Октан-коректор

Октанове число бензину вказує, як сильно можна стискати паливно-повітряну суміш у циліндрі двигуна. Наприклад, бензин А-76 допускає стискування в 7,6 рази, бензин А-92 – у 9,2 рази, а метиловий спирт (СНзОН) – аж у 20 разів. Спирт, звичайно, в цьому випадку краще всього, але він отруйний, і використовується тільки як компонент палива для різних спеціальних (спортивних) автомобілів і мотоциклів. Чим більше октанове число палива, тим більшу питому потужність двигуна можна отримати.

Щоб переконатися в тому, що двигун являє собою “купу” взаємопов’язаних між собою “залізяк”, далеко ходити не треба. Досить зазирнути під капот будь-якого автомобіля. Одним з основних елементів двигуна внутрішнього згорання є система запалювання. Відразу обмовимося – тут ми розглядаємо роботу бензинового двигуна, в якому суміш парів бензину і повітря (паливоповітряної суміш) підпалюється високовольтних електричним розрядом, тобто, простіше кажучи, іскрою. На рис.1 схематично зображено робочий цикл одноциліндрового двигуна (малюнки біля кола). Радіус кола (Стрілка) показує кут ф повороту вала двигуна щодо верхньої мертвої точки (ВМТ) поршня. Наше завдання – у потрібний момент якісно підпалити паливоповітряну суміш у цьому циліндрі.

Робочий цикл одноциліндрового двигунаРис.1. Робочий цикл одноциліндрового двигуна
 

Зрозуміло, що паливоповітряної суміш згоряє не миттєво, а за цілком певний час. Цей час залежить від октанового числа використовуваного бензину. Буває, правда, що суміш згорає занадто швидко. Це вкрай шкідливе явище називається детонацією. Виникає детонація тоді, коли октанове число бензину використовуваного не відповідає ступеня стиснення в даному двигуні, і паливоповітряної суміш запалала мимовільно. Але ж нам потрібно, щоб суміш загорілася “коли треба” і згоріла, за можливістю повністю. Щоб знати, як боротися за це, доведеться згадати школу. Колись дуже давно, в XVII столітті, два вчених – Бойль і Маріотт – “придумали” свій закон. Закон цей, загалом, для ідеального газу, але з його допомогою можна зрозуміти, що буде відбуватися в циліндрі двигуна нашого (І звідки Бойль і Маріотт тільки це все знали?). Закон пов’язує тиск Р, об’єм V і температуру Т і виглядає зовсім не страшно:

Закон Бойля-Маріотта
При переміщенні поршня в циліндрі якраз змінюються ці три величини. Виходить, що якщо тиск газу почне зменшуватися, а обсяг збільшуватися (поршень “пішов” вниз), то його температура впаде, і після проходження верхньої мертвої точки горіння припиниться. Все, що не встигло згоріти, буде викинуто через вихлопну трубу “з метою отруєння” навколишнього середовища і заодно (якщо поруч попадуться) пішоходів.

Тому, щоб забезпечити максимальний ККД двигуна і захистити народ від отруєння вихлопними газами, необхідно підпалювати суміш у циліндрі раніше, ніж поршень дійде до верхньої мертвої точки. Стрілка на рис.1 показує саме на такий стан поршня.

Тепер подивимося, який кут випередження запалювання потрібно встановити спочатку для холостих обертів (f = 600 об / хв або 10 об / с), щоб двигун запускався і працював нормально. Зробимо це для бензину А-76, який згорає в циліндрі приблизно за час t76 = 0,7 мс, і АІ-92, що згорає за t92 = 1,3 мс. Запишемо формулу для розрахунку кута випередження запалювання ФОП:

Кут випередження запалювання - ФОП (1)
Тоді, підставивши значення t76 і f для бензину А-76, отримаємо ф76 = 2,52 °. Для АІ-92 – відповідно ф92 = 4,68 °. Досвідчені автомобілісти відразу скажуть, що це нісенітниця, і значення встановлюваного кута повинні бути в два рази більше. Але вони ж повинні знати, що вал переривника-розподільника обертається рівно у два рази повільніше, і тому наші розрахункові значення кута повинні бути збільшені в два рази. Тоді отримуємо ф76 = 5,04 ° і ф92 = 9,36 °, що не сильно відрізняється від реальних значень кутів, що встановлюються на автомобілях.

Розберемося, для чого автомобілю потрібен ще й відцентровий регулятор кута випередження запалювання. Ми не даремно при розрахунку кута випередження запалювання обумовили, що розраховуємо його для 600 об / хв. Адже якщо цей кут залишити без зміни, то при 1200 об / хв час, що відводиться на згоряння суміші (від підпалу до ВМТ), зменшиться у два рази, і суміш просто не встигне повністю згоріти. Тут же почнеться “стрілянина” в глушнику, двигун не розвиватиме необхідну потужність. Виходить, що для того щоб зі збільшенням оборотів двигуна суміш встигала згоряти, необхідно збільшувати кут випередження запалювання. Для бензину А-76 при 3000 об / хв (50 об / с) кут випередження повинен складати, згідно з формулою (1):

 

ф76 = 0,0007 * 50 * 360 * 2 = 25,2 °
(Звідки двійка – вже зрозуміло). Якщо б це було дійсно так, все було б просто. Але, виявляється, суміш при збільшенні обертів починає горіти швидше, причому зміна швидкості згоряння не можна описати будь-якої аналітичної функцією. Залежність підбирається експериментально і враховується при виготовленні відцентрового регулятора для кожного типу двигуна. “Ясно і їжаку”, що механічні пристрої не можуть забезпечити достатній точності регулювання кута випередження запалювання. У сучасних автомобілях всім цим займається контролер, який враховує не тільки обороти двигуна, а й ще “купу” параметрів.

Якщо ви звернули увагу, двигун повинен працювати в такому режимі, щоб дотримувалися дві умови:

  • відсутність мимовільного займання суміші в циліндрі від стиснення (детонація);
  • повне згоряння суміші.

Коли двигун працює саме на тому бензині, на який він розрахований, все в порядку. Якщо ж у бак плеснули “чого-небудь”, наприклад, 76-го замість 92-го, то двигуну доведеться, м’яко кажучи, не солодко. У разі такої, з дозволу сказати, заправки, на малих обертах буде спостерігатися сильна детонація, а на підвищених двигун буде перегріватися. Загалом-то, за теорією, все так і має бути. На малих обертах ступінь стиснення перевищить максимально допустиму, і суміші нічого не залишиться робити, як мимовільно (і, зверніть увагу, раніше ніж треба) спалахнути, інакше кажучи, детонувати. Але при збільшенні оборотів двигуна відцентровий регулятор збільшить кут випередження запалювання, і ступінь стиснення на момент подачі іскри стане менше допустимої. Тобто при збільшенні оборотів детонація, начебто, зникне. Але не будемо забувати, що від октанового числа бензину залежить ще й час згоряння суміші в циліндрі. У нашому випадку 76-й бензин згорить раніше, ніж поршень опиниться в ВМТ, як було б з 92-м бензином, а згоріла завчасно суміш буде щосили тиснути на поршень, намагаючись не дати йому потрапити до ВМТ. Це викличе перегрів двигуна з усіма витікаючими наслідками. Однак зі сформованого положення вихід все-таки є.

Виставимо початковий кут випередження запалювання оптимальним для 76-го бензину (~ 5 °). Звичайно, це призведе до збільшення стиснення і, отже, до посилення детонації. Але ж кут випередження збільшується, а ступінь стиснення, відповідно, зменшується зі збільшенням оборотів. Це означає, що якщо залити замість 92-го бензину 76-й і встановити кут випередження запалювання 5 ° замість належних 9 °, то, починаючи з деяких оборотів, водій перестане помічати, що залитий не той бензин. Розрахуємо, починаючи з яких оборотів це станеться. Допоможе знову формула (1). Якщо по ній знайти обороти, при яких 76-й бензин перестане детонувати, вийде близько 1400 об / хв. Це не дуже сильно відрізняється від неодружених оборотів. Багато що розбираються автолюбителі їздять на своїх “Жигулях” на 76-му бензині без всяких там прокладок, виставили пізніше запалювання.

Але “вищий писк” – це можливість оперативно регулювати кут випередження запалювання, підлаштовуючи його під залитий бензин і умови експлуатації улюбленого “залізного коня”. Пристрої, виконують зазначену операцію, називаються октан-коректорами. Як виявилося, описані раніше в журналі [1-5] блоки імпульсного плазмового запалювання не тільки покращують згорання палива і сприяють його помітною економії, але і порівняно просто дозволяють вмонтувати октан-коректор. Для того щоб простіше було пояснювати принцип його роботи, наведемо схему блоку запалювання (рис.2) з [1].

Схема блоку запалюванняРис.2. Схема блоку запалювання
 

У ній використовуються мікросхеми інтегральних таймерів КР1006ВІ1. На ІМС DA2 виконана схема захисту від брязкоту контактів переривника, другий таймер – DA1 – є одновібратором, керуючим тиристором. Одновібратор формує імпульс тривалістю близько 1 мс, протягом якого Тиристор примусово утримується у відкритому стані. При цьому замикається ланцюг коливального контуру, утвореного первинної обмоткою котушки запалювання та накопичувальними конденсатором СЗ.

Напруга на СЗ при відсутності сигналу на вході переривника повинно бути не менше 450 В. Частота високовольтного перетворювача вибирається близько 2 кГц, щоб Тиристор встигав вимикатися за час між імпульсами блокінг-генератора перетворювача.

І ось тепер, розібравшись в теорії, ми поговоримо про те, як октан-коректор може полегшити життя автолюбителям. На рис.3 наведена схема блоку запалювання з октан-коректором на базі вже відомого блоку ОН-427 [3].

Схема блоку запалювання з октан-коректором; Збільшити в окремому вікні
Рис.3. Схема блоку запалювання з октан-коректором

Робота октан-коректора повинна задовольняти таким умовам:

  • вводиться за допомогою регулятора додаткова затримка (зменшення кута випередження запалювання) повинна становити не менше 1 мс;
  • по мірі збільшення оборотів двигуна введена затримка повинна лінійно зменшуватися, і при 4000 об / хв стати рівною нулю.

Про всяк випадок нагадаємо, що при різних обертах 1 мс відповідає дуже навіть різних кутах повороту колінчастого вала двигуна.

Для створення октан-коректора в схему ОН-427 додатково вводяться ще один таймер (DA3) типу КР1006ВІ1 і транзистор VT3, включені відразу після схеми захисту від брязкоту контактів переривника на елементах VT1 і DA2. На рис.4 наведено часові діаграми роботи октан-коректора. Сигнал з виходу схеми захисту від брязкоту, тобто з виводу 3 DA2 (мал. 4), надходить на пропорційно-інтегруючу ланцюжок R9-R10-С5.

Тимчасові діаграми роботи октан-коректораРис.4. Тимчасові діаграми роботи октан-коректора
 

Висновок 7 DA2 підключений до конденсатора інтегратора С5, що формує необхідну для роботи пристрою форму імпульсу (ріс.4б). Передній фронт цього імпульсу відповідає встановленому моменту запалювання суміші в циліндрі двигуна. За відсутності зв’язку С5 з висновком 7 DA2, С5 розряджався б через ті ж резистори (R9, R10), через які він заряджався, що не дозволило б пристрою стійко працювати на високих обертах двигуна. З інтегруючої ланцюжка сигнал надходить на вхід порогового елемента, роль якого виконує таймер DA4. У таймері передбачена можливість регулювання порога спрацьовування внутрішніх компараторів, що при певній формі вхідного сигналу дозволяє плавно регулювати затримку вихідного імпульсу щодо позитивного фронту вхідного.

На рис.4 розглянуто випадок, коли поріг спрацьовування компаратора Uпор виведений на відносно пологий ділянку проінтегрувати імпульсу, що дозволяє, змінюючи поріг спрацьовування, вибирати необхідну величину затримки. Імпульс, керуючий силовим ключем на оптотірісторе VU1, формується таймером DA4 (ріс.4в). Цей же імпульс подається на базу транзистора VT3, включеного в ланцюг внутрішнього дільника опорного напруги таймера DA3. Дільник представляє собою ланцюжок з трьох включених послідовно резисторів по 5 кОм. Для полегшення розуміння принципу роботи таймера, він зображений на рис.5 в трохи “розкритому” вигляді.

Принципова схема таймераМал.5. Принципова схема таймера
 

Регулюючий резистор R8 підключений через що обмежує резистор R11 до висновку травня таймера, тобто паралельно двом його “нижнім” резистора внутрішнього дільника опорного напруги. Для нормальної роботи двигуна введена з допомогою октан-коректора додаткова затримка зі збільшенням оборотів двигуна повинна зменшуватися, тобто пристрій має включати в себе ще й частотомір.

Це завдання вирішити виявилося нескладно. Таймер DA4, керуючий силовим ключем, формує імпульси управління тривалістю 1 мс. Ці ж імпульси використовуються і для частотоміра. Виявилося, що частотну залежність вводиться часу затримки простіше всього організувати на тій же мікросхемі DA3, що регулює кут випередження запалювання. Для цього до висновку травня таймера DA3 підключений конденсатор С9. Цей конденсатор бажано використовувати типу К53-16 або який-небудь подібний з допуском за місткістю не більше ± 10%. Конденсатор С9 заряджається через внутрішній дільник таймера, а розряджається через відкритий транзистор VT3 і ланцюжок R8-R11 в його колекторної ланцюга.

На рис.6 показано співвідношення фаз сигналів в деяких точках схеми октан-коректора. На рис.6 показані імпульси на вході DA3, а на ріс.6б – форма напруги на її внутрішньому дільнику опорного напруги.

Співвідношення фаз сигналів в деяких точках схеми октан-коректораРис.6. Співвідношення фаз сигналів в деяких точках схеми октан-коректора
 

Конденсатор С9, підключений до висновку травня DA3, розряджається через ключ на VT3 протягом часу t1, а заряджається через внутрішній дільник таймера протягом часу t2. Але так як t1 постійно (при заданому положенні движка R8), а t2 змінюється разом зі зміною числа обертів двигуна, опорне напруга буде також змінюватися при зміні частоти обертання валу. Необхідні швидкості заряду та розряду ємності можна вибрати, задаючи відповідні номінали С9 і R11. Певні обмеження на вибір ємкості накладає внутрішній дільник таймера, так як складові його резистори фіксовані і мають опір 5 кОм.

На третій діаграмі (ріс.6в) показаний сформований таймером DA4 сигнал, керуючий силовим ключем VU1. Він суворо нормований по тривалості, оскільки використовується і в частотоміри, керуючи ключем на транзисторі VT3.

Критичною деталлю схеми є трансформатор, показаний на рис.7. Якість виготовлення його має бути високим, тому що він працює в жорсткому режимі. Найкраще залити його лаком або епоксидною смолою. Число витків, порядок намотування та розміщення обмоток наведені в таблиці 1.

Таблиця 1
Обмотка Число витків Марка проводи,
діаметр, мм
Примітка
1 18 ПЕТВ, 0,35 Один шар
2 12 ПЕТВ, 0,8 Один шар в 2 проводи
3 144 ПЕТВ, 0,25 Три шару

Порядок намотування обмоток – 1-3-2. Намотування – рядова, пошарова, виток до витка. Ізоляція між обмотками і шарами – 1 шар Лакотканини (пробивна напруга – близько 1000 В). Сердечник трансформатора – ферит 2000НМ1 Ш10х10. Він збирається з зазором 1 мм (використовується діелектрична прокладка).

Розроблений блок дозволяє двигуну працювати на сильно збідненої паливоповітряної суміші. При такому режимі експлуатації спостерігається не тільки досить помітна економія палива (Може досягати 20%), а й зниження вмісту СО у вихлопних газах. Остання знаходиться нижче межі чутливості використовуваних в ДАІ газоаналізаторів. Так що цілком реально, встановивши на “Запорожець” такий блок, покататися на ньому до Парижа. Стандарт “Євро” по шкідливих викидів буде дотриманий без всяких там платинових каталізаторів. Крім цього, при використанні даного блоку на автомобілях, що працюють на природному газі, двигун вільно запускається без бензину навіть при негативній температурі.

Джерела

  1. В. Щербатюк. Електронне запалювання з новим способом підпалу суміші. – Радіоаматор, 2000, N11, С.18.
  2. В. Щербатюк. Електронне запалювання з новим способом підпалу суміші. – Радіоаматор, 1999, N7, С.26.
  3. В. Щербатюк. Електронне запалювання з новим способом підпалу суміші. – Радіоаматор, 1999, N11, С.27.

Автор: В. Щербатюк, Є. ПЕЦКО. E-mail: shchvf@mail.ru

Джерело матеріалу