|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 51-100---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 101-150
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 151-200
Усовершенствование конденсаторной системы зажигания.
В. Верютин
Конденсаторные системы зажигания известны уже более 10 лет. Однако их первые конструкции имели существенные недостатки (незначительный КПД, большие габариты и пр.). Система зажигания, ставшая уже классической, изображена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема «классической» системы зажигания
Она содержит преобразователь низкого напряжения бортовой сети (6 или 12 В) в более высокое (300—400 В), накопительный конденсатор С1, тринистор Д1, включенный параллельно выходу преобразователя, и блок управления. Закрытый тринистор не пропускает тока, и конденсатор С1 заряжается до максимального напряжения. В момент t1
Рис. 2. Эпюры напряжений на катушке зажигания (Uкз) и левой обкладке накопительного конденсатора (Uc1) для «классической» системы
(рис. 2) размыкаются контакты прерывателя К1 и блок управления открывает тринистор, в результате чего конденсатор подключается к первичной обмотке катушки зажигания КЗ1. Во вторичной обмотке катушки зажигания индуцируется импульс высокого напряжения, и в свече зажигания проскакивает искра.
Первичная обмотка катушки зажигания с конденсатором С1 образуют контур с затухающими колебаниями: в момент t2 напряжение на первичной обмотке достигает значения U2 обратного знака, а сила тока в контуре становится равной нулю. В следующем полупериоде ток будет проходить через диоды выпрямителя преобразователя, тринистор отключается. В момент t3 сила тока опять станет равной нулю, а напряжение Uc1 левой (по схеме) обкладки конденсатора скачкообразно повысится до U'2, причем его полярность совпадет с первоначальной. Поэтому дальнейший заряд конденсатора начнется не с нуля, а с напряжения U'2. Его величина зависит от добротности колебательного контура. В реальном устройстве с напряжением U1 = 300 В, тринистором КУ201Л и катушкой зажигания Б115 напряжение U2 =(0,3—0,7)U1, U'2= (0,2—0,5) U1. Большой разброс величин объясняется сильной зависимостью добротности колебательного контура от воздушного зазора свечи, подключенной ко вторичной обмотке катушки зажигания. Скорость скачкообразного нарастания напряжения U'2 на аноде тринистора должна быть меньше указанной в его паспорте, иначе тринистор опять откроется, и колебательный процесс будет продолжаться до тех пор, пока скорость нарастания напряжения на аноде не станет меньше критической. Скорость нарастания зависит в основном от частотных свойств выпрямительных диодов преобразователя. Например, с диодами Д226 повторного срабатывания тринистора не происходит, а с диодами КД202, имеющими большую рабочую частоту, он остается открытым на протяжении двух-трех периодов колебательного процесса, что значительно снижает КПД системы и максимально возможную частоту искрообразования.
После момента t3 вновь происходит заряд конденсатора от преобразователя напряжения. Этот процесс можно уподобить заряду через резистор, поэтому КПД зарядной цепи не может быть более 50%. Значит, примерно половина мощности, потребляемой преобразователем, будет выделяться на транзисторах преобразователя, вследствие чего они должны иметь повышенную допустимую мощность рассеяния.
Подсчитаем мощность, необходимую для полного заряда накопительного конденсатора при максимальной частоте вращения вала четырехтактного четырехцилиндрового двигателя (6000 об/мин). За один оборот вала двигателя горючая смесь поджигается в двух цилиндрах, поэтому частота заряда будет равна f = 200 Гц. Для надежного зажигания смеси необходимо, чтобы энергия, накопленная в конденсаторе, была около 0,1 Дж, поэтому при напряжении, равном 300 В, его емкость должна быть около 2 мкФ. Учитывая то, что конденсатор заряжается не с нуля, а с напряжения U'2=100 В, энергия W, требуемая для заряда до 300 В, будет равна
Мощность, потребляемая от источника питания при идеальной зарядной цепи, подсчитывается по формуле
P=W*f=16В*А
Значит, потребляемая мощность будет около 32 В*А.
На рис. 3 представлена схема конденсаторной системы зажигания, у которой зарядная цепь близка к
идеальной (КПД — равен 90%).
Рис. 3. Принципиальная схема системы зажигания с дросселем
Это достигнуто применением дросселя Др1. Система работает без срывов генерации преобразователя, поэтому мощность, выделяемая на транзисторах преобразователя, мала и не превышает 3 В*А. Принципиально работа системы возможна при условии, что индуктивность дросселя в 10—20 раз больше индуктивности первичной обмотки катушки зажигания. Отличие процесса заряда-разряда заключается (рис. 4) в том, что после момента времени t3 конденсатор С1 заряжается посредством резонансного разряда через дроссель от конденсатора С2.
Рис. 4. Эпюра напряжения на накопительном конденсаторе для системы с дросселем
Диод Д2 (см. рис. 3) необходим для прерывания колебательного процесса в момент, когда конденсатор С1 зарядится до максимального напряжения. Стабилитрон Д4 и диод Д5 служат для ограничения напряжения на конденсаторе С1 до 300 В.
Если считать, что заряд идет без потерь, U1 может быть определено из простого соотношения
В установившемся режиме, т. е. после некоторого количества циклов искрообразования, напряжение U3 должно достигнуть 300 В, a U'2 — 100 В, следовательно
U1=(300+100)/2=200 В
Таким образом, выходное напряжение преобразователя должно быть около 200 В.
Мощность, потребляемая от источника питания, была найдена экспериментально перемножением напряжения U1 на среднюю силу тока в цепи. При частоте искрообразования f = 200 Гц, емкости конденсатора С2 =2 мкФ и катушке зажигания типа Б115 с воздушным зазором во вторичной обмотке 4 мм сила тока в цепи достигала 65 мА, а мощность составила 13 В*А.
Следует отметить, что диод Д3 не должен быть высокочастотным, так как в этом случае в момент t3 скорость нарастания напряжения на аноде тринистора может превысить максимально допустимое значение, тринистор опять откроется и уже не сможет выключиться вследствие значительной силы тока через дроссель.
Устройство, собранное по схеме рис. 3, можно выполнить и без диода Д3. Эпюра напряжения на конденсаторе показана для этого случая на рис. 5.
Рис 5. Эпюра напряжения на накопительном конденсаторе для системы без диода Д3
К моменту t2 сила тока через первичную обмотку катушки зажигания становится равной нулю, а напряжение на аноде тринистора скачкообразно изменяется до величины U2 (обратного для тринистора знака). С этого же момента начинается резонансный перезаряд конденсатора С1 через дроссель Др1 с напряжения U2 до напряжения U3.
Это устройство позволяет достичь напряжения 300 В на конденсаторе С1 при напряжении преобразователя, равном 70 В, т. е. почти в три раза меньшем напряжения преобразователя в предыдущем варианте. Сила тока в цепи при условиях, аналогичных условиям предыдущего примера, оказалась равной 0,17 А, отсюда мощность Р = 12 В*А, т. е. примерно такая же, как и в предыдущем случае.
Система зажигания, приведенная на рис. 3, имеет значительно более высокий КПД по сравнению с «классической», однако время заряда накопительного конденсатора остается примерно таким же.
На рис. 6 изображена схема системы зажигания, у которой время заряда накопительного конденсатора значительно меньше, а КПД —такой же высокий, как и у системы, приведенной на рис. 3.
Рис. 6. Принципиальная схема системы зажигания с уменьшенным временем заряда накопительного конденсатора
Проследим ее работу По эпюре напряжения (рис. 7).
Рис 7 Эпюра напряжения на накопительном конденсаторе для системы с уменьшенным временем заряда
Пусть к моменту прихода запускающего импульса от блока управления напряжение на конденсаторе С1 равно U1. С приходом запускающего импульса в момент t1 открывается тринистор Д1, который соединяет первичную обмотку катушки зажигания с конденсатором. Происходит его резонансный перезаряд до напряжения U2 обратного знака. В момент t2 напряжение на катоде тринистора Д1 скачкообразно изменяется до U2, являющегося обратным для тринистора.
Тем самым к управляющему электроду тринистора Д2 через диод Д3 и резистор R1 прикладывается напряжение U2. В результате тринистор Д2 открывается и подключает накопительный конденсатор к дросселю Др1. Далее следует резонансный перезаряд конденсатора С1 с напряжения U2 до напряжения U3. Индуктивность дросселя берется в этом случае равной по величине индуктивности первичной обмотки катушки зажигания. Напряжение преобразователя U1 и потребляемая мощность такие же, как и в системе зажигания, приведенной на рис. 3 (без диода Д3).
Если применить в данной системе вместо дросселя вторую катушку зажигания, высоковольтный провод которой подключен к другой свече в том же цилиндре, то можно получить систему с двойным искрообразованием. В момент подхода поршня к верхней мертвой точке в камере сгорания образуются две следующие одна за другой искры с промежутком времени, зависящим от емкости накопительного конденсатора и типа катушки зажигания. С емкостью 2 мкФ и катушкой зажигания типа Б115 этот интервал равен 500 мкс. Двойное искрообразованне, как показывает практика, облегчает пуск двигателя, а также обеспечивает более полное сгорание горючей смеси, что уменьшает расход топлива.
Максимально возможная частота искрообразоаания у такой системы зажигания может достигать 1 кГц и более, т. е. такая система зажигания с успехом может обслуживать восьмицилиндровый четырехтактный двигатель с максимальной частотой вращения 12 тыс. об/мин.
Еще более высокую частоту искрообразования можно получить от системы зажигания с двумя катушками зажигания, каждая из которых имеет свой прерыватель. Схема данной системы приведена на рис. 8.
Рис. 8. Принципиальная схема системы зажигания с двумя катушками
Устройство можно устанавливать на двухцилиндровых высокооборотных двигателях, а также на двухцилиндровых двигателях мотоциклов «Ява-350», «Иж-Юпитер» и др. Здесь каждый цилиндр обслуживается своими катушкой зажигания, блоком управления и прерывателем. Система работает так, что при искрообразовании в одном цилиндре накопительный конденсатор автоматически перезаряжается до напряжения, необходимого для искрообразования в другом цилиндре. На рис. 9 показана эпюра напряжения на обкладке накопительного конденсатора для системы с двумя катушками зажигания.
Рис. 9. Эпюра напряжения на накопительном конденсаторе для системы с двумя катушками зажигания
Видно, что время разряда конденсатора через первичную обмотку одной из катушек одновременно является временем заряда конденсатора для другой катушки.
Максимальная частота искрообразования с емкостью накопительного конденсатора, равной 2 мкФ, и катушкой зажигания Б115 составляет примерно 2 кГц.
В заключение следует сказать, что подобные устройства можно использовать не только как системы зажигания, но и как источники высокого напряжения для различных приборов.
ЛИТЕРАТУРА
Боровских Ю. И. Электрооборудование автомобилей. М., Транспорт, 1971.
Верютин В. И. Система зажигания. Авт. свидетельство № 487244, «Бюллетень изобретений», 1975, № 37.
Моргулев А. С, Сонин Е. К. Полупроводниковые системы зажигания. М., Энергия, 1972.
|
