В двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием момент зажигания — это момент возникновения искры в камере сгорания вблизи конца такта сжатия относительно текущего положения поршня и угла поворота коленчатого вала .
Необходимость опережения (или запаздывания) времени искры обусловлена тем, что топливо не сгорает полностью в момент возникновения искры. Газам сгорания требуется некоторое время для расширения, а угловая или вращательная скорость двигателя может удлинять или сокращать временные рамки, в течение которых должно произойти сгорание и расширение. В подавляющем большинстве случаев угол будет описан как определенный угол, опережающий верхнюю мертвую точку (BTDC). Опережение искры BTDC означает, что искра возбуждается до точки, в которой камера сгорания достигает своего минимального размера, поскольку цель рабочего хода в двигателе — заставить камеру сгорания расшириться. Искры, возникающие после верхней мертвой точки (ATDC), обычно контрпродуктивны (производят пустую искру , обратный огонь , стук двигателя и т. д.), если только нет необходимости в дополнительной или продолжающейся искре перед тактом выпуска .
Установка правильного момента зажигания имеет решающее значение для производительности 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 то, какой будет «лучшая» синхронизация. Современные двигатели, которые управляются в режиме реального времени блоком управления двигателем, используют компьютер для управления моментом зажигания во всем диапазоне оборотов двигателя и нагрузки. Старые двигатели, которые используют механические распределители, полагаются на инерцию (используя вращающиеся грузы и пружины) и вакуум в коллекторе для установки момента зажигания во всем диапазоне оборотов двигателя и нагрузки.
Раньше водителю приходилось регулировать момент зажигания с помощью органов управления в соответствии с условиями вождения, но теперь этот процесс автоматизирован.
Существует множество факторов, которые влияют на правильный момент зажигания для данного двигателя. К ним относятся момент впускного клапана ( ов) или топливного инжектора (ов), тип используемой системы зажигания , тип и состояние свечей зажигания , состав и примеси топлива, температура и давление топлива , скорость и нагрузка двигателя, температура воздуха и двигателя, давление турбонаддува или давление всасываемого воздуха, компоненты, используемые в системе зажигания, и 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, называемого распределителем , которое инициирует и распределяет искру зажигания по каждому цилиндру относительно положения поршня — в градусах коленчатого вала относительно верхней мертвой точки (ВМТ).
Распределение зажигания относительно положения поршня основано на статическом (начальном или базовом) распределении зажигания без механического опережения. Центробежный механизм опережения зажигания распределителя заставляет искру появляться раньше по мере увеличения скорости двигателя. Многие из этих двигателей также будут использовать вакуумное опережение, которое опережает опережение зажигания при малых нагрузках и замедлении, независимо от центробежного опережения. Это обычно относится к использованию в автомобилях; морские бензиновые двигатели обычно используют похожую систему, но без вакуумного опережения.
В середине 1963 года Ford предложил транзисторное зажигание на своем новом 427 FE V8 . Эта система пропускала только очень низкий ток через точки зажигания, используя PNP- транзистор для выполнения высоковольтного переключения тока зажигания, что позволяло использовать искру зажигания более высокого напряжения, а также уменьшало отклонения в моменте зажигания из-за износа дугой точек прерывателя. Двигатели, оборудованные таким образом, имели специальные наклейки на крышках клапанов с надписью «427-T». Система зажигания AC Delcotron Transistor Control Magnetic Pulse Ignition стала опциональной для ряда автомобилей General Motors, начиная с 1964 года. Система Delco полностью устранила механические точки, используя изменение магнитного потока для переключения тока, что фактически устраняло проблемы износа точек. 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 бесконтактную электронную систему зажигания с магнитным триггером в качестве стандартного оборудования на некоторых серийных автомобилях, а к 1973 году включила ее в стандартную комплектацию всех автомобилей.
Электронное управление моментом зажигания было введено несколько лет спустя в 1975-76 годах с введением электронной системы опережения зажигания "Lean-Burn" от Chrysler с компьютерным управлением. К 1979 году с появлением системы управления двигателем Bosch Motronic технология продвинулась вперед и стала включать одновременное управление моментом зажигания и подачей топлива. Эти системы составляют основу современных систем управления двигателем .
«Опережение зажигания» относится к числу градусов до верхней мертвой точки (BTDC), на которое свеча зажигания подаст искру, чтобы воспламенить воздушно-топливную смесь в камере сгорания до окончания такта сжатия . Запаздывающее зажигание можно определить как изменение зажигания таким образом, чтобы воспламенение топлива происходило позже, чем указано производителем. Например, если зажигание, указанное производителем, изначально было установлено на 12 градусов BTDC и скорректировано на 11 градусов BTDC, его можно назвать запаздывающим. В классической системе зажигания с точками прерывания базовое зажигание можно установить статически с помощью контрольной лампы или динамически с помощью меток зажигания и индикатора зажигания .
Опережение зажигания необходимо, поскольку для сгорания воздушно-топливной смеси требуется время. Воспламенение смеси до того, как поршень достигнет ВМТ, позволит смеси полностью сгореть вскоре после того, как поршень достигнет 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 после ВМТ. [ необходима цитата ] Это позволит максимально увеличить потенциал выработки мощности двигателя. Если искра зажигания возникает в положении, которое слишком опережает положение поршня, быстро воспламеняющаяся смесь может фактически толкать поршень, все еще движущийся вверх в такте сжатия, вызывая детонацию (детонацию или звон) и возможное повреждение двигателя, это обычно происходит на низких оборотах и известно как преждевременное зажигание или, в тяжелых случаях, детонация. Если искра появляется слишком поздно относительно положения поршня, максимальное давление в цилиндре возникнет после того, как поршень уже слишком далеко опустится в цилиндре на рабочем такте. Это приводит к потере мощности, тенденциям к перегреву, высоким выбросам и несгоревшему топливу.
Момент зажигания должен становиться все более опережающим (относительно ВМТ) по мере увеличения частоты вращения двигателя, чтобы у воздушно-топливной смеси было правильное количество времени для полного сгорания. По мере увеличения частоты вращения двигателя (RPM) время, доступное для сгорания смеси, уменьшается, но само горение происходит с той же скоростью, его нужно начинать все раньше, чтобы завершить вовремя. Низкая объемная эффективность на более высоких частотах вращения двигателя также требует увеличенного опережения зажигания. Правильное опережение зажигания для данной частоты вращения двигателя позволит достичь максимального давления в цилиндре при правильном угловом положении коленчатого вала . При установке времени для автомобильного двигателя заводская настройка времени обычно указана на наклейке в моторном отсеке.
Момент зажигания также зависит от нагрузки двигателя, при этом большая нагрузка (большее открытие дроссельной заслонки и, следовательно, соотношение воздух:топливо) требует меньшего опережения (смесь сгорает быстрее). Также он зависит от температуры двигателя, при более низкой температуре допускается большее опережение. Скорость, с которой сгорает смесь, зависит от типа топлива, величины турбулентности в воздушном потоке (которая связана с конструкцией головки цилиндра и системы клапанного механизма) и от соотношения воздух-топливо. Распространенным мифом является то, что скорость горения связана с октановым числом .
Установка момента зажигания при мониторинге выходной мощности двигателя с помощью динамометра является одним из способов правильной установки момента зажигания. После опережения или запаздывания момента зажигания обычно происходит соответствующее изменение выходной мощности. Нагрузочный динамометр является лучшим способом достижения этого, поскольку двигатель может поддерживаться на постоянной скорости и нагрузке, в то время как момент зажигания регулируется для максимальной выходной мощности.
Использование датчика детонации для определения правильного момента зажигания является одним из методов настройки двигателя. В этом методе момент зажигания опережается до тех пор, пока не возникнет детонация. Затем момент зажигания задерживается на один или два градуса и устанавливается на этом уровне. Этот метод уступает настройке с помощью динамометра, поскольку он часто приводит к чрезмерному опережению момента зажигания, особенно на современных двигателях, которым не требуется такого большого опережения для обеспечения максимального крутящего момента. При чрезмерном опережении двигатель будет склонен к звону и детонации при изменении условий (качество топлива, температура, проблемы с датчиками и т. д.). После достижения желаемых характеристик мощности для заданной нагрузки двигателя/оборотов в минуту свечи зажигания следует проверить на наличие признаков детонации двигателя. Если есть какие-либо такие признаки, момент зажигания следует отодвинуть до тех пор, пока их не будет.
Лучший способ установить момент зажигания на динамометре нагрузочного типа — медленно увеличивать момент зажигания до тех пор, пока не будет достигнут максимальный крутящий момент. Некоторые двигатели (особенно турбированные или с наддувом) не достигнут максимального крутящего момента при заданной частоте вращения двигателя, прежде чем они начнут детонировать (звон или незначительная детонация). В этом случае момент зажигания двигателя должен быть немного отсроченным ниже этого значения момента зажигания (известного как «предел детонации»). Эффективность сгорания двигателя и объемная эффективность будут меняться при изменении момента зажигания, что означает, что количество топлива также должно изменяться при изменении зажигания. После каждого изменения момента зажигания топливо также регулируется для обеспечения максимального крутящего момента.
Механические системы зажигания используют механический распределитель искры для распределения тока высокого напряжения на нужную свечу зажигания в нужное время. Чтобы установить начальное опережение зажигания или задержку зажигания для двигателя, двигатель работает на холостом ходу, а распределитель регулируется для достижения наилучшего опережения зажигания для двигателя на холостом ходу. Этот процесс называется «установкой базового опережения». Существует два метода увеличения опережения зажигания сверх базового опережения. Опережения, достигнутые этими методами, добавляются к числу базового опережения для получения общего числа опережения зажигания.
Увеличение механического опережения зажигания происходит с увеличением частоты вращения двигателя. Это возможно с помощью закона инерции . Грузы и пружины внутри распределителя вращаются и влияют на опережение зажигания в соответствии с частотой вращения двигателя, изменяя угловое положение вала датчика опережения зажигания относительно фактического положения двигателя. Этот тип опережения зажигания также называется центробежным опережением зажигания. Величина механического опережения зажигания зависит исключительно от скорости вращения распределителя. В двухтактном двигателе это то же самое, что и обороты двигателя. В четырехтактном двигателе это половина оборотов двигателя. Зависимость между опережением в градусах и оборотами распределителя можно изобразить в виде простого двумерного графика .
Более легкие грузы или более тяжелые пружины могут использоваться для уменьшения опережения зажигания при более низких оборотах двигателя. Более тяжелые грузы или более легкие пружины могут использоваться для опережения зажигания при более низких оборотах двигателя. Обычно в какой-то момент в диапазоне оборотов двигателя эти грузы касаются своих пределов хода, и величина центробежного опережения зажигания затем фиксируется выше этого оборота.
Второй метод, используемый для опережения (или замедления) момента зажигания, называется вакуумным опережением. Этот метод почти всегда используется в дополнение к механическому опережению. Он обычно увеличивает экономию топлива и управляемость, особенно на бедных смесях. Он также увеличивает срок службы двигателя за счет более полного сгорания, оставляя меньше несгоревшего топлива для вымывания смазки стенок цилиндра (износ поршневых колец) и меньшего разбавления смазочного масла (подшипники, срок службы распределительного вала и т. д.). Вакуумное опережение работает с использованием источника вакуума в коллекторе для опережения момента зажигания в условиях низкой и средней нагрузки двигателя путем вращения монтажной пластины датчика положения (контактных точек, эффекта Холла или оптического датчика, реактивного статора и т. д.) в распределителе относительно вала распределителя. Вакуумное опережение уменьшается при широко открытой дроссельной заслонке (WOT), заставляя опережение момента зажигания возвращаться к базовому опережению в дополнение к механическому опережению.
Одним из источников вакуумного опережения является небольшое отверстие, расположенное в стенке корпуса дроссельной заслонки или карбюратора, рядом с краем дроссельной заслонки , но немного выше по потоку . Это называется портированным вакуумом. Эффект наличия здесь отверстия заключается в том, что на холостом ходу вакуума мало или нет, следовательно, мало или нет опережения. Другие транспортные средства используют вакуум непосредственно из впускного коллектора. Это обеспечивает полный вакуум двигателя (и, следовательно, полное вакуумное опережение) на холостом ходу. Некоторые блоки вакуумного опережения имеют два вакуумных соединения, по одному с каждой стороны мембраны привода , соединенные как с вакуумом коллектора, так и с портированным вакуумом. Эти блоки будут как опережать, так и задерживать момент зажигания.
На некоторых транспортных средствах температурный датчик будет применять вакуум коллектора к системе вакуумного опережения, когда двигатель горячий или холодный, и вакуум портов при нормальной рабочей температуре . Это версия контроля выбросов; вакуум портов позволял регулировать карбюратор для более бедной смеси холостого хода. При высокой температуре двигателя увеличенное опережение повышало скорость двигателя, позволяя системе охлаждения работать более эффективно. При низкой температуре опережение позволяло обогащенной прогреваемой смеси сгорать более полно, обеспечивая лучшую работу холодного двигателя.
Электрические или механические переключатели могут использоваться для предотвращения или изменения вакуумного опережения при определенных условиях. Ранняя электроника выбросов включала некоторые из них в связи с сигналами кислородного датчика или активацией оборудования, связанного с выбросами. Также было принято предотвращать часть или все вакуумное опережение на определенных передачах, чтобы предотвратить детонацию из-за двигателей, работающих на обедненной смеси.
В более новых двигателях обычно используются компьютеризированные системы зажигания . Компьютер имеет карту синхронизации (таблицу поиска) со значениями опережения зажигания для всех комбинаций частоты вращения двигателя и нагрузки двигателя. Компьютер посылает сигнал на катушку зажигания в указанное время в карте синхронизации, чтобы зажечь свечу зажигания. Большинство компьютеров от производителей оригинального оборудования (OEM) не могут быть модифицированы, поэтому изменение кривой опережения зажигания невозможно. Общие изменения синхронизации по-прежнему возможны в зависимости от конструкции двигателя. Блоки управления двигателем на вторичном рынке позволяют настройщику вносить изменения в карту синхронизации. Это позволяет устанавливать опережение или задержку зажигания в зависимости от различных применений двигателя. Датчик детонации может использоваться системой зажигания для учета изменения качества топлива.