Расчет выходных характеристик выбранной системы зажигания

 

С2 = Ск + Ср + Сп + Сс,

 

где Ск – собственная сосредоточенная емкость вторичной обмотки катушки зажигания, эквивалентная распределенной емкости. Ск = 31 пФ.

Ср – емкость токоведущих деталей распределителя, Ср = 20 пФ.

Сп – емкость высоковольтных проводов (центрального (55 см) и свечного (50 см) провода). Сп = 0,2 пФ/см, Сп = 0,2∙(50+55) = 21 пФ.

Сс – емкость свечи. Сс = 11 пФ.

С2 = 83 пФ при Сш = 0 и С2 = 83 + 50 = 133 пФ при Сш = 50 пФ.

Таким образом,

 

С = 1•10-6 + 83•10-12•822 = 1,56•10-6 (Ф) при Сш = 0 и

С = 1•10-6 + 133•10-12•822 = 1,9•10-6 (Ф) при Сш = 50 пФ.

 

Коэффициент затухания вторичного напряжения η рассчитываем по формуле

 

где R – суммарное сопротивление потерь, приведенное к первичной обмотке, находим по формулам

 

R = Rпк/Ктр2, если Rш = ∞;

R = Rш∙Rпк/((Rш+ Rпк)∙Ктр2), если Rш ≠ ∞.

 

Rпк – сопротивление потерь катушки зажигания, учитывающее потери энергии в магнитопроводе катушки, меди обмоток, изоляции.

 

Rпк =  = 6,3 МОм

 

Rш – шунтирующее сопротивление, учитывающее потери энергии через нагар на тепловом конусе свечи.

Таким образом,

при Rш = ∞

 

R = 6,3•106/822 = 936,94 Ом;

 

при Rш = 2,5 МОм

 

Величина коэффициента затухания при Rш = ∞ и Сш = 0 соответственно будет

 

при Rш = 2,5 МОм и Сш = 50 пФ

 

Теперь можно рассчитать зависимость U2 = ƒ(nдв) для двух значений параметров шунтирующей нагрузки: Rш = ∞, Сш = 0 и Rш = 2,5 Мом, Сш = 50 пФ.

Для частоты вращения коленчатого вала nдв= 1000 мин-1

при Rш = ∞, Сш = 0

 

U2(1000) = Ip(1000) • Ктр • Ксв • Ку • • η = 8 • 82 • 0,95 • 0,97 • • •0,96 = 28,26 кВ;

при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ

U2(1000) = Ip(1000) • Ктр • Ксв • Ку • • η = 8• 82 • 0,95 • 0,97 • • •0,88 = 23,47 кВ.

 

Расчет максимального вторичного напряжения для других частот вращения проводится аналогично. Результаты расчетов сведены в таблицу 7.

 

Таблица 7

 

По полученным данным строится графическая зависимость U2 = ƒ(nдв) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 13 и 14).

 

Рисунок 13. Зависимость максимального вторичного напряжения U2 от частоты вращения коленчатого вала n при Rш = ∞, Сш = 0

 

Рисунок 14. Зависимость максимального вторичного напряжения U2 от частоты вращения коленчатого вала n при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ

 

 

Длительность искрового разряда определяем по формуле

 

где R2Σ = R2 + Rпп +Rвв– суммарное сопротивление вторичной цепи;

Ipm – максимальное значение тока искрового разряда;

Iкр – критическое значение тока, при котором прекращается искровой разряд (2 мА);

Up – напряжение индуктивной фазы искрового разряда.

 

R2Σ = R2 + Rпп +Rвв= 4,5 + 6 +2,6= 13,1 кОм.

 

Напряжение индуктивной фазы искрового разряда Up складывается, при электронном распределении искр по цилиндрам двигателя, из падений напряжения между электродами свечей зажигания в рабочем и холостом цилиндрах: Up = Uсвр + Uсвх.

Падение напряжения между электродами свечи зажигания при искровом разряде складывается из катодного падения напряжения Uк, анодного падения напряжения Ua и падения напряжения в газовом столбе между электродами Ud. Величина анодного падения напряжения незначительна, и ею можно при расчетах пренебречь.

Величина Ud прямо пропорциональна расстоянию между электродами d и напряженности электрического поля Е.

Таким образом, получаем окончательную формулу для расчета величины падения напряжения между электродами свечи зажигания:

 

Uсв = Uк + Ed,

 

где Uк = 300 В; Е = 100 В/мм; d – расстояние между электродами разрядника, имитирующего работу свечи зажигания (для свечи зажигания в рабочем цилиндре d = 7 мм, в холостом цилиндре d = 1 мм).

Таким образом, Uсвр = 300 + 100•7 = 1000 В;

 

Uсвх = 300 + 100•1 = 400 В.

Up = Uсвр + Uсвх = 1000 + 400 = 1400 В.

 

Максимальное значение тока искрового разряда Ipm рассчитываем по формуле

 

Ipm = Ip∙Ky∙η/Kт,

 

где Ip – значение тока разрыва из таблицы 6;

η – коэффициент затухания, рассчитанный в п.3.2, учитывающий снижение максимального значение тока разряда за счет утечки тока через сопротивление потерь, шунтирующее сопротивление и вторичную емкость;

Кт – коэффициент трансформации катушки зажигания;

Ку – коэффициент снижения тока разрыва вследствие потерь энергии на контактах прерывателя или в силовом транзисторе.

Для частоты вращения nдв = 1000 мин-1

при Rш = ∞, Сш = 0

 

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 8. По полученным данным строятся графические зависимости Ipm = ƒ(nдв) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 15 и 16).

 

Таблица 8

 

Рисунок 15. Зависимость тока искрового разряда Ipm от частоты вращения двигателя n при Rш = ∞, Сш = 0

 

Рисунок 16. Зависимость тока искрового разряда Ipm от частоты вращения двигателя n при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ

 

Используя зависимости Ipm = ƒ(nдв), рассчитываем зависимости tp=ƒ(nдв) для двух значений шунтирующей нагрузки.

 

Для частоты вращения nдв= 1000 мин-1

 

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 9. По полученным данным строятся графические зависимости tp = ƒ(nдв) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 17 и 18).

 

Таблица 9

 

Рисунок 17. Зависимость длительности искрового разряда tp от частоты вращения двигателя n при Rш = ∞, Сш = 0

 

Рисунок 18. Зависимость длительности искрового разряда tp от частоты вращения двигателя n при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ

 

 

Энергию искрового разряда определяем по формуле

 

Wp = 0,5∙Ipm•tp•Uсв.

 

Для частоты вращения коленчатого вала nдв= 1000 мин-1

 

при Rш = ∞, Сш = 0

Wp = 0,5•90,8 (мА)•1,1(мс)•1,0(кВ) = 50 мДж;

при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ

Wp = 0,5•83,3(мА)•1,0(мс)•1,0(кВ) = 41,65 мДж;

 

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 10. По полученным данным строятся графические зависимости Wp = ƒ(nдв) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 19 и 20).

 

Таблица 10

 

Рисунок 19. Зависимость энергии искрового разряда Wp от от частоты вращения двигателя n при Rш = ∞, Сш = 0

 

Рисунок 20. Зависимость энергии искрового разряда Wp от частоты вращения двигателя n при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ

 

 

Для оценки соответствия выбранной системы зажигания заданным параметрам двигателя произведено графическое совмещение рассчитанных характеристик (рисунки 21-23) и определен диапазон частот вращения, в котором данная система удовлетворяет предъявляемым требованиям.

 

Рисунок 21. Зависимость U2(f) и U2*(f)

 

Рисунок 22. Зависимость tр(f) и tр*(f)

 

Рисунок 23. Зависимость W2(f) и W2*(f)

 

Рассчитаем зависимость реальных коэффициентов запаса по напряжению, длительности и энергии искрового разряда от частоты вращения коленчатого вала двигателя для различной шунтирующей нагрузки.

Коэффициент запаса по напряжению Кu рассчитывается по формулам:

- при пуске Кu = (U2 – ∆U)/Uпр

при Rш = ∞, Сш = 0 Кu(150) = (28,26 – 1)/14 = 1,95;

при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ Кu(150) = (23,47 – 1)/14 = 1,6.

- в рабочем режиме Кu = (0,85∙U2 – ∆U)/Uпр

при Rш = ∞, Сш = 0 Кu(1000) = (0,85∙28,26 – 1)/10 = 2,3;

при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ Кu(1000) = (0,85∙23,47 – 1)/10 = 1,9,

где ∆U = 1 кВ учитывает падение напряжения при пробое искрового распределителя или искрового промежутка свечи в нерабочем цилиндре.

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 11.

 

Таблица 11

 

Коэффициенты запаса по длительности Кt и энергии Кw определяются по формулам:

 

Кt = tр/tр* и Кw = Wр/Wр*.

При Rш = ∞, Сш = 0 Кt(1000) = 1,1/0,85 = 1,3;

при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ Кu(1000) = 1/0,85 = 1,18.

 

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 12.

 

Таблица 12

 

При Rш = ∞, Сш = 0 Кw(1000) = 50/12,5 = 4;

при Rш = 2,5 МОм, Сш = 50 пФ Кw(1000) = 41,65/12,5 = 3,3.

 

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 13.

 

Таблица 13

 

 

Данная система зажигания не полностью удовлетворяет заданному двигателю. Из таблицы 11 по коэффициенту Кu видно, что вторичное напряжение всегда обеспечивает устойчивое искрообразование на всех режимах работы двигателя. Данная система зажигания обеспечит бесперебойное искрообразование к концу гарантийного пробега (20-30 тыс. км.) без регулировки зазора между электродами свечи.

По коэффициенту Кt и Кw (таблица 12 и таблица 13 соответственно) видно, что энергия и длительность искрового разряда достаточны для надежного воспламенения смеси на всех режимах работы двигателя. Но коэффициент Кw превышает 2,5 ,что не желательно, так как это может повлиять на состояние электродов, повышая необходимость в их периодическом обслуживании и снижая в целом срок службы. Небольшое снижение энергии не приведет к заметному ухудшению характеристик двигателя. В данной системе зажигания энергия искрового разряда почти в 2 раза превышает энергию, необходимую при установившемся режиме работы.