Принципы построения конденсаторных

(тиристорных) систем зажигания

В конденсаторных системах зажигания энергия искроебразевания на­капливается не в магнитнем ивле катушки зажигания, как это имеет место в классической или транзисторней системах, а в электрическом поле специального накопительного конденсатора, .который в нужные моменты времени подключа­ется к катушке зажигания. Конденсаторные системы зажигания подразделяются на системы с импульсным и непрерывным накоплением энергии.

В системах с импульсным накоплением энергии процессы заряда и разряда накопительного конденсатора разделены паузами, а в системах с непрерывным накоплением таких пауз нет.

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.

На рис. 2 приведена принципиальная схема конденсаторной системы зажигания с непрерывным накоплением энергии.

            

Рис. 2. Схема конденсаторной системы зажигания с непре­рывным накоплением энергии

Рис. 3. Схема замещения конденсаторной системы зажига­ния с непрерывным накопле­нием энергии для этапа 1

Как видно, новыми элементами по сравнению с классической системой за­жигания являются преобразователь напряжения ПН, накопительный конденса­тор С1, коммутатор S2 и схема управления СУ.

Преобразователь преобразует напряжение аккумуляторной батареи 12 В в высокое 350 В. В накопительном конденсаторе накапливается энергия искрообразования. Коммутатор подключает накопительный конденсатор то к выходу преобразователя, то к первичной обмотке катушки зажигания. Схема управ­ления управляет работой коммутатора. Назначение остальных элементов то же, что и в классической системе зажигания.

Система зажигания работает следующим образом. При вращении вала дви­гателя контакты прерывателя Пр попеременно размыкаются и замыкаются. При замыкании контактов сигнал от схемы управления устанавливает комму­татор S2 в положение 1. На выходе преобразователя имеется высокое напря­жение 350 В, до которого заряжается накопительный конденсатор.



В момент размыкания контактов прерывателя схема управления вырабаты­вает сигнал, который переключает коммутатор в положение 2. Заряженный до высокого напряжения 350 В накопительный конденсатор подключается к пер­вичной обмотке wl катушки зажигания КЗ. В контуре, образованном конденса­тором С1 и первичной обмоткой катушки зажигания, возникают затухающие синусоидальные колебания, амплитуда напряжения первой полуволны которых близка к напряжению заряда накопительного конденсатора. При этом во вто­ричной обмотке w2 катушки зажигания индуцируется высокое напряжение, до­стигающее 20 — 30 кВ.

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

Этап 1. Согласно схеме замещения (рис. 3) цепь, состоящая из накопитель­ного конденсатора С1, резистора Rbu, сопротивление которого равно внутренне­му сопротивлению преобразователя, и резистора i?yT, сопротивление которого равно результирующему сопротивлению утечки во вторичной цепи, с помощью коммутатора S2 подключается к источнику постоянного напряжения ив, кото­рым является преобразователь.



Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальному закону

                                                                                                                     (1)

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=3RвнС1

практически достигает установившегося зна­чения Uk.

Энергия, запасенная в электрическом поле конденсатора, при этом равна

                                                                                                                                                           (2)

Необходимым условием нормальной работы системы является полный за­ряд конденсатора С1 до напряжения Un за время между двумя искрами при максимальной частоте вращения вала двигателя.

Учитывая, что конденсатор в схеме рис. 2 начинает заряжаться лишь после замыкания контактов прерывателя, и считая скважность работы прерывателя равной 2, это условие для четырехтактного двигателя будет иметь вид:

                                                                                                                                          (3)

где Nц — число цилиндров двигателя; nМакс — максимальная частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин. Для двухтактного двигателя числитель правой части (3) должен быть равен 10.

Так, если емкость накопительного конденсатора С1 — 1 мкФ, двигатель че­тырехтактный четырехцллиндровый, имеющий максимальную частоту вращения коленчатого вала nМакС = 6000 об/мин, то т<0,83 мс, и внутреннее сопротивле­ние преобразователя не должно превышать



Рассмотрим подробнее влияние сопротивления утечки RyT

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





Таким образом, условие RУт>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 превышает 0,2 — 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 [см. (1)] и система станет неработоспособной. Энергия преобразователя будет в основном расходоваться в паразитных цепях утечки.

На практике выполнение неравенства (3) не встречает затруднений. Задав­шись определенной энергией Wc и выбрав значение выходного напряжения пре­образователя Uв, из выражения (2) определяют емкость накопительного кон­денсатора. Внутреннее сопротивление преобразователя RBB определяется его мощностью. Чем больше мощность преобразователя, тем меньше его внутреннее сопротивление.

Применяя достаточно мощный преобразователь, можно добиться того, что­бы энергия Wc, 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. На рис. 4 дана 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 солро-

тявления обмоток катушки зажигания равны нулю, коэффициент связи между обмотками равен единице, шунтирование вторичной цепи отсутствует.



          

Рис. 4. Схема замещения кон­денсаторной системы зажига­ния с непрерывным накопле­нием энергии для этапа 2

Рис. 5. Схема конденсаторной системы зажигания с импульс­ным накоплением энергии

Согласно схеме замещения после размыкания контактов прерывателя и пе­реключения коммутатора S2 в положение 2 в первичной цепи образуется колебательный контур, состоящий из индуктивности L1 первичной обмотки wl ка­тушки зажигания и суммы емкостей накопительного конденсатора 01 и вторич­ной цепи C2(w2/w1)2, приведенной к первичной. Поскольку до коммутации кон­денсатор Q был заряжен, после нее в первичном контуре возникают собствен­ные затухающие колебания, частота которых (без учета процессов во вторичной цепи)

                                                                                                                         (4)

Вследствие того что в момент коммутации параллельно накопительному конденсатору подключается емкость C2(w2/w1)2, напряжение на накопительном конденсаторе уменьшается, и максимум первичного напряжения, определенный из условий сохранения заряда, будет равен



Очевидно, что если U1макс является максимумом первичного напряжения, то максимум вторичного напряжения определится выражением:

                                                                                        (5)

Из этого выражения следует, что, выбрав соответствующим образом емкость накопительного конденсатора 01 так, чтобы С1>С2(w2/w1)2, можно добиться малой зависимости вторичного напряжения U2макc 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 кО;м. Это существенно снижает требования к уходу за свечами зажигания (их чистке, регулировке зазора и т. п.). Срок использования свечей иожет быть значительно увеличен, поскольку свечи, которые уже нельзя исполь­зовать в классической системе зажигания, могут удовлетворительно ра1ботать 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 потери за время, пока напряжение достигнет максимума, будут меньше, чем при пологом фронте. Этим и объяс­няется малая зависимость U2макc в конденсаторной системе зажигания от соп­ротивления, шунтирующего вторичную цепь.

В системах с импульсным накоплением энергии накопительный конденсатор заряжается одним мощным импульсом сразу же после окончания искрового разряда в свече зажигания. На рис. 5 приведена принципиальная схема кон­денсаторной системы зажигания с импульсным накоплением энергии, а на рис. 8 временные диаграммы ее работы. Система работает следующим образом. В .ис­ходном состоянии ключи S2.1 и S2.2 разомкнуты, поэтому после включения питания выключателем S1 ток по цепям системы не протекает, и накопительный конденсатор С1 разряжен. В момент размыкания контактов прерывателя (ti, рис. 6) по сигналу от схемы управления СУ ключи S2.1 и S2.2 замыкаются и через обмотку wl трансформатора Т1 и резистор R1 начинает протекать линей­но-нарастающий ток. В магнитном поле трансформатора накапливается энергия.



Рис. 6. Временные диаграммы работы конденсаторной системы зажигания с импульсным накоплением энергии: S2 — положение переключателя S2, Тж

— моменты искрообразования

По мере увеличения тока в обмотке wl увеличивается падение напряжения на резисторе R1. Это напряжение поступает на вход схемы управления и, когда ток достигает заданного значения Iр, ключи S2.1 и S2.2 по сигналу от схемы управления размыкаются. Ток в обмотке wl прекращается (h, рис. 6). Энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора Т1, равная L1I2p/2, где L1 — индуктивность обмотки wl трансформатора Т1, создает в его обмотках импуль­сы напряжения. Положительный импульс с конца обмотки w2 (начала обмоток на рис. 5 обозначены точками) проходит через диод VI и заряжает накопитель­ный конденсатор С1 до высокого напряжения 350 В (t3, рис. 6). Диод VI пре- -дотвращает разряд конденсатора 01 через обмотку w2 после окончания дейст­вия импульса.



Если считать, что энергия магнитного поля трансформатора Т1 преобразу­ется в энергию электрического поля конденсатора С1 с коэффициентом полезно­го действия т), то можно написать



откуда напряжение заряда накопительного конденсатора определится выраже­нием

                                                                                                                                                                (6)

Как видно из этого выражения, напряжение заряда накопительного конденса­тора от напряжения питания не зависит и при постоянных значениях n, L1 и Ci Определяется лишь током разрыва IР.

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 tk контакты прерывателя замыкаются, что не оказывает влияния на работу системы.

В момент Ts контакты прерывателя снова размыкаются, а ключи S2.1 и S2.2 замыкаются. Ключ S2.1 подключает обмотку wl 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 wl катушки зажигания КЗ. Во вторич­ной обмотке w2 катушки индуцируется высокое напряжение, которое через распределитель поступает к свечам зажигания. Затем описанные процессы повторяются. В момент Тв ток в обмотке wl трансформатора достигает задан­ного значения Iр, в момент U накопительный конденсатор снова заряжается. В момент U контакты прерывателя размыкаются .и в свече зажигания проис­ходит искровой разряд.

Между моментами окончания заряда накопительного конденсатора (Тз, U, рис. 6) и моментами, когда конденсатор подключается к катушке зажигания (t5, t8) проходит интервал времени т1. В течение этого времени накопитель­ный конденсатор разряжается через обратные сопротивления диода VI, ключа S2.2 (обычно тиристора) и свое собственное сопротивление изоляции, и напря­жение на нем к моменту искрообразования уменьшается на ДU. На рис. 6 пунктирной линией показан идеальный случай, когда утечек нет.



Чем ниже частота искрообразования и, следовательно, больше период Т и интервал ть 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

Количество электричества, первоначально запасенное в накопительном кон­денсаторе Cl, Q1 = C1U1, где С4 — емкость накопительного конденсатора; U1

— первоначальное напряжение его заряда. Суммарный ток утечки во вторичной цепи обозначим Iут — . Тогда количество электричества, потерянное накопитель­ным конденсатором за время т1=T, будет равно: AQ = IУTT = IyT/F, где F — частота искрообразования.

Количество электричества, оставшееся в накопительном конденсаторе к мо­менту искрообразования, определим выражением Q2 = Q1 — AQ = C1U1 — Iyi/F, а напряжение Иг на накопительном конденсаторе, соответствующее этому ко­личеству электричества, определится как U2 = Q2lC1 = U1 — IyT/(FC1), и, следо­вательно, уменьшение напряжения к моменту искрообразования будет равно AU = IyJ(FC1).

Окончательное выражение для определения допустимого суммарного тока утечки Iут, мА, для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя будет иметь вид

                                                                                                                                                                (7)

где n — частота вращения вала двигателя, об/мин; y= 100AU/U1 — допусти­мое уменьшение напряжения искрообразования при частоте n, %; U1 — пер­воначальное напряжение заряда накопительного конденсатора, В; С1 — емкость накопительного конденсатора, Ф.

В качестве примера определим допустимое значение тока утечки для сле­дующего практического случая: минимальная пусковая частота вращения вала двигателя n= 150 об/мин; емкость накопительного конденсатора C1



— 1 мкФ; первоначальное напряжение на накопительном конденсаторе U1 = 350 В, а до­пустимое его уменьшение у=15% (ДU = 52 В):



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 л= 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 на­вбходимым условием нормальной работы системы является также полный ва­ряд накопительного конденсатора к моменту искровбразовавня при макси­мальной частоте вращения вала двигателя.

Из рис. 6 видно, что время заряда накопительного конденсатора склады­вается из двух фаз — времени т2 нарастания тока в обмотке wl трансформа­тора Т1 и времени t3

непосредственного заряда конденсатора после разрыва «ока. Ввиду того что нарастание тока в обмотке wl начинается одновремен­но с размыканием контактов прерывателя, условие нормальней работы систе­мы с импульсным накоплением для четырехтактного двигателя будет иметь вид

                                                                                                                                             (8)

где Nn — число цилиндров; naaK, — максимальная частота вращения вала дви­гателя.

Сравнение этого условия с (3) показывает, что оно менее жесткое, в в я практике его выпелнение не встречает затруднений.

Процессы, происходящие в момент размыкания контактов прерывателя переключения коммутатора в положение 2, в системе с импульсным накопле-«ием энергии не отличаются от аналогичных процессов в системе с непрерыв­ным накоплением.


Содержание раздела

---