Двигатели внутреннего сгорания

За один оборот ротора ЭДС, индуктируемая в первичной  обмотке, дважды достигает максимального  значения (90 и 270°). Это происходит в  моменты наибольшей скорости изменения магнитного потока, проходящего через сердечник. При положениях ротора, соответствующих 0 (360) и 180, когда скорость изменения магнитного потока равна нулю, ЭДС в первичной обмотке также равна нулю.

В периоды, когда  первичная цепь замкнута механическим прерывателем, ЭДС, индуктируемая в первичной обмотке, создает ток. Но первичный ток достигает максимальной величины не в моменты, при которых ЭДС имеет максимальные значения (90 и 270°), а несколько позже. Отставание первичного тока от ЭДС объясняется явлением самоиндукции первичной обмотки.

В моменты, когда  ток в первичной обмотке достигает  максимального значения, механический прерыватель дважды за один оборот ротора размыкает первичную цепь, а во вторичной обмотке индуктируется  ЭДС высокого напряжения.

Ток высокого напряжения поступает к распределителю, а затем по проводам высокого напряжения к свече и, пробивая искровой промежуток между ее электродами, воспламеняет рабочую смесь. Так как преобразование тока низкого напряжения в ток высокого напряжения в магнето подобно тому же процессу при батарейном зажигании, то максимальная величина вторичного напряжения может быть определена по уравнению:

.

Величина первичного тока (переменного) магнето равна:

,

где R – активное сопротивление первичной обмотки;

2·Iр · f ·L₁ – индуктивное сопротивление первичной обмотки;

f – частота  индуктируемого тока;

L₁ – индуктивность первичной обмотки;

п – число  оборотов ротора магнето;

В – коэффициент  пропорциональности.

В результате получим:

.

Из уравнения  следует, что как и при батарейном зажигании, напряжение, создаваемое магнето, изменяется пропорционально величине первичного тока. Но если с увеличением числа оборотов при батарейном зажигании первичный ток и напряжение уменьшались, то при зажигании от магнето первичный ток, а следовательно, и напряжение увеличиваются. Напряжение, создаваемое магнето, зависит от величины первичного тока в момент размыкания контактов механического прерывателя. Максимальное значение вторичного напряжения достигается лишь в том случае, когда момент размыкания контактов выбран правильно и соответствует наибольшему значению тока, индуктируемого в первичной цепи.

Установлено, что  наибольшего значения ток в первичной  цепи достигает в тот момент, когда  ротор поворачивается от своего центрального положения (90, 270°) на 8–10°. В этот момент и должно производиться размыкание контактов механического прерывателя.

Угол, на который  поворачивается ротор магнето от центрального положения к моменту  размыкания контактов механического  прерывателя, называется абрисом магнето.

 

Сравнение батарейного  зажигания и зажигания от магнето.

При батарейном зажигании максимальное напряжение, создаваемое во вторичной обмотке  индукционной катушки, с увеличением  числа оборотов двигателя уменьшается.

При зажигании  от магнето напряжение, создаваемое вторичной обмоткой, с увеличением числа оборотов двигателя увеличивается.

 

Сопоставление вторичного напряжения в зависимости  от числа оборотов позволяет сделать следующие выводы:

1. В период  пуска и на малых оборотах  батарейное зажигание обеспечивает более высокое напряжение, чем зажигание от магнето. Это облегчает пуск двигателей, снабженных батарейным зажиганием.

2. С увеличением  оборотов магнето развивает достаточно  высокое напряжение и обеспечивает  надежный искровой разряд. Напряжение же, создаваемое батарейным зажиганием, значительно падает, что на больших оборотах может привести к перебоям зажигания.

Из приведенного сопоставления следует, что зажигание  от магнето наиболее пригодно для  двигателей, преобладающее время  работающих с полной нагрузкой (тракторные). Батарейное зажигание наиболее пригодно для двигателей, преобладающее время работающих на малых и средних оборотах и нагрузках с частыми остановками и запусками (автомобильные).

Кроме того, следует  учесть, что батарейное зажигание обеспечивает электроэнергией вспомогательные приборы; при зажигании же от магнето это невыполнимо.

5.4. Электронные системы зажигания

С ростом частоты  вращения двигателя обычная батарейная система зажигания перестает  удовлетворять требованиям эксплуатации (особенно многоцилиндровых двигателей). Уменьшение времени замкнутого состояния контактов, усиливающиеся с увеличением частоты вращения инерционные явления в системе и явления, обусловленные токами самоиндукции, существенно уменьшают напряжение на электродах свечи зажигания. Применение электронных приборов позволяет снизить силу тока в первичной цепи системы зажигания. Вследствие этого повышается надежность системы зажигания и стабильность ее работы в большом диапазоне изменения частоты вращения двигателя.

Электронные системы  зажигания отличаются от обычных  систем наличием в первичной цепи транзистора, на базу которого подается управляющий импульс либо от прерывателя (электронная контактная система  зажигания), либо от датчика (электронная  бесконтактная система зажигания).

В электронной  контактной системе зажигания в  цепи прерывателя возникает слабый ток базы – ток управления транзистором, в результате чего значительно улучшаются условия работы контактов прерывателя. Таким образом, появляется возможность  увеличения силы тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания. Управление током базы выполняют датчики импульсов.

Датчики импульсов  делятся на параметрические и  генераторные. В параметрических  датчиках изменяются те или иные параметры  управляющей цепи (сопротивление, индуктивность, взаимоиндуктивность), вследствие чего изменяется сила тока базы. Генераторные датчики (магнитоэлектрические, фотоэлектрические и др.) являются источниками питания управляющей цепи.

Бесконтактная система зажигания с магнитоэлектрическим датчиком показана на рис. 5.9. При вращении магнита (число полюсов магнита равно числу цилиндров) в обмотке датчика возникает переменный ток. В течение положительного полупериода напряжения по первичной обмотке протекает медленно изменяющийся ток. Искрообразование на свече зажигания соответствует моменту отсечки. Напряжение магнитоэлектрического датчика зависит от частоты вращения магнита: с увеличением ее напряжение возрастает. Поэтому при повышении частоты вращения происходит запаздывание зажигания. При малых частотах вращения вырабатываемого датчиком напряжения недостаточно для переключения транзистора. Для устранения перечисленных недостатков вводят специальный формирующий каскад. В настоящее время разработан ряд схем, различающихся датчиками, формирующими каскадами, электронными коммутирующими приборами и способами накопления энергии.

Рис. 5.9. Схема бесконтактной системы зажигания

6. СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО                СГОРАНИЯ

Двигатели внутреннего  сгорания могут работать при различном числе оборотов. Минимальное число оборотов определяется условиями устойчивой работы двигателя. Максимальное число оборотов двигателей ограничивается по соображениям надежности. В процессе работы двигателей наблюдаются значительные колебания нагрузок на них, что ведет к изменению скоростного режима. Для снижения отрицательного влияния подобных явлений применяют системы регулирования скорости – регуляторы, которые поддерживают рабочие режимы двигателя в допустимых пределах.

6.1. Теоретические основы регулирования скоростных режимов двигателей

Устойчивый  режим двигателя, работающего вхолостую  на минимальном числе оборотов, необходим  при прогреве двигателя и кратковременных  стоянках.

Такая работа двигателя  возможна при условии равенства  индикаторной работы и работы трения, возникающего в сопряженных узлах двигателя. Условия устойчивой работы двигателей различных типов не одинаковы.

У бензиновых и  газовых двигателей холостой ход  на малых оборотах достигается прикрытием дроссельной заслонки. В то же время среднее давление трения по мере повышения оборотов возрастает. Устойчивый режим двигателя, работающего на холостом ходу, соответствует точке пересечения кривых.

Если среднее  давление трения несколько изменяется в связи с изменением теплового  состояния двигателя (пунктирные линии на рис.6.1) или небольшие колебания рабочего процесса изменяют среднее индикаторное давление, пределы колебаний числа оборотов холостого хода сравнительно невелики и режим работы двигателя характеризуется достаточной устойчивостью. Следовательно, у бензиновых и газовых двигателей нет необходимости применять регулирование минимального числа оборотов.

Рис. 6.1. Изменение коэффициента наполнения и давления трения в бензиновых и газовых двигателях

Иной характер имеет работа при минимальном числе оборотов дизельных двигателей (рис. 6.2). Здесь холостой ход достигается постоянной малой подачей топлива насосом. При этом коэффициент наполнения остается примерно постоянным. Так как среднее индикаторное давление пропорционально подаче топлива, можно допустить, что кривая подачи топлива представляет кривую среднего индикаторного давления. В то же время среднее давление трения по мере повышения оборотов возрастает. Устойчивый режим двигателя, работающего вхолостую, соответствует точке пересечения кривых.

При изменении  среднего давления трения, в связи  с изменением теплового состояния  двигателя (пунктирные линии на графике), пределы колебаний числа оборотов холостого хода становятся значительными  и режим работы двигателя будет  неустойчивым. Следовательно, у дизельных двигателей необходимо применять регулирование минимального числа оборотов.

Рис. 6.2. Изменение подачи топлива и давления трения в дизельных двигателях

Ограничение максимального  числа оборотов производится как  у бензиновых и газовых, так и у дизельных двигателей. Ограничение максимального числа оборотов дает возможность:

• повысить срок службы двигателя, так как на высоких оборотах силовые и тепловые нагрузки достигают больших значений, механические потери возрастают и износ деталей двигателя резко повышается;
• сохранить необходимые условия для качественного протекания рабочего процесса, так как на высоких оборотах процессы наполнения, смесеобразования и сгорания значительно ухудшаются;
• значительно улучшить экономичность двигателя.

6.2. Классификация и конструкции регуляторов

Регуляторы, устанавливаемые  на автотракторных двигателях, обычно классифицируют по принципу действия и числу регулируемых режимов (рис. 6.3).

По принципу действия регуляторы разделяются на: гидравлические, пневматические, электрические, центробежные и комбинированные.

Действие гидравлических регуляторов основывается на использовании  колебаний напора воды, масла или  топлива при изменении числа  оборотов. Регуляторы такого действия широкого распространения не получили.

Действие пневматических регуляторов основывается на использовании  разрежения во впускном коллекторе, которое  изменяется в зависимости от числа  оборотов и нагрузки. Такие регуляторы применяются у карбюраторных  двигателей для ограничения максимальных оборотов.

Рис. 6.3. Классификация регуляторов

Действие центробежных регуляторов основывается на использовании  центробежных сил инерции, возрастающих с увеличением числа оборотов.

Центробежные  регуляторы получили широкое распространение  у дизельных двигателей и применяются также у карбюраторных и газовых двигателей.

Комбинированными  регуляторами являются пневмоцентробежные и электрогидравлические. Комбинированные  регуляторы применяются на двигателе  ЗИЛ-130.

Регуляторы  карбюраторных и газовых двигателей воздействуют на дроссельную заслонку карбюратора или смесителя, регулятор дизельных двигателей – на рейку топливного насоса.

По числу  регулируемых режимов регуляторы разделяются  на однорежимные, двухрежимные и всережимные.

Однорежимные  регуляторы предназначаются для  ограничения максимального числа  оборотов. Они получили применение у бензиновых и газовых двигателей.

Двухрежимные регуляторы обеспечивают устойчивую работу двигателя на минимальных оборотах холостого хода и ограничивают максимальное число оборотов. В настоящее время они применяются редко на автомобильных дизельных двигателях.

Всережимные регуляторы обеспечивают устойчивую работу двигателя на всех режимах (обороты холостого хода, все промежуточные режимы, максимальные обороты). Такой регулятор позволяет водителю задать двигателю любой режим оборотов от минимальных до максимальных. Установленный водителем режим поддерживается регулятором автоматически. Всережимные регуляторы получили широкое распространение у дизельных двигателей. По сравнению с однорежимными всережимные регуляторы облегчают управление машиной, улучшают экономичность двигателя, повышают работоспособность и срок службы машины.