Система зажигания, использующая разряды конденсатора, с тиристорным переключателем. Зажигание тиристорное


Тиристорная или конденсаторная система зажигания.

Тиристорная система зажигания



Так как современные автомобильные двигатели стали более высокооборотными и отличаются высокой степенью сжатия, это налагает дополнительные требования на систему зажигания. В настоящее время получили распространения две различные системы зажигания – с накоплением энергии в индуктивности и с накоплением энергии в емкости. Первую из них называют индукторной или транзисторной, а вторую тиристорной или конденсаторной.

В автомобильных двигателях широкое применение нашли системы зажигания с накоплением электромагнитной энергии в магнитном поле катушки, использующие контактные или транзисторные прерыватели, но в некоторых случаях применение конденсаторной системы зажигания дает ощутимое преимущество.

В тиристорных системах зажигания энергия для искрового разряда накапливается в конденсаторе, а в качестве силового реле применяется тиристор. В этих системах катушка зажигания не накапливает энергию, а лишь преобразует ее, увеличивая напряжение во вторичной обмотке и уменьшая, соответственно, величину протекающего по ней тока. Электрическая мощность, равная произведению силы тока на напряжение, остается неизменной за вычетом потерь различного характера.

Тиристор - это полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:

  • закрытое состояние - состояние низкой проводимости;
  • открытое состояние - состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров (трехпереходной структуры) - управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, или (для двухпереходной структуры) где открывание тиристора происходит, если разность потенциалов между его выводами превышает напряжение пробоя. Также тиристоры применяются в переключающих устройствах.

Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. По проводимости различают тиристоры, проводящие ток в одном направлении, и тиристоры, проводящие ток в двух направлениях (симисторы, симметричные динисторы). Условно тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого.

Характерной особенностью тиристорных систем зажигания является высокая скорость нарастания вторичного напряжения, поэтому пробой искрового промежутка свечи зажигания надежно обеспечивается даже при загрязненном и покрытом нагаром изоляторе. Кроме того, в тиристорных системах величина вторичного напряжения может быть практически постоянной при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя до максимальной величины, т.к. конденсатор успевает полностью зарядиться на всех режимах работы двигателя.

Однако тиристорные системы зажигания имеют сравнительно малую продолжительность индуктивной составляющей искрового разряда (не более 300 мкс), что приводит к ухудшению воспламеняемости и сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя на режимах частичных нагрузок. Система зажигания с накоплением энергии в емкости применяются на газовых и высокооборотных мотоциклетных двигателях, для которых не критична продолжительность искрового разряда.

***



Типы тиристорных систем зажигания

В системах зажигания с накоплением энергии в электростатическом поле конденсатора функцию электронного реле выполняют тиристоры, управляемые контактным или бесконтактнымпрерывателем, поэтому такие системы называют контактно-тиристорными или бесконтактно-тиристорными. В основе работы бесконтактных систем лежат те же принципы, что и в бесконтактных системах зажигания с индуктивными накопителями. Различают тиристорные системы зажигания с импульсным и с непрерывным накоплением энергии в электростатическом поле конденсатора. Ниже рассмотрены особенности работы тиристорных систем такого типа.

Система с непрерывным накоплением энергии (рис. 1, а) содержит двухтактный преобразователь напряжения, состоящий из двух транзисторов VT1 и VT2, трансформатора Т1, резисторов R2 и R3 и конденсатора С1. Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой (диоды VD1 и VD2) служит для выпрямления выходного напряжения преобразователя. Выпрямитель нагружен накопительным конденсатором С2, параллельно которому подключен резистор R4. Тиристор VS прерывает ток в первичной обмотке L1 катушки зажигания (трансформатор Т2). Управление тиристором осуществляется контактным S2 синхронизатором момента зажигания.

При замыкании контактов S1 выключателя зажигания срабатывает двухтактный преобразователь напряжения. На выводах вторичной обмотки L2 трансформатора Т1 появляется переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой 200...500 В. Выпрямленное постоянное напряжение подается на заряд накопительного конденсатора С2, если контакты S2 синхронизатора момента зажигания замкнуты. Тиристор находится в закрытом состоянии, так как его цепь управления шунтирована замкнутыми контактами S2 синхронизатора.

В момент размыкания контактов S2 синхронизатора напряжение от аккумуляторной батареи GB подается через резистор R1 к управляющему электроду тиристора VS. Через открытый тиристор происходит разряд конденсатора С2 на первичную обмотку L1 катушки зажигания Т2, вследствие чего в ее вторичной обмотке L2 индуктируется высокая ЭДС. При соответствующем подборе параметров элементов рассмотренной системы зажигания можно на всех режимах работы двигателя обеспечить полный заряд конденсатора и получить практически не зависящее от частоты вращения коленчатого вала двигателя вторичное напряжение. Цепочка C1—R2 обеспечивает надежный пуск транзисторного преобразователя.

В системе с импульсным накоплением энергии (рис. 1, б) при замыкании контактов S1 выключателя зажигания и размыкания контактов S2 синхронизатора момента зажигания на базу транзистора VT подается положительный импульс напряжения от аккумуляторной батареи GB. Транзистор переходит в состояние насыщения, пропуская через эмиттер-коллекторный переход и первичную обмотку L1 трансформатора ток, создающий магнитное поле в трансформаторе. В момент замыкания контактов S2 синхронизатора цепь базы транзистора замыкается накоротко, транзистор переходит в состояние отсечки, ток в обмотке L1 трансформатора исчезает, а во вторичной обмотке индуктируется высокая ЭДС. В это время замкнутые контакты S2 синхронизатора шунтируют цепь управления тиристором. Тиристор закрыт, а конденсатор С через диод VD1 заряжается до напряжения 200...400 В.

При следующем замыкании контактов S2 синхронизатора к управляющему электроду тиристора через резисторы Rд, Rl, R3 подается напряжение от аккумуляторной батареи. Тиристор открывается. Ток разряда конденсатора проходит через первичную обмотку L1 катушки трансформатора и на выводах вторичной обмотки появляется импульс высокого напряжения, подаваемого на свечу зажигания.

В системах зажигания с накоплением энергии в электростатическом поле конденсатора обеспечивается более высокая скорость нарастания вторичного напряжения, что делает ее менее чувствительной к наличию шунтирующих резисторов и нагару свечей зажигания. Однако вследствие высокой скорости роста вторичного напряжения возрастает напряжение пробоя по сравнению с системами с накоплением энергии в магнитном поле. Кроме того, из-за сокращения длительности индуктивной составляющей искрового разряда ухудшаются воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси при пуске двигателя и работе его на режимах частичных нагрузок.

Системы с импульсным накоплением энергии имеют максимальную скорость нарастания высокого напряжения. Но длительность индуктивной составляющей искрового разряда в свечах уменьшена от единиц миллисекунд (в системах с накоплением энергии в индуктивности) до десятков или сотен микросекунд. Это ухудшает воспламенение и сгорание рабочей смеси на средних нагрузках и, следовательно, приводит к повышению расхода топлива и токсичности отработавших газов. Для устранения указанных недостатков надо корректировать устройства опережения зажигания и увеличивать зазор в свечах до 1,2...1,5 мм, что приводит к дальнейшему возрастанию вторичного напряжения и напряженной работе изолирующих частей высоковольтной системы.

***

Контактно-транзисторная система зажигания



k-a-t.ru

Тиристорные системы зажигания | Система зажигания

В системах зажигания с накоплением энергии в электростатическом поле конденсатора функцию электронного реле выполняют тиристоры, управляемые контактным прерывателем, поэтому такие системы назы­вают контактно-тиристорными. Известны системы с импульсным и с непрерывным накоплением энергии в электростатическом поле.

Система с непрерывным накоплением энергии содер­жит двухтактный преобразователь напряжения, состоящий из двух транзисторов VT1 и VT2, трансформатора Т1, резисторов R2 и R3 и конденсатора С1. Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой (диоды VD1 и VD2) служит для выпрямления выходного напряжения преобразователя. Выпрямитель нагружен накопительным конденса­тором С2, параллельно которому подключен резистор R4. Тиристор VS прерывает ток в первичной обмотке L1 катушки зажигания (транс­форматор Т2). Управление тиристором осуществляется контактным S2 синхронизатором момента зажигания.

Рис. Тиристорная система зажигания с непрерывным накоплением энергии в электростатическом поле конденсатора

При замыкании контактов S1 выключателя зажигания срабатывает двухтактный преобразователь напряжения. На выводах вторичной об­мотки L2 трансформатора Т1 появляется переменное напряжение пря­моугольной формы с амплитудой 200—500 В. Выпрямленное постоян­ное напряжение подается на заряд накопительного конденсатора С2, если контакты S2 синхронизатора момента зажигания замкнуты. Тири­стор находится в закрытом состоянии, так как его цепь управления шунтирована замкнутыми контактами S2 синхронизатора.

В момент размыкания контактов S2 синхронизатора напряжение от аккумуляторной батареи GB подается через резистор R1 к управ­ляющему электроду тиристора VS. Через открытый тиристор проис­ходит разряд конденсатора С2 на первичную обмотку L1 катушки за­жигания Т2, вследствие чего в ее вторичной обмотке L2 индуктирует­ся высокая ЭДС. При соответствующем подборе параметров элемен­тов рассмотренной системы зажигания можно на всех режимах рабо­ты двигателя обеспечить полный заряд конденсатора и получить практически не зависящее от частоты вращения коленчатого вала двигателя вторичное напряжение. Цепочка C1—R2 обеспечивает на­дежный пуск транзисторного преобразователя.

В системе с импульсным накоплением энергии при замыкании кон­тактов S1 выключателя зажигания и размыкания контактов S2 синхронизатора момента зажигания на базу транзистора VT подается положительный импульс напряжения от аккумуляторной батареи GB. Транзистор переходит в состояние насыщения, пропуская через эмит­тер-коллекторный переход и первичную обмотку L1 трансформатора ток, создающий магнитное поле в трансформаторе. В момент замыкания контактов S2 синхронизатора цепь базы транзистора КГ замыкается накоротко, транзистор переходит в состояние отсечки, ток в обмотке L1трансформатора исчезает, а во вторичной обмотке индуктируется высо­кая ЭДС. В это время замкнутые контакты S2 синхронизатора шунтиру­ют цепь управления тиристором. Тиристор закрыт, а конденсатор С че­рез диод VD1 заряжается до напряжения 200—400 В.

Рис. Тиристорная система зажигания с импульсным накоплением энергии в элек­тростатическом поле конденсатора

При следующем замыкании контактов S2 синхронизатора к управ­ляющему электроду тиристора через резисторы Ra, Rl, R3 подается напряжение от аккумуляторной батареи. Тиристор открывается. Ток разряда конденсатора проходит через первичную обмотку L1 катушки трансформатора и на выводах вторичной обмотки появляется им­пульс высокого напряжения, подаваемого на свечу зажигания.

В системах зажигания с накоплением энергии в электростатиче­ском поле конденсатора обеспечивается более высокая скорость на­растания вторичного напряжения, что делает ее менее чувствитель­ной к наличию шунтирующих резисторов нагара свечей зажигания. Однако вследствие высокой скорости роста вторичного напряжения возрастает напряжение пробоя по сравнению с системами с накопле­нием энергии в магнитном поле. Кроме того, из-за сокращения дли­тельности индуктивной составляющей искрового разряда ухудшаются воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси при пуске двига­теля и работе его на режимах частичных нагрузок.

 

ustroistvo-avtomobilya.ru

Тиристорная (конденсаторная) система зажигания - АвтоЭлектрика Диагностика Ремонт ТО в Минске

 

В тиристорных системах зажигания энергия для искрового разряда накапливается в конденсаторе, поэтому их часто называют конденсаторными. В момент искрообразования конденсатор разряжается через тиристор и первичную обмотку катушки зажигания, и во вторичной обмотке индуктируется высокое напряжение.

Энергия Wc, накапливаемая в конденсаторе С1, зависит от его емкости и напряжения в квадрате (U2), подводимого к конденсатору:Wc = OU2/2.

Поэтому конденсатор заряжают до напряжения 300 + 400 В от бортовой сети 12 + 14 В, или другого источника повышенного напряжения через преобразователь напряжения П и выпрямитель В (смотри рисунок).

Время полного заряда накопительного конденсатора значительно меньше времени накопления энергии в индуктивности и может быть доведено до 2 мс. Оно зависит от мощности и выходного сопротивления преобразователя и емкости накопительного конденсатора. Время заряда конденсатора рассчитывается так, чтобы к моменту подачи следующей искры он был полностью заряжен. Это обеспечивает энергию искры постоянной во всем диапазоне частот искрообразования. Тиристоры менее чувствительны к повышенному напряжению, чем транзисторы. Тиристорные системы зажигания могут работать с катушкой контактной системы батарейного зажигания, максимальная величина ЭДС самоиндукции которой примерно соответствует зарядному напряжению накопительного конденсатора. Конденсатор прерывателя не влияет на работу тиристорной системы. Это позволяет в случае отказа ее быстро перейти на батарейную систему.

Высокое напряжение тиристорной системы зажигания нарастает примерно в десять раз быстрее,, чем в батарейной и контактно - транзисторной системах. Поэтому оно обеспечивает пробой искрового промежутка в свечах с загрязненными, покрытыми нагаром изоляторами. Но продолжительность разряда в искровом промежутке значительно меньше (около 300 мке), чем в системах с накоплением энергии в индуктивности (около 1 мс), так как частота колебаний контура накопительный конденсатор - первичная обмотка в тиристорной системе значительно выше.

Тиристорные системы зажигания по принципу действия делят на две группы: с импульсным непрерывным (многоимпульсным) и одноимпульсным накоплением энергии в емкости.

В импульсных системах конденсатор заряжается одним импульсом прямоугольной формы до конечного напряжения, а затем наступает пауза до момента его разряда В схемах с непрерывным накоплением энергии конденсатор заряжается многочисленными прерывистыми импульсами напряжения.

Системы с импульсным накоплением позволяют простыми средствами стабилизировать напряжение заряда накопительного конденсатора, т. е. сделать его независящим от изменений напряжения питания и других дестабилизирующих факторов. Однако при малой пусковой частоте вращения вала двигателя в этих системах, вследствие увеличения времени паузы, накопительный конденсатор к моменту искрообразования успевает несколько разрядиться, и напряжение искрообразования уменьшается. Это налагает жесткие требования на значения токов утечки в элементах вторичной цепи - тиристоре, накопительном конденсаторе, выпрямительном диоде и является недостатком систем с импульсным накоплением.

Системы с непрерывным накоплением энергии свободны от указанного недостатка. Эти системы практически нечувствительны к утечкам в элементах вторичной цепи и обеспечивают независимость напряжения искрообразования от частоты вращения вала двигателя.

Принципиальная схема тиристорной системы зажигания с непрерывным накоплением энергии приведена на рисунке №2

Она включает в себя преобразователь П постоянного напряжения 12 ¦ 15 В в переменное 300 + 400 В с частотой около 500 Гц. выпрямитель переменного напряжения В, тиристор VD5, накопительный конденсатор С1, блок управления и катушку зажигания КЗ. 

В качестве преобразователя напряжения может быть использован приведенный на схеме двухтактный преобразователь с самовозбуждением к трансформаторной связью, собранный по схеме с общим коллектором на транзисторах VTI, VT2, резисторах R1, R2, R3, R4 и трансформатоpeTI.

При включении зажигания напряжение бортовой сети подводится к средней точке обмотки трансформатора и коллекторам транзисторов. Возникает ток в двух параллельных цепях, который течет от средней точки трансформатора через его верхнюю половину, резисторы Rl, R3, транзистор VT1 и через нижнюю половину трансформатора, резисторы R2, R4, транзистор VT2. Вследствие разброса параметров транзисторов и резисторов тЪк в одной половине трансформатора (допустим, верхней) пойдет несколько больший, чем во второй (нижней). Это вызывает ускоренное отпирание одного транзистора (VT1) и запирание второго (VT2). В таком состоянии транзисторы находятся, пока магнитный поток в сердечнике трансформатора не достигнет насыщения. Происходящее при этом резкое замедление нарастания тока вызывает в обмотках трансформатора ЭДС противоположной полярности, которая переключает транзисторы: запирает VT1 и отпирает VT2. Транзисторы переключаются с частотой около 500 Гц, меняя направление тока в обмотке трансформатора, и на выходе трансформатора появляется переменное напряжение порядка 350 ¦ 400 В. Двухполупериодный выпрямитель на диодах VD2 + VD4 преобразует переменное напряжение в постоянное, которым заряжается конденсатор С1. В момент искрообразования по сигналу контактного или бесконтактного датчика с блока управления подается положительный импульс на управляющий электрод тиристора VD5. Тиристор открывается и конденсатор разряжается через первичную обмотку катушки зажигания, а во вторичной обмотке индуктируется высокое напряжение.

Рассмотрим подробнее основные этапы работы системы: заряд накопительного конденсатора после переключения ключа VD5 в положение 1 (этап 1, рис 2) и процессы, происходящие после размыкания контактов прерывателя и переключения коммутатора VD5 в положение 2 (этап 2, рис. 3).  

 Этап 1. Согласно схеме замещения (рис. 2) цепь, состоящая из накопительного конденсатора С1, резистора Rвн, сопротивление которого равно внутреннему сопротивлению преобразователя, и резистора Rут, сопротивление которого равно результирующему сопротивлению утечки во вторичной цепи, с помощью коммутатора VD5 подключается к источнику постоянного напряжения Ub, которым является преобразователь.

Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальному закону:

Где  постоянная времени цепи заряда конденсатора.

 

Как правило, Rут > Rвн (в противном случае, как будет показано ниже, система вообще не работоспособна), и напряжение на накопительном конденсаторе через время t« ЗТ = 3Rbm • С1 практически достигает установившегося значения Ub.Энергия, запасенная в электрическом поле конденсатора, при этом равна: We1=C1*U2в/2

Необходимым условием нормальной работы системы является полный заряд конденсатора С1 до напряжения Ub, за время между двумя искрами при максимальной частоте вращения вала двигателя.Учитывая, что конденсатор в схеме рис. 1 начинает заряжаться лишь после замыкания контактов прерывателя, и считая скважность работы прерывателя равной 2, это условие для четырехтактного двигателя будет иметь вид:

где z - число цилиндров двигателя; Nmax - максимальная частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин. Для двухтактного двигателя числитель правой части должен быть равен 10. Так, если емкость накопительного конденсатора CI = 1 мкФ, двигатель четырехтактный четырехцилиндровый, имеющий максимальную частоту вращения коленчатого вала птах = 6000 об/мин, то Т< 0,83 мс, и внутреннее сопротивление преобразователя не должно превышать:

Рассмотрим подробнее влияние сопротивления утечки Ryr на работу системы. Сопротивление утечки в основном определяется током утечки тиристора, используемого в качестве коммутатора. Максимальное значение юка утечки имеют тиристоры типа КУ202М (Н): до 10 мА при напряжении 400 В. Сопротивление утечки в этом случае равно:

Таким образом, условие Ryr > Rвн выполняется даже и в этом крайнем случае, и, следовательно, влиянием сопротивления утечки в системах с непрерывным накоплением энергии можно пренебречь. Тем более, что в действительности ток утечки у подавляющего большинства тиристоров этого типа не превышает0,2 + 0,3 мА.

В случае же, если сопротивление утечки по каким-либо причинам станет соизмеримым с внутренним сопротивлением преобразователя, то напряжение заряда накопительного конденсатора резко уменьшится и система станет неработоспособной. Энергия преобразователя будет в основном расходоваться в паразитных цепях утечки.

На практике выполнение условия: о полном заряде конденсатора С1 до напряжения Ub, за время между двумя искрами при максимальной частоте вращения вала двигателя, не встречает затруднений. Задавшись определенной энергией Wcl и выбрав значение выходного напряжения преобразователя Ub, из выражения: С1 = 2 • Wct/U в - определяют емкость накопительного конденсатора. Внутреннее сопротивление преобразователя Rbh определяется его мощностью. Чем больше мощность преобразователя, тем меньше его внутреннее сопротивление.

Применяя достаточно мощный преобразователь, можно добиться того, чтобы энергия Wcl, а значит, и вторичное напряжение, были постоянными вплоть до самой высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя. Что же касается малой частоты вращения, то очевидно, что если накопительный конденсатор успел зарядиться до напряжения Ub при максимальной частоте вращения, он тем более успеет зарядиться до этого напряжения при малой частоте вращения коленчатого вала.

Этап 2. Подключение заряженного накопительного конденсатора С1 к первичной обмотке катушки зажигания.

На рис. 3дана упрощенная схема замещения для второго этапа рабочего процесса.

При ее составлении и анализе приняты следующие допущения: гальваническая связь между обмотками катушки зажигания устранена, искровой контакт распределителя заменен скользящим, распределенные емкости вторичной цепи заменены одной сосредоточенной емкостью С1, активные сопротивления обмоток катушки зажигания равны нулю, коэффициент связи между обмотками равен единице, шунтирование вторичной цепи отсутствует.

Согласно схеме замещения после размыкания контактов прерывателя и переключения коммутатора VD5 в положение 2 в первичной цепи образуется колебательный контур, состоящий из индуктивности L1 первичной обмотки W1 катушки зажигания и суммы емкостей накопительного конденсатора CI и вторичной цепи C2- (W2/W1), приведенной к первичной. Поскольку до коммутации конденсатор С1 был заряжен, после нее в первичном контуре возникают собственные затухающие колебания, частота которых (без учета процессов во вторичной цепи) равна:

Вследствие того, что в момент коммутации параллельно накопительному конденсатору подключается емкость С2 • (W2AV1), напряжение на накопительном конденсаторе уменьшается, и максимум первичного напряжения, определенный из условий сохранения заряда, будет равен:

Очевидно, что если Ulmax является максимумом первичного напряжения, то максимум вторичного напряжения определится выражением:

Из этого выражения следует, что, выбрав соответствующим образом емкость накопительного конденсатора С1 так, чтобы CI > С2 • {W2/W1), можно добиться малой зависимости вторичного напряжения U2max от значения емкости С2, что принципиально невозможно в классической системе зажигания

Кроме того, в конденсаторной системе зажигания максимум вторичного напряжения мало зависит от значения сопротивления, шунтирующего вторичную цепь. Практика подтверждает, что конденсаторная система зажигания сохраняет работоспособность при низких значениях шунтирующего сопротивления, вплоть до 100 К. Это существенно снижает требования к уходу за свечами зажигания (их чистке, регулировке зазора и т. п.). Срок использования свечей может быть значительно увеличен, поскольку свечи, которые уже нельзя задействовать в классической системе зажигания, могут удовлетворительно работать в конденсаторной системе.

Это связано с тем, что в качестве коммутатора в конденсаторной системе зажигания обычно применяют тиристоры, время переключения которых, определяющее длительность фронта первичного напряжения, всего несколько микросекунд. Конечно, длительность фронта вторичного напряжения зависит, кроме того, от параметров катушки зажигания. Однако даже при применении катушек от классической системы зажигания, фронт импульса вторичного напряжения в конденсаторной системе получается значительно круче, чем в классической.

Очевидно, что потери энергии при конкретных значениях шунтирующего сопротивления и вторичного напряжения пропорциональны времени действия этого напряжения. Поэтому при крутом фронте за время, пока напряжение достигнет максимума, потери будут меньше, чем при пологом фронте. Этим и объясняется малая зависимость U2max в конденсаторной системе зажигания от сопротивления, шунтирующего вторичную цепь.

Схема с непрерывным накоплением энергии в конденсаторе отличается простотой, технологичностью и надежностью конструкции. Недостаток ее - зависимость энергии накопительного конденсатора от напряжения источника питания. Зимой, когда напряжение батареи при пуске снижается до 7 + 8 В, конденсатор заряжается до напряжения около 190 В, накопленная энергия в нем снижается в 4 раза, и пуск затрудняется.

Конденсаторные системы с импульсным накоплением энергии в емкости позволяют иметь хорошую искру при уменьшении напряжения в бортовой сети до 6,5 В. Но эти системы сравнительно сложнее и дороже. К полупроводниковым приборам, применяемым в них, повышены требования в отношении токов утечки, которые должны быть не более 0,1 мА.

Всистемах с импульсным накоплением энергии, накопительный конденсатор заряжается одним мощным импульсом сразу же после окончания искрового разряда в свече зажигания. На рис. 4 приведена принципиальная схема конденсаторной системы зажигания с импульснымнакоплением энергии, а на рис. 5 временные диаграммы ее работы.

Схема включает в себя транзистор VT1, который работает в ключевом режиме, повышающий трансформатор Т1, накопительный конденсатор С1, два диода VDi, VD2, тиристор VD3 и катушку зажигания (КЗ).

При замкнутом выключателе зажигания S и в момент размыкания контактов прерывателя (ti), транзистор VTI переходит в состояние насыщения. Ток управления течет от батареи через резисторы Яд, RI и R2, базу и эмиттер транзистора на корпус автомобиля и"-" батареи. Транзистор проводит линейно - нарастающий ток первичной обмотки трансформатора Т1. В магнитном поле Tf накапливается энергия. По мере увеличения тока 16 в обмотке (01 увеличивается падение напряжения на резисторе R3. Это напряжение поступает на вход схемы управления и, когда ток достигает заданного значения 1р, ключи VT1 и VD3 по сигналу err схемы управления закрываются. Ток в обмотке 0)1 прекращается (Ь, рис. 5). Энергия,накопленная в магнитном поле трансформатора Т1, равная L1 • 1 р/2, где L1 индуктивность обмотки (01 трансформагора Т1, создает в его обмотках импульсы напряжения. Положительный импутьс с конца обмотки (02 (начала обмоток на рис. 4. обозначены точками) проходит через диод VD1 и заряжает накопительный конденсатор С1 до высокого напряжения 350 В (ts рис. 5). Диод VD 1 предотвращает разряд конденсатора С1 через обмотку 0)2 после окончания действия импульса.

Если считать, что энергия магнитного поля трансформатора Т1 преобразуется в энергию электрического поля конденсатора СI с коэффициентом полезного действия т|, то можно написать:

Таким образом, напряжение заряда накопительного конденсатора не зависит от напряжения питания, и при постоянных значениях т|, LI и CI определяется лишь током разрыва 1р.

Указанное свойство системы позволяет относительно простыми средствами получить стабилизированное вторичное напряжение. Для этого необходимо иметь схему управления со стабильным порогом срабатывания. Практическая реализация такой схемы не встречает затруднений.

В момент U контакты прерывателя замыкаются, что не оказывает влияния на работу системы.

В момент ts контакты прерывателя снова размыкаются, а ключи VT1 и VD3 открываются.

Ключ VT1 подключает обмотку С01 трансформатора Т1 к источнику питания и через нее снова начинает протекать линейно - нарастающий ток. Ключ S2.2 подключает заряженный до напряжения 350 В накопительный конденсатор к первичной обмотке WI катушки зажигания. Вовторичной обмотке W2 катушки зажигания индуцируется высокое напряжение, которое через распределитель поступает к свечам зажигания. Затем описанные процессы повторяются. В момент t6 ток в обмотке (01 трансформатора достигает заданного значения 1р, в момент t7 накопительный конденсатор снова заряжается. В момент U контакты прерывателя размыкаются и в свече зажигания происходит искровой разряд.

Между моментами окончания заряда накопительного конденсатора (b, t?, рис. 5) и моментами, когда конденсатор подключается к катушке зажигания (t5, ts) проходит интервал времени XI В течение этого времени накопительный конденсатор разряжается через обратные сопротивления диода VD 1, тиристора и свое собственное сопротивление изоляции, и напряжение на нем к моменту искрообразования уменьшается на AU. На рис. 5 пунктирной линией показан идеальный случай, когда утечек нет.

Чем ниже частота искрообразования и, следовательно, больше период Ти интервал XI, тем больше разрядится накопительный конденсатор и тем ниже будет напряжение искрообразования. При значительном токе утечки может случиться, что вторичное напряжение при малых пусковых частотах вращения вала двигателя упадет настолько, что окажется недостаточным для пробоя искрового промежутка свечи зажигания.

Определим допустимый ток утечки во вторичной цепи системы с импульсным накоплением энергии, при котором система остается работоспособной при самых малых пусковых частотах вращения вала двигателя, для которых XI = Т.

Количество электричества, первоначально запасенное в накопительном конденсаторе С1, составляет:  Ql-Cl-UI.где С1- емкость накопительного конденсатора; U1 - первоначальное напряжение его заряда.

Суммарный ток утечки во вторичной цепи обозначим 1ут.Тогда количество электричества, потерянное накопительным конденсатором за время XI * Т, будет равно: AQ - 1ут- T = I)nr/F, где F - частота искрообразования.

Количество электричества, оставшееся в накопительном конденсаторе к моменту искро-образования, определим выражением; Q2=Q1 -AQ=C1 - 111 -Iyr/F, а напряжение U1 на накопительном конденсаторе, соответствующее этому количеству электричества, определится как: U2=Q2/C1 = U1 -Iyr/(F C1), и, следовательно, уменьшение напряжения к моменту искрообразования будет равно: ди = 1ут/ (F • С1).

Окончательное выражение для определения допустимого суммарного тока утечки 1ут, мА, для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя будет иметь вид:1ут5п-С1 -U1 -у/3, где п - частота вращения вала двигателя, об/мин; у = 100 • AU/U1 - допустимое уменьшение напряжения искрообразования при частоте п, %; Ш - первоначальное напряжение заряда накопительного конденсатора, В; С1 - емкость накопительного конденсатора, мкФ.

Вкачестве примера, определим допустимое значение тока утечки для следующего практического случая, минимальная пусковая частота вращения вала двигателя п = 150 об/мин; емкость накопительного конденсатора CI = 1 мкФ; первоначальное напряжение на накопительном конденсаторе U1 = 350 В, а допустимое его уменьшение V = 15% (4U =52 В):\ут£ 150 -10 • 350 - 1S/3 = 0,26мА.

Как было указано выше, ток утечки тиристора типа КУ202М (Н) согласно его техническим условиям может достигать 10 мА, и несмотря на это такой тиристор работоспособен в системе с непрерывным накоплением энергии. Для системы же с импульсным накоплением такой тиристор непригоден. Даже если ток утечки тиристора будет равен 1 мА, то напряжение искрообразования при пусковой частоте вращения вала двигателя п = 150 об/мин уменьшится на 57%, т. е. к первичной обмотке катушки зажигания будет подводиться не 350 В, а всего 150 В, и система будет неработоспособна.

В связи с этим тиристоры для систем с импульсным накоплением энергии необходимо специально отбирать по току утечки. На практике, правда, это не встречает затруднений, так как у подавляющего большинства тиристоров - ток утечки составляет 0,2 + 0,3 мА.

Как и в системе с непрерывным накоплением энергии, в данном случае необходимым условием нормальной работы системы является также полный заряд накопительного конденсатора к моменту новообразования при максимальной частоте вращения вала двигателя.

Из рис5 видно, что время заряда накопительного конденсатора складывается из двух фаз - времени Т2 нарастания тока в обмотке (01 трансформатора Т1 и времени Тз непосредственного заряда конденсатора после разрыва тока. Ввиду того, что нарастание тока в обмотке (01 начинается одновременно с размыканием контактов прерывателя, условие нормальной работы системы с импульсным накоплением для четырехтактного двигателя будет иметь вид: Т2 + ТЗ < 120/Z • Птах, где г - число цилиндров; птах - максимальная частота вращения вала двигателя.

Сравнение этого условия с аналогичным для СЗ с непрерывным накоплением показывает, что оно менее жесткое, и на практике его выполнение не встречает затруднений.

Процессы, происходящие в момент размыкания контактов прерывателя и переключения ключа в положение 2, в системе с импульсным накоплением энергии не отличаются от аналогичных процессор в системе с непрерывным накоплением.

Системы с импульсным накоплением энергии имеют наибольшую скорость нарастания высокого напряжения. Но длительность индуктивной составляющей искрового разряда в свечах уменьшена от единиц миллисекунд (в системах с накоплением энергии в индуктивности) до десятков или сотен микросекунд. Это ухудшает воспламенение и сгорание рабочей смеси на средних нагрузках и, следовательно, приводит к повышению расхода топлива и токсичности отработавших газов. Для устранения указанных недостатков надо корректировать автоматы опережения зажигания и увеличивать зазор в свечах до 1,2 + 1,5 мм, что приводит к дальнейшему возрастанию вторичного напряжения и напряженной работе изолирующих частей высоковольтной системы.

elektrikavto.by

Универсальное конденсаторно-тиристорное CDI электронное зажигание, оптимизированное по импульсной и пиковой мощности искрового разряда - Зажигание - Двигатели внутреннего сгорания - Каталог статей

Смирнов Владимир Фёдорович

Россия, Тверская обл., г. Кимры

E-mail: [email protected]

Web-sait: smirnov.ucoz.com

При пуске холодного двигателя перед искрообразованием свечи успевают покрыться слоем жидкого диэлектрика — маслянно-бензиновой плёнкой, загрязнённой водой, сажей, молекулами остаточных и атмосферных газов. Чем ниже температура двигателя и выше степень сжатия топливной смеси — толще плёнка.  Выступы электродов свечи, имеющие малые радиусы кривизны, под слоем жидкого диэлектрика перестают влиять на снижение пробивного напряжения. Когда свечи «залило», пробоя не происходит вовсе. Это указывает на превалирующее влияние жидкого диэлектрика.

В момент искрообразования в искровом зазоре свечи катушкой зажигания (КЗ), возбуждается электрическое поле, которое неоднородно. Если его напряжённость вблизи выступов электродов с малым радиусом кривизны превышает пороговый уровень, то с этих выступов возникает самостоятельный электрический разряд, начинающийся тёмным разрядом, переходящим в коронный, ток которого должен сначала пробить плёнку жидкого диэлектрика. Немалую роль при этом играют токопроводящие загрязнения в жидком диэлектрике, создающие повышенные значения токов проводимости. В большинстве теорий [1, с. 83]:«...пробой жидких диэлектриков рассматривается как тепловой процесс, в результате которого в слое жидкого диэлектрика образуются газовые или паровые каналы... При критических значениях напряжённости электрического поля в газовых и паровых каналах начинает развиваться процесс ударной ионизации газа, завершающийся пробоем.». После этого между электродами свечи возникает искровой, затем тлеющий, а если тока достаточно, то и дуговой разряд.

На графике представлена [1, рис. 3.20 ] зависимость времени пробоя жидкого диэлектрика от высокого напряжения. Как видим, при времени воздействия электрического поля более 1 мс напряжение пробоя резко уменьшается. Данное явление, обусловленное ростом числа ионных лавин, послужило стимулом к созданию систем конденсаторного многоискрового AEM зажигания.

По мере прогрева двигателя плёнка из жидкого диэлектрика начинает истончаться и деградировать до полного исчезновения — стандартная модель становится неприменимой. Двигатель переходит в нормальный рабочий режим, при этом [2. c. 121]: «Мощный тепловой толчок, вызывающий ускорение процессов, приводящих к образованию очага сгорания, можно осуществить электрическим разрядом между электродами свечи зажигания при напряжении 8–15 кВ. При высоких температурах в канале или шнуре разряда (Т ≥10000) образуется очаг небольшого объёма. Это означает, что в данном объёме процессы прогрева, распада, ионизации молекул топлива и кислорода и воспламенения происходят столь быстро (через состояное плазмы), что укладываются в период разряда, длительность которого не превышает 10–20 мкс.».Таким образом, в нормальном рабочем режиме достаточна длительность разряда всего 10...20 микросекунд. Очевидно, что энергия разряда должна быть достаточной для создания первоначального очага сгорания, интенсивно инициирующего последующую цепную реакцию процесса воспламенения во всём объёме сжатой топливной смеси.

Схожие данные приводят А. Курченко и А. Синельников [3, с. 60 ]: «Сравнительно малая длительность искрового разряда не является недостатком описываемой системы. Как показали исследования, в исправном и правильно рассчитанном двигателе после достижения нормального теплового режима воспламенение рабочей смеси происходит в течение 10...15 мкс, и искровой разряд длительностью свыше 1 мс, имеющий место в батарейной или транзисторной системах зажигания, бесполезен и вызывает лишь эрозию электродов свечей, сокращая их срок службы. Искра длительностью 1,0 мс и более может оказаться полезной лишь при пуске двигателя на переобогащённой смеси, как горячего, так и холодного.».

Альтернативный путь. В стандартной модели на участке от 1 мс до10 мкс сокращение времени пробоя жидкого диэлектрика можно объяснить тем, что мощность коронного разряда находится в квадратичной зависимости от приложенного напряжения. К началу 90-х у меня возникла новая концепция (от лат. conceptio — понимание, система) конденсаторно-тиристорного зажигания, основанная на следующих постулатах:

  1. Длительный искровой разряд в 1...5 мс полезен только при пуске холодного двигателя, когда на электродах свечей образуется плёнка жидкого диэлектрика. После прогрева двигателя и исчезновения плёнки для воспламенения достаточно первых 10...20 мкс, а оставшийся излишек разряда будет безрезультатно пытаться поджечь уже сгоревшую смесь, да совершать вредоносное действие — разогревать электроды свечей, что на высоких оборотах при высокой мощности разряда может стать причиной калильного зажигания — ограничения числа оборотов.

  2. При 6000 об/мин = 100 об/сек двухтактного двигателя один оборот происходит за 10 мс. Легко посчитать, что искровой разряд в 1 мс будет происходить на протяжении 36°. Это превосходит угол опережения зажигания, например в 29°, занимая ещё 7° фазы быстрого сгорания. Воспламеняющая способность столь длительного искрового разряда оказывается низкой — его энергия распределена во времени, момент воспламенения точно не определён. Зажигание получается вероятностным. Исключить вероятностный фактор можно единственным способом — сконцентрировав энергию искры в разряде длительностью 10... 20 мкс.

  3. В конденсаторно-тиристорном электронном зажигании искрообразование происходит только в первом периоде косинусоиды затухающих колебаний ударного LC-контура (КЗ + разрядный конденсатор) - искровой разряд получается коротким, и конденсатор не успевает полностью разрядиться — возникает недобор мощности от преобразователя напряжения. Данный недостаток легко обратить в преимущество, увеличив напряжение заряда конденсатора. При этом мощность разряда возрастёт в квадратичной зависимости от напряжения, при прежней длительности.

  4. Ёмкость конденсатора следует увеличить, тогда частота затухающих колебаний LC-контура понизится, а длительность разряда — увеличится.

  5. При одинаковой потребляемой мощности альтернативная система зажигания с конденсатором повышенной ёмкости, заряженным до более высокого напряжения и с малой длительностью разряда за счёт использования низкоомной КЗ, а так же и в силу того, что искрообразование происходит лишь в течение первого периода затухающих колебаний, будет способна сконцентрировать искровой разряд.

  6. Неотъемлемой частью новой системы зажигания должно стать устройство зимнего пуска двигателя — когда масло загустело, и стартёр может вызвать проседание напряжения до 6 В.

Основное достоинство конденсаторно-тиристорного CDI зажигания определяется первым законом коммутации, утверждающим, что напряжение на конденсаторе не может измениться скачком. Теоретически конденсатор является источником ЭДС, имеющим нулевое внутреннее сопротивление, и способен создать в момент коммутации ток вплоть до бесконечности при нулевом сопротивлении нагрузки.

Пиковая мощность — наибольшее мгновенное значение мощности разряда. В конденсаторно-тиристорном зажигании наибольшее значение пиковой мощности приходится на самые важные — первые 10...20 мкс начала искрообразования, причём данное достоинство естественным образом следует из его принципа действия. По мере разряда конденсатора мгновенная мощность уменьшается. Пиковая мощность разряда — наиважнейшая для высокооборотных и обычных двигателей характеристика зажигания в нормальном рабочем режиме.

Импульсная мощность (мощность в импульсе) — среднее значение мощности за время длительности импульса. Данная характеристика важна в режиме запуска холодного двигателя для пробоя жидкого диэлектрика.

В момент искрообразования открывается тиристор VS и закорачивает выход преобразователя, останавливая его работу. Заряженный конденсатор С5 подключается к первичной обмотке КЗ, образуя с её индуктивностью LC-контур ударного возбуждения, в котором на частоте резонанса зарядом конденсатора С5 возбуждаются затухающие косинусоидальные колебания. В повышающей обмотке КЗ эти колебания, частотой 2...10 кГц (зависит от КЗ), трансформируются в 100...400 раз большее напряжение, и трамблёром направляются свече того цилиндра, где должно произойти воспламенение сжатой топливно-воздушной смеси.

В свече возникает искровой разряд. Энергия электрического поля конденсатора С5 тратится на воспламенение топливной смеси и преобразуется в энергию магнитного поля КЗ. В момент, когда конденсатор C5 полностью разрядится и напряжение на нём уменьшится до нуля ток в цепи достигнет наибольшего значения. Ввиду полного разряда конденсатора ток в цепи начинает уменьшаться, но не прекращается, так как согласно второму закону коммутации, ЭДС самоиндукции КЗ меняет знак и поддерживает прежнее значение тока. Источником энергии становится энергия магнитного поля КЗ, а конденсатор становится нагрузкой.

Ток, проходя через разряженный конденсатор, начинает его заряжать. Поскольку направление тока осталось прежним, тиристор остаётся открытым, но полярность напряжения на конденсаторе меняется. По мере заряда конденсатора напряжение на нём возрастает, а ток в цепи убывает. Энергия магнитного поля КЗ уменьшается — она расходуется на поддержание искрового разряда и на заряд конденсатора.

Когда ток в цепи станет меньше тока удержания, тиристор выключится. К этому моменту почти вся энергия магнитного поля, за минусом израсходованной на поддержание искрового разряда, запасается в электрическом поле конденсатора, напряжение на нём достигает максимума, но в противоположной полярности.

Снова начинается разряд конденсатора, но направление разрядного тока меняется на противоположное. Теперь цепь LC-контура замыкает динамическое сопротивление открытых диодов VD4...VD7 моста — преобразователь всё ещё не работает. Когда конденсатор разрядится, динамическое сопротивление диодов моста увеличится, цепь LC-контура окончательно разорвётся — искрообразование закончится. Преобразователь запустится на рабочей частоте (18...32 кГц) и полностью зарядит ёмкость С5, после чего потребление тока уменьшится — преобразователь перейдёт в режим холостого хода до следующего искрообразования.

Таким образом, в настоящем зажигании искрообразование происходит на протяжении первого периода колебаний LC-контура, а тиристор открыт только в первую 1/2 данного периода.

О выборе тиристора. В преобразователе, когда тиристор открыт, возникает паразитная ВЧ-генерация. Воздействуя через ёмкость анод-управляющий электрод, она затем мешает тиристору закрыться когда ток в цепи станет меньше удерживающего. Необходим тиристор с наибольшим значением скорости изменения напряжения на аноде в закрытом состоянии. Для Т132-50-9-4 данный показатель — 200 В/мкс (у КУ202Н — всего 5 В/мкс). Чем больше последняя цифра — группа в обозначении — тем лучше. Например, группа 7 — 1000 В/мкс.

В настоящей (альтернативной) системе CDI зажигания низкоомная КЗ имеет меньшую индуктивность первичной обмотки, а значит и меньшее характеристическое (волновое) сопротивление. Вследствие этого основные параметры энергии импульса преобразуются: повышается ток разряда, но сокращается длительность. Чтобы увеличить длительность, ёмкость С5 увеличена до 2 мкФ. Таким образом, заряженный до повышенного напряжения конденсатор С5, ёмкость которого увеличена, разряжается через малое характеристическое сопротивление низкоомной КЗ. В результате формируется искровой разряд повышенной энергии, имеющий оптимальную длительность и высокую импульсную и пиковую мощность. Очевидно, что при этом сохраняются и все другие важные достоинства конденсаторно-тиристорного CDI зажигания: рекордно высокая скорость нарастания высокого напряжения на свече, малая задержка искрообразования (для прогретого двигателя — единицы микросекунд) и крайне малая зависимость пиковой мощности искрового разряда от наличия токов утечки, вызванных проводимостью нагара на свечах, наличием грязи и паразитной ёмкостью высоковольтных проводов и КЗ.

Устройство зимнего пуска двигателя — диод VD1 и конденсатор С1. При пуске холодного двигателя зимой стартёр может вызвать проседание напряжения аккумулятора до 6 В, напряжение на ёмкости С1 становится выше входного, диод VD1 закрывается, и начинается автономное питание устройства зарядом ёмкости С1. Величина ёмкости С1 должна быть десятки тысяч микрофарад, однако практика показала, что вполне достаточно 4700 мкФ.

Транзисторный преобразователь напряжения — модернизированная схема Ройера работает на частоте около 32 кГц и гарантированно успевает зарядить при 6000 об/мин конденсатор C5 ёмкостью 2 мкФ до напряжения около 600 В, потребляя при этом ток не более 2,5 А. На низких оборотах напряжение ещё выше, а ток потребления около 0,7 А. Транзисторам необходимы радиаторы — алюминиевые пластины 80х80х3 мм, которые склеены торцами через изолятор цианоакриловым клеем и размещены в корпусе с отверстиями так, что для охлаждения воздухом открыты все поверхности. Схемотехника преобразователя с одной базовой обмоткой [4, рис. 17.5 ], коммутируемой диодами, выгодно отличается тем, что открытый коммутирующий диод работает как стабистор, предотвращая зенеровский пробой обратносмещённого перехода база-эмиттер закрытого транзистора, что повышает КПД. В схеме реализован нелинейный базовый резистор на лампе накаливания EL. В холодном состоянии сопротивление её нити до десяти раз меньше, чем в горячем. При начальном пуске величина базового тока выше, чем в рабочем режиме, и запуск характеризуется быстрым нарастанием неустойчивости, заканчивающейся автогенерацией прямоугольных колебаний. Лампа накаливания светится в 1/2 накала и является индикатором: работает преобразователь или нет. Зажигание устойчиво работает и на более 7000 об/мин, однако напряжение на конденсаторе начинает cнижаться.

Повышенное напряжение обусловило выбор тиристора классом не менее 9 (900 В). Запуск тиристора осуществляется разрядом ёмкости С2 через негатрон — фототранзистор оптрона U1, работающий в лавинном режиме [5, с. 189-192]. Параметры зарядной цепи R4, VD8 выбраны так, чтобы ограничение заряда ёмкости С2 наступало выше 8000 об/мин. VD8 — стабилизатор напряжения 51 В, а R4 — источник тока. Данная схемотехника позволяет импульсно запускать любые тиристоры, обладает исключительно малой задержкой запуска, хорошей температурной стабильностью, высокой чувствительностью к запуску, оптическим разделением цепей входа и выхода, причём — сверхэкономно.

Универсальность настоящего конденсаторно-тиристорного CDI электронного зажигания — возможность работы как от прерывателя, так и от автомобильного датчика Холла. При размыкании контактов прерывателя времязадающая цепь R3, С4, R6 формирует токовый импульс для светодиода оптрона U1, заряжающий ёмкость С4. При замыкании контактов ёмкость С4 разряжается через сопротивление резистора R6 — формируется защитный временной интервал от «дребезга». У автомобильного датчика Холла токовый импульс имеет отрицательную полярность, поэтому цепь: диод VD9 + светодиод необходимо подключить так, как изображено на схеме перемычками зелёного цвета.

Необязательное тестирование осциллографом. Необходимо изготовить делитель напряжения 1/100 из 2 Вт резистора — 1 МОм и резистора 0,25 Вт — 10 кОм. Вход делителя подключают параллельно тиристору VS, а выход — к открытому входу осциллографа в режиме непрерывной развёртки. Вместо прерывателя подключают простейший самодельный тест-генератор прямоугольных импульсов с регулируемой частотой от единиц до 250-300 Гц, имитирующий прерыватель с помощью транзисторного ключа. Тест-генератору необходим металлический корпус-экран без щелей и короткий экранированный провод — выход. Внутри корпуса — должен быть RC-фильтр питания.

К зажиганию подключить КЗ и свечу. Включаем осциллограф. При выключенном тест-генераторе подаём питание 13, 8 В на зажигание. Смотрим на нить лампы EL, если светится — преобразователь работает. Осциллограф должен показывать напряжение более 600 В. Теперь включаем тест-генератор. В свече должны появиться искровые разряды. Вращая ручку регулятора частоты тест-генератора надо убедиться, что до частоты 200 Гц напряжение на тиристоре (конденсаторе С5) перед искрообразованием имеет вершину на уровне более 600 В. При дальнейшем увеличении частоты длительность вершины будет уменьшаться, затем импульсы станут напоминать пилу — напряжение на ёмкости С5 станет уменьшаться.

Теперь вместо свечи надо создать воздушный разрядный промежуток миллиметров в 10 и проверить на пробой во всём диапазоне частот. Постепенно зазор надо увеличивать до тех пор, пока не прекратится пробой. Так можно узнать длину искрового разряда на воздухе. Хорошую КЗ во время таких испытаний не пробъёт, а плохой — туда и дорога. Запомните производителя и в дальнейшем игнорируйте его КЗ. Длина искрового разряда на воздухе раз в 11 превышает его длину в сжатой топливной смеси, причём чем выше степень сжатия — тем в большее. Таким образом можно оценить максимум зазора в свече, который можно установить.

Ток через тиристор во время искрообразования. Осциллографом измеряем период Т колебаний LC-контура ударного возбуждения. Характеристическое сопротивление LC-контура определяется выражением: ρ = Т/2πС. Величину тока находим с помощью закона Ома: I = U/ρ = U2πC/T, где U = 600 В, С — ёмкость конденсатора С5 = 2мкФ, а 2π = 6,28.

При Т = 100 мкс — ток около 75 А. На частоте искрообразования 200 Гц время открытого состояния тиристора как минимум в 25 раз меньше закрытого, что даёт средний ток всего 3 А. Тиристор Т132-50-9-4 имеет допустимый средний ток в открытом состоянии 50 А, что обеспечивает многократную параметрическую избыточность и надёжность.

Настоящее конденсаторно-тиристорное CDI зажигания — разработка 90-х. Неоднократно оно демонстрировало чудеса — после установки на дымящий автомобиль, не только исчезал дым, но и показатель СО оказывался ниже нормы. Устройство обладает высокой надёжностью, так как каждый из его компонентов используется в комфортной для него области безопасной работы.

Из-за высокого уровня импульсных помех в мировом автопроме сложилось негативное отношение к конденсаторно-тиристорным CDI системам электронного зажигания. Их используют исключительно на гоночных автомобилях или на некоторых лодочных моторах.

Обязательно соблюдайте правила техники электробезопасности, так как в устройстве имеются крайне опасные напряжения!

Литература

  1. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы/ Под общ. Ред. Профессоров МЭИ В. Г. Герасимова, П. Г. Грудинского, Л. А. Жукова и др. — 6-е изд., испр. и доп. — М.; Энергия, 1980. — 520 с., ил.

  2. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности "Двигатели внутреннего сгорания"/ Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред А. С. Орлина, М. Г. Круглова. — 4-е изд., перераб. И доп. — М.: Машиностроение, 1983. — 372 с., ил.

  3. Конденсаторная система зажигания. В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 90./Сост. Н. Ф. Назаров. — М.: ДОСААФ, 1985.

  4. Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. — М.: Радио и связь, 1984. — 400 с., ил. — (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1076).

  5. Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах. Под ред. С. Я. Шаца. М., "Сов. Радио", 1973.

Лучшее чтиво по зажиганиям: http://www.academia-moscow.ru/off-line/_books/fragment_18454.pdf

smirnov.ucoz.com

Высоконадёжное универсальное конденсаторно-тиристорное CDI электронное зажигание, оптимизированное по импульсной и пиковой мощности искрового разряда

Высоконадёжное универсальное конденсаторно-тиристорное CDI электронное зажигание - Зажигание - Двигатели внутреннего сгорания - Каталог статей

Смирнов Владимир Фёдорович

Россия, Тверская обл., г. Кимры

E-mail: [email protected]

Web-sait: smirnov.ucoz.com

Импульсные помехи, возникающие в моменты искрообразования, способны оказывать обратное влияние на работу формирователя запускающих импульсов и тиристора, делая работу зажигания неустойчивой.

Углублённый анализ процесса искрообразования позволил прояснить, что в момент искрообразования существуют, как минимум, три контура токов:

1 — первичный ток проводимости в контуре ударного возбуждения: индуктивность низкоомной обмотки КЗ (катушка зажигания), ёмкость разрядного конденсатора С5, тиристор VS и диод VD10. Принцип искрообразования следующий. Конденсатор С5 получает заряд от преобразователя постоянного напряжения (около 600 В). В момент искрообразования включается тиристор VS и «соединяет» заряженный конденсатор С5 с КЗ. Цепь контура ударного возбуждения замыкается и в нём возникают затухающие колебания. Напряжение на низкоомной обмотке КЗ скачком (единицы микросекунд) становится равным напряжению на ёмкости С5. Напряжение на вторичной обмотке КЗ достигает напряжения пробоя искрового промежутка свечи — возникает искровой разряд.

В идеале, когда тиристор включён, заряд ёмкости С5 тратится на поддержание искры и создание магнитного потока КЗ. Во втором полупериоде направление тока меняется на противоположное — открывается диод VD10, а тиристор VS — выключается. В это время энергия магнитного поля КЗ тратится на искру и на возврат (рекуперацию) заряда в ёмкость С5, после чего диод VD10 закрывается, и контур ударного возбуждения размыкается. Таким образом, искрообразование продолжается один период затухающих колебаний контура ударного возбуждения, после чего колебания прекращаются, а в ёмкость С5 возвращается неиспользованный остаток заряда.

Хочу обратить внимание на следующее. В случае возникновения паразитной проводимости (нагар, «мостик») между электродами свечей в конденсаторно-тиристорном CDI электронном зажигании возникает конденсаторно-тиристорный синергизм взаимодействия, проявляющийся в том, что заряд конденсатора С5, как источника ЭДС, может быть полностью потрачен на силовое (с выделением тепла) пережигание паразитной проводимости. В этом предельном случае, заряда конденсатора С5 хватит на возбуждение всего одного полупериода затухающих колебаний — диод рекуперации VD10 останется без работы. Нагрузка на преобразователь возрастёт, но на причину будет оказано активное энергетическое воздействие, которое может уничтожить «мостик». Кроме того, атаке подвергнутся помехоподавляющие резисторы, которые в конденсаторно-тиристорном CDI электронном зажигании лучше заранее перемкнуть. Для справки: энергия, запасённая в электрическом поле конденсатора С5, заряженного до напряжения 600 В составляет около 0,4 Дж, что соответствует 0,1 кал теплоты за одно искрообразование (для пережигания «мостика» может потребоваться некоторое количества искрообразований, т. е. времени). Настоящее зажигание без помехоподавляющих резисторов будет надёжно работать, но импульсные помехи могут оказаться запредельными для остальной электроники.

2 — паразитный ток проводимости искрового разряда свечи. Высоковольтный провод от вывода высокоомной обмотки КЗ до свечи представляет собой элементарный вибратор. В 1879-1888 годах профессор Генрих Рудольф Герц ставил опыты, целью которых было экспериментально доказать возможность возбуждения магнитных полей переменными электрическими полями — предполагалось доказать физическую реальность токов смещения и обязательную замкнутость их цепей (В. Мигулин, член-корреспондент АН СССР. Столетие «волн Герца». Радио № 11, 1988 г., с. 47). Герц использовал искровой разряд для импульсного возбуждения резонатора, названного им вибратором, на частоте порядка сотни миллионов колебаний в секунду. Если внимательно проанализировать высоковольтную часть схемы CDI зажигания, то в его вторичной цепи легко обнаружить все элементы устройства Герца. Разрядная ёмкость — паразитная ёмкость КЗ и высоковольтного провода. Искровой разрядник — свеча. Вибратор — высоковольтный провод. Единственное отличие — место подключения разрядника к вибратору. В моменты искрообразования CDI зажигание функционирует подобно устройству Герца, генерируя мощные радиоимпульсные помехи. Для защиты от них в настоящее время, во-первых, используют специальные высоковольтные провода, обладающие высокими распределёнными потерями, резко снижающими их добротность как вибраторов, во-вторых, между разрядником-свечой и высововольтным проводом-вибратором обычно включают помехоподавляющий резистор, который ограничивает возбуждающий колебания разрядный ток. В настоящем зажигании один конец вибратора, роль которого исполняет высоковольтный провод, замыкается искровым разрядом свечи на массу, а к другому — подключена КЗ, через паразитную ёмкость которой вибратор удлиняется проводом, соединяющим катод тиристора VS c блокирующей ёмкостью зимнего пуска С1. Таким образом, катод тиристора VS оказывается подключенным к отводу составного вибратора. Ток отрицательных полупериодов колебаний вибратора течёт по цепи: катод-управляющий электрод тиристора VS, ограничивающий резистор R5 (индуктивность L в исходной схеме зажигания отсутствует), переход эмиттер-коллектор фототранзистора оптрона U1, запускающая тиристор ёмкость С2, ёмкость зимнего пуска С1. Это равносильно действию положительных импульсов тока на управляющий электрод тиристора VS. Однако чтобы тиристор мог открыться, необходимо чтобы напряжение помехи на фототранзисторе оптрона U1 достигло величины лавинного пробоя фототранзистора, после чего цепь замкнётся, и ёмкость С2 ложно запустит тиристор VS. Для борьбы с указанным недостатком введён блокирующий конденсатор С9, заземлённая обкладка которого проводом большого сечения должна быть присоединена возможно ближе к месту, где ввинчены свечи. При этом ток колебаний вибратора будет отделён от тока цепи управления. Окончательно решить проблему помогает интегрирующий фильтр второго порядка LC6, введённый в доработанную схему. Кроме того некоторое улучшение помехозащищённости в исходной и доработанной схемах достигается тем, что на катод тиристора VS с ёмкости зимнего пуска С1 подаётся + 12 В, а управляющий электрод тиристора VS через резистор R8 соединён с общим проводом, что равносильно подаче на управляющий электрод запирающего смещения минус 12 В;

3 — ток смещения (электрическая составляющая электромагнитной волны; течет в физическом вакууме, даже при полном отсутствии какого-либо вещества за счёт смещения квантов поля) возникает во время искрового пробоя, когда напряжение на свече резко уменьшается, и, соответственно, резко изменяется напряжённость электрического поля вокруг высоковольтного провода. Феномен тока смещения состоит в том, что симметрично с ним возникает и изменённое (квантово-полевое) пространство-время, наделённое свойством динамической сверхпроводимости. Динамическая сверхпроводимость — это временное возникновение у вакуума сверхпроводимости, позволяющей току смещения без потерь на тепло замкнуть цепь тока проводимости. Импульс тока смещения, возникающий во время фронта или спада напряженности электрического поля, определяется первой производной и в виде токового импульса помехи атакует прямо из окружающего сверхпроводящего пространства. Основной способ защиты от тока смещения состоит в том, чтобы разорвать электрическое поле с помощью электростатического экрана, поэтому все цепи управления тиристором необходимо тщательно экранировать (экранированные провода и металлический кожух без щелей, закрывающий цепи управления). Для защиты тиристора со стороны анода между его управляющим электродом и катодом установлен конденсатор С7, повышающий критическую скорость нарастания напряжения на аноде в закрытом состоянии. Ёмкость С6 защищает эмиттер фототранзистора оптрона U1 от импульса тока смещения. Защиту по входу осуществляет ёмкость С8. Дроссель L имеет индуктивность 120 мкГн на токе 0,1 А и должен быть расположен как можно дальше от КЗ, и ближе к фототранзистору.

Действенность принятых мер подтверждается тем, что в зажигании стали прекрасно работать тиристоры, ранее отбракованные из-за необъяснимых сбоев. Настоящее зажигание было создано в 90-е и зарекомендовало себя как высоконадёжное, безупречно работающее, облегчающее запуск и раскрывающее мощностные возможности двигателей.

 

 

 

 

smirnov.ucoz.com

Система зажигания, использующая разряды конденсатора, с тиристорным переключателем

May 29, 2010 by admin Комментировать »

Схема, приведенная на рис. 5.4, является второй полупроводниковой системой зажигания, которую мы рассмотрим. В схеме зажигания, изображенной на рис. 4.15, внимание было обращено на транзистор­ный инвертор.

В этой схеме главное внимание естественно будет направлено на тиристорный переключатель. Обратите внимание, что обе схемы ис­пользуют транзисторные инверторы и в обеих применяются тиристо­ры, чтобы передать энергию, запасенную в конденсаторе в первичную обмотку катушки зажигания. Однако схемы совершенно разные.

Схема на рис. 5.4 использует простой двухтранзисторный инвертор с насыщаемым сердечником (объединение инвертора на транзисторах Q\ и Q2 с мостовым выпрямителем можно также назвать преобразователем). На конденсаторе С1 образуется постоянное напряжение величиной около 175 В, но оно является лишь косвенным источником электростатической

Рис. 5.4. Система зажигания, использующая разряд конденсатора, с тиристорным переключателем. General Electric Semiconductor Products Dept.

энергии, которая «сбрасывается» в катушку зажигания. При работе схемы дроссель L\ с конденсатором С2 образуют колебательный контур. Однако из-за диода CR\ невозможны ни непрерывные, ни затухающие колебания. Вместо этого может появиться только первая четверть периода начинаю­щегося колебания. Этого достаточно, чтобы удвоить напряжение на кон­денсаторе С2 и получить напряжение 350 В. Так как диод CR\ закрывает­ся, этот заряд хранится в С2. Когда контакты прерывателя разомкнуты, конденсатор С4 может заряжаться от аккумулятора; именно этот заряд­ный ток вызывает появление импульса, запускающего тиристор. Когда ти­ристор открыт, энергия накопленная в конденсаторе С1 поступает в пер­вичную обмотку катушки зажигания. В соответствующей свече зажигания, определяемой работой распределителя, который присутствует в традици­онных системах зажигания, происходит разряд. Эта последовательность событий на первый взгляд может показаться немного необычной. Однако такой метод прост и не нов. Те, кто знаком с основами радиолокации, мо­гут увидеть здесь схему резонансного заряда, используемую в модуляторах радиолокационных станций. Характерной особенностью этого метода уд­воения напряжения является возможность его использования в очень ши­роком диапазоне изменения частоты повторения, что хотелось бы иметь и в радиолокаторе, и в системе зажигания. Когда контакты прерывателя разомкнуты, тиристор остается открытым достаточно долго, чтобы «за­жечь» свечу зажигания. Однако тиристор является частью резонансного контура, образованного конденсатором С2 и индуктивность первичной обмотки катушки зажигания. При первом броске обратного напряжения на этом резонансном конуре тиристор выключается. Таким образом, ком­мутация является следствием свойств самой схемы.

nauchebe.net

Тиристорная система зажигания

 

Использование в системах электронного зажигания ДВС с накоплением энергии в конденсаторе. Сущность изобретения: система зажигания включает блок 1 формирования силового импульса, датчик 2 угла поворота коленчатого вала, индуктивный дроссель 3, обмотку 4 трансформатора искрообразования, конденсатор 7, особенностью изобретения является введение второй обмотки дросселя 3, другой особенностью является введение конденсатора 7, что позволяет повысить энергию системы. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к системам электронного зажигания для двигателей внутреннего сгорания с накоплением энергии в емкости.

Известна тиристорная система зажигания (прототип), содержащая блок формирования силового импульса, выход которого через индуктивный дроссель соединен с первичной обмоткой трансформатора искрообразования, а его вход с выходом датчика угла поворота коленчатого вала двигателя. Недостатком устройства является относительно малая длительность искры и малая ее энергия. Цель изобретения уменьшение указанных недостатков. Сущность изобретения заключается в том, что первый индуктивный дроссель выполнен из двух согласно включенных обмоток, общая точка этих двух обмоток связана с выходом блока формирования силового импульса, а другие выводы этих обмоток соответственно связаны с первичной обмоткой трансформатора искрообразования и с конденсатором, второй вывод которого соединен с общим проводом схемы. Между выходом блока формирования силового импульса и общей точкой указанных обмоток первого индуктивного дросселя, или между соответствующим выводом обмотки дросселя и первичной обмоткой трансформатора искрообразования включен второй индуктивный дроссель. Между выходом блока формирования силового импульса и выводом первичной обмотки трансформатора искрообразования включен дополнительный конденсатор. На фиг.1-3 изображены разные варианты предлагаемой системы зажигания. Тиристорная система зажигания включает блок формирования силового импульса 1, вход которого соединен с выходом датчиком угла поворота коленчатого вала 2, а его выход связан с общей точкой двух обмоток, включенных согласно друг другу в первом индуктивном дросселя 3. Вторые выводы этих обмоток соответственно соединены с первичной обмоткой трансформатора искрообразования 4 и с первым выводом конденсатора 5, второй вывод которого соединен с общим проводом схемы. Между выходом блока формирования силового импульса 1 и общей точкой обмоток индуктивного дросселя 3, или между соответствующим выводом обмотки дросселя 3 и первичной обмотки трансформатора искрообразования 4 включен второй индуктивный дроссель (фиг.2 и 3). Между выходом блока формирования силового импульса 1 и первичной обмоткой трансформатора искрообразования 3 включен дополнительный конденсатор 7. Блок формирования силового импульса 1 может быть выполнен по разным схемам. Например, блоки 1 (фиг.1 и 2) включают преобразователь низкого напряжения в высокое 8, выход которого через диод 9 соединен с общей точкой накопительного конденсатора 10, другие выводы которых в двух разных вариантах подключены к общему проводу схемы и к выводам индуктивного дросселя 3. Тиристорная система зажигания работает следующим образом. При работе двигателя датчик угла поворота коленчатого вала 2 в соответствующих углах поворота коленчатого вала выдает импульсы включения тиристора 11, током которого осуществляется разряд накопи- тельного конденсатора 10 через первичную обмотку трансформатора искрообразования. При этом формируется искра. После окончания искрообразования преобразователь низкого напряжения в высокое 8 через диод 9 снова заряжает накопительный конденсатор 10 и блок формирования силовых импульсов 1 становится снова готовым к новому формированию силовых импульсов. При подаче такого силового импульса на общую точку первичной обмотки трансформатора искрообразования 4 через обмотку дросселя 3 трансформатор искрообразования 4 формирует искру. Одновременно с этим через другую обмотку дросселя 3 заряжается конденсатор 5. После некоторого спада импульсного напряжения на выходе формирователя силового импульса 1 начинает заряжаться конденсатор 5, ток которого проходит через обе согласно включенные обмотки дросселя 3, и через первичную обмотку трансформатора искрообразования 4, что удлиняет искрообразование и увеличивает энергию искры. Увеличение энергии искры вызвано уменьшением амплитуды импульса на первичной обмотке трансформатора искрообразования 4, что уменьшает потери энергии как на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора 4, так и потери на намагничивание сердечника и на вихревые токи в сердечнике этого трансформатора 4. Если же в цепь первичной обмотки трансформатора искрообразования 4 включить индуктивный дроссель 6 (фиг.2 и 3), напряжение на первичной обмотке трансформатора 4 еще больше уменьшится, а следовательно, энергия искры и ее длительность еще больше увеличатся. В случае использования дросселя 6 для ускорения пробоя зазора между электродами запальной свечи служит второй конденсатор 7. Благодаря этому конденсатору 7 амплитуда переднего фронта силового импульса целиком прикладывается к первичной обмотке трансформатора искрообразования 4, что ускоряет пробой в зазоре запальной свечи. В дальнейшем же напряжение на первичной обмотке трансформатора 4 уменьшается. Таким образом, предлагаемая тиристорная система зажигания обеспечивает удлинение во времени искры и увеличение ее энергии.

Формула изобретения

1. ТИРИСТОРНАЯ СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ, содержащая блок формирования силового импульса, вход которого соединен с выходом датчика угла поворота коленчатого вала, первая и вторая клеммы выхода которого соединены через первую обмотку индуктивного дросселя и первичную обмотку трансформатора искрообразования, конденсатор, отличающаяся тем, что введена вторая обмотка индуктивного дросселя, первая и вторая клеммы которой соединены соответственно через конденсатор и непосредственно с второй и первой клеммами выхода блока формирования силового импульса. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что введен дополнительный конденсатор, который соединен параллельно первой обмотке индуктивного дросселя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

www.findpatent.ru