В двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием момент зажигания — это момент, относительно текущего положения поршня и угла коленчатого вала, момента высвобождения искры в камере сгорания вблизи конца такта сжатия .
Необходимость опережать (или замедлять) момент зажигания искры обусловлена тем, что топливо не сгорает полностью в момент зажигания искры. Газам сгорания требуется некоторое время для расширения, а угловая скорость или скорость вращения двигателя могут удлинить или сократить период времени, в течение которого должно происходить горение и расширение. В подавляющем большинстве случаев угол будет описываться как определенный угол перед верхней мертвой точкой (ВМТ). Продвижение искры до BTDC означает, что искра подается до момента, когда камера сгорания достигает минимального размера, поскольку цель рабочего хода в двигателе состоит в том, чтобы заставить камеру сгорания расшириться. Искры, возникающие после верхней мертвой точки (ВМТ), обычно непродуктивны (производят бесполезную искру , обратное зажигание , детонацию двигателя и т. д.), если только нет необходимости в дополнительной или продолжительной искре перед тактом выпуска .
Установка правильного момента зажигания имеет решающее значение для работы двигателя. Искры, возникающие слишком рано или слишком поздно в цикле двигателя, часто являются причиной чрезмерных вибраций и даже повреждения двигателя. Момент зажигания влияет на многие переменные, включая долговечность двигателя, экономию топлива и мощность двигателя. Многие переменные также влияют на выбор «лучшего» времени. Современные двигатели, которые управляются в режиме реального времени блоком управления двигателем, используют компьютер для управления синхронизацией во всем диапазоне оборотов двигателя и нагрузки. Старые двигатели, в которых используются механические распределители , полагаются на инерцию (с использованием вращающихся грузов и пружин) и вакуум в коллекторе , чтобы установить момент зажигания во всем диапазоне оборотов двигателя и нагрузки.
Ранние автомобили требовали от водителя корректировать время с помощью органов управления в соответствии с условиями движения, но теперь это автоматизировано.
Существует множество факторов, влияющих на правильный момент зажигания для конкретного двигателя. К ним относятся моменты срабатывания впускного клапана (ов) или топливной форсунки (ов), тип используемой системы зажигания , тип и состояние свечей зажигания , содержание и примеси топлива, температура и давление топлива , частота вращения двигателя и нагрузка, температура воздуха и двигателя, давление турбонаддува или давление воздуха на впуске, компоненты, используемые в системе зажигания, а также настройки компонентов системы зажигания. Обычно любые серьезные изменения или модернизации двигателя требуют изменения настроек момента зажигания двигателя. [1]
Система искрового зажигания бензиновых двигателей внутреннего сгорания с механическим управлением состоит из механического устройства, известного как распределитель , который запускает и распределяет искру зажигания по каждому цилиндру относительно положения поршня - в градусах коленчатого вала относительно верхней мертвой точки (ВМТ).
Момент зажигания относительно положения поршня основан на статическом (начальном или базовом) моменте без механического опережения. Центробежный механизм опережения газораспределения распределительного устройства обеспечивает более раннее возникновение искры при увеличении частоты вращения двигателя. Многие из этих двигателей также будут использовать вакуумное опережение, которое ускоряет синхронизацию при небольших нагрузках и замедлении независимо от центробежного опережения. Обычно это относится к использованию автомобилей; Судовые бензиновые двигатели обычно используют аналогичную систему, но без повышения вакуума.
В середине 1963 года Ford предложил транзисторное зажигание на своем новом 427 FE V8 . Эта система пропускала через точки зажигания только очень слабый ток, используя PNP- транзистор для высоковольтного переключения тока зажигания, что позволяло получить искру зажигания с более высоким напряжением, а также уменьшало отклонения момента зажигания из-за износа дуги. точки прерывания. Двигатели, оборудованные таким образом, имели на крышках клапанов специальные наклейки с надписью «427-T». Начиная с 1964 года система магнитно-импульсного зажигания Delcotron с транзисторным управлением AC Delco стала дополнительной для ряда автомобилей General Motors. В системе Delco полностью исключены механические точки, используя изменение магнитного потока для переключения тока, что практически устраняет проблемы точечного износа. В 1967 году Ferrari и Fiat Dinos были оснащены электронным зажиганием Magneti Marelli Dinoplex, а все Porsche 911 имели электронное зажигание, начиная с моделей B-Series 1969 года. В 1972 году компания Chrysler представила бессмысленную электронную систему зажигания с магнитным запуском в качестве стандартного оборудования на некоторых серийных автомобилях, а к 1973 году включила ее в стандартную комплектацию для всех автомобилей.
Электронное управление моментом зажигания было введено несколько лет спустя, в 1975–1976 годах, с появлением электронной системы опережения зажигания «Lean-Burn», управляемой компьютером. К 1979 году с появлением системы управления двигателем Bosch Motronic технология продвинулась вперед и теперь включает одновременный контроль угла опережения зажигания и подачи топлива. Эти системы составляют основу современных систем управления двигателем .
«Упреждение времени» означает количество градусов до верхней мертвой точки (ВМТ), на которое сработает свеча зажигания для воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания до окончания такта сжатия . Запоздалое время можно определить как изменение времени, при котором воспламенение топлива происходит позже времени, указанного производителем. Например, если момент времени, указанный производителем, изначально был установлен на 12 градусов до ВМТ и скорректирован на 11 градусов до ВМТ, это будет называться замедленным. В классической системе зажигания с точками прерывателя базовый момент времени может устанавливаться статически с помощью контрольной лампы или динамически с использованием меток времени и индикатора времени .
Опережение времени требуется, поскольку для сгорания топливовоздушной смеси требуется время. Воспламенение смеси до того, как поршень достигнет ВМТ, позволит смеси полностью сгореть вскоре после достижения поршнем ВМТ. Если смесь воспламеняется в правильное время, максимальное давление в цилиндре возникнет через некоторое время после того, как поршень достигнет ВМТ, позволяя воспламененной смеси толкать поршень вниз по цилиндру с наибольшей силой. В идеале время, за которое смесь должна полностью сгореть, составляет около 20 градусов ВМТ. [ нужна цитата ] Это позволит максимально увеличить мощность двигателя. Если искра зажигания возникает в положении, которое слишком опережает положение поршня, быстро сгорающая смесь может фактически давить на поршень, все еще движущийся вверх в такте сжатия, вызывая детонацию (покалывание или звон) и возможное повреждение двигателя, это обычно происходит. на низких оборотах и называется преждевременным зажиганием или, в тяжелых случаях, детонацией. Если искра возникает слишком поздно относительно положения поршня, максимальное давление в цилиндре возникнет после того, как поршень уже окажется слишком глубоко в цилиндре во время рабочего хода. Это приводит к потере мощности, склонности к перегреву, высоким выбросам и несгоранию топлива.
Угол опережения зажигания должен будет становиться все более опережающим (относительно ВМТ) по мере увеличения частоты вращения двигателя, чтобы топливовоздушная смесь имела необходимое количество времени для полного сгорания. По мере увеличения частоты вращения двигателя (об/мин) время, доступное для сгорания смеси, уменьшается, но само горение происходит с той же скоростью, его нужно начинать все раньше, чтобы оно завершилось вовремя. Низкий объемный КПД на более высоких оборотах двигателя также требует увеличения опережения угла опережения зажигания. Правильное опережение газораспределения для данной частоты вращения двигателя позволит достичь максимального давления в цилиндре при правильном угловом положении коленчатого вала . При настройке газораспределения автомобильного двигателя заводскую настройку газораспределения обычно можно найти на наклейке в моторном отсеке.
Момент зажигания также зависит от нагрузки двигателя: большая нагрузка (большее открытие дроссельной заслонки и, следовательно, соотношение воздух:топливо) требует меньшего опережения (смесь сгорает быстрее). Также это зависит от температуры двигателя: более низкая температура обеспечивает большее опережение. Скорость сгорания смеси зависит от типа топлива, степени турбулентности воздушного потока (которая связана с конструкцией головки блока цилиндров и системы клапанного механизма) и от соотношения воздух-топливо. Это распространенный миф о том, что скорость горения связана с октановым числом .
Установка угла опережения зажигания при одновременном контроле выходной мощности двигателя с помощью динамометра является одним из способов правильной установки угла опережения зажигания. После опережения или замедления времени обычно происходит соответствующее изменение выходной мощности. Динамометр нагрузочного типа является лучшим способом добиться этого, поскольку двигатель можно поддерживать на постоянной скорости и нагрузке, в то время как время регулируется для максимальной мощности.
Использование датчика детонации для определения правильного момента времени — один из методов настройки двигателя. В этом методе время увеличивается до тех пор, пока не возникнет стук. Затем время отстает на один или два градуса и устанавливается на это значение. Этот метод уступает настройке с помощью динамометрического стенда, поскольку он часто приводит к слишком опережающему моменту зажигания, особенно на современных двигателях, которым не требуется такого большого опережения для достижения максимального крутящего момента. При чрезмерном опережении двигатель будет склонен к стуку и детонации при изменении условий (качество топлива, температура, проблемы с датчиками и т. д.). После достижения желаемых мощностных характеристик при заданной нагрузке/об/мин двигателя следует проверить свечи зажигания на наличие признаков детонации двигателя. При наличии таких признаков следует замедлить момент зажигания до их исчезновения.
Лучший способ установить момент зажигания на динамометрическом стенде – медленно увеличивать момент зажигания до достижения максимального выходного крутящего момента. Некоторые двигатели (особенно с турбонаддувом или с наддувом) не достигают максимального крутящего момента при заданной частоте вращения, прежде чем начнутся стуки (свист или незначительная детонация). В этом случае время вращения двигателя должно быть немного ниже этого значения (так называемого «предела детонации»). Эффективность сгорания и объемный КПД двигателя будут меняться при изменении угла опережения зажигания, а это означает, что количество топлива также должно меняться при изменении зажигания. После каждого изменения угла опережения зажигания топливо также регулируется для обеспечения максимального крутящего момента.
В механических системах зажигания используется механический распределитель искр , который распределяет ток высокого напряжения на нужную свечу зажигания в нужное время. Чтобы установить начальное опережение или задержку времени для двигателя, двигатель работает на холостом ходу, а распределитель регулируется для достижения наилучшего момента зажигания для двигателя на холостом ходу. Этот процесс называется «установкой базового продвижения». Существует два метода увеличения временного опережения сверх базового. Упреждения, достигнутые этими методами, добавляются к базовому числу опережения, чтобы получить общее число опережения по времени.
Увеличение механического опережения газораспределения происходит с увеличением частоты вращения двигателя. Это возможно с помощью закона инерции . Грузы и пружины внутри распределителя вращаются и влияют на опережение газораспределения в зависимости от частоты вращения двигателя, изменяя угловое положение вала датчика газораспределения относительно фактического положения двигателя. Этот тип опережения синхронизации также называется центробежным опережением времени. Величина механического продвижения зависит исключительно от скорости вращения распределителя. В двухтактном двигателе это то же самое, что и частота вращения двигателя. В 4-тактном двигателе это половина оборотов двигателя. Зависимость между прогрессом в градусах и числом оборотов дистрибьютора можно изобразить в виде простого двумерного графика .
Для уменьшения опережения газораспределения при более низких оборотах двигателя можно использовать более легкие грузы или более тяжелые пружины. Для ускорения синхронизации при более низких оборотах двигателя можно использовать более тяжелые грузы или более легкие пружины. Обычно в какой-то момент диапазона оборотов двигателя эти грузы достигают пределов хода, и затем величина центробежного опережения зажигания фиксируется выше этих оборотов в минуту.
Второй метод, используемый для опережения (или замедления) момента зажигания, называется вакуумным опережением угла опережения зажигания. Этот метод почти всегда используется в дополнение к механическому опережению синхронизации. Как правило, это повышает экономию топлива и управляемость, особенно на бедных смесях. Это также увеличивает срок службы двигателя за счет более полного сгорания, оставляя меньше несгоревшего топлива для смывания смазки со стенок цилиндра (износ поршневых колец) и меньшего разбавления смазочного масла (подшипники, ресурс распределительного вала и т. д.). Опережение вакуума работает за счет использования источника вакуума в коллекторе для опережения времени в условиях низкой и средней нагрузки двигателя путем вращения монтажной пластины датчика положения (точки контакта, эффект Холла или оптический датчик, реактивный статор и т. д.) в распределителе относительно распределительный вал. Опережение вакуума уменьшается при полностью открытой дроссельной заслонке (WOT), в результате чего опережение синхронизации возвращается к базовому опережению в дополнение к механическому опережению.
Одним из источников повышения вакуума является небольшое отверстие, расположенное в стенке корпуса дроссельной заслонки или карбюратора рядом с кромкой дроссельной заслонки, но немного выше по потоку . Это называется портированным вакуумом. Эффект от открытия здесь заключается в том, что на холостом ходу вакуума мало или его нет, следовательно, опережение незначительно или вообще отсутствует. Другие автомобили используют вакуум непосредственно из впускного коллектора. Это обеспечивает полный вакуум в двигателе (и, следовательно, полное продвижение вакуума) на холостом ходу. Некоторые устройства вакуумного продвижения имеют два вакуумных соединения, по одному с каждой стороны мембраны привода , подсоединенные как к вакуумному коллектору, так и к портальному вакууму. Эти устройства будут как опережать, так и замедлять момент зажигания.
На некоторых автомобилях датчик температуры подает вакуум в коллекторе в систему подачи вакуума, когда двигатель горячий или холодный, и подает вакуум при нормальной рабочей температуре . Это версия контроля выбросов; портированный вакуум позволял регулировать карбюратор для получения более обедненной смеси на холостом ходу. При высокой температуре двигателя увеличенное опережение повышает частоту вращения двигателя, позволяя системе охлаждения работать более эффективно. При низкой температуре опережение позволяло более полно сгореть обогащенной прогреваемой смеси, обеспечивая лучшую работу холодного двигателя.
Электрические или механические переключатели могут использоваться для предотвращения или изменения повышения вакуума при определенных условиях. Ранняя электроника по выбросам могла включаться в работу с сигналами датчиков кислорода или активацией оборудования, связанного с выбросами. Также было обычным явлением предотвращать частичное или полное продвижение вакуума на определенных передачах, чтобы предотвратить детонацию из-за обедненной смеси в двигателях.
В новых двигателях обычно используются компьютеризированные системы зажигания . В компьютере имеется карта синхронизации (справочная таблица) со значениями опережения зажигания для всех комбинаций частоты вращения и нагрузки двигателя. Компьютер отправит сигнал на катушку зажигания в указанное время на временной карте, чтобы зажечь свечу зажигания. Большинство компьютеров от производителей оригинального оборудования (OEM) не могут быть модифицированы, поэтому изменение кривой опережения синхронизации невозможно. Общие изменения ГРМ по-прежнему возможны, в зависимости от конструкции двигателя. Послепродажные блоки управления двигателем позволяют тюнеру вносить изменения в карту ГРМ. Это позволяет опережать или замедлять момент времени в зависимости от различных применений двигателя. В системе зажигания может использоваться датчик детонации, позволяющий учитывать изменение качества топлива.