Подбор системы зажигания к 2-цилиндровому двигателю

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

К современным системам зажигания предъявляется множество требований, основными из которых являются следующие.

1. Вторичное напряжение должно обеспечивать устойчивое искрообразование на всех режимах работы двигателя в различных неблагоприятных условиях (загрязнение свечей, колебания питающего напряжения, температуры и т.п.).

Вторичное напряжение оценивают по коэффициенту запаса, который обычно выбирают, исходя из того, чтобы к концу гарантийного пробега (20-30 тыс. км.) без регулировки зазора между электродами свечи обеспечивалось бесперебойное искрообразование.

За время гарантийного пробега в результате увеличения зазора и округления электродов свечи пробивное напряжение U_пр увеличивается на 40-50%. Чтобы гарантировать коэффициент запаса К_з=1 в конце пробега, его расчетное значение должно быть 1,4ч1,6.

2. Энергия и длительность искрового разряда должны быть достаточны для надежного воспламенения смеси на всех режимах работы двигателя. .

Небольшое уменьшение энергии не должно приводить к заметному ухудшению характеристик двигателя. При установившемся режиме работы двигателя с максимальной мощностью требуется 10-15 мДж, тогда как для пуска и работы на переходных режимах необходима энергия 30 мДж и выше.

Длительность искрового разряда также влияет на процесс воспламенения. На режимах работы двигателя, близких к максимальной мощности (для состава смеси, при котором коэффициент избытка воздуха б=0,85...0,98), рабочий процесс в нем не лимитируется временем сгорания смеси. При обеднении рабочей смеси (б=1,0...1,4) и работе двигателя на режимах с ухудшенными условиями при уменьшении длительности искрового разряда повышается расход топлива и снижается мощность двигателя. К таким режимам относятся:

а) режимы малых (частичных) нагрузок, особенно при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя;

б) режим холостого хода - рабочая смесь переобогащена и сильно разбавлена остаточными газами;

в) переходные режимы, при которых смесь обедняется или обогащается;

г) режим пуска двигателя, характеризующийся резкой неоднородностью смеси, низкими значениями её температуры и давления. Считается, что длительность искрового разряда должна быть не менее 1 мс.

Для того чтобы правильно подобрать систему зажигания к двигателю, необходимо рассчитать выходные характеристики системы зажигания, требуемые для данного двигателя, а также выходные характеристики выбранной системы зажигании, если они не известны, и произвести сравнение выходных характеристик, требуемых для данного двигателя, с характеристиками выбранной системы зажигания.

1. Расчет требуемых выходных характеристик системы зажигания

Расчет требуемых выходных характеристик заданной системы зажигания ведется по номограммам. Исходными данными для расчета являются:

геометрическая степень сжатия заданного двигателя е=9,0;

величина искрового промежутка свечи зажигания d=0,8;
характеристика центробежного автомата распределителя и=f(n_дв) представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Характеристика центробежного автомата распределителя 55.3706

Точность расчета по номограммам составляет 15-30%.

1.1 Расчет максимального значения вторичного напряжения

Требуемое значение максимального вторичного напряжения системы зажигания определяется в соответствии с ОСТ 37.003.003-70 /1/. Согласно стандарту требуемое значение выходного напряжения системы зажигания определяется по формуле

U₂^* = U_np*(d)*К_з^*,

где К_з^* - требуемое значение коэффициента запаса по вторичному напряжению (при расчетах можно принять К_з^*=1.5); U_np(d) - пробивное напряжение новой свечи зажигания.

Для определения зависимости пробивного напряжения свечи зажигания от частоты вращения в стандарте применяется метод номограмм. Определить пробивное напряжение новой свечи в режиме пуска можно по номограмме, приведенной на рисунке 2.

Для расчета необходимы следующие исходные данные: геометрическая степень сжатия е, величина искрового промежутка свечи d, частота вращения двигателя n_дв при пуске.

Расчет ведут следующим образом: на оси "е" откладывают значение геометрической степени сжатия е (е=9,0), затем через эту точку и точку, определяющую пусковые обороты двигателя на оси " n_дв " (n_дв=150 мин^-1), проводят прямую до пересечения с осью "Рсж". Полученную точку пересечения на оси "Рсж" соединяют прямой линией с точкой на оси "d" соответствующей заданному зазору, свечи (d=0,8 мм). Пересечение этой прямой с осью "U_np" дает искомое значение величины пробивного напряжения новой свечи зажигания в режиме пуска двигателя (U_np=17 кВ).

Пробивное напряжение новой свечи в режиме полного дросселя определяют по номограммам, приведенным на рисунке 3,4,5. Расчет ведут для искрового промежутка 0,7 мм по формуле U_np(0,7)=U_np1-U_np2-U_np3,

где U_np1 - пробивное напряжение свечи при температуре +20°С, определяемое по номограмме на рисунке 3; U_np2 - снижение пробивного напряжения свечи в результате ионизации при температуре сжатия, определяемое по номограмме на рисунке 4; U_np3 -снижение пробивного напряжения свечи вследствие ионизации под влиянием температуры центрального электрода свечи, определяемое по номограмме на рисунке 5.

Рисунок 2. Номограмма определения пробивного напряжения свечи при пуске двигателя

Пробивное напряжение U_np1 определяют по номограмме (рисунок 3). Для расчета необходимы следующие исходные данные: геометрическая степень сжатия е, частота вращения коленчатого вала и угол опережения зажигания и. Угол опережения зажигания определяют по характеристике центробежного автомата распределителя выбранной системы зажигания (см. рисунок1).

На оси "е" откладывают заданное значение степени сжатия(е=9,0). Через эту точку и точку на оси "n_дв", соответствующую выбранной частоте вращения коленчатого вала двигателя (n_дв=1000 мин^-1), проводят прямую до пересечения с осью "1". Полученную точку на оси 1 и точку на оси "и", соответствующую углу опережения зажигания для выбранной скорости вращения коленчатого вала двигателя (и =0°ПКВ), соединяют прямой линией, продолжая её до пересечения с осью "Рсж". Полученную точку на оси "Рсж" и точку на оси "d", соответствующую зазору в свече 0,7 мм, соединяют прямой линией и продолжают её до пересечения с осью "U_np1. Точка пересечения прямой линии с осью даст искомое значение U_пр1(38кВ).

Рисунок 3. Номограмма определения пробивного напряжения свечи в режиме полного дросселя при температуре +20°С

Второй член формулы Unp2 определяют по номограмме (рисунке 4) аналогичным образом. На оси "е" откладывают заданное значение степени сжатия (е=9,0) и полученную точку соединяют с точкой на оси "n_дв", соответствующей заданной частоте вращения коленчатого вала (n_дв=1000 мин^-1), линию продолжают до пересечения с осью "1".

Точку на оси "1" соединяют прямой с точкой на оси "и", соответствующей заданному углу опережения зажигания (0°ПКВ) для выбранной частоты вращения коленчатого вала двигателя, и на пересечении с осью "Тсж" находят точку, которую соединяют прямой линией с точкой на оси "2", полученной от пересечения с прямой, проведенной через точку, отложенную на оси "Рсж" (Рсж=20·10⁵ Па из номограммы, приведенной на рисунке 3), и точку на оси "d", соответствующую зазору свечи 0,7 мм. Пересечение прямой линии, соединяющей точки, на оси "2" и оси Тсж", с осью "U_np2" дает искомое значение U_np2 (24 кВ).

Рисунок 4. Номограмма определения снижения пробивного напряжения свечи в результате ионизации при температуре сжатия

Третий член формулы находят по номограмме, приведенной на рисунке 5. На оси "Рсж" откладывают значение Рсж, определенное ранее по номограмме (рисунок 3), и через полученную точку и точку на оси "d", соответствующую зазору 0,7мм, проводят прямую до пересечения с осью "1". Полученную точку на оси "1" соединяют с точкой на оси "n_дв", соответствующей заданной частоте вращения коленчатого вала двигателя (n_дв=1000 мин^-1). Пересечение полученной прямой с осью "Unp3" дает искомое значение U_прЗ (4,5 кВ).

Рисунок 5. Номограмма определения снижения пробивного напряжения свечи вследствие ионизации под влиянием температуры центрального электрода

Результирующее значение U_np в режиме полного дросселя при n_дв=1000 мин-¹ для зазора свечи 0,7 мм будет равно,

U_np(0,7)=U_np1-U_np2-U_np3=38-24-4,5=9,7 (кB).

Для зазора свечи, отличающегося от 0,7 мм, значение пробивного напряжения определяют по формуле

U_np(d)=U_np(0,7)+10(d-0,7).

Для приведенного примера

U_np(0,8)=U_np(0,7)+10(0,8-0,7)=9,7+10(0,8-0,7)=10,7 кВ.

Расчет величины пробивного напряжения для других частот вращения в режиме полного дросселя, производится аналогично. Результаты расчета сведены в таблицу 1.

По полученным результатам расчетов построены зависимости пробивного напряжения свечи зажигания Uпр и требуемого вторичного напряжения системы зажигания U2* от частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме полного дросселя: Uпр = ѓ(n_дв) и U2* = ѓ(n_дв). Зависимости приведены на рисунке 6.

Таблица 1

n, об/мин	и, град ПКВ	Uпр1(0,7), кВ	Uпр3(0,7), кВ	Uпр(0,7), кВ	Uпр(0,8), кВ	U2*(0,8), кВ	Рсж, Па
150	0	35	3	8	9	13,5	18,5·105
1000	0	38	4,3	9,7	10,7	16,05	20·105
2000	7	37	4,5	12,5	13,5	20,25	19·105
3000	13	34	4,8	10,2	11,2	16,8	18,5·105
4000	21	32	5	8	9	13,5	17,5·105
5000	27	31	5,8	7,2	8,2	12,3	17·105
6000	35	26	5,9	3,1	4,1	6,15	15,5·105

Рисунок 6. Зависимость пробивного напряжения Uпр и требуемого вторичного напряжения U2* системы зажигания от частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме полного дросселя

1.2 Расчет энергии искрового разряда

На основании экспериментальных данных /2/ была выведена эмпирическая формула, связывающая величину энергии искры с параметрами двигателя:

(мДж).

Эта формула показывает, что требуемая для надежного воспламенения энергия искры обратно пропорциональна степени сжатия, частоте вращения коленчатого вала двигателя, зазору в свече зажигания и прямо пропорциональна тактности двигателя ф.

Данная формула действительно соответствует тепловой природе зажигания. С увеличением степени сжатия растут давление и температура в момент искрового разряда, а следовательно, величина требуемой для надежного воспламенения энергии уменьшается. Увеличение зазора также приводит к снижению величины требуемой энергии.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя приводит к возрастанию температуры в камере сгорания (из-за уменьшения теплообмена газов в стенки цилиндра и увеличения содержания остаточных газов), и, хотя вместе с этим усиливаются турбулентные пульсации, требуется меньшие значения энергии искрового разряда для воспламенения топливной смеси.

Расчет требуемой для надежного воспламенения энергии искрового разряда Wp* можно производить по номограмме, представленной на рисунке 7. Расчет ведется следующим образом. На оси “n, мин^-1” откладывают значение частоты вращения коленчатого вала двигателя, для которой определяется величина энергии разряда (n=1000 мин^-1). Затем через эту точку и точку на оси “е”, которая соответствует величине степени сжатия двигателя (е=9,0), проводят прямую до пересечения с осью “1”.



Рисунок 7. Номограмма определения энергии искрового разряда, требуемой для надежного воспламенения

Полученную точку на оси “1” соединяют прямой с точкой 4 на оси “3”, соответствующей 4-тактному двигателю, и отмечают точку пересечения прямой с осью “2”. Через полученную на оси “2” точку и точку на оси “d, мм”, соответствующую величине зазора в свече (d=0,8), проводят прямую до пересечения с осью “Wp*” дает искомое значение требуемой величины энергии в мДж (Wp* = 20,2 мДж).

Для других частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчета сведены в таблицу 2 и построена графическая зависимость Wp* = ѓ(n_дв) (рисунок 8).

Таблица 2

n, об/мин	150	1000	2000	3000	4000	5000	6000
Wр*, мДж	19,5	10	6,4	4,7	3,8	3,2	2,8



Рисунок 8. Зависимость требуемой энергии искрового разряда Wp* от частоты вращения коленчатого вала двигателя n

1.3 Расчет длительности искрового разряда

Для вывода формулы определения минимальной длительности искрового разряда, обеспечивающего надежное воспламенение топливной смеси, также были использованы экспериментальные данные /2/. Было получено следующее выражение:

(мс).

Эта формула показывает, что минимальная длительность искрового разряда, требуемая для надежного воспламенения топливной смеси, прямо пропорциональна величине требуемой энергии и тактности двигателя и обратно пропорциональна зазору в свече зажигания и частоте вращения двигателя.

Определение величины минимальной длительности искрового разряда можно проводить по номограмме, представленной на рисунке 9. Расчет ведется следующим образом. Полученное по номограмме на рисунке 7 значение требуемой энергии разряда Wp* (10,9 мДж) откладывают на оси “Wp*”, затем через полученную точку и точку на оси “d”, соответствующую зазору в свече (d=0,8 мм), проводят прямую до пересечения с осью “1” (точка а).

Рисунок 9. Номограмма определения минимальной длительности искрового разряда

На оси “n” откладывают заданное значение частоты вращения коленчатого вала двигателя (n=1000 мин^-1) и полученную точку соединяют с точкой 4 на оси “4”, соответствующей 4-тактному двигателю. Полученную от пересечения данной прямой с осью “5” точку b соединяют с точкой а на оси “1”.

Точку пересечения прямой линии аb с осью “3” (точку с) соединяют прямой с точкой 4 на оси “2”, соответствующей тактности двигателя, и продолжают ее до пересечения с осью “tp*”. Полученная точка на оси “tp*” дает искомое значение минимальной длительности заряда в мс (tp* =0,78 мс).

Для других частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчета сведены в таблицу 3 и построена графическая зависимость tp*=ѓ(n_дв) (рисунок 10).

Таблица 3

n, об/мин	150	1000	2000	3000	4000	5000	6000
tр*, мc	1,05	0,63	0,48	0,42	0,38	0,34	0,31

Рисунок 10. Зависимость минимальной длительности искрового разряда tp* от частоты вращения коленчатого вала двигателя n

2. Расчет выходных характеристик безконтактно-транзисторной системы зажигания, устанавливаемой на автомобиль ЗИЛ-131НВ

система зажигание автомобиль зил

Принципиальная электрическая схема выбранной системы зажигания указана на рисунке 11.

Исходными данными для расчета характеристик системы зажигания являются:

- число цилиндров двигателя z = 2;

- напряжение аккумуляторной батареи в режиме пуска Uбп=7,92 В;

- напряжение в системе электроснабжения в рабочем режиме Uп=14 В;

- сопротивление контактов выключателя зажигания, переходных контактов и проводов Rп=2200 Ом;

- сопротивление участка первичной цепи в электронном коммутаторе Rк=Uнас/Iр=2/8=0,25 Ом.

- сопротивление первичной обмотки катушки зажигания R1=0,52 Ом;

- сопротивление вторичной обмотки катушки зажигания R2 = 6,3 кОм;

- индуктивность первичной обмотки катушки зажигания L1 = 5,9 мГн;

- индуктивность вторичной обмотки катушки зажигания L2 = 29 Гн;

- коэффициент трансформации катушки зажигания Ктр = 70;

- коэффициент магнитной связи обмоток катушки зажигания Ксв = 0,98;

- коэффициент уменьшения тока разрыва Ку=0,97;

- емкость первичной цепи системы зажигания С1=1 мкФ;

- емкость вторичной цепи системы зажигания С2=Ск+Ср+Сп+Сс=40+20+0,3+10=70,3 пФ;

- сопротивление потерь катушки зажигания Rпк = 0,7=0,7=5,85 МОм;

- сопротивление помехоподавительного резистора во вторичной цепи Rпп=5 кОм;

- сопротивление высоковольтных проводов во вторичной цепи Rвв=2,6 кОм.

Расчет выходных характеристик выбранной системы зажигания производить в следующем порядке.

1. Рассчитать зависимость тока разрыва Ip от частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме пуска и в рабочем диапазоне частот вращения.

2. Рассчитать зависимости максимального вторичного напряжения U2, энергии Wp и длительности tp искрового разряда от частоты вращения вала двигателя в режиме пуска и в рабочем режиме для двух значений шунтирующей нагрузки: Rш=?, Сш=0 и Rш=3 Мом, Сш=50 пФ.

Рисунок 11. Электрическая принципиальная схема безконтактно-транзисторной системы зажигания

2.1 Расчет величины тока разрыва Ip безконтактно-транзисторной системы зажигания с ненормируемым временем накопления энергии

Под током разрыва понимают значение тока, протекающего в первичной цепи системы зажигания в момент закрытия выходного транзистора. Величина тока разрыва при прочих равных условиях зависит от времени его протекания. Современные системы зажигания подразделяются на системы с ненормируемым (КСЗ, КТСЗ, БСЗ с МЭД) и нормируемым (БСЗ с ДХ) временем протекания первичного тока (или, иначе, временем накопления энергии).

В системах зажигания с ненормируемым временем накопления энергии, это самое время полностью определяется углом замкнутого состояния контактов, который является неизменным.

Рассмотрим порядок расчета зависимости тока разрыва Iр от частоты вращения коленчатого вала двигателя n для данной системы.

Расчет величины тока разрыва для системы зажигания с транзисторным коммутатором 36.3734-20.

1. Определяем суммарное сопротивление первичной цепи системы зажигания Rц без добавочным резистора Rд по формуле

Rц = Rц1 = Rц2 = Rп + R1 + Rк.

Rц = 0,13 + 0,52 + 0,25 = 0,9 Ом.

2. Рассчитываем зависимость времени протекания тока в первичной цепи tн от частоты вращения двигателя n_дв. Результаты расчета сведены в таблицу 4.

Рисунок 11. Закон регулирования времени накопления энергии в катушке зажигания для электронного коммутатора 36.3734-20.

3. Рассчитываем зависимость тока разрыва Iр от частоты вращения двигателя по формулам:

в режиме пуска при n_дв = 150 мин^-1

Ip = Uбп(1-exp(-tнRц1/L1))/Rц1 = 7,92·(1-exp(-9·0,9/5,9))/0,9 =6,6 (A);

в рабочем режиме при n_дв = 1000 мин^-1

Ip = Uп(1-exp(-tнRц2/L1))/Rц2 = 14·(1-exp(-7·0,9/5,9))/0,9 = 10,2 (A).

Для других частот вращения коленчатого вала двигателя n_дв расчет ведется аналогичным образом.

Определяем зависимость тока разрыва Iр (с учетом ограничения) от частоты вращения двигателя:

если I_р* ? I_о, то I_р = I_о;

если I_р* < I_о, то I_р = I_р*.

Результаты расчета сведены в таблицу 5.

Таблица 4

nдв, мин-1	150	1000	2000	3000	4000	5000	6000
tн, мc	9	7	5	4,2	3,8	3,2	3

Таблица 5

nдв, мин-1	150	1000	2000	3000	4000	5000	6000
Iр, А	6,6	8	8	7,36	6,83	6	5,7

По полученным данным строим графическую зависимость Ip = ѓ(n_дв) (рисунок 12).



Рисунок 12. Зависимость тока разрыва Ip от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_дв

2.2 Расчет максимального значения вторичного напряжения

Величину максимального вторичного напряжения U2 в рабочем и пусковом режимах рассчитываем по формуле

U2(n_дв) = Ip(n_дв)·Ктр·Ксв·Ку··з,

где Ip(n_дв) - значение тока разрыва при частоте вращения коленчатого вала двигателя n_дв;

Ктр - коэффициент трансформации катушки зажигания;

Ксв - коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками катушки зажигания, зависящий от формы магнитопровода и взаимного расположения обмоток;

Ку - коэффициент уменьшения тока разрыва, учитывающий потери энергии в транзисторе при его запирании;

L1 - индуктивность первичной обмотки катушки зажигания;

С - эквивалентная, приведенная к первичной обмотке емкость системы зажигания. Величина емкости С определяется из соотношения

С = С1 + С2·Ктр²,

где С1 - емкость конденсатора первичной цепи, включенного параллельно выходному транзистору в коммутаторе С1=1·10^-6 Ф;

С2 - емкость вторичной цепи системы зажигания (относительно массы автомобиля);

С2 = Ск + Ср + Сп + Сс,

где Ск - собственная сосредоточенная емкость вторичной обмотки катушки зажигания, эквивалентная распределенной емкости; Ск = 40 пФ.

Ср - емкость токоведущих деталей распределителя, Ср = 20 пФ.

Сп - емкость высоковольтных проводов, Сп =0,3 пФ.

Сс - емкость свечи. Сс = 10 пФ.

С2 =40+20+0,3+10= 70,3 пФ при Сш = 0 и С2 = 70,3 + 50 = 120,3 пФ при Сш=50 пФ.

Таким образом,

С = 1·10^-6 + 70,3·10^-12·70² = 1,33·10^-6 (Ф) при Сш = 0 и

С = 1·10^-6 + 120,3·10^-12·70² = 1,59·10^-6 (Ф) при Сш =50 пФ.

Коэффициент затухания вторичного напряжения з рассчитываем по формуле



где R - суммарное сопротивление потерь, приведенное к первичной обмотке, находим по формулам

R = Rпк/Ктр², если Rш = ?;

, если Rш ? ?.

Rпк - сопротивление потерь катушки зажигания, учитывающее потери энергии в магнитопроводе катушки, меди обмоток, изоляции.

Rпк = = 5,85 МОм

Rш - шунтирующее сопротивление, учитывающее потери энергии через нагар на тепловом конусе свечи.

Таким образом,

при Rш = ?

R = 5,85·10⁶/70² = 1194 Ом;

при Rш = 3 Мом,

Ом

Величина коэффициента затухания при Rш = ? и Сш = 0 соответственно будет

при Rш = 3 МОм и Сш = 50 пФ

Теперь можно рассчитать зависимость U2 = ѓ(n_дв) для двух значений параметров шунтирующей нагрузки: Rш =?, Сш =0 и Rш=3 Мом, Сш=50 пФ.

Для частоты вращения коленчатого вала n_дв= 1000 мин^-1

при Rш = ?, Сш = 0

U2(n_дв) = Ip(n_дв) · Ктр · Ксв · Ку ·· з = 8 · 70 · 0,98 · 0,97 · ··0,95 = 33,68 кВ;

при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пФ

U2(n_дв)=Ip(n_дв)·Ктр·Ксв·Ку··з=8 · 70 · 0,98 · 0,97 · ···0,89 = 31,56 кВ.

Расчет максимального вторичного напряжения для других частот вращения коленчатого вала двигателя проводится аналогично. Результаты расчетов сведены в таблицу 6.

Таблица 6

nдв, мин-1	150	1000	2000	3000	4000	5000	6000
U2, кВ, при Rш=?, Cш=0	27,79	33,68	33,68	30,99	28,76	25,26	24
U2, кВ, при Rш=3 МОм, Cш=50 пФ	23,81	28,86	28,86	26,55	24,64	21,65	20,56

По полученным данным строится графическая зависимость U2 = ѓ(n_дв) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунок 13).

Рисунок 13. Зависимость максимального вторичного напряжения U2 от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_дв

2.3 Расчет длительности искрового разряда

Длительность искрового разряда определяем по формуле

где R2_У = R2 + Rпп +Rвв- суммарное сопротивление вторичной цепи;

Ipm - максимальное значение тока искрового разряда;

iкр - критическое значение тока, при котором прекращается искровой разряд (2 мА);

Up - напряжение индуктивной фазы искрового разряда.

R2_У = R2 + Rпп + Rвв = 6,3*10³ + 5*10³ + 2,2*10³= 13,5 кОм.

Напряжение индуктивной фазы искрового разряда Up складывается, при электронном распределении искр по цилиндрам двигателя, из падений напряжения между электродами свечей зажигания в рабочем и холостом цилиндрах: Up = Uсв_р + Uсв_х.

Падение напряжения между электродами свечи зажигания при искровом разряде складывается из катодного падения напряжения Uк, анодного падения напряжения Ua и падения напряжения в газовом столбе между электродами Ud. Величина анодного падения напряжения незначительна, и ею можно при расчетах пренебречь.

Величина Ud прямо пропорциональна расстоянию между электродами d и напряженности электрического поля Е.

Таким образом, получаем окончательную формулу для расчета величины падения напряжения между электродами свечи зажигания:

Uсв = Uк + Ed,

где Uк = 300 В; Е = 100 В/мм; d - расстояние между электродами разрядника, имитирующего работу свечи зажигания (для свечи зажигания в рабочем цилиндре d = 7 мм, в холостом цилиндре d = 1 мм).

Таким образом, Uсв_р = 300 + 100·7 = 1000 В;

Uсв_х = 300 + 100·1 = 400 В.

Up = Uсв_р + Uсв_х = 1000 + 400 = 1400 В.

Максимальное значение тока искрового разряда Ipm рассчитываем по формуле

Ipm = Ip•Ky•з/Kт,

где Ip - значение тока разрыва из таблицы 6;

з - коэффициент затухания, рассчитанный в п.3.2, учитывающий снижение максимального значение тока разряда за счет утечки тока через сопротивление потерь, шунтирующее сопротивление и вторичную емкость;

Кт - коэффициент трансформации катушки зажигания;

Ку - коэффициент снижения тока разрыва вследствие потерь энергии на контактах прерывателя или в силовом транзисторе.

Для частоты вращения n_дв = 1000 мин^-1

при Rш = ?, Сш = 0

Ipm = 8·0,97·0,95/70 = 105 мА;

при Rш = 3 МОм, Сш = 50 пФ

Ipm = 8·0,97·0,89/70 = 99 мА.

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 8. По полученным данным строятся графические зависимости Ipm = ѓ(n_дв) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 15 и 16).

Таблица 7

nдв, мин-1	150	1000	2000	3000	4000	5000	6000
Iрm, мА, при Rш=?, Cш=0	87	105	105	97	90	79	75
Iрm, мА, при Rш=3 МОм, Cш=50 пФ	81	99	99	91	84	74	70



Рисунок 14. Зависимость тока искрового разряда Ipm от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_дв

Используя зависимости Ipm = ѓ(n_дв), рассчитываем зависимости tp=ѓ(n_дв) для двух значений шунтирующей нагрузки.

Для частоты вращения n_дв= 1000 мин^-1,

при Rш = ?, Сш = 0

= 1,26 мс;

при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пФ

=1,2 мс;

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 8. По полученным данным строятся графические зависимости tp = ѓ(n_дв) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунок 15).

Таблица 8

nдв, мин-1	150	1000	2000	3000	4000	5000	6000
tp, мс, при Rш=?, Cш=0	1,08	1,26	1,26	1,19	1,1	1,02	0,95
tp, мс, при Rш=3 МОм, Cш=50 пФ	1,02	1,2	1,2	1,13	1,05	0,95	0,92

Рисунок 15. Зависимость длительности искрового разряда tp от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_дв.

2.4 Расчет энергии искрового разряда

Энергию искрового разряда определяем по формуле

Wp = 0,5Ipm·tp·Uсв.

Для частоты вращения коленчатого вала n_дв= 1000 мин^-1

при Rш = ?, Сш = 0

Wp = 0,5·64,43·10^-3·2,36·10^-3·1100 = 83,63 мДж;

при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пФ

Wp = 0,5·59,6·10^-3·2,22·10^-3·1100 = 72,77 мДж;

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 9. По полученным данным строятся графические зависимости Wp = ѓ(n_дв) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунок 16).

Таблица 9

nдв, мин-1	150	1000	2000	3000	4000	5000	6000
Wp, мДж, при Rш=?, Cш=0	47	66	66	58	50	40	38
Wp, мДж, при Rш=3 МОм, Cш=50 пФ	41	59	59	51	44	35	33

Рисунок 16. Зависимость энергии искрового разряда Wp от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_дв.

3. Оценка соответствия выбранной системы зажигания заданным параметрам двигателя

Для оценки соответствия выбранной системы зажигания заданным параметрам двигателя произведено графическое совмещение рассчитанных характеристик (рисунки 17-19) и определен диапазон частот вращения, в котором данная система удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Рисунок 17. Графическое совмещение характеристик вторичного напряжения.

1 - пробивное напряжение свечи зажигания U_пр;

2 - требуемое вторичное напряжение системы зажигания U₂^*;

4 - максимальное вторичное напряжение U₂ при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пФ;

3 - максимальное вторичное напряжение U₂ при Rш = ?, Сш = 0 .



Рисунок 18. Графическое совмещение характеристик энергий искрового разряда.

1 - энергия искрового разряда требуемая для надежного воспламенения W_р^*;

2 - энергия индуктивной фазы разряда W_р при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пФ;

3 - энергия индуктивной фазы разряда W_р при Rш = ?, Сш = 0.



Рисунок 19. Графическое совмещение характеристик длительностей искрового разряда.

1 - минимальная длительность искрового разряда t_р^*;

2 - длительность индуктивной фазы разряда W_р при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пФ;

3 - длительность индуктивной фазы разряда W_р при Rш = ?, Сш = 0.

Также произведен расчет зависимостей реальных коэффициентов запаса по напряжению, длительности и энергии искрового разряда от частоты вращения коленчатого вала двигателя для различной шунтирующей нагрузки.

Коэффициент запаса по напряжению Кu рассчитываем по формулам:

- при пуске Кu = (U2 - ДU)/Uпр;

- в рабочем режиме Кu = (0,85U2 - ДU)/Uпр,

где ДU = 1 кВ учитывает падение напряжения при пробое искрового распределителя или искрового промежутка свечи в нерабочем цилиндре.

В режиме пуска при n_дв= 150 мин^-1,

при Rш = ?, Сш = 0;

Кu = (28,37 - 1)/13 = 2,11;

при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пф;

Кu = (24,25- 1)/13 = 1,79.

В рабочем режиме для частоты вращения n_дв= 1000 мин^-1

при Rш = ?, Сш = 0;

Кu = (0,85·30,83 - 1)/11 = 2,23;

при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пФ;

Кu = (0,85·26,35 - 1)/11 = 1,95

Коэффициенты запаса по длительности Кt и энергии Кw определяются по формулам:

Кt = tp/tp* и Кw = Wp/Wp*.

Для частоты вращения n_дв= 1000 мин^-1

при Rш = ?, Сш = 0;

Кt = 2,36/0,78 = 2,03;

Кw = 71,98/20,2 = 3,56;

при Rш = 3 Мом, Сш = 50 пФ;

Кt = 2,22/0,78 = 2,49;

Кw = 62,75/20,2 = 2,81;

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 10.

Таблица 10

nдв, мин-1	Кu	Kt	Kw
	при Rш=?, Сш=0	при Rш=3Мом, Сш=50 пФ	при Rш=?, Сш=0	при Rш=3Мом, Сш=50 пФ	при Rш=?, Сш=0	при Rш=3Мом, Сш=50 пФ
150	2,11	1,79	1,57	1,5	1,53	1,34
1000	2,23	1,95	2,03	2,85	3,56	3,11
2000	1,93	1,64	3,31	3,11	4,18	3,65
3000	1,71	1,45	3,3	3,09	3,64	3,13
4000	1,51	1,3	3,12	2,94	2,96	2,57
5000	1,27	1,07	3,04	2,72	2,45	2,12
6000	1,1	0,92	2,74	2,56	1,06	1,62

Из таблицы 10 видно, что коэффициент Кu на частотах вращения коленчатого вала двигателя с выше 4000 мин^-1 меньше 1,5. Э может приводить к пропуска воспламенения, а следовательно, к перебоям в работе двигателя на высоких частотах вращения. Коэффициент Kt на частотах вращения (2000-5000) мин^-1 Kw на частотах вращения (1000-4000) мин^-1превышают 2,5, что нежелательно, так как это отрицательно влияет на состояние электродов свечей зажигания, повышая необходимость в их периодическом обслуживании и снижая в целом срок службы.

Выводы

Данная система зажигания вполне удовлетворяет заданному двигателю. Из таблицы 10 по коэффициенту Кu видно, что вторичное напряжение обеспечивает устойчивое искрообразование на всех режимах работы двигателя с частотой вращения не более 3500 мин^-1 в различных неблагоприятных условиях, т.е. загрязнение свечей, колебания питающего напряжения, температуры и т.п. Эта частота вращения двигателя характерна для двигателя ЗИЛ-131НВ так как его максимальная частота вращения 3500 мин^-1. Данная система зажигания обеспечит бесперебойное искрообразование к концу гарантийного пробега (20-30 тыс. км.) без регулировки зазора между электродами свечи. За время гарантийного пробега в результате увеличения зазора и округления электродов свечи пробивное напряжение Uпр увеличивается на 40-50%, это увеличение не должно повлиять на работу двигателя, так как коэффициент Кu выше 1,5.

По коэффициенту Кt и Кw видно, что энергия и длительность искрового разряда достаточны для надежного воспламенения смеси на всех режимах работы двигателя. Но коэффициенты Кt и Кw превышают 2,5 ,что не желательно, так как это может повлиять на состояние электродов, повышая необходимость в их периодическом обслуживании и снижая в целом срок службы. Не большое снижение энергии не приведет к заметному ухудшению характеристик двигателя. В данной системе зажигания энергия искрового разряда более чем в 3 раза превышает энергию, необходимую при установившемся режиме работы двигателя с максимальной мощностью, которой требуется 10-15 мДж, и при пуске превышает в 2 раза, которая должна быть около 30 мДж. Данная система зажигания удовлетворяет требованиям данного двигателя только на частотах вращения не выше 3500 мин^-1. На частоте выше 3500 мин^-1 временя протекания тока в первичной цепи tн становится недостаточным, в результате ток разрыва уменьшается, это приводит к недостаточному пробивному напряжению, обеспечивающему бесперебойную работу двигателя на различных режимах.

Приложение

Система зажигания ЗИЛ-131НВ

На двигателе установлена экранированная, герметизированная, бесконтактно-транзисторная система батарейного зажигания, состоящая из катушки зажигания, распределителя зажигания, транзисторного коммутатора, свечей зажигания и проводов высокого напряжения в экранирующих шлангах и коллекторах, а также выключателя зажигания.

Последовательно с катушкой зажигания включается добавочный резистор, который автоматически закорачивается при пуске для компенсации связанного с включением стартера снижения напряжения аккумуляторной батареи. Добавочный резистор не герметичен, и поэтому его крепят выше уровня брода. Схема включения аппаратов зажигания показана на рисунке 20.

Рисунок 20. Схема соединения бесконтактной системы зажигания: 1 - фильтр; 2 - добавочный резистор; 3 - катушка зажигания; 4 - аварийный вибратор; 5 - распределитель; 6 - блок конденсатора; 7 - выключатель зажигания и стартера; 8 - транзисторный коммутатор; 9 - стартер; цифры 21 и 23 (включая цифры с буквенными обозначениями), написанные более мелко, указывают номера проводов в схеме.

Распределитель (рисунок 21) герметизированный, экранированный, с центробежным регулятором опережения зажигания, бесконтактный. Распределитель предназначен для управления работой коммутатора и распределения импульсов высокого напряжения по цилиндрам двигателя в необходимой последовательности.

Для плавной регулировки угла опережения зажигания в зависимости от сорта применяемого горючего служит октан-корректор, состоящий из двух пластин, одна из которых прикреплена болтом к корпусу распределителя, а вторая - двумя болтами к корпусу привода (на блоке цилиндров). Вращением регулировочных гаек октан-корректора достигается взаимное перемещение пластин и соответственно поворот корпуса распределителя.

Для обеспечения доступа к гнездам высокого напряжения на крышке распределителя крышка экранирующего колпака выполнена съемной, и ее крепят тремя болтами. Для доступа к ротору и статору генератора напряжения снимают экран, крепящийся, в свою очередь, также тремя болтами к корпусу распределителя. При разборке экрана следует обращать внимание на сохранность уплотнительных прокладок. Выводы проводов низкого и высокого напряжения от катушки зажигания уплотнены резиновыми кольцами. Для уплотнения посадочного хвостовика корпуса распределителя на нем имеется канавка, в которую заложено уплотнительное резиновое кольцо.



Рисунок 21. Распределитель:

1 - рычаг установки зажигания; 2 - масленка; 3 - валик распределителя с автоматом и ротором; 4 - экранированный вывод низкого напряжения; 5 - контактный уголек; 6 - пружина контактного уголька; 7 - вывод высоковольтного провода к катушке зажигания; 8 - крышка экрана; 9 - экран; 10 - крышка распределителя; 11 - бегунок; 12 - сальник; 13 - статор; 14 - корпус распределителя; 15 - метка установки зажигания; 16 - регулировочные гайки октан-корректора; 17 - ротор; 18 - обмотка.

Распределитель герметизирован, так как он предназначен для работы при преодолении брода. Во избежание порчи высоковольтных пластмассовых деталей и коррозии внутренних металлических деталей под влиянием озона, образующегося в результате искрения при работе распределителя, внутренняя полость его принудительно вентилируется. Для этого в корпусе распределителя предусмотрено два отверстия с конической резьбой для подсоединения штуцеров гибких вентиляционных шлангов. Вентиляция распределителя осуществляется воздухом, очищенным воздушным фильтром.

Катушка зажигания (рисунок 22) предназначена для получения импульсов высокого напряжения, обеспечивающих пробой искрового промежутка в свечах зажигания.

Катушка герметичная, экранированная, прикреплена к щиту кабины.

Катушка имеет два вывода низкого напряжения, из которых «ВК» присоединяется к одному из двух зажимов «ВК-12» коммутатора, второй «Р» - к зажиму «КЗ» коммутатора. Катушка зажигания Б118 предназначена для работы только с транзисторным коммутатором ТК200. Применение катушек других типов недопустимо.

а) б)

Рисунок 22. Катушка Зажигания Б-118:

а-внешний вид; б-магнитная система; 1-высоковольтная клемма; 2-крышка; 3-первичная обмотка; 4-вторичная обмотка; 5-наружный магнитопровод; 6-сердечник; 7-корпус КЗ.

Коммутатор транзисторный предназначен для необходимого усиления и коммутации электрического тока в первичной обмотке катушки зажигания.

Вибратор аварийный включается в работу только в аварийном режиме при неисправном коммутаторе. Для этого следует присоединить провод от разъема «КЗ» коммутатора на разъем вибратора, а заглушку с разъема вибратора поставить на разъем «КЗ» коммутатора.

Свечи зажигания (рисунок 23) экранированные, герметизированные, имеют резьбу Ml4 х 1,25 на ввертной части корпуса и резьбу в верхней части экрана Ml 8 х 1 (под накидную гайку шланга).

Рис. 91. Свеча зажигания с экранирующим шлангом:

1 - уплотнительная втулка; 2 - керамическая втулка; 3 - вкладыш; 4 - свеча; 5 - контактное устройство; 6 - экранирующий шланг

В комплект свечи входят уплотнительная резиновая втулка 1, герметизирующая ввод провода в свечу, керамическая втулка 2 экрана и керамический вкладыш 3 со встроенным в него демпфирующим сопротивлением от 1000 до 7000 Ом. Это сопротивление предназначено для снижения уровня радиопомех от системы зажигания и уменьшения выгорания электродов свечи. Контакт провода с электродом вкладыша осуществлен с помощью контактного устройства КУ-20А1. Как это изображено на рисунке, на конец провода высокого напряжения, выходящий из экранирующего шланга, надевают резиновую уплотнительную втулку свечи и затем провод вводят в контактное устройство. Жилу провода, оголенную на 8 мм, вставляют в отверстие втулки, развальцованной в донышке керамического стаканчика контактного устройства, и распушают так, чтобы контактное устройство было зажато на проводе.

Зазор между электродами свечи должен быть 0,5-0,65 мм.

Свеча является одним из наиболее ответственных узлов системы зажигания, так как от ее состояния в значительной мере зависит надежность работы всей системы. При образовании на свече нагара создается утечка тока, что приводит к снижению вторичного напряжения. Подгорание электродов вызывает повышение пробойного напряжения искрового промежутка свечи. Пробойное напряжение в некоторых случаях может даже превышать максимальное напряжение, развиваемое системой зажигания, в результате чего возникают перебои зажигания.

При появлении перебоев в системе зажигания надо проверить величину зазора между электродами. В случае необходимости величину зазора следует отрегулировать.

Комбинированный выключатель зажигания и стартера предназначен для включения и выключения цепей зажигания и стартера. Установлен он на переднем щите кабины.

Выключатель имеет три положения, из которых два фиксированных. В положении 0 все выключено, ключ в замок вставляется и вынимается свободно.

Положение I - включен зажим КЗ (зажигание) поворотом ключа по ходу часовой стрелки.

Положение II - включены зажимы КЗ (зажигание) и СТ (стартер) поворотом ключа по ходу часовой стрелки. Положение II не фиксированное, возврат в положение I осуществляется пружиной после снятия усилия с ключа.

Провода высокого напряжения марки ПВС-7 имеют двухслойную изоляцию и жилу из семи стальных нержавеющих проволочек. Провода заключены в экранирующие герметичные шланги с внутренним диаметром 8 мм на участке от свечей к сборным коллекторам и с внутренним диаметром 22 мм от коллекторов к распределителю.

Размещено на Allbest.ru