XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Система зажигания газового двигателя имеет в разной степени отличия от классической системы зажигания двигателя, работающего на жидком топливе.

Основным отличием следует отметить калильное число используемых свечей зажигания. Температура и продолжительность воспламенения газового топлива выше, чем у жидкого, следовательно, необходимо использовать соответствующие газовому двигателю свечи зажигания.

Таким образом, газовое топливо предъявляет повышенные требования к калильному числу свечей зажигания, к величине искрового зазора и к мощности искрового разряда. При условии оптимального с точки зрения теплоотвода проектирования места установки, конструкции токопроводов, расположения свечей зажигания в камере сгорания и выбора типа свечей, калильного зажигания можно избежать. Калильное число свечей зажигания должно быть не менее 225 ед.

Таблица 1 – Взаимозаменяемость холодных свечей зажигания

Производитель	А23-2	А23В	А23ДМ	А23ДВМ
1	2	3	4	5
AUTOLITE	4092	273	403	52
BERU	14-5A	14-5B	14-5CU	14-5DU
BOSCH	W5A	W5B	W5CC	W5DC
BRISK	N12	N12Y	L82C	L12YC

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5
CHAMPION	L82	L82Y	N3C	N6YC
EYQUEM	-	755	75LB	C82LS
MAGNETI	FL8N	FL8NP	CW8L	F8LC
NGK	B8H	BP8H	B8ES	BP8ES
NIPPON DENSO	W24FS	W24FP	W24ES-U	W24EP-U

Немецким физиком Ф. Пашеном (F. Paschen) в 1889 сформулирован закон, который устанавливает, что наименьшее напряжение зажигания газового разряда между двумя плоскими электродами есть величина постоянная при одинаковых значениях произведения давления газа и расстояния между электродами. На практике это означает то, что для высоконаддувных двигателей требуется устанавливать зазор в свечах 0,37-0,45 мм при мощности катушки зажигания 60-70 МДж, и зазор 0,5-0,6 мм при мощности катушки более 90 МДж. Однако, как показала практика, мощная катушка выдвигает особые требования к конструкции высоковольтных токопроводов и существенно снижает их надежность. В связи с этим выбрана катушка 90 МДж при зазорах в свечах 0,4 мм.

В технических характеристиках газовых двигателей КАМАЗ 820 описывается зазор между электродами свечей зажигания равный 0,3 – 0,4 мм.

Также, существует возможность установки более мощной емкостной системы зажигания, вместо классической индуктивной, для ее стабильной работы на газовом двигателе.

В индуктивной системе зажигания весь процесс накопления энергии происходит к катушке. Катушка представляет собой трансформатор и повышает напряжение в среднем в 200 раз, и на свече зажигания мы имеем разряд в 20-40 кВ и продолжительность искры 0,01-0,03 мс.

В емкостной системе зажигания, вместо образования магнитного поля в катушке, заряжается конденсатор до напряжения 400 В и выше. Затем, точно в момент зажигания, напряжение подается на первичную обмотку катушки и быстро возникает очень большое магнитное поле, которое индуцирует высокое напряжение на вторничной обмотке.

Таким образом, при использовании емкостной системы зажигания мы имеем большее напряжение на электродах свечи и значительно большую продолжительность разряда, искра на свече зажигания буквально превращается в электрическую дугу. Это позволяет более точно и продолжительно воспламенять топливовоздушную смесь, избежать пропусков зажигания при более высоких давлениях в цилиндре газового двигателя.

На рисунке 1 представлена схема емкостной системы зажигания газового двигателя.

Емкостная система зажигания газового двигателя внутреннего сгорания содержит микропроцессорный блок управления 1, катушки зажигания 2, 3 и коммутатор 4, включенный между блоком управления 1 и катушками зажигания. Коммутатор снабжен генератором импульсов 5, соединенным с входами силовых транзисторных ключей 6 и 7 через распределитель импульсов (мультиплексор) 8. Первичные обмотки 9 и 10 катушек зажигания подключены к преобразователю напряжения 11 с накопительным конденсатором 12 на выходе. Параллельно первичным обмоткам 9 и 10 подключены конденсаторы 13 и 14, образующие с ними колебательные LC-контуры. К вторичным обмоткам 15 и 16 катушек зажигания подключены свечи зажигания 17.

Блок управления 1 выполнен на базе микроконтроллера и снабжен встроенным датчиком 18 давления-разряжения, соединенным с помощью гибкого шланга с впускным коллектором двигателя. К входу блока 1 подключено устройство 19 формирования сигнала положения коленчатого вала, выполненное в виде датчика угловых импульсов.

1 – ЭБУ; 2, 3 – катушки зажигания; 4 – коммутатор; 5 – генератор импульсов; 6, 7 – силовые транзисторные ключи; 8 – распределитель импульсов; 9, 10 – первичные обмотки катушек зажигания; 11 – преобразователь напряжения; 12 – накопительный конденсатор; 13, 14 – конденсаторы; 15, 16 – вторничные обмотки катушек зажигания; 17 – свечи зажигания; 18 – датчик давления-разряжения; 19 – датчик положения коленчатого вала; 20, 21 – разделительные диоды; 22 – АКБ; 23 – дополнительный генератор импульсов; 24, 25 – разделительные диоды; 26 – замок зажигания; 27, 28, 29, 30 – последовательные индуктивные датчики; 31, 32, 33, 34 – выпрямительные диоды; 35 – блок обработки сигнала; 36 – интегратор; 37 – пороговый дискриминатор; 38 – нормализатор длительности и амплитуды импульсов; 39 – выход схемы; 40 – выключатель режима подогрева свечей зажигания

Рисунок 1 – Схема элементов емкостной системы зажигания

Система зажигания выполнена с возможностью разогрева свечей зажигания перед запуском двигателя, для чего коммутатор дополнительно снабжен двумя разделительными диодами 20 и 21, один из которых включен между выходом преобразователя напряжения 11 и точкой соединения первичных обмоток 9 и 10 катушек зажигания, а другой - между входом коммутатора, предназначенным для соединения с аккумуляторной батареей 22, и упомянутой точкой соединения первичных обмоток. Для разогрева свечей зажигания коммутатор снабжен также дополнительным генератором импульсов 23 и двумя разделительными диодами 24 и 25. Свечи зажигания 17 при этом должны быть снабжены помехоподавительными резисторами. Между аккумуляторной батареей 22 и коммутатором 4 включен контакт 26 замка зажигания.

Система зажигания снабжена устройством регистрации пропусков воспламенения газа в цилиндрах двигателя, включающим цепи из последовательно соединенных индуктивных датчиков 27-30 тока в высоковольтных цепях, выпрямительных диодов 31-34 и схемы 35 обработки сигнала. Индуктивные датчики тока представляют собой обмотки, охватывающие высоковольтные провода, подключенные к свечам зажигания. В состав схемы 35 обработки сигнала входят интегратор 36, пороговый дискриминатор 37 и нормализатор 38 длительности и амплитуды импульсов. Интегратор 34 представляет собой параллельно соединенные конденсатор и разрядный резистор (на чертеже не показаны). Выход нормализатора 36 и управляющий вход соответствующего транзисторного ключа 7 коммутатора подключены к входам схемы 39 сравнения, выход которой соединен с блоком управления 1. На чертеже показано, каким образом обрабатывается сигнал с одного индуктивного датчика 27. Сигналы с остальных датчиков обрабатываются аналогично. Схема 35 обработки сигнала может быть выполнена иначе, например, она может быть составной частью микропроцессорного блока 1.

Для включения режима прогрева свечей зажигания к входу микропроцессорного блока 1 подключен кнопочный выключатель 40.

Система зажигания работает следующим образом.

При вращающемся двигателе контакт 26 замка зажигания замкнут, преобразователь напряжения 11 работает и заряжает конденсатор 12. Сигнал на начало искрообразования с выхода микропроцессорного блока управления 1 поступает на вход генератора импульсов 5 и запускает его. Одновременно на управляющий вход мультиплексора 8 с блока управления 1 поступает сигнал, несущий информацию о том, в каком цилиндре должно осуществляться искрообразование. В результате выход генератора 5 соединяется с управляющим входом одного из транзисторных ключей 6 или 7. На выходе генератора 5 формируются импульсы, длительность которых определяет величину тока через катушку зажигания. Количество формируемых импульсов зависит от частоты вращения двигателя и задается блоком управления 1.

Каждое отпирание транзисторного ключа 6 или 7 приводит к возникновению в соответствующем LC-контуре, образованном первичной обмоткой 9 или 10 и конденсатором 13 или 14, затухающего колебательного процесса. В момент открытия ключа ток через первичную обмотку соответствующей катушки зажигания резко возрастает и во вторичной обмотке генерируется высокое напряжение, пробивающее искровой промежуток свечи зажигания (емкостная фаза разряда). Далее, ток в свече зажигания затухает, изменяясь по синусоидальному закону (индуктивная фаза разряда).

Интервал между импульсами, формируемыми генератором 5, устанавливают достаточным для того, чтобы колебательный процесс, вызванный однократным отпиранием транзисторного ключа, затух и сопротивление разрядного промежутка восстановилось.

В случае, если смесь не воспламенилась от первого разряда, во втором разряде, так же как и в первом, будет присутствовать емкостная составляющая. То есть будет иметь место бросок тока во вторичной цепи катушки зажигания. Емкостные составляющие будут присутствовать во всех разрядах до тех пор, пока смесь не воспламенится. После воспламенения смеси температура и давление в камере сгорания резко возрастают, а сопротивление разрядного промежутка падает. Таким образом, искровые разряды, проскакивающие через свечу после воспламенения смеси, не будут иметь емкостных составляющих. Однако, эти разряды будут способствовать более полному сгоранию смеси и одновременно позволят установить факт ее воспламенения.

Ток во вторичной обмотке катушки зажигания регистрируется с помощью индуктивного датчика 27, охватывающего высоковольтный провод. Напряжение, индуктируемое в датчике 27, выпрямляется с помощью диода 31 и поступает на интегратор 36, расширяющий длительность импульса, получаемого во время емкостной фазы разряда и снижающего амплитуду этого импульса. Это необходимо, так как емкостная фаза длится очень короткий промежуток времени (единицы микросекунд).

Импульсы с выхода интегратора 36 поступают на пороговый (амплитудный) дискриминатор 37, выделяющий из них только те, которые могут быть созданы током, протекающим во время емкостной фазы разряда (ток емкостной фазы разряда на несколько порядков превышает ток индуктивной фазы). Далее, серия импульсов, количество которых равно числу разрядов, имеющих емкостные составляющие, поступает на вход схемы 38. На выходе схемы 38 формируются нормализованные импульсы, длительность которых равна длительности импульсов, поступающих на вход электронного ключа 7, а амплитуда соответствует допустимому входному напряжению схемы 39 сравнения.

Таким образом, на один вход схемы 39 сравнения поступают импульсы с генератора 5, а на другой - импульсы, количество которых равно числу разрядов, имеющих емкостные составляющие. В случае, если количество импульсов на обоих входах схемы 39 сравнения равно, на ее выходе формируется сигнал пропуска воспламенения. Этот сигнал поступает на вход блока 1 и может быть использован для индикации факта отсутствия воспламенения, а также для отключения подачи топлива в цилиндр, в котором смесь не воспламенилась.

Длительность процесса искрообразования в каждом из цилиндров, так же как и угол опережения зажигания, задается микропроцессорным блоком 1. Алгоритм работы следующий. При регистрации детонации (датчиком детонации) блок управления уменьшает на 5 ° УОЗ. Если детонация не прекращается, включается емкостная часть системы зажигания. Такая последовательность в чередовании продолжается до полного исключения детонации.

В таблице 2 приведен список основных элементов емкостной системы зажигания, необходимых для установки, и их стоимость.

Таблица 2 – Основные элементы емкостной системы зажигания

Наименование	Количество	Стоимость
Датчик детонации	2 шт	900 руб
Блок управления зажиганием	1 шт	8500 руб
Конденсатор системы зажигания	2 шт	1900 руб
Провода высоковольтные	8 шт	7000 руб
Датчик давления-разрежения	1 шт	750 руб
Блок обработки сигнала	1 шт	1200 руб
Коммутатор	1 шт	1700 руб
Датчик положения коленчатого вала	1 шт	700 руб
Итого		22650 руб

Емкостная система зажигания применяется на тяжелонагруженных и, соответственно, высокотеплонапряжённых двигателях в автоспорте именно с целью исключения детонации. Поэтому при применении такой системы в газовых двигателях, необходимо рассчитывать на аналогичный эффект.

Список использованных источников:

Батыршин, Р.Р. Автотехника ОАО «КАМАЗ» на природном газе / Р.Р. Батыршин, А.А. Гатиятов // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. –2012. – № 1. – С. 42-43.

Лукшо, В.А. Комплексный метод повышения энергоэффективности газовых двигателей с высокой степенью сжатия и укороченными тактами впуска и выпуска: дис. …докт. техн. наук : 05.04.02 / Лукшо Владислав Анатольевич. – М., 2015. – 369 с.

Соколик А, С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. АН СССР, М., 1960. 428 с.

Воинов А. Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М., «Машиностроение». 1977, 276

Код для цитирования: Скопировать