CC BY
12
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-84-90
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ БОРТОВОЙ
СЕТИ
У.В. Брачунова, В.Н. Козловский, М.В. Шакурский
В работе представлены результаты расчетного исследования технико-эксплуатационных характеристик системы зажигания легкового автомобиля при различных уровнях номинального напряжения бортовой сети
Ключевые слова: легковой автомобиль, бортовой электротехнический комплекс, система зажигания.
Анализ влияния величины номинального напряжения бортовой сети на систему зажигания необходимо производить при условии обеспечения нормальной работы двигателя внутреннего сгорания во всех режимах эксплуатации автомобиля. Требования, предъявляемые к системе зажигания (СЗ), возникающие из этого условия, следующие:
1) Величина энергии искры при увеличении напряжения бортовой сети должна обеспечивать бесперебойное искрообразование на всех режимах двигателя.
2) Вторичное напряжение СЗ должно быть больше напряжения пробоя искрового промежутка.
3) Искрообразование на всех частотах вращения ДВС должно быть бесперебойным.
1. Согласно теории электрического зажигания [1], величина вторичного напряжения пропорциональна величине тока разрыва и коэффициенту трансформации катушки зажигания (КЗ).
и2=КТ- ^•¡р^, (1)
где и2 - величина вторичного напряжения, В; Кт - коэффициент трансформации КЗ, Кт = —; Ьг - индуктивность первичной цепи, Гн; С - приведенная емкость СЗ, Ф; 1р -
ток разрыва, А; Ы- коэффициент затухания.
Изменение бортового напряжения автомобиля оказывает влияние на величину тока разрыва, который равен
'г^1-*'), (2)
где напряжение бортовой сети автомобиля, В; сопротивление первичной цепи СЗ, Ом; Тн- время накопления энергии, с; Т = — - постоянная времени первичной цепи.
С увеличением бортового напряжения, при неизменных остальных параметрах, ток разрыва возрастет, что потребует применения более мощных и дорогих полупроводниковых приборов. Уменьшение значения 1Р приводит к необходимости увеличения коэффициента трансформации Кт , что, в свою очередь, может быть достигнуто за счёт:
1) увеличения числа витков вторичной обмотки Ж2,
2) уменьшения числа витков первичной обмотки ,
3) сочетания двух этих способов.
Однако увеличение Ш2 приведет к увеличению массы катушки зажигания, что нерационально. Уменьшение повлечет за собой падение индуктивности первичной цепи [2], равной
L± = G- W±2, (3)
где G - проводимость магнитной цепи.
Снижение в свою очередь, ведет к уменьшению величины энергии искры, что недопустимо. Энергия искрового разряда
(4)
где Q - энергия искры, Дж; КП - коэффициент передачи энергии.
Таким образом целесообразнее всего сохранить амплитуду тока разрыва при любых значениях питающего напряжения. Для этого есть два способа:
1. Увеличение сопротивления первичной цепи, пропорциональной росту напряжения.
2. Регулирование времени накопления энергии.
Первый способ, при всей своей простоте, является неудовлетворительным с точки зрения энергетики, так как в этом случае потери в первичной цепи растут пропорционально увеличению сопротивления и, следовательно, пропорционально напряжению питания первичной цепи,
D _ ,эф.
Второй способ широко применяется в цифровых системах зажигания [3], в аналоговых СЗ он в чистом виде применяется редко, что связано с трудностью регулирования момента открывания выходного транзистора при резком изменении частоты вращения ДВС. Для гарантированного достижения необходимого значения тока разрыва при резком изменении частоты вращения ДВС применяется сочетание этих двух способов (рис. 1); время открытого состояния транзистора выходного каскада Т чуть больше времени Тн, необходимого для накопления энергии, при достижении током величины /оГр, транзистор выходного каскада переходит в активное состояние, поддерживая ток разрыва на необходимом уровне, при этом не происходит прироста энергии в катушке, а на выходном транзисторе рассеивается мощность [3].
2
PT = R-эк ' 1огр, (6)
Р= /эф. •Ri (5)
"эк ^ огр'
_тогр
и (1 _ е~)
где = 64-- сопротивление перехода эмиттер-коллектор выходного транзи-
1огр
стора; Тогр - время стабилизации тока.
Как видно из (6), для сохранения теплового режима транзистора при переходе на более высокое напряжение необходимо уменьшать время активного состояния выходного транзистора Тогр (рис. 1).
Для обеспечения требуемой величины вторичного напряжения необходимо, чтобы ток достигал величины 1огр за время меньшее, чем "время замкнутого состояния
контактов".
120-2/3 , (7)
где Т3 - "время замкнутого состояния контактов"; г - число цилиндров ДВС; п - частота вращения коленвала ДВС.
При напряжении бортсети автомобиля 12 В и ниже, время накопления энергии соизмеримо с временем Т3 и поэтому на максимальных частотах вращения ДВС
наблюдается снижение величины вторичного напряжения (рис. 2).
С увеличением напряжения бортсети автомобиля время накопления энергии значительно сокращается
I • Я т
Тн = 1п(1 _ • Я (8)
и 6 Я1
и таким образом обеспечивается высокое вторичное напряжение СЗ во всех режимах эксплуатации двигателя (рис. 2). Необходимо отметить еще один аспект увеличения напряжения автомобиля. Как известно, потери в первичной цепи пропорциональны квадрату эффективного значения тока (5), который в свою очередь определяется выражением [4].
1ЭФ = — -лР^-Л 1 - — ■ (е-а -3)• (е-а -1) , (9)
ЭФ Я1 \Т' \ 2а V ' к '
Я 120
где, а = — ■ Тн Т' =- - период искрообразования.
Ьх п ■ 2
Тогр
Тагр
Рис. 1. Ток первичной цепи: 1огр - амплитуда тока стабилизации выходного каскада СЗ; 1уст — установившееся значение тока первичной цепи; Тн — время накопления энергии; Тогр — время стабилизации тока; Т — время открытого состояния выходного транзистора СЗ; *1 — момент искрообразования; Тз — период
искрообразования
Таким образом, при значительном снижении времени накопления, что происходит при увеличении иб, значение эффективного тока и потери первичной цепи уменьшаются (рис. 3, табл. 2). Если исходить из условия равенства потерь для различных значений номинального напряжения, то очевидно, что с увеличением напряжения можно несколько увеличить сопротивление первичной обмотки КЗ, т.е. намотать её проводом меньшего сечения, что позволит снизить массу КЗ [5, 6, 7].
Расчет параметров и рабочих характеристик СЗ, выполненный с учетом вышеизложенных ограничений на разные уровни напряжения (табл. 2), иллюстрирует приведенный анализ. Расчет произведен для исходных данных, приведенных в табл. 1.
При расчете рассмотрен идеальный случай, т.е. время открытого состояния выходного транзистора совпадает с временем накопления энергии ТН . В реальном случае время накопления меньше времени открытого состояния транзистора, в связи с чем транзистор рассеивает мощность (6). Коэффициент полезного действия СЗ будет зависеть от параметров системы управления СЗ.
иг
игр и?
Ш1 I I Шг
Режим пуска Рабочий режим [ I I [ I I
I ! 1 1 I I I [ I I I I I I I |
Птп Пгр1 Птах Пгр2 п
гь, - граничная частота уменьшения вторичного напряжения
я» - пусковые обороты ЛВС
Пт - максимальные обороты ЛВС
Ш - бторичное напряжете 03 В режиме пуска
1А - напряжение питания пербичной цепи СЗ
Рис. 2. Рабочие характеристики СЗ при различном напряжении:
Рис. 3. Зависимости параметров системы зажигания от номинального
напряжения
Таким образом, из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Повышение напряжения бортовой сети автомобиля дает возможность варьировать параметры катушки зажигания.
2. Высокое напряжение питания первичной цепи дает возможность обеспечения высокого вторичного напряжения во всех режимах эксплуатации ДВС.
3. При переходе на повышенное напряжение перенапряжения в системе зажигания останутся на прежнем уровне, так как значение индуктивности первичной цепи и ток разрыва неизменны.
Таблица 1
Расчет параметров и рабочих характеристик СЗ __
Вторичное напряжение СЗ и2 Значение тока разрыва !Р Индуктивность первичной цепи СЗ ¿1 Коэффициент трансформации СЗ КТ Коэффициент связи К Коэффициент передачи энергии К П Шунтирующее сопротивление вторич ной цепи Емкость шунтирующего конденсатора вторичной цепи С Ш Пусковые обороты ДВС Пп Максимальные обороты ДВС П тах
кВ А мГн - - - Мом пФ мин мин
28 8 5,5 69,6 0,95 0,46 1 50 50 7000
Таблица 2
Зависимость параметров системы зажигания
от номинального напряжения бортовой сети автомобиля
Граничная
Номинальное напряже ние и6 (В) Сопротивление первичной обмотки КЗ (Ом) Установившееся значение тока 1уст (А) Время накопления энергии Тн (х 103 с) Эффективное значение тока 1эф (А) Мощность потерь первичной цепи Р (Вт) Запасенная энергия КЗ на максимальных оборотах ДВС & (мДж) Энергия разряда на максимальных оборотах ДВС й (мДж) частота вращения ДВС без снижения пр (мин )
12 0,52 17,90 3,89 2,71 3,43 85 39 5140
18 0,52 26,90 2,42 3,80 6,77 176 81 8300
24 0,52 35,80 1,76 3,22 4,85 176 81 11400
30 0,52 44,80 1,37 2,84 3,77 176 81 14600
36 0,52 53,73 1,14 2,57 3,10 176 81 17500
42 0,52 62,70 0,97 2,36 2,62 176 81 20600
48 0,52 71,60 0,85 2,20 2,27 176 81 23500
4. Для систем зажигания с повышенным уровнем силовая часть электронных приборов не претерпит значительных изменений.
5. При переходе на повышенное напряжение необходима разработка новой системы управления СЗ с более точным регулированием момента отпирания транзистора выходного каскада.
6. Должны быть ужесточены требования к системе защиты СЗ, так как при выходе из строя коммутатора установившееся значение тока первичной цепи возрастает пропорционально напряжению (табл. 2).
Список литературы
1. Фесенко М.Н. Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования.: Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1979. 342 с.
2. Румянцева А.Л., Салкин С.С. Перспективные катушки зажигания для современных двигателей. Труды НИИАвтоприборов. М., 1985. Вып. 58.
3. Опарин И.М., Купеев Ю.А., Белов Е.А. Электронные системы зажигания. М.: Машиностроение. 1987. 200 с.
4. Глезер Г.Н., Опарин И.М. Автомобильные электронные системы зажигания. М.: Машиностроение. 1977. 144 с.
5. Строганов В.И., Козловский В.Н. Итоги и перспективы развития электромобилей и автомобилей с гибридными силовыми установками // Электроника и электрооборудование транспорта. 2012. № 2-3. С. 2-8.
6. Козловский В.Н. Обеспечение качества и надежности системы электрооборудования автомобилей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Моск. гос. автомобил.-дорож. ин-т (техн. ун-т). Тольятти, 2010.
7. Дебелов В В., Иванов В В., Козловский В Н., Строганов В.И., Ютт В.Е. Электронная система регулирования скорости движения автомобиля в режимах поддержания и ограничения скорости // Грузовик. 2013. № 12. С. 19-23.
Брачунова Ульяна Викторовна, аспирант, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Шакурский Максим Викторович, канд. техн. наук, доцент, vigorsilentium@ mail.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
COMPUTATIONAL STUDY OF THE TECHNICAL AND OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF THE IGNITION SYSTEM OF A PASSENGER CAR AT DIFFERENT LEVELS OF THE RATED VOLTAGE OF THE ON-BOARD NETWORK
U.V. Brachunova, V.N. Kozlovsky, M.V. Shakursky
The paper presents the results of a computational study of the technical and operational characteristics of the ignition system of a car at various levels of the rated voltage of the on-board network
Key words: passenger car, on-board electrical complex, ignition system.
Brachunova Uliana Viktorovna, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Shakursky Maxim Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
