Система зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения топливо-воздушной смеси в точно установленный момент времени в соответствии с режимом работы двигателя. В двигателях с искровым зажиганием это достигается за счёт высоковольтного электрического разряда между электродами свечи. Воспламенения небольшой области смеси вокруг электродов достаточно для инициирования процесса горения в камере сгорания.

После воспламенения этой области пламя распространяется по камере сгорания, обеспечивая горение топлива. Способность к воспламенению топлива улучшается при более качественном его распылении и испарении, лучшем доступе к электродами свечи, увеличения продолжительности и длины искрового разряда. Свеча определяет длину искры, система зажигания - продолжительность разряда.

Для возникновения искры напряжение в электродах свечи должно резко возрасти от нуля до 15-30 тыс. В, что достаточно для образования дуги. При возникновении искры напряжение падает до уровня, необходимого для её распространения. В этот промежуток времени смесь воспламеняется. Затем искра исчезает, и напряжение падает до нуля.

Интенсивное смесеобразование улучшает качество процесса горения, но при этом завихрения способны погасить искру. Поэтому она должна быть достаточной мощности, для устойчивой работы двигателя.

Врем от начала горения смеси до её полного сгорания - 1-5 миллисекунд. Поэтому возникновение искры должно происходить несколько раннее ВМТ.

Факторы, влияющие на сгорание смеси.

Полное сгорание смеси происходит при соотношении масс воздуха и топлива, равном 14,82:1. При этом коэффициент избытка воздуха равен 1. Смесь с коэффициентом избытка воздуха 0,9, то есть с недостатком воздуха 10%, позволяет получить наибольшую мощность двигателя, так как скорость горения такой смеси максимальна. Однако при этом выделяется много несгоревших углеводородов, окиси углерода, и т.д. Если же коэффициент избытка воздуха будет равен 1,1, то в этом случае выхлоп будет наиболее чистым, однако мощность двигателя будет ниже.

Законодательства многих стран устанавливают жёсткие требования к составу отработавших газов.

Мощность и топливная экономичность двигателя тесно связаны с моментом зажигания для бензиновых ДВС и моментом впрыска для дизелей.

См. рис. 1

Момент воспламенения выбирается в соответствии с расчётными показателями двигателя. Максимальное давление должно достигаться через 12-15 градусов после ВМТ.

Для улучшения качества сгорания смеси повышают её турбулентность, конструируя камеры сгорания соответствующей формы.

Часть отработавших газов остаётся в цилиндре. Смешиваясь со свежим зарядом, остаточные газы снижают скорость распространения газов, и, соответственно, температуру сгорания смеси. Это обеспечивает более полное сгорание топлива и увеличивает экологичность двигателя. В некоторых двигателях часть выхлопных газов намеренно подаётся в камеру сгорания с помощью системы рециркуляции отработавших газов. Однако, у количества остаточных газов есть определённый предел, после которого начинает расти расход топлива.

Детонация.

При преодолении фронтом горения скорости звука возникает детонация, то есть взрыв.

Часть рабочей смеси, наиболее отдаленная от эпицентра сгорания, нагревается в результате поджатия - увеличения давления в цилиндре от повышения температуры при сгорании смеси. При этом температура смеси превышает температуру самовоспламенения. При детонации скорость распространения фронта пламени составляет 1500 м/с при 30-80 м/с во время обычного зажигания.

Детонация сопровождается металлическим стуком, возникающим при отражении ударных волн от стенок цилиндра. На индикаторной диаграмме можно отследить высокочастотные колебания давления.

Детонация разрушает масляную плёнку на деталях.

Подавлению детонации способствуют следующие меры - применение топлива с большим октановым числом, уменьшение угла опережения зажигания, увеличение частоты вращения коленвала, уменьшение нагрузки на двигатель, конструктивные факторы.

Контроль над детонацией.

Для получения от двигателя наибольшей эффективности зажигание должно происходить на самой границе возникновения детонации. С этой целью всё большее число современных автомобилей оснащаются системой управления детонацией.

При возникновении детонации в зоне камеры сгорания возникает сильная вибрация, которая улавливается специальным датчиком. Поскольку при работе двигателя наблюдается широкий спектр ударов и вибраций, датчик должен выделить из него только характерный для детонации сигнал. При начале детонации сигнал датчика поступает на блок управления двигателем, который уменьшает угол опережения зажигания. Такая система, как правило, является лишь частью общей системы управления двигателем.

Преждевременное воспламенение

Рабочая смесь может сама воспламениться от контакта с горячими стенками камеры сгорания. Оно сопровождается дребезжащим звуком и заметным падением мощности.

Причиной тому становится нагар на стенках камеры сгорания, который, обладая плохой теплопроводностью, сильно разогревается и становится способен воспламенить смесь до того, как это сделает свеча. Двигатели старых конструкций требовали частой чистки камер сгорания, однако в современных двигателях эта необходимость заметно снизилась.

Побочный эффект нагарообразования заключается ещё и в том, что после выключения зажигания двигатель может продолжать работать, поскольку разогретый нагар продолжает поджигать топливо даже при неработающих свечах.

Преждевременное воспламенение также наблюдается при повышении степени сжатия, когда температура в конце такта сжатия оказывается чересчур высокой.

Процесс сгорания и вредные выбросы.

При идеальном сгорании топлива - при соотношении 14,82:1 - в результате сгорания образуются вода и углекислый газ. Однако в реальных условиях в отработавших газах всегда содержатся вредные примеси - угарный газ, оксиды азота, углеводороды.

Уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу позволяет каталитический нейтрализатор. Самой распространённой конструкцией является преобразователь тройного действия.

Он выполняет две основные функции:

1) преобразует окись углерода и углеводород в углекислый газ и воду

2)Преобразует оскиды азота в азот.

Для нормальной работы нейтрализатора топливо не должно содержать свинец, также состав смеси должен строго выдерживаться. При отсутствии регулировки состава смеси эффективность нейтрализатора падает в два и более раза. Рабочая температура нейтрализатора - 400-800 градусов, преобразование начинается с 250 градусов. При температуре свыше 800 начинается термическое старение активной массы преобразователя и её покрытия из благородных металлов.

При движении газов через преобразователь в контакте с платиной и родием происходит химическое преобразование вредных веществ в безвредные. Платина способствует окислению СО и СН, родий - разложению окислов азота. Общая масса этих металлов в преобразователей составляет около 3 г.