Технічні науки/6. Електротехніка і радіоелектроніка

Юрченко О.В.

Харківський національний педагогічний університет ім. Г.С.Сковороди, Україна

Демонстрація функціонування системи запалювання,
що використовуються в карбюраторних двигунах
внутрішнього згоряння

Призначення теплових машин, які використовуються в сучасній техніці, полягає в перетворенні внутрішньої енергії палива в механічну енергію. Одним з різновидів теплових машин є двигун внутрішнього згоряння, що завдяки своїй автономності являються основою сучасного транспорту. В бензинових карбюраторних двигунах суміш палива з повітрям готується в карбюраторі, далі суміш надходить в циліндр, стискується, а потім запалюється за допомогою іскри, що проскакує між електродами свічки [1]. Підпалювання робочої суміші в двигуні повинно бути синхронізоване з фазою стиснення суміші в циліндрі і формується системою запалювання, яка генерує високу напругу для пробою свічки. Напругу пробою отримують на основі ефекту самоіндукції в котушці запалювання 3 (Рис.1) при розмиканні струму I ₁ первинного кола транзисторним комутатором 6. Комутатор отримує управління від переривача 7, робота якого синхронізована з положенням колінчастого валу двигуна через кулачок повідного валу 8, що знаходиться під кришкою розподільника запалювання 4. Індукований у вторинній обмотці струм I ₂ замикається через іскровий проміжок відповідної свічки запалювання 5. Робота систем запалювання направлена на оптимізацію як часу запалювання 2, так і часу горіння 3 суміші (Рис.2.) [2].

Метою даної статті є побудова наочної демонстрації функціонування системи запалювання, фізичних принципів її роботи і місця в фазовому положенні циклу Карно для чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, яка призначена для підвищення зацікавленості щодо фізики, як основи техніки.

Для демонстраційного експерименту пропонується стенд, представлений на рисунку 3. Робота демонстраційного стенду збуджується електродвигуном постійного струму 11 частотою обертів в межах від 100 до 3000 обертів на хвилину, що імітує обертання колінчастого вала.

Рис. 1. Схема транзисторної схеми запалювання:

1 – акумуляторна батарея; 2 – додатковий опір; 3 – котушка запалювання;
4 – розподільник запалювання;
5 – свічки запалювання; 6 – транзистор;
7 – контакти переривача; 8 – кулачок повідного валу переривача-розродiльника

Рис. 2. Імпульс напруги на свічці запалювання:

1 – накопичення енергії в котушці запалювання, 2 – пробій свічки та підпалювання суміші, 3 – горіння суміші,
4 – залишкові коливання

Електродвигун постійного струму 11 живиться від регульованого джерела постійного струму 12. Вал двигуна передає обертальний рух через конічну передачу 10 на тяжний вал 7 та через шестірню 9 на вал розподільника 8. Високовольтний провід 4 з котушки запалювання 3 подає високу напругу на металеве кільце 5, закріплене на ізолюючій пластині в площині обертання металевої стрілки 6. Центр кільця співпадає з віссю обертання стрілки. Проміжок між кінцем стрілки і кільцем складає 3-7 мм. При обертанні валу електродвигуна 11 обертається вал розподільника 8. З виходу розподільника сигнал керування поступає на вхід системи комутації 1. Схема комутації виробляє струм накопичення енергії в котушці запалювання. При припиненні струму в котушці виникає імпульс напруги самоіндукції, і між кільцем і стрілкою, яка обертається, виникає електричний розряд. Положення початку розряду виникає в одних і тих же місцях. Тривалість розряду та розподіл енергії на початку і в кінці розряду краще спостерігати в темряві.

Поєднавши тяжний вал запропонованого демонстраційного стенду з імітатором колінчастого валу демонстраційного стенду циклу Карно (рис. 4), маємо можливість наочно спостерігати фазові та часові співвідношення в роботі системи чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння.

Рис.3. Схема демонстраційного стенду роботи системи запалювання

1 – система комутації, 2 – джерело живлення,
3 – котушка запалювання, 4 – високовольтний провід,
5 – металеве кільце, 6 – металева стрілка, 7 – тяжний вал, 8 – переривач-розподільник, 9 – шестірня розподільника, 10 – конічна передача, 11 – двигун постійного струму, 12 – регульоване джерело постійного струму

A B C D

Рис.4. Схема стенду демонстрації роботи теплової машини

A – впуск та адіабатичне розширення;
B – ізотермічне стиснення;
C – запалювання з адіабатичним стисненням;
D ‑  ізотермічне розширення

Запропонований стенд також можна використовувати для дослідження часових характеристик іскроутворення: початку запалювання і тривалості горіння іскри. Пропонується два методи приведення вимірювань: 1) кутових відсічень з використанням для фіксації результатів термореєструючого електропровідного паперу (наприклад, папір для факсових апаратів), який встановлюється між кільцем і стрілкою; 2) осцилографування сигналів. За допомогою запропонованих методів можна дослідити енергетичну характеристику іскри в залежності від різних співвідношень часу розімкненого і замкненого станів контактів переривача та в залежності від різних котушок запалювання.

Література:

1. Ютт В. Е. Электрооборудование автомобилей. Учебник для вузов. – 4‑е изд., перераб. и доп. ‑ М.: «Горячая линия – Телеком», 2006 , ‑ 440с.

2. Проверяем систему зажигания [електронний ресурс], режим доступу: http://www.injectorcar.ru/doc/index.php?id=31