Исследование характеристики выделения энергии в межэлектродном зазоре свечи зажигания на холостом ходу двигателя

Исследование характеристики выделения энергии в межэлектродном зазоре свечи зажигания на холостом ходу двигателя

С.М. Францев, А.Ю. Кавторев Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Аннотация: Проведены экспериментальные исследования системы зажигания с накоплением энергии в магнитном поле катушки зажигания на холостом ходу бензинового двигателя внутреннего сгорания. При помощи датчиков тока и напряжения произведена визуализация, трансформация и анализ информации о характеристике выделения энергии искрового разряда в цилиндре двигателя на холостом ходу. Произведена обработка осциллограмм и показано, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя происходит снижение энергии, выделяемой в межэлектродном зазоре свечи зажигания. Уменьшение выделяемой энергии (при неизменной величине энергии, накопленной в магнитном поле катушки зажигания) связано с ее перераспределением между емкостной и индуктивной фазами разряда. При увеличении частоты вращения коленчатого вала пробивное напряжение повышается, растет и коэффициент избытка воздуха, что также увеличивает пробивное напряжение межэлектродного зазора свечи зажигания.

Ключевые слова: система зажигания, искровой разряд, искровое зажигание, катушка зажигания, двигатель внутреннего сгорания, электрооборудование, свечи зажигания.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), являясь сложной технической системой, включает в себя ряд систем, одной из которых является система зажигания. Эффективность и качество системы зажигания ДВС обеспечивается соответствием параметров искрового разряда, требуемым для данного момента параметрам для успешного воспламенения топливовоздушных смесей в цилиндре.

Система зажигания ДВС формирует между электродами свечи зажигания искровой разряд. Искровой разряд включает в себя две фазы: пробой межэлектродного зазора свечи зажигания и емкостная фаза разряда, индуктивная фаза разряда.

Величина напряжения пробоя межэлектродного зазора существенно зависит от условий в цилиндре ДВС изменяющихся в зависимости от режима работы ДВС [1].

:

Величина энергии емкостной фазы разряда ТЕМК связана с пробивным напряжением иПР известным соотношением:

С  и2

ТТ — 'св ПР " ЕМК ~

2

где ССВ - величина емкости свечи зажигания.

На режиме холостого хода ДВС наибольшее влияние на процесс воспламенения оказывает индуктивная фаза разряда, что подтверждают результаты исследований [1 - 7].

Известно соотношение между энергией ТИНд, напряжением Цдр, длительностью гИР и током 1ИР индуктивной фазы искрового разряда:

1ИР

Тинд — ] и ИР

I ИР (г .

В качестве одной из основных характеристик систем зажигания приводят величину накапливаемой в магнитном поле катушки зажигания энергии. Однако, кинетика горения в цилиндре ДВС осложнена тем обстоятельством, что параметры топливно-воздушной смеси претерпевают очень сильные изменения [8]. Величина и характеристика выделения энергии в межэлектродном зазоре свечи зажигания в цилиндре ДВС на режиме холостого хода изучены достаточно мало.

В Автомобильно-дорожном институте Пензенского государственного университета архитектуры и строительства проведены исследования энергетических зависимостей (величин напряжения, тока и длительности) искрового разряда на холостом ходу бензинового ДВС ВАЗ-1111.

Исследования проводились с транзисторным коммутатором модели 962.3734, оснащенным катушкой зажигания 406.3705 (далее ТрСЗ).

Величина напряжения индуктивной фазы фиксировалась на высоковольтном проводе посредством емкостного делителя напряжения. Определение значений тока искрового разряда осуществлялось посредством

J

измерительного трансформатора тока. Трансформатор тока был закреплен на высоковольтном проводе. Визуализация, трансформация и анализ информации о величинах тока и напряжения искровых разрядов производилась на основе компьютерных методов обработки получаемой информации.

На рис. 1 приведены амплитудно-временные параметры индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ на холостом ходу в зависимости от частоты вращения п коленчатого вала двигателя ВАЗ-1111. кВ

/ \ V"-

\ Ч \

0 0,5 1 мс 0,25 0,75 1,25 1,75

MP --

1000 мин'

--------2000 мин'

--3000 мин''

• • • • 4000 мин' ----5000 мин'1

Рис. 1 - Амплитудно-временные параметры индуктивных фаз искрового разряда, формируемого ТрСЗ на холостом ходу в зависимости от частоты вращения п коленчатого вала двигателя

На основе данных, приведенных на рис. 1, с помощью программного обеспечения Microsoft Excel и STATISTICA, построена характеристика выделения энергии индуктивной фазы искрового разряда ЖИНд на холостом ходу в зависимости от частоты вращения n коленчатого вала двигателя (рис. 2).

\Nrna. мДж

22.0

21,5 21,0 20,5 20.0 1Э.5 19.0 18,5 18.0

1000 2000 3000 4000 5000 П, МШ

Рис. 2 - Энергия ЖИР, выделяемая в межэлектродном зазоре свечи зажигания индуктивной фазой ТрСЗ на холостом ходу в зависимости от частоты вращения п коленчатого вала двигателя

В ТрСЗ величина энергии ЖИНд, выделяемой в межэлектродном промежутке свечи зажигания уменьшается на 15 % с повышением частоты вращения коленчатого вала от 1000 до 5000 мин-1 (рис. 2).

Уменьшение выделяемой энергии (при неизменной величине энергии ЖИР, накопленной в магнитном поле катушки зажигания) связано с ее перераспределением между емкостной и индуктивной фазами разряда. Уменьшение величины пробивного напряжения приводит к уменьшению величины энергии ЖЕМК, выделяемой в емкостной фазе разряда и увеличению выделяемой в индуктивной фазе ЖИНд, так как суммарная энергия искрового разряда ЖИР определяется суммой ЖиНд и ЖЕМК.

Для увеличения частоты вращения коленчатого вала приходится приоткрывать дроссельную заслонку, при этом пробивное напряжение межэлектродного зазора свечи зажигания повышается [2, 10]. Растет и

коэффициент избытка воздуха, что также увеличивает пробивное напряжение межэлектродного зазора свечи зажигания [9].

Таким образом, с повышением частоты вращения коленчатого вала от 1000 до 5000 мин-1 величина энергии, выделяемой в межэлектродном промежутке свечи зажигания, уменьшается на 15 % (при одинаковом количестве энергии, накопленной в магнитном поле катушки зажигания) при росте пробивного напряжения в зазоре свечи. Данные зависимости следует учитывать при создании математических моделей искрового воспламенения топливовоздушных смесей в цилиндре ДВС; при исследованиях влияния энергии искрового разряда на показатели токсичности и топливной экономичности ДВС; при выборе параметров искрового разряда, необходимых для успешного воспламенения смесей в цилиндре, что позволит повысить надежность и качество ДВС.

Литература

1. Францев, С.М. Улучшение показателей газовых ДВС за счет рационального выбора параметров искрового разряда системы зажигания: дис... канд. техн. наук: 05.04.02 / Волгоград, 2009. - 128 с.

2. Францев, С.М. Теоретико-экспериментальные исследования параметров систем зажигания высокой энергии для газовых двигателей: монография / С.М. Францев, Г.И. Шаронов. - Пенза, ПГУАС, 2012. - 120 с.

3. Влияние форсированных токовременных параметров искрового инициирующего разряда на показатели газового двигателя / Г.И. Шаронов, С.М. Францев, В.И. Викулов, Э.Р. Домке // Вестник МАДИ (ГТУ), 2009. №4. - С. 30-34.

4. Шаронов, Г.И. Интенсификация токовременных параметров искрового инициирующего разряда газового двигателя / Г.И. Шаронов, С.М. Францев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки, 2008. №2. - С. 128-135.

5. Францев, С.М. Влияние характеристик искрового разряда конденсаторных систем зажигания на показатели газового двигателя на режиме холостого хода // Интернет-журнал "Науковедение", 2014. № 4 (23). URL: naukovedenie.ru/PDF/01TVN414.pdf.

6. Lorne E, Kenneth C. The effect of enhanced ignition on the burning characteristics of methane-air mixtures // Combustion and flame, 2002. - № 54. -PP. 183-193.

7. Malov V.V. Optimization of spark discharge characteristics and it is effect on the ignition of a near-limit fuel-air mixtures // 8-Th International conference "Gas-discharge and its application". - Oxford, 1985. - PP. 507-510.

8. Е.Н. Ладоша. Имитация рабочего процесса поршневых двигателей на основе моделей химических реакций, турбулентности и теплообмена // «Инженерный вестник Дона», 2008, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2008/78.

9. Злотин, Г.Н. Оптимизация характеристик разряда системы зажигания / Г.Н. Злотин, В.В. Малов // Автомобильная промышленность, 1987. №7. - С. 21-24.

10. В.В. Мациборко, А.Ю. Будко, А. Л. Береснев, М.А. Мациборко. Исследование устройств регистрации ионного тока в камере сгорания // «Инженерный вестник Дона», 2014, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2611.

References

1. Frantsev, S.M. Uluchshenie pokazateley gazovykh DVS za schet ratsional'nogo vybora parametrov iskrovogo razryada sistemy zazhiganiya: dis... kand. tekhn. nauk [Improvements in gas engine by choosing the parameters of the spark discharge ignition system. Dissertation for the degree of doctor of philosophy]: 05.04.02. Volgograd, 2009. 128 p.

2. Frantsev, S.M. Teoretiko-eksperimental'nye issledovaniya parametrov sistem zazhiganiya vysokoy energii dlya gazovykh dvigateley: monografiya [Theoretical and experimental investigation of the parameters of high-energy ignition systems for gas engines. Monograph]. S.M. Frantsev, G.I. Sharonov. Penza, PGUAS, 2012. 120 p.

3. G.I. Sharonov, S.M. Frantsev, V.I. Vikulov, E.R. Domke. Vestnik MADI (GTU). 2009. №4. PP. 30-34.

4. G.I. Sharonov, S.M. Frantsev. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki. 2008. №2. PP. 128-135.

5. S.M. Frantsev, A.Yu. Kavtorev. Internet-zhurnal "Naukovedenie". 2014. № 4 (23). URL: naukovedenie.ru/PDF/01TVN414.pdf.

6. Lorne E, Kenneth C. Combustion and flame. 2002. № 54. PP. 183-193.

7. Malov V.V. 8-th International conference "Gas-discharge and its application". Oxford, 1985. PP. 507-510.

8. E.N. Ladosha. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2008, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2008/78.

9. G.N. Zlotin, V.V. Malov. Avtomobil'naya promyshlennost'. 1987. №7. PP. 21-24.

10. V.V. Matsiborko, A.Yu. Budko, A.L. Beresnev, M.A. Matsiborko. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2611.