Мой опыт оптимизации системы зажигания по длительности и энергии электрической искры

Смирнов Владимир Фёдорович, Россия, Тверская обл., г. Кимры, E-mail:svfru@ya.ru‏ ‏ ‏ Web-sait:http://smirnov.ucoz.com/

Из теории двигателей внутреннего сгорания [1] известно, что совершенствованием процессов воспламенения и сгорания топливной смеси, особенно в высокооборотных (форсированных) двигателях, можно добиться улучшения использования внутренней энергии топлива, повысить мощность, надёжность, нагрузочную способность и динамические характеристики двигателя. Сегодня, в свете уже достигнутых знаний то или иное удачное решение кажется само собой разумеющимся, и его суть без особого труда способен ухватить любой желающий. Очень комфортно опереться на чужой опыт, купить готовое электронное зажигание, или повторить разработку, опубликованную в литературе. При этом чётких критериев по выбору длительности и энергии искрового разряда не известно. Опираясь на собственный опыт могу предложить следующее.

Стандартная модель оптимальной длительности разряда. При запуске холодного карбюраторного двигателя на электродах свечей образуется масляно-бензиновая плёнка – жидкий диэлектрик, для пробоя которого требуется повышенное напряжение. После ряда неудачных попыток запуска, например, на "бедной” смеси с выключенным подсосом, или из-за пропусков воспламенения толщина плёнки увеличивается – свечи заливает. Здесь необходимо отметить очень важную роль времени воздействия электрического поля на жидкий диэлектрик. На рис. 1 [2, рис.3.20] представлен график, показывающий, что при времени воздействия более 1 миллисекунды напряжение пробоя резко снижается.

Таким образом, длительность искры более 1 миллисекунды в большинстве систем зажиганий выбрана не случайно, так как это облегчает запуск холодного двигателя. При напряжённости электрического поля, превосходящей предел электрической прочности плёнки жидкого диэлектрика между электродами свечи зажигания, наступает пробой. В данном случае это, прежде всего, процесс разрушения слоя жидкого диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя. Согласно теории пробоя технических электроизоляционных жидкостей [2, с. 83] пробой диэлектриков рассматривается как тепловой – инерционный процесс, в результате которого в слое жидкого диэлектрика образуются газовые или паровые каналы. Паровая и газовая фазы в жидком диэлектрике возникают при нагреве его токами проводимости, повышенные значения которых наблюдаются в наиболее загрязнённых частях диэлектрика. При критических значениях напряжённости электрического поля в газовых и паровых каналах начинает развиваться процесс ударной ионизации газа, завершающийся пробоем.

Когда двигатель прогрет, пленка из жидкого диэлектрика образоваться не может, и миллисекундная длительность искры является избыточной. По мере приближения к температуре кипения жидких диэлектриков, напряжение пробоя резко уменьшается [2, с. 83]. При этом [1, с.121] "Мощный тепловой толчок, вызывающий ускорение процессов, приводящих к образованию очага сгорания, можно осуществить электрическим разрядом между электродами свечи зажигания при напряжении (8–15) 10³В. 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 (1–2) 10^–⁵с.”. Таким образом, при горячем двигателе достаточна длительность искры, начиная от 10 микросекунд.

Критика длительности искры. С ростом числа оборотов длительность искры обычного и транзисторного зажиганий остаётся почти неизменной. При числе оборотов двухтактного двигателя 6000 об/мин = 100 об/сек. один оборот будет происходить за 10 миллисекунд. Легко посчитать, что искровому разряду, длительностью в 1 миллисекунду, соответствуют 36°. Это превосходит угол опережения зажигания, например в 29°, занимая ещё 7° фазы быстрого сгорания. Таким образом, длительный искровой разряд на высоких оборотах превосходит задержку воспламенения, заходя в фазу быстрого сгорания. Воспламеняющая способность столь длительного искрового разряда на высоких оборотах оказывается недопустимо низкой, ведь его энергия "размазана" во времени, и нельзя с уверенностью сказать: в какой момент на протяжении 36° произойдёт воспламенение. Зажигание не должно быть вероятностным!!!

Очевидно, что вся энергия электрического разряда должна быть сосредоточена в его начальном моменте, представляя собой очень мощную и короткую по времени искру. Стандартная модель оптимальной длительности разряда (рис.1) такую возможность предоставляет — указывая на использование малых длительностей – от 10 микросекунд.

При этом вероятность уноса искры турбулентностью сжимаемой топливной смеси близка к нулю. Например, в плазменно-взрывном зажигании (в конденсаторном электронном зажигании параллельно каждой свече включена ёмкость более 100 pF x 30 kV или формирующая цепь) между электродами свечей создаётся плазма высокой плотности и температуры. Такая плазма начинает немедленно расширяться в пространстве, превращаясь из шнура в шар. При этом взрыв плазмы также сопровождается ударной акустической волной, дробящей крупные капли топлива, и ультрафиолетовым ионизирующим излучением, роль которого при пробое исключительно велика. В результате, формируется исключительно мощный очаг первоначального сгорания, который с высокой скоростью внедряется в ионизированную мелкодисперсионную топливную смесь, легко воспламеняя её в большом объёме.

Предельные значения длительности и энергии искрового разряда. В 90-е я испытал чрезвычайное мощное зажигание на "классике" третьей модели. Ёмкость разрядного конденсатора была 8 микрофарад. На низких оборотах напряжение на нём достигало 600 В. Машина легко заводилась на любом морозе, ведь энергия искры и её длительность увеличились до рекордных значений. На средних и высоких оборотах половина ёмкости автоматически отключалась, а напряжение заряда достигало 400 В. На испытательном стенде (до установки на машину) зажигание безупречно работало, все параметры соблюдались до 5500 об/мин, однако на машине мотор не развивал обороты. Установить причину данного явления помогло то, чтоя вспомнил, как на стенде во время испытаний шёл дым от электродов свечей. Длительный и очень мощный искровой разряд разогревал электроды свечей так сильно, что уже в начале средних оборотов возникало калильное зажигание.(До этого я столкнулся с феноменом ограничения скорости в 150 км/час на "восьмёрке " с другим – менее мощным зажиганием, где ёмкость была 2 микрофарады, а напряжение 350 В. Тогда я не смог додуматься до истины и понапрасну забраковал отличное зажигание)

Необходимо заметить, что сверхмощное зажигание может быть применено в качестве последнего средства, позволяющего резко снизить вредные выбросы на авто с изношенными двигателями. Во время техосмотра был поставлен эксперимент. Владельцу " пятёрки», не прошедшей по СО, я предложил поставить моё зажигание. Вторичная проверка показала резкое снижение уровня СО – ниже нормы.

Таким образом, одной из причин ограничения высоких оборотов (скорости) может быть избыточная энергия искрового разряда, вызывающая перегрев электродов свечей и калильное зажигание.

Постулаты:

При запуске необходима мощная искра, длительностью не менее 1 миллисекунды;

Когда двигатель прогрет, длительная искра вредна. Она не позволяет развить высокие обороты и мощность. На высоких оборотах достаточна искра длительностью от 10 микросекунд. Её энергия должна быть максимально возможной, но не вызывать эффекта калильного зажигания.



Л И Т Е Р А Т У Р А

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.

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.