Система зажигания
Продолжение. Начало в "Семь Верст" №№ 45, 47, 2003 год.
Для чего нужна система зажигания
При сгорании смеси образуется большое количество газов, которые давят на поршень и тем самым совершают полезную работу. Система зажигания предназначена для воспламенения сжатой топливовоздушной смеси в нужный момент времени и тем самым инициализации процесса сгорания. От правильной работы системы зажигания напрямую зависят основные показатели работы двигателя: мощность, топливная экономичность, содержание вредных компонентов в отработавших газах. Хорошо работающее в любых условиях зажигание создает предпосылки для безупречной работы каталитического нейтрализатора.
Как воспламеняется смесь
На такте сжатия топливовоздушная смесь сжимается в камере сгорания до 20..40 bar, и её температура поднимается до 400..600 ?С. Для нормального воспламенения этого недостаточно, и поэтому необходимо начальное воздействие - инициация горения (поджиг). В нашем случае таким воздействием является электрическая искра, т.е. кратковременный электрический разряд между электродами свечи зажигания. Если энергия искры мала, то воспламенения может не произойти. Поэтому количество энергии должно быть достаточным, так чтобы и в самых неблагоприятных условиях топливовоздушная смесь уверенно воспламенялась. Для воспламенения требуется примерно 0,2 mДж. энергии на одну искру при условии стехиометрического состава смеси. Для богатых и бедных смесей требуется больше энергии (3 mДж). Минимально необходимо, чтобы около искры находилось незначительное количество смеси. Воспламенившись, это количество поджигает остальную смесь в цилиндре, начав тем самым процесс сгорания топлива.
Для возникновения искры напряжение подается на свечу с катушки зажигания, в которой происходит накопление энергии. Катушка зажигания разработана так, что создаваемое ею высокое напряжение значительно превышает напряжение пробоя в зазоре свечи зажигания. Современные катушки зажигания обеспечивают напряжение порядка 25...40 кВ при накопленной в катушке энергии в 60..120 mДж.
Качественное горение достигается при выполнении следующих условий:
- оптимальный состав топливовоздушной смеси;
- однородность и хорошее распыление топливовоздушной смеси;
- оптимальная продолжительность искрового разряда.
Увеличение зазора между электродами увеличивает длину искры, что положительно сказывается на процессе горения, но его максимальная величина ограничивается электрическими параметрами системы зажигания.
Угол опережения зажигания
С момента воспламенения смеси до её полного сгорания проходит около 2 миллисекунд. С увеличением частоты вращения коленчатого вала время сгорания остается почти неизменным, а средняя скорость движения поршня значительно возрастает и поршень успевает отойти от верхней мертвой точки (ВМТ), сгорание происходит в большем объеме, давление газов на поршень уменьшается и мощность двигателя падает. Кроме того, при одной и той же частоте вращения коленчатого вала, с увеличением нагрузки на двигатель, момент воспламенения должен наступать позже. Это объясняется тем, что увеличивается количество горючей смеси, поступающей в цилиндры, и одновременно уменьшается количество примешиваемых к ней остаточных отработавших газов, вследствие чего повышается скорость сгорания. Искра должна возникнуть в тот момент, когда давление сгорания при разных рабочих режимах было бы оптимальным. Это вызывает необходимость воспламенять рабочую смесь с опережением ( до прихода поршня к ВМТ) с таким расчетом, чтобы смесь полностью сгорела к моменту перехода поршнем ВМТ (при наименьшем объеме). Момент зажигания принято определять по положению коленчатого вала относительно ВМТ и обозначать его в градусах до ВМТ. Этот угол называют углом опережения зажигания (УОЗ). Сдвиг момента зажигания в сторону ВМТ считается поздним (УОЗ уменьшается), а сдвиг от ВМТ - ранним (УОЗ увеличивается) (рис. 1). Чем выше частота вращения, тем более ранним должен быть УОЗ.
От момента зажигания зависят основные показатели работы двигателя: максимальная мощность, экономный расход топлива, содержание вредных компонентов в отработавших газах, и т.д. Система управления двигателем производит расчет УОЗ в зависимости от текущего режима работы двигателя (например: пуск, прогрев, холостой ход, мощностное обогащение) от скорости вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель. Оптимальный угол для прогретого двигателя, в зависимости от скорости вращения двигателя и количества потребляемого воздуха, определяется сложной трехмерной функцией. Как, примерно, выглядит эта функция можно понять из рис. 2.
Момент зажигания и токсичность
Зависимость удельного расхода топлива от коэффициента избытка воздуха и момента зажигания представлен на рис 3.
С возрастанием коэффициента избытка воздуха удельный расход топлива двигателя сначала уменьшается (? = 0,8...1,0), а затем увеличивается (? = 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 смеси протекает не полностью. 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. Это явление должно корректироваться посредством сдвига момента зажигания в сторону опережения.
Аналогичный характер имеет эмиссия углеводородов СН (рис 4а), минимум которой лежит в области ? = 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 все чаще. Коррекция момента зажигания на более ранний приводит к повышению эмиссий СН.
Совершенно по другому протекает эмиссия окислов азота (NOX). Она возрастает до максимума с увеличением концентрации кислорода (О2) и с возрастанием температуры сгорания (рис 4б). Тем самым получается колоколобразная кривая эмиссии NOX:
- возрастание (до ? = 1,05) по причине возрастания концентрации О2 и максимальной температуры сгорания;
- резкое падение (после ? = 1,05) при обеднении смеси из-за быстрого снижения максимальной температуры сгорания.
Этим объясняется и сильное влияние момента зажигания. Эмиссия NOX значительно возрастает с увеличением угла опережения зажигания.
Влияние угла опережения зажигания на эмиссию СО сказывается в области богатых смесей более значительно, чем в области бедных (рис 4в).
Для системы нейтрализации токсичности отработавших газов с трехкомпонентным катализатором, требуется состав смеси ? = 1, так что лишь угол опережения может быть принят за оптимизирующий критерий.
Детонация
Высокая степень сжатия смеси в современных двигателях вызывает опасность появления такого вредного явления как детонация. Детонация двигателя происходит вследствие взрывообразного сгорания частиц смеси, до которых не дошел фронт пламени от искры зажигания. В этом случае момент зажигания слишком ранний. В результате детонационного сгорания в камере сгорания возникает повышенное давление и температура.
Различают два вида детонации:
- детонация при разгоне - слышна как металлический звон. Возникает при малых оборотах двигателя и большой нагрузке.
- высокооборотная детонация. Возникает при больших оборотах и большой нагрузке.
Высокооборотная детонация является для двигателя особо критичной, так как из - за шума двигателя её не слышно. При длительной детонации повышенное давление и термическая нагрузка могут привести к механическим повреждениям прокладки головки цилиндров, поршня и головки в зоне клапанов.
Склонность к детонации зависит также и от конструкции двигателя (например: конфигурации камеры сгорания) и от качества топлива.
Данной главой мы завершаем краткий обзор принципов работы двигателей внутреннего сгорания. Далее мы начнем знакомство с системами управления двигателем автомобилей ВАЗ и детально рассмотрим принципы работы, компоненты системы, основные алгоритмы функционирования и методы диагностики.
"Семь Верст", № 49 , 2003г.
