§2. Зажигание топливовоздушных смесей от искры электрического разряда

6 5

Рисунок 10.6 - Принципиальная схема батарейной контактной системы зажигания:

1. - источник питания; 2 - выключатель зажигания; 3 - контакты на реле включе- ния стартера; 4 - резистор; 5 - катушка зажигания; 6 - конденсатор; 7 - контакты прерывателя; 8 - кулачковый вал преры- вателя; 9 - ротор распределителя; 10 - распределитель высокого напряжения;

2. - помехоподавляющие резисторы; 12 - свечи зажигания

При размыкании контактов 7 прерывателя в колебательном контуре цепи первичной обмотки катушки зажигания возникает ЭДС самоиндукции напряжением до 300 В (рис. 10.7), а в колеба-

344

L

&

180

360

540 ф,°ПКВ

U, В 200

0

б

т, мс

тельном контуре цепи вторичной обмотки катушки зажигания - ЭДС индукции на­пряжением 15-20 кВ (рис. 10.8, а), доста­точное для образова­ния канала электриче­ского разряда между электродами свечи за­жигания. Величина пробивного напряже­ния зависит от давле­ния топливовоздуш­ной смеси в надпорш- невой полости, ее со­става (коэффициента избытка воздуха), ве­личины зазора между электродами свечи за­жигания (0,7-1,2 мм).

Длительность импульса пробивного напряжения не превы­шает 10^-6 с (рис. 10.8, б) и определяется величиной емкостной со­ставляющей электрического разряда. Максимальная сила тока в канале электрического разряда между электродами свечи зажига­ния может превышать 200 А [8]. Продолжительность индуктив­ной составляющей электрического разряда значительно больше

_3

(до 1,5-10 с), но напряжение значительно ниже.

Сила тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания при индуктивном разряде составляет 0,1-0,4 А [8, 9]. Соотноше­ние между емкостной и индуктивной составляющими энергии электрического разряда зависит в основном от давления топливо­воздушной смеси в надпоршневой полости. С прикрытием дрос­сельной заслонки, уменьшением давления смеси в момент элек­трического разряда емкостная составляющая электрического раз­ряда уменьшается.

Рисунок 10.7 - Изменение напряжения при размыкании контактов прерывателя на первичной обмотке катушки зажигания по углу поворота коленчатого вала (а) и по времени (б) при минимальной частоте вращения коленчатого вала четырехтакт­ного четырехцилиндрового двигателя на режиме холостого хода (п = 720 об/мин)

345

180

360

a

540 Ф, °ПКВ

U,

кВ

10

■А

Канал электрического разряда между электродами свечи за- жигания, диаметр которого составляет порядка 0,1 мм, представ- ляет собой высокотемпературную плазму (поток электронов и ионов), температура которой по оси канала превышает 10⁴ К (рис. 10.9). Энергия, освободившаяся при электрическом разряде, расходуется на излучение, разогрев топливовоздушной смеси,

примыкающей к кана- лу электрического раз- ряда, разрушение мо- лекул углеводородов топлива, молекул кис- лорода и азота, тепло- вые потери в электро- ды свечи зажигания, на расширение (увеличе- ние объема зоны элект- рического разряда). Температура в зоне электрического разря- да в радиальном на- правлении при этом резко снижается и, ес- ли приток энергии (энергия электрическо- го разряда и выделяю- щаяся теплота в реак- циях окисления атомов углерода, водорода, осколков молекул уг-

леводородов) будет меньше потерь энергии в зоне электрическо- го разряда, реакции окисления горючих элементов прекратятся, и воспламенения топливовоздушной смеси не произойдет. Для ста- билизации очага зажигания подвод энергии в зону очага воспла- менения должен превышать потери энергии в этой зоне, т.е.

Ер + Qx > Еизл + Еакт + Qx + Qr + Q^ (10.2)

где Е_р = UI dx - энергия электрического разряда; U, I - напря­жение и сила тока в цепи вторичной обмотки катушки зажигания;

б

х, мс

Рисунок 10.8 - Изменение напряжения при размыкании контактов прерывателя на вторичной обмотке катушки зажигания по углу поворота коленчатого вала (а) и по времени (б) при минимальной частоте вращения коленчатого вала четырехтактного четырехцилиндрового двигателя на режиме холостого хода (n = 720 об/мин)

346

Q_x - теплота, выделяющаяся в реакциях окисления углерода, во- дорода и осколков молекул углеводородов топлива в зоне разря- да; Е_изл - энергия излучения плазмы в канале электрического раз- ряда; Е_акт - энергия активации молекул углеводородов топлива, кислорода и азота в топливовоздушной смеси, окружающей зону электрического разряда; Qx, Q_R - теплоотвод от очага воспламе- нения вследствие теплопроводности смеси и конвективного теп- лообмена; Q_t - тепловые потери в электроды свечи зажигания.

Оценить энергию элек- трического разряда, необходи- мую для стабильного воспла- менения топливовоздушной смеси, достаточно сложно, так как значительные трудности представляет оценка с необхо- димой точностью длительности каждой из фаз электрического разряда, изменение силы тока и напряжения в каждой из фаз электрического разряда. В ряде работ [9, 10, 11] необходимая энергия разряда для стабильно- го воспламенения топливовоз-

душной смеси оценивается величиной от 2 до 80 мДж. Если, на- пример, исходить из представленных на рис. 10.8 осциллограмм изменения напряжения в цепи вторичной обмотки катушки зажи- гания батарейкой системы зажигания четырехтактного четырех- цилиндрового двигателя на режиме холостого хода при мини- мальной частоте вращения коленчатого вала (n = 720 мин^-1), то энергия емкостной и индуктивной фаз разряда составит не менее 0,1 Дж. В современных электронных системах зажигания энергия электрического или иного искрового разряда может быть увели- чена до 1 Дж, что существенно повышает надежность воспламе- нения. Однако при этом заметно возрастут потери энергии в сис- теме зажигания, эрозия металла электродов свечи зажигания.

В зоне электрического разряда (в среде высокотемператур­ной плазмы, Т > 10⁴ К) скорость химических реакций окисления

Ti= 0

Рисунок 10.9 - Изменение температуры среды в зоне электрического разряда в зависимости от времени

347