Для зажигания рабочей смеси электрическим способом необходимо образование электрического разряда между двумя электродами свечи, которые находятся в камере сгорания. Протекание электрического разряда в газовом промежутке может быть представлено вольтамперной характеристикой (рис. 2.6).
Участок О-a-b соответствует несамостоятельному разряду. Напряжение возрастает, ток остается практически неизменным и по величине ничтожно мал. При дальнейшем увеличении напряжения, скорость движения ионов по направлению к электродам увеличивается. При начальном напряжении Uh начинается ударная ионизация, т. е. такой разряд, который, однажды возникнув, не требует для своего поддержания воздействия постороннего ионизатора. Если поле равномерное, то процесс поляризации сразу перерастает в пробой газового промежутка. Если поле неравномерное, то вначале возникает местный пробой газа около электродов в местах с наибольшей напряженностью электрического поля, достигшей критического значения. Этот тип разряда называется короной и соответствует устойчивой части вольтамперной характеристики b-с. При дальнейшем повышении напряжения, корона захватывает новые области межэлектродного пространства, пока не произойдет пробой (точка с), когда между электродами проскакивает искра. Это происходит при достижении напряжением величины пробивного напряжения Unp.
Проскочившая искра создает между электродами сильно нагретый ионизированный канал. Температура в канале разряда радиусом 0,2 ¦+¦ 0,6 мм превышает 10 ООО °К. Сопротивление канала зависит от величины протекающего по нему тока.
Дальнейшее протекание процесса зависит от параметров газового промежутка, цепи источника энергии. Может иметь место или тлеющий разряд (участок d - е), когда токи малы, или дуговой разряд (участок ш - п), когда токи велики вследствие большой мощности источника тока и малого сопротивления цепи. Оба эти разряда являются самостоятельными разрядами и соответствуют устойчивым участкам вольтамперной характеристики. Тлеющий разряд характеризуется токами от 10' до 10' А и практически неизменным напряжением разряда. Дуговой разряд характеризуется значительными токами при относительно низких напряжениях на электродах.
На втором этапе был рассмотрен процесс формирования вторичного напряжения при отсутствии электрического разряда в свече. В действительности Unp ниже U2m, развиваемого системой зажигания, и поэтому, как только возрастающее напряжение достигает величины Unp, в свече происходит искровой разряд, и колебательный процесс обрывается (рис. 2.5-6).
Электрический разряд имеет две составляющие: емкостную и индуктивную. Емкостная составляющая искрового разряда представляет собой разряд энергии, накопленной во вторичной цепи, обусловленный ее емкостью С2. Емкостный разряд характеризуется резким падением напряжения и резкими всплесками токов, по своей величине достигающих десятков ампер (рис.2.5-в).
Несмотря на незначительную энергию емкостной искры, мощность, развиваемая искрой, благодаря кратковременности процесса (около 1 мкс), может достигать десятков и даже сотен киловалт. Емкостная искра имеет яркий голубоватый цвет и сопровождается специфическим треском.
Высокочастотные колебания (10 +10 Гц) и большой ток емкостного разряда вызывают сильные радиопомехи и эрозию электродов свечи. Для уменьшения эрозии электродов свечи (а в неэкранированных системах и для уменьшения радиопомех) во вторичную цепь (в крышку распределителя, в бегунок, в наконечники свечи, в провода) включается помехоподавляющий резистор. Поскольку искровой разряд происходит раньше, чем вторичное напряжение достигает своего максимального значения U2m, а именно при напряжении Unp, на емкостный разряд расходуется лишь небольшая часть магнитной энергии, накопленной в сердечнике катушки зажигания.
Оставшаяся часть энергии выделяется в виде индуктивного разряда. При условиях, свойственных работе распределителей и разрядников, и при обычных параметрах катушек зажигания, индуктивный разряд всегда происходит на устойчивой части вольтамперной характеристики, соответствующей тлеющему разряду. Ток индуктивной части разряда составляет 20 + 40 мА. Напряжение между электродами свечи сильно понижается и слагается в основном из катодного падения напряжения Uk и падения напряжения в положительном столбце ES:
Unp = Uk + E-S,
где Е - напряженность поля в положительном столбе (Е = 100 В/мм); б - расстояние между электродами:
Uk-220+330 В.
Продолжительность индуктивной составляющей разряда на 2 + 3 порядка выше емкостной и достигает, в зависимости от типа катушки зажигания, величины зазора между электродами свечи и режима работы двигателя (пробивного напряжения) 1 + 1,5 мс. Искра имеет бледный фиолетово-желтый цвет. Эта часть разряда получила название хвоста искры.
За время индуктивного разряда в искровом промежутке свечи выделяется энергия, величина которой может быть определена аналитически:
На практике широко используется приближенная формула для подсчета энергии искрового разряда:
Wnp = 0,5'UHp -1ир tMp.
Расчеты и эксперименты показывают, что при низких частотах вращения двигателя энергия индуктивного разряда Whp для обычных классических автомобильных систем зажигания составляет 15 +20 мДж.