Системы зажигания высокой энергии

Н.Н. Кукса, В.А. Поздняков

Описан принцип действия систем плазменного зажигания и дана разработанная авторами функциональная схема устройства дугового плазменного зажигания. Приведены результаты испытаний системы плазменного зажигания для автомобиля «Форд Пинто» (США) и для макетного образца предложенной системы, установленного на двигателе УЗАМ 331.10 автомобиля «Москвич 21412».

Во всём мире не прекращается поиск путей повышения экономичности и экологической безопасности традиционных бензиновых двигателей. Одним из возможных путей является переход на бедные смеси, который позволяет повысить ТОПЛИВНУЮ экономичность и уменьшить вредные выбросы. Однако при работе на бедных смесях (массовое соотношение воздух/топливо более 17) затрудняются условия воспламенения от классической искры [1]. Поэтому для обеспечения надежной и устойчивой работы двигателя на бедной смеси необходимо создать в камере сгорания мощный очаг горения.

К настоящему времени получили развитие два принципиально различных метода создания такого очага. Первый метод получил название «форкамерное зажигание» [1]. Второй метод заключается в получении мощных электрических разводов, имеющих большую длительность горения или площадь соприкосновения с топливно- воздушной смесью. Если разряд (электрическая дуга) имеет большую длительность, то за счет турбулентности в цилиндре разряд растягивается, меняет свою форму, чем обеспечивает множество очагов горения. При малой длительности, но большой поверхностной площади разряд создает один очаг горения. Если сравнить по эффективности эти методы зажигания е обычной искрой, получается такое соотношение, как у паяльной лампы и простой спички.

Для создания устройств, формирующих мощный электрический разряд, разработчики идут двумя путями: изменяют конструкцию катушек зажигания и коммутаторов, что увеличивает продолжительность индуктивной фазы разряда, или применяют свечи специальной конструкции, которые называют плазменными. Газы, в том числе составляющие воздух, переходят в состояние плазмы при нагреве 10000 К и выше. Такая температура возникает при пробое искрового промежутка обычной свечи в начальный период разряда. Согласно общепринятой терминологии эта составляющая разряда называется емкостной [2]. Емкостная составляющая представляет собой разряд энергии, накопленной на распределенной емкости вторичной цепи. Емкость вторичной цепи классической системы зажигания не превосходит нескольких десятков пикофарад, поэтому энергия емкостной составляющей незначительна. Однако благодаря кратковременности процесса (0,5...1 мкс) мощность, развиваемая искрой, может достигать десятков киловатт [3]. Такой мощности вполне достаточно, чтобы превратить некоторый объем газа между электродами обычной свечи в плазму. Таким образом, плазма в системе зажигания - это емкостная составляющая разряда и имеет место в любых системах в меньшей или большей степени. Разработчики стараются эту составляющую усилить путем создания плазменных воспламенителей, На рис. 1 показана схема плазменного воспламенителя со стандартной катушкой зажигания [4].

Плазменный воспламенитель(свеча),содержащий центральный электрод 1,изолятор 2,корпус 3,разрядную камеру 4,крышку 5 и сопло 6 устанавливается на место обычной свечи так,чтобы сопло выходило в камеру сгорания. Конденсатор С ёмкостью 1 мкФ заряжается от преобразователя до напряжения 3000В и через промежуточный разрядник подключается ко вторичной обмотке W₂ обычной катушки зажигания. В статическом состоянии напряжения 3000В недостаточно для пробоя промежутка свечи. В момент размыкания контактов прерывателя П на вторичной обмотке W₂ катушки зажигания К индуцируется высоковольтный импульс. Он пробивает промежуточный разрядник Р и искровой промежуток свечи, образованный центральным электродом и острым краем крышки. Возникает обычная искра, представляющая собой проводящий канал с малым сопротивлением, через который разряжается конденсатор С. При этом в разрядной камере объемом 10 мм3 выделяется энергия W=0,5СU²,имеющая для данной схемы величину около 4,5Дж. Давление в камере мгновенно возрастает, и струя плазмы выбрасывается через сопло со сверхзвуковой скоростью, внедряясь в топливно-воздушный заряд на глубину 4 мм, обеспечивая быстрое воспламенение заряда.

В другом варианте плазменного воспламенителя (рис. 2) образующаяся плазма поступает в камеру сгорания под действием электромагнитных сил[5].

Конструкция этого воспламенителя включает в себя: корпус 1, центральный электрод 2, пусковой электрод 3, изолятор 4 (см. рис. 2,а). Корпус 1 воспламенителя вворачивается в головку цилиндра вместо стандартной свечи зажигания. Центральный электрод 2 соединён с заряженным до 3000 В конденсатором, пусковой цилиндрический электрод 3 - со вторичной обмоткой катушки искрового зажигания. Когда между двумя электродами появляется искра, происходит ионизация горючей смеси и создается небольшая торообразная плазма (рис. 2,6).

Ток плазмы взаимодействует с циркулирующим вокруг центрального электрода магнитным полем (рис. 2,в), вследствие чего электромагнитная сила проталкивает плазменный тороид вниз (рис. 2,г) и он на сверхзвуковой скорости выбрасывается из воспламенителя в заряд топливовоздушной смеси. Под действием турбулентности газов в цилиндре тороид распадается на множество очагов горения, обеспечивая объемное воспламенение смеси.

Испытания плазменного зажигания проводились на автомобиле «Форд Пинто» (США) с рабочим объемом двигателя 2300 см³ и автоматической коробкой передач [1], результаты испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1

Система зажигания	Выброс токсичных веществ, %	Расход топлива, л/100км
CHx	CO	NOx	Городской испытательный цикл	Дорожный испытательный цикл
Стандартная	100	100	100	15,35	11,41
Плазменная с оптимальным регулированием угла опережения зажигания	93	91	103	14,26	10,90
Плазменная с оптимальным регулированием угла опережения и состава смеси	175	65	162	13,39	9,98

Данные табл. 1 показывают, что при применении в двигателях системы плазменного зажигания без регулирования угла опережения зажигания и состава смеси расход топлива уменьшается на 0,9% при регулировании угла зажигания - на 4,5%, а при оптимальном регулировании угла зажигания и состава смеси - на 14 %. При плазменном зажигании можно осуществить качественное регулирование бензинового двигателя, при котором количество подаваемого воздуха остается неизменным, а регулирование мощности двигателя осуществляется количеством подаваемого топлива (как в дизельном двигателе).

Возникает вопрос, почему же столь эффективные системы не применяются на массовых автомобилях? Причина - высокая мощность, которую должен потреблять преобразователь напряжения 12 В/3000 В от бортовой сети автомобиля. Допустим, что четырехцилиндровый двигатель работает на скорости 3000 мин^-1, тогда период следования импульсов зажигания составляет 10 мс. За это время преобразователь должен зарядить конденсатор до напряжения 3000 В то есть передать ему заряд 3 мКл. Для этого нужен ток 0,3 А, следовательно, выходная мощность преобразователя - 900 В*А. Без учета КПД такой преобразователь должен импульсно потреблять ток 75 А. Эта величина превосходит предельный ток, который может дать генератор большинства легковых автомобилей. Поэтому можно считать, что в обозримом будущем плазменные системы зажигания с накопительным конденсатором во вторичной цепи не будут применяться.

Поиски путей снижения электрической мощности, потребляемой от бортовой сети автомобиля на формирование очага горения, привели к построению систем зажигания с импульсным накоплением энергии в индуктивности [6]. Эта энергия используется для питания дугового разряда между электродами свечи в течение 2...3 мс. Попытки увеличить длительность приводят к резкому росту массогабаритных показателей индуктивности. На рис. 3 приведена функциональная схема разработанного авторами устройства дугового плазменного зажигания. Здесь для питания дугового разряда энергия поступает от специального источника напряжения 900 В. Причём длительность импульса дугового разряда определяется углом поворота коленчатого вала и может меняться от 5 мс при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин^-1 до 0,8 мс при 6000 мин^-1.

В устройстве используется широко распространенная катушка зажигания 2 типа Б-117А, стандартные распределитель зажигания 3 и свечи 8. Два независимых преобразователя 1 и 9 создают на своих выходах 350 и 900 В соответственно. Преобразователь 1 совместно с конденсатором С, тиристором VD1 и катушкой зажигания 2 образуют искровую систему зажигания с емкостным накопителем энергии.

Устройство работает следующим образом. Не доходя 45° до верхней "мёртвой" точки (ВМТ) любого из цилиндров срабатывает датчик 7 положения коленчатого вала. По его сигналу схема управления 6 замыкает электронный ключ 4 и напряжение 900 В через дроссель L, диод VD2 и бегунок распределителя 3 подается на соответствующую свечу. Схема управления 6 считает импульсы датчика 5 угла поворота маховика. Датчик 5 является индуктивным и находится в магнитной связи с зубчатым венчиком маховика. В момент зажигания схема 6 открывает тиристор VDI, конденсатор С разряжается на первичную обмотку W₁ катушки зажигания 2. Со вторичной обмотки W₂ снимается импульс положительной полярности амплитудой около 20 кВ, который через диод VD3 и распределитель 3 создает в соответствующей свече искру. Когда напряжение на искровом промежутке свечи снизится до 900. В, диод VD2 открывается, a VD3 закрывается, и преобразователь 9 питает своим током (100 мА) плазменную дугу. Индуктивность L (1 Гн) исключает обрыв дуги вследствие турбулентности газов в цилиндре. Через 30° угла поворота коленчатого вала после ВМТ схема управления 6 разомкнет ключ 4, и горение дуги прекратиться. Для следующего цилиндра процесс повторяется.

Исследования показали, что двигатель УЗАМ 331.10 (автомобиль «Москвич 21412»), оборудованный макетным образцом этой системы зажигания, может работать на обедненной рабочей смеси без заметной детонации, имеет легкий холодный пуск, дает экономию топлива 2-3 %, снижает содержание окиси углерода в выхлопных газах до 0,5 %. Во время работы система потребляет от бортовой сети автомобиля ток 18 А.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль / Пер. с чешского В.Б. Иванова; Под ред. А.Р. Бенедиктова. М: Машиностроение, 1997.

2. Акимов С.В., Боровских Ю.И.,Чижков Ю.П. Электрическое и электронное оборудование автомобилей. М.: Машиностроение, 1988.

3. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учеб. для студентов вузов, 2-е изд. перераб. и доп. М.: Транспорт, 1995.

4. Патент 2477235 Франция, США, МКИ F02P9/00.

5. Патент 63-37266 Япония, МКИ F02P3/00.

6. Автомобильная электроника. Любительские схемы. 4.1 / Сост. А.А. Халоян. М,: РадиоСофт; ЗАО «Журнал «Радио», 2003.

Дата добавления: 2015-07-12