Зажигание от конденсаторного разряда

Зажигание от конденсаторного разряда ( CDI ) или тиристорное зажигание — это тип автомобильной электронной системы зажигания, которая широко используется в подвесных моторах , мотоциклах , газонокосилках , бензопилах , небольших двигателях, с турбинным двигателем самолетах и некоторых автомобилях . Первоначально он был разработан для преодоления длительного времени зарядки, связанного с высокой индуктивности катушками , 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). Емкостно-разрядное зажигание использует конденсатор для разряда тока в катушку зажигания и зажигания свечей зажигания .

История

Никола Тесла

Историю системы зажигания конденсаторным разрядом можно проследить до 1890-х годов, когда считается, что Никола Тесла был первым, кто предложил такую систему зажигания. В патенте США 609250, впервые поданном 17 февраля 1897 года, Тесла пишет: «Любая подходящая движущаяся часть устройства предназначена для механического управления зарядкой конденсатора и его разрядкой через цепь , находящуюся в индуктивной связи с вторичной цепью, ведущей к клеммам, между которыми должен произойти разряд, чтобы через нужные промежутки времени конденсатор мог разряжаться через свою цепь и индуцировать в другой цепи ток высокого потенциала , который производит желаемый разряд». В патенте также в общих чертах описано механическое средство для достижения своей цели.

Форд Модель К

Первоначально изобретенная для шестицилиндрового гоночного автомобиля Генри Форда в 1905 году, первое серийное использование системы CDI было введено в эксплуатацию в 1906 году в качестве стандартного оборудования для Ford Model K. В модели K использовались двойные системы зажигания, одной из которых была система Holley-Huff. Магнето, или система Хаффа, производства компании Holley Brothers. Он был разработан Эдвардом С. Хаффом на основании патента США № 882003, поданного 1 июля 1905 года и переданного Генри Форду. В системе использовался 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 его использование на шестицилиндровых автомобилях Ford: «Эффективность Ford Magneto проявляется в том факте, что в тот момент, когда он включается, автомобиль набирает скорость и, не меняя положении рычага управления зажиганием, будет двигаться как минимум на десять миль в час быстрее».

Роберт Бош

Именно компания Robert Bosch стала пионером первых электронных компакт-дисков зажигания. (Бош также является автором изобретения магнето высокого напряжения .) Во время Второй мировой войны компания Bosch установила тиратронное (ламповое) зажигание CD на некоторые истребители с поршневыми двигателями. При использовании CD-зажигания двигателю самолета не требовался период прогрева для надежного зажигания, и в результате истребитель мог быстрее взлететь. В этой ранней немецкой системе использовался вращающийся преобразователь постоянного тока вместе с хрупкой ламповой схемой, и она не подходила для жизни в истребителе. Неисправности произошли всего за несколько часов. Поиски надежных электронных средств зажигания компакт-диска всерьез начались в 1950-х годах. В середине 1950-х годов Институт инженерных исследований Мичиганского университета в сотрудничестве с корпорацией Chrysler в США работал над поиском метода создания жизнеспособного решения.

Тиратрон

Они не увенчались успехом, но предоставили много данных о преимуществах такой системы, если она будет построена. А именно; быстрое время нарастания напряжения для воспламенения загрязненных или влажных 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 в 1950-е годы создали устройства зажигания компакт-дисков с использованием тиратронов . Однако тиратроны оказались непригодны для использования в автомобилях по двум причинам. Им требовался период прогрева, что было неудобно, и они были уязвимы к вибрации, что резко сокращало срок их службы. В автомобилестроении зажигание тиратрона CD выйдет из строя через несколько недель или месяцев. Ненадежность первых тиратронных компакт-дисков зажигания сделала их непригодными для массового производства, несмотря на то, что они давали краткосрочные преимущества. По крайней мере, одна компания, Tung-Sol (производитель электронных ламп), в 1962 году продавала тиратронное зажигание CD модели Tung-Sol EI-4, но оно было дорогим. Несмотря на недостатки тиратронного зажигания CD, улучшенное зажигание, которое они обеспечивают, сделало их полезным дополнением для некоторых водителей. Для Ванкеля привел в действие NSU Spider 1964 года, Bosch возродил свой тиратронный метод зажигания компакт-диска и использовал его по крайней мере до 1966 года. У него были те же проблемы с надежностью, что и у Tung-Sol EI-4.

Тиристор

Именно SCR, с кремниевым управлением выпрямитель или тиристор , изобретенный в конце 1950-х годов, заменил проблемный тиратрон и проложил путь к надежному твердотельному зажиганию компакт-дисков. Это произошло благодаря Биллу Гацвиллеру и его команде в General Electric . SCR был прочным, с неопределенным сроком службы, но очень склонным к нежелательным триггерным импульсам, которые могли включить SCR. Нежелательные триггерные импульсы в ранних попытках использования SCR для зажигания компакт-дисков были вызваны электрическими помехами, но основным виновником оказался «отскок точек». Отскок очков — это особенность системы, активируемой очками. В стандартной системе с точками , распределитель , катушка зажигания дребезг точек зажигания (система Кеттеринга) предотвращает полное насыщение катушки при увеличении оборотов , что приводит к образованию слабой искры, тем самым ограничивая потенциал высоких скоростей. При зажигании компакт-диска, по крайней мере, в тех ранних попытках, отскок точек создавал нежелательные импульсы запуска на тиристор (тиристор), что приводило к серии слабых, несвоевременных искр, вызывавших сильные пропуски зажигания. Было два возможных решения проблемы. Во-первых, необходимо было бы разработать другие способы инициирования сброса конденсатор до одного разряда за рабочий такт, заменив точки чем-то другим. Это можно было бы сделать магнитным или оптическим способом, но для этого потребуется больше электроники и дорогой дистрибьютор. Другой вариант заключался в том, чтобы сохранить баллы, поскольку они уже использовались и были надежными, и найти способ преодолеть проблему «отскока баллов». Это было сделано в апреле 1962 года канадским офицером 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, когда точки отскакивали.

Хайленд Электроникс

В начале 1963 года в Оттаве была основана компания под названием Hyland Electronics, занимающаяся производством компакт-дисков зажигания с использованием конструкции Winterburn. Разрядный конденсатор в системе зажигания CD обладал способностью обеспечивать мощную искру, в 4 раза превышающую мощность искры системы Кеттеринга с использованием той же катушки, за исключением того, что энергия искры могла поддерживаться на высоких оборотах в минуту, в отличие от системы Кеттеринга. Блок Hyland потреблял всего четыре ампера при 5000 об/мин (8-цилиндровый двигатель) или 10 000 об/мин (4-цилиндровый двигатель). Динамометрические минимум на 5% испытания в 1963 и 1964 годах показали увеличение мощности системы , что соответствует норме на 10%. Один пример, Ford Falcon , имел увеличение мощности на 17%. Срок службы свечей зажигания был увеличен как минимум до 50 000 миль, а срок службы точек зажигания был значительно увеличен с 8 000 миль до как минимум 60 000 миль. Срок службы точек стал фактором износа трущегося блока (толкателя кулачка) и жизненного цикла пружины, длина которого у некоторых составляет почти 100 000 миль.

Подразделение Хайленда терпимо относилось к различным разрывам в очках. Систему можно было переключить обратно на стандартное зажигание от индукционного разряда путем замены двух проводов. Зажигание Hyland CD было первым коммерчески производимым твердотельным зажиганием компакт-диска и продавалось по розничной цене 39,95 канадских долларов. Заявка на патенты была подана компанией Winterburn 23 сентября 1963 г. (патент США № 3 564 581). Дизайн просочился в Соединенные Штаты летом 1963 года, когда Хайланд представил его американской компании в попытке расширить продажи. После этого в 1960-х и 1970-х годах многочисленные компании начали строить свои собственные здания без лицензии. Некоторые из них были прямыми копиями схемы Уинтерберна. В 1971 году Bosch выкупила у Winterburn европейские патентные права (немецкие, французские, британские).

Беспроводной мир

Британский журнал Wireless World в январе 1970 года опубликовал подробную систему зажигания с конденсаторным разрядом как электронный хобби-проект Р.М. Марстона. Схема этой системы была аналогична патенту Уинтерберна тем, что в ней использовался двухтактный преобразователь импульсного режима для передачи энергии накопительно-разрядному конденсатору и обычные контактные прерыватели для инициирования тиристора, вызывающего разряд заряженного конденсатора CD. Было заявлено, что оно дает несколько преимуществ по сравнению с обычным зажиганием. Среди них: лучшее сгорание, легкий запуск даже при минусовых температурах, невосприимчивость к дребезгу контактора (точек) и экономия топлива 2% - 5%. В последующих письмах в Wireless World (март и май 1970 г.) с ответами г-на Марстона дополнительно обсуждались аспекты проектирования и сборки. В июле 1971 года г-н А. П. Харрис, студент Лондонского городского университета, провел подробный электротехнический анализ конструкции Марстона, а также испытания автомобильных двигателей для проверки экономии топлива. Это подтвердило преимущества системы зажигания CD. Однако он обнаружил, что основной ингредиент конструкции компакт-диска основан на тщательной ручной намотке импульсного трансформатора, соответствующем выборе транзисторов генератора и выборе частоты генератора.

Текущие системы послепродажного обслуживания

По разным причинам, главным образом из-за стоимости, большинство доступных в настоящее время систем зажигания на вторичном рынке относятся к типу систем зажигания с индуктивным разрядом, хотя в 1970-х и 1980-х годах были легко доступны различные устройства с емкостным разрядом, некоторые из которых сохраняли точки зажигания, а другие предлагали альтернативу. тип датчика времени.

Основной принцип

Большинство систем зажигания, используемых в автомобилях, представляют собой системы зажигания с индуктивным разрядом (IDI), которые полагаются исключительно на электрическую индуктивность катушки для подачи высокого напряжения электричества на свечи зажигания, поскольку магнитное поле разрушается, когда ток в первичной обмотке катушки уменьшается. отключен ( пробивная разрядка ). В системе CDI цепь зарядки заряжает высоковольтный конденсатор , и в момент зажигания, обычно определяемый датчиком положения коленчатого вала, система прекращает зарядку конденсатора, позволяя конденсатору разрядить свой выходной сигнал в катушку зажигания до того, как он достигнет свеча зажигания.

Типичный модуль CDI

Типичный модуль CDI состоит из небольшого трансформатора , схемы зарядки, схемы запуска и основного конденсатора . Сначала напряжение системы повышается до 250–600 В с помощью источника питания внутри модуля CDI. Затем электрический ток поступает в цепь зарядки и заряжает конденсатор. Выпрямитель внутри цепи зарядки предотвращает разряд конденсатора до момента зажигания. Когда схема запуска получает сигнал запуска, схема запуска прекращает работу цепи зарядки, позволяя конденсатору быстро разрядить свой выходной сигнал в катушку зажигания с низкой индуктивностью. В системе зажигания CD катушка зажигания действует как импульсный преобразователь, а не как носитель энергии, как в индуктивной системе. Выходное напряжение на свечах зажигания сильно зависит от конструкции зажигания CD. Напряжения, превышающие изоляционные возможности существующих компонентов системы зажигания, могут привести к их преждевременному выходу из строя. Большинство зажиганий CD рассчитаны на очень высокое выходное напряжение, но это не всегда выгодно. При отсутствии сигнала запуска цепь зарядки повторно подключается для зарядки конденсатора.

Запасенная энергия

Количество энергии, которую система CDI может накопить для генерации искры, зависит от напряжения и емкости используемых конденсаторов, но обычно оно составляет около 50 мДж или более. Стандартное зажигание с точками/катушками/распределителем, более правильно называемое системой зажигания с индуктивным разрядом или системой зажигания Кеттеринга , вырабатывает 25 мДж на низкой скорости и быстро падает с увеличением скорости.

Одним из факторов, который часто не принимается во внимание при обсуждении энергии искры CDI, является фактическая энергия, подаваемая в искровой промежуток, по сравнению с энергией, подаваемой на первичную обмотку катушки. В качестве простого примера: типичная катушка зажигания может иметь сопротивление вторичной обмотки 4000 Ом и ток вторичной обмотки 400 миллиампер. После возникновения искры напряжение на искровом промежутке работающего двигателя падает до сравнительно небольшого значения, порядка 1500-2000 вольт. Это, в сочетании с тем фактом, что вторичный ток катушки 400 миллиампер теряет примерно 1600 вольт через вторичное сопротивление 4000 Ом, означает, что полностью 50% энергии теряется на нагрев вторичной обмотки. Фактические измерения показывают, что реальный КПД составляет всего 35–38%, если учитывать потери в первичной обмотке катушки.

Типы

Большинство модулей CDI обычно бывают двух типов:

AC-CDI

Модуль AC-CDI получает источник электроэнергии исключительно от переменного тока, вырабатываемого генератором . Система AC-CDI — это самая базовая система CDI, которая широко используется в двигателях малой мощности.

DC-CDI

Модуль DC-CDI питается от аккумулятора, поэтому в модуль CDI включена дополнительная схема инвертора постоянного/переменного тока для повышения напряжения постоянного тока с 12 В до 400–600 В постоянного тока, что делает модуль CDI немного больше. Однако автомобили, использующие системы DC-CDI, имеют более точный момент зажигания, и двигатель легче запустить в холодном состоянии.

Подобные системы зажигания без CDI

Не все системы зажигания двигателей малой мощности являются CDI. Некоторые двигатели, такие как более старые модели Briggs и Stratton, используют зажигание от магнето. Вся система зажигания, катушка и точки находятся под намагниченным маховиком.

Другой тип 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 во время проверки выходного сигнала катушки с помощью осциллографа, это выглядело бы как переменный ток. Однако, поскольку время зарядки катушки соответствует гораздо меньшему, чем полный оборот кривошипа, катушка действительно «видит» только постоянный ток для зарядки внешней катушки зажигания.) Этот постоянный ток шел по проводу к катушке зажигания, установленной снаружи двигателя. Точки иногда находились под маховиком двухтактных двигателей и обычно на распределительном валу четырехтактных двигателей. Эта система работала так же, как и все системы зажигания Kettering (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, не относящиеся к CDI. В этих системах используется транзистор для включения и выключения зарядного тока катушки в соответствующее время. Это устраняет проблему сгоревших и изношенных точек и обеспечивает более горячую искру из-за более быстрого нарастания напряжения и времени разрушения катушки зажигания.

Преимущества и недостатки CDI

Система CDI имеет короткое время зарядки, быстрый рост напряжения (3–10 кВ/мкс) по сравнению с типичными индуктивными системами (300–500 В/мкс) и короткую продолжительность искры, ограниченную примерно 50–600 мкс. ^{[ нужна ссылка ]} Быстрое повышение напряжения делает системы CDI нечувствительными к шунтирующему сопротивлению, но ограниченная продолжительность искры в некоторых случаях может быть слишком короткой, чтобы обеспечить надежное зажигание. Нечувствительность к шунтирующему сопротивлению и способность образовывать несколько искр могут обеспечить улучшенную способность холодного запуска . ^{[ нужна ссылка ]}

Поскольку система CDI обеспечивает искру только уменьшенной продолжительности, ее также можно комбинировать с измерением ионизации. Это осуществляется путем подачи низкого напряжения (около 80 В) на свечу зажигания, за исключением случаев зажигания. Затем ток, протекающий через свечу зажигания, можно использовать для расчета температуры и давления внутри цилиндра. ^{[ нужна ссылка ]}

Ссылки

Справочник Bosch для автомобильной промышленности, 5-е издание
Патентное ведомство США - 3 564 581
Wireless World, январь 1970 г.: Конденсаторно-разрядная система зажигания, Р. М. Марстон.
Беспроводной мир, март 1970 г.: Письма в редакцию.
Беспроводной мир, май 1970 г.: Письма в редакцию.
Городской университет Лондона, 14 июля 1971 г. Бакалавр наук. Диплом с отличием – Специальный доклад – Автомобильная электронная система зажигания. АП Харрис