Исходя из условий работы Двигателя Внутреннего Сгорания к системам зажигания предъявляют следующие основные требования:

- система зажигания должна развивать напряжения, достаточные для пробоя искрового промежутка свечи, обеспечивая при этом бесперебойное искрообразование на всех режимах работы двигателя;
- искра, образующаяся между электродами свечи, должна обладать достаточной энергией и продолжительностью для воспламенения рабочей смеси при всех возможных режимах работы двигателя;
- момент зажигания должен быть строго определенным и соответствовать условиям работы двигателя;
- работа всех элементов системы зажигания должна быть надежной при высоких температурах и механических нагрузках, которые имеют место на двигателе;
- эрозия электродов свечи должна находиться в пределах допуска.

Исходя из этих требований любая система зажигания характеризуется следующими основными параметрами:

- развиваемым вторичным напряжением в пусковом и рабочем режимах работы U2m;

- энергией Wp и длительностью индуктивной составляющей - искрового разряда Тр;

- углом опережения зажигания φ; .

- скоростью нарастания вторичного напряжения dU2m_/dt ;

- зазором между электродами свечей δ;

- коэффициентом запаса по вторичному напряжению Кз;

Коэффициентом запаса по вторичному напряжению Кз называется отношение вторичного напряжения U2m, развиваемого системой зажигания, к пробивному напряжению Unp между электродами свечей, установленных на двигателе: U2m/Unp .

Пробивное напряжение. Свеча, ввернутая в камеру сгорания двигателя, является своеобразным разрядником. Напряжение, при котором происходит пробой искрового промежутка свечи, называется пробивным.

Величина пробивного напряжения для однородных полей, согласно экспериментальному закону Пашена, прямо пропорциональна давлению смеси р и расстоянию между электродами и обратно пропорциональна температуре смеси Т:

то есть . Unp= f*(pδ/T).

Кроме того, на величину Unp оказывают влияние состав смеси, длительность и форма приложенного напряжения, полярность пробивного напряжения, материал электродов и условия работы двигателя.

Так, например, при пуске холодного двигателя стенки цилиндра и электроды свечи холодные, всасываемая топливно-воздушная смесь имеет низкую температуру и плохо перемешана. При сжатии смесь слабо прогревается и капли топлива не испаряются. Попадая в межэлектродное
пространство свечи, такая смесь увеличивает пробивное напряжение на 15+20 %.

На рисунке 1. приведены зависимости Unp от давления при различных температурах.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя первоначально вызывает некоторое увеличение пробивного напряжения ввиду роста давления сжатия, однако далее происходит уменьшение Unp, так как ухудшается наполнение цилиндров свежей смесью и возрастает температура центрального электрода свечи.

Максимального значения пробивное напряжение достигает при пуске и разгоне двигателя, минимального, при работе на установившемся режиме на максимуме мощности.

На рисунке 2. показаны зависимости пробивного напряжения Unp от частоты вращения коленчатого вала двигателя при различных нагрузках.

1 - пробивное напряжение при полной нагрузке;

2 - то же при 1/2 нагрузки;

3 - то же при малой нагрузке;

4 - то же при пуске и холостом ходе.

В течение первых 2 тыс. км. пробега нового автомобиля пробивное напряжение повышается на 20 +25 % за счет округления кромок электродов свечи. В дальнейшем напряжение растет за счет износа электродов и увеличения зазора, что требует проверки и регулировки зазора в свечах через каждые 10+15 тыс. км. пробега.

Если двигатель работает на неустановившихся режимах в результате неоднородности рабочей смеси, поступающей в цилиндры, пробивное напряжение в отдельных цилиндрах может значительно отличаться, а в некоторых случаях могут наблюдаться даже перебои, искрообразования.

Для современных систем зажигания коэффициент запаса по вторичному напряжению принимают не менее 1,5, а в экранированных системах 1,8.

Параметры искрового разряда - энергия, длительность, зазор в свече влияют на развитие начала процесса сгорания в цилиндрах двигателя (в режимах пуска, холостого хода, неустановившихся режимах и при частичных нагрузках). Проведенными исследованиями установлено, что увеличение энергии и продолжительности индуктивной составляющей искрового разряда обеспечивают большую надежность воспламенения смеси и снижение расхода топлива на этих режимах.

Момент зажигания (угол опережения зажигания). Существенное влияние на мощность, экономичность и токсичность двигателя оказывает момент зажигания (появление искрового разряда в свече). Для каждого режима работы двигателя имеется оптимальный момент зажигания, обеспечивающий наилучшие его показатели.

Угол опережения, при котором двигатель развивает максимальную мощность на данном скоростном и нагрузочном режимах, называют оптимальным.

При раннем зажигании (угол опережения больше оптимального) максимальное давление в цилиндре создается до прихода поршня в ВМТ. В результате поршень принимает сильные встречные удары, что приводит к потере мощности с характерными металлическими стуками и форсированным износом деталей двигателя.

При позднем зажигании после перехода поршня через ВМТ (угол опережения зажигания меньше оптимального) смесь горит в такте расширения и в процессе выпуска. Давление газов не достигает своей максимальной величеньг, мощность и экономичность двигателя снижаются. Происходит повышение токсичности выхлопных газов и температуры (двигатель перегревается из-за увеличения отдачи тепла в охлаждающую жидкость).

С повышением частоты вращения KB проходит больший угловой путь за время горения смеси, и угол опережения зажигания надо увеличить.

При непрерывно изменяющейся частоте вращения KB, угол опережения зажигания автоматически корректирует центробежный регулятор.

С уменьшением нагрузки (прикрытием дроссельной заслонки), при постоянной частоте вращения наполнение цилиндров свежей смесью уменьшается, а процентное содержание остаточных газов в рабочей смеси увеличивается, она горит медленнее и требует увеличения угла опережения зажигания. Автоматическое изменение угла опережения зажигания при изменении нагрузки осуществляет вакуумный регулятор опережения зажигания. При переходе на топливо, имеющее меньшее октановое число, угол опережения уменьшают в ручную, с помощью октан - корректора.

На рисунке 3. показано, изменение давления в цилиндре двигателя в зависимости от угла опережения зажигания.

1 - раннее зажигание;
2 - нормальное зажигание;
3 - позднее зажигание;
а - момент зажигания;
б - детонация;
Pz - максимум давления в цилиндре.

Оптимальное протекание процесса сгорания происходит в том случае,
когда угол опережения зажигания наивыгоднейший (кривая 2). Максимум мощности двигатель развивает в том случае, если наибольшее давление в цилиндре создается после ВМТ через 10+15° угла поворота коленчатого вала двигателя, т. е. когда процесс сгорания заканчивается несколько позднее ВМТ. Наивыгоднейший угол опережения зажигания определяется временем, которое отводится на сгорание смеси, и скоростью сгорания смеси. В свою очередь, время, отводимое на сгорание, зависит от частоты вращения коленчатого вала, а скорость сгорания определяется
составом рабочей смеси и степенью сжатия.

По современным представлениям, угол опережения зажигания должен выбираться с учетом частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, двигателя, температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха, атмосферного давления, состава выхлопных газов, скорости изменения положения дроссельной заслонки (разгон, торможение).

На рисунках 4. и 5. приведены зависимости наивыгоднейшего угла опережения зажигания от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя.

Кроме обеспечения наивыгоднейшего угла опережения, система зажигания должна обеспечивать очередность подачи высокого напряжения на свечи соответствующих цилиндров двигателя в соответствии с порядком работы.

Одним из важных требований эксплуатации к системам зажигания является сохранение ее исходных характеристик без изменений в течение всего срока службы двигателя при минимуме ухода.