Универсальное конденсаторно-тиристорное CDI электронное зажигание, оптимизированное по импульсной и пиковой мощности искрового разряда Смирнов Владимир Фёдорович Россия, Тверская обл., г. Кимры E-mail: svfru@ya.ru 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: 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. 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. 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. Ёмкость конденсатора следует увеличить, тогда частота затухающих колебаний LC-контура понизится, а длительность разряда — увеличится. 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. 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 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. 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. Конденсаторная система зажигания. В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 90./Сост. Н. Ф. Назаров. — М.: ДОСААФ, 1985. Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. — М.: Радио и связь, 1984. — 400 с., ил. — (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1076). 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