Sistemul de Aprindere

CAPITOLUL 1. SISTEMUL DE APRINDERE

Sistemul de aprindere classic

Sistemul electric de aprindere are scopul de a produce si declansa scanteia la momente bine definite in vederea aprinderi amestecului carburant.

Sistemul de aprindere cuprinde urmatoarele elemente:

Bobina de inductie (BI) din schema, aceasta se comporta ca un autotransformator ridicator de tensiune. Ea este construita dintr-un miez feromagnetic pe care se dispun doua infasurari: una primara cu N1 spire cu o sectiune mare, plasata la exterior si una secundara cu N2>>N1 spire, dar cu un diametru mult mai mic al spirelor fata de cele ale infasurarii primare.

Ruptorul (Rp) Este un dispozitiv intrerupator care are rolul de a opri alimentarea cu energie a bobinei de inductie.

Distribuitorul (D) are rolul de a repartiza inalta tensiune produsa de bobina de inductie la o anumita bujie. El este constituit dintr-un capac izolator pe care sunt fixate contactele fixe si un contact mobil.

Condensatorul (C1) are rolul de a stoca o parte din energia arcului electric produs la deschiderea contactului a, micsorand uzura contactelor (4) ajutand la obtinerea unei IT in secundar si la folosirea energiei arcului electric prin cedarea ei catre bobina de inductie.

Rezistenta de balast (Rb) are rolul de a compensa cresterea rezistentei primarului bobinei de inductie la cresterea temperaturii.

La pornirea motorului termic, rotatia arborelui cotit este transmisa catre arborele ruptorului distribuitor (3) unde se afla fixate cama si ruptorul. Prin rotirea camei, contactul a al ruptorului se inchide si se va deschide periodic. Atat timp cat contactele sunt inchise, prin circuitul primar al bobinei de inductie apare un current care produce la randul sau un flux magnetic in miezul bobinei de inductie. La deschiderea contactului a, curentul din circuitul primar se intrerupe iar fluxul magnetic din miezul bobinei va avea o variatie brusca determinand inducerea unei tensiuni inainte inalte in infasurarea secundara.

In acest moment contactul mobil al distribuitorului se afla in dreptul unui contact contact fix si IT se va transmite la o bujie. IT transmisa decalanseaza scanteia intre electrozii bujiei respective.

Marimi caracteristice ale sistemului de aprindere

Tensiunea de aprindere (de strapungere) este tensiunea necesara pentru strapungerea spatiului intre electorzi bujiilor. Strapungerea depinde de un numar de factori cum ar fi: inalta tensiune, tensiunea de lucru, rezistenta de suntare, turatia minima, turatia maxima, distanta intre electrozi, presiune, temeperatura gazului, cifra de incandescenta si alti factori.

Tensiunea secundara este tensiunea inalta produsa de sistemul de aprindere la bornele infasurarii secundare si are valoarea de cca 23000 V.

Tensiunea de lucru sau tensiunea batariei este egala cu tensiunea de aprindere. La pornire scade din cauza curentului absorbit de demaror iar in regimul normal aceasta creste corespunzator tensiunii date de baterie si este in jurul valorii de 12V.

Rezistenta de suntare este rezistenta echivalenta de sarcina a sistemului de aprindere . Aceasta rezistenta depinde in special de depunerile dintre electrozi bujiilor .

Turatia minima de producere a scanteilor este cea mai mica turatie al sistemului ruptor distribuitor la care se asigura producerea continua a scanteilor pentru distanta precisa intre electrozii bujiilor la functionare in cilindri, respective intre eclatoarele de incercare la functionarea in aer. Aceasta trebuie sa corespunda turatiei de pornire a motorului.

Turatia maxima de producer a scanteilor este turatia cea mai mare a sistemului ruptor distribuitor prin care se asigura producerea continuua a scanteilor pentru distanta prescrisa intre electrozii bujiilor respective intre eclatoare. Aceasta trebuie sa fie egala cu turatia maxima de functionare a motorului.

Un alt parametru care se foloseste in locul turatiei de producer a scanteilor este Numarul de scantei in unitatea de timp. Acest numar se poate afla cunoscand turatia motorului, numarul de timpi al motorului si raportul de transmisie la distribuitor. La motoarele in patru timpi cu raport transmisie 1:2 avem

Nsc=

Timpul relativ de inchidere a contactelor sau dwell-ul este raportul dintre timpul de inchidere si durata unei perioade.

τ=

unde ti reprezinta timpul relativ de inchidere si td reprezinta timpul relativ de deschidere

Curentul de rupere este valoarea curentului primar care trece prin infasurarea primara a bobinei in momentul in care contactele se deschid. La sistemele de aprindere clasice curentul prin bobina este egal cu cel din contacte la deschiderea lor, in timp ce la sistemele electronice curentul prin contacte este mai mic decat cel prin bobina.

Unghiul de aprindere este unghiul dintre pozitia maniveleli arborelui motor corespunzatoare momentului producerii scanteii si pozitia punctului mort superior. Unghiurile de aprindere sunt de doua feluri, de avans la aprindere si de intarziere la aprindere, sunt date de producerea scantei inainte sau dupa punctual mort superior.

Cifra de incandescenta sau coeficientul de temperature este valoarea termina a bujiei si exprima capacitatea de a transmite caldura din camera de ardere a motorului termic catre mediu exterior. Cu cat aceasta cifra este mai mare cu atat cedarea caldurii este mai intense.

Raportul de transmisie la ansamblul ruptor distribuitor este raportul dintre turatia ruptor distribuitor si cea a arborelui cotit a motorului.

1.1.2. Aprinderea amestecului carburant

Producerea arderii amestecului carburant la motoarele cu carburator are loc datorita scanteilor sistemului de aprindere. In cilindri motorului amestecul carburant este incalzit si comprimat aproape de temperature de aprindere. Scanteile produse de sistemul de aprindere ridica local temperature de aprindere si declanseaza arderea.Arderea nu se produce imediat , aceasta are o viteza.

Pentru ca arderea sa fie completa trebuie ca scanteia sa fie produsa inainte de a ajunge pistonul in punctual mort superior. In figura 1.1 se prezinta influenta momentului producerii scanteii asupra puterii dezvoltate de motor pe baza diagramei presiune-volum.

O scanteie care este declansata devreme face ca presiunea gazelor de ardere sa creasca repede, putand determina aparitia unei forte contrare miscarii pistonului, forta care se opune miscarii motorului, acesta va functiona anormal, avand urmatoarele caracteristici: supraincalzire, batai metatice, oprire la turatii mici, consum de combustibil marit, putere scazuta.

O scanteie care este declansata tarziu sau la punctual mort superior face ca lucru mechanic sa fie micsorat ca urmare a faptului ca scanteia a fost generata in momentul in care volumul camerei de ardere a crescut iar presiunea din cilindru a scazut. La intarzieri mari o parte din amestec arde si in faza de evacuare.

Unghiul de avans optim trebuie sa se afle intre limitele determinate de:

Compozitia amestecului carburant;

Turatia motorului (n);

Raportul de comprimare (ε);

Tipul de comustibil (cifra octanica);

Numarul de bujii pe cilindru.

1.1.3.Influenta factorilor externi asupra sistemului de aprindere

Turatia motorului – Concomitent cu cresterea turatiei scade timpul de ardere, la turatiile de lucru normale ale motorului viteza de ardere a amestecului carburant este oarecum constanta (22-25 m/s), iar pentru a obtine o ardere completa este necesar ca unghiul de avans la aprindere sa creasca.

Compozitia amestecului carburant – Compozitia amestecului de benzina si aer este caracterizata prin coeficientul de exces de aer α, egal cu raportul procentula dintre greutatea aerului Gr so greutatea aerului teoretic necesar pentru arderea unitatii de greutate a carburantului G0.

Α= *100[%]

Fig.1.3. Caracteristica de avans in functie de turatie

Gradul de compresie – Marirea gradului de compresie deternima cresterea presiunii si temperaturii. Odata cu cresterea gradului de compresie va creste si viteza de ardere deci va fi necesar ca unghiul de avans fix la aprindere sa scada.

Puterea dezvoltata de motor – Concomitent cu cresterea puterii, va creste si cantitatea de combustibil in cilindri sic a urmare va creste presiunea si temperatura la sfarsitul cursei de compresie, aceasta avand o viteza de ardere mai mare trebuie sa se reduca unghiul de avans la aprindere. Reglarea unghiului de avans in functie de sarcina motorului se face cu ajutorul reagulatoarelor prin depresiune, montate pe aparatele de aprindere.

Tipul de combustibil si detonatia – Detonatia este arderea anormala cu caracter exploziv a amestecului carburant care are loc cu viteza mai mare decat cea corespunzatoare arderii normale (1500-2000 m/s). Detonatia apare la anumite presiuni si temperaturi care depinde de combustibilului, fiind caracterizat de cifra octanica. Cu cat cifra octanica este mai mare cu atat amestecul combustibil detoneaza la temperature si presiuni mai mari.

1.1.4.Influenta factorilor externi asupra tensiuni de strapungere.

Tensiunea de strapungere – dintre electrozi depinde de distanta dintre ei temperature si presiunea gazului. In figura de mai jos sunt reprezentate curbele de dependent ale tensiunii de strapungere a aerului in functie de produsul intre presiune si distanta pentru diferite temperature. Tensiunea de strapungere creste o data cu presiunea p si a distantei d dintre electrozi sis cade o odata cu cresterea temperature τ.

Ustr=U0+c

Fig. 1.4.

Influenta turatiei motorului – La pornire din cauza peretilor reci ai cilindrilor si amestecul carburant este mai rece de accea este necesara o tensiune de strapungere mai mare. Tensiunea de strapungere creste o data cu turatia de pornire din cauza ca si presiunea la sfarsitul cursei de compresie creste o data cu turatia. Dupa pornire tensiunea de strapungere va fi mai mica. O data cu cresterea turatiei la inceput presiunea creste mai repede decat temperature electrozilor astefel ca tensiunea de strapungere creste. Dupa atingerea maximimului tensiunea incepe sa scada, se explica prin faptul ca o data cu cresterea turatiei motorului temperature electrodului creste mult datorita numarului mare de scatei pe ciclu, in timp presiunea la sfarsitul cursei de compresie scade din cauza umpleri cilindrului.

Influenta gradului de compresie – O data cu cresterea gradului de compresie va creste si presiunea in cilindru ca urmare va creste tensiunea de strapungere. La grade de compresie mari cresterea tensiuni este micsorata de cresterea temperaturii (Fig.1.4 b)

Influenta unghiului de avans – La unghiuri de avans mici ale aprinderii in momentul produceri de scantei apar presiuni mai mari decat la unghiuri mari. Ca urmare unghiul de avans este marit la aprindere, tensiunea scade. In Fig.1.4 c, sunt aratate curbele tensiuniii de strapungere in functie de unghiul de avans.

Fig.1.5. a Fig.1.5. b Fig.1.5. c

Influenta puterii dezvoltate pe motor – Cresterea sarcinii motorului termic starneste cresterea presiunii la sfarsitul cursei de compresie, deci cresterea tensiunii de strapungere. La sarcini mari ale motorulu termic incepe sa creasca temperatura gazelor si a electrodului central, ceea ce face sa se compenseze influenta cresterii presiunii. Deci tensiunea de strapungere va ramane constanta.

1.1.5.Elementele componente ale sistemului de aprindere

Bobinele de inductie utilizate pe antovehicule au in general o constructie asemanatoare. Deosebirile care intervin intre diferite tipuri de bobine se refera la masa de umplere, materialul carcasei, locul de amplasare a rezistentei aditionale. Exista de asemenea bobine spcciale de putere marita care asigura scintei puternice avind un consum de curent mai mare, bobine rapide care au inductivitatea infasurarii primare mica, bobine cu infasurari special( cele cu doua infasurari secundare pentru motoare cu doi cilindri) bobine ecranate inchise intr-o carcasa metalica. In figura 1.6, a este prezentata constructia unei bobine de aprindere cu masa de umplere bitumoasa, aceasta avand carcasa din tabla si a unei bobine cu ulei avand carcasa din bachelita b. Principalele parti component sunt: 1- miezul, 2 infasurarea primara, 3 infasurarea secundara, 4- suportul isolator, 5- carcasa, 6- capacul izolator, 7 borne de joasa tensiune, 8- borne de inalta tensiune.

Pe miez se aseaza infasurarea secundara, iar la exterior primara. Aseazarea infasurarii secundare la interior asigura un coeficient de cuplaj magnetic mai mare, o izolare mai buna a partii de inalta tensiune, o transmisie de caldura mai buna la infasurarea primara si realizeaza economie de cupru din sarma subtire.

Infasurarea secundara se bobineaza pe un tub facut din mai multe straturi de hartie de cablu, care este asezat pe miez, Ea se face din sarma de cupru amailat avnd diametrul de 0,06-0,08 mm si numarul de spire de 15000-25000 asezate pe 60-80 straturi. Intre straturile infasurarii secundare se aseaza cate 2-4 straturi de hartie de condensator cu grosimea de 0,02 mm si latimea de 60 mm.

In cazul bobinelor cu carcasa din tabla Fig 1.6. a, miezul cu cele doua infasurari este izolat fata de carcasa printr-un suport izolator executat din ceramica pentru a putea rezista la temperaturi ridicate si tensiuni inalte. Carcasa bobinei se face din tabla ambutisata cu reburdurare pana la capat sau prin presare, in acest caz nu mai este necesar suportul izolator.

In cazul bobinelor cu carcasa din bachelita Fig1.6. b, suportul izolator este constituit chiar de carcasa, in acest caz se utilizeaza pentru umplere ulei cu rigiditate dielectrica ridicata.

Inchiderea bobinei de inductie se face printr-un capac izolator executat din bachelita electrotehnica pentru inalta tensiune.

Rezistenta aditionala se fixeaza de obicei printr-un suport metalic pe bobina. Ea se bobineaza din sarma cu coeficient de temperatura mare pe un izolator ceramic.

In tabelul 1.1 sunt aratate principalele caracteristice ale unor bobine utilizate pe autovehicule din tara noastra.

Tabelul 1.1.

Ruptor-distribuitor constructia difera in functie de numarul de cilindri, modul de reglare a avansului, numarul de intreruptoare, amplasarea bornelor de inalta tensiune, modul de antrenare, gradul de antiparazitare si altele.

Pentru o aprindere corespunzatoare ruprot-distribuitorul trebuie sa indeplineasca conditile:

Asigurarea in intregul domeniu de turatii de functionare a deschiderii contactelor intreruptorului strict periodic fara vibratii

Asigurarea functionarii fara arc electric exagerat la toate turatiile motorului

Asigurarea reglarii dwell-ului la aprindere

Asigurarea rigidditatii dielectrice perescrise a izolatiei pieselor distribuitorului, intreruptorului si condensatorului.

Ruptorul-distribuitorul este compus din: carcasa, arborele , dispozitivul intreruptor, dispozitivul distribuitor si dispozitivele pentru reglarea avansului.

Dispozitivul intreruptor (ruptor) Fig1.7. compus din : 2- cama fixata pe arbore, 3- placa ruptor, 4- placa port contacte, 5- parghia, 6 contactele , 7- condensatorul.

Dispozitivul distribuitor de inalta tensiune Fig1.7. se compune din 8- rotor si 9- capac cu borne.

Pe ruptor-distribuitor sunt montate dispozitivele regulatoare de avans, in Fig1.7. se observa 10- regulatorul de avans centrifugal, 11- regulatorul de avans prin depresiune si 12- selectorul octanic.

1.1.6.Scanteia electrica

Procesele de ardere de la m.a.s. cer un amestec omogen de aer-combustibil. Formarea amestecului se realizeaza in stare gazoasa, obtinuta prin pulverizarea si vaporizarea combustibilului lichid precum si amestecarea cu aerul.

Initierea nucleului de flacara pentru aprinderea amestecului se face prin aplicarea unei tensiuni intre doi electrozi situati la o distanta de 0,5-1,0 mm, fiind situati in camera de ardere.

Aplicarea unei tensini electrice intre doi electrozi aflati intr-un mediu gazos conduce la declansarea unui proces in interiorul gazelor, evidentiat de dependenta dintre tensiunea apicata si curentul care apare.

Fenomenul de trecere a curentului electric prin gaz se numeste descarcare electrica prin gaz.

Oirce gaz este un izolator perfect atat timp cat el nu contine purtatori de sarcina electrica adica ioni si electroni.

Separarea electronului de aton necesita o anumita energie, numita energie de ionizare.

Energia de ionizare poate fi furnizata sub actiunea energie termice, a radiatiei electromagnetice, ultraviolete, razelor X, a radioactivitatii diferitelor substante etc.

Prezenta factorilor de ionizare face ca la aplicarea unei tensiuni intre doi electrozi situati intr-un meciu gazos, sa apara un curent electric chiar la tensiuni mici. El depinde de mai multi factori si in primul rand de tensiunea apicata, se observa in Fig 1.8. , caracteristica volt-amper.

Pe caracteristica din figura de mai sus sunt prezente mai multe zone:

OA – curentul este proportional cu tensiunea aplicata, rezistenta electrica a spatiului dintre electrozi nu depinde de V, fiind valabila legea lui Ohm.

AB – toti purtatori de sarcina aparuti intr-un anumit timp vor fi antrenati catre electrozi iar valoarea curentului este aproximativ constanta fiind curent de saturatie.

BC – crescand in continuare tensiunea (U>UB) intensitatea curentului incepe din nou sa creasca, fara ca puterea agentului ionizator sa se modifice. Rezulta ca au aparut mecanisme noi de ionizare a spatiului dintre electrozi din care mentionam ionizari ale atomilor din volumul gazului prin ciocniri cu electroni.

1.1.7.Bujia

Descarcarea prin scanteie apare la presiuni mari, incepand cu, aproximativ, presiunea atmosferica. Scanteia este stadiul final al descarcarii. Tensiunea de aprindere a descarcarii este foarte mare, imediat dupa strapungerea spatiului dintre electrozi valoarea lui scade iar valoarea curentului creste foarte mult. Descarcarea in scanteie este iminenta chiar daca tensiunea apicata este continua, ea se prezinta ca un fascicul de fire care se ramifica in zig-zag.

Dupa strapungerea spatiului dintre electrozi, descarcarea depinde de parametrii mediului gazos, ai circuitului electric si ai sursei de alimentare.

Bujia este aparatul care contine electrozii intre care se produce scanteia electrica pentru aprinderea amestecului carburant, ca urmare a aplicarii unei tensiuni inainte IT.

Electrozi 1si2 din Fig.1.9. a conduc IT aplicata la cele doua capete, pana in camera de ardere, unde sunt celelalte doua extremitati ale electrozilor si intre care este necesar sa se produca scanteia electrica. Se va impune ca spatiu dintre cei doi electrozi destinat scanteii electrice sa necesite o tensiune de strapungere inferioara orcarei alte tensiuni de strapungere ditnre electorzi. Daca izolatorul are rezistenta echivalenta Riz si spatiul disruptiv Rd, schema electrica echivaneta a bujiei se prezinta ca in Fig1.9. b,obligandu-se ca Riz>Rd.

Costructia bujiei , bujia este compusa din trei parti: 1- corpul bujiei, 2- izolatorul si 3- electrozii (Fig.1.10).

Corpul bijiei Fig.1.11. este partea care inglobeaza toate paritile componete si care se fixeaza pe motor, el fiind construit din otel, fiind prevazut in partea superioara cu un profil hexagonal iar la cea inferioara cu un filet exterior, fiindui necesar la insurubarea in chiuloasa motorului.

Izolatorul in interiorul lui se afla electrodul central. Izolatorul separa din punct de vedere electric, cei doi electrozi, nepermitand curelului electric sa treaca in momentul aplicarii IT, decat intre extremitatile acestora aflate in camera de ardere, intre care se produce scanteia electrica.

Forma izolatorului trebui sa asigure fixarea in corpul bujiei si distantele exterioare necesare evitarii conturnarilor.

Materialul izolatorului Fig.1.12. este determinat de cele dou functii de izolare electrica si de disipare de caldura. Cele mai raspandite materiale folosite sunt cele ceramice, dar mai intalnim si silicatul de magneziu sau alumina.

Proprietatile care trebuiesc indeplinite de izolator sunt:

Sa pastreze proprietatile dielectrice indiferent de temperatura la care sunt supuse si la tensiunea aplicata;

Sa reziste la temepratura din camera de ardere si la variatiile de-a lungul corupui bujiei;

Sa imprastie caldura primita de la motor si de la electrodul central;

Coeficientul de dilatare trebuie sa fie apropiat de acela al pieselor metalice cu care este in contact, pentru a fi evitate jocurile, fisuri sau spargeri;

Sa nu intre in contact cu amestecul carburant sau gazele de ardere;

Sa faca fata presiunilor din camera de ardere si a celor de strangere pentru fixarea in corpul bujiei.

Electrozii sunt cel putin doi, unul central si unul sau mai multi electrozi laterali fixati de corpul bujiei, numiti electrodzi de masa. Electrodul apare ca o tija continua Fig.1.10 a). sau discontinua partea inferioara formand electrodul propriu-zis, iar partea superioara tija de legatura cu sursa de IT.

De obicei materialele din care sunt confectionati electrozii sunt: otelul, wolframul sau aliajele de nichel crom, adaosurile de mangan, siliciu si crom permit ridicarea temeperaturii de folosire a electrozilor, conductibilitatea electrodului central avand un rol important in functionarea la temperatura ridicata. Eroziunea electrozilor apare dupa o perioada de folosinta a bujiilor si este o eroziune ionica: din cauza temperaturilor ridicate a anodului, pariticule de metal sunt topite, volatizate si ionizate. Coroziunea electrozilor este cauzata de diferitele substante care se afla in amestecul carburant dar si a gazelor de ardere, in special la temperaturi ridicate si a descarcarilor electrice atunci cand se produce ozon, oxid de azor si acid azotic care ataca electrozii.

Regimul termic al bujiei si aprinderea temepratura foarte mare a bujiei poate cauza aprinderi ale amestecului carburant la momente inderizabile. Luand ca exemplu momentul de declansare a scanteii, regimul termic al bujiei poate provoca o pre-arprindere sau post-aprindere.

Preaprinderea aceasta se produce in general de supraincalzirea piciorului izolatorului, acest fenomen fiind inainte de declansarea scanteii.

Postaprinderea este aprinderea amestecului carburant dupa momentul de aprindere electrica, aceasta este cauzata de suprafetele fierbinti din jurul bujiei sau de depuneri.

Aprinderea electronica cu contact

1.2.1 Aprinderea electronica inductiva

1.2.2. Aprinderea capacitiva

1.3. Aprinderi cu microprocesor