CDI
CDI - (condenser discharge ignition) -система конденсаторного (тиристорного) зажигания.
В тиристорных системах зажигания энергия для искрового разряда накапливается в конденсаторе, поэтому их часто называют конденсаторными. В момент искрообразования конденсатор разряжается через тиристор и первичную обмотку катушки зажигания, и во вторичной обмотке индуктируется высокое напряжение.
Энергия Wc, накапливаемая в конденсаторе С1, зависит от его емкости и напряжения в квадрате (U2), подводимого к конденсатору:Wc = OU2/2.
Поэтому конденсатор заряжают до напряжения 300 + 400 В от бортовой сети 12 + 14 В, или другого источника повышенного напряжения через преобразователь напряжения П и выпрямитель В (смотри рисунок).
Время полного заряда накопительного конденсатора значительно меньше времени накопления энергии в индуктивности и может быть доведено до 2 мс. Оно зависит от мощности и выходного сопротивления преобразователя и емкости накопительного конденсатора. Время заряда конденсатора рассчитывается так, чтобы к моменту подачи следующей искры он был полностью заряжен. Это обеспечивает энергию искры постоянной во всем диапазоне частот искрообразования. Тиристоры менее чувствительны к повышенному напряжению, чем транзисторы. Тиристорные системы зажигания могут работать с катушкой контактной системы батарейного зажигания, максимальная величина ЭДС самоиндукции которой примерно соответствует зарядному напряжению накопительного конденсатора. Конденсатор прерывателя не влияет на работу тиристорной системы. Это позволяет в случае отказа ее быстро перейти на батарейную систему.
Высокое напряжение тиристорной системы зажигания нарастает примерно в десять раз быстрее,, чем в батарейной и контактно - транзисторной системах. Поэтому оно обеспечивает пробой искрового промежутка в свечах с загрязненными, покрытыми нагаром изоляторами. Но продолжительность разряда в искровом промежутке значительно меньше (около 300 мке), чем в системах с накоплением энергии в индуктивности (около 1 мс), так как частота колебаний контура накопительный конденсатор - первичная обмотка в тиристорной системе значительно выше.
Тиристорные системы зажигания по принципу действия делят на две группы: с импульсным непрерывным (многоимпульсным) и одноимпульсным накоплением энергии в емкости.
В импульсных системах конденсатор заряжается одним импульсом прямоугольной формы до конечного напряжения, а затем наступает пауза до момента его разряда В схемах с непрерывным накоплением энергии конденсатор заряжается многочисленными прерывистыми импульсами напряжения.
Системы с импульсным накоплением позволяют простыми средствами стабилизировать напряжение заряда накопительного конденсатора, т. е. сделать его независящим от изменений напряжения питания и других дестабилизирующих факторов. Однако при малой пусковой частоте вращения вала двигателя в этих системах, вследствие увеличения времени паузы, накопительный конденсатор к моменту искрообразования успевает несколько разрядиться, и напряжение искрообразования уменьшается. Это налагает жесткие требования на значения токов утечки в элементах вторичной цепи - тиристоре, накопительном конденсаторе, выпрямительном диоде и является недостатком систем с импульсным накоплением.
Системы с непрерывным накоплением энергии свободны от указанного недостатка. Эти системы практически нечувствительны к утечкам в элементах вторичной цепи и обеспечивают независимость напряжения искрообразования от частоты вращения вала двигателя.
Принципиальная схема тиристорной системы зажигания с непрерывным накоплением энергии приведена на рисунке №2
Она включает в себя преобразователь П постоянного напряжения 12 ¦ 15 В в переменное 300 + 400 В с частотой около 500 Гц. выпрямитель переменного напряжения В, тиристор VD5, накопительный конденсатор С1, блок управления и катушку зажигания КЗ.
В качестве преобразователя напряжения может быть использован приведенный на схеме двухтактный преобразователь с самовозбуждением к трансформаторной связью, собранный по схеме с общим коллектором на транзисторах VTI, VT2, резисторах R1, R2, R3, R4 и трансформатоpe TI.
При включении зажигания напряжение бортовой сети подводится к средней точке обмотки трансформатора и коллекторам транзисторов. Возникает ток в двух параллельных цепях, который течет от средней точки трансформатора через его верхнюю половину, резисторы Rl, R3, транзистор VT1 и через нижнюю половину трансформатора, резисторы R2, R4, транзистор VT2. Вследствие разброса параметров транзисторов и резисторов ток в одной половине трансформатора (допустим, верхней) пойдет несколько больший, чем во второй (нижней). Это вызывает ускоренное отпирание одного транзистора (VT1) и запирание второго (VT2). В таком состоянии транзисторы находятся, пока магнитный поток в сердечнике трансформатора не достигнет насыщения. Происходящее при этом резкое замедление нарастания тока вызывает в обмотках трансформатора ЭДС противоположной полярности, которая переключает транзисторы: запирает VT1 и отпирает VT2. Транзисторы переключаются с частотой около 500 Гц, меняя направление тока в обмотке трансформатора, и на выходе трансформатора появляется переменное напряжение порядка 350 ¦ 400 В. Двухполупериодный выпрямитель на диодах VD2 + VD4 преобразует переменное напряжение в постоянное, которым заряжается конденсатор С1. В момент искрообразования по сигналу контактного или бесконтактного датчика с блока управления подается положительный импульс на управляющий электрод тиристора VD5. Тиристор открывается и конденсатор разряжается через первичную обмотку катушки зажигания, а во вторичной обмотке индуктируется высокое напряжение.
Рассмотрим подробнее основные этапы работы системы: заряд накопительного конденсатора после переключения ключа VD5 в положение 1 (этап 1, рис 2) и процессы, происходящие после размыкания контактов прерывателя и переключения коммутатора VD5 в положение 2 (этап 2, рис. 3).
Этап 1. Согласно схеме замещения (рис. 2) цепь, состоящая из накопительного конденсатора С1, резистора Rвн, сопротивление которого равно внутреннему сопротивлению преобразователя, и резистора Rут, сопротивление которого равно результирующему сопротивлению утечки во вторичной цепи, с помощью коммутатора VD5 подключается к источнику постоянного напряжения Ub, которым является преобразователь.
Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальному закону:
Где 
постоянная времени цепи заряда конденсатора.
Как правило, Rут > Rвн (в противном случае, как будет показано ниже, система вообще не работоспособна), и напряжение на накопительном конденсаторе через время t« ЗТ = 3Rbm • С1 практически достигает установившегося значения Ub. Энергия, запасенная в электрическом поле конденсатора, при этом равна: We1=C1*U2в/2
Необходимым условием нормальной работы системы является полный заряд конденсатора С1 до напряжения Ub, за время между двумя искрами при максимальной частоте вращения вала двигателя.Учитывая, что конденсатор в схеме рис. 1 начинает заряжаться лишь после замыкания контактов прерывателя, и считая скважность работы прерывателя равной 2, это условие для четырехтактного двигателя будет иметь вид:
где z - число цилиндров двигателя; Nmax - максимальная частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин. Для двухтактного двигателя числитель правой части должен быть равен 10. Так, если емкость накопительного конденсатора CI = 1 мкФ, двигатель четырехтактный четырехцилиндровый, имеющий максимальную частоту вращения коленчатого вала птах = 6000 об/мин, то Т< 0,83 мс, и внутреннее сопротивление преобразователя не должно превышать:
Рассмотрим подробнее влияние сопротивления утечки Ryr на работу системы. Сопротивление утечки в основном определяется током утечки тиристора, используемого в качестве коммутатора. Максимальное значение юка утечки имеют тиристоры типа КУ202М (Н): до 10 мА при напряжении 400 В. Сопротивление утечки в этом случае равно:
Таким образом, условие Ryr > Rвн выполняется даже и в этом крайнем случае, и, следовательно, влиянием сопротивления утечки в системах с непрерывным накоплением энергии можно пренебречь. Тем более, что в действительности ток утечки у подавляющего большинства тиристоров этого типа не превышает 0,2 + 0,3 мА.
В случае же, если сопротивление утечки по каким-либо причинам станет соизмеримым с внутренним сопротивлением преобразователя, то напряжение заряда накопительного конденсатора резко уменьшится и система станет неработоспособной. Энергия преобразователя будет в основном расходоваться в паразитных цепях утечки.
На практике выполнение условия: о полном заряде конденсатора С1 до напряжения Ub, за время между двумя искрами при максимальной частоте вращения вала двигателя, не встречает затруднений. Задавшись определенной энергией Wcl и выбрав значение выходного напряжения преобразователя Ub, из выражения: С1 = 2 • Wct/U в - определяют емкость накопительного конденсатора. Внутреннее сопротивление преобразователя Rbh определяется его мощностью. Чем больше мощность преобразователя, тем меньше его внутреннее сопротивление.
Применяя достаточно мощный преобразователь, можно добиться того, чтобы энергия Wcl, а значит, и вторичное напряжение, были постоянными вплоть до самой высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя. Что же касается малой частоты вращения, то очевидно, что если накопительный конденсатор успел зарядиться до напряжения Ub при максимальной частоте вращения, он тем более успеет зарядиться до этого напряжения при малой частоте вращения коленчатого вала.
Этап 2. Подключение заряженного накопительного конденсатора С1 к первичной обмотке катушки зажигания.
На рис. 3 дана упрощенная схема замещения для второго этапа рабочего процесса.
При ее составлении и анализе приняты следующие допущения: гальваническая связь между обмотками катушки зажигания устранена, искровой контакт распределителя заменен скользящим, распределенные емкости вторичной цепи заменены одной сосредоточенной емкостью С1, активные сопротивления обмоток катушки зажигания равны нулю, коэффициент связи между обмотками равен единице, шунтирование вторичной цепи отсутствует.
Согласно схеме замещения после размыкания контактов прерывателя и переключения коммутатора VD5 в положение 2 в первичной цепи образуется колебательный контур, состоящий из индуктивности L1 первичной обмотки W1 катушки зажигания и суммы емкостей накопительного конденсатора CI и вторичной цепи C2- (W2/W1), приведенной к первичной. Поскольку до коммутации конденсатор С1 был заряжен, после нее в первичном контуре возникают собственные затухающие колебания, частота которых (без учета процессов во вторичной цепи) равна:
Вследствие того, что в момент коммутации параллельно накопительному конденсатору подключается емкость С2 • (W2AV1), напряжение на накопительном конденсаторе уменьшается, и максимум первичного напряжения, определенный из условий сохранения заряда, будет равен:
Очевидно, что если Ulmax является максимумом первичного напряжения, то максимум вторичного напряжения определится выражением:
Из этого выражения следует, что, выбрав соответствующим образом емкость накопительного конденсатора С1 так, чтобы CI > С2 • {W2/W1), можно добиться малой зависимости вторичного напряжения U2max от значения емкости С2, что принципиально невозможно в классической системе зажигания
Кроме того, в конденсаторной системе зажигания максимум вторичного напряжения мало зависит от значения сопротивления, шунтирующего вторичную цепь. Практика подтверждает, что конденсаторная система зажигания сохраняет работоспособность при низких значениях шунтирующего сопротивления, вплоть до 100 К. Это существенно снижает требования к уходу за свечами зажигания (их чистке, регулировке зазора и т. п.). Срок использования свечей может быть значительно увеличен, поскольку свечи, которые уже нельзя задействовать в классической системе зажигания, могут удовлетворительно работать в конденсаторной системе.
Это связано с тем, что в качестве коммутатора в конденсаторной системе зажигания обычно применяют тиристоры, время переключения которых, определяющее длительность фронта первичного напряжения, всего несколько микросекунд. Конечно, длительность фронта вторичного напряжения зависит, кроме того, от параметров катушки зажигания. Однако даже при применении катушек от классической системы зажигания, фронт импульса вторичного напряжения в конденсаторной системе получается значительно круче, чем в классической.
Очевидно, что потери энергии при конкретных значениях шунтирующего сопротивления и вторичного напряжения пропорциональны времени действия этого напряжения. Поэтому при крутом фронте за время, пока напряжение достигнет максимума, потери будут меньше, чем при пологом фронте. Этим и объясняется малая зависимость U2max в конденсаторной системе зажигания от сопротивления, шунтирующего вторичную цепь.
Схема с непрерывным накоплением энергии в конденсаторе отличается простотой, технологичностью и надежностью конструкции. Недостаток ее - зависимость энергии накопительного конденсатора от напряжения источника питания. Зимой, когда напряжение батареи при пуске снижается до 7 + 8 В, конденсатор заряжается до напряжения около 190 В, накопленная энергия в нем снижается в 4 раза, и пуск затрудняется.
Конденсаторные системы с импульсным накоплением энергии в емкости позволяют иметь хорошую искру при уменьшении напряжения в бортовой сети до 6,5 В. Но эти системы сравнительно сложнее и дороже. К полупроводниковым приборам, применяемым в них, повышены требования в отношении токов утечки, которые должны быть не более 0,1 мА.
В системах с импульсным накоплением энергии, накопительный конденсатор заряжается одним мощным импульсом сразу же после окончания искрового разряда в свече зажигания. На рис. 4 приведена принципиальная схема конденсаторной системы зажигания с импульсным накоплением энергии, а на рис. 5 временные диаграммы ее работы.
Схема включает в себя транзистор VT1, который работает в ключевом режиме, повышающий трансформатор Т1, накопительный конденсатор С1, два диода VDi, VD2, тиристор VD3 и катушку зажигания (КЗ).
При замкнутом выключателе зажигания S и в момент размыкания контактов прерывателя (ti), транзистор VTI переходит в состояние насыщения. Ток управления течет от батареи через резисторы Яд, RI и R2, базу и эмиттер транзистора на корпус автомобиля и"-" батареи. Транзистор проводит линейно - нарастающий ток первичной обмотки трансформатора Т1. В магнитном поле Tf накапливается энергия. По мере увеличения тока 16 в обмотке (01 увеличивается падение напряжения на резисторе R3. Это напряжение поступает на вход схемы управления и, когда ток достигает заданного значения 1р, ключи VT1 и VD3 по сигналу err схемы управления закрываются. Ток в обмотке 0)1 прекращается (Ь, рис. 5). Энергия,накопленная в магнитном поле трансформатора Т1, равная L1 • 1 р/2, где L1 индуктивность обмотки (01 трансформатора Т1, создает в его обмотках импульсы напряжения. Положительный импульс с конца обмотки (02 (начала обмоток на рис. 4. обозначены точками) проходит через диод VD1 и заряжает накопительный конденсатор С1 до высокого напряжения 350 В (ts рис. 5). Диод VD 1 предотвращает разряд конденсатора С1 через обмотку 0)2 после окончания действия импульса.
Если считать, что энергия магнитного поля трансформатора Т1 преобразуется в энергию электрического поля конденсатора СI с коэффициентом полезного действия т|, то можно написать:
Таким образом, напряжение заряда накопительного конденсатора не зависит от напряжения питания, и при постоянных значениях т|, LI и CI определяется лишь током разрыва 1р.
Указанное свойство системы позволяет относительно простыми средствами получить стабилизированное вторичное напряжение. Для этого необходимо иметь схему управления со стабильным порогом срабатывания. Практическая реализация такой схемы не встречает затруднений.
В момент U контакты прерывателя замыкаются, что не оказывает влияния на работу системы.
В момент ts контакты прерывателя снова размыкаются, а ключи VT1 и VD3 открываются.
Ключ VT1 подключает обмотку С01 трансформатора Т1 к источнику питания и через нее снова начинает протекать линейно - нарастающий ток. Ключ S2.2 подключает заряженный до напряжения 350 В накопительный конденсатор к первичной обмотке WI катушки зажигания. Во вторичной обмотке W2 катушки зажигания индуцируется высокое напряжение, которое через распределитель поступает к свечам зажигания. Затем описанные процессы повторяются. В момент t6 ток в обмотке (01 трансформатора достигает заданного значения 1р, в момент t7 накопительный конденсатор снова заряжается. В момент U контакты прерывателя размыкаются и в свече зажигания происходит искровой разряд.
Между моментами окончания заряда накопительного конденсатора (b, t?, рис. 5) и моментами, когда конденсатор подключается к катушке зажигания (t5, ts) проходит интервал времени XI В течение этого времени накопительный конденсатор разряжается через обратные сопротивления диода VD 1, тиристора и свое собственное сопротивление изоляции, и напряжение на нем к моменту искрообразования уменьшается на AU. На рис. 5 пунктирной линией показан идеальный случай, когда утечек нет.
Чем ниже частота искрообразования и, следовательно, больше период Ти интервал XI, тем больше разрядится накопительный конденсатор и тем ниже будет напряжение искрообразования. При значительном токе утечки может случиться, что вторичное напряжение при малых пусковых частотах вращения вала двигателя упадет настолько, что окажется недостаточным для пробоя искрового промежутка свечи зажигания.
Определим допустимый ток утечки во вторичной цепи системы с импульсным накоплением энергии, при котором система остается работоспособной при самых малых пусковых частотах вращения вала двигателя, для которых XI = Т.
Количество электричества, первоначально запасенное в накопительном конденсаторе С1, составляет: Ql-Cl-UI. где С1- емкость накопительного конденсатора; U1 - первоначальное напряжение его заряда.
Суммарный ток утечки во вторичной цепи обозначим 1ут. Тогда количество электричества, потерянное накопительным конденсатором за время XI * Т, будет равно: AQ - 1ут- T = I)nr/F, где F - частота искрообразования.
Количество электричества, оставшееся в накопительном конденсаторе к моменту искро-образования, определим выражением; Q2=Q1 -AQ=C1 - 111 -Iyr/F, а напряжение U1 на накопительном конденсаторе, соответствующее этому количеству электричества, определится как: U2=Q2/C1 = U1 -Iyr/(F C1), и, следовательно, уменьшение напряжения к моменту искрообразования будет равно: ди = 1ут/ (F • С1).
Окончательное выражение для определения допустимого суммарного тока утечки 1ут, мА, для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя будет иметь вид: 1ут5п-С1 -U1 -у/3, где п - частота вращения вала двигателя, об/мин; у = 100 • AU/U1 - допустимое уменьшение напряжения искрообразования при частоте п, %; Ш - первоначальное напряжение заряда накопительного конденсатора, В; С1 - емкость накопительного конденсатора, мкФ.
Вкачестве примера, определим допустимое значение тока утечки для следующего практического случая, минимальная пусковая частота вращения вала двигателя п = 150 об/мин; емкость накопительного конденсатора CI = 1 мкФ; первоначальное напряжение на накопительном конденсаторе U1 = 350 В, а допустимое его уменьшение V = 15% (4U =52 В): \ут£ 150 -10 • 350 - 1S/3 = 0,26мА.
Как было указано выше, ток утечки тиристора типа КУ202М (Н) согласно его техническим условиям может достигать 10 мА, и несмотря на это такой тиристор работоспособен в системе с непрерывным накоплением энергии. Для системы же с импульсным накоплением такой тиристор непригоден. Даже если ток утечки тиристора будет равен 1 мА, то напряжение искрообразования при пусковой частоте вращения вала двигателя п = 150 об/мин уменьшится на 57%, т. е. к первичной обмотке катушки зажигания будет подводиться не 350 В, а всего 150 В, и система будет неработоспособна.
В связи с этим тиристоры для систем с импульсным накоплением энергии необходимо специально отбирать по току утечки. На практике, правда, это не встречает затруднений, так как у подавляющего большинства тиристоров - ток утечки составляет 0,2 + 0,3 мА.
Как и в системе с непрерывным накоплением энергии, в данном случае необходимым условием нормальной работы системы является также полный заряд накопительного конденсатора к моменту новообразования при максимальной частоте вращения вала двигателя.
Из рис5 видно, что время заряда накопительного конденсатора складывается из двух фаз - времени Т2 нарастания тока в обмотке (01 трансформатора Т1 и времени Тз непосредственного заряда конденсатора после разрыва тока. Ввиду того, что нарастание тока в обмотке (01 начинается одновременно с размыканием контактов прерывателя, условие нормальной работы системы с импульсным накоплением для четырехтактного двигателя будет иметь вид: Т2 + ТЗ < 120/Z • Птах, где г - число цилиндров; птах - максимальная частота вращения вала двигателя.
Сравнение этого условия с аналогичным для СЗ с непрерывным накоплением показывает, что оно менее жесткое, и на практике его выполнение не встречает затруднений.
Процессы, происходящие в момент размыкания контактов прерывателя и переключения ключа в положение 2, в системе с импульсным накоплением энергии не отличаются от аналогичных процессор в системе с непрерывным накоплением.
Системы с импульсным накоплением энергии имеют наибольшую скорость нарастания высокого напряжения. Но длительность индуктивной составляющей искрового разряда в свечах уменьшена от единиц миллисекунд (в системах с накоплением энергии в индуктивности) до десятков или сотен микросекунд. Это ухудшает воспламенение и сгорание рабочей смеси на средних нагрузках и, следовательно, приводит к повышению расхода топлива и токсичности отработавших газов. Для устранения указанных недостатков надо корректировать автоматы опережения зажигания и увеличивать зазор в свечах до 1,2 + 1,5 мм, что приводит к дальнейшему возрастанию вторичного напряжения и напряженной работе изолирующих частей высоковольтной системы.
