Процесс зажигания рабочей смеси электрическим разрядом

Рабочая смесь, состоящая из топлива, воздуха и отработавших газов, воспламеняется от теплоты предварительно сжимаемого воздуха в цилиндрах (дизели) или от специального источника теплоты (карбюраторные двигатели). Требуемая мощность источника теплоты, предназначенного для зажигания рабочей смеси, зависит как от состава смеси и качества ее подготовки к воспламенению, так и от времени, отводимого для сгорания.

В электрических системах зажигания используется принцип преобразования электрической энергии в тепловую через искровой разряд между электродами. Этот принцип позволяет начинать зажигание рабочей смеси в строго определенные моменты и в короткий отрезок времени выделять достаточное для воспламенения рабочей смеси количество тепловой энергии.

Как известно, горючий газ и воздух всегда содержат хотя бы небольшое количество беспорядочно движущихся положительных и отрицательных ионов и электронов. При подводе к электродам даже небольшого напряжения ионы и электроны начинают двигаться в определенном направлении в соответствии со своей полярностью (ток так называемого тлеющего разряда).

С повышением напряжения до 4500 В скорость потока ионов под действием электрического поля возрастает настолько, что из зазора между электродами вытесняются, включаясь в направленный поток, нейтральные молекулы, ионы и электроны. При этом происходит процесс дальнейшей интенсивной ионизации газовоздушной смеси (ударная ионизация). Дальнейшее увеличение напряжения до 8000… 9000 В приводит к пробою газового промежутка между электродами (искровой разряд). Визуально наблюдаемое при искровом разряде свечение (искра) — это разогретая газовая оболочка, внутри которой движется поток электронов и ионов. Звуковая волна, воспринимаемая как треск, образуется вследствие резкого расширения нагреваемой газовой оболочки.

Для надежного возникновения разрядов требуется напряжение не менее 10 000… 12 000 В.

Чем больше искровой промежуток между электродами, тем выше должно быть пробивное напряжение. Нагрузка на приборы зажигания с увеличением зазора между электродами возрастает, а энергия искрового разряда повышается. Однако пропуски в искрообразовании в этом случае становятся более вероятными.

Для нормальной работы двигателя большое значение имеет момент зажигания рабочей смеси. Наивыгоднейшим считается такой момент зажигания рабочей смеси, при котором давление газов на днище поршня достигает максимума после прохода поршнем в. м. т. на 10… 15° по углу поворота коленчатого вала. При этом мощность двигателя будет максимальной, а его работа — мягкой. Оптимальное значение момента зажигания рабочей смеси зависит как от скорости горения рабочей смеси, так и от скоростного режима работы двигателя.

Скорость горения рабочей смеси определяется ее составом и однородностью, давлением сжатия и рядом других факторов, влияющих на качество смесеобразования.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя возрастает и скорость движения поршня и, следовательно, уменьшается время, отводимое на процесс сгорания. А чтобы рабочая смесь при увеличении частоты вращения коленчатого вала успевала сгорать, ее нужно раньше воспламенять.

Таким образом, чем однороднее и богаче рабочая смесь, тем позже необходимо ее воспламенять, и чем выше скоростной режим работы двигателя, тем более ранним должно быть воспламенение рабочей смеси.

Угол поворота коленчатого вала за промежуток времени от момента начала искрообразования до момента прихода поршня в в. м. т. называется углом опережения зажигания. При полной нагрузке двигателя на номинальном скоростном режиме его работы угол опережения зажигания находится в пределах 25…40°.

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Разделы

Остались вопросы по теме:

"Процесс зажигания рабочей смеси электрическим разрядом"

© 2007-2017 Строй-Техника.Ру - информационная система по строительной технике.

Материалы: http://stroy-technics.ru/article/protsess-zazhiganiya-rabochei-smesi-elektricheskim-razryadom

Назначение системы зажигания

В двигателях с принудительным воспламенением рабочей смеси, к которым относятся бензиновые и газовые двигатели, применяется система зажигания, т. е. система, обеспечивающая поджог топливовоздушной смеси перед началом рабочего хода поршня в конце такта сжатия.

Система зажигания двигателя предназначена для генерации импульсов высокого напряжения, вызывающих вспышку рабочей смеси в камере сгорания, синхронизацию этих импульсов с фазой двигателя и распределение импульсов по цилиндрам двигателя.

Воспламенение горючей смеси в камере сгорания автомобильного бензинового или газового двигателя осуществляется посредством электрического разряда, возникающего между электродами свечи зажигания, ввернутой в головку блока цилиндров. Бесперебойное искрообразование между электродами свечи зажигания происходит при высоком напряжении (8…30 тыс. вольт). На прогретом двигателе к моменту искрообразования рабочая смесь сжата и имеет высокую температуру, близкую к температуре воспламенения, поэтому для ее воспламенения требуется искровой разряд небольшой мощности.

Однако имеется ряд режимов работы двигателя, когда требуется очень мощная искра. К таким режимам относятся:

• пусковой режим;
• работа на бедных смесях при частичном открытии дроссельной заслонки;
• работа на холостом ходу;
• работа при резких открытиях дросселя.

Электрическая искра вызывает появление в ограниченном объеме рабочей смеси первых активных центров, от которых начинается развитие бурно протекающей химической реакции окисления топлива (т. е. его горения), сопровождающейся выделением тепла.

От мощности искры и момента зажигания рабочей смеси в значительной мере зависят экономичность и устойчивость работы двигателя, а также токсичность отработавших газов.

Требования, предъявляемые к системе зажигания

Учитывая условия, в которых работают двигатели внутреннего сгорания, к системам зажигания предъявляются следующие требования:

• система зажигания должна создавать напряжение, достаточное для пробоя искрового промежутка (зазора) свечи зажигания, обеспечивая при этом бесперебойное искрообразование на всех режимах работы двигателя;
• искра, образующаяся между электродами свечи зажигания, должна обладать достаточной энергией и продолжительностью действия для воспламенения рабочей смеси при всех возможных режимах работы двигателя;
• момент зажигания должен быть строго определенным и соответствовать условиям работы двигателя;
• работа всех элементов системы зажигания должна быть надежной при высоких температурных и механических нагрузках, которые испытывает двигатель;
• электроды свечи зажигания в процессе работы не должны подвергаться значительной эрозии.

Напряжение, необходимое для пробоя искрового промежутка свечи зажигания, зависит от многих факторов, таких как давление, температура и состав рабочей смеси; расстояние между электродами свечи зажигания (зазор); материал и температура электродов; полярность высокого напряжения.

Так, при пуске холодного двигателя пробивное напряжение достигает 16…30 тыс. вольт и более, а при работе прогретого двигателя достаточно 10…12 тыс. вольт.

Воспламенение смеси должно осуществляться в точно определенный момент относительно достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ). Это обусловлено тем, что смесь сгорает не мгновенно, а в течение некоторого, пусть даже короткого, промежутка времени.

Если воспламенение происходит позднее, чем нужно, то смесь сгорает в процессе такта расширения (рабочего хода), и догорает в выпускном трубопроводе. В результате уменьшается среднее давление газов в процессе рабочего хода поршня, и, соответственно, снижается мощность двигателя. Кроме того, происходит перегрев деталей системы выпуска отработавших газов и увеличивается количество вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду.

При слишком раннем воспламенении рабочая смесь вспыхивает до прихода поршня в ВМТ, из-за чего поршень испытывает сильные встречные удары от детонирующего топлива, сопровождающиеся звонким металлическим стуком в двигателе. Раннее воспламенение уменьшает мощность и КПД двигателя и приводит к быстрому износу деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ), особенно поршневой группы.

Угол между положением коленчатого вала, соответствующим моменту искрового разряда между электродами свечи зажигания, и положением, при котором поршень находится в ВМТ, называется углом опережения зажигания. Оптимальный угол опережения зажигания зависит от частоты вращения коленчатого вала и от нагрузки двигателя.

Если коленчатый вал вращается с большой частотой, скорость движения поршня увеличивается, и время, отводимое для сгорания рабочей смеси, сокращается. В этом случае для того, чтобы рабочая смесь успела полностью сгореть, необходимо поджечь ее немного раньше, до прихода поршня в ВМТ, т. е. увеличить угол опережения зажигания.

Повышение нагрузки на двигатель сопровождается увеличением угла открытия дроссельной заслонки и наполняемости цилиндров, а также снижением частоты вращения коленчатого вала двигателя. В результате продолжительность такта расширения и процесса сгорания смеси увеличивается, поэтому смесь нужно поджечь немного позже, т. е. уменьшить угол опережения зажигания.

По этим причинам современные системы зажигания оснащены устройствами, автоматически изменяющими угол опережения зажигания в зависимости от режима работы двигателя.

Распределительная функция системы зажигания связана с тем, что автомобильные двигатели в подавляющем большинстве выполняются многоцилиндровыми, при этом процессы, происходящие в разных цилиндрах сдвинуты по времени из соображений уравновешенности и сбалансированности узлов и деталей подвижной группы КШМ. Следовательно, система зажигания должна обеспечить подачу искрового разряда в каждый цилиндр строго в соответствии с протекающим в нем тактом, положением поршня и клапанов газораспределительного механизма (ГРМ).

Устройства, обеспечивающие своевременную подачу искры в каждый цилиндр двигателя, называют распределителями зажигания. Конструкция распределителя зависит от типа системы зажигания, применяемой в двигателе, но принцип действия и выполняемые функции у таких устройств одинаковы.

Особенности работы двигателя и определяют основные требования к системе зажигания. При этом важным для системы зажигания является стабильность регулировочных характеристик, поскольку даже самое небольшое их изменение в процессе работы негативно отражается на мощности двигателя и его экономичности, а также в количестве вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду.

Требования, предъявляемые к приборам системы зажигания

Приборы системы зажигания должны отвечать следующим требованиям:

• иметь простую конструкцию при эффективной работе;
• обладать малой массой и габаритными размерами;
• быть надежными и долговечными при минимальных эксплуатационных затратах;
• обеспечивать бесперебойное воспламенение рабочей смеси на всех режимах работы двигателя;
• обеспечивать автоматическое изменение угла опережения зажигания в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала;
• не создавать помех для работы радиоэлектронной аппаратуры и компьютерной техники, применяемой на автомобиле.

Классификация систем зажигания

В настоящее время отечественные и зарубежные производители автомобильных двигателей серийно выпускают следующие типы систем зажигания:

• батарейная с механическим прерывателем (классическая контактная);
• контактно-транзисторная;
• контактно-тиристорная;
• бесконтактно-транзисторная;
• цифровая с механическим распределителем;
• цифровая со статическим распределителем;
• микропроцессорная система управления автомобильным двигателем (МСУАД).

Батарейная (контактная) система зажигания использовалась на первых двигателях внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от электрической искры. Высокое напряжение в такой системе создается посредством явлений самоиндукции, имеющих место в трансформаторе (катушке зажигания) при протекании переменного тока через одну из его обмоток. При этом переменный ток возникает при разрыве электрической цепи от аккумуляторной батареи. Прерывание тока в контактной системе зажигания осуществляется механическим прерывателем, что и является слабым звеном этой системы.

Термин «батарейная система зажигания» возник при появлении первых автомобильных двигателей с электроискровой системой зажигания. На таких автомобилях еще не использовались генераторные установки, и единственным источником электроэнергии являлись аккумуляторные батареи. В настоящее время чаще употребляется термин «контактная система зажигания».

Контактно-транзисторная система зажигания пришла на смену классической контактной системе с появлением достаточно мощных и портативных полупроводниковых приборов. Однако, полностью отказаться от механического способа разрыва электрических цепей в такой системе конструкторы не решились - механический прерыватель периодически отсоединял базу транзистора от питающей цепи аккумуляторной батареи, запирая или отпирая, таким образом, цепь эмиттер-коллектор транзистора, через которую проходил ток в первичную обмотку катушки зажигания.

Преимущество контактно-транзисторной системы зажигания заключалось в том, что через контакты прерывателя проходил ток меньшей величины, чем в прерывателе классической системы, что благотворно сказывалось, в первую очередь, на сроке службы контактов прерывателя, но не решало многих проблем батарейной системы зажигания с механическими элементами.

Следующим этапом развития системы зажигания явилось применение бесконтактных транзисторных систем . Контакты прерывателя, замыкаемые и смыкаемые механическим путем, уступили место магнитоэлектрическому датчику-ротору. Датчик вращался в магнитном поле неподвижного статора специальной конструкции и генерировал импульсы, позволяющие управлять транзистором первичной (низковольтной) цепи системы зажигания.

Бесконтактно-транзисторная система зажигания имеет существенное преимущество перед контактной и контактно-транзисторной системами - в ее работе не использовался такой нежный и ненадежный элемент, как электрические контакты, управляемые механическим путем.

Несколько иной способ получения высокого напряжения для образования искрового разряда на свечах зажигания применяется в тиристорных (конденсаторных) системах зажигания . В отличие от рассмотренных выше систем зажигания, использующих для накопления высоковольтной энергии индуктивность (катушку зажигания), в тиристорных системах накопление энергии осуществляется в емкостном накопителе, т. е. конденсаторе. Для работы такой системы необходимы дополнительные устройства, в частности, преобразователь напряжения и управляющий элемент - тиристор.

Преимущество тиристорных систем зажигания заключается в том, что для накопления электроэнергии в конденсаторе требовалось значительно меньше времени, чем в системах с индуктивными накопителями.

Кроме того, работа тиристорной системы зажигания практически не зависела от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Эти факторы были решающими при выборе типа системы зажигания для автомобилей с высокооборотистыми двигателями, в том числе - для гоночных автомобилей и мотоциклов. Тем не менее, недостатки этой системы, в. т. ч. очень короткая продолжительность искрового разряда, не позволили ей вытеснить классические системы зажигания с индуктивными накопителями энергии.

Прогрессирующее развитие компьютерной техники привело к появлению совершенной новых типов систем зажигания, использующих для своей работы всевозможные датчики, управляющей программой бортового компьютера автомобиля. Сначала появились системы зажигания с цифровым управлением , а затем и микропроцессорные системы управления автомобильным двигателем .

Электроника, управляемая датчиками, оказалась несравненно надежнее и функциональнее, чем механика и электромеханика. Так, например, датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) совместно с некоторыми другими корректирующими датчиками (датчик фаз, датчик положения дроссельной заслонки, датчик скорости) полностью заменил такой ненадежный элемент системы зажигания, как прерыватель. Имея простую конструкцию и миниатюрные габариты, датчики, тем не менее, великолепно справлялись с возложенными на них функциями.

Кроме того, наиболее ценным последствием внедрения компьютера в автомобиль явилась возможность централизованного управления системами двигателя и согласовать работу систем зажигания, питания и охлаждения.

В последние годы устаревшие типы системы зажигания, использующие в работе механические, транзисторные и тиристорные прерыватели, интенсивно уступают место более современным системам, управляемым посредством электроники и компьютерной техники.

В двигателях современных бензиновых и газовых автомобилей все шире применяются цифровые и микропроцессорные системы, комплексно управляющие системами зажигания и питания двигателя, а также осуществляющими контроль над выбросами продуктов сгорания топлива в окружающую среду, что позволило получить ряд существенных преимуществ с точки зрения динамики, экономичности и экологичности двигателей.

Тем не менее, для того, чтобы ясно понимать работу самых совершенных систем зажигания, необходимо знать принцип работы старой и доброй контактной (батарейной) системы зажигания, позволившей впервые воспламенить рабочую смесь в цилиндре двигателя с помощью электрической искры.

Главная страница

Электрооборудование автомобилей

КГБПОУ «Каменский агротехнический техникум»

Материалы: http://k-a-t.ru/mdk.01.01_elektro/30-zajiganie/

Рабочая смесь в цилиндрах карбюраторного двигателя воспламеняется искрой, возникающей при электрическом разряде между электродами свечи зажигания. В карбюраторных двигателях ток высокого напряжения, необходимый для создания искрового разряда, получают от приборов батарейного зажигания или магнето.

Батарейное зажигание нашло применение на автомобильных двигателях, а зажигание от магнето в основном на пусковых двигателях тракторных дизелей.

Для получения искрового разряда требуется напряжение не менее (7÷8) 10³В. На интенсивность разряда оказывают влияние искровой промежуток между электродами свечи, форма электродов, давление и температура в цилиндре двигателя, состав рабочей смеси и другие факторы. Увеличение искрового промежутка требует более высокого пробивного напряжения. Повышение температуры в цилиндре благоприятствует ионизации газов, поэтому напряжение искрового разряда может быть снижено. С увеличением давления газов необходимо большее пробивное напряжение.

С целью обеспечения высокой надежности воспламенения рабочей смеси приборы зажигания двигателей могут создавать напряжение (20÷24) 10³В. Искровой промежуток свечи устанавливают с учетом степени сжатия двигателя, применяемого топлива в пределах 0,6—0,9 мм в обычных системах зажигания и 1—1,2 мм в транзисторных.

Рабочая смесь в цилиндре двигателя сгорает в течение нескольких тысячных долей секунды. Поэтому она должна быть воспламенена до прихода поршня в в. м. т., то есть с некоторым опережением. При оптимальном угле опережения зажигания сгорание рабочей смеси и повышение давления в цилиндре происходят в процессе приближения поршня к в. м. т. и заканчиваются при повороте коленчатого вала двигателя примерно на 10—12° после в. м. т.

Если зажигание смеси преждевременное, то нарастание давления противодействует движению поршня к в. м. т., и энергия газов расходуется на отрицательную работу. Это ведет к падению мощности и экономичности двигателя. Внешними признаками раннего зажигания служат стуки, перегрев и неустойчивая работа двигателя на малых частотах вращения холостого хода. Если же рабочая смесь воспламенена в в. м. т. или несколько позже, то сгорание происходит при увеличивающемся объеме. Вследствие этого двигатель перегревается, его мощность и экономичность падают.

Оптимальный угол опережения зажигания для различных двигателей на основной частоте вращения и полной нагрузке колеблется в пределах 20—45° по углу поворота коленчатого вала. Значение оптимального угла опережения зажигания зависит от степени сжатия, формы камеры сгорания, расположения свечи зажигания, частоты вращения состава рабочей смеси, сорта топлива, нагрузки и других факторов.

Повышение частоты вращения двигателя сопровождается сокращением времени его рабочего цикла, следовательно угол опережения зажигания должен быть также увеличен. Изменение угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала осуществляется центробежным регулятором опережения зажигания.

Изменение нагрузки двигателя сказывается на скорости сгорания рабочей смеси, что также требует изменения угла опережения зажигания. При снижении нагрузки (или прикрытии дроссельной заслонки) карбюраторного двигателя относительное наполнение его цилиндра уменьшается, и свежий заряд рабочей смеси разбавляется большим количеством остаточных газов, в результате чего снижается скорость сгорания (и наоборот). Значит, угол опережения зажигания нужно увеличить при снижении нагрузки и уменьшать при ее возрастании.

Изменение угла опережения зажигания в соответствии с нагрузкой осуществляется автоматически действующими устройствами — вакуумными регуляторами опережения зажигания.

На угол опережения зажигания влияют и свойства топлива (прежде всего октановое число). Для изменения угла опережения зажигания в зависимости от октанового числа топлива служат октан-корректоры. [Тракторы и автомобили. Гуревич А.М., Сорокин Е.М. 1978 г.]

Материалы: http://texnika.megapetroleum.ru/zazhiganie-rabochej-smesi-elektricheskoj-iskroj/