Техніка запалювання
Поділіться
Запалювання - це займання стиснених газів у камері згоряння двигуна. Горіння суміші, яке можна розглядати як хімічну реакцію між вуглецем, що міститься у вуглеводні (бензині або дизелі), та киснем, що міститься в повітрі, повинно відповідати певним умовам дозування, змішування та температури (> 600-700 ° В).
Існує дві категорії двигунів:
- Керовані двигуни з електричним іскровим запалюванням (або іскровим запалюванням), в яких паливо, як правило, змішується з повітрям перед введенням у камеру згоряння;
- двигуни із запаленням із повільним згорянням (дизель), в яких паливо (дизель) впорскується в об'єм сильно стисненого повітря.
У першому випадку займання спричиняється іскрою, яка змушена вибухати в кінці стиснення між електродами свічки запалення, розміщеної у вибуховій камері. Іскра досить гаряча, щоб суміш швидко горіла. У другому випадку високий тиск у камері згоряння спричиняє значне підвищення температури (> 600 ° C).
В кінці стиснення паливо (дизель) впорскується в дрібні частинки, які мимовільно спалахують при контакті з гарячим повітрям. Для всіх цих типів двигунів займання є початковою фазою явища горіння, яке потім відбувається протягом характерного періоду часу.
У бензинових двигунах суміш запалюється в концентричних шарах, розширення відбувається не відразу, і необхідно забезпечити певний прогрес запалювання, який враховує тривалість горіння. Викликаючи займання до того, як поршень досягне ВМТ (верхньої мертвої точки), сила, що діє на останню, максимальна, як тільки вона перевищує її. Інтервал у градусах, відносно нижньої мертвої точки (ВМТ) або ВМТ, між моментом, коли спалахнула іскра, і ВМТ визначає випередження запалення.
У дизельних двигунах є пристрої, призначені для полегшення холодного запуску: це невеликі обмотки або спеціальні свічки запалювання, розжарені електричним струмом, що нагрівають повітря у повітрозабірному колекторі. Дія яких припиняється, як тільки двигун працює. Існує також випередження вприскування, яке залежить від затримки запалювання.
Система запалювання - це, мабуть, найтонша частина бензинового двигуна. Були вивчені сотні систем, і колосальний прогрес не зупинив дослідження.
Раніше найбільш прикрі проблеми виникали через труднощі запуску, коли суміш знаходиться в найменш сприятливих умовах для регулярного займання; сьогодні ми вивчаємо обладнання, здатне забезпечити постійне займання на високих швидкостях.
Від пальника до іскри
Перші системи, прийняті в минулому столітті, передували різниці між двигунами внутрішнього згоряння та дизельними двигунами. Потім займання здійснювалось полум’ям, речовиною, наділеною каталітичною силою, платиновим дротом, який не розжарювався електричним струмом, або, нарешті, маленькими трубками, завжди в платині, які називали пальниками і розміщували в камері згоряння. Їх розжарювало полум'я пальника Бунзена (система, винайдена Даймлером і подана в 1883 році).
Серед автомобілів, оснащених цим пристроєм, можна згадати Daimler, Peugeot та Panhard та Levassor.
За цих систем запалювання було непевним, а горіння нерегулярним. Застосування електричної іскри як елемента займання горіння одразу виявилося найефективнішим і найпростішим рішенням. Це був початок розділу, який триває і сьогодні, оскільки альтернатив немає.
Вони надумали уявити найрізноманітніші системи для виробництва електричної іскри;
- електричні системи постійного або змінного струму,
- електромагнітні системи,
- електростатичний,
- електронний,
- з електричними опорами,
- п'єзоелектрична. і список, безсумнівно, зросте ще довше.
На початку століття було виділено дві системи: електричне запалювання з вібратором та електромагнітне запалювання з автоматичним вимикачем.
Перший використовував котушку Румкорфа (поточна котушка), що живиться від батареї і управляється вібратором, який називається шейкер. Цей пристрій, незалежно від обертання двигуна, генерував серію іскор при напрузі в тисячу вольт.
Вони виникли між полюсами пристрою, який називається запалювач, прабатьком поточної свічки. Низька швидкість двигунів того часу дала можливість вибрати серед безлічі загублених іскор ту, яка в відповідний момент могла б викликати запалювання.
Від цієї системи швидко відмовились через короткий термін дії іскри та часті відмови свічок запалювання.
Друга система складалася з котушки, намотаної на м’якому залізі, яке по черзі коливалося або навіть оберталося між полюсами магніту. Таким чином, шляхом індукції отримували змінний струм у кілька вольт. Усередині камери згоряння невеликий молоток, званий автоматичним вимикачем, створював, розмикаючи ланцюг, індукований струм у кілька сотень вольт, що спричинило іскру.
Індукований струм є тимчасовим ефектом, який завжди проявляється в ланцюгах, утворених обмотками. Це призводить до миттєвого і раптового збільшення напруги. Це можна порівняти із надлишковим тиском, який виникає в довгій трубі з великим потоком, коли потік води раптово переривається клапаном. Основним недоліком цієї системи була складність пристрою управління контактами. Крім того, генерована напруга була низькою. Встановлення не залежало від акумулятора, і ця незалежність була єдиною перевагою системи.
Магніто та запалювач
Відсутність довготривалих акумуляторів та необхідність зробити систему запалювання незалежною від акумулятора визначили стійкий успіх магніто. Цей пристрій, винайдений до 1905 року, і сьогодні використовується на одноциліндрових двигунах та на деяких мотоциклах. Піонерами магніто були Роберт Бош з Німеччини та Фредерік Річард Сіммс з Англії.
Існує два типи магніто - магніто низької напруги (LV) і магніто високої напруги (HV).
Перший поєднує описану вище систему надструму з високовольтним трансформатором або котушкою. Струм, що утворюється при розмиканні контактів, надходить на котушку, яка перетворює її на струм високої напруги.
Ford T 1907 року був одним з перших автомобілів, який застосував цю систему. Незважаючи на перевагу зовнішньої котушки з точки зору охолодження та відносної простоти, ця система незабаром поступилася місцем (1910) високомагнітному магнето.
Магніто НТ, яку часто просто називають магнето, була системою, яка найчастіше використовується в автомобілях. На той самий залізний сердечник намотані первинний контур, що складається з декількох витків послідовно з вимикачем, і вторинний контур, утворений з великої кількості витків і з'єднаний з одного боку з первинним контуром, а інший - зі свічкою, або до дистриб’ютора HT, коли є кілька свічок.
Кількість обмоток дві, а не три, як у попередньому випадку. Різання змінного струму первинного контуру контролюється точками контакту вимикача в періоди максимальної інтенсивності. Це спричиняє раптову зміну магнітного потоку в м’якому залізі. Цей потік, проходячи через вторинну, створює напругу більше 10000 вольт. Як і всі типи магніто, цей добре працює на високих швидкостях. З іншого боку, при запуску напруга, яка залежить від швидкості обертання, може бути недостатньою.
Ось чому деякі магніти HT були оснащені підпружиненою пусковою установкою для прискорення якоря при запуску. Від магніто HT вийшов магнітний маховик, який широко використовувався в минулому і донині використовується на мопедах. Сьогодні всі автомобілі оснащені системою запалювання акумулятора, що включає:
- запальна головка, або запальник, чия форма датується 1925 р. Цей пристрій складається з вимикача та його кулачка,
- система випередження (ручна, вакуумна або відцентрова),
- розподільник ВН, конденсатор і, можливо,
- система проти забруднення (затримка або попередження займання).
На відміну від магніто, він працює на постійному струмі і повинен живитися від акумулятора. Інсталяція також включає:
- котушка, утворена м'яким залізним сердечником з двома обмотками (первинною та вторинною), а іноді і зовнішнім опором;
- з'єднувальні кабелі (HT-дроти);
- свічка, що складається з ізолятора, основи та електродів.
Електрична схема показана на малюнку. Замикаючись контакти, сильне намагнічування виходить при проходженні струму в первинному.
Коли контакти розмикаються, струм різко переривається, і зміна потоку дає змогу отримати індукований струм на вторинній, інтенсивність якого може досягати 18 000 - 20 000 вольт. Прикладається між електродами свічки запалювання через ротор і розподільна головка, це викликає іскру. Вторинна напруга залежить від:
- первинний струм;
- швидкість зміни поля (кулачковий профіль);
- ємність конденсатора і коефіцієнт первинного/вторинного перетворення.
Електродвижуча сила індукції задається за формулою:
E = [[n x (o2 - 01)]/t] x o1
o1 - примітивний потік, а 02 - кінцевий потік; t - тривалість варіації (перерви). Іскра виникає із затримкою в 40 мільйонних часток секунди, що відповідає 3 градусам при 6000 об/хв.
Наявність конденсатора, встановленого паралельно з двома контактами і з первинною обмоткою, дозволяє зменшити час розриву, уникаючи створення електричної дуги між контактами, яка швидко їх пошкодить і дозволить пропускати струм. Цього слід абсолютно уникати, оскільки саме розрив робить можливим займання.
Існує варіант системи запалення: система “подвійного запалювання”. Він складається з двох однакових наборів, сформованих:
- дві пари платинованих гвинтів,
- два дистриб'ютори,
- дві котушки, і
- дві свічки запалювання на циліндр.
Дві установки працюють одночасно і породжують дві чіткі іскри. Таким чином, горіння ініціюється в двох точках камери, а не лише в одній, і тривалість горіння значно скорочується. Запалювальна система не є досконалою: якщо максимальна частота становить 300 іскр в секунду (що відповідає 9000 об/хв у 4-циліндровому агрегаті), спостерігається падіння напруги та тривалості іскри з часом. І як кількість витків збільшується.
Тривалість іскри не повинна бути менше 15 мільйонних часток секунди, інакше зустріч між атомами вуглецю та киснем не гарантується. Щоб усунути це явище, не показано збільшувати напругу за допомогою котушок з вищим коефіцієнтом трансформації (супер котушки).
Це тому, що коли двигун працює на холостому ходу, ці напруги можуть спричинити коротке замикання через розподільну коробку або дроти. Нарешті, неможливо збільшити інтенсивність струму, що живить котушку, понад межу струму від 4 до 5 ампер, інакше контакти швидко "перегорять".
Всі ці проблеми, особливо чутливі для 6, 8 або 12 циліндрових двигунів, при ступенях стиснення та високих обертах, були вирішені завдяки електроніці.
Першим застосуванням електроніки запалювання було прийняття транзистора як швидкого перемикача для відкриття та закриття первинного кола котушки. Транзистор сам управляється платинованими гвинтами вимикача завдяки дуже низькому струму.
Принцип дії заснований на здатності транзистора посилювати струм. Коли контакти вимикача, розміщеного всередині розподільника, замикаються, слабкий струм, приблизно 0,5 ампер, протікає через схему базового випромінювача транзистора і дозволяє протікати більш інтенсивному струму (приблизно 6 А) через колектор-випромінювач. ланцюг транзистора. При відключенні струм на основі емітера переривається, і транзистор більше не проводить.
Струм, що протікає через вимикач, контролює вищий струм, що протікає через обмотку котушки запалювання.
Основними перевагами транзисторного запалювання є наступні:
- полегшення холодного пуску, завдяки відсутності електричних дуг між контактами;
- краща ефективність на високих швидкостях, оскільки транзистор може використовувати більший первинний струм котушки, ніж дозволяють гвинти з платиновим покриттям, і, отже, здатний подавати свічки запалення струмом постійної інтенсивності навіть при дуже високій швидкості обертання;
- більший термін служби контакту, оскільки струм, що протікає між накладками, нижчий.
Запалювання розряду конденсатора є більш складною системою, ніж попередня, і, мабуть, найефективніша з електронних систем. Він використовує розряд конденсатора в первинній частині котушки. Схема показана нижче.
Операцію можна описати наступним чином: період замикання контакту вимикача представляє фазу зарядки конденсатора через перетворювач.
При відмові конденсатор розряджається через діод, підключений до первинної обмотки котушки запалювання. Індукований струм НТ, зафіксований у вторинній обмотці котушки, робить спалах іскри між електродами свічки запалювання.
За цих умов отримується дуже швидкий розряд, який дозволяє уникнути будь-якого розсіювання енергії і дозволити займання навіть із засміченими свічками. Найбільш очевидними перевагами системи є:
- абсолютно регулярні іскри навіть при напрузі акумулятора, зниженій з 12 до 6 вольт, при запуску, при температурі - 30 °
- постійна напруга на свічках запалення в усіх умовах експлуатації автомобіля; -зниження струму в вимикачі;
- поглинання струму, що відповідає вихідному струму генератора.
Найбільш делікатним елементом електронних систем, які ми описали, є механічний вимикач, який повинен забезпечувати синхронізацію запалювання і переривати струм на дедалі більш високій частоті.
Час змінюється з часом із-за зносу волоконного молотка, а, з іншого боку, частота обмежена 300 різами в секунду, однак сьогодні необхідно досягти до 1200 та 1300 різань.
БЕЗБЕЗКОШТОВНА СИСТЕМА
Всі ці недоліки усуваються в електронних системах без автоматичного вимикача (які називаються безрубіжними) завдяки використанню датчиків (приймачів), які передають електронній групі належним чином посилений сигнал управління запаленням.
Ці датчики ефективно замінюють платинові гвинти, роблячи можливим досягнення дуже високих частот. Випробувані оптичні датчики змінної неохоти або змінної ємності, нарешті, магнітні датчики. Вони виявилися більш надійними. Їх принцип роботи дуже простий:
в розподільнику, замість кулачка та контактів, є невеликий генератор змінного струму із стільки масами полюсів, скільки циліндрів. Струм, що подається цим датчиком, є пульсуючим струмом, налаштованим на фази електродвигуна.