Статья представленная ниже является моим переводом статьи фирмы McLaren Electronic System (далее по тексту MES) о системах зажигания.
В бензиновом двигателе сгорание топливовоздушной смеси инициируется электрической искрой. Важное значение для оптимальной мощности и снижения выбросов имеет надежное зажигание с точным моментом поджига смеси. Пропуски воспламенения вызывают снижение мощности и могут привести к повреждением выпускных каналов выпускной трубы и каталитического нейтрализатора.
Искра, необходимая для воспламенения топливовоздушной смеси, получается путем подачи на электроды свечи зажигания высокого напряжения. Напряжение, необходимое для пробоя искрового зазора зависит от степени сжатия двигателя, качества и соотношения воздух-топливо и конструкции свечи зажигания.
Более 12кВ как правило необходимо для устойчивого образования искры. В особых случаях и нескольких киловольт будет достаточно, в то время, как при высокой степени сжатия смеси (так же высоком давлении наддува) или при обеднении смеси может потребоваться более 30кВ. Но как правило 25кВ достаточно для большинства двигателей.
Как только происходит пробой искрового промежутка, между электродами свечи возникает слой плазмы обладающей высокой проводимостью и напряжение на электродах свечи зажигания понижается до 100 вольт, этого вполне достаточно для поддержания горения искры. Продолжительность (или время горения) искры связанна с энергией и зависит в основном от соотношения воздух-топливо и от подготовки топливовоздушной смеси, которая в свою очередь зависит от дизайна впускных каналов, скорости потока воздуха и типа топлива.
Как и во всех системах далеко не вся подводимая к свече электрическая энергия передается в плазменном шнуре искры - значительное количество теряется в виде тепла. Чрезвычайно сложно измерить энергию плазмы в искре, никаких стандартных методик не существует, поэтому очень сложно сравнивать системы по 'энергетике'.
Максимальную электрическую энергию доступную в начале процесса искрообразования (предплазменная стадия) наоборот измерить очень легко, однако это значение может варьироваться от 25 миллиджоулей до нескольких сотен миллиджоулей и практически ничего не значит в плане общей энергетики системы зажигания. Сравнивая максимально доступную энергию с энергией необходимой для поджига смеси (менее 1 миллиджоуля) показывает нам, что необходимо соблюдать осторожность в интерпретациях уровней энергий систем. McLaren Electronics определил метод измерения, который позволяет сравнивать различные катушки, но это не означает, что это единственно возможный метод измерения.
Бензиновые (и спиртовые) двигатели могут использовать один из двух типов систем зажигания:
- CDI (конденсаторная система)
- TSI (транзисторная система)
Обе системы зажигания имеют свои преимущества и недостатки, которые должны быть тщательно рассмотрены в каждом применении. Обе технологии были введены много лет назад, но постоянным совершенствованием добились того, что они по-прежнему подходят для самых сложных дорожных и спортивных двигателей.
В CDI системе энергия искры генерируется в электронной схеме и запасается методом заряда конденсатора до высокого напряжения. В момент зажигания эта энергия передается от конденсатора к катушке зажигания. Поскольку камера сгорания в этот момент находится под высоким давлением катушка должна повысить напряжение конденсатора до нескольких тысяч вольт, чтоб создать искру. Для этого требуется катушка с соотношением числа витков в обмотках 500:1 и хорошая магнитная связь между первичной и вторичной обмоткой. Индуктивность катушки может быть низкой так как катушка зажигания CDI системы не накапливает энергию.
Большинство CDI систем заряжает конденсатор до 400в - таким образом запасаемая в нем энергия примерно 50 миллиджоулей. Исторически напряжение 400вольт основывается на типовом значении рабочего напряжения конденсаторов, доступных во время того как системы CDI были впервые представлены на рынке. Однако система TAG CDI работает на напряжении до 600вольт, что уменьшает размеры конденсаторов требуемые для накопления той же самой энергии (энергия=0,5CV^2). Высокое рабочее напряжение, так же, позволяет сделать катушки меньше а соотношение числа витков в обмотках ниже.
Громоздкие и тяжелые электронные схемы требуются для заряда конденсатора до необходимых 50мJ за короткий промежуток времени между двумя последовательными искрами. Тем не менее MES использует передовой, высокочастотный, импульсный источник питания для заряда конденсатора напряжением 600 вольт за очень короткое время 500 микросекунд. В результате мы смогли интегрировать CDI зажигание в столь же маленькое пространство, которое используется в TSI системах. Передача энергии от конденсатора к катушке происходит очень быстро. Обычно пиковое значение тока в цепи катушки достигает 30-50 Ампер. Из за высокого (по крайней мере 400 вольт) напряжения этот ток может проходить по довольно тонком проводу без серьезных потерь производительности.
В следствии быстрой передачи напряжения в первичную обмотку напряжение генерируемое системой и подаваемое на свечу зажигания (вторичное напряжение) так же нарастает очень быстро (около 10 киловольт за микросекунду), что делает систему CDI нечувствительной к шунтирующим сопротивлениям (например мокрым свечам зажигания).
Кроме того взаимодействие магнитного поля CDI катушки с металлом окружающим двигатель (вихревые токи) так же ограниченно поскольку генерация вторичного напряжения не зависит от изменения потока в магнитном поле. Тем не менее эта быстрая передача энергии ограничивает время горения искры значением 50-80 микросекунд. С CDI время горения невозможно увеличить. Не увеличение энергии запасенной в конденсаторе ни повышение индуктивности катушки зажигания не приводят к увеличению времени горения искры. Чтоб преодолеть это ограничение были разработаны экспериментальные системы в которых начальная "быстрая" искра создается CDI а время ее горения продлевается путем подачи в плазму энергии от отдельного источника напряжения. Такая система позволяет сочетать лучшие качества TSI (долгое время горения искры) и СDI (нечувствительность к шунтирующему сопротивлению). Однако система является сложной и коммерчески не доступна.
Принцип работы TSI очень простой. Напряжение АКБ подключается к катушке зажигания, что приводит к увеличению тока в ее обмотке и магнитному накоплению энергии в катушке. При отключении тока от первичной обмотки спад магнитного потока в катушке приводит к индуцированию напряжения, как во вторичной, так и в первичной обмотке (напряжение обратного хода). Соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток выбрано так, что во вторичной обмотке напряжение гораздо выше, чем в первичной. В результате искра имеет продолжительное время горения (примерно 0.5-1 миллисекунда) а индукция во вторичной обмотке сохраняет протекающий в плазменном зазоре ток так долго, как это возможно.
TSI в первоначальном виде использовалась задолго до CDI. Сначала, когда никакой электроники не было, для отключения тока в катушке использовался механический выключатель (контактная группа) в трамблере. Этот механический выключатель накладывал ограничение на напряжение генерируемое системой, так как ток в первичной обмотке должен быть ограничен. Кроме того, для замедления процесса выключения и защиты контактов от износа, в системе должен был использоваться конденсатор. Тривиальная в наши дни замена контактов транзистором раньше была не такой простой. Транзистор должен был коммутировать ток 6А (позже 8А) и выдерживать напряжение обратного хода до 400 вольт. 15 лет назад это было серьезной проблемой для полупроводниковой промышленности и лишь только некоторые компании могли производить надежные транзисторы с такими характеристиками и с очень высокой стоимостью. Сегодня легко доступны транзисторы выдерживающие 600вольт при рабочих токах 25А и многие другие.
В случае игнорирования защиты и диагностики (которые могут быть реализованы на одном кристалле кремния для рынка массовых применений) схема транзисторного зажигания по сути состоит из одного транзистора. Это означает, что ее электрический дизайн очень прост, но конструкция катушки гораздо более сложная. Максимальной энергией доступной для свечи (без учета потерь) является энергия запасенная в первичной обмотке катушки зажигания в момент искрообразования. Эта энергия = 0,5LI^2 (где L- индуктивность катушки а I-ток в первичной обмотке). Энергия может быть увеличена как увеличением индуктивности первичной обмотки так и увеличением протекающего через нее тока. Индуктивность зависит от магнитной схемы и числа витков в обмотке. Ток ограничен сопротивлением катушки. Увеличение числа витков приводит к увеличению индуктивности и увеличению сопротивления. Высокая индуктивность делает медленным заряд катушки и ограничивает число искр в минуту. Эта причина того что CDI была разработана для двигателей с высокими оборотами. (прим: поскольку это Макларен - высокими считаются обороты двигателя формулы 1 тысяч так 20 rpm, нашим двигателям до их высоких оборотов очень очень далеко, и тем не менее в F1 TSI! Короче - тут все очень противоречиво... ; )
В системе CDI катушка действует только как трансформатор - энергия запасается в конденсаторе. В следствии этого:
- Индуктивность первичной обмотки может быть низкой.
- Скорость нарастания напряжения очень высокая.
- Первичное напряжение очень высокое - поэтому кабели могут быть тоньше и длиннее.
- Быстрое увеличение выходного напряжения и нечувствительность к шунтирующему сопротивлению приводит к точному и быстрому моменту искрообразования.
- Магнитная схема катушки не критична.
- Время горения искры слишком мало.
- Электромагнитный выброс ограничен из за низкой индуктивности и малого времени горения искры.
Двигатели которые не требуют длительного времени горения искры как правило обладают лучшими показателями при применении CDI системы.
В системе TSI катушка хранит энергию и так же выступает трансформатором напряжения. В следствии этого:
- Индуктивность первичной обмотки должна быть относительно высокой.
- Частота переключений ограниченна временем заряда индуктивности.
- Первичное напряжение низкое а ток высокий. так что соединительные кабели должны быть толстыми и короткими.
- Магнитные схемы критичны. Может даже влиять расположение катушек на двигателе.
- Время горения искры большое.
- Электромагнитный выброс значителен у систем высокой энергии...
Переходные режимы в гоночном двигателе могут позволить поучить выгоду из длительного времени горения искры доступного с TSI. Хотя в системе управления всегда есть возможность генерировать хорошую смесь при полной нагрузке (из за больших времен впрыска и высокой скорости воздуха) это не всегда возможно на частичных нагрузках, когда время впрыска мало. Считается, что частичные нагрузки не интересуют спортсменов, но драгоценное время часто теряется, если водитель не может эффективно переключать передачи или стабилизировать автомобиль дросселем, поскольку эти возможности определяются четким откликом двигателя на дроссель.
После тысяч часов разработки эффективных катушки для CDI и TSI систем, McLaren Electronics может предложить аналогичные по размеру катушки для любого применения.
Высокое напряжение и нечувствительность к шунтирующему сопротивлению легче всего достигается с помощью CDI технологии. Если ваш двигатель не полагается на расширенное время горения, CDI система позволит применить меньшие по размеру катушки, облегчит их установку с потенциальными большей длиной кабеля и обеспечит быстрый рост напряжения. Однако в случае использования TSI, некоторые из потенциальных возможностей CDI систем могут быть воспроизведены, в случае применения катушек с низкой индуктивностью работающих на высоких значениях тока разрыва, около 25А (по сравнению с массовым рынком катушек, которые обычно работают при токах разрыва около 10А).
В автомобильной технике системы зажигания являются основным источником проблем электромагнитной совместимости. Любое изменение электрического заряда вызывает излучение а электрическая искра создает электромагнитные помехи. В системах зажигания гоночных двигателей эти помехи очень велики поэтому элементы подавления излучений необходимо интегрировать в катушку, однако они рассеивают энергию и снижают эффективность системы зажигания. Чтоб свести к минимуму последствия ЭМИ надо правильно выбрать систему зажигания и расположение элементов электропроводки.
TSI системы с большими и тяжелыми катушками зажигания в массе применяемые на рынке являются наименее требовательными в этом отношении. Такие катушки как правило обладают высокой индуктивностью низким рабочим током и включают в себя помехоподавляющие сопротивления. В результате медленного нарастания тока и напряжения в вторичной обмотке электромагнитное изучение системы ограничено. Очень высокая частота вращения двигателя не может быть достигнута с этими катушками и и их выходная мощность таким образом может быть ниже оптимальной.
CDI катушки, как правило, излучают больше энергии, чем массовый рынок TSI катушек, так как CDI катушки разработаны, чтобы обеспечивать очень быстрый рост напряжения. Тем не менее, их электромагнитное излучение ограничено, так как катушка действует как трансформатор напряжения и излучение происходит только в течении очень короткого времени искры.
Самые требовательные - TSI катушки с высоким током разрыва и низкой индуктивностью. Уровень помех от которых не только велик, но и излучается в течении относительно длительного времени. Они часто требуют полного экранирования электрических кабельных систем и могут потребовать включения в систему элементов подавления паразитного ЭМИ.
McLaren Electronics может сконструировать и изготовить катушки всех типов, с и без интегрированными элементами подавления излучения. Наш проект может быть оптимизирован для использования с нашими собственными ЭБУ или ЭБУ других производителей. Мы можем поставить катушки для трамблерных и без трамблерных систем зажигания, для установки "на свечу" или на шасси автомобиля.
Катушки могут поставляться с защищенными кабелями, вплоть до использования кабелей военной спецификации. С кабелем в первичной обмотке или просто голыми клеммами под изоляцию.
Поддерживается разработка жгутов и кабелей, катушки могут быть собранны в схему с кабелем - готовую для инсталляции. Поддерживается множество различных типов свечей или подключения высоковольтных кабелей. Наиболее распространены. разъем c фиксацией, разъем с фиксацией и пружиной, подпружиненный колпачок, резьбовой М4 коннектор (со стороны свечи).
(с) McLaren Electronic System.
перевод (с) 2013Maxi(RPD). копирование материалов ресурса без разрешения автора запрещено.