накопление энергии в одном из реактивных элементов электрической схемы (в катушке индуктивности или конденсаторе);
индуктирование импульса высокого напряжения в цепи вторичной обмотки катушки зажигания;
пробой искрового промежутка между электродами свечи зажигания и выделение энергии в искровом разряде.
В системе зажигания с накоплением энергии в магнитном поле катушки индуктивности (в индуктивности) первый этап начинается после замыкания цепи питания первичной обмотки катушки зажигания. Сила тока в первичной обмотке, имеющей не только активное, но и реактивное сопротивление, нарастает постепенно по экспоненциальному закону (рис. 1, а).
Рис. 1. Временные диаграммы: а - сила тока I1 первичной цепи катушки зажигания; б - напряжения U2 вторичной цепи; Ip - сила тока разрыва; U2m - максимальное напряжение вторичной цепи; Uп - напряжение пробоя
Силу тока в первичной обмотке можно определить из выражения
где Uаб — напряжение аккумуляторной батареи; R1 — активное сопротивление первичной цепи; L1 — индуктивность первичной цепи; t — текущее значение времени.
Максимальная сила тока I1m в первичной обмотке катушки зажигания и максимальная энергия WLm в индуктивном элементе вычисляются по формулам, соответственно:
В системе зажигания с накоплением энергии в электрическом поле конденсатора (в емкости) по экспоненциальному закону нарастает напряжение заряда конденсатора. Энергия, которую можно накопить в электрическом поле конденсатора, определяется из выражения
где Uc — напряжение на выводах конденсатора в момент его подключения к первичной обмотке катушки зажигания; С1 — емкость конденсатора.
Рост силы тока в первичной обмотке катушки зажигания с накоплением энергии в магнитном поле катушки индуктивности происходит в течение определенного времени, которое зависит от частоты следования искровых разрядов, т.е. от числа цилиндров и частоты вращения коленчатого вала двигателя. К моменту размыкания первичной цепи сила тока возрастает до определенного значения, которое называется силой тока Ip разрыва. Время полного цикла замкнутого и разомкнутого состояния первичной цепи катушки зажигания вычисляется из выражения
где Zц — число цилиндров двигателя; n — частота вращения коленчатого вала.
Время замкнутого состояния первичной цепи tз.с=vз.сT зависит от относительного времени vз.с увеличения силы тока в первичной цепи (времени замкнутого состояния контактов прерывателя в контактной системе зажигания или времени, в течение которого силовой транзистор электронной системы зажигания находится в состоянии насыщения).
На втором этапе, после отключения первичной обмотки катушки зажигания от источника электропитания, в первичной цепи образуется колебательный контур, содержащий катушку индуктивностью L1, конденсатор емкостью C1 и активное сопротивление, в котором возникают затухающие колебания силы тока I1 и напряжения U1 в первичной цепи. Емкость C1 первичной цепи в контактной системе зажигания — это емкость конденсатора, подключаемого параллельно контактам прерывателя. Применение конденсатора в контактной системе зажигания обусловлено необходимостью уменьшения скорости роста напряжения в первичной цепи в начальный момент размыкания контактов. При малых частотах вращения коленчатого вала и, следовательно, низкой скорости размыкания контактов напряжение превысит напряжение пробоя между контактами, в результате возникает электрическая дуга, которая поглощает значительную часть энергии, что приводит к интенсивному электроэрозионному изнашиванию контактов и снижению напряжения вторичной цепи. При выборе емкости C1 первичной цепи необходимо найти компромисс между двумя противоречивыми требованиями. Поскольку увеличение емкости C1 способствует устранению дугообразования, но при этом уменьшаются скорость исчезновения магнитного поля и вторичное напряжение, то в системах с механическим прерывателем тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания оптимальной является емкость в пределах 0,22—0,28 мкФ.
В системах зажигания с электронным коммутирующим устройством первичной цепи конденсатор обеспечивает переключение мощного транзистора с минимальным рассеянием мощности. Для некоторых типов высокочастотных транзисторов наличие емкостного элемента не обязательно.
Вторичная обмотка вместе с конденсатором емкостью С2 вторичной цепи также образуют колебательный контур, индуктивно связанный с колебательным контуром первичной цепи. При отсутствии пробоя искрового промежутка свечи колебания напряжения U2, так же как и U1, будут затухающими. Максимальная амплитуда колебаний напряжения U2m вторичной цепи представляет собой высоковольтный импульс (рис. 1, б).
В системе индуктивно связанных контуров энергия, запасенная в магнитном поле катушки зажигания, преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов емкостями С1 и С2 и частично выделяется в виде теплоты на активных элементах первичной и вторичной цепей и в магнитопроводе катушки зажигания.
Уравнение баланса энергии имеет вид
где U1m и U2m — соответственно максимальные напряжения первичной и вторичной цепей; А — тепловые потери.
Поскольку катушка зажигания является трансформатором, максимальное вторичное напряжение можно вычислить по формуле
где Кт — коэффициент трансформации (отношение числа витков первичной ω1 и вторичной ω2 обмоток).
Исходя из баланса энергии, максимальное напряжение вторичной цепи определяется из выражения
где ηп — коэффициент, учитывающий потери энергии на активных элементах и в магнитопроводе катушки, равный 0,7—0,8.
Сила тока Iр разрыва первичной цепи возрастает с уменьшением ее индуктивности L1, так как сила тока первичной цепи будет нарастать быстрее. При том же времени подключения первичной обмотки катушки зажигания к источнику электропитания сила тока Iр достигнет большего значения. Причем должно возрасти и напряжение вторичной цепи. Однако чрезмерное уменьшение индуктивности L1 может привести к падению напряжения вторичной цепи. Для различных комбинаций параметров системы зажигания, входящих в формулу (3), должно существовать оптимальное значение индуктивности Значения индуктивности L1 в системах с накоплением энергии в магнитном поле находятся в пределах 3—10 мГн.
Увеличить силу тока Iр разрыва первичной цепи можно за счет уменьшения сопротивления R1, повышения напряжения на выводах первичной обмотки и большего времени подключения катушки зажигания к источнику тока (большего времени замкнутого состояния контактов прерывателя в контактной системе зажигания). Однако в контактной системе зажигания сила тока разрыва не должна превышать 3,5—5,0 А, в противном случае контакты быстро подгорают и выходят из строя. С уменьшением емкости C1 вторичное напряжение возрастает до предела, когда резко увеличиваются потери энергии на дугообразо-вание между контактами.
Вторичное напряжение должно уменьшаться с уменьшением емкости С2, которая складывается из емкостей вторичной обмотки катушки зажигания (40—50 пФ), распределителя (15—25 пФ), свечей зажигания (емкость каждой свечи около 60 пФ) и высоковольтных проводов (0,9—1,2 пФ). Уменьшать емкость С2 ниже определенного предела (40—70 пФ), не представляется возможным. Значение емкости С2 зависит от конструктивного исполнения элементов системы зажигания и существенно увеличивается при их экранировании.
Поскольку в системе зажигания с накоплением энергии в электрическом поле конденсатора катушка зажигания не является накопителем энергии, индуктивность ее первичной обмотки можно выбирать в пределах 0,1—10 мГн, т.е. в большем диапазоне, чем для систем с накоплением энергии в магнитном поле.
Третий этап преобразования энергии в системе зажигания начинается, когда напряжение U2 вторичной цепи на первой полуволне высоковольтного импульса становится равным напряжению пробоя. Напряжение пробоя должно быть существенно меньше напряжения U2m, так как в момент пробоя межэлектродного промежутка свечи не вся энергия магнитного поля катушки зажигания преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов емкостью C1 и С2.
Искровой разряд имеет емкостную и индуктивную составляющие. Емкостная фаза разряда наблюдается в виде яркой искры голубоватого цвета. В этой фазе сила тока достигает единиц и десятков ампер. Продолжительность емкостной фазы разряда не превышает 1—2 мкс. Емкостная фаза разряда сопровождается специфическим треском. Индуктивная фаза разряда происходит при значительно меньшем напряжении вторичной цепи (0,7—1,0 кВ). Сила тока в данной фазе искрового разряда составляет 40—100 мА. Индуктивная фаза разряда длится в течение 1—1,5 мс и имеет желтовато-фиолетовый или красновато-фиолетовый цвет. В контактных системах зажигания во время индуктивной фазы разряда выделяется энергия 15—20 мДж.
Воспламенение топливовоздушной смеси обеспечивается, как правило, емкостной фазой разряда. Благодаря большей продолжительности индуктивная фаза разряда способствует большему нагреву начального объема уже воспламенившейся топливовоздушной смеси, что важно при пуске холодного двигателя.
Характер протекания первых двух этапов преобразования энергии источника тока в тепловую энергию электрической искры в системах зажигания с накоплением энергии в магнитном поле катушки зажигания и в электрическом поле конденсатора практически одинаков. Однако в системах с накоплением энергии в электрическом поле конденсатора существенно меньше энергия и длительность индуктивной фазы разряда на третьем этапе.
Комментарии посетителей