Расчет системы зажигания ГАЗ-24

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

К современным системам зажигания предъявляется множество требований, основными из которых являются следующие.

1. Вторичное напряжение должно обеспечивать устойчивое искрообразование на всех режимах работы двигателя в различных неблагоприятных условиях (загрязнение свечей, колебания питающего напряжения, температуры и т.п.).

Вторичное напряжение оценивают по коэффициенту запаса, который обычно выбирают, исходя из того, чтобы к концу гарантийного пробега (20-30 тыс.км.) без регулировки зазора между электродами свечи обеспечивалось бесперебойное искрообразование.

За время гарантийного пробега в результате увеличения зазора и округления электродов свечи пробивное напряжение U_ПР увеличивается на 40-50%. Чтобы гарантировать коэффициент запаса К_З = 1 в конце пробега, его расчетное значение должно быть 1,4-1,6.

2. Энергия и длительность искрового разряда должны быть достаточны для надежного воспламенения смеси на всех режимах работы двигателя.

Небольшое уменьшение энергии не должно приводить к заметному ухудшению характеристик двигателя. При установившемся режиме работы двигателя с максимальной мощностью требуется 10-15 мДж, тогда как для пуска и работы на переходных режимах необходима энергия 30 мДж и выше.

Длительность искрового разряда также влияет на процесс воспламенения. На режимах работы двигателя, близких к максимальной мощности (для состава смеси, при котором коэффициент избытка воздуха ? = 0,85…0,98), рабочий процесс в нем не лимитируется временем сгорания смеси. При обеднении рабочей смеси (? = 1,0…1,4) и работе двигателя на режимах с ухудшенными условиями при уменьшении длительности искрового разряда повышается расход топлива и снижается мощность двигателя. К таким режимам относятся:

а) режимы малых (частичных) нагрузок, особенно при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя;

б) режим холостого хода - рабочая смесь переобогащена и сильно разбавлена остаточными газами;

в) переходные режимы, при которых смесь обедняется или обогащается;

г) режим пуска двигателя, характеризующийся резкой неоднородностью смеси, низкими значениями её температуры и давления.

Считается, что длительность искрового разряда должна быть не менее 1мс.

Для того чтобы правильно подобрать систему зажигания к двигателю, необходимо рассчитать выходные характеристики системы зажигания, требуемые для данного двигателя, а также выходные характеристики выбранной системы зажигания, если они не известны, и произвести сравнение выходных характеристик требуемых для данного двигателя, с характеристиками выбранной системы зажигания.

1. Техническое задание на курсовой проект

1. Для заданных параметров автомобильного двигателя рассчитать требуемые выходные характеристики системы зажигания:

- зависимость максимального вторичного напряжения системы зажигания U2* от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ;

- зависимость минимальной длительности искрового разряда t_Р* от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ;

- зависимость энергии искрового разряда W_Р*, требуемой для надежного воспламенения топливной смеси, от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ.

Расчет производить для двух режимов работы двигателя: режим пуска (n_ДВ = 100…300 мин^-1) и режим полного дросселя (n_ДВ = 1000…6000 мин^-1).

2. Для выбранной системы зажигания рассчитать её выходные характеристики в зависимости от величины шунтирующей нагрузки:

- зависимость максимального вторичного напряжения системы зажигания U2 от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ;

- зависимость минимальной длительности искрового разряда t_Р от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ;

- зависимость энергии искрового разряда W_Р от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ.

Расчет производить для режимов работы двигателя, указанных в пункте 1, при двух значениях шунтирующей нагрузки R_Ш = ?, С_Ш = 0 и R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ.

3. Построить графические зависимости рассчитанных характеристик и произвести их совмещение. Рассчитать зависимость реальных коэффициентов запаса по напряжению, энергии и длительности разряда от частоты вращения коленчатого вала двигателя для различной шунтирующей нагрузки.

Оценить соответствие выбранной системы зажигания заданному двигателю внутреннего сгорания.

зажигание двигатель искровой разряд

Исходные данные

Степень сжатия	ДВС	ИП, мм	Свеча	Распределитель	Катушка зажигания	Добавочный резистор	Коммутатор
6,9	4-цилиндр.	0,75	А11	Р119-Б	Б115-В	Встроен в КЗ	Нет

Свечной наконечник.

Распределитель Р119-Б (емкость конденсатора 0,22 мкФ).

Чередование искр, град.	Максимальная частота вращения, мин-1 ПКВ	Характеристика центробежного автомата (по коленчатому валу)	УЗСК, град ПРВ
		Частота вращения, мин-1	Угол опережения зажигания, град ПКВ
90	5000	1300 2000 3000 4000	1-7 15-21 24-30 33-38	36-42

Зазор между контактами: 0,4 ± 0,05 мм;

УОЗ центробежного автомата (при частоте вращения 300 - 1950 мин^-1): 0 - 19 град.;

УОЗ вакуумного автомата (при разряжении 110 - 200 мм. рт. ст.): 0 - 9,5 град.;

Масса: 2,1 кг.

Катушка зажигания Б115-В.

R1, Ом	R2, кОм	L1, мГн	L2, Гн	КТР	RДР, Ом
1,7	6,6	6,7	37,5	83	0,95

Первичная обмотка: число витков - 268;

диаметр провода - 0,69 мм;

Вторичная обмотка: число витков - 20800;

диаметр провода - 0,07 мм;

Вторичное напряжение: ? 19 кВ;

Со встроенным добавочным резистором выполненном в виде спирали из никелевой проволоки диаметром 0,4 мм и помещенным в специальном изоляторе.

Свеча А11.

Материал изолятора	Длина резьбовой части корпуса, мм	Размер шестигранника «под ключ», мм	Искровой промежуток, мм	Калильное число
Хилумин	12	20,8	0,75 - 1,0	11

Батарея аккумуляторная 6СТ - 60ЭМ.

Номинальная емкость, А·ч	60
Напряжение в начале разрядки при стартерном режиме, В	8,4

Провода высокого напряжения.

Длина центрального провода, см	Длина свечного провода, см	Изоляция
65	70	ПВЛ - 2 (резина)

Резисторы помехоподавительные.

Включены к свечам, в цепь проводов высокого напряжения; центральный контакт распределителя также имеет подавительное сопротивление.

Сопротивление RПП = 13 кОм.

2. Расчёт требуемых выходных характеристик системы зажигания

Расчет требуемых выходных характеристик заданной системы зажигания ведется по номограммам. Исходными данными для расчета являются:

- геометрическая степень сжатия заданного двигателя ?;

- величина искрового промежутка свечи зажигания d, мм;

- характеристика центробежного автомата распределителя ? = ?(n_ДВ).

Точность расчета по номограммам составляет 15-30%.

2.1 Расчет максимального значения вторичного напряжения

Требуемое значение максимального вторичного напряжения системы зажигания определяется в соответствии с ОСТ 37.003.003-70. Согласно стандарту требуемое значение выходного напряжения системы зажигания определяется по формуле U2* = U_ПР(d) К_З*,

где К_З* - требуемое значение коэффициента запаса по вторичному напряжению (при расчетах можно принять К_З* = 1,5); U_ПР(d) - пробивное напряжение новой свечи зажигания.

Для определения зависимости пробивного напряжения свечи зажигания от частоты вращения применяется метод номограмм. Определить пробивное напряжение новой свечи в режиме пуска можно по номограмме, приведенной на рисунке 1.

U2* = U_ПР(0,75) К_З* = 13·1,5 = 19,5 кВ.

Для расчета необходимы следующие исходные данные: геометрическая степень сжатия ?, величина искрового промежутка свечи d, частота вращения двигателя n при пуске.



Рисунок 1. Номограмма определения пробивного напряжения свечи при пуске двигателя. ? = 6,9; n = 150 мин^-1; d = 0,75 мм; U_ПР = 13 кВ

Расчет ведут следующим образом: на оси “?” откладывают значение геометрической степени сжатия ? (? = 6,9), затем через эту точку и точку, определяющую пусковые обороты двигателя на оси “n” (n = 150 мин^-1), проводят прямую до пересечения с осью “P_СЖ”. Полученную точку пересечения на оси “P_СЖ” соединяют прямой линией с точкой на оси “d”, соответствующей заданному зазору свечи (d = 0,75 мм). Пересечение этой прямой с осью “U_ПР” дает искомое значение величины пробивного напряжения новой свечи зажигания в режиме пуска двигателя U_ПР = 13 кВ.

Пробивное напряжение новой свечи в режиме полного дросселя определяют по номограммам, приведенным на рисунках 2,3,4. Расчет ведут для искрового промежутка 0,7 мм по формуле

U_ПР(0,7) = U_ПР1 - U_ПР2 - U_ПР3,

где U_ПР1 - пробивное напряжение свечи при температуре +20°С, определяемое по номограмме на рисунке 2; U_ПР2 - снижение пробивного напряжения свечи в результате ионизации при температуре сжатия, определяемое по номограмме на рисунке 3; U_ПР3 - снижение пробивного напряжения свечи вследствие ионизации под влиянием температуры центрального электрода свечи, определяемое по номограмме на рисунке 4.

Пробивное напряжение U_ПР1 определяют по номограмме (рисунок 2). Для расчета необходимы следующие исходные данные: геометрическая степень сжатия ?, частота вращения коленчатого вала и угол опережения зажигания ?. Угол опережения зажигания определяют по характеристике центробежного автомата распределителя выбранной системы зажигания.

Рисунок 2. Номограмма определения пробивного напряжения свечи в режиме полного дросселя при температуре +20°С: n = 1300 мин^-1; ? = 6,9; ? = 5°ПКВ; d = 0,7 мм; Р_СЖ = 14,5·10⁵ Па; U_ПР1 = 26 кВ

На оси “?” откладывают заданное значение степени сжатия (? = 6,9). Через эту точку и точку на оси “n”, соответствующую выбранной частоте вращения коленчатого вала двигателя (n = 1300 мин^-1), проводят прямую до пересечения с осью “1”. Полученную точку на оси 1 и точку на оси “?”, соответствующую углу опережения зажигания для выбранной скорости вращения коленчатого вала двигателя (? = 5°ПКВ), соединяют прямой линией, продолжая ее до пересечения с осью “Р_СЖ”. Полученную точку на оси “Р_СЖ” и точку на оси “d”, соответствующую зазору в свече 0,7 мм, соединяют прямой линией и продолжают ее до пересечения с осью “U_ПР1”. Точка пересечения прямой линии с осью даст искомое значение U_ПР1 = 26 кВ.

Рисунок 3. Номограмма определения снижения пробивного напряжения свечи в результате ионизации при температуре сжатия: n = 1300 мин^-1; ? = 6,9; ? = 5°ПКВ; d = 0,7 мм; Р_СЖ=14,5·10⁵ Па; U_ПР2 = 14 кВ

Второй член формулы U_ПР2 определяют по номограмме (рисунок 3) аналогичным образом. На оси “?” откладывают заданное значение степени сжатия (? = 6,9) и полученную точку соединяют с точкой на оси “n”, соответствующей заданной частоте вращения коленчатого вала (n = 1300 мин^-1), линию продолжают до пересечения с осью “1”.

Точку на оси “1” соединяют прямой с точкой на оси “?”, соответствующей заданному углу опережения зажигания (5°ПКВ) для выбранной частоты вращения коленчатого вала двигателя, и на пересечении с осью “Т_СЖ” находят точку, которую соединяют прямой линией с точкой на оси “2”, полученной от пересечения с прямой, проведенной через точку, отложенную на оси “Р_СЖ” (Р_СЖ = 14,5·10⁵ Па из номограммы, приведенной на рисунке 2), и точку на оси “d”, соответствующую зазору свечи 0,7 мм. Пересечение прямой линии, соединяющей точки на оси “2” и оси “Т_СЖ”, с осью “U_ПР2” дает искомое значение U_ПР2 = 14 кВ.

Третий член формулы находят по номограмме, приведенной на рисунке 4. На оси “Р_СЖ” откладывают значение Р_СЖ, определенное ранее по номограмме (рисунок 2), и через полученную точку и точку на оси “d”, соответствующую зазору 0,7 мм, проводят прямую до пересечения с осью “1”. Полученную точку на оси “1” соединяют с точкой на оси “n”, соответствующей заданной частоте вращения коленчатого вала двигателя (n = 1300 мин^-1). Пересечение полученной прямой с осью “U_ПР3” дает искомое значение U_ПР3 = 2,3 кВ.

Рисунок 4. Номограмма определения снижения пробивного напряжения свечи вследствие ионизации под влиянием температуры центрального электрода: d = 0,7 мм; n = 1300 мин^-1; Р_СЖ=14,5·10⁵Па; U_ПР3 = 2,3 кВ

Результирующее значение U_ПР в режиме полного дросселя при n = 1300 мин^-1 для зазора свечи 0,7 мм будет равно

U_ПР(0,7) = U_ПР1 - U_ПР2 - U_ПР3 = 26 - 14 - 2,3 = 9,7 кВ.

Для зазора свечи, отличающегося от 0,7 мм, значение пробивного напряжения определяют по формуле

U_ПР(d) = U_ПР(0,7) + 10(d - 0,7),

U_ПР(0,75) = 9,7 + 10(0,7 - 0,7) = 10,2 кВ.

Расчет величины пробивного напряжения для других частот вращения в режиме полного дросселя, производится аналогично. Результаты расчета сведены в таблицу 1.

По полученным результатам расчетов построены зависимости пробивного напряжения свечи зажигания U_ПР и требуемого вторичного напряжения системы зажигания U2* от частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме полного дросселя: U_ПР = ?(n_ДВ) и U2* = ?(n_ДВ). Зависимости приведены на рисунках 5 и 6 соответственно.

Таблица 1.

n, мин-1	?, град ПКВ	d = 0,7 мм	d = 0,75 мм
		UПР1, кВ	UПР2, кВ	UПР3, кВ	UПР, кВ	U2*, кВ
150	-	-	-	-	13	19,5
1300	5	26	14	2,3	10,2	15,3
2000	18	22,7	11,7	2	9,5	14,25
3000	27	21	10	2	9,5	14,25
4000	35	19,5	8,8	2,1	9,1	13,65
5000	35	20	9,2	2,9	8,4	12,6
6000	35	20,7	9,9	3,8	7,5	11,25



Рисунок 5. Зависимость пробивного напряжения свечи зажигания U_ПР от частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме полного дросселя.

Рисунок 6. Зависимость требуемого вторичного напряжения системы зажигания U2* от частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме полного дросселя.

2.2 Расчет энергии искрового разряда

На основании экспериментальных данных /2/ была выведена эмпирическая формула, связывающая величину энергии искры с параметрами двигателя:

(мДж).

Эта формула показывает, что требуемая для надежного воспламенения энергия искры обратно пропорциональна степени сжатия, частоте вращения коленчатого вала двигателя, зазору в свече зажигания и прямо пропорциональна тактности двигателя ?.

Данная формула действительно соответствует тепловой природе зажигания. С увеличением степени сжатия растут давление и температура в момент искрового разряда, а следовательно, величина требуемой для надежного воспламенения энергии уменьшается. Увеличение зазора также приводит к снижению величины требуемой энергии.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя приводит к возрастанию температуры в камере сгорания (из-за уменьшения теплообмена газов в стенки цилиндра и увеличения содержания остаточных газов), и, хотя вместе с этим усиливаются турбулентные пульсации, требуется меньшие значения энергии искрового разряда для воспламенения топливной смеси.

Расчет требуемой для надежного воспламенения энергии искрового разряда W_Р* можно производить по номограмме, представленной на рисунке 7. Расчет ведется следующим образом. На оси “n, мин^-1” откладывают значение частоты вращения коленчатого вала двигателя, для которой определяется величина энергии разряда (n = 1300 мин^-1). Затем через эту точку и точку на оси “?”, которая соответствует величине степени сжатия двигателя (? = 6,9), проводят прямую до пересечения с осью “1”.



Рисунок 7. Номограмма определения энергии искрового разряда, требуемой для надежного воспламенения: n = 1300 мин^-1; ? = 6,9; d = 0,75 мм; W_Р* = 17 мДж

Полученную точку на оси “1” соединяют прямой с точкой 4 на оси “3”, соответствующей 4-тактному двигателю, и отмечают точку пересечения прямой с осью “2”. Через полученную на оси “2” точку и точку на оси “d, мм”, соответствующую величине зазора в свече (d = 0,75), проводят прямую до пересечения с осью “W_Р*” дает искомое значение требуемой величины энергии в мДж (W_Р* = 17 мДж).

Для других частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчета сведены в таблицу 2 и построена графическая зависимость W_Р* = ?(n_ДВ) (рисунок 8).

Таблица 2.

n, мин-1	WР*, мДж
150	43
700	23
1300	17
2000	14
3000	11,6
4000	10,2
5000	9,3
6000	8,4

Рисунок 8. Зависимость требуемой энергии искрового разряда W_Р* от частоты вращения коленчатого вала двигателя n.

2.3 Расчет длительности искрового разряда

Для вывода формулы определения минимальной длительности искрового разряда, обеспечивающего надежное воспламенение топливной смеси, также были использованы экспериментальные данные /2/. Было получено следующее выражение:

(мс).

Эта формула показывает, что минимальная длительность искрового разряда, требуемая для надежного воспламенения топливной смеси, прямо пропорциональна величине требуемой энергии и тактности двигателя и обратно пропорциональна зазору в свече зажигания и частоте вращения двигателя.

Определение величины минимальной длительности искрового разряда можно проводить по номограмме, представленной на рисунке 9. Расчет ведется следующим образом. Полученное по номограмме на рисунке 7 значение требуемой энергии разряда W_Р* (17 мДж) откладывают на оси “W_Р*”, затем через полученную точку и точку на оси “d”, соответствующую зазору в свече (d = 0,75 мм), проводят прямую до пересечения с осью “1” (точка а).

Рисунок 9. Номограмма определения минимальной длительности искрового разряда: n = 1300 мин^-1; d = 0,75 мм; W_Р* = 17 мДж; t_Р* = 0,75 мс

На оси “n” откладывают заданное значение частоты вращения коленчатого вала двигателя (n = 1300 мин^-1) и полученную точку соединяют с точкой 4 на оси “4”, соответствующей 4-тактному двигателю. Полученную от пересечения данной прямой с осью “5” точку b соединяют с точкой а на оси “1”.

Точку пересечения прямой линии аb с осью “3” (точку с) соединяют прямой с точкой 4 на оси “2”, соответствующей тактности двигателя, и продолжают ее до пересечения с осью “t_Р*”. Полученная точка на оси “t_Р*” дает искомое значение минимальной длительности заряда в мс (t_Р* = 0,75 мс).

Для других частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчета сведены в таблицу 3 и построена графическая зависимость t_Р* = ?(n_ДВ) (рисунок 10).

Таблица 3.

n, мин-1	WР*, мДж	tР*, мс
150	43	1,25
700	23	0,93
1300	17	0,75
2000	14	0,65
3000	11,6	0,57
4000	10,2	0,5
5000	9,3	0,46
6000	8,4	0,44

Рисунок 10. Зависимость минимальной длительности искрового разряда t_Р* от частоты вращения коленчатого вала двигателя n.

3. Расчет выходных характеристик контактной системы зажигания, устанавливаемой на автомобиль ГАЗ-24

Схема замещения и принципиальная схема контактной системы зажигания представлены на рисунках 11, 12 соответственно.

Исходными данными для расчета характеристик системы зажигания являются:

- число цилиндров двигателя z = 4;

- напряжение аккумуляторной батареи в режиме пуска U_БП = 8,4 В;

- напряжение в системе электроснабжения в рабочем режиме U_П = 14 В;

- сопротивление добавочного резистора R_ДР = 0,95 Ом;

- сопротивление контактов выключателя зажигания, переходных контактов и проводов R_П = 0,2 Ом;

- сопротивление контактов механического прерывателя R_К = 0,2 Ом.

- сопротивление первичной обмотки катушки зажигания R1 = 1,7 Ом;

- сопротивление вторичной обмотки катушки зажигания R2 = 6,6 кОм;

- индуктивность первичной обмотки катушки зажигания L1 = 6,7 мГн;

- индуктивность вторичной обмотки катушки зажигания L2 = 37,5 Гн;

- коэффициент трансформации катушки зажигания К_ТР = 83;

- коэффициент магнитной связи обмоток катушки зажигания К_СВ = 0,95;

- коэффициент уменьшения тока разрыва К_У = 0,95;

- емкость первичной цепи системы зажигания С1 = 0,22 мкФ;

- емкость вторичной цепи системы зажигания С2 = С_К + С_Р + С_П + С_С = 50 + 25 + 54 + 12 = 141 пФ;

- сопротивление потерь катушки зажигания R_ПК = 0,7= 6,38 МОм;

- сопротивление помехоподавительного резистора во вторичной цепи R_ПП = 13 кОм;

- значение угла поворота валика распределителя, в течение которого в первичной цепи протекает ток (для систем зажигания с ненормируемым временем накопления энергии), ?_З = 39° ПРВ;

Расчет выходных характеристик выбранной системы зажигания производить в следующем порядке.

1. Рассчитать зависимость тока разрыва I_Р от частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме пуска и в рабочем диапазоне частот вращения.

2. Рассчитать зависимости максимального вторичного напряжения U2, энергии W_Р и длительности t_Р искрового разряда от частоты вращения вала двигателя в режиме пуска и в рабочем режиме для двух значений шунтирующей нагрузки: R_Ш = ?, С_Ш = 0 и R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ.

3.1 Расчет величины тока разрыва I_Р контактной системы зажигания с ненормируемым временем накопления энергии

Под током разрыва понимают значение тока, протекающего в первичной цепи системы зажигания в момент размыкания контактов. Величина тока разрыва при прочих равных условиях зависит от времени его протекания. Современные системы зажигания подразделяются на системы с ненормируемым (КСЗ, КТСЗ, БСЗ с МЭД) и нормируемым (БСЗ с ДХ) временем протекания первичного тока (или, иначе, временем накопления энергии).

В контактной системе зажигания время накопления энергии для данной частоты вращения коленчатого вала полностью определяется углом замкнутого состояния контактов, который является неизменным.

Рассмотрим порядок расчета зависимости тока разрыва I_Р от частоты вращения коленчатого вала двигателя n для данной системы.

1. Определяем суммарное сопротивление первичной цепи системы зажигания R_Ц по формуле:

R_Ц = R_П + R_ДР + R1 + R_К.

Чтобы обеспечить надежное воспламенение рабочей смеси при пуске двигателя, добавочный резистор закорачивается.

Расчет проводим для режима пуска и для рабочего режима.

В режиме пуска:

R_Ц1 = R_П + R1 + R_К,

R_Ц1 = 0,2 + 1,7 + 0,2 = 2,1 (Ом).

В рабочем режиме:

R_Ц2 = R_П + R_ДР + R1 + R_К,

R_Ц2 = 0,2 + 0,95 + 1,7 + 0,2 = 3,05 (Ом).

2. Рассчитываем зависимость времени протекания тока в первичной цепи t_Н от частоты вращения двигателя n_ДВ по формуле

t_Н = ?_З/(3·n_ДВ).

При n_ДВ = 150 мин^-1 t_Н = 39/(3·150) = 39/450 = 0,087 (с) = 87 (мс).

Для частот вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ = 700…6000 мин^-1 расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчета сведены в таблицу 4.

3. Рассчитываем зависимость тока разрыва I_Р от частоты вращения двигателя n_ДВ по формулам:

в режиме пуска при n_ДВ = 150 мин^-1

I_Р = U_БП·(1-exp(-t_Н·R_Ц1/L1))/R_Ц1 = 8,4·(1-exp(-87·2,1/6,7))/2,1 = 4 (A);

в рабочем режиме при n_ДВ = 1300 мин^-1

I_Р = U_П·(1-exp(-t_Н·R_Ц2/L1))/R_Ц2 = 14·(1-exp(-10·3,05/6,7))/3,05=4,54 (A).

Для частот вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ = 700…6000 мин^-1 расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчета сведены в таблицу 5.

Таблица 4.

nДВ, мин-1	150	700	1300	2000	3000	4000	5000	6000
tН, мс	87	19	10	6,5	4,3	3,25	2,6	2,17

Таблица 5.

nДВ, мин-1	150	700	1300	2000	3000	4000	5000	6000
IР, А	4	4,59	4,54	4,35	3,94	3,56	3,19	2,88

По полученным данным строим графическую зависимость I_Р = ?(n_ДВ) (рисунок 13).

Рисунок 13. Зависимость тока разрыва I_Р от частоты вращения коленчатого вала двигателя n.

3.2 Расчет максимального значения вторичного напряжения

Величину максимального вторичного напряжения U2 в рабочем и пусковом режимах рассчитываем по формуле

U2(n_ДВ) = I_Р(n_ДВ)·К_ТР·К_СВ·К_У··?,

где I_Р(n_ДВ) - значение тока разрыва при частоте вращения коленчатого вала двигателя n_ДВ;

К_ТР - коэффициент трансформации катушки зажигания;

К_СВ - коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками катушки зажигания, зависящий от формы магнитопровода и взаимного расположения обмоток;

К_У - коэффициент уменьшения тока разрыва, учитывающий потери энергии в контактах при размыкании;

L1 - индуктивность первичной обмотки катушки зажигания;

C - эквивалентная, приведенная к первичной обмотке емкость системы зажигания. Величина емкости C определяется из соотношения:

С = С1 + С2·К_ТР²,

где С1 - емкость конденсатора первичной цепи, включенного параллельно контактам прерывателя в прерывателе-распределителе;

С2 - емкость вторичной цепи системы зажигания (относительно массы автомобиля);

С2 = С_К + С_Р + С_П + С_С,

где С_К - собственная сосредоточенная емкость вторичной обмотки катушки зажигания, эквивалентная распределенной емкости. С_К = 50 пФ.

С_Р - емкость токоведущих деталей распределителя, С_Р = 25 пФ.

С_П - емкость высоковольтных проводов (центрального (65 см) и свечного (70 см) проводов). С_П = 0,4 пФ/см, С_П = 54 пФ.

С_С - емкость свечи. С_С = 12 пФ.

С2 = 141 пФ при С_Ш = 0 и С2 = 141 + 50 = 191 пФ при С_Ш = 50 пФ.

Таким образом,

С = 0,22·10^-6 + 141·10^-12·83² = 1,19·10^-6 (Ф) при С_Ш = 0 и

С = 0,22·10^-6 + 191·10^-12·83² = 1,54·10^-6 (Ф) при С_Ш = 50 пФ.

Коэффициент затухания вторичного напряжения ? рассчитываем по формуле

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

R = R_ПК/К_ТР², если R_Ш = ?;

, если R_Ш ? ?.

R_ПК - сопротивление потерь катушки зажигания, учитывающее потери энергии в магнитопроводе катушки, меди обмоток, изоляции.

R_ПК = = 6,38 МОм

R_Ш - шунтирующее сопротивление, учитывающее потери энергии через нагар на тепловом конусе свечи.

Таким образом,

при R_Ш = ?

R = 6,38·10⁶/83² = 926,114 Ом;

при R_Ш = 3 МОм

Ом

Величина коэффициента затухания при R_Ш = ? и С_Ш = 0 соответственно будет

при R_Ш = 3 МОм и С_Ш = 50 пФ

Теперь можно рассчитать зависимость U2 = ?(n_ДВ) для двух значений параметров шунтирующей нагрузки: R_Ш = ?, С_Ш = 0 и R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ.

Для частоты вращения коленчатого вала n_ДВ = 1300 мин^-1

при R_Ш = ?, С_Ш = 0

U2(n_ДВ)=I_Р(n_ДВ)К_ТРК_СВК_У?=4,54 83 0,95 0,95 ·0,94 = 24 кВ;

при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ

U2(n_ДВ) = I_Р(n_ДВ) · К_ТР · К_СВ · К_У ·· ? = 4,54 · 83 · 0,95 · 0,95 · ·0,85 = 19,07 кВ.

Расчет максимального вторичного напряжения для других частот вращения проводится аналогично. Результаты расчетов сведены в таблицу 6.

Таблица 6.

nДВ, мин-1	U2, кВ, при RШ = ?, СШ = 0	U2, кВ, при RШ = 3 МОм, СШ = 50 пФ
150	21,13	16,8
700	24,25	19,28
1300	24	19,07
2000	22,98	18,27
3000	20,82	16,55
4000	18,81	14,95
5000	16,85	13,4
6000	15,22	12,1

По полученным данным строится графическая зависимость U2 = ?(n_ДВ) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 14 и 15).

Рисунок 14. Зависимость максимального вторичного напряжения U2 от частоты вращения коленчатого вала n при R_Ш = ?, С_Ш = 0.

Рисунок 15. Зависимость максимального вторичного напряжения U2 от частоты вращения коленчатого вала n при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ.

3.3 Расчет длительности искрового разряда

Длительность искрового разряда определяем по формуле

где R2_? = R2 + R_ПП - суммарное сопротивление вторичной цепи;

I_РМ - максимальное значение тока искрового разряда;

i_КР - критическое значение тока, при котором прекращается искровой разряд (2 мА);

U_Р - напряжение индуктивной фазы искрового разряда.

R2_? = R2 + R_ПП = 6,6 + 13 = 19,6 кОм.

Напряжение индуктивной фазы искрового разряда U_Р складывается из падений напряжения в искровом распределителе и между электродами свечи зажигания:

U_Р = U_РАСПР + U_СВ.

Падение напряжения в механическом распределителе U_РАСПР в исправном состоянии при искровом разряде принимаем 600 В.

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

Величина U_d 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:

U_СВ = U_К + E·d,

где U_К = 400 В; Е = 100 В/мм; d - расстояние между электродами разрядника, имитирующего работу свечи зажигания (для свечи зажигания в рабочем цилиндре d = 7 мм).

Таким образом, U_СВ = 400 + 100·7 = 1100 В.

U_Р = U_РАСПР + U_СВ = 600 + 1100 = 1700 В.

Максимальное значение тока искрового разряда I_РМ рассчитываем по формуле

I_РМ = I_РK_У?/K_ТР,

где I_Р - значение тока разрыва из таблицы 5;

? - 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;

К_ТР - коэффициент трансформации катушки зажигания;

К_У - коэффициент снижения тока разрыва вследствие потерь энергии на контактах прерывателя.

Для частоты вращения n_ДВ = 1300 мин^-1

при R_Ш = ?, С_Ш = 0

I_РМ = 4,54·0,95·0,94/83 = 48,8 мА;

при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ

I_РМ = 4,54·0,95·0,85/83 = 44,2 мА.

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 7. По полученным данным строятся графические зависимости I_РМ = ?(n_ДВ) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 16 и 17).

Таблица 7.

nДВ, мин-1	IРМ, мА, при RШ = ?, СШ = 0	IРМ, мА, при RШ = 3 МОм, СШ = 50 пФ
150	43	38,9
700	49,4	44,7
1300	48,8	44,2
2000	46,8	42,3
3000	42,4	38,3
4000	38,3	34,6
5000	34,3	31
6000	31	28

Рисунок 16. Зависимость тока искрового разряда I_РМ от частоты вращения двигателя n при R_Ш = ?, С_Ш = 0.

Рисунок 17. Зависимость тока искрового разряда I_РМ от частоты вращения двигателя n при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ.

Используя зависимости I_РМ = ?(n_ДВ), рассчитываем зависимости t_Р=?(n_ДВ) для двух значений шунтирующей нагрузки.

Для частоты вращения n_ДВ = 1300 мин^-1

при R_Ш = ?, С_Ш = 0

= 1,91·10^-3·ln 1,53 = 1,91·10^-3·0,42 = 0,81 мс;

при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ

= 1,91·10^-3·ln 1,48 = 1,91·10^-3·0,39= = 0,74 мс;

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 8. По полученным данным строятся графические зависимости t_Р = ?(n_ДВ) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 18 и 19).

Таблица 8.

nДВ, мин-1	tР, мc, при RШ = ?, СШ = 0	tР, мc, при RШ = 3 МОм, СШ = 50 пФ
150	0,73	0,67
700	0,82	0,75
1300	0,81	0,74
2000	0,78	0,72
3000	0,72	0,66
4000	0,66	0,6
5000	0,59	0,54
6000	0,54	0,49



Рисунок 18. Зависимость длительности искрового разряда t_Р от частоты вращения двигателя n при R_Ш = ?, С_Ш = 0.

Рисунок 19. Зависимость длительности искрового разряда t_Р от частоты вращения двигателя n при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ.

3.4 Расчет энергии искрового разряда

Энергию искрового разряда определяем по формуле

W_Р = 0,5·I_РМ·t_Р·U_СВ.

Для частоты вращения коленчатого вала n_ДВ = 1300 мин^-1

при R_Ш = ?, С_Ш = 0

W_Р = 0,5·48,8(мА)·0,81(мс)·1,1(кВ) = 21,74 мДж;

при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ

W_Р = 0,5·44,2(мА)·0,74(мс)·1,1(кВ) = 18 мДж;

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 9. По полученным данным строятся графические зависимости W_Р = ?(n_ДВ) для двух значений шунтирующей нагрузки (рисунки 20 и 21).

Таблица 9.

nДВ, мин-1	WР, мДж, при RШ = ?, СШ = 0	WР, мДж, при RШ = 3 МОм, СШ = 50 пФ
150	17,26	14,33
700	22,28	18,44
1300	21,74	18
2000	20,07	16,75
3000	16,79	13,9
4000	13,9	11,42
5000	11,13	9,21
6000	9,21	7,55



Рисунок 20. Зависимость энергии искрового разряда W_Р от частоты вращения двигателя n при R_Ш = ?, С_Ш = 0.

Рисунок 21. Зависимость энергии искрового разряда W_Р от частоты вращения двигателя n при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ.

4. Оценка соответствия выбранной системы зажигания заданным параметрам двигателя

Для оценки соответствия выбранной системы зажигания заданным параметрам двигателя произведено графическое совмещение рассчитанных характеристик (рисунки 22-24) и определен диапазон частот вращения, в котором данная система удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Рисунок 22. Совмещение рассчитанных характеристик максимального вторичного напряжения.

Рисунок 23. Совмещение рассчитанных характеристик энергии искрового разряда.



Рисунок 24. Совмещение рассчитанных характеристик длительности искрового разряда.

Также произведен расчет зависимостей реальных коэффициентов запаса по напряжению, длительности и энергии искрового разряда от частоты вращения коленчатого вала двигателя для различной шунтирующей нагрузки.

Коэффициент запаса по напряжению К_U рассчитываем по формулам:

- при пуске К_U = (U2 - ?U)/U_ПР;

- в рабочем режиме К_U = (0,85U2 - ?U)/U_ПР,

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

В режиме пуска при n_ДВ= 150 мин^-1

при R_Ш = ?, С_Ш = 0

К_U = (21,13 - 1)/13 = 1,55

при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ

К_U = (16,8 - 1)/13 = 1,22

В рабочем режиме для частоты вращения n_ДВ = 1300 мин^-1

при R_Ш = ?, С_Ш = 0

К_U = (0,85·24 - 1)/10,2 = 1,9

при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ

К_U = (0,85·19,07 - 1)/10,2 = 1,5

Коэффициенты запаса по длительности К_t и энергии К_W определяются по формулам

К_t = t_Р/t_Р* и К_W = W_Р/W_Р*.

Для частоты вращения n_ДВ = 1300 мин^-1

при R_Ш = ?, С_Ш = 0

К_t = 0,81/0,75 = 1,08

К_W = 21,74/17 = 1,28

при R_Ш = 3 МОм, С_Ш = 50 пФ

К_t = 0,74/0,75 = 0,98

К_W = 18/17 = 1,06

Для остальных частот вращения расчет ведется аналогичным образом. Результаты расчетов сведены в таблицу 10.

Таблица 10.

nДВ, мин-1	КU	Kt	KW
	при RШ=?, СШ=0	при RШ=3МОм, СШ=50 пФ	при RШ=?, СШ=0	при RШ=3МОм, СШ=50 пФ	при RШ=?, СШ=0	при RШ=3МОм, СШ=50 пФ
150	1,55	1,22	0,58	0,54	0,4	0,33
700	-	-	0,88	0,81	0,97	0,8
1300	1,9	1,5	1,08	0,98	1,28	1,06
2000	1,95	1,53	1,2	1,12	1,43	1,19
3000	1,76	1,38	1,26	1,16	1,45	1,19
4000	1,65	1,29	1,32	1,2	1,36	1,12
5000	1,59	1,24	1,28	1,17	1,19	0,99
6000	1,59	1,24	1,23	1,11	1,09	0,9

Выводы

В результате выполненной работы были построены выходные характеристики системы зажигания. Проанализировав полученные данные можно сделать вывод, что на некоторых режимах работы могут иметь место перебои в работе двигателя - так надежное вторичное напряжение при значениях шунтирующей нагрузки R_Ш = 3МОм; С_Ш = 50пФ обеспечивается только на частотах вращения коленчатого вала двигателя выше 400 об/мин, что видно по графикам на рисунке 22; энергия искрового разряда достаточна только на частотах начиная с 700 об/мин для значений шунтирующей нагрузки R_Ш = ?; С_Ш = 0 и на частотах больше 1000 об/мин для значений шунтирующей нагрузки R_Ш = 3МОм; С_Ш = 50пФ (Рисунок 23); из графиков совмещенных характеристик для времени длительности искрового разряда изображенных на рисунке 24 видно, что время разряда становится достаточным при частотах вращения коленчатого вала выше 1000 об/мин (R_Ш = ?; С_Ш = 0) и 1300 об/мин (R_Ш = 3МОм; С_Ш = 50пФ) т.е. при пуске, на частоте холостого хода и на средних частотах вращения коленчатого вала могут возникать перебои в работе из-за недостаточного вторичного напряжения, малой энергии разряда и непродолжительного времени длительности искры.

Это можно объяснить наличием погрешностей расчетов. В данной работе для расчета выходных характеристик использовался метод номограмм, имеющий точность около 15-30%.

Также были посчитаны коэффициенты запаса, для тех же выходных параметров данной системы зажигания (Таблица 10). Значения этих коэффициентов должны лежать в пределах 1,5-2,5 в режиме пуска и холостого хода. Однако для данной системы зажигание это требование выполняется не полностью, что в неблагоприятных условиях может привести к затрудненному пуску и перебоям в работе двигателя.

Приложение

Рисунок 25. Система зажигания автомобиля ГАЗ-24.

1. Аккумуляторная батарея. 2. Прерыватель. 3. Свеча зажигания. 4. Подавительный резистор 8000-13600 Ом. 5. Распределитель. 6. Токоразносная пластина ротора. 7. Катушка зажигания. 8. Выключатель зажигания. 9. Дополнительное реле стартера. 10. Амперметр. 11. Тяговое реле стартера. 12. Крышка вакуумного автомата. 13. Крышка распределителя. 14. Пружина вакуумного автомата. 15. Диафрагма вакуумного автомата. 16. Клемма провода высокого напряжения. 17. Ротор. 18. Центральный контакт с подавительным резистором. 19. Держатель крышки. 20. Клемма высокого напряжения катушки зажигания. 21. Крышка катушки зажигания. 22. Клемма низкого напряжения. 23. Трансформаторное масло. 24. Кронштейн. 25. Корпус. 26. Магнитопровод. 27. Первичная обмотка. 26. Вторичная обмотка. 29. Изолятор. 30. Изоляционные прокладки. 31. Сердечник. 32. Резистор. 33. Изолятор резистора. 34. Пружина контактов. 35. Контакты прерывателя. 36. Рычажок прерывателя. 37. Изолятор рычажка. 38. Регулировочный винт. 39. Конденсатор. 40. Фетровая шайба. 41. Масленка. 42. Кулачок. 43. Грузик. 44. Шариковый подшипник. 45. Пружина грузика. 46. Пластина кулачка. 47. Приводной валик. 48. Пластина валика. 49. Ось грузика. 50. Корпус подавительного резистора. 51. Клемма подавительного резистора. 52. Клемма свечи зажигания. 53. Изолятор свечи зажигания. 54. Центральный электрод. 55. Тальковый уплотнитель. 56. Корпус свечи зажигания. 57. Уплотнительное кольцо. 58. Боковой электрод. 59. Муфта привода. 60. Подшипник. 61. Октан-корректор. 62. Подвижная панель. 63. Фильц-щетка. 64. Неподвижная панель. 65. Тяга вакуумного автомата. 66. Корпус вакуумного автомата. 67. Изолятор с клеммами. 68. Контактный диск. 69. Неподвижный контакт. 70. Ротор выключателя. 71. Фиксаторный шарик. 72. Возвратная пружина. 73. Кopпyc выключателя зажигания. 74. Пугали. 75. Запорный цилиндр

Размещено на Allbest.ru