CC BY
52
!55Ы_1992-6502_(Ргт^_
2015. Т. 18, № 1 (62). С. 145*—149
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.431.04
Исследование влияния емкости накопительного конденсатора на напряжение в первичной цепи обмотки зажигания
и тока разряда методами имитационного моделирования
1
И. И. Ямалов
1 outlegal@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 01 июля 2015 г.
Аннотация. В статье разработана имитационная компьютерная модель микропроцессорной системы зажигания для малых транспортных средств, позволяющая на стадии проектирования производить исследования и отработку режимов работы системы зажигания, исследование влияния емкости накопительного конденсатора на напряжение в первичной цепи обмотки зажигания и тока разряда, подбор оптимальных параметров микропроцессорной системы зажигания в широком диапазоне входных значений. Имитационная модель разработана в системе ЦЗрке IV.
Ключевые слова: емкостная система зажигания; имитационная модель; переходный процесс; коммутация напряжения; накопительный конденсатор; СЭ1.
Микропроцессорные системы зажигания (МПСЗ) широко применяются в малых транспортных средствах, что обусловлено рядом их достоинств, таких как высокие энергетические характеристики и надежность при минимальных массогабаритных показателях. Системы зажигания являются одной из наиболее ответственных частей комплекса электрооборудования двигателей внутреннего сгорания, что определяет ряд жестких требований, предъявляемых к ним. К этим требованиям относятся: энергоэффективность, стабильность работы, экономичность, высокая энергия искровых разрядов и др. [1].
Анализ работ отечественных и зарубежных авторов показал, что исследования в данном направлении в основном ограничиваются предложением различных конструктивных решений, в тоже время теоретические исследования физических процессов протекающих изучены недостаточно.
На низкой частоте вращения двигателя заряд накопительного конденсатора осуществляется многократным прерыванием тока короткого замыкания в обмотке зажигания полевым транзистором. Разряд накопительного конденсатора осуществляется путем замыкания его выводов на повышающий трансформатор по-
средством тиристора. При этом важной задачей при разработке МПСЗ является создание инструментов, позволяющих на проектной стадии с максимальным приближением к реальным условиям эксплуатации отработать режимы работы МПСЗ с минимальными экономическими и временными затратами. Одним из таких инструментов является имитационное моделирование МПСЗ, позволяющее проектирование и отработку его режимов в широком диапазоне входных параметров.
Бесперебойное искрообразование между электродами свечи зажигания происходит при высоком напряжении 8-30кВ. На прогретом двигателе к моменту искрообразования рабочая смесь сжата и имеет температуру, близкую к температуре самовоспламенения. В этом случае достаточно иметь электрический разряд с энергией незначительной величины (порядка 5 мДж). Однако имеется ряд режимов работы двигателя, когда требуется энергия искры в 30100 мДж. К таким режимам относятся:
• пусковой режим;
• работа на бедных смесях при частичном открытии дросселя;
• работа на холостом ходу;
• работа при резких открытиях дросселя [2].
146
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
В свою очередь энергия искры зависит от величины тока и напряжения в первичной цепи катушки зажигания. Таким образом, исследование влияния емкости накопительного конденсатора на напряжение в первичной цепи обмотки зажигания и тока разряда является актуальной научно-технической задачей.
В работе [3] представлена имитационная модель разряда накопительного конденсатора МПСЗ, работающей только в режиме разряда накопительного конденсатора, позволяющая исследовать лишь узкий спектр выходных характеристик системы зажигания. Вместе с тем данная модель МПСЗ не позволяет исследовать одновременно процесс заряда и разряда, что, естественно, ограничивает возможность применения ее для отработки режимов работы и проектирования МПСЗ.
Таким образом, целью данной работы является разработка имитационной модели МПСЗ, позволяющей проводить исследования и отработку режимов работы МПСЗ, исследование влияния емкости накопительного конденсатора на напряжение в первичной цепи обмотки зажигания и тока разряда и подбор оптимальных параметров МПСЗ в широком диапазоне входных значений.
Лгап 20т
Рис. 1. Имитационная модель заряда накопительного конденсатора
На первом этапе автором была разработана имитационная модель МПСЗ, работающей в режиме заряда накопительного конденсатора (рис.1).
В данной модели С1 - накопительный конденсатор. Блоки VI и Ь1 имитируют однофазный синхронный генератор магдино, вращающийся с частотой 300 об/мин. В модели цепочка заряда представлена блоками М1 и V2. Так как заряд накопительного конденсатора осуществляется многократным прерыванием тока короткого замыкания в обмотке зажигания полевым транзистором, блок М1 имитирует работу полевого транзистора. Блок V2 - источник прямоугольных импульсов имитирует управление микроконтроллера полевым транзистором. Управление блоком М1 осуществляется прямоугольными импульсами с параметрами, задан-
ными переменными Tp, мс (период) и Ton, мс (время импульса).
На рис. 2 представлены кривые, на которых U1 - напряжение при закорачивании первичной обмотки, Um - управляющие импульсы блока V2, I1 - броски токов при закорачивании первичной обмотки, Uc - напряжение на накопительном конденсаторе C1.
400V 32DV 240V 16DV B0V 0V -
II U1, в
Чтй 8|П5 1гтв 1 Бгп5 гитэ
Рис. 2. Графики и 1, Ши II. ис
На рис. 3 представлена зависимость энергии накопленной в конденсаторе от напряжения на обкладках конденсатора для нескольких значений емкостей конденсатора при следующих параметрах системы: емкость накопительного конденсатора 0,1...0,93 мкФ, частота переменного напряжения на генераторе 16.200 Гц (что соответствует вращению маховика со скоростью 160.2000 об/мин); период коммутации ключа 4,0 мс, скважность 0,9.
Цифрами на графике обозначена частота вращения генератора в об/мин, согласно внешней характеристике.
Анализируя технические требования организаций АО «Уфимское агрегатное производственное объединение» г. Уфа и АО «Русская механика» г. Рыбинск, было установлено, что энергия, накопленная в накопительном конденсаторе, должна быть в пределах 30.40 мДж, а напряжение на накопительном конденсаторе должно быть в пределах 350.400 В.
Рис. 3. Зависимость энергии накопленной в конденсаторе от напряжения на накопительном конденсаторе для нескольких значений емкостей конденсатора
В результате анализа зависимостей на рис. 3 можно отметить следующее:
• Кривые для емкостей конденсатора 0,72, 0,82 и 0,93 мкФ при сравнительно высокой энергии обладают низким значением напряжения на низкой частоте вращения генератора;
• Кривые для емкостей конденсатора 0,1, 0,22 и 0,33 мкФ при сравнительно высоком напряжении во всем диапазоне частоты вращения генератора обладают низкой энергией;
• Система с конденсатором емкостью 0,47 мкФ способна генерировать стабильно высокое напряжение, притом обладая высокой энергией искры.
Однако данная имитационная модель обладает одним существенным недостатком, а имен-
но - не позволяет исследовать процесс разряда накопительного конденсатора. Для исследования влияния емкости накопительного конденсатора на напряжение в первичной цепи обмотки зажигания и тока разряда были синтезированы имитационная модель заряда накопительного конденсатора и имитационная модель МПСЗ разряда накопительного конденсатора.
На рис. 4 представлена имитационная модель МПСЗ. Цепочка заряда в этой модели практически аналогична цепочке заряда, представленной на рис. 1, но отличается тем, что параметры блока V2 определяются частотой импульсов, зависящей от частоты вращения генератора (Fg=n*F1) и скважностью импульсов, что позволяет проводить исследования при различной частоте вращения генератора и различной скважности импульсов управления блоком М1. Блок К1 - повышающий трансформатор, имитирующий работы катушки зажигания. Блок Spark Gap - элемент, имитирующий работу свечи зажигания. Данный элемент был взят из библиотеки примеров программного пакета LTSpice IV [4].
Цепочка разряда в данной модели представлена блоками V4 и S1.
Так как разряд накопительного конденсатора осуществляется путем замыкания его выводов на повышающий трансформатор посредством тиристора, блок S1 - ключ, имитирует работу тиристора. Блок V4 - источник прямоугольных импульсов, имитирует управление тиристором. Блок К1 - повышающий трансформатор, имитирующий работу катушки зажигания.
K1 L2 L3 1
SINE(0 {V1HF1})
.tran 21m
PULSE(0 12 {Tr} 1л 1n 2m {Tr> 1) .model SW SW(Ron=10m Roff=1e6 Vt=6 Vh=-2)
Рис. 4. Имитационная модель МПСЗ
148
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
На рис. 5 представлены кривые, на которых Иш - управляющие импульсы блока V2, Ш -напряжение при закорачивании первичной обмотки, Ш - управляющие импульсы блока V4, Ис - напряжение на накопительном конденсаторе С1.
игл, В
3ms 6ms 9ms I Zins 15ms 18ms 21
Us, В
12ms 15ms
320V 240V 160 V
21ms 24ms
Uc, В
Ums 3ms Ems 9ms 12ms 15ms 18ms 21ms 24ms
Рис. 5. Графики Um, U1, Us, Uc
На рис. 6 и 7 представлены графики напряжений заряда и токов разряда накопительных конденсаторов различной емкости соответственно. В целях наглядности был использован инструмент .step param, позволяющий объединить на одном графике несколько кривых, соответствующих разным параметрам того или иного элемента. В данном случае емкость накопительного конденсатора С = 0,2... 0,6 мкФ.
600V 480V 3BBV 240V
тда
Cl-OJuF CI-flfruF
П'. 6т£ 1Ят5 24п
Рис. 6. Напряжения заряда накопительных конденсаторов различной емкости
С целью подтверждения полученных результатов имитационного моделирования были проведены экспериментальные исследования. Автором был собран макетный образец. Для исследования характеристик макетного образца МПСЗ был задействован экспериментальный стенд, включающий в себя:
• частотный привод АШуаг 31;
C1=0.6uF C1=0.5uF C1=0.4uF C1=0.3uF
C1=0.2uF
0А
-6А
-1 гд
-18А--24А
г1.0010тз 21.0012т8 г1.0011тз г1.0016тз Рис. 7. Токи разряда накопительных конденсаторов различной емкости
• генератор магдино;
• 2 магнитоэлектрических датчика;
• искровой промежуток 5 и 7 мм;
• катушка зажигания;
Для решения поставленной задачи проводились экспериментальные исследования МПСЗ при следующих технических условиях: частота вращения генератора - 160.2000 об/мин; емкость накопительного конденсатора -0,1.1,15 мкФ; частота коммутации -Шмп = 3,8, 1;паузы = 0,15; заряд конденсатора производится положительной полуволной в течении трех полупериодов.
На рис. 8 представлен график напряжения на накопительном конденсаторе емкостью от 0,47 мкФ при 160 об/мин вращения генератора.
[ORNS Ch Off lOPerlod СП Off
OArplitLide Ch Off @RMS 21GU Qmnjcucle СП Off QFHS ..-i Off
firplitude 123 J W15 216U
Рис. 8. Напряжения заряда накопительного конденсатора
На рис. 9 представлен график тока разряда конденсатора емкостью от 0,47 мкФ в первичной цепи обмотки зажигания при 160 об/мин вращения генератора.
Для каждой емкости накопительного конденсатора были сняты динамические характеристики токов и напряжений в диапазоне частот вращения генератора 160.2000 об/мин. Следует отметить что исследования конденсаторов
емкостью 0,1 и 0,22 мкФ проходили на искровом промежутке 5 мм, вследствие того, что на
искровом промежутке 7 мм энергия искры была недостаточной для пробоя. Исследования остальных конденсаторов емкостью 0,33...1,15 мкФ проводились на искровом промежутке 7мм.
По результатам анализа полученных графиков и диаграмм сделаны следующие выводы: мощность разряда на искровом промежутке систем зажигания с установленными конденсаторами емкостью 0,47, 0,6 и 0,72 мкФ выше остальных, но при установленных конденсаторах емкостью 0,6 и 0,72 разброс величин напряжения на конденсаторе достигает 100 В, что неприемлемо. Таким образом, с помощью представленной методики было найдено оптимальное значение емкости накопительного конденсатора 0,47 мкФ для разработанной МПСЗ. Результаты эксперимента подтверждают результаты имитационного моделирования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана имитационная модель, описывающие процессы заряда и разряда МПСЗ. Для рассматриваемого случая с рассматриваемыми параметрами найдено оптимальное значение емкости накопительного конденсатора равное 0.47 мкФ. Результаты имитационного моделирования были использованы для построения действующего макета МПСЗ, отличающегося от существующих аналогов более низкой частотой искрообразования и устойчивым искрообразо-ванием во всем диапазоне частот вращения генератора.
список литературы
1. Гизатуллин, Ф. А. Емкостные системы зажигания. Уфа.: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т., 2002. 249 с.
[ F. A. Gizatullin, Capacitive ignition systems, (in Russian). Ufa: 2002. ]
2. Зинин Ю. М., Гизатуллин, Ф. А. Системы зажигания автомобилей: учеб. Пособие. Уфа.: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т., 2008. 61 с. [ U. M. Zinin, F. A. Gizatullin, Ignition systems of a cars, (in Russian). Ufa: Ufa State Aviation Technical University, 2008. ]
3. Исмагилов Ф. Р., Султангалеев Р. Н., Полихач Е. А., Ямалов И. И., Фаррахов Д. Р. Математическая модель переходных процессов заряда и разряда конденсатора в емкостной системе зажигания для мототехники // Вестник УГАТУ. 2014. Т. 18, № 1 (62). С. 1-4. [ F. R. Ismagilov, R. N. Sultangaleev, E. A. Polikhach, I. I. Yamalov, D. R. Farrakhov, "Mathematic model of capacitor charge and discharge transient process in capacitor ignition system for motor transport," (in Russian), in Vestnik UGATU, vol. 18, no. 1 (62), pp. 1-4, 2014. ]
4. LTwiki for LTspice, SPICE, and Electronics help. — 2014. [Электронный ресурс]. URL: http://ltwiki.org/files/ LTspiceIV/examples/LtSpicePlus/Discretos/Spark%20Gap/ (дата обращения 05.03.2015) ). [ LTwiki for LTspice, SPICE, and Electronics help. (2015, March. 03). [Online]. Available: http://ltwiki.org/files/LTspiceIV/examples/LtSpicePlus/Discret os/Spark%20Gap/]
ОБ АВТОРЕ
ЯМАЛОВ Ильнар Илдарович, асп. каф. э/мех, Маг. техн. и технол. (УГАТУ, 2011). Иссл. в обл. магнитоэлектрических синхронных генераторов автономных систем.
METADATA
Title: Research of influence of capacity of the storage capacitor on tension in primary circuit of the winding of ignition and current of discharge by methods of simulation modeling.
Authors: I. I. Yamalov.
Affiliation: Ufa State Aviation Technical University (UGATU),
Russia. Email: outlegal@mail.ru Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 2 (68), pp. 145-149, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: In article the simulation computer model of a microprocessor ignition system for small vehicles is developed, which allow the design stage to carry out research and testing modes of ignition system, research of influence of capacity of the storage capacitor on voltage in primary circuit of a winding of ignition and current of discharge, selection optimum parameters of a microprocessor ignition system in a broad range of input values . The simulation model is developed in LTSpice system. Key words: Capacitor discharge ignition system; simulation model; transient state; switching of voltage; storage capacitor; CDI.
About authors:
YAMALOV, Ilnar Ildarovich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Elecromechanics. Master of Engeneering (UGATU, 2011).
