Плазменное зажигание для четырехтактных ДВС
Большой интерес читателей вызвала статья Г. Морозова «Прогрессивные системы зажигания», опубликованная в «КиЯ» №113. Редакция получила много писем читателей, содержащих просьбу опубликовать конкретные схемы, в частности высокоэффективного плазменного зажигания, в которых бы использовались доступные у нас элементы электроники и которые можно было бы применить на отечественных подвесных моторах и стационарных двигателях.
Этот интерес вполне объясним, так как двигатели, оборудованные плазменной системой зажигания, могут работать на обедненной топливной смеси при соотношении 19,5 весовых частей воздуха на 1 часть топлива. Это обеспечивает экономию горючего до 17%, существенно облегчается запуск холодного двигателя, который возможен при небольшом прикрытии дроссельной заслонки.
Автор предлагаемой ниже статьи разработал и испытал плазменную систему на четырехтактном автомобильном двигателе. Его опыт, без сомнения, будет полезен владельцам катеров, работающих над повышением надежности и экономичности двигателей. А вот об использовании подобной системы на подвесных моторах редакция пока информации не имеет и с признательностью примет к публикации материалы о работах в этой области, выполненных любителями-водномоторниками.
Работа двигателя на судне специфична. Характерны повышенная влажность, вибрации, ограниченный запас топлива. Поэтому увеличение надежности, экономичности и экологической чистоты двигателя являются первоочередными задачами конструкторов двигателей внутреннего сгорания.
Снижения расхода топлива, уменьшения содержания вредных веществ в отработавших газах, повышения крутящего момента ДВС можно достигнуть при использовании плазменного зажигания. Отличительное свойство его заключается в том, что на свече помимо поджигающей искры образуется постоянная дуга, действующая в течение 30—40° угла поворота коленчатого вала двигателя. При этом на сжигание рабочей смеси затрачивается до 120 мДж энергии, что значительно больше, чем при обычном электрическом искровом разряде. В камере сгорания образуется большая поверхность воспламенения, фронт подожженной смеси сильно возрастает. Это происходит потому, что, в отличие от батарейной или обычной электронной систем зажигания, во вторичном контуре плазменного зажигания действует постоянное напряжение до 3000 В, которое и образует плазму. В момент разряда между электродами свечи возникает обычная искра, сопротивление искрового промежутка резко уменьшается и постоянное напряжение 3 кВ образует постоянную электрическую дугу, зажженную в момент первичного электрического разряда; для поддержания дуги достаточно напряжения 900 В.
Предлагаемый принцип «искра + плазма» в описываемой ниже системе зажигания реализуется не полностью, а только в диапазоне средних и больших частот вращения коленвала — от 1500 до 6000 об/мин Этого вполне достаточно, чтобы воспользоваться преимуществами плазменного зажигания. Длительность горения дуги выбрана 2—2,4 мс.
Чтобы осуществить плазменное зажигание на более низких оборотах, дуга должна гореть в течение 5 мс. Однако этого сделать нельзя, так как стандартная катушка зажигания Б117А сгорит от перегрева, а электрическая эрозия свечей увеличится во много раз за счет длительного горения дуги.
Блок-схема плазменного зажигания представляет собой конденсаторно-тиристорную электронную схему искрообразования с транзисторным блоком для длительного поддержания плазмы дуги (рис. 1). На рис. 2 показана принципиальная схема устройства, а на рис. 3 приведены временные диаграммы действующих в схеме напряжений.
Система работает следующим образом. Первая фаза разряда в свече такая же, как и в конденсаторно-тиристорных системах с импульсным накоплением энергии (см. рис. 3, осциллограмму Ж). Вторая, основная, фаза (длится 2—2,3 мс) характерна протеканием линейно возрастающего тока через первичную обмотку катушки зажигания, которая через открытый диод VD5 и ключ VT4-подключается непосредственно к источнику питания. Линейно увеличивающийся характер тока обеспечивается величиной индуктивности обмотки трансформатора Тр1 (см. рис. 2). В этот момент и возникает напряжение 3 кВ на свече. Когда контакты прерывателя будут замкнуты, транзистор VT1 откроется базовым током, стабилизированным диодами VD6, VD7. Время-задающий конденсатор С9 заряжен через открытый транзистор VT1 и резистор R11 до стабильного напряжения 4,7 В, VT2 закрыт — это определяет начальное устойчивое состояние ждущего мультивибратора. Цепь запуска R1, C1, R2, R4, R7, VD1, VD12 имеет задержку 1 мс, что вполне достаточно для нормальной работы схемы, так как процесс замыкания контактов длится около 0,7 мс. При размыкании контактов VD2 открывается, напряжение на базе VT1 уменьшается и 177 закрывается, мультивибратор переходит в другое состояние, VT2 открывается, на сопротивлениях R13, R9 возникает запускающий импульс для тиристора VD2, который поступает через С6, тиристор открывается. В этот же момент напряжением на R9 открывается VТ3, а вслед за ним и VT4.
Далее протекают процессы, суть которых описана выше. Конденсатор С2 подсоединяется к первичной обмотке катушки зажигания и разряжается через нее, во вторичной цепи наводится импульс амплитудой не менее 20 кВ с крутым передним фронтом (см. осциллограмму 3). Скорость нарастания напряжения — не менее 700 В/мкс; при такой скорости сопротивление нагара на свечах не оказывает никакого влияния на работу зажигания.
Через 100 мкс напряжение на С2 уменьшается до 28 В — с этого момента открывается VD5 и катушка зажигания через обмотку III Тр.1 и VT4 подсоединяется к источнику питания. В ней возникает линейно нарастающий ток, а во вторичной цепи наводится ЭДС с амплитудой 2,5 кВ, которая удерживает зажженную плазму дуги. В это время Тр.1 накапливает энергию до того момента, пока не закроется VT4. Через установленное время 2—2,4 мс ждущий мультивибратор скачком перейдет в исходное устойчивое состояние. Напряжение на С9 уменьшается до уровня закрытия транзисторов VT1, VT2, а за ними VT3 и VT4 тоже закрываются. Ток в обмотках Тр.1 резко падает, напряжение самоиндукции на обмотке I через диоды VD3, VD4 зарядит конденсатор С2 до 350 В. При очередном размыкании контактов процесс повторяется.
Защиту схемы от помех обеспечивает фильтр Др.1, С8, С7 и стабилитрон VD13.
При выходе из строя электронного блока можно перейти на батарейный вариант зажигания, переключив тумблеры. Далее, отсоединив ШР1, снимают электронный блок на ремонт, блок коммутации остается с двигателем.
Напряжение на накопительном конденсаторе и ток, потребляемый устройством, в зависимости от частоты искрообразования показаны на рис. 4. Зависимость напряжения на накопительном конденсаторе от величины питающего напряжения представлена на рис. 5.
Система зажигания собрана в герметичном металлическом корпусе. Основная часть схемы собрана на двух печатных платах. Трансформатор Тр.1, накопительный конденсатор С2, фильтр установлены в корпусе; транзистор V14 — на корпусе. Блок перехода на батарейное зажигание собран в небольшой пластмассовой коробке, оба блока соединены между собой кабелем с разъемом типа ШР20П4. Конденсатор С2 — типа МБГЧ или МБГО, другие типы не подойдут, т. к. С2 работает в тяжелых условиях до 200 циклов заряд-разряд в секунду. Транзисторы VT1, VT2 могут быть заменены на КТ361 при условии, что будет применен тиристор КУ221А, Б, В; VT3 можно заменить на КТ817, VT4 — на ГТ806А, Б, но при этом параметры схемы ухудшатся. Можно включать два транзистора ГТ806 параллельно, подобрав близкие параметры. Тиристор КУ221 можно заменить КУ109А, Б, В или КУ202Н. Последний необходимо подобрать по току утечки. Замена диодов: КД202Р на КД202С, Д816В на KC531B.
Переключатель систем зажигания составлен из двух тумблеров ТВ1-4. Печатные платы (рис. 6 и 7) изготовлены из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Соединительные проводники цепей питания и катушки зажигания, транзистора VT4. II, III, IV обмоток трансформатора должны быть сечением 1,5 мм 2 .
Трансформатор Тр.1 намотан на сердечнике типа ШЛ сечением около 6 см 2 . В данной конструкции применен сердечник ШЛ 20X25 мм. Трансформатор собран с воздушным зазором 0,35 мм. Обмотки наматываются в порядке нумерации с изоляцией между слоями и обмотками.
Обмотка I имеет 880 витков провода ПЭВ-2 ∅0,2; II — 43 витка ПЭВ-2 ∅1,5; III — 43 витка ПЭВ-2, ∅1,0; IV — 3 витка ПЭВ-2, ∅0,5.
После намотки катушку трансформатора пропитывают в смеси из 50% парафина и 50% воска или же эпоксидным компаундом. Начало и конец каждой обмотки лучше всего пометить цветными трубочками и распаять на планку. При монтаже перепутывание выводов обмоток недопустимо Воздушный зазор устанавливается кусочками прессшпана толщиной 0,4 мм, после сборки и обжатия зазор устанавливается 0,35 мм.
Дроссель наматывается на броневом сердечнике СБ-5 проводом ПЭВ-2, ∅1,0 до заполнения (примерно 40 витков).
Правильно изготовленный и спаянный без ошибок блок работает без регулировки. Длительность искры устанавливается подбором резистора R10: 22 кОм соответствует 2 мс, 26 кОм — 2,4 мс. Для проверки величины и формы диаграммы напряжения подрегулировки блока предлагается схема рис. 8.
После установки блока плазменного зажигания на двигатель «ВАЗ» зазор между электродами свечей необходимо увеличить до 0,7—0,8 мм, что положительно скажется на работе двигателя на холостом ходу.
Было изготовлено три таких блока, причем один из них работает на катере. Холодный пуск двигателя осуществляется очень легко, без отказов. Два других блока установлены на автомобилях. Для экономии топлива в карбюраторах ДААЗ 2105, 2107 диаметры главных воздушных жиклеров необходимо увеличить с 1,7 до 1,9 мм (0,5) и с 1,5 до 1,7 (0,7). После этого следует отрегулировать обороты холостого хода. С обеднением смеси двигатель не теряет своих характеристик, а крутящий момент даже возрастает на 5%.
В судовом двигателе с плазменным зажиганием экономится 0,7 литра бензина за час работы. Экономия бензина на автомобиле составляет до 1,2 л при движении по шоссе со скоростью 90 км/ч. Плазменное зажигание было применено только на двигателях «ВАЗ», на других типах не испытывалось. Следует заметить, что катушка Б-115В будет работать хуже, чем Б117А из-за добавочного сопротивления, которое сильно греется и уменьшает линейно нарастающий ток. При применении плазменного зажигания на бензиновых двигателях других типов рекомендуется катушку зажигания заменять на Б117А.
Регулировка подачи искры в течение 30—40° поворота коленчатого вала двигателя осуществляется доработкой токораспределителя (см. рис. 9).
Описанная система может быть повторена радиолюбителями средней квалификации. Но есть определенные трудности. Например, отечественные свечи с данной системой работают только половину своего моторесурса — выгорают электроды. Хорошие результаты дают свечи фирмы «Бош» W175T30 или «Чемпион» (США) № 194, работающие очень стабильно. Смесь при плазменном способе горит быстрее детонации даже при разбавлении высокооктанового бензина низкооктановым, но необходимо момент зажигания корректировать в сторону уменьшения +1—3° (подбирается опытным путем). Вредные выбросы на двигателях «ВАЗ» уменьшились: СН в два раза, СО с 1,5 до 1%.
Литература
Поправки к статье
В этой статье при подготовке к печати допущены некоторые неточности:
- диод VD12 типа Д219;
- катод VD2 соединен на печатной плате с плюсом (+) питания навесным проводником;
- R9 на печатной плате показан ошибочно два раза;
- правильные надписи к фрагменту печатной платы (верхний правый угол) указаны на публикуемом эскизе.
Попутно заметим, что катушка зажигания — стандартная типа Б-117А. Приводим схему ее подключения.
Отклик на статью
Автор статьи «Плазменное зажигание для четырехтактных ДВС» утверждает, что идея такого зажигания «искра + плазма» эквивалентна идее, опубликованной в «КиЯ» №113, суть технического решения которой сводится к предварительной ионизации горючей смеси в межэлектродном пространстве и последующем поджиге этой смеси, т. е. «плазма + искра».
Таким образом, речь идет о двух принципиально различных способах создания плазмы. Способ поджига смеси, реализованный автором, достаточно подробно описан в книге: «Автомобильные электронные системы зажигания», Г. Н. Глейзер и др., М., «Машиностроение», 1977 г. Схемы, реализующие указанный способ, описываются в журналах «Радио» с середины 80-х годов, последняя в «Радио» № 1 за 1990 г. (стр. 31).
Согласно приведенной книге, длительность «индуктивной фазы» искрового разряда делать более 2 мс и подводить к свече энергию более 15 мДж нецелесообразно, т. к. существенного выигрыша не получается.
С технической точки зрения фраза: «смесь при плазменном способе горит быстрее детонации» неграмотна (см. «Советский энциклопедический словарь», стр. 380. М., «Сов. энциклопедия», 1988 г.).
Считаю, что предложенная В. Драчевским схема не реализует способа «плазменного зажигания», о котором шла речь в «КиЯ» №113.
Данная схема снижает надежность ДВС в целом в связи с неоправданным превышением номинальных режимов работы свечей, высоковольтных проводов, распределителя и бобины. При этом примерно в 10 раз возрастает потребляемая (бесполезно) системой зажигания мощность.
Журнал «За рулем» однажды опубликовал сообщение, что в связи с недостаточно высоким техническим уровнем читателей редакция считает невозможным публиковать какие бы то ни было схемы электронного зажигания. Я не призываю редакцию к таким кардинальным мерам, но считаю целесообразным публиковать рецензии экспертов на подобные материалы непрофильного для «КиЯ» характера или же разные точки зрения специалистов на рассматриваемые проблемы.
Источник
Система зажигания с новым способом воспламенения
Система зажигания с новым способом воспламенения
Проблема загрязнения окружающей среды, возникшая вместе с цивилизацией и обостряющаяся по мере ее развития, требует в настоящее время все большего внимания. Обусловлено это тем, что человечество продолжает использовать в качестве энергоносителей наиболее доступные и дешевые источники, т.е. углеводородное топливо. В последнее время стало ясно, что наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят автомобили. Особенно это касается больших городов. Помимо относительно безвредного углекислого газа (парниковый эффект пока не считаем), двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу целый ряд химических соединений, наличие которых в выхлопных газах не поддается контролю используемыми в настоящее время газоанализаторами. Ведь камера сгорания двигателя — это высокотемпературный химический реактор, заправленный такими реагентами как азот, углерод, водород, свинец, кислород, сера и другие. За рубежом получили широкое распространение каталитические нейтрализаторы, использующие свойство металлов платиновой группы (платина, родий, палладий и т.д.) способствовать доокислению (дожигу) в выхлопной трубе всего того, что не успело сгореть в камере сгорания. Правда, они недолговечны, а стоят достаточно дорого (порядка 10% стоимости автомобиля). Но остается открытым вопрос, что делать с нашим не очень «молодым» парком автомобилей, который будет еще эксплуатироваться непонятно сколько. Из создавшейся ситуации возможен следующий выход. Нужно разработать такую систему зажигания, которая способна по возможности сжечь все в камере сгорания, вдобавок повысив за счет этого экономичность двигателя. Задачу более полного сгорания воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания в определенной степени удалось решить с помощью системы зажигания, работа которой основана на новом способе воспламенения топлива [1, 2]. Как ни странно, современные системы воспламенения топливно-воздушной смеси, используемые в распространенных марках автомобилей, основаны на том же способе воспламенения, что и в начале эры автомобилизма. Это искровой разряд между электродами свечи зажигания. Описание процессов, происходящих в момент воспламенения топливно-воздушной смеси, и самого процесса горения сопровождаются в литературе, как правило, ссылками на отсутствие единой теоретической модели этого процесса и различными объяснениеми его разными авторами. Известно, что КПД двигателя внутреннего сгорания зависит от температуры газов в камере сгорания, зависящей, в свою очередь, от скорости сгорания топливно-воздушной смеси. Соответственно, с увеличением этой скорости увеличивается КПД двигателя и, как следствие, уменьшается удельный расход топлива.
При разработке новой системы зажигания было сделано предположение, что увеличить скорость сгорания топливно-воздушной смеси в камере сгорания можно ослабив эффект «шнурования» плазмы, образующейся между электродами свечи за счет протекания в искровом промежутке постоянного тока. Ток в этом случае поддерживается за счет энергии, накопленной в катушке зажигания. В новой системе используется принцип накопления энергии в конденсаторе, обеспечивающий в искровом промежутке свечи зажигания биполярный импульсный ток. В течение первого периода колебаний напряжения на электродах свечи происходит подготовка смеси и ее воспламенение, а в течение последующих — ее сжигание. На рис.1 изображен график изменения напряжения на электродах свечи. В двух последних периодах импульсы напряжения имеют форму, близкую к прямоугольной.
Схема электронного зажигания представлена на рис.2. Она работает следующим образом. Конденсаторы С5. С7 заряжаются от вторичной обмотки преобразователя на транзисторе VT1 до напряжения, значительно превышающего ЭДС аккумуляторной батареи. При размыкании контакта прерывателя, включенного между точками ПР и М, через, управляющий электрод тиристора VD8 проходит импульс тока, сформированный RC-цепью R1, R2, R5, С1. Тиристор открывается, и начинается колебательный разряд конденсаторов через первичную обмотку катушки зажигания, подключенной к точке КЗ. В течение первого полупериода ток протекает через тиристор, а в течение второго — через диоды VD9, VD10.
Процесс повторяется до тех пор, пока конденсатор С4 не зарядится до напряжения, при котором открывается ключ на транзисторе VT2, что предотвращает очередное отпирание тиристора. После замыкания контакта прерывателя остаточное напряжение конденсатора С4 прикладывается к управляющему переходу тиристора и надежно запирает его. Конденсатор С4 при этом разряжается через резистор R3 и диод VD4, однако ключ VT2 некоторое время после замыкания контакта остается открытым, что предотвращает случайное отпирание тиристора за счет дребезга контактов прерывателя.
В случае применения коммутатора в системе зажигания с датчиком Холла, последний непосредственно управляет работой ключа. Процессы, происходящие при этом в схеме, аналогичны описанным выше. Предлагаемая схема зажигания позволяет подавать на электроды свечей зажигания напряжение, полярность которого меняется в течение одного такта работы двигателя. Подбором элементов схемы управления обеспечивается оптимальная продолжительность разряда в свече. Применение описанного способа зажигания дает возможность повысить топливную экономичность двигателя, его мощность и приемистость, уменьшить содержание окиси углерода в выхлопных газах и увеличить ресурс свечей зажигания.
Рис. 3
Трансформатор преобразователя блока зажигания имеет послойную рядовую намотку (виток к витку). Изоляция между обмотками — два слоя лакоткани (Uпр>1000В). Изоляция между слоями — один слой лакоткани. Число витков: 1 — 35 вит. ПЭТВ-2-1,0; 2 — 48 вит. ПЭТВ-2-0,42; 3 — 420 вит. ПЭТВ-2-0,25. Порядок намотки обмоток — 2 — 3 — 1. Сердечник трансформатора ферритовый Ш12х15 марки 2000НМ-1, собирается с зазором 1 мм, в который вставляется диэлектрическая прокладка из гетинакса.
Схема подключения разработанного блока (ОН-427) к системе зажигания автомобиля показана на рис.3 и 4. При подключении и отключении блока зажигание должно быть выключено, а клемма «Масса» («-«) отсоединена от аккумулятора. Блок электронного зажигания, изготовленный по данной схеме, прошел испытания на грузовых автомобилях и сравнивался с различными штатными системами зажигания.
Были выбраны автомобили ГАЗ-52 с классической контактной системой и ГАЗ-53 с более совершенной транзисторной системой и индукционным датчиком зажигания. Испытания проводились по методике, разработанной НПМП «Витар». Результаты испытаний разработанного блока приведены на рис.5. Анализ результатов свидетельствует об эффективности разработанного устройства и позволяет предположить, что характер происходящих при воспламенении топливно-воздушной смеси процессов в какой-то степени соответствует описанным.
Литература
1. Патент РФ N2056521. Способ поджига топливной смеси и коммутатор для его осуществления.
2. Патент РБ N1429. Способ поджига топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания и коммутатор для его осуществления.
3. Блок системы зажигания ОН-427. Паспорт. — ОАО «МНИПИ», г.Минск.
Источник
