Теория батарейного зажигания

Рабочий процесс образования одного искрового разряда в системе батарейного зажигания может быть условной разделен на три этапа:

Нарастание первичного тока после замыкания первичной цепи;

Размыкание первичной цепи и возникновение ЭДС высокого напряжения во вторичной обмотке;

Пробой искрового промежутка свечи.

Рассмотрим рабочий процесс на примере классической системы зажигания.

4.2.1. Первый этап. Нарастание первичного тока после замыкания

первичной цепи

Рис.4.1. Принципиальная схема классической системы зажигания:

1- катушка зажигания; 2 – кулачок: 3 – прерыватель-распределитель;

4 – ротор; 5 – свечи зажигания; R_д – добавочный резистор; ВЗ – выключатель зажигания; К – контакты прерывателя; С – конденсатор

При замыкании контактов прерывателя ток в первичной цепи возрастает от нуля до предельного значения, определяемого электрическим сопротивлением цепи. Вторичную цепь в этот период можно считать разомкнутой. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции в первичной обмотке катушки зажигания направлена против ЭДС батареи и замедляет процесс нарастания тока. Для периода нарастания первичного тока справедливо уравнение (согласно второму закону Кирхгофа)

U_б + e_L = i₁ R₁, (4.1)

где e_L- ЭДС самоиндукции; i₁ – ток в первичной обмотке; R₁ – активное сопротивление первичной обмотки. В дифференциальной форме уравнение имеет вид

U_б – L₁ = i₁ R₁, (4.2)

где L₁ – индуктивность первичной обмотки; - скорость нарастания тока в первичной цепи.

Решая это дифференциальное уравнение (опуская промежуточные преобразования), находим

, (4.3)

где t –время замкнутого состояния первичной цепи; - постоянная времени первичной цепи.

Итак, при замыкании первичной цепи ток нарастает по экспоненте, стремясь к установившемуся значению I_уст = , рис.4.2.

Рис.4.2. Изменение первичного тока при работе прерывателя

Задаваясь граничными условиями t = 0 (момент замыкания первичной цепи) и t = ¥ (установившийся ток), получим:

(4,4)

Из соотношений 4.4. видно, что скорость нарастания первичного тока зависит от величины напряжения аккумуляторно й батареи и индуктивности первичной цепи. Эта скорость имеет наибольшее значение в момент замыкания первичной цепи.

Минимальная величина скорости нарастания тока никогда не уменьшается до нуля, так как за время нахождения цепи в замкнутом состоянии процесс нарастания тока не успевает установиться и скорость будет больше нуля.

Максимальная величина тока первичной обмотки ( ток размыкания или ток разрыва i_р, рис.4.2.) зависит от времени замкнутого состояния первичной цепи.

4.2.2. Второй этап – размыкание первичной цепи и возникновение

ЭДС высокого напряжения во вторичной обмотке

После размыкания первичной цепи ток в ней и созданный им магнитный поток за короткий промежуток времени исчезают. При этом во вторичной обмотке катушки зажигания наводится напряжение равное 20 – 25 кВ. Величина вторичного напряжения зависит о т величины тока размыкания, коэффициента трансформации, индуктивности первичной обмотки, емкости /обеих цепей и величины шунтирующих сопротивлений на свечах. Шунтирующие сопротивления образуются за счет отложений на изоляторе свечи. Эти отложения обладают электропроводностью и шунтируют искровой промежуток свечи, вызывая уточку тока. При этом вторичное напряжение уменьшается.

Для определения зависимости вторичного напряжения от указанных параметров рассмотрим энергетический баланс катушки зажигания.

Электромагнитная энергия в момент размыкания первичной цепи, накопленная в магнитной системе, буде равна:

(4.5)

Эта энергия преобразуется в электростатическую энергию, которая накапливается в конденсаторе С₁ и емкости С₂ вторичной цепи и частичное преобразуется в тепловые потери. Таким образом, уравнение энергетического баланса в момент размыкания первичной цепи можно написать в виде:

(4.6)

где ; w₁ и w₂ – соответственно число витков первичной и вторичной обмоток; А – тепловые потери.

После преобразований, которые мы опускаем, получим

, (4.7)

где С₁ – емкость конденсатора; С₂ – емкость вторичной цепи; h = 0,75 – 0,85 – коэффициент, учитывающий уменьшение вторичного напряжения вследствие тепловых потерь в обоих контурах.

Из формулы 4.7. видно, что на величину вторичного напряжения влияют не только индуктивность и емкость конденсатора, но и емкость вторичной цепи. Емкость С₂ определяется длиной и расположением высоковольтных проводов, емкостью свечи зажигания, емкостью катушки и не может быть менее 40 – 75 пФ. Кроме того, экранирование, которое применяется для снижения уровня радиопомех, увеличивает С₂ и значительно снижает вторичное напряжение.

Из формулы видно также, что напряжение можно повысить, увеличив индуктивность первичной обмотки катушки зажигания или увеличив ток размыкания. Однако увеличение индуктивности снижает величину тока размыкания.

4.2.3. Третий этап – пробой искрового промежутка свечи

Как только вторичное напряжение достигает значения, достаточного для пробоя искрового промежутка между электродами свечи, происходит электрический разряд, рис.4.3. Этот разряд имеет две составляющие: емкостную и индуктивную.

Емкостная составляющая представляет собой разряд энергии, накопленной во вторичной цепи. Этот рязряд характеризуется быстроисчезающей искрой голубоватого цвета. Емкостный разряд сопровождается резким падением напряжения, возрастанием тока и специфическим треском.

Поскольку искровой разряд происходит раньше, чем вторичное напряжение достигнет своего максимального значения, то на емкостный разряд расходуется лишь часть магнитной энергии, накопленной в сердечнике катушки зажигания.

Оставшаяся часть энергии выделяется в виде индуктивного разряда. Ток индуктивной части составляет 80 – 100 мА. Напряжение между электродами свечи понижается. Продолжительность этой части разряда на 2 – 3 порядка выше, чем емкостного разряда. Цвет искры имеет бледный фиолетово-желтый цвет.

Рис. 4.3 Изменение напряжения искрового разряда: а – емкостная фаза разряда; б – индуктивная фаза разряда