Рис.1. Рабочий цикл одноцилиндрового двигателя
Октановое число бензина указывает, как сильно можно сжимать топливно-воздушную смесь в цилиндре двигателя. Например, бензин А-76 допускает сжатие в 7,6 раза, бензин А-92 - в 9,2 раза, а метиловый спирт (СНзОН) - аж в 20 раз. Спирт, конечно, в этом случае лучше всего, но он ядовит, и используется только как компонент топлива для различных специальных (спортивных) автомобилей и мотоциклов. Чем больше октановое число топлива, тем большую удельную мощность двигателя можно получить.
Чтобы убедиться в том, что двигатель представляет собой "груду" взаимосвязанных между собой "железяк", далеко ходить не надо. Достаточно заглянуть под капот любого автомобиля. Одним из основных элементов двигателя внутреннего сгорания является система зажигания. Сразу оговоримся - здесь мы рассматриваем работу бензинового двигателя, в котором смесь паров бензина и воздуха (топливовоздушная смесь) поджигается высоковольтным электрическим разрядом, то есть, проще говоря, искрой. На рис.1 схематично изображен рабочий цикл одноцилиндрового двигателя (рисунки возле окружности). Радиус окружности (стрелка) показывает угол ф поворота вала двигателя относительно верхней мертвой точки (ВМТ) поршня. Наша задача - в нужный момент качественно поджечь топливовоздушную смесь в этом цилиндре.
Рис.1. Рабочий цикл одноцилиндрового двигателя
Понятно, что топливовоздушная смесь сгорает не мгновенно, а за вполне определенное время. Это время зависит от октанового числа используемого бензина. Бывает, правда, что смесь сгорает слишком быстро. Это крайне вредное явление называется детонацией. Возникает детонация тогда, когда октановое число используемого бензина не соответствует степени сжатия в данном двигателе, и топливовоздушная смесь воспламеняется самопроизвольно. Но нам ведь нужно, чтобы смесь загорелась "когда надо" и сгорела, по возможности, полностью. Чтобы знать, как бороться за это, придется вспомнить школу. Когда-то очень давно, в XVII веке, два ученых - Бойль и Мариотт - "придумали" свой закон. Закон этот, в общем-то, для идеального газа, но с его помощью можно понять, что будет происходить в цилиндре нашего двигателя (и откуда Бойль и Мариотт только это все знали?). Закон связывает давление Р, объем V и температуру Т и выглядит совсем не страшно:
При перемещении поршня в цилиндре как раз изменяются эти три величины. Получается, что если давление газа начнет уменьшаться, а объем увеличиваться (поршень "пошел" вниз), то его температура упадет, и после прохождения верхней мертвой точки горение прекратится. Все, что не успело сгореть, будет выброшено через выхлопную трубу "с целью отравления" окружающей среды и заодно (если рядом попадутся) пешеходов.
Поэтому, чтобы обеспечить максимальный КПД двигателя и защитить народ от отравления выхлопными газами, необходимо поджигать смесь в цилиндре раньше, чем поршень дойдет до верхней мертвой точки. Стрелка на рис.1 показывает именно на такое положение поршня.
Теперь посмотрим, какой угол опережения зажигания нужно установить изначально для холостых оборотов (f=600 об/мин или 10 об/с), чтобы двигатель запускался и работал нормально. Сделаем это для бензина А-76, который сгорает в цилиндре приблизительно за время t76=0,7 мс, и АИ-92, сгорающего за t92=1,3 мс. Запишем формулу для расчета угла опережения зажигания фоп:
(1) Тогда, подставив значения t76 и f для бензина А-76, получим ф76=2,52°. Для АИ-92 - соответственно ф92=4,68°. Опытные автомобилисты сразу скажут, что это ерунда, и значения устанавливаемого угла должны быть в два раза больше. Но они же должны знать, что вал прерывателя-распределителя вращается ровно в два раза медленнее, и поэтому наши расчетные значения угла должны быть увеличены в два раза. Тогда получаем ф76=5,04° и ф92=9,36°, что не сильно отличается от реальных значений углов, устанавливаемых на автомобилях.
Разберемся, для чего автомобилю нужен еще и центробежный регулятор угла опережения зажигания. Мы не зря при расчете угла опережения зажигания оговорили, что рассчитываем его для 600 об/мин. Ведь если этот угол оставить без изменения, то при 1200 об/мин время, отводимое на сгорание смеси (от поджига до ВМТ), уменьшится в два раза, и смесь просто не успеет полностью сгореть. Тут же начнется "стрельба" в глушителе, двигатель не будет развивать необходимую мощность. Получается, что для того чтобы с увеличением оборотов двигателя смесь успевала сгорать, необходимо увеличивать угол опережения зажигания. Для бензина А-76 при 3000 об/мин (50 об/с) угол опережения должен составлять, согласно формуле (1):
(откуда двойка - уже понятно). Если бы это было действительно так, все было бы просто. Но, оказывается, смесь при увеличении оборотов начинает сгорать быстрее, причем изменение скорости сгорания нельзя описать какой-либо аналитической функцией. Зависимость подбирается экспериментально и учитывается при изготовлении центробежного регулятора для каждого типа двигателя. "Ясно и ежу", что механические устройства не могут обеспечить достаточной точности регулировки угла опережения зажигания. В современных автомобилях всем этим занимается контроллер, который учитывает не только обороты двигателя, а и еще "кучу" параметров.
Если вы обратили внимание, двигатель должен работать в таком режиме, чтобы соблюдались два условия:
Когда двигатель работает именно на том бензине, на который он рассчитан, все в порядке. Если же в бак плеснули "чего-нибудь", например, 76-го вместо 92-го, то двигателю придется, мягко выражаясь, не сладко. В случае такой, с позволения сказать, заправки, на малых оборотах будет наблюдаться сильная детонация, а на повышенных двигатель будет перегреваться. В общем-то, по теории, все так и должно быть. На малых оборотах степень сжатия превысит максимально допустимую, и смеси ничего не останется делать, как самопроизвольно (и, обратите внимание, раньше чем надо) воспламениться, иначе говоря, детонировать. Но при увеличении оборотов двигателя центробежный регулятор увеличит угол опережения зажигания, и степень сжатия на момент подачи искры станет меньше допустимой. То есть при увеличении оборотов детонация, вроде бы, исчезнет. Но не будем забывать, что от октанового числа бензина зависит еще и время сгорания смеси в цилиндре. В нашем случае 76-й бензин сгорит раньше, чем поршень окажется в ВМТ, как было бы с 92-м бензином, а сгоревшая раньше времени смесь будет изо всех сил давить на поршень, стараясь не дать ему попасть в ВМТ. Это вызовет перегрев двигателя со всеми вытекающими последствиями. Однако из сложившегося положения выход все-таки есть.
Выставим начальный угол опережения зажигания оптимальным для 76-го бензина (~5°). Конечно, это приведет к увеличению сжатия и, следовательно, к усилению детонации. Но ведь угол опережения увеличивается, а степень сжатия, соответственно, уменьшается с увеличением оборотов. Это означает, что если залить вместо 92-го бензина 76-й и установить угол опережения зажигания 5° вместо положенных 9°, то, начиная с некоторых оборотов, водитель перестанет замечать, что залит не тот бензин. Рассчитаем, начиная с каких оборотов это произойдет. Поможет опять формула (1). Если по ней найти обороты, при которых 76-й бензин перестанет детонировать, получится около 1400 об/мин. Это не очень сильно отличается от холостых оборотов. Многие разбирающиеся автолюбители ездят на своих "Жигулях" на 76-м бензине без всяких там прокладок, выставив более позднее зажигание.
Но "высший писк" - это возможность оперативно регулировать угол опережения зажигания, подстраивая его под залитый бензин и условия эксплуатации любимого "железного коня". Устройства, выполняющие указанную операцию, называются октан-корректорами. Как оказалось, описанные ранее в журнале [1-5] блоки импульсного плазменного зажигания не только улучшают сгорание топлива и способствуют его заметной экономии, но и сравнительно просто позволяют встроить октан-корректор. Для того чтобы проще было объяснять принцип его работы, приведем схему блока зажигания (рис.2) из[1].
Рис.2. Схема блока зажигания
В ней используются микросхемы интегральных таймеров КР1006ВИ1. На ИМС DA2 выполнена схема защиты от дребезга контактов прерывателя, второй таймер - DA1 - является одновибратором, управляющим тиристором. Одновибратор формирует импульс длительностью около 1 мс, в течение которого тиристор принудительно удерживается в открытом состоянии. При этом замыкается цепь колебательного контура, образованного первичной обмоткой катушки зажигания и накопительным конденсатором СЗ.
Напряжение на СЗ при отсутствии сигнала на входе прерывателя должно быть не менее 450 В. Частота высоковольтного преобразователя выбирается около 2 кГц, чтобы тиристор успевал выключаться за время между импульсами блокинг-генератора преобразователя.
И вот теперь, разобравшись в теории, мы поговорим о том, как октан-корректор может облегчить жизнь автолюбителям. На рис.3 приведена схема блока зажигания с октан-корректором на базе уже известного блока ОН-427 [3].
Рис.3. Схема блока зажигания с октан-корректором
На всякий случай напомним, что при различных оборотах 1 мс соответствует очень даже разным углам поворота коленчатого вала двигателя.
Для создания октан-корректора в схему ОН-427 дополнительно вводятся еще один таймер (DA3) типа КР1006ВИ1 и транзистор VT3, включенные сразу после схемы защиты от дребезга контактов прерывателя на элементах VT1 и DA2. На рис.4 приведены временные диаграммы работы октан-корректора. Сигнал с выхода схемы защиты от дребезга, т.е. с вывода 3 DA2 (рис.4а), поступает на пропорционально-интегрирующую цепочку R9-R10-С5.
Рис.4. Временные диаграммы работы октан-корректора
На рис.4 рассмотрен случай, когда порог срабатывания компаратора Uпор выведен на относительно пологий участок проинтегрированного импульса, что позволяет, изменяя порог срабатывания, выбирать необходимую величину задержки. Импульс, управляющий силовым ключом на оптотиристоре VU1, формируется таймером DA4 (рис.4в). Этот же импульс подается на базу транзистора VT3, включенного в цепь внутреннего делителя опорного напряжения таймера DA3. Делитель представляет собой цепочку из трех включенных последовательно резисторов по 5 кОм. Для облегчения понимания принципа работы таймера, он изображен на рис.5 в немного "раскрытом" виде.
Рис.5. Принципиальная схема таймера
Регулирующий резистор R8 подключен через ограничивающий резистор R11 к выводу 5 таймера, то есть параллельно двум его "нижним" резисторам внутреннего делителя опорного напряжения. Для нормальной работы двигателя введенная с помощью октан-корректора дополнительная задержка с увеличением оборотов двигателя должна уменьшаться, то есть устройство должно включать в себя еще и частотомер.
Эту задачу решить оказалось несложно. Таймер DA4, управляющий силовым ключом, формирует импульсы управления длительностью 1 мс. Эти же импульсы используются и для частотомера. Оказалось, что частотную зависимость вводимого времени задержки проще всего организовать на той же микросхеме DA3, регулирующей угол опережения зажигания. Для этого к выводу 5 таймера DA3 подключен конденсатор С9. Этот конденсатор желательно использовать типа К53-16 или какой-нибудь подобный с допуском по емкости не более ±10%. Конденсатор С9 заряжается через внутренний делитель таймера, а разряжается через открытый транзистор VT3 и цепочку R8-R11 в его коллекторной цепи.
На рис.6 показано соотношение фаз сигналов в некоторых точках схемы октан-корректора. На рис.6а показаны импульсы на входе DA3, а на рис.6б - форма напряжения на ее внутреннем делителе опорного напряжения.
Рис.6. Соотношение фаз сигналов в некоторых точках схемы октан-корректора
На третьей диаграмме (рис.6в) показан сформированный таймером DA4 сигнал, управляющий силовым ключом VU1. Он строго нормирован по длительности, поскольку используется и в частотомере, управляя ключом на транзисторе VT3.
Критичной деталью схемы является трансформатор, показанный на рис.7. Качество изготовления его должно быть высоким, так как он работает в жестком режиме. Лучше всего залить его лаком или эпоксидной смолой. Число витков, порядок намотки и размещение обмоток приведены в таблице 1.
| Обмотка | Число витков | Марка провода, диаметр, мм | Примечание |
|---|---|---|---|
| 1 | 18 | ПЭТВ, 0,35 | Один слой |
| 2 | 12 | ПЭТВ, 0,8 | Один слой в 2 провода |
| 3 | 144 | ПЭТВ, 0,25 | Три слоя |
Порядок намотки обмоток - 1-3-2. Намотка - рядовая, послойная, виток к витку. Изоляция между обмотками и слоями - 1 слой лакоткани (пробивное напряжение - порядка 1000 В). Сердечник трансформатора - феррит 2000НМ1 Ш10х10. Он собирается с зазором 1 мм (используется диэлектрическая прокладка).
Разработанный блок позволяет двигателю работать на сильно обедненной топливовоздушной смеси. При таком режиме эксплуатации наблюдается не только весьма заметная экономия топлива (может достигать 20%), но и снижение содержания СО в выхлопных газах. Последнее находится ниже предела чувствительности используемых в ГАИ газоанализаторов. Так что вполне реально, установив на "Запорожец" такой блок, прокатиться на нем в Париж. Стандарт "Евро" по вредным выбросам будет соблюден без всяких там платиновых катализаторов. Помимо этого, при использовании данного блока на автомобилях, работающих на природном газе, двигатель свободно запускается без бензина даже при отрицательной температуре.
Источники
Автор: В.ЩЕРБАТЮК, Е.ПЕЦКО. E-mail: shchvf@mail.ru