Опережение зажигания

Опережение зажигания.
Что это такое?
Какой системе опережения зажигания следует быть.
Не оставить ли нам понятие опережения зажигания в 20-м веке?
Во-первых, «зажигание» - зажигать надо горючую смесь в цилиндрах двигателя
внутреннего сгорания, чтобы та за счет своего расширения при сгорании толкала поршень и
через шатун поворачивала коленчатый вал, соединенный, например, с колесами. То есть, газы,
расширяясь, совершают работу. Желательно, чтобы работа совершалась в какое-то
минимальное время, то есть, чтобы двигатель обладал необходимой мощностью.
«Опережение» - значит, что-то надо опережать.
Что и зачем?
Опережать надо тот момент, когда поршень проходит в цилиндре верхнюю «мертвую»
точку (ВМТ), в которой согласно теории искровых двигателей внутреннего сгорания должно
быть максимальное давление сгорающих газов - в этом случае достигается максимальная
площадь верхней петли (для 4-хтактных двигателей) теоретического кругового цикла
(вспомните циклы Карно, Отто, Миллера, Аткинсона), а площадь эта прямо пропорциональна
крутящему моменту и работе (а, следовательно, и мощности), совершенной сгоревшими газами
за один рабочий цикл.
Как ни быстро сгорают газы, а все же скорость нарастания давления в цилиндре конечна,
и, следовательно, поджигать горючую смесь в реальном цилиндре необходимо заранее, то есть
с опережением, еще до того, когда поршень подойдет к ВМТ, но так, чтобы максимум давления
сгорающих газов развивался вблизи ВМТ, но после её (реально, это 14 - 20 ). Иначе, чтобы
площадь верхней петли действительного (реального) кругового цикла была максимальной (а с
ней и крутящий момент, и мощность).
Здесь надо обратить внимание на следующее.
Как известно, площадь пропорциональна произведению длины на ширину. В нашем
случае «длина» это ход поршня. Следовательно, мощность пропорциональна «ширине», а у нас
это давление в цилиндре. Площадь эта имеет выраженный и единственный максимум (это,
конечно, без детонации) в каждом рабочем цикле. И может иметь «максимальный максимум»,
если он находится на линии, представляющей собой геометрическое место точек (ГМТ),
которым соответствуют наиболее «пузатые» площади верхних петель кругового цикла. Эти
точки должны быть определены и известны заранее, и им соответствуют совершенно
однозначно так называемые «наивыгоднейшие углы опережения зажигания» («Автомобильные
и тракторные двигатели» под ред. И.М. Ленина, Москва, «Высшая школа», 1959 г., стр. 101) и
максимальный эффективный КПД для данных условий (стр. 189). ГМТ определяется
теоретически или экспериментально.
Современные системы управления двигателем в части опережения зажигания
«Мотроники», «Январи», «Микасы», и им подобные, хранят в себе огромные массивы данных
по углам опережения для всего «букета» разнообразных входных аргументов (факторов
техсостояния, топлива, климата, нагрузки). Датчиков, измеряющих выходную функцию –
мощность эти системы не имеют и поэтому называются незамкнутыми системами
автоматического регулирования.
На рис.1 приведен пример всего лишь трехмерной поверхности углов опережения
зажигания от двух аргументов: частоты вращения коленвала и давления во впускном
трубопроводе («Электронное управление автомобильными двигателями» под ред. Г.П.
Покровского, М. «Машиностроение», 1994 г., стр. 144). Рисунок показывает, что решение
проблемы нетривиально.
Заштрихованные области на рис.3 показывают энергетические потери (5 – 6 %) в реальной
индикаторной диаграмме по сравнению с теоретической при «идеальном» опережении
зажигания.
Сплошной контур на рис.2 заключает реальную диаграмму при зажигании в ВМТ (т.е.
позднее зажигание). Здесь плюсы далеко не компенсируют минусы.
На рис.4 изображена диаграмма с петлей при слишком раннем зажигании, когда уже
сгорающая смесь частью противодействует сжатию её поршнем (до ВМТ), совершая
отрицательную работу. («Автомобильные и тракторные двигатели» под ред. И.М. Ленина,
Москва, «Высшая школа», 1959 г., стр. 100).
Какими же способами определяют моменты опережения для традиционных систем?
Подбирают моменты опережения зажигания на тормозном стенде для группы
считающихся одинаковыми двигателей (полностью идентичных двигателей, как и поршней, и
цилиндров не бывает) на одном и том же топливе (полностью идентичного топлива даже одной
марки тоже не бывает) при одинаковых для группы на данный момент климатических условиях
(все же почти одинаковых) при «одинаковых» нагрузке и частоте вращения коленвала.
Работа по подбору моментов опережения зажигания очень трудоемкая и продолжительная
(порядка года, а то и более того). А затем полученные многомерные данные с этой
испытательной группы
усредняются и
аппроксимируются
на все остальные
серийные двигатели данной модели.
А из датчиков, призванных описать реальные аргументы по состоянию двигателя,
топлива, климата, влияющие на функцию - мощность двигателя, в настоящий момент можно
перечислить лишь такие: частоты вращения и положения коленвала, температуры смазки,
охлаждающей жидкости, и иногда:
-зонды, датчики детонации, расхода воздуха, давления
в топливной системе, положения дроссельной заслонки. Датчики эти не всегда дешевы, а
некоторые, например, износа двигателя или определения качества бензина или масла, в
настоящее время просто проблематичны. Введение же каждого нового датчика требует
увеличения массива данных по моментам опережения зажигания в геометрической прогрессии,
так что не всякий современный компьютеризованный блок управления способен обработать
эти данные в реальном масштабе времени.
Не удивительно, что при подготовке двигателя, например, к автомобильным
соревнованиям, при переводе двигателя с бензина на газ, при введении наддува приходится
менять «мозги» в блоке управления зажиганием. Но опять же это будет переходом к
некоторому другому усредненному массиву данных, а не к тому, который соответствовал бы
конкретному экземпляру двигателя в конкретных условиях.
Необходимо также иметь в виду, что массив данных был снят на испытаниях при
изменении аргументов с каким-то шагом, то есть конкретная рабочая точка функции (момент
опережения) выбирается из массива по принципу интерполяции из соседних (сверху и снизу)
точек, или, в лучшем случае, используя экстраполяцию (рекурсию) по нескольким
интерполированным же предыдущим рабочим точкам при неустановившихся режимах.
Любое же несоответствие усредненных данных по моментам зажигания конкретному
двигателю в конкретном режиме его эксплуатации выражается в потере мощности и
увеличению расхода топлива.
Удивительно то, что самые современные автомобили и даже концепткары (может быть,
кроме мало кому известных эксклюзивных систем, применяемых в автомобилях Формулы 1)
обзаводясь всё большим количеством датчиков, измеряющих всевозможные аргументы, не
имеют датчика, измеряющего функцию – мощность двигателя.
А такой датчик есть – датчик давления в цилиндре, и он один должен и может
заменить все упомянутые выше датчики. Все входные аргументы как бы интегрируются при
измерении давления.
Здесь уже опережение зажигания выступает только как функция от двух аргументов –
угла, где максимум цикловой мощности и от частоты вращения коленвала.
Следует отметить, что лишь датчики давления являются теми единственно корректными
приборами, которые способны обеспечить управление моментами опережения зажигания по
каждому цилиндру индивидуально.
Что же предлагается?
Используя датчик давления в цилиндре, высчитать интервал времени от момента
зажигания до угла, где максимум площади индикаторной диаграммы и на следующий цикл для
этого цилиндра установить такое опережение зажигания, чтобы максимум площади
следующего цикла пришелся на упомянутое выше геометрическое место точек «максимальных
максимумов», естественно, учитывая возможные небольшие изменения входных аргументов от
цикла к циклу по fazzy logic. Считаем все зависимости непрерывными, даже величины впрыска
можно представить непрерывной функцией. Уж, если решается задача встречи зенитного
снаряда с самолетом, изменяющим свою высоту, скорость и курс, то здесь все проще.
Это будет замкнутая система автоматического регулирования угла опережения
зажигания по критерию максимума цикловой мощности (или максимума эффективного
КПД) двигателя в данных конкретных условиях.
Такое зажигание хочется назвать «идеальным». Определение «адаптивное зажигание» уже
скомпрометировано вновь разработанными приборами, имеющим адаптацию, например, по
посадочным размерам и местам крепления в сравнении с теми, которые они призваны
заменить.
Другими словами «идеальное» зажигание не должно вносить никаких потерь в мощность
двигателя (исключая, естественно, электрические на работу самой системы зажигания), оно
лишь максимально сохраняет ту мощность, которая возможна. Она не нуждается в хранении
огромного массива данных по опережению, как того требуют традиционные незамкнутые
системы автоматического регулирования типа «Мотроников», «Январей», «Микасов».
Может быть любым топливо (бензины, сжиженные или сжатые горючие газы, водород,
спирты, может быть, керосин) и любого качества, может быть любым воздух (с температурой,
влажностью, давлением и составом) - лишь бы их смесь была способна поджигаться искрой.
Может быть любым двигатель с его конструктивными и технологическими
особенностями, разной топливоподачей, разной смазкой и разной степенью износа – лишь бы
смесь смогла в нем поджечься.
Может быть любой нагрузка на двигатель – лишь бы он мог с ней справиться.
Могут быть любыми обороты двигателя в его рабочем диапазоне.
Но в любом случае из всего этого разнообразия площадь верхней петли действительного
кругового цикла должна быть максимальной (и пропорциональные ей крутящий момент и
мощность). А это для каждого конкретного цикла может быть достигнуто только подбором
момента опережения зажигания.
То есть, пусть даже что-то будет плохо, но «удачное» опережение сведет эти потери к
минимуму.
Система определения наилучших моментов опережения зажигания не может добавить
мощности двигателю, но зато максимально сохраняет ту, на которую двигатель способен в
данных условиях. Это достигается «размещением» экстремума цикловой мощности в нужном
месте по повороту коленвала.
Пьезоэлектрические датчики давления можно увидеть в лабораториях любого автозавода
или моторостроительного завода, где снимают индикаторные диаграммы. В настоящее время
датчики избавились от водяного охлаждения, их ресурс достигает ресурса самого двигателя. По
цене они должны быть не дороже пьезоэлектрических зажигалок. Проблема тарирования
датчиков не стоит, так как важно не абсолютное значение максимума давления (и площади
индикаторной диаграммы), а угол, где этот максимум достигается.
Возможно, определение таких углов и по ионному току (применяя специальные меры),
который может отслеживать давление в цилиндре, а не только детонацию. В этом случае не
надо и дополнительно дырявить головки цилиндров под датчики давления.
Несколько слов о детонации и об опережении зажигания.
Следуя книге Гирявца А.К. «Теория управления автомобильным бензиновым
двигателем» (Москва, «Стройиздат», 1997 г.), в отечественной моторостроительной науке
точное понятие детонации не определено. Отсюда, совершенно очевидно, следует, что выявить
это явление не понятно как. Однако известно, что при детонации резко падает мощность
двигателя, повышается температура и давление в камере сгорания от образовавшихся ударных
волн, возникает опасность механического разрушения двигателя. Явление это сопровождается
«дерганьем» автомобиля и неприятными резкими стуками.
Современные датчики детонации выявляют ее именно по этим неприятным стукам путем
вырезания фильтрами определенных звуковых частот из всего спектра шумов двигателя. Так и
хочется назвать этот способ «музыкальным», и пусть поклонники «heavy metal» и «hard rock»
боятся включать автомагнитолы на машинах с подобными датчиками детонации.
Простите, но почему, вообще, может случиться детонация на двигателях, оборудованных
современными системами опережения зажигания с хранящимся в памяти огромнейшим
массивом данных и многочисленными датчиками техсостояния, топлива и климата? Такого же
не должно быть по определению!
Все-таки «Bosch» признает («Система управления двигателем Motronic» Техническое
обучение, Издание 94/95, Роберт Бош GmbH, 1994, стр. 49), что детонация может случиться,
например, из-за старения двигателя, резких изменений условий окружающей среды и качества
топлива, и предлагает «детонационное регулирование». Оно состоит в том, что опережение
зажигания скачком перескакивает на более позднее для того цилиндра, где детонация
зафиксирована (в разделении по цилиндрам тоже есть определенная сложность). А затем
маленькими «шажочками» опережение вновь увеличивается до следующих признаков
появления детонации, так как рабочая точка (нужное опережение зажигания) могла уйти, и
даже, скорее всего, ушла из-за этой же самой детонации.
Не парадокс ли, чтобы избавиться от детонации – надо её периодически специально
вызывать?
Сделать замкнутую систему автоматического регулирования опережения зажигания по
признаку детонации затруднительно, так как на холостом ходу и режиме малых нагрузок
детонации обычно нет, а если двигатель специально до детонации довести, то он может и
заглохнуть.
При всём том «детонационное» регулирование напрочь отметает все данные по
опережению, полученные с превеликим трудом для нормального двигателя.
Между тем известно, что максимальное давление при детонации возникает в
непосредственной близости от ВМТ (как на рис.4).
Система же опережения зажигания с датчиком давления в своем составе помимо того, что
способна выделить появление детонации по критерию максимального давления у ВМТ, просто
не доведет двигатель до этого состояния, не пустив максимум давления ближе, например, 14
градусов после ВМТ.
Несколько слов об экологии и опережении зажигания.
В настоящее время чистоте выхлопа ДВС уделяется особое внимание. Двигатель должен
как можно меньше портить природу – это всем понятно, Но за счет чего и какой ценой?
Можно совершенствовать конструкцию двигателя, его системы смазки, охлаждения,
впуска, выпуска и зажигания. Это должно бы привести к увеличению эффективного КПД
двигателя, росту его мощности, часть которой затрачивалась бы на очистку продуктов
сгорания.
Можно применять более экологичное топливо, например, высокооктановые бензины,
сжатый или сжиженный газ, биогаз, водород и пр. Этот путь представляется более
перспективным и экономически оправданным. И вот почему.
Одним из путей повышения мощности, например, является повышение степени сжатия. И
хотя это влияет и на улучшение экономичности двигателя (в отличие от наддувов), но приводит
к росту давления в камере сгорания и росту температуры. А повышенная температура приводит
к росту эмиссии окислов азота (NOx) в отработанных газах. NOx – одна из наиболее токсичных
составляющих выхлопа.
В настоящее время с ростом температуры в камере сгорания в угоду экологии «борются»
«придушением» двигателя, направляя часть отработанных газов снова во впускной
трубопровод – система рециркуляции, с компьютерным, между прочим, управлением (лишь
недавно СААБ с его управляемыми клапанами догадался оставлять при выхлопе часть газов в
цилиндре, а не пускать их по трубочке снова на впуск). А поскольку скорость сгорания смеси
при этом изменяется, а мощность терять не хочется, то получается, что система опережения
зажигания становится «виновной» в экологической чистоте двигателя.
Что же получается? Система опережения зажигания отвечает за мощность двигателя –
раз. За отсутствие детонации – два. И за «чистоту» двигателя – три.
Почему так получилось?
Думается, произошло это исторически в силу инерции мышления. Дело в том, что система
зажигания была первой, которая подверглась автоматизации (центробежный регулятор,
вакуумный корректор). Иначе потому, что зависимость функции (мощности двигателя) от
аргумента (опережения зажигания) была, как тогда считали, довольно простой. И вообще,
авторегулирование опережением было единственным автоматизированным процессом на
автомобиле (реле-регулятор напряжения сети напрямую к мощности двигателя относится
меньше).
Сейчас автоматизированных систем, влияющих непосредственно на мощность куда
больше. Например: впуск переменной длины, переменные фазы газораспределения, переменное
давление и время работы форсунок, переменное давление наддува, переменная степень
рециркуляции газов, и даже педаль акселератора с электронным управлением.
Система зажигания с датчиком давления в цилиндре в своем составе с успехом
справляется с удержанием мощности и борьбой с детонацией. Она справится и с задачей
«чистого» выхлопа - «придушить» двигатель ничего не стоит. Но вот критерий чистоты пока не
ясен. Как известно, самый экологически чистый двигатель – это тот, который не работает. А
так, можно ставить любые фильтры на впуске, любые нейтрализаторы – катализаторы на
выпуске, вводить любую степень рециркуляции в угоду экологии – будут потери мощности, но
потерь мощности на это от системы опережения зажигания не будет.
На основании вышеизложенного представляется целесообразным и даже единственно
правильным – систему опережения зажигания «освободить от обязанностей» работать на
ухудшение главнейшей функции двигателя – мощности и возложить задачу борьбы за
экологию на любые другие системы или на качественно другое топливо.
Думается, что система опережения зажигания с датчиками давления избавила бы от
проблем не только двигатели обычной конструкции, но и типа саабовских SVC c переменной
степенью сжатия, и SCC со «шведским впрыском» («Авторевю» №21 (230) 2000 г., стр.22), и
аксиальные с переменным ходом поршня, как у жёлтого «Экстремиста», и роторные.
В дизелях без переделок могла бы обеспечивать опережение впрыска.
Используя не абсолютные значения давления, а лишь относительные, наверное, смогла
бы заняться и величиной впрыска.
Ожидаем получить ПРЕИМУЩЕСТВА АДАПТИВНОСТИ по опережению
предлагаемой системы в следующих режимах: холодный пуск и холодный старт; разгон с
места, с хода (переходные режимы), и движение малым ходом на высших передачах;
изменение сорта и качества топлива без регулировок; испытание на детонацию (система просто
не подпустит максимум давления близко к ВМТ); переход с бензина на газовое топливо и
обратно и работа на их смеси и других альтернативных топливах; при форсировке
(изменение проходных сечений карбюраторов, дозировок впрыска, степени сжатия, массы);
при установке или подключении нагнетателей, при резком изменении климатических условий
(например, в горах при подъеме и спуске или для легкой авиации); для определения данных по
«чип-тюнингу» традиционных систем.
Появится уникальная возможность оснастить один или несколько цилиндров
предлагаемой системой, а остальные проверяемой традиционной для проверки её на
«вшивость».
Предлагаемые системы появятся обязательно, потому что они решают массу проблем, и
поэтому нужны уже сейчас.
Внедрение замкнутой системы автоматического регулирования опережения зажигания по
критерию максимума цикловой мощности позволит закрыть вопрос об опережении зажигания
если не навсегда, то на некоторое необозримое сейчас будущее.
А термин «опережение зажигания» забудется за ненадобностью. Просто, будет считаться,
как само собой разумеющееся, и выйдет из обихода.
В «Авторевю» №2 (70) 1994 г., стр.32 встретился термин «пневматическое регулирование
момента зажигания». Возможно, они и сами не поняли, что это такое.
Между тем, «пневмо…» – это вовсе не связано со сжатым воздухом или герметизированными
трубопроводами. Словарь иностранных слов сообщает: «pneuma» – дыхание. И
«пневматическое регулирование» не неточность перевода, а очень осмысленное и в то же время
образное определение сути дела. Мотор дышит! А одним из параметров, которым определяется
дыхание мотора, является давление в цилиндре.
Может быть, «пневмотроник»? А может быть, как-то по-русски?
Семёнов В.Л.
Сергеев В.П.
Нижний Новгород
Рис. 1. Базовая поверхность управления углом опережения зажигания
Рис.2.
Рис.3.
Рис.4.