденсатор

В основном служит для подавления дуги в момент размыкания контактов прерывателя. Это позволяет ускорить спад тока первичной катушки и, следовательно, увеличить скорость изменения магнитною поля, что создает большую амплитуду высокою напряжения на выходе.

Высоковольтные провода

Компоненты системы высокого напряжения (часто их называют высоковольтными компонента­ ми) должны как минимум отвечать строгим требованиям к изделиям системы зажигания:

♦ иметь изоляцию, противостоящую напряжению 40 кВ;

♦ работать при температурах от-40 С до +260 С;

♦ подавлять радиочастотные излучения;

♦ иметь ресурс не менее 160 ООО км пробега;

♦ противостоять воздействию озона, коронного разряда и агрессивным жидкостям;

♦ иметь срок службы не менее десяти лет.

• Компания Delphi производит множество типов кабелей, не излучающих электромагнитных помех (emiiliug electroinaguclic interference - EMI). Все они отвечают увеличенным энергетическим требованиям двигателей для обедненных топливных смесей. Кабельные изделия имеют металлические и неметаллические цилиндрические сердечники, включая композитные, высокотемпературные резистивные сердечники и сердечники с индуктивной намоткой. В конструкции проводника используется медь, нержавеющая сталь, Delcore, намотка из тонкого провода. Для оболочки применяют различные органические и неорганические составы: хлорированный полиэтилен (СРЕ), тройной сополимер этилена, пропилена и диена (Ethylcnc-Propylеrе Diеnе сlastomer — ЕPDM) и силикон. На рис. 8.5 показана конструкция этих кабелей. В табл. 8.2 приведены некоторые из материалов, используемых в различных температурных диапазонах.

Сердечник катушки зажигания

Как правило, сердечник катушки зажигания набран из тонких железных листов. Железо идеально для данной цели, поскольку легко намагничивается и размагничивается. Листовые железные сердечники уменьшают вихревые токи, приводящие к уменьшению к.п.д. из-за потерь на вихревые токи. Чем более гонкие листы используются, тем лучше работа катушки зажигания. Сегодня в качестве сердечника катушки можно использовать метало порошковые изделия. Это уменьшает вихревые токи до минимума, но при этом снижается напряженность магнитного поля. Однако применение порошков металла позволяет создавать катушки с большим к.пл. и с более высоким выходным напряжением. Разработки продолжаются, и вскоре проблема магнитной индукции будет решена, что позволит применять более эффективные компоненты.

Электронное зажигание

Введение

Электронное зажигание теперь устанавливается почти на все транспортные средства с искровым зажиганием, потому что традиционная механическая система имеет ряд существенных недостатков:

♦ проблемы с контактными прерывателями, из которых едва ли не самая худшая — ограниченный срок службы;

♦ ток, текущий в первичной цепи зажигания, ограничен величиной около 4 А, иначе или произойдет повреждение контактов, или, по крайней мере, срок их службы серьезно сократится;

♦ законодательство требует строгого ограничения вредных выбросов, следовательно, настройка момента зажигания должна быть стабильной в течение длительного периода времени, что контактные системы не могут обеспечить;

♦ более бедные смеси требуют большей энергии искры, чем способны обеспечить механические системы, чтобы даже при очень высокой частоте вращения двигателя гарантировать успешное зажигание.

Эти проблемы могут быть преодолены при использовании мощного транзистора, выполняющего функцию переключения тока, и генератор» импульсов, обеспечивающего сигнал зажигания. Самые первые конструкции электронного зажигания

использовали в качестве источника такого сигнала существующие контактные прерыватели. Это было шагом в правильном направлении, но не преодолевало все механические ограничения, на­ пример. скорость размыкания контактов и непостоянство момента зажигания. Большинство (если не все) систем в настоящее время - это системы с постоянной энергией искры, гарантирующие высококачественное зажигание даже при высокой частоте вращения двигателя. На рис. 8.6 показана схема стандартной электронной системы зажигания.

Другие генераторы импульсов

Ранее были известны системы «контакты, усиленные транзистором (transistor assisted contacts — ТАС), где контакты прерывателя были использованы в качестве механизма запуска других схем. Совершенно иной технический прием, который также широко использовался, — оптический генератор импульсов. Он включает в себя сфокусированный пучок света, испускаемого светодиодом в направлении фототранзистора. Пучок света прерывается вращающейся крыльчаткой, в результате выходной сигнал имеет вид меандра. Наиболее популярна эта система при замене обычных контактных прерывателей. На рис, 8.13 показан принцип действия оптического генератора импульсов. Отмстим, что луч сфокусирован, чтобы гарантировать точный момент переключения.

Управление углом активации (открытый контур) На рис. 8.14 показана блок-схема транзисторного модуля зажигания. Для изучения работы системы выбран генератор импульсов индуктивного типа. Чтобы понять, как управляют фазой активации, необходимо рассмотреть схему целиком. Первая часть схемы — стабилизатор напряжения, необходимый для обеспечения известных напряжений для заряда и разряда конденсаторов и предотвращения повреждений каких-либо компонентов. Эта часть схемы состоит из стабилитрона ZDX и резистора Я,. Диод £>; служит для зашить* от случай­ ной подачи напряжения обратной полярности. Чтобы блок запуска функционировал правильно, переменное напряжение, поступающее от генератора импульсов индуктивного типа, должно быть преобразовано в импульсы прямоугольной формы. Формирование выполняется электронной пороговой схемой, известной как триггер Шмидта. Эта схема формирует импульсы в блоке запуска. Схема формирования импульсов начинается с кремниевого диода Dy При данной полярности его включения базы транзистор» Т, достигают только импульсы положительной полярности от датчика. Импульсы отрицательной полярности не используются. Генератор импульсов индуктивного типа нагружен только на положительной полуволне управляющего переменного напряжения, поэтому из-за отбора энергии амплитуда её меньше, чем амплитуда отрицательной полуволны. Как только переменное управляющее напряжение. возрастающее от отрицательного значения, превысит порог срабатывания триггера Шмид­ та. транзистор 7, открывается и начинает проводить ток, а транзистор Т, закрывается. На выходе триггера формируется импульс с амплитудой, равной напряжению стабилизации стабилитрона- Это состояние переключения поддерживается до тех пор, пока переменное управляющее напряжение, теперь снижающееся от положительных значений, не упадет ниже порога срабатывания. Теперь транзистор Ту закрывается. База Т становится положительной, и Т2 открывается током, текущим через Ry Эк» изменение - (вкл. Т,)/(выкл. 7^) или (выкл. 7,)/ (вкл. Тг) — характерно для триггера и повторяется непрерывно, пока существует входной сигнал. Диоды Ov ), и я, введены для обеспечения температур­ ной компенсации режима транзисторов триггера.

Энергия, накопленная в катушке зажигания, может быть использована благодаря секции активации в блоке запуска. Период активации начинается, когда открывается транзистор Т.. Сформированный км прямоугольный импульс тока открывает транзистор ТА, а он, в свою очередь, включает выходной каскад. Ток транзистора ТА приводит в действие мощный выходной ключ (пара Дарлингтона). В этой схеме Дарлингтона ток, текущий к балу транзистора Гч, усиливается и подастся в базу транзистора Tt. Далее благодаря ключу Г(, через катушку зажигания может течь мощный ток -первичной цепи. Первичная обмотка подключена к коллектору этого транзистора. Пара Дарлингтона функционирует как один транзистор и часто описывается как каскад усиления мощности. Для реализации переменного времени активации применяется время задающее схема, использующая емкостные и резистивные элементы. В результате можно получить достаточно высокое напряжение искры в свече зажигания при любом режиме эксплуатации двигателя. Эта схема поочередно заряжает и разряжает конденсаторы через резисторы. Она представляет схему управления активацией с открытым контуром, поскольку комбинация резисторов и конденсаторов обеспечивает фиксированную зависимость времени активации как функцию частоты вращения двигателя. Конденсатор и резисторы /?„ и Rv образуют резистивно-емкостную схему. Когда транзистор Т2 закроется, конденсатор Cs будет заряжаться через Д, и базоэмиттерный переход транзистора Ту .При низкой чистоте вращения двигателя у конденсатора будет время, чтобы зарядиться практически до напряжения стабилизации стабилитрона ZDV В течение этого времени транзистор Тл открыт, и через транзисторы Т4, Т> и Ть включено питание катушки зажигания. В момент зажигания ключ Тг .открывается, и теперь конденсатор С, может раз­ рядиться через и Тг Транзистор Т} остается закрытым все время, пока разряжается Сг Время разряда (которое зависит от того, до какого напряжения заряжен Cs), отодвигает начало следующего периода активации. Наконец, конденсатор С5 разрядится и начнет новый цикл заряда в противоположном направлении через /?,, и Г2. Когда напряжение на базе 7\ достигнет приблизительно 0,7 В, он снова откроется и останется открытым до тех пор, пока Т2 не откроется вновь. По мере увеличения оборотов двигателя доступное для конденсатора С, время заряда уменьшается. Это означает, что он получит При заряде меньший уровень напряжения и, следовательно, следующий разряд произойдет раньше. Вследствие этого ключ Г, также откроется раньше и, следовательно, результатом будет более длительный период активации. Компоненты, не упомянутые в этом объяснении, - ото элементы защиты против противо-э.д.с. катушки зажигания ( ZD ^ D) и цепь, предотвращающая слишком малые значения периода активации (ZD2 и С4). Блок запуска импульсных генераторов с эффектом Холла функционирует подобно вышеприведенному описанию, но для него не требуется триггер Шмидта. Гибридные блоки запуска зажигания значительно меньше по размерам, чем тс, которые используют дискретные компоненты.

На рис. 8.15 показан вид такого типичного блока.

Ограничение тока и замкнутый контур управления фазой активации

Ограничение тока первичной цепи зажигания гарантирует, что система не будет повреждена чрезмерным первичным током и при этом работает как часть системы с постоянной энергией. Первичный ток может расти до заданного максимума так быстро, насколько это, возможно, затем удерживается на этом значении. Значение этого тока рассчитывается, а затем фиксируется в конструкции модуля управления. Поскольку при объединении контроля тока первичной обмотки с управлением фазой активации фактическое значение тока подается обратно на каскады управления, этот способ известен как управление с замкнутым контуром. В этой схеме используется высокоточный резистор с очень низким сопротивлением. Резистор соединен последовательно с мощным транзистором и катушкой зажигания. Пороговая схема, реагирующая на пропорциональное току падение напряжения на этом резисторе, при определенном напряжении заставит мощный каскад зафиксировать ток. На рис. 8.I6 показана блок-схема управления фазой активации по принципу замкнутого контура.

На тот случай, когда зажигание включено, но двигатель не работает, предусмотрена блокировка тока через катушку зажигания. Во многих случаях это достигается простой схемой таймера, которая будет блокировать выходной каскад приблизительно через одну секунду.

Датчик детонации

Продолжительная детонация (взрывное сгорание топлива) может вызвать серьезное повреждение двигателя. Детонация вызвана излишне ранним зажиганием. С другой стороны, двигатель будет работать в самом эффективном режиме, когда опережение момента зажигания будет установлено как можно ближе к точке детонации. Чтобы достичь этого, установочные данные, сохраняемые в памяти выбора момента зажигания, должны будут устанавливать момент зажигания в зоне, максимально близкой к предельной точке детонации двигателя (рис. 8.20). Датчик детонации формирует сигнал ошибки для указания границы этой зоны. Сам датчик- акселерометр, обычно пьезоэлектрическою типа. На четырехцилиндровых двигателях он устанавливается на блоке между вторым и третьим цилиндрами. V-образным двигателям не­ обходимы два датчика, по одному на каждый блок цилиндров. Блок управления двигателем воспринимает сигналы датчика в пределах нескольких градусов от верхней мертвой точки для каждого цилиндра, то есть в зоне возможной детонации. В остальное время сигнал датчика блокирован, что предотвращает помехи от работы клапанного механизма, также воспринимаемые как стук. Кроме того, сигнал от датчика фильтруется в ECU, чтобы удалить нежелательный шум. Если обнаружена детонация, на четвертом после ее обнаружения им­ пульсе зажигания (для четырехцилиндрового двигателя), момент зажигания задерживается в несколько шагов, пока не исчезнет детонация. Шага меняются по-разному в зависимости от изготовителя автомобиля, но типично значение приблизительно 2*. Момент зажигания медленно смешается шагами, скажем, в Г, за несколько оборотов двигателя, пока не будет установлено требуемое опережение. Этот прекрасный способ регулирования позволяет двигателю работать очень близко к пределу детонации без риска повреждения.

Напряжение батареи

Если напряжение батареи падает, требуется увеличение периода активации, поскольку на катушку поступает пониженное напряжение. Обычно эта информация хранится в памяти в виде карты корректировок.

Электронный блок управления

Поскольку сложность систем автомобиля о последнее время значительно возросла, также увеличился объем информации, сохраняемой в памяти ECU. Ранние версии программируемой системы зажигания, созданной компанией Rover, достигали точности, а выборе времени зажигании ±1,8% тогда как обычный распределитель обеспечивает точность ±8*. Информация, полученная в ходе стендовых, а также ходовых испытаний транспортного средства, сохраняем в постоянной памяти ROM. Основная карта выбора момента зажигания состоит из установок правильного опережения зажигания для 16 значений скорости и 16 значений условий нагрузки. Это показано на рис. 8.21 в виде трехмерной модели.

Чтобы иметь набор установок для восьми скоростей и восьми температурных участков, используется отдельная трехмерная модель. Она применяется для ввода поправок к основным установкам на температуру охлаждающей жидкости двигателя. Это улучшает ходовые качества автомобиля и может применяться для ускорения прогрева двигателя. Данные также подвергаются дополнительной корректировке по нагрузке при температурах ниже 70 *С. На рис. 8.22 показана логическая блок-схема выбора оптимальной установки угла зажигания. Отметим, что для обеспечения постоянной энергии искры ECU также вводит коррекцию и по углу активации как функции частоты вращения двигателя, и по изменению напряжения батареи. Сниженное напряжение батареи требует увеличенного времени активации, повышенное напряжение - уменьшенного времени.

Типичная для большинству в компьютерных систем блок-схема, показанная на рис. 8.23, описывает блок управления программным зажиганием. Входные сигналы обрабатываются, и полученные данные сохраняются и оперативной памяти RAM. Программа и значения установочных данных заранее занесены в ROM. В этих системах для вы пол нения команд, требуемых в соответствии с программой, используется микроконтроллер. Информация, поступающая от датчиков, преобразуется в цифровую форму в схеме АЦП. Компания Rover, как и многие другие изготовители, использует бортовой датчик давления, состоящий из анероидной камеры и тензодатчиков, измеряющих нагрузку на двигатель. Блок-схема, используемая для представления программы. занесенной в ROM блока управления двигателем, показана на рис. 8.22. На сайте автора доступна условно- бесплатная программа под Windows 95/98/2000, моделирующая работу системы зажигания и ряда других систем.

Принцип действия

Зажигание без распределителя имеет все черты рассмотренной системы программного зажигания, но при использовании катушки зажигания специального типа высокое напряжение поступает к свечам зажигания без участия высоковольтного распределителя. Система, вообще говоря используется только на двигателях с четырьмя цилиндрами, потому что для большего числа цилиндров система управления становится очень сложной. Основной принцип — это принцип «холостой искры». Распределение искры достигается при использовании двух симметричных катушек, которые поочередно активируются блоком управления. На рис. 8.24 показана блок-схема системы зажигания без распределения (distributorless ignition system - DIS). Выбор момента зажигания определяется по датчику скорости крашения и угловою положения коленчатого вала, а также по датчику нагрузки и другим корректировкам. Когда активирована одна из катушек, высокое напряжение поступает сразу к двум цилиндрам двигателя, например, I и 4 или 2 и 3. Искра, возникшая в цилиндре на такте сжатия, воспламенит смесь как нормальную. Искра, поникшая в другом цилиндре, не произведет никакого эффекта, поскольку этот цилиндр будет только заканчивать тает выхлопа. Из-за низкого давления выхлопных газов в цилиндре с «холостой искрой» требуемое для возникновения этой искры напряжение невелико — всего около 3 кВ. Примерно такое же напряжение теряется в обычных системах между бегунком и распределителем. Поэтому искра, произведенная в цилиндре на такте сжатия, никак не затрагивается. Здесь есть интересный момент - искра в одном из цилиндров проскочит с «земляного» электрода к центру свечи зажигания. Многие годы это было неприемлемо, так как качество искры с таким путем разряда было бы хуже, чем тогда, когда раз­ ряд идет с центрального электрода. Однако энергия, доступная в современных системах зажигания с постоянной энергией, произведет искру надлежащего качества при любом направлении разряда.

Компоненты системы DIS

Система зажигании без распределения (D1S) состоит из трех главных компонентов: электронного модуля, датчика углового положения коленчатого вала и DIS-катушки. Во многих системах с этим модулем объединен датчик абсолютного давления. Функции модуля почти такие же. как у описанного выше для системы с электронной регулировкой опережения зажигания. Датчик наложения коленчатого вала по своему действию подобен описанному в предыдущем разделе. Это — магнитный датчик, и он помешен напротив внешнего обола маховика или напротив колеса редуктора позади переднею шкива коленчатого вала. Зубчатый венец колес состоит из 35 зубцов, расположенных с промежутком 10*. Недостающий зубец - положение 90* от нижней мертвой точки или первого и четвертого цилиндров. Такое расположение позволяет отсчитывать момент зажигания как фиксированный угол после опорной метки. Батарея подключена к центральному выводу первичной обмотки катушки зажигания. Соответствующая половина обмотки потом коммутируется на землю и модуле управления. Обмотки высокого напряжения раздельные, одна из них предназначена первому и четвертому цилиндрам, другая - второму и третьему. На рис. 8.25 показа­ на типичная Р1 S-катушка.

Прямое зажигание

Общее описание

Прямое зажигание л некотором смысле ведет свою родословную от системы зажигания без распределителя. Эта система использует индивидуальную катушку зажигания для каждого цилиндра. Катушки установлены непосредственно на свечах зажигания. На рис. 8.26 показано поперечное сечение катушки прямого зажигания. Использование индивидуальной катушки для каждой свечи гарантирует; что время нарастания тока при низкой индуктивности первичной обмотки будет очень малым. А это обеспечит очень высокое напряжение, и будет создана искра с высокой энергией. Амплитуда напряжения может превышать 40 кВ, что обеспечивает эффективное инициирование процесса сгорания в условиях холодного запуска и бедных смесей. Некоторые системы прямого зажигания используют принцип зажигания с разрядом конденсатора. Чтобы переключать катушки зажигания, используются модули воспламенения. Они могут управлять сразу тремя катушками и являются просто мощными ключами блока управления, но в отдельном блоке. Это позволяет снизить наводки на основной блок управления от переключения больших токов за счет уменьшения длины проводов, несущих эти токи.

Управление зажиганием

Выбор момента зажигания и фазы активации регулируются способом, подобным описанному ранее для системы программного зажигания. Положение вала двигателя известно от датчика коленвала, но на некоторых системах важным дополнением к нему является датчик газораспределительного вала. Он предназначен для получения информации о том, какой цилиндр находятся на такте сжатии. Система, не имеющая датчика газораспределительного вала, получает нужную информацию, первоначально активируя все катушки. Напряжение на свечах позволяет измерить ток для каждой искры и покажет, какой цилиндр находится в фазе рабочего хода. Это возможно, поскольку горящая смесь имеет более низкое сопротивление. Цилиндр с самым высоким током в этот момент будет рабочим цилиндром. В некоторых системах есть одна особенность. Если при неудачном запуске двигателя свечи зажигания горючей смесью, то псе свечи подвергаются многократному разряду, после чего зажигание блокируется в этом состоянии в течение 5 секунд. Такой метод осушения свечей сжигает любой излишек топлива. Во время трудных условии запуска многоискровое зажигание используется также некоторыми системами в интервале угла вращения коленвала 70’ перед верхней мертвой точкой. Это помогает при запуске и затем, как только двигатель заработает выбор момента зажигания возвращается к его нормальному расчетному значению.

Свечи зажигания

Функциональные требования

Суть требований к свече зажигания заключается в том, что она должна сформировать искру в пределах камеры сгорания, которая инициирует горение топлива. Чтобы сделать это, свеча должна противостоять суровым условиям. Рассмотрим, например, четырехтактный четырехцилиндровый двигатель со степенью сжатия 9:1, работающим на скоростях до 5000 об/мин. При этой скорости четырехтактный цикл повторяется каждые 24 мс. Нижеследующие условия типичны:

♦ конец такта впуска: давление 0,9 Бар при температуре 65 ’С;

♦ начальный момент зажигания: 9 Бар при 350 ‘С;

♦ наивысшее значение давления в течение рабочего такта: 45 Бар при температуре 3000 “С;

♦ рабочий такт закончен: давление 4 Бар при температуре 1100 X .

Помимо вышеупомянутых условий, свеча зажигания должна противостоять серьезной вибрации и химически агрессивной окружающей среде. На­ конец, что самое важное, изоляция должна выдерживать напряжение до 40 кВ.

Конструкция

На рис. 8.27 показана стандартная и резисторная свечи зажигания. Центральный электрод связан с главным выводом стержня. Электрод сделан из сплава на основе никеля. В некоторых случаях используются даже серебро и платина. Если в электроде использован медный сердечник, это улучшает отвод тепла.

Изоляционный материал- керамика очень высокой чистоты, обычно окись алюминии А1,0, (чистота 95%). Изолятор заключен в металлический корпус и по внешней поверхности покрыт матери­ алом со следующими свойствами: ♦ модуль Юнга: 340 кН/мг;

♦ коэффициент теплового расширения: 7,8 к 10

♦ тепловая проводимость: 5—15 Вт/м*К. (диапазон температур 200-900 3С).

♦ электрическое сопротивление: более 10” Ом/м.

Вышеупомянутый список дан только для справки, поскольку реальные значения при относительно небольших производственных изменениях мо­ гут широко меняться. Электропроводный стержень из стеклокерамики между центральным электродом и выводом используется в качестве резистора. Этот резистор имеет две функции: предотвратить выгорание центрального электрода, и снизить радиопомехи. В обоих случаях достигается желательный эффект, потому что резистор ограничивает ток искры в момент зажигания. Пробой, или разряд, по внешней стороне изолятора свечи предотвращается ребрами, которые эффективно увеличивают поверхностное расстояние от вывода свечи до металлической крепежной гайки, которая, конечно, электрически связана с корпусом двигателя, то есть землей.

Тепловой диапазон свечи

Вследствие многих особенностей, связанных с конструкцией двигателя, диапазон температур, в котором функционирует свеча зажигания, может значительно изменяться. При этом критической является рабочая температура центрального электрода свечи зажигания. Если температура становится слишком высокой, тогда может произойти преждевременное зажигание, поскольку воздушно-топливная смесь может воспламениться из-за чрезмерного нагревал электродов свечи. С другой стороны, если температура электрода слишком низкая, тогда свеча загрязняется сажей и остатками масла, поскольку отложения не сгорают до конца. Загрязнение искрового промежутка может вызвать его шунтирование и срыв искрообразования. Эксперименты и опыт эксплуатации показывают, что идеальная рабочая температура электрода свечи находится между 400 и 900 ”С. На рис. 8.28 показано, как температура электрода меняется в зависимости от выходной мощности двигателя. Тепловой рабочий диапазон свечи зажигания определяется ее способностью отводить тепло от нейтрального электрода. Двигатель, работающий при больших температурах, будет требовать свечей с большей допустимой тепловой нагрузкой, чем более холодный двигатель (имеется в пилу температура сгорания топлива, а не эффективность системы охлаждения). Следующие факторы определяют тепловую емкость свечи зажигания:

♦ длина носика изолятора;

♦ материал электрода;

♦ длина электрода;

♦ конструкция электрода.

Все эти факторы зависят друг от друга. Свое влияние оказывает даже положение свечи в двигателе. Обнаружилось, что удлиненная конструкция электрода помогает уменьшить проблему загрязнения при работе с неполной мощностью, старт- стопном режиме вождения, а также в высотных условиях. Чтобы использовать большую протяженность электрода, необходима и лучшая тепловая проводимость свечи для обеспечения соответствующей теплопередачи на режимах с большей выходной мощностью. На рис. 8.29 показаны теплоотводящие части свечи зажигания вместе с изменениями в конструкции для разных тепловых диапазонов. Там же показан номер теплового диапазона для свечей NGK.

Материалы электрода

Материал, выбранный для электрода свечи зажигания, должен иметь следующие свойства:

♦ высокую теплопроводность;

♦ высокое сопротивление коррозии;

♦ высокую стойкость к выгоранию.

Для обычных применений в качестве материалов электродов используются сплавы никеля. В состав сплавов входит также хром, марганец, кремний, и магний. Эти сплавы показывают превосходные свойства в отношении коррозии к сопротивляемости выгоранию. Чтобы изменить в лучшую сторону теплопроводность, используются составные электроды. Они позволяют увеличить конструктивную длину носика свечи при сохранении температурного диапазона. Распространенный пример свечи этого типа — свеча зажигания с медным сердечником. Поскольку серебро имеет очень хорошие тепловые и электрические свойства, в особых случаях используются серебряные электроды. Опять же, длину носика этих свечей можно увеличить в пределах того же самого температурного диапазона, В списке для сравнения дана теплопроводность некоторых материалов электрода:

серебро 407 Вт/(м*К);

медь 384 Вт/(м*К)

платина 70 Вт/(м*К);

никель 59 Вт/(м*К).

Составные электроды имеют среднюю теплопроводность приблизительно 200 Вт/{м*К). Для некоторых конструкций используются платиновые покрытия электродов до причине очень высокой стойкости этого материала к выгоранию. По этой причине можно использовать электроды намного меньшего диаметра, увеличивая таким образом доступ смеси к свече. Платина к тому же обладает каталитическим эффектом, еще более ускоряя процесс сгорании на рис. 8.30 показана свеча с разделенным надвое внешним электродом, что предохраняет ее от обрастания нагаром.

Междуэлектродный промежуток

Промежуток (зазор) между электродами свечи зажигания, вообще говоря, на современных автомобилях увеличился, поскольку увеличилась мощность систем зажигания, дающих искру. Простая зависимость между зазором свечи и требуемым напряжением заключается в том, что по мере увеличения зазора должно расти и напряжение (даже не принимая во внимание режимы эксплуатации двигателя). Более того, при постоянной энергии искры больший зазор потребует увеличенною напряжения, что сократит продолжительность искры. Меньший зазор позволит получить искру большей длительности. Продолжительность искры критична для холодного запуска двигателя и для воспламенения бедных смесей. С другой стороны, зазор свечи должен быть как можно больше, что­ бы гарантировать надежное воспламенение смеси. Следовательно, величина зазора - это компромисс, достигаемый в процессе разработки и испытания конкретного изделия. В настоящее время используется зазор 0,6~1,2 мм.

Развитие свечей зажигания

Большинство разработок в конструкции свечи зажигания представляют собой отдельные улучшения.

Последние тенденция - использование платиновых свечей и разработка такой свечи, которая бы сохраняла свои характеристики в пределах приемлемых отклонений параметров н течение очень долгого периода, то есть более 50 ООО миль (80 000 км) пробега автомобиля. Многоэлектродные свечи зажигания увеличивают продолжительность срока эксплуатации и надежность данного изделия. Эти свечи при очередном новообразовании производят каждый раз только одну искру на одном из электродов. Искра проскакивает по пути наименьшего сопротивления. и естественно, что такая искра произведет лучшее воспламенение смеси. Равным образом, износ распределяется на два или более электродов. Свеча с двойным внешним электродом показана на рис. 8.30, на рис. 8.34 показана платиновая свеча зажигания.

Примеры для изучения

Введение

Большинство современным систем зажигания объединено с системой управлении подачей то ил ива. По этой причине я выбрал в качестве примеров для изучения более старые модели. Я даже ввел сюда контактные прерыватели, опасаясь, что мы забудем, как они работают.

Интегрированный модуль системы зажигания (Toyota)

На рис. 8.35 показаны компоненты интегрированного модуля системы зажигания компании Toyota.

Генератор импульсов, катушка зажигания и силовой ключ — все эти компоненты установлены на распределителе. Модуль содержит обычный центробежный регулятор опережения зажигания и вакуумный регулятор, реагирующий на с