CC BY
75
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.433.044.3
Г. И. Шаронов, С. М. Францев
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТОКОВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИСКРОВОГО ИНИЦИИРУЮЩЕГО РАЗРЯДА ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Изложены результаты лабораторных и стендовых исследований параметров искрового инициирующего разряда конденсаторно-тиристорных модулей зажигания. Приведены результаты моторных испытаний данных модулей в составе микропроцессорной системы управления газового двигателя КАМАЗ.
В настоящее время все большее распространение в качестве моторного топлива двигателей внутреннего сгорания (ДВС) получает компримированный газ (метан). Это обусловлено его низкой стоимостью и высокой детонационной стойкостью. Однако низкая скорость сгорания, присущая метановоздушным смесям, является причиной снижения мощности, КПД газовых двигателей и повышения выбросов вредных веществ с отработавшими газами.
Высокая степень сжатия (е = 12) и наличие турбонаддува газового двигателя КАМАЗ-820.52-260, работающего на компримированном газе, обусловливают повышенную плотность метановоздушной смеси в межэлектрод-ном зазоре свечи зажигания. Величина пробивного напряжения межэлек-тродного зазора, в соответствии с законом Пашена, пропорциональна плотности топливовоздушной смеси в момент искрового инициирующего разряда и величине межэлектродного зазора. Таким образом, величина пробивного напряжения оказывается тем больше, чем выше нагрузка данного двигателя и межэлектродный зазор свечи. Данные обстоятельства вынуждают устанавливать межэлектродный зазор свечей не выше 0,4 мм при использовании транзисторного модуля зажигания в качестве оконечного каскада микропроцессорной системы управления двигателем (МСУД) КАМАЗ-820.52-260. Увеличение межэлектродного зазора выше значения 0,4 мм приводит к пропускам процесса искрообразования вследствие того, что развиваемое вторичное напряжение не достигает порога пробоя межэлектродного зазора.
Ограниченная межэлектродным расстоянием 0,4 мм площадь контакта метановоздушной смеси с плазмой искрового инициирующего разряда является одной из причин замедления процесса формирования и развития начального очага горения [1]. Форсирование во времени процесса воспламенения, т.е. форсирование начального очага горения, возможно осуществить в частности увеличением межэлектродного зазора свечи зажигания и выделяемой в нем энергии. В свою очередь малое значение зазора свечей возможно скомпенсировать форсированием значений тока и длительности искрового инициирующего разряда, т.е. энергией, выделяемой в данном зазоре. Однако форсирование тока на базе транзисторного модуля зажигания не представля-
ется возможным вследствие конструктивных ограничении по накапливаемой в магнитном поле катушки зажигания энергии.
Увеличение до более высоких значений межэлектродного зазора свечей и выделяемой в нем энергии возможно при использовании в качестве оконечного каскада МСУД конденсаторно-тиристорных модулей зажигания (КТМЗ). Амплитудно-временные параметры КТМЗ определяются резонансными свойствами колебательного контура, состоящего из накопительного конденсатора, первичной обмотки катушки зажигания и магнитосвязанной с ней вторичной обмотки, нагрузкой для которой является межэлектродный зазор свечи. Передача энергии во вторичную цепь катушки зажигания от заряженного до заданного значения напряжения конденсатора путем подключения его тиристорным ключом к первичной обмотке катушки зажигания позволяет повысить величину межэлектродного зазора (из-за высокой скорости нарастания вторичного напряжения) и выделяемой в нем энергии.
Анализ научно-технической литературы показывает перспективность совершенствования оконечных каскадов МСУД в направлении усложнения формы искрового инициирующего разряда. В работе [2] показано, что сочетание кратковременных сильноточных и длительных слаботочных индуктивных фаз искрового инициирующего разряда позволяет форсировать рабочий процесс ДВС во времени. Сильноточная фаза разряда определяет процессы формирования начального очага горения топливовоздушной смеси, а следующая за ней слаботочная длительная фаза разряда влияет на скорость расширения начального очага. В Автомобильно-дорожном институте Пензенского государственного университета архитектуры и строительства разработаны КТМЗ-1 и КТМЗ-2, реализующие сильноточную и следующую за ней слаботочную фазы искрового инициирующего разряда. Данные оконечные каскады МСУД на базе КТМЗ [3] адаптированы к работе с катушками зажигания с замкнутым и разомкнутым магнитопроводами. На рис. 1 показаны токовременные параметры искрового разряда, формируемого КТМЗ-1 и КТМЗ-2. Исследования проводились на шаровом разряднике. Пробивное напряжение разрядника 30 кВ при атмосферном давлении и комнатной температуре. Емкостная фаза вследствие ее малой длительности на рисунке не показана.
600 мА 400 300 200 : 100 0 -100 -200 -300
40 6.37 / І5
'
/' 27 / Г37 05
г У ‘ Чи Р1
і \" BO SC H 0. 221. 503 001
— —
ІИ Р2 І2
—
0,8
Іир
а) б)
Рис. 1 Токовременные параметры искрового разряда, формируемого на базе КТМЗ-1 с катушками зажигания 406.3705, 3009.3705, BOSCH 0.221.503.001, 27.3705, Б115, Б117 (а) и на базе КТМЗ-2 с катушками зажигания 406.3705, BOSCH 0.221.503.001, 27.3705 (б). /ИР1, /ИР2 - амплитудные значения тока первой и второй индуктивных фаз разряда соответственно; U , t2 - временные интервалы первой и второй индуктивных фаз разряда соответственно
Особенностью КТМЗ является формирование им разнополярных искровых инициирующих разрядов (рис. 1). Первый разряд включает в себя пробой межэлектродного зазора свечи зажигания, формирование первых емкостной и индуктивной фаз разряда. После первого следует второй разряд противоположной полярности, включающий повторный пробой, формирование вторых емкостной и индуктивной фаз разряда. На рис. 2 показаны графики тока и напряжения индуктивных фаз искрового разряда, формируемого КТМЗ-1 в промежуток времени, включающий окончание первой индуктивной фазы, повторный заряд распределенных и сосредоточенных емкостей, пробой межэлектродного промежутка, формирование второй емкостной фазы и начало формирования второй индуктивной фазы разряда. Испытания в камере прибора Э203П осуществлялись при давлении 1,3 МПа. Свеча зажигания BRISK SUPER. Зазор свечи - 0,75 мм
600
мА
400
300
200
100
0
-100
-200
20
кВ
10
5
0
5
10
50 100 150 200 мкс 300
ІИР ---------
а)
ІИР -б)
Рис. 2 Графики тока и напряжения искрового разряда (а), то же (увеличено) (б): 1ИР -ток искрового разряда; иИР - напряжение искрового разряда; /0 - временной интервал заряда распределенных и сосредоточенных емкостей вторичной цепи катушки и свечи зажигания и формирование первой емкостной фазы разряда; - временной
интервал перезаряда распределенных и сосредоточенных емкостей вторичной цепи катушки и свечи зажигания и формирование второй емкостной фазы разряда
Из рис. 2 видно, что часть энергии, накопленной в конденсаторе, расходуется на заряд и перезаряд распределенных и сосредоточенных емкостей вторичной цепи катушки и свечи (временные интервалы ґ0 и ґ3). Причем расходуемая энергия пропорциональна емкости вторичной цепи и квадрату пробивного напряжения межэлектродного зазора свечи зажигания. Оставшаяся в конденсаторе, существенно большая часть энергии, расходуется на формирование индуктивной фазы разряда.
Следует отметить меньшее (в 6,6 раза) значение напряжения повторного пробоя межэлектродного зазора свечи, объясняемое высокой температурой и наличием остаточного (после окончания первой индуктивной фазы) количества ионов в межэлектродном промежутке свечи зажигания. Снижение напряжения повторного пробоя уменьшает количество расходуемой энергии, накопленной в конденсаторе, на перезаряд распределенных и сосредоточенных емкостей.
Особенностью колебательных контуров КТМЗ-1, КТМЗ-2 является перераспределение энергии между первым и вторым искровыми инициирую-
щими разрядами. Величина энергии для формирования второго разряда составляет не более 25 % от общей энергии. При этом меньшее значение напряжения повторного пробоя облегчает условия для надежного пробоя межэ-лектродного зазора свечи и стабильного формирования второй слаботочной индуктивной фазы разряда.
Известно [4], что значение пробивного напряжения межэлектродного зазора свечи наряду с вышеперечисленными факторами определяется полярностью и скоростью нарастания вторичного напряжения катушки зажигания. При этом чрезмерное увеличение скорости его нарастания приводит к поверхностному пробою по внешнему изолятору свечи. При поверхностном пробое емкостная и индуктивная фазы разряда формируются вне меж-электродного зазора свечи зажигания, что приводит к пропускам процесса искрообразования и, соответственно, воспламенения топливовоздушной смеси в данном цилиндре ДВС.
Авторами проведено исследование влияния скорости нарастания и полярности вторичного напряжения, прикладываемого к электродам свечи зажигания (межэлектродный зазор 0,75 мм), при котором возникает поверхностный пробой свечи по внешнему изолятору в камере прибора марки Э203П, позволяющем изменять давление. Поверхностный пробой при полярности приложенного напряжения, формируемого КТМЗ с катушкой зажигания 27.3705: боковой электрод (катод) - центральный (анод), возникает при достижении давления 1,1 МПа. При смене полярности поверхностный пробой наблюдается при достижении давления 1,4 МПа.
Поверхностный пробой при меньшем давлении объясняется низким значением напряжения пробоя по внешнему изолятору свечи, что связано с полярностью напряжения, приложенного к ее электродам. Увеличенное вследствие неоднородности электрическое поле у анода - центрального электрода (место подсоединения высоковольтного провода) - уменьшает значение напряжения пробоя по внешнему изолятору свечи зажигания. При повышении давления наступает момент, когда напряжение, подводимое к электродам свечи зажигания, становится равным пробивному по ее внешнему изолятору, но еще не достигает напряжения пробоя межэлектродного зазора свечи.
При испытании КТМЗ с катушкой зажигания 406.3705 при соблюдении полярности: боковой электрод (катод) - центральный (анод), поверхностный пробой - наблюдается при достижении давления 1,05 МПа, а при смене полярности - 1,3 МПа. Причиной уменьшения значений давления, при которых происходит поверхностный пробой, по сравнению с катушкой зажигания 27,3705, является более высокая скорость нарастания вторичного напряжения катушки зажигания 406,3705. Увеличение скорости нарастания приводит к снижению величины напряжения пробоя как межэлектродного зазора свечи, так и величины напряжения пробоя по ее внешнему изолятору. Причем наличие в свече зажигания сосредоточенного сопротивления (5 кОм) и индуктивности существенно сказывается на скорости заряда ее сосредоточенных емкостей, расположенных вблизи межэлектродного промежутка и вблизи места подсоединения высоковольтного провода (у внешнего изолятора свечи зажигания). Напряжение, прикладываемое к электродам у внешнего изолятора свечи, вследствие разной скорости заряда емкостей, опережает по значению напряжение, прикладываемое к межэлектродному промежутку свечи.
Противоположные полярности напряжения, приложенного к электродам двух свечей зажигания (с одинаковыми по значению межэлектродными зазорами), включенных последовательно со вторичной обмоткой катушек зажигания марок 406.3705, BOSCH 0.221.503.001 и 3009.3705, приводят к поверхностному пробою по внешнему изолятору одной их свечей, находящейся на такте сжатия в ДВС. Устранение поверхностного пробоя по внешнему изолятору свечи, для которой полярность напряжения обусловлена пониженным напряжением пробоя по внешнему ее изолятору, вынуждает уменьшать межэлектродный зазор обеих свечей зажигания.
Таким образом, формирование полярности приложенного к электродам свечи зажигания напряжения: боковой электрод (анод) - центральный (катод) -приводит к повышению напряжения пробоя по внешнему изолятору. Это в свою очередь позволяет повысить давление или, как следует из закона Паше-на, величину межэлектродного зазора свечей зажигания. Применение в качестве оконечного каскада МСУД КАМАЗ-820.52-260 КТМЗ с индивидуальной для каждого цилиндра катушками зажигания мод. 27.3705 позволило за счет необходимой и достаточной скорости нарастания и соответствующей полярности напряжения увеличить межэлектродный зазор свечей зажигания до 1,0 мм.
Отличительной особенностью КТМЗ-1, КТМЗ-2 от транзисторного модуля зажигания является формирование дуговых индуктивных фаз искрового инициирующего разряда. Дуговой разряд поддерживается в течение временного интервала первой и второй индуктивных фаз разряда, формируемых КТМЗ-1, и в течение временного интервала первой индуктивной фазы разряда, формируемой КТМЗ-2. Дуговой разряд, по сравнению с тлеющим, характеризуется повышением до 6 • 103 К температуры в его искровом канале и выделяемой в зазоре свечи энергии, что позволяет форсировать процесс воспламенения топливовоздушной смеси [1].
Известно [5], что величина напряжения индуктивной фазы искрового инициирующего разряда связана с частотой вращения коленчатого вала и нагрузкой на ДВС. Повышение частоты вращения коленчатого вала и (или) нагрузки на ДВС приводит к увеличению напряжения индуктивной фазы искрового инициирующего разряда. На рис. 3 показано амплитудное значение напряжения иИР первой индуктивной дуговой фазы искрового инициирующего разряда, формируемого КТМЗ-1, в зависимости от частоты вращения и нагрузки на ДВС.
Рис. 3 Амплитудное значение напряжения первой индуктивной дуговой фазы искрового инициирующего разряда иИР. Зазор свечи зажигания BRISK SILVER - 0,75 мм. Катушка зажигания 27.3705; 1 - режим полных нагрузок; 2 - режим малых нагрузок
Совокупность специальных конструктивных факторов двигателя обусловливает вихревое движение топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС, интенсивность которого в момент искрового инициирующего разряда зависит от частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания и нагрузки на ДВС. Вихревое движение топливовоздушной смеси вытягивает (отклоняет) в сторону от оси межэлектродного промежутка свечи канал искрового инициирующего разряда. Вытягивание (удлинение) канала разряда вызывает увеличение его сопротивления и, соответственно, напряжения индуктивной фазы искрового инициирующего разряда.
Результаты моторных испытаний по оценке влияния частоты вращения и нагрузки на ДВС на токовременные параметры индуктивных фаз искрового инициирующего разряда, формируемых КТМЗ-1 и КТМЗ-2, показали снижение на режимах полных нагрузок не более чем на 10 % значений амплитуд токов и длительностей индуктивных фаз разряда от значений тех же параметров на режиме холостого хода. Это объясняется малой зависимостью тока во вторичной цепи катушки зажигания от величины вносимого из вторичной в первичную цепь комплексного сопротивления, учитывающего магнитную связь обмоток, сопротивление межэлектродного промежутка свечи, коэффициент трансформации катушки зажигания. Для транзисторного модуля зажигания с повышением частоты вращения и нагрузки на ДВС характерно сокращение в несколько раз длительности индуктивной фазы искрового инициирующего разряда за счет увеличения выделения в единицу времени в меж-электродном зазоре свечи зажигания энергии, запасенной в катушке зажигания. Энергия ЖИР, выделяемая в межэлектродном зазоре свечи зажигания, связана с напряжением индуктивной фазы искрового инициирующего разряда иИР, ее длительностью іИР и током 1ИР известным соотношением:
Таким образом, с повышением частоты вращения и (или) нагрузки на ДВС проявляется принципиальное отличие разработанных КТМЗ-1 и КТМЗ-2 от известных транзисторных модулей зажигания: существенно меньшая зависимость токовременных параметров искрового инициирующего разряда от величины сопротивления межэлектродного промежутка свечи и его изменения. Увеличение напряжения индуктивных фаз искрового инициирующего разряда при незначительном уменьшении амплитудных значений токов и их длительностей увеличивает не только удельную, но и общую энергию, выделяемую в межэлектродном зазоре свечи зажигания.
Результаты моторных испытаний, проведенных в Научно-техническом центре ОАО «КАМАЗ», показывают, что применение КТМЗ-1 и КТМЗ-2 позволяет, по сравнению с транзисторным модулем зажигания (ТрМЗ), снизить расход топлива и выбросы несгоревших углеводородов с отработавшими газами. Параметры искрового инициирующего разряда, формируемого КТМЗ в увеличенном межэлектродном зазоре свечи зажигания, позволяют ускорить процесс формирования и развития начального очага горения при соответственном сокращении продолжительности сгорания и увеличении крутящего момента ДВС, что подтверждается снижением расхода топлива на 7-9 % во
0
всем диапазоне нагрузок. На рис. 4 показана характеристика топливной экономичности, где графики построены методом наименьших квадратов. Свечи зажигания BRISK SILVER. Угол опережения зажигания - 15 град п.к.в. Зазор свечей с ТрМЗ - 0,4 мм. Зазор свечей с КТМЗ-1 - 0,75 мм. Зазор свечей с КТМЗ-2 - 1,0 мм
Ne
Ж ^ Ж
ТрМЗ; КТМЗ-1; КТМЗ-2
Рис. 4 Характеристика топливной экономичности двигателя КАМАЗ-820.52-260 при п = 1500 мин-1; ge - удельный расход топлива; От - часовой расход топлива
Сокращение продолжительности сгорания позволило снизить на холостом ходу на 35 % выбросы несгоревших углеводородов с отработавшими газами, что связано с уменьшением теплоотдачи из зоны горения, т.е. с уменьшением объема зоны гашения пламени.
Выводы
Применение в качестве оконечного каскада МСУД КАМАЗ-820.52-260 КТМЗ-1 и КТМЗ-2 с индивидуальными катушками зажигания 27.3705 позволяет на всех режимах работы ДВС:
- обеспечить за счет высокой скорости нарастания вторичного напряжения и оптимального фазирования полярности напряжения, прикладываемого к межэлектродному зазору свечи, надежный пробой увеличенного до 1,0 мм межэлектродного зазора свечей зажигания;
- формировать с высокой удельной и общей энергией слабозависящие от сопротивления межэлектродного промежутка свечи и его изменения, дуговые индуктивные фазы искрового инициирующего разряда;
- улучшить за счет форсирования рабочего процесса во времени экономические и экологические показатели двигателя.
Список литературы
1. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями / Т. У. Асмус, К. Боргнакке, С. К. Кларк [и др.] ; под ред. Д. Хиллиарда, Дж. С. Спрингера ; пер. с англ. А. М. Васильева ; под ред. А. В. Кострова. - М. : Машиностроение, 1988. - 504 с.
2. Злотин, Г. Н. Оптимизация характеристик разряда системы зажигания / Г. Н. Злотин, В. В. Малов // Автомобильная промышленность. - 1987. - № 7.-С. 21-24.
3. А.с. 1772403 СССР, МКИ Б 02 Р 3/06. Тиристорная система электронного зажигания / Г. И. Шаронов, И. М. Володин, А. К. Лобкарев, Л. А. Шаронова. -№ 4715444/21 ; заявл. 19.05.89 ; опубл. 30.10.92, Бюл. № 40.
4. Ю тт, В. Е. Электрооборудование автомобилей : учеб. для студентов вузов / В. Е. Ютт. - 2-е изд. - М. : Транспорт, 1995. - 304 с.
5. Системы управления бензиновыми двигателями : перевод с немец. - Первое русское издание. - М. : ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. - 432 с.
