Wybrane rozwiązania konstrukcyjne układów zapłonowych

Transkrypt

1 RÓŻOWICZ Sebastian 1 Wybrane rozwiązania konstrukcyjne układów zapłonowych WSTĘP Układ zapłonowy silnika spalinowego ma za zadanie zapoczątkować proces spalenia mieszanki paliwowo powietrznej przez wyładowanie elektryczne świecy zapłonowej. Wyładowanie nastąpi, gdy napięcie przyłożone do elektrod świecy zapłonowej spowoduje jonizację gazu w stopniu umożliwiającym przepływ prądu elektrycznego w przestrzeni międzyelektrodowej. Wyładowanie iskrowe składa się z dwóch faz: fazy pojemnościowej - bardzo krótkiego impulsu prądowego o dużym natężeniu, fazy indukcyjnej - długiego wyładowania łukowego o małej wartości natężenia prądu. Przebieg spalania mieszanki w istotny sposób zależy od parametrów wyładowania iskrowego. Napięcie przeskoku między elektrodami świecy zapłonowej zależy od wielu czynników, m.in., od odstępu między elektrodami, kształtu, materiału i stanu powierzchni elektrod, od ciśnienia, temperatury i składu mieszanki oraz od polaryzacji napięcia. Zależność napięcia przeskoku od ciśnienia, temperatury, rodzaju elektrod i odległości między elektrodami opisuje prawo Paschena [1-4]. k a p U 2 p (1) T gdzie: k - współczynnik charakteryzujący pracę wyjścia elektronu zależy od rodzaju i kształtu elektrod, a - odległość między elektrodami, p - ciśnienie w komorze spalania, T - temperatura w komorze silnika. Zależność napięcia przeskoku od ciśnienia pokazano na rysunku 1. Rys.1. Zależność napięcia przebicia od ciśnienia przy różnych temperaturach i stałej odległości elektrod [1]. Przebieg napięcia na elektrodach świecy zapłonowej przy stałej prędkości obrotowej silnika spalinowego przedstawiono na rysunku 2. 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , , s.rozowicz@tu.kielce.pl 9173

2 Rys.2. Wyidealizowany przebieg napięcia na elektrodach świecy zapłonowej [1]. Energia zawarta w wyładowaniu iskrowym jest w przybliżeniu równa energii zgromadzonej w polu magnetycznym lub w pojemności obwodu głównego pomniejszonej o straty powstałe w transformatorze wysokiego napięcia. Dla poprawnej i efektywnej pracy silnika spalinowego koniecznym jest, aby mieszanka posiadała odpowiedni skład. Skład ten określany jest za pomocą współczynnika nadmiaru powietrza jako stosunek ilości powietrza L[kg,m 3 ] zawartego w mieszance do ilości powietrza L 0 [kg,m 3 ] teoretycznie niezbędnej do zupełnego spalenia paliwa zawartego w tej mieszance [3-6]. L (2) L o Współczynnik ten jest równy jedności wtedy, gdy ilość paliwa i powietrza odpowiadają tzw. składowi stechiometrycznemu, a paliwo zawarte w danej ilości powietrza może ulec zupełnemu spaleniu na dwutlenek węgla i parę wodną. Dłuższa składowa indukcyjna umożliwia odparowanie mieszanki, co powoduje odczuwalną poprawę rozruchu i skrócenie czasu nagrzewania silnika. W konsekwencji, wydłużenie czasu trwania wyładowania iskrowego powoduje zwiększenie mocy, zmniejszenie zużycia paliwa i zmniejszenie toksyczności spalin.[8] 1 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE KLASYCZNYCH UKŁADÓW ZAPŁONOWYCH Układy zapłonowe można podzielić na dwie podstawowe grupy: układy z gromadzeniem energii w indukcyjności (klasyczne oraz tranzystorowe), układy z gromadzeniem energii w pojemności (tyrystorowe). Schematy ideowe opisanych powyżej układów przedstawiono na rysunkach 3-5. Rys. 3. Schemat ideowy układu zapłonowego z gromadzeniem energii w indukcyjności (1-tranzystor, 2- akumulator, 3-cewka zapłonowa, 4-przerywacz, 5-rozdzielacz, 6-świece zapłonowe) [1]. 9174

3 Rys. 4. Schemat ideowy układu zapłonowego z gromadzeniem energii w pojemności (1-kondensator, 2- akumulator, 3-przetwornica, 4-przerywacz, 5-tyrystor, 6-cewka zapłonowa, 7-rozdzielacz wysokiego napięcia, 8-świece zapłonowe) [1]. Rys. 5. Schemat ideowy akumulatorowego układu zapłonowego [1]. Cykl przetwarzania napięcia akumulatora w wyładowanie iskrowe składa się z trzech etapów: gromadzenia energii, wytwarzania wysokiego napięcia, przebicia przerwy iskrowej. Po zwarciu styków przerywacza (bloku sterowania) w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej prąd zaczyna narastać według zależności [2]: (4) gdzie: - prąd płynący w obwodzie pierwotnym w stanie ustalonym, tz - czas zwarcia styków, - stała czasowa cewki. Czas zwarcia styków jest określany przez kształt krzywki współpracującej z przerywaczem: (5) gdzie: k- współczynnik zależny od kształtu krzywki, n - prędkość obrotowa wału korbowego, z- liczba cylindrów silnika. Energia zgromadzona w polu magnetycznym cewki zapłonowej o indukcyjności L1 zależna jest od wartości prądu i 1 i wynosi: (6) W klasycznym układzie zapłonowym wartość wysokiego napięcia w istotny sposób zależy od prędkości obrotowej silnika, obciążenia obwodu wtórnego cewki zapłonowej i napięcia zasilania. Ze wzrostem prędkości obrotowej maleje czas zwarcia styków, a tym samym wartość prądu w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej w chwili zwarcia styków przerywacza. Powoduje to znaczne zmniejszenie napięcia wytwarzanego przez układ zapłonowy, co pociąga za sobą zmniejszenie energii wyładowania iskrowego. 9175

4 W układach tranzystorowych elementem sterującym przepływem prądu w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej jest tranzystor, natomiast przerywacz jest tylko elementem sterującym tranzystorem. Zwiększenie prądu płynącego w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej oznacza zwiększenie energii iskry w zakresie niskich prędkości obrotowych. Zmniejszając indukcyjność cewki poprawia się stabilność napięcia w zakresie dużych prędkości obrotowych. Mały prąd płynący przez przerywacz pozwala na przedłużenie żywotności tego elementu i poprawę dokładności sterowania zapłonem. Przy małych prędkościach rozwierania styków nie pojawi się iskrzenie zmniejszające prędkość zapłonu prądu w cewce, dlatego w tranzystorowym układzie zapłonowym nie występuje spadek wysokiego napięcia w zakresie małych prędkości obrotowych. Znacznie lepsze wyniki eksploatacyjne uzyskuje się zastępując przerywacz elementem sterowania bezstykowego. W latach osiemdziesiątych znaczną popularność zdobyły układy kondensatorowe zwane układami tyrystorowymi. Zwiększenie energii wyładowania iskrowego, stałość wysokiego napięcia w całym zakresie prędkości obrotowej silnika, odporność na bocznikowanie świecy oraz korzystna charakterystyka poboru mocy to ich największe zalety. Kondensatorowy układ zapłonowy ma zapewnić dużą stabilność napięcia niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Czas trwania wyładowania iskrowego w zapłonie kondensatorowym jest o rząd wielkości krótszy, niż w układach z indukcyjnością. Energia wyładowania iskrowego skupiona jest głównie w fazie pojemnościowej. Skrócenie fazy indukcyjnej odbija się niekorzystnie na pracy silnika, zwłaszcza w stanach utrudnionego spalania. Wyeliminowanie przerywacza jako elementu sterującego pozwala na ograniczenie toksyczności spalin, zmniejszenie zużycia paliwa oraz wzrost mocy silników poprzez dokładne sterowanie punktem zapłonu. 1.1 Mikroprocesorowe układy zapłonowe. Jednym z najważniejszych zadań przemysłu samochodowego jest poprawa sprawności silnika spalinowego. W tym celu należy uwzględnić znacznie więcej informacji o stanie jego pracy [10]. Ocena wpływu układu zapłonowego na parametry silnika jest zagadnieniem bardzo złożonym. Proces spalania w silniku, a w konsekwencji moc, moment obrotowy, zużycie paliwa i toksyczność spalin zależą od wielu zmiennych. Pomiary i sterowanie procesem spalania mieszanki paliwowopowietrznej zostały znacznie udoskonalone dzięki tzw. "trzeciej rewolucji w elektronice", tzn. zastosowaniu układów mikroprocesorowych. Schemat blokowy mikroprocesorowego systemu sterującego pracą silnika przedstawia rysunek 6. Rys. 6. Schemat poglądowy mikroprocesorowego systemu sterującego pracą silnika. Samochodowy system mikroprocesorowy realizuje następujące funkcje: przetwarza analogowe sygnały z czujników na postać cyfrową i przesyła je do procesora, analizuje na podstawie sygnałów wejściowych stan regulowanego obiektu i posługując się pamięcią określa optymalne wartości sygnałów wyjściowych dla wszystkich funkcji objętych sterowaniem, 9176

5 przetwarza wszystkie wyjściowe sygnały cyfrowe na odpowiednie dla danego elementu wykonawczego wielkości sterujące, Powyższy cykl powtarza z częstotliwością niezbędną do uzyskania prawidłowej pracy regulowanego obiektu. 1.2 Sterowanie bezstykowe układów zapłonowych W skład układu sterowania bezstykowego wchodzi czujnik wytwarzający sygnał elektryczny w punkcie zapłonu oraz układ formujący, przekształcający sygnał z czujnika na impuls zdolny do wysterowania tranzystora mocy lub tyrystora. W układach zapłonowych zostały zastosowane następujące grupy czujników: a) czujniki generacyjne, w których wielkością wyjściową jest siła elektromotoryczna: magnetoindukcyjne w dwóch odmianach: elektrodynamiczne (z wirującym magnesem) i reluktancyjne (ze zmienną szczeliną powietrzną), fotoelektryczne, halotronowe, z efektem Wieganda. b) czujniki parametryczne, w których wielkością wyjściową jest zmiana parametrów obwodu (rezystancji, indukcyjności, indukcyjności wzajemnej): transformatorowe, magnetorezystancyjne. Ze względu na dobre parametry eksploatacyjne najczęściej stosowane są w pojazdach samochodowych czujniki magnetoindukcyjne oraz fotoelektryczne [12]. WNIOSKI Rodzaj układu zapłonowego w sposób istotny wpływa na wartość energii wyładowania iskrowego. Przeprowadzona analiza pozwala na sformułowanie następujących wniosków: negatywną cechą układów zapłonowych z gromadzeniem energii w pojemności jest wrażliwość układu na spadki napięcia zasilania oraz krótki czas wyładowania, zły stan naładowania akumulatora w sposób istotny wpływa na wzrost zawartość toksycznych związków w spalinach w zakresie eksploatacyjnych prędkości obrotowych, wzrost prędkości obrotowej silnika powoduje zmniejszenie energii gromadzonej w cewce zapłonowej, a to jednocześnie zmniejszania energią wyładowania iskrowego, przy podwyższonych prędkościach obrotowych silnika (powyżej 2300obr/min) zawartość węglowodorów i tlenku węgla obniża się do znikomych wartości. Obserwacja tendencji światowych skłania do stwierdzenia, że przyszłość konstrukcji samochodowych jest ściśle powiązana z rozwojem i coraz szerszym stosowaniem techniki mikroprocesorowej do sterowania podstawowymi funkcjami pojazdu. Jej wykorzystanie jest szczególnie ważne w świetle coraz większych wymagań stawianych konstruktorom odnośnie emisji szkodliwych substancji, zmniejszenia zużycia paliwa oraz poprawy bezpieczeństwa i komfortu jazdy. Streszczenie W pracy przedstawiono różne typy rozwiązań konstrukcyjnych układów zapłonowych i ich wpływ na wartość energii wyładowania iskrowego. Pokazano schematy różnych typów klasycznych oraz bezstykowych układów zapłonowych. Omówiono oraz przeprowadzono analizę porównawczą układów. Pokazano proces sterowania w bezstykowych układach zapłonowych oraz przedstawiono poglądowy układ mikroprocesorowy systemu sterującego pracą silnika. Selected construction types of ignition systems Abstract Various types of ignition systems solutions and their impact on the vale of spark ignition has been presented in the paper. Wiring diagram showing the operational model of spark discharge ignition systems together with 9177

6 discussion and comparative analisys of ignition systems has been presented. Ignition systems control process together with diagram of microprocessor engine control system has been presented in the paper. BIBLIOGRAFIA 1. Konopiński M.: Elektrotechnika w technice motoryzacyjnej, WKŁ Pomykalski Z.: Elektrotechnika samochodów, WKŁ Zając P.: Silniki pojazdów samochodowych 1 Podstawy budowy oraz główne zespoły i układy mechaniczne, WKŁ Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych, WKŁ Kubiak P., Zalewski M.: Pracownia diagnostyki pojazdów samochodowych WKŁ Zawadzki A.: Application of local coordinates rectification in linearization of selected parameters of dynamic nonlinear systems. COMPEL - The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering. Vol. 33 Iss: 5, 2014, pp Niziński S.: Eksploatacja obiektów technicznych, ITeE, Radom Dziubiński M.: Badania elektronicznych urządzeń pojazdów samochodowych Wydaw. Naukowe Gabriel Borowski Gad R., Gad S., Pawlak A.: System monitorowania decyzyjnego obiektów technicznych, Technika Transportu Szynowego 10/ Pacholski K.: Elektryczne i elektroniczne wyposażenie pojazdów samochodowych. Część 2. Wyposażenie elektroniczne, WKŁ Schneehage G., tłumacz: Trzeciak K.: Czujniki układu sterowania silnika w praktyce warsztatowej, WKŁ Szulborski A.: Sterowanie silników o zapłonie samoczynnym. WKŁ Warszawa