Motronic: Система зажигания - описание

Сообщение

Описание

Задачи

Задачей системы зажигания является воспламенение сжатой топливовоздушной смеси в требуемый момент и тем самым инициализация процесса сгорания. В двигателе Отто это происходит от электрической искры, т.е. от кратковременного дугового разряда между электродами свечи зажигания. Хорошо работающее в любых условиях зажигание создаёт предпосылки для безупречной работы катализатора. Перебои в зажигании ведут к повреждению и разрушению катализатора вследствие его перегрева при догорании несгоревшей смеси.

Требования

Воспламенение смеси

Для воспламенения топливовоздушной смеси посредством электрической искры требуется примерно 0,2 mДж энергии на одну искру при условии стехиометрического состава смеси. Для богатых и бедных смесей требуется энергия более 0,3 mДж. Эта энергия - только малая часть имеющейся в свече общей энергии зажигания. Если энергия зажигания мала, то зажигания не произойдет, т.к. смесь не сможет воспламениться. Поэтому количество энергии должно быть достаточным, так чтобы и в самых неблагоприятных условиях топливовоздушная смесь уверенно воспламенялась. Вполне достаточно, чтобы около искры находилось незначительное количество смеси. Воспламенившись, это количество поджигает остальную смесь в цилиндре, начав тем самым процесс сгорания топлива. Хорошая подготовка смеси и её лёгкий доступ к искре улучшает качество зажигания, чему также способствует увеличенная продолжительность и длина искры или, что то же самое, увеличение зазора между электродами. Положение искры и её длина определены свечей зажигания, её продолжительность - типом и исполнением аппаратуры зажигания, а также условиями, в которых зажигание происходит.

Возникновение искры

Искра между двумя электродами может возникнуть только при наличии достаточно высокого напряжения. Напряжение на электродах свечи возрастает к моменту зажигания от нуля скачкообразно вверх, пока не достигнет напряжения пробоя (напряжение зажигания). Как только искра образовалась, напряжение на свече зажигания падает до напряжения горения. За время горения искры (продолжительность искры) топливовоздушная смесь имеет возможность воспламениться. После гашения искры напряжение волнообразно спадает (рис. 1). Желательная сама по себе сильная турбулизация смеси может привести к задуванию искры и тем самым к неполному сгоранию. Поэтому накопленная в катушке зажигания энергия должна быть достаточной для одно- или (в случае необходимости) для многократного последующего искрообразования.

: Протекание напряжения на свече зажигания при спокойной или малоподвижной смеси; Screenshot_7.jpg (65.85 КБ) 23 просмотра

Создание высокого напряжения и накопление энергии

Требуемое для зажигания искры высокое напряжение в батарейных системах зажигания повышается в основном с помощью катушки зажигания. Она играет при катушечном зажигании ещё одну важную роль накопителя энергии зажигания. Катушка зажигания разработана так, что создаваемое ею высокое напряжение значительно превышает требуемое для свечи зажигания: имеющееся высокое напряжение составляет 25...30 кВ при накопленной в катушке энергии в 60...120 мДж.

: Положение коленчатого вала и поршня в момент зажигания (Z) при раннем зажигании.; Screenshot_8.jpg (91.67 КБ) 23 просмотра

Момент зажигания и его коррекция

С момента воспламенения смеси до её полного сгорания проходит примерно 2 миллисекунды. При однородной смеси это время остаётся постоянным. Поэтому искра зажигания должна возникнуть в тот момент, когда давление сгорания при разных рабочих режимах двигателя было бы оптимальным. Принято определять момент зажигания по положению коленчатого вала относительно верхней мёртвой точки (BMT) и обозначать его в градусах до BMT. Этот угол называют углом опережения зажигания. Сдвиг момента зажигания в сторону BMT считается поздним и сдвиг от BMT - ранним зажиганием (рис. 2).

Момент зажигания должен быть выбран так, чтобы были выполнены следующие требования:

максимальная мощность

экономный расход топлива

предотвращение детонации и

"чистый" выхлоп

Все эти требования не могут быть выполнены одновременно, поэтому иногда исходимы компромиссы. Каждый наилучший момент зажигания зависит от многих факторов, особенно от частоты вращения двигателя, его нагрузки и конструкции, от топлива, а также специфических рабочих режимов двигателя (например: пуск, холостой ход, полная нагрузка, принудительный холостой ход). Основную настройку момента зажигания для текущего рабочего режима двигателя обеспечивает устройство коррекции момента зажигания по частоте вращения и нагрузке двигателя. Предпочитаемая сегодня высокая степень сжатия смеси в двигателях Отто вызывает значительно более высокую опасность детонации, нежели ранее применявшиеся степени сжатия. Детонация двигателя происходит вследствие взрывного сгорания частиц смеси, до которых не дошел фронт пламени от искры зажигания. В этом случае момент зажигания лежит в положении слишком "раннее". Детонация ведёт к повышению температуры в камере сгорания, отчего возможно калильное зажигание, а также к резкому возрастанию давления. Взрывное сгорание создаёт колебания давления, значительно превышающие нормальное давление сгорания (рис. 3).

Различаются два вида детонации:

детонация при разгоне при малых оборотах и большой нагрузке (слышна как звон) и

высокооборотная детонация при больших частотах вращения и большой нагрузке.

Высокооборотная детонация является для двигателя особо критичной. Из-за шума двигателя её не слышно. Поэтому слышимые стуки не дают полной картины детонации, но электронная техника позволяет её точно замерить. Продолжительная детонация разрушительно действует на двигатель (пробой прокладки головки блока, вкладышей, прогар поршня) и свечи зажигания.
Склонность к детонации зависит также и от конструкции двигателя (например: конфигурации камеры сгорания, равномерности состава топливовоздушной смеси, движения потока во впускном тракте) и от топлива.

: Диаграмма давления в камере сгорания при различных углах опережения зажигания.; Screenshot_9.jpg (100.17 КБ) 23 просмотра

Момент зажигания и токсичность

Зависимость удельного расхода топлива и вредных выбросов от коэффициента избытка воздуха и момента зажигания показана на рисунках 4 и 5. Удельный расход топлива с возрастанием коэффициента избытка воздуха сначала падает и возрастает снова при λ = 1,1...1,2. Оптимальный угол зажигания, при котором устанавливается самый низкий удельный расход топлива, увеличивается при повышении коэффициента избытка воздуха. Зависимость удельного расхода топлива от коэффициента избытка воздуха объясняется тем, что при оптимальном моменте зажигания сгорание в условиях богатой из-за недостатка воздуха смеси протекает неполностью, а в условиях бедной смеси, при приближении к границам воспламеняемости, сгорание затягивается, а также возникают его перебои, что ведёт к увеличению расхода топлива. Увеличение оптимального угла опережения зажигания с ростом коэффициента избытка воздуха основано на том, что задержка воспламенения с повышением коэффициента избытка воздуха возрастает.

: Влияние коэффициента избытка воздуха с и момента зажигания a₂ на расход топлива.; Screenshot_10.jpg (73.82 КБ) 23 просмотра

Это явление должно корректироваться посредством сдвига момента зажигания в сторону опережения.

Аналогичный характер имеет эмиссия CH, минимум которой также лежит при α = 1,1. Её возрастание в области бедных смесей зависит от охлаждения стенок камеры сгорания. В результате этого охлаждения гасится пламя. В экстремально бедном режиме возникает затянутое сгорание и его перебои, что при приближении к границе воспламеняемости повторяется всё чаще. Коррекция момента зажигания на более ранний действует при α > 1,2 в сторону повышения эмиссий CH, сдвигая при этом границу воспламенения в сторону обедненной смеси. Поэтому в обедненном режиме при α > 1,25 при более раннем моменте зажигания эмиссия CH снижается.

Совершенно по-другому протекает эмиссия окислов азота (NOx). Она возрастает с увеличением концентрации кислорода (O₂) и с возрастанием температуры сгорания до максимума. Тем самым получается колоколобразная кривая эмиссии NOx: возрастание до α = 1,05 по причине возрастания концентрации O₂ и максимальной температуры сгорания, а затем резкое падение при обеднении смеси из-за быстрого падения максимальной температуры сгорания на основе обеднения смеси. Этим объясняется и сильное влияние момента зажигания. Эмиссия NOx сильно возрастает с увеличением угла опережения зажигания.

Если бы предписания по охране окружающей среды потребовали бы работы двигателя в режиме α = 1,2...1,4, то требования к корректору опережения зажигания были бы значительно выше. Для систем нейтрализации токсичности отработавших газов с трёхкомпонентным катализатором требуется состав смеси α = 1, так что лишь угол опережения может быть принят за оптимизирующий критерий.

: Влияние коэффициента избытка воздуха и момента зажигания на вредные выбросы.; Screenshot_11.jpg (86.07 КБ) 21 просмотр