Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Искровой разряд, формируемый системой зажигания, начинается с пробоя межэлектродного зазора свечи зажигания, который происходит тогда, когда напряжение во вторичной цепи системы зажигания возрастает до определенного значения, называемого пробивным напряжением (UПР).

Согласно закону Пашена:

,

где ρ – плотность газовой среды в межэлектродном зазоре свечи зажигания; δСВ – величина межэлектродного зазора свечи зажигания.

После пробоя следует короткая емкостная фаза искрового разряда. Величина энергии емкостной фазы разряда определяется величинами пробивного напряжения и емкости свечи зажигания.

После емкостной фазы следует гораздо более длительная индуктивная фаза искрового разряда. В течение ее длительности в межэлектродном зазоре свечи зажигания формируется плазменный столб, в котором выделяется электрическая энергия, накопленная заранее в магнитном поле катушки зажигания [5]. В системе зажигания с накоплением энергии в магнитном поле катушки зажигания (далее ТрСЗ) наблюдается тлеющий разряд, длящийся до нескольких миллисекунд.

Можно считать доказанным, что преобладающее влияние на динамику процесса воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС оказывает энергия индуктивной фазы разряда [2, 3].

Длительность разряда будет зависеть от параметров как системы зажигания, так и конструктивных параметров двигателя внутреннего сгорания (ДВС) [6].

В работах [5, 6] показано, что для конденсаторных систем зажигания с накоплением энергии в накопительном конденсаторе (КСЗ) характерна слабая зависимость длительности искрового разряда от частоты вращения коленчатого вала ДВС, что объясняется малой зависимостью величины тока в первичной цепи катушки зажигания от величин вносимого в первичную цепь из вторичной сопротивления межэлектродного промежутка свечи, распределенных и сосредоточенных сопротивлений соответственно высоковольтного провода и свечи зажигания. Следовательно, имеет место малая зависимость частоты колебательного контура КСЗ, состоящего из накопительного конденсатора и первичной обмотки катушки зажигания, от величины вносимого из вторичной цепи катушки зажигания сопротивления.

Для классической ТрСЗ в настоящее время недостаточно исследований о влиянии режимов работы ДВС на длительность индуктивной фазы искрового разряда.

Вариации длительности и, соответственно, связанной с ней характеристикой выделения энергии искрового разряда при работе ДВС оказывают существенное влияние на динамику процесса воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре [5].

Влияя на параметры системы зажигания (изменяя величину энергии, накапливаемой в магнитном поле катушки зажигания за счет изменения величины тока разрыва) на различных режимах, можно существенно улучшить показатели токсичности и топливной экономичности ДВС. Выявление данных зависимостей позволит также создавать и корректировать существующие математические модели искрового воспламенения топливовоздушных смесей в цилиндре ДВС.

Таким образом, нахождение зависимости изменения длительности индуктивной фазы искрового разряда от режима работы ДВС является актуальной задачей.

В Автомобильно-дорожном институте Пензенского государственного университета архитектуры и строительства проведены исследования параметров индуктивной фазы искрового разряда (величины напряжения, тока и длительности) при снятии внешней скоростной характеристики и характеристики холостого хода бензинового ДВС ВАЗ-1111.

Исследования проводились с транзисторным коммутатором модели 962.3734 с катушкой зажигания 406.3705.

Величина напряжения индуктивной фазы фиксировалась посредством емкостного делителя напряжения. Определение значений величин тока и длительности индуктивных фаз искрового разряда, формируемого между электродами свечи зажигания, осуществлялось посредством измерительного трансформатора тока с нагрузочным резистором. Трансформатор тока и емкостный делитель напряжения были закреплены на высоковольтном проводе одного из цилиндров ДВС.

Измеряемые параметры фиксировались при помощи запоминающего осциллографа.

На рисунке 1 приведены амплитудно-временные параметры индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ и полученные при снятии внешней скоростной характеристики ДВС ВАЗ-1111.

 

Рис. 1. Амплитудно-временные параметры индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ при снятии внешней скоростной характеристики на различных частотах вращения n коленчатого вала двигателя

Возникающее в цилиндре вихревое движение топливовоздушной смеси вытягивает (отклоняет) в сторону от оси межэлектродного промежутка свечи искровой канал, что вызывает увеличение его сопротивления и, соответственно, увеличение амплитудной величины напряжения индуктивной фазы искрового разряда.

В момент, близкий к окончанию искрового разряда, амплитудная величина напряжения максимальна, что характеризуется набольшей длиной канала [1]. Амплитудная величина напряжения максимальна при n = 4500 мин-1 (UИР = 3,4 кВ) и на 75 % выше, чем при n = 1500 мин-1 (UИР = 2 кВ) (рис. 1). Интенсивность вихревого движения в момент искрового разряда пропорциональна частоте вращения коленчатого вала, углу опережения зажигания и нагрузке на ДВС.

По данным, приведенным на рисунке 1, построен график длительности индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ при различных частотах вращения n коленчатого вала двигателя (рис. 2) при снятии внешней скоростной характеристики.

 

Рис. 2. Длительности индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ при снятии внешней скоростной характеристики на различных частотах вращения n коленчатого вала двигателя

На рисунке 3 приведены параметры индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ на холостом ходу при различных частотах вращения n коленчатого вала двигателя ВАЗ-1111.

 

Рис. 3. Параметры индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ на холостом ходу в зависимости от частоты вращения n коленчатого вала двигателя

По данным, приведенным на рисунке 3, построен график длительности индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ, полученный при снятии характеристики холостого хода на различных частотах вращения n коленчатого вала двигателя (рис. 4).

Рис. 4. Длительности индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ и полученные при снятии характеристики холостого хода на различных частотах вращения n коленчатого вала двигателя

Из рисунков 2 и 4 видно, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала ДВС происходит сокращение длительности индуктивной фазы искрового разряда. Сокращение длительности индуктивной фазы при снятии внешней скоростной характеристики при повышении частоты вращения коленчатого вала с 1500 мин-1 до  4500 мин-1 составляет 24 %. Сокращение длительности индуктивной фазы при снятии характеристики холостого хода при повышении частоты вращения коленчатого вала с 1500 мин-1 до  4500 мин-1 — 38 %.

Сокращение длительности индуктивной фазы ТрСЗ объясняется тем, что энергия индуктивной фазы разряда WИР, выделяемая в межэлектродном промежутке свечи зажигания, связана с напряжением индуктивной фазы UИР, ее длительностью tИР и током IИР известным соотношением:

.

Следовательно, увеличение напряжения индуктивной фазы разряда (характерная «полка» на рис. 1 и 3) при небольшом изменении амплитудной величины тока вызывает сокращение длительности разряда. Другими словами, происходит выделение энергии, накопленной в магнитном поле катушки зажигания, за меньший промежуток времени.

Из рисунка 2 видно, что зависимость длительности индуктивной фазы искрового разряда с повышением частоты вращения коленчатого вала ДВС на нагрузочном режиме работы носит нелинейный характер.

На минимальной частоте вращения коленчатого вала напряжение низкое, и длительность выделения энергии, соответственно, высокая. Затем происходит снижение длительности до 0,55–0,6 мс, поскольку напряжение увеличивается (см. рис. 1). При повышении частоты вращения коленчатого вала до 3000 мин-1 происходит увеличение длительности индуктивной фазы искрового разряда с 0,55–0,6 мс до 0,75 мс при росте же напряжения. Данный режим работы соответствует максимальному крутящему моменту ДВС ВАЗ-1111. На этом режиме, несмотря на увеличение напряжения, увеличение длительности можно объяснить увеличением энергии, выделяемой в индуктивной фазе. Режим максимального крутящего момента ДВС характеризуется максимальным коэффициентом наполнения цилиндра, при этом остаточных газов, вызывающих увеличенное сопротивление промежутка, минимальное количество, и при этом пробивное напряжение уменьшено. При дальнейшем увеличении частоты вращения напряжение растет, а длительность индуктивной фазы искрового разряда уменьшается.

На режиме холостого хода с увеличением частоты вращения коленчатого вала напряжение горения увеличивается (см. рис. 3), а длительность, соответственно, падает (рис. 4).

Нагрузочные режимы характеризуются повышенной плотностью топливовоздушной смеси в цилиндре, что обусловливает повышенное напряжение — 0,8–1,5 кВ при длительности индуктивной фазы искрового разряда 0,5–0,8 мс, тогда как на холостом ходу при напряжении 0,5–0,8 кВ длительность индуктивной фазы искрового разряда – 0,75–1,2 мс.

Таким образом, при неизменной величине энергии, накапливаемой в магнитном поле катушки зажигания, длительность индуктивной фазы искрового разряда сильно зависит от режима работы ДВС. Так, на величину длительности индуктивной фазы искрового разряда оказывает влияние целый ряд процессов в цилиндре ДВС. Полученные зависимости следует учитывать при создании математических моделей искрового воспламенения топливовоздушных смесей в цилиндре ДВС; при исследованиях влияния энергии искрового разряда на показатели токсичности и топливной экономичности ДВС; при выборе параметров искрового разряда, необходимых для успешного воспламенения смесей в цилиндре, что позволит повысить надежность и качество ДВС.

 

Рецензенты:

Бажанов А.П., д.т.н., профессор кафедры «Геотехника и дорожное строительство» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза;

Родионов Ю.В., д.т.н., профессор декан Автомобильно-дорожного института ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза.