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
где
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
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:
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)
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:
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
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
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
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.
