Секреты высоковольтного пробоя

Основная задача системы зажигания современного бензинового двигателя – формирование импульсов высокого напряжения, необходимых для воспламенения топливно-воздушной смеси.

Первоначальное воспламенение смеси происходит от энергии, выделяющейся в шнуре пробоя. В объеме шнура электрическая искра вызывает практически мгновенный термический нагрев молекул смеси, их ионизацию и химическую реакцию между ними.

Если выделившейся при этом энергии достаточно для начала реакции горения смеси в оставшемся объеме камеры сгорания, то воспламенение смеси произойдет, и цилиндр отработает нормально.

В противном случае возможен пропуск воспламенения. Поэтому система зажигания играет одну из ключевых ролей в обеспечении надежного воспламенения топливно-воздушной смеси.

Проверка элементов системы зажигания – обязательная операция при проведении диагностических работ/

Проверка элементов системы зажигания включает в себя достаточно обширный перечень действий с применением разнообразных методик. К числу последних относится анализ осциллограммы высоковольтного пробоя и горения искры, полученный с помощью мотортестера.

Вкратце напомним характерные моменты этой осциллограммы.

Время накопления – это время, в течение которого происходит накопление энергии в магнитном поле катушки. Оно определяется блоком управления в соответствии с заложенной в него программой либо коммутатором зажигания. Когда-то давно время накопления зависело от угла замкнутого состояния контактов, но подобные системы уже безнадежно устарели, и рассматриваться нами не будут.

Время горения – это время существования тока между электродами свечи. Зависит от очень многих факторов и составляет 1..2 мс.

 

В момент размыкания первичной цепи системы зажигания во вторичной катушке генерируется высоковольтный импульс. Значение напряжения, при котором происходит пробой искрового промежутка, называется напряжением пробоя. При анализе осциллограммы это значение необходимо измерить и оценить.

Поговорим о том, каким образом это можно сделать, от чего оно будет зависеть.

Самый важный тезис, который обязательно необходимо озвучить, прежде чем продолжить разговор, заключается в следующем: система зажигания современного двигателя является частью системы управления двигателем, исполнительным механизмом этой системы.

 В чём коренное отличие современной системы от системы с центробежным и вакуумным регуляторами, известной по автомобилям ВАЗ классической компоновки?

Отличие заключается в самом главном. Если ранее в перечень задач системы зажигания входило формирование времени накопления энергии в катушке и регулировка угла опережения зажигания в зависимости от оборотов коленчатого вала и нагрузки на двигатель, то функция современной системы зажигания заключается только в генерации высоковольтных импульсов и распределении их по цилиндрам двигателя. Задача расчёта оптимального УОЗ и времени накопления возложена на электронный блок управления двигателем. Для грамотного анализа осциллограмм необходимо четко представлять, как функционирует система управления двигателем в части управления системой зажигания.

Для правильного понимания методик диагностики нужно знать принцип работы того или иного элемента, видеть причинно-следственные связи, и прежде всего совершенно необходимо иметь представление о том, как происходит пробой искрового промежутка.

Механизм формирования шнура пробоя

Рассмотрим в упрощенном виде механизм формирования шнура пробоя. В общем случае газы и их смеси являются идеальными изоляторами. Но в результате действия ионизирующего космического излучения в воздухе всегда присутствуют свободные электроны и соответственно, положительно заряженные ионы – остатки молекул. Поэтому, если газ разместить между двумя электродами и подать на них напряжение, между электродами возникнет электрический ток. Однако величина этого тока очень незначительна вследствие малого количества электронов и ионов.

Рассматриваемый вариант является идеальным. Между плоскими электродами, находящимися на малом расстоянии друг от друга, формируется однородное электрическое поле. Однородным называют поле, напряжённость которого в любой точке остаётся неизменной. Внутри искрового промежутка электроны движутся к положительно заряженному электроду, получая ускорение вследствие действия на них электрического поля.  При определенном значении напряжения на электродах приобретенной электроном кинетической энергии становится достаточно для ударной ионизации молекул.

Сказанное поясняет рисунок:

Свободный электрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон 2 и  положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляют их на электроны 3 и 4 и положительные ионы, и т. д.

Аналогичное явление происходит и при движении положительно заряженных ионов:

Возникает лавинообразное размножение положительных ионов и электронов при соударении положительных ионов с нейтральными молекулами.

Таким образом, процесс идет по нарастающей, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Это явление вполне аналогично снежной лавине в горах, для зарождения которой бывает достаточно ничтожного комка снега. Поэтому и описанный процесс был назван ионной лавиной.

В результате между электродами возникает значительный электрический ток, который создает сильно нагретый и ионизированный канал. Температура в канале достигает 10 000К. Напряжение, при котором возникает ионная лавина, и есть ранее рассмотренное напряжением пробоя. Оно обозначается Uпр. После пробоя сопротивление канала стремится к нулю, сила тока достигает десятков ампер, а напряжение падает.

Первоначально процесс протекает в очень узкой зоне, но вследствие быстрого роста температуры канал пробоя расширяется со сверхзвуковой скоростью. При этом образуется ударная волна, воспринимаемая на слух как характерный треск.

С практической точки зрения наиболее важным является значение напряжения пробоя, которое можно измерить и оценить после получения осциллограммы.

Проанализируем факторы, от которых оно зависит:

1. Совершенно очевидно, что на значение напряжения пробоя будет оказывать влияние расстояние между электродами. Чем больше расстояние, тем ниже напряжённость электрического поля в пространстве между электродами, тем меньшую кинетическую энергию будут приобретать заряженные частицы при движении. И соответственно, при прочих равных условиях потребуется большее значение прикладываемого напряжения для пробоя искрового промежутка.

2. Чем ниже концентрация молекул газа в искровом промежутке, тем меньшее число молекул находится в единице объема, и тем больший путь свободно пролетают заряженные частицы между двумя последовательными соударениями. Соответственно, тем большее количество кинетической энергии они запасают в процессе движения, и тем выше вероятность последующей ударной ионизации. Поэтому  напряжение пробоя увеличивается с ростом концентрации молекул газа. На практике это означает, что напряжение пробоя увеличивается с ростом давления в камере сгорания.

3. Для решения задач диагностики важно знать зависимость напряжения пробоя от наличия в воздухе молекул углеводородов, то есть топлива. В общем случае молекулы топлива являются диэлектриком. Но они представляют собой длинные углеводородные цепочки, разрушение которых в электрическом поле наступает раньше, чем относительно устойчивых двухатомных молекул атмосферных газов. Вследствие этого увеличение количества молекул топлива (обогащение смеси) приводит к понижению напряжения пробоя.

4. На величину напряжения пробоя будет оказывать значительное влияние форма электродов свечи. В рассмотренном выше идеальном случае предполагалось, что электроды плоские, и возникающее между ними электрическое поле однородное. В реальности форма электродов  свечи зажигания отлична от плоскости, что вызывает неоднородную структуру электрического поля. Можно утверждать, что значение напряжения пробоя будет в значительной мере зависеть от формы электродов и создаваемого ими электрического поля.

  5. Значение напряжения пробоя реальной свечи зажигания будет зависеть от полярности приложенного напряжения. Причина этого явления заключается в следующем. При нагревании металла до достаточно высокой температуры свободные электроны начинают покидать пределы кристаллической решетки металла. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Образуется электронное облако, обозначенное на рисунке желтым цветом. Вследствие того, что центральный электрод свечи зажигания имеет более высокую температуру, чем боковой, термоэлектронная эмиссия с его поверхности имеет более ярко выраженный характер. Поэтому подача на боковой электрод  положительного потенциала приведет к пробою искрового промежутка при меньшем напряжении, чем в противоположном случае.

6. Так как рассматриваемый процесс пробоя происходит в камере сгорания реального двигателя, то влияние на напряжение пробоя будут оказывать характер движения газов в камере сгорания, их температура и давление в момент искрообразования, материал и температура электродов свечи,  а также особенности конструкции применяемой системы зажигания.

7. Также интересен в прикладном смысле следующий факт. Положительно заряженные ионы представляют собой ядра молекул и обладают значительной массой. Из курса физики известно, что практически вся масса молекулы заключена в ядре, а масса электрона по сравнению с ядром ничтожна. Ионы, достигая отрицательного электрода, получают электрон и превращаются в нейтральную молекулу, но при этом они бомбардируют электрод, разрушая его кристаллическую решётку. На практике это выражается в эрозии электрода. Положительный электрод подвержен меньшему разрушению, ведь его бомбардируют электроны, обладающие малой массой.

Ну и наконец, рассмотрим еще один важный момент, о котором всегда нужно помнить, анализируя осциллограмму высокого напряжения.

Обратимся к рисунку:

На нем изображен график изменения давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала при отсутствии воспламенения.

Предположим, что момент искрообразования соответствует углу опережения зажигания УОЗ 1. Давление в цилиндре при этом составит Р1. Соответственно, в момент УОЗ 2 давление будет равно Р2. Совершенно очевидно, что давление в момент искрообразования, а соответственно и напряжение пробоя, зависит от угла опережения зажигания.

Следствием этой зависимости является тот факт, что при увеличении частоты вращения путем плавного открытия дроссельной заслонки будет наблюдаться снижение значения напряжения пробоя. И вообще, напряжение пробоя зависит от УОЗ на всех режимах работы двигателя.

Теперь нужно вспомнить о том, что электронный блок управления осуществляет контроль частоты вращения на холостом ходу путем изменения УОЗ. Процесс регулировки можно наблюдать сканером  в режиме «поток данных» при работе двигателя с полностью закрытой дроссельной заслонкой. УОЗ при этом изменяется в достаточно широких пределах, особенно на изношенных или неисправных двигателях. Если же приоткрыть дроссельную заслонку и тем самым вывести блок из режима управления частотой вращения, можно увидеть, что значение УОЗ становится достаточно стабильным.

Именно вследствие работы программного регулятора оборотов на осциллограмме высокого напряжения наблюдаются разные значения напряжения пробоя даже в пределах одного кадра:

На основании изложенных соображений представляется несложным прийти к заключению:

1. Делать какие-либо однозначные выводы из абсолютного значения напряжения пробоя нельзя. Даже на одном и том же двигателе оно будет зависеть от того, какой марки установлены свечи, от формы электродов, от межэлектродного зазора. Зависит оно и от типа установленной системы зажигания и даже от конструкции камеры сгорания. Например, на холостом ходу разных двигателей можно увидеть напряжение пробоя от 5 до 15 кВ, и любое из этих значений будет являться нормальным.

2. Разброс значений напряжения пробоя на холостом ходу двигателя, оснащенного электронной системой управления, не является дефектом. Это следствие работы алгоритма управления частотой вращения на холостом ходу.

3. Если имеет место система DIS, то напряжение пробоя в парных цилиндрах всегда будет различным. Это следствие того, что в системе DIS полярность приложенного к свечам напряжения противоположна, соответственно различаться будут и значения напряжения пробоя.

4. Имеет смысл сравнительная оценка напряжения пробоя в разных цилиндрах. Мотортестеры чаще всего отображают статистические данные: среднее, максимальное и минимальное значение напряжения пробоя.  При значительном отклонении в одном или нескольких цилиндрах необходим дальнейший поиск.

 

Об особенностях конструкции современных систем зажигания и их элементов, о методиках диагностики таких систем "врукопашную" и мотортестером подробно рассказано в обучающем курсе "Диагностика систем зажигания".