Зажигание с разрядом конденсатора ( CDI ) или тиристорное зажигание — это тип автомобильной электронной системы зажигания, которая широко используется в подвесных моторах , мотоциклах , газонокосилках , бензопилах , небольших двигателях, самолетах с турбинным двигателем и некоторых автомобилях . Первоначально она была разработана для преодоления длительного времени зарядки, связанного с катушками с высокой индуктивностью, используемыми в системах зажигания с индуктивным разрядом (IDI), что делает систему зажигания более подходящей для высоких оборотов двигателя (для небольших двигателей, гоночных двигателей и роторных двигателей). Зажигание с разрядом конденсатора использует конденсатор для разряда тока на катушку зажигания для зажигания свечей зажигания .
История системы зажигания разряда конденсатора восходит к 1890-м годам, когда, как полагают, Никола Тесла был первым, кто предложил такую систему зажигания. В патенте США 609,250, впервые поданном 17 февраля 1897 года, Тесла пишет: «Любая подходящая подвижная часть аппарата заставляет механически управлять зарядкой конденсатора и его разрядкой через цепь в индуктивной связи со вторичной цепью, ведущей к клеммам, между которыми должен произойти разряд, так что в желаемые интервалы времени конденсатор может разряжаться через свою цепь и индуцировать в другой цепи ток высокого потенциала , который производит желаемый разряд». Патент также описывает очень обобщенно с помощью рисунка механические средства для достижения своей цели.
Первоначально изобретенная для шестицилиндрового гоночного автомобиля Генри Форда в 1905 году, система CDI впервые была введена в серийное производство в 1906 году в качестве стандартного оборудования с Ford Model K. Model K использовала двойные системы зажигания, одной из которых была Holley-Huff Magneto, или система Huff, производимая компанией Holley Brothers Company. Она была разработана Эдвардом С. Хаффом с патентом США № 882003, поданным 1 июля 1905 года и переданным Генри Форду. Система использовала генератор постоянного тока с приводом от двигателя, который заряжал конденсатор, а затем разряжал конденсатор через первичную обмотку катушки зажигания. Отрывок из «Автомагистрали» от 11 января 1906 года описывает ее использование на шестицилиндровых автомобилях Ford: «Эффективность Ford Magneto подтверждается тем фактом, что в тот момент, когда он включается в автомобиле, он набирает скорость и, не меняя положения рычага управления зажиганием, будет ехать по крайней мере на десять миль в час быстрее».
Компания Robert Bosch была пионером первых электронных зажиганий CD. (Bosch также отвечает за изобретение магнето высокого напряжения .) Во время Второй мировой войны Bosch устанавливал тиратронные (трубчатые) зажигания CD на некоторые поршневые истребители. С зажиганием CD двигателю самолета не требовался период прогрева для надежного зажигания, и поэтому истребитель мог в результате взлетать быстрее. Эта ранняя немецкая система использовала вращающийся преобразователь постоянного тока вместе с хрупкой ламповой схемой и не подходила для жизни в истребителе. Отказы происходили всего за несколько часов. Поиски надежного электронного средства создания зажигания CD начались всерьез в 1950-х годах. В середине 1950-х годов Инженерно-исследовательский институт Мичиганского университета в сотрудничестве с корпорацией Chrysler в Соединенных Штатах работали над поиском метода для создания жизнеспособного решения.
Они не увенчались успехом, но предоставили много данных о преимуществах такой системы, если бы она была построена. А именно: быстрое время нарастания напряжения для зажигания загрязненных или мокрых свечей зажигания , высокая энергия во всем диапазоне оборотов, что приводит к лучшему запуску, большей мощности и экономичности, а также снижению выбросов . Несколько инженеров, ученых и любителей создавали зажигание CD в течение 1950-х годов с использованием тиратронов . Однако тиратроны были непригодны для использования в автомобилях по двум причинам. Им требовался период прогрева, что было неприятно, и они были уязвимы к вибрации, которая резко сокращала их срок службы. В автомобильном применении тиратронное зажигание CD выходило из строя через недели или месяцы. Ненадежность этих ранних тиратронных зажиганий CD делала их непригодными для массового производства, несмотря на обеспечение краткосрочных преимуществ. По крайней мере, одна компания, Tung-Sol (производитель электронных ламп), продавала тиратронное зажигание CD, модель Tung-Sol EI-4 в 1962 году, но оно было дорогим. Несмотря на недостатки тиратронных CD-зажиганий, улучшенное зажигание, которое они давали, сделало их стоящим дополнением для некоторых водителей. Для NSU Spider с двигателем Ванкеля 1964 года компания Bosch возродила свой тиратронный метод для CD-зажигания и использовала его по крайней мере до 1966 года. Он страдал от тех же проблем с надежностью, что и Tung-Sol EI-4.
Это был SCR, кремниевый управляемый выпрямитель или тиристор, изобретенный в конце 1950-х годов, который заменил проблемный тиратрон и проложил путь для надежного твердотельного зажигания CD. Это произошло благодаря Биллу Гуцвиллеру и его команде в General Electric . SCR был прочным с неограниченным сроком службы, но очень подверженным нежелательным импульсам запуска, которые включали SCR. Нежелательные импульсы запуска в ранних попытках использования SCR для зажигания CD были вызваны электрическими помехами, но основным виновником оказался «дребезг точек». Дребезг точек является особенностью системы с точечным запуском. В стандартной системе с точками , распределителем , катушкой зажигания , зажиганием (система Кеттеринга) дребезг точек предотвращает полное насыщение катушки по мере увеличения оборотов , что приводит к слабой искре, тем самым ограничивая потенциал высокой скорости. В зажигании CD, по крайней мере в тех ранних попытках, отскок точек создавал нежелательные импульсы запуска на SCR (тиристор), что приводило к серии слабых, несинхронизированных искр, которые вызывали экстремальные пропуски зажигания. Было два возможных решения проблемы. Первое — разработать другой способ запуска разряда конденсатора до одного разряда за рабочий ход, заменив точки чем-то другим. Это можно было сделать магнитно или оптически, но это потребовало бы больше электроники и дорогого распределителя. Другой вариант — сохранить точки, поскольку они уже использовались и были надежными, и найти способ преодолеть проблему «отскока точек». Это было сделано в апреле 1962 года канадцем, офицером Королевских канадских военно-воздушных сил (RCAF) Ф. Л. Уинтерберном, работавшим в своем подвале в Оттаве , Онтарио . В конструкции использовался недорогой метод, который распознавал только первое открытие точек и игнорировал последующие открытия при отскоке точек.
В Оттаве в начале 1963 года была образована компания под названием Hyland Electronics, которая производила системы зажигания CD, используя конструкцию Winterburn. Разрядный конденсатор в системе зажигания CD мог обеспечивать мощную искру, в 4 раза превышающую мощность искры системы Kettering, используя ту же катушку, за исключением того, что энергия искры могла поддерживаться на высоких оборотах в отличие от системы Kettering. Устройство Hyland потребляло всего четыре ампера при 5000 об/мин (8 цилиндров) или 10 000 об/мин (4 цилиндра). Испытания на динамометре в 1963 и 1964 годах показали минимум 5% прироста мощности с системой, при норме 10%. Один из примеров, Ford Falcon , имел прирост мощности на 17%. Срок службы свечей зажигания был увеличен как минимум до 50 000 миль, а срок службы точек был значительно увеличен с 8 000 миль до как минимум 60 000 миль. Срок службы наконечников стал фактором износа трущегося блока (толкателя кулачка) и срока службы пружины, некоторые из которых служат почти 100 000 миль.
Блок Hyland был терпим к различным зазорам между точками. Систему можно было переключить обратно на стандартное зажигание с индуктивным разрядом, поменяв местами два провода. Зажигание Hyland CD было первым коммерчески производимым твердотельным зажиганием CD и продавалось по цене 39,95 канадских долларов. Патенты были поданы Winterburn 23 сентября 1963 года (патент США № 3 564 581). Конструкция просочилась в Соединенные Штаты летом 1963 года, когда Hyland представила конструкцию американской компании в попытке расширить продажи. После этого многочисленные компании начали строить свои собственные в течение 1960-х и 1970-х годов без лицензии. Некоторые из них были прямыми копиями схемы Winterburn. В 1971 году Bosch купила европейские патентные права (немецкие, французские, британские) у Winterburn.
Журнал UK Wireless World в январе 1970 года опубликовал подробную систему зажигания с разрядом конденсатора в качестве электронного проекта хобби по сборке RM Marston. Схема этой системы была похожа на патент Winterburn в том, что она использовала двухтактный преобразованный генератор импульсного режима для передачи энергии в накопительно-разрядный конденсатор и обычные контактные прерыватели для инициирования тиристорного запуска разряда заряженного конденсатора CD. Было заявлено, что она имеет несколько преимуществ по сравнению с обычным зажиганием. Среди них: лучшее сгорание, легкий запуск даже при отрицательных температурах, устойчивость к дребезгу контактора (точек) и экономия топлива 2% - 5%. Последующие письма в Wireless World (март и май 1970 года) с ответами г-на Марстона дополнительно обсуждали аспекты конструкции и сборки. В июле 1971 года г-н AP Harris, студент Лондонского городского университета, провел подробный электротехнический анализ конструкции Marston, а также испытания автомобильных двигателей для проверки экономии топлива. Они подтвердили преимущества системы зажигания CD. Однако он обнаружил, что основная составляющая конструкции компакт-диска зиждется на тщательной ручной намотке импульсного трансформатора и правильном выборе транзисторов генератора, а также выборе частоты генератора.
По разным причинам, главным образом, из-за стоимости, большинство современных систем зажигания, предлагаемых на вторичном рынке, по-видимому, относятся к типу с индуктивным разрядом, хотя в 1970-х и 1980-х годах были доступны различные устройства с емкостным разрядом, некоторые из которых сохраняли точки, а другие оснащались альтернативным типом датчика времени.
Большинство систем зажигания, используемых в автомобилях, являются системами зажигания с индуктивным разрядом (IDI), которые полагаются исключительно на электрическую индуктивность в катушке для выработки высоковольтного электричества для свечей зажигания , поскольку магнитное поле разрушается, когда ток в первичной обмотке катушки отключается ( разрывной разряд ). В системе CDI зарядная цепь заряжает высоковольтный конденсатор , и в момент зажигания, обычно определяемый датчиком положения коленчатого вала, система прекращает зарядку конденсатора, позволяя конденсатору разрядить свой выход на катушку зажигания до того, как он достигнет свечи зажигания.
Типичный модуль CDI состоит из небольшого трансформатора , зарядной цепи, цепи запуска и основного конденсатора . Сначала напряжение системы повышается до 250–600 вольт с помощью источника питания внутри модуля CDI. Затем электрический ток поступает в зарядную цепь и заряжает конденсатор. Выпрямитель внутри зарядной цепи предотвращает разряд конденсатора до момента зажигания. Когда цепь запуска получает сигнал запуска, цепь запуска останавливает работу зарядной цепи, позволяя конденсатору быстро разрядить свой выход на катушку зажигания с низкой индуктивностью. В системе зажигания CD катушка зажигания действует как импульсный трансформатор, а не как носитель энергии, как в индуктивной системе. Выходное напряжение на свечи зажигания в значительной степени зависит от конструкции системы зажигания CD. Напряжения, превышающие изоляционные возможности существующих компонентов зажигания, могут привести к раннему выходу этих компонентов из строя. Большинство систем зажигания CD рассчитаны на очень высокое выходное напряжение, но это не всегда полезно. При отсутствии сигнала запуска цепь зарядки снова подключается для зарядки конденсатора.
Количество энергии, которое система CDI может хранить для генерации искры, зависит от напряжения и емкости используемых конденсаторов, но обычно оно составляет около 50 мДж или более. Стандартное зажигание с точками/катушкой/распределителем, более правильно называемое системой зажигания с индуктивным разрядом или системой зажигания Кеттеринга , вырабатывает 25 мДж на низкой скорости и быстро падает с ростом скорости.
Один фактор, который часто не принимается во внимание при обсуждении энергии искры CDI, — это фактическая энергия, подаваемая на искровой промежуток, по сравнению с энергией, подаваемой на первичную сторону катушки. В качестве простого примера, типичная катушка зажигания может иметь сопротивление вторичной обмотки 4000 Ом и вторичный ток 400 миллиампер. После того, как искра образовалась, напряжение на искровом промежутке в работающем двигателе падает до относительно низкого значения, порядка 1500–2000 вольт. Это, в сочетании с тем фактом, что вторичный ток катушки 400 миллиампер теряет приблизительно 1600 вольт через вторичное сопротивление 4000 Ом, означает, что целых 50% энергии теряется при нагреве вторичной обмотки катушки. Фактические измерения показывают, что реальная эффективность составляет всего 35–38%, если включить потери первичной обмотки катушки.
Большинство модулей CDI обычно бывают двух типов:
Модуль AC-CDI получает свой источник электроэнергии исключительно от переменного тока, вырабатываемого генератором . Система AC-CDI является самой базовой системой CDI, которая широко используется в небольших двигателях.
Модуль DC-CDI питается от аккумулятора, поэтому в модуль CDI включена дополнительная схема преобразователя постоянного тока в переменный, чтобы поднять 12 В постоянного тока до 400-600 В постоянного тока, что делает модуль CDI немного больше. Однако автомобили, использующие системы DC-CDI, имеют более точную синхронизацию зажигания, и двигатель легче запускается в холодном состоянии.
Не все системы зажигания малых двигателей являются CDI. Некоторые двигатели, такие как старые Briggs и Stratton, используют зажигание от магнето. Вся система зажигания, катушка и точки, находятся под намагниченным маховиком.
Другой вид системы зажигания, обычно использовавшийся на небольших внедорожных мотоциклах в 1960-х и 1970-х годах, назывался Energy Transfer. Катушка под маховиком генерировала сильный импульс постоянного тока, когда магнит маховика перемещался по ней. (Если бы двигатель вращался, изучая выходную форму волны катушки с помощью осциллографа, это выглядело бы как переменный ток. Однако, поскольку время заряда катушки соответствует гораздо меньшему, чем полный оборот кривошипа, катушка на самом деле «видит» только постоянный ток для зарядки внешней катушки зажигания.) Этот постоянный ток протекал по проводу к катушке зажигания, установленной снаружи двигателя. Точки иногда находились под маховиком для двухтактных двигателей и обычно на распределительном валу для четырехтактных двигателей. Эта система работала как все системы зажигания Кеттеринга (точки/катушка): точки открытия вызывают коллапс магнитного поля в катушке зажигания, создавая импульс высокого напряжения, который проходит через провод свечи зажигания к свече зажигания.
Существуют некоторые электронные системы зажигания, которые не являются CDI. Эти системы используют транзистор для включения и выключения зарядного тока катушки в соответствующие моменты времени. Это устраняет проблему сгоревших и изношенных точек и обеспечивает более горячую искру из-за более быстрого нарастания напряжения и времени спада в катушке зажигания.
Система CDI имеет короткое время зарядки, быстрый рост напряжения (от 3 до 10 кВ/мкс) по сравнению с типичными индуктивными системами (от 300 до 500 В/мкс) и короткую длительность искры, ограниченную примерно 50-600 мкс. [ необходима цитата ] Быстрый рост напряжения делает системы CDI нечувствительными к сопротивлению шунта, но ограниченная длительность искры может для некоторых приложений быть слишком короткой для обеспечения надежного зажигания. Нечувствительность к сопротивлению шунта и способность зажигать несколько искр могут обеспечить улучшенную способность холодного запуска . [ необходима цитата ]
Поскольку система CDI обеспечивает только искру сокращенной длительности, также возможно объединить эту систему зажигания с измерением ионизации. Это делается путем подключения низкого напряжения (около 80 В) к свече зажигания, за исключением момента зажигания. Затем ток, протекающий через свечу зажигания, можно использовать для расчета температуры и давления внутри цилиндра. [ необходима цитата ]