Системы зажигания газопоршневых двигателей

Системы зажигания предназначены для воспламенения га­зовоздушной смеси в цилиндрах двигателей.

Различают самовоспламенение и вынужденное воспламенение.

Как уже указывалось, газовые двигатели с самовоспламенением, имеющие высокую степень сжатия, не получили распространения. Наиболее распространенным способом вынужденного воспламенения топливовоздушной смеси является искровое зажигание.

Принцип действия искровых систем зажигания сохранялся на протяжении столетия - при подаче на­пряжения на первичную обмотку катушки в ней нарастает ток, и в магнитном поле катушки накапливается энергия, необходи­мая для искрообразования. При размыкании первичной обмот­ки, благодаря явлению самоиндукции, в ней возникает напря­жение не менее 250 В, а во вторичной обмотке - до 50 кВ (при коэффициенте трансформации 200, характерным для так назы­ваемых катушек высокой энергии). В разряднике свечи зажи­гания, подключенной к вторичной обмотке, происходит пробой искрового промежутка, и появляется искра [27].

Если энергия искрового разряда недостаточна, а также если вследствие неоднородности или переобеднения смеси распро­странение пламени не происходит, то очаг сгорания затухает. Отсутствие воспламенения при наличии искрового разряда при­нято называть пропуском воспламенения, который следует от­личать от пропуска искрообразования. Пропуски воспламене­ния и искрообразования приводят к пропускам зажигания, которые часто называют перебоями зажигания, а также пропус­ками вспышек. Их опасность заключается в том, что несгоревшая топливовоздушная смесь на такте выпуска поступает в вы­пускной тракт двигателя и там может воспламениться от горячих газов, отработавших в других цилиндрах. Это будет сопровож­даться так называемыми «выстрелами» (вспышками, хлопками) в выпускной системе.

Могут иметь место и вспышки во впускной системе, если в результате малой скорости сгорания (из-за переобеднения сме­си или позднего зажигания) процесс сгорания вялый и растя­гивается на такт выпуска. Тогда в период перекрытия фаз вы­пускных и впускных клапанов может воспламениться смесь во впускной системе.

Нежелательным является преждевременное, до появления искрового разряда, самовоспламенение смеси в цилиндрах, приводящее к снижению мощности двигателя из-за чрезмерного противодавления в конце такта сжатия. Самовоспламенение возможно при местном перегреве поверхностей камеры сгора­ния (выпускные клапаны, свечи зажигания, отдельные участки головки цилиндра или поршня) или перегрева нагара на этих поверхностях.

Наиболее опасным является детонационное сгорание, кото­рое возникает, как правило, в удаленной от свечи зажигания зоне, около горячих стенок. Топливовоздушная смесь в таких зонах перегревается до прихода фронта пламени нормального сгорания, кроме того, подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени. Это способствует самовос­пламенению смеси, имеющему характер взрыва с резким ло­кальным повышением температуры и образованием ударной волны. Скорость ее перемещения в камере может достигать 1000...2000 м/с. Детонационное сгорание резко увеличивает теплоотдачу в стенки камеры сгорания и механические ударные нагрузки на детали двигателя. Мощность и экономичность сни­жаются, а перегрев двигателя и содержание в выпускных газах несгоревших углеводородов увеличиваются. Длительная интен­сивная детонация недопустима, так как приводит к локальному перегреву поверхности камеры сгорания и ускоренному раз­рушению деталей двигателя. Возникновению детонации способ­ствуют нестойкие в отношении детонации топливные газы, имеющие низкий метановый индекс, высокие температура и дав­ление воздуха (смеси) перед впускными клапанами, высокая степень сжатия, перегрев камеры сгорания, раннее искрообразование (большой угол опережения зажигания) [27].

Исключение нежелательных и опасных нарушений процес­са сгорания достигают благодаря комплексу мероприятий, часть из которых организует движение топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателей, а другая часть — формирование ис­крового разряда с оптимальными характеристиками (момент искрообразования, энергия искры, геометрия дуги, движение дуги, многоискровой режим).

Конструкция впускных органов двигателя и камеры сгорания обычно обеспечивает завихрения рабочего заряда с интенсив­ным поступлением его в зону источника воспламенения. Это достигается применением конструкций, обеспечивающих тан­генциальное или спиральное направление движения смеси.

Эффективным способом улучшения процессов воспламене­ния является расслоение рабочего заряда с таким расчетом, чтобы в зону свечи зажигания поступала обогащенная смесь, в то время как в остальной части камеры сгорания находилась смесь обедненная. В двигателях с непосредственным впрыском газа это достигается соответствующей организаций движения воздушного вихря, геометрией камеры сгорания, расположени­ем и геометрией форсунки. В двигателях с внешним смесеобразо­ванием может быть применен раздельный впуск в цилиндр обо­гащенной и обедненной смеси или обогащенной смеси и чистого воздуха. В двигателях с подводом газа к впускным клапанам может быть организована ступенчатая подача газа для рас­слоения рабочего заряда на обогащенную и обедненную части. Во всех случаях организация движения смеси в цилиндрах и профиль камеры сгорания должны обеспечить в момент искрообразования присутствие небольшой порции обогащенной смеси в районе свечи зажигания. Создание условий для такого расслоения в однополостных камерах сгорания является весьма трудной задачей.

Хорошо зарекомендовавшим себя способом принудительно­го воспламенения бедной топливовоздушной смеси является применение разделенных камер с форкамерно-факельным за­жиганием. Свеча зажигания устанавливается в форкамере не­большого объема (2...5 % от объема основной камеры). Систе­ма топливоподачи обеспечивает наполнение форкамеры таким количеством топливного газа, которое, смешиваясь с бедной топливно-воздушной смесью из полости над поршнем, способно воспламеняться от искрового разряда небольшой мощности. Бедная смесь в основной камере сгорания воспламеняется от факела, распространяющегося из форкамеры.

Большинство современных газопоршневых электроагрегатов оборудованы электронными системами искрового зажигания с низковольтным распределением и индивидуальными катуш­ками зажигания для каждого цилиндра. Управление зажиганием - микропроцессорное, позволяющее автоматически регу­лировать энер-

гию искрового разряда и угол опережения зажи­гания для каждого цилиндра. Электронные системы зажигания комплектуются датчика-

ми углового положения коленчатого и распределительного валов двигателя, а также дополнительно - датчиками детонации (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Схема системы зажигания с микропроцессорным управлением:

1 – маркерный диск коленчатого газа; 2 – свеча зажигания; 3 – катушка зажига-

ния; 4 – датчик детонации; 5 – силовой модуль (коммутатор); 6 – маркерный диск распределительного вала; 7 – блок управления; 8 – датчик положения распределительного вала; 9 – датчик начала отсчета; 10 – датчик положения коленчатого вала