Системы зажигания бензиновых двигателей

Требования к системам искрового зажигания

Для ра­боты бен­зи­ново­го дви­гате­ля не­об­хо­димо при­нуди­тельное свое­вре­мен­ное за­жига­ние ра­бочей сме­си в ци­лин­драх. Вос­пла­меня­ют ра­бочую смесь элек­три­чес­кой ис­крой, ко­торая об­ра­зу­ет­ся меж­ду элек­тро­дами све­чи за­жига­ния в ви­де ду­гово­го раз­ря­да. Для ге­нери­рова­ния это­го раз­ря­да сис­те­ма за­жига­ния дол­жна соз­дать вы­сокое нап­ря­жение (8…20 кВ) и обес­пе­чить об­ра­зова­ние ис­кры на под­хо­де пор­шня к ВМТ.

Сис­те­ма дол­жна в за­виси­мос­ти от ско­рос­ти вра­щения дви­гате­ля и наг­рузки из­ме­нять угол опе­реже­ния за­жига­ния. Она дол­жна учи­тывать раз­ную пот­ребность в энер­гии для об­ра­зова­ния ис­кры: при хо­лод­ном пус­ке и в го­рячем дви­гате­ле, при бед­ных и бо­гатых сме­сях.

В нас­то­ящее вре­мя су­щес­тву­ют нес­колько ба­тарейных (от АКБ) сис­тем за­жига­ния.

Устройство контактного батарейного зажигания

Тра­дици­он­ное кон­так­тное ба­тарейное за­жига­ние сос­то­ит из ин­дукци­он­ной ка­туш­ки, рас­пре­дели­теля вы­соко­го нап­ря­жения по све­чам, пре­рыва­теля то­ка низ­ко­го нап­ря­жения, кон­денса­тора, цен­тро­беж­но­го ре­гуля­тора опе­реже­ния за­жига­ния, ва­ку­ум­но­го ре­гуля­тора опе­реже­ния за­жига­ния, све­чей за­жига­ния, вклю­чате­ля за­жига­ния и про­водов вы­соко­го и низ­ко­го нап­ря­жения, ак­ку­муля­тор­ной ба­тареи (рис. 28.1).

Рис. 28.1. Устройство батарейной (контактной катушечной) системы зажигания

При вклю­чении за­жига­ния ток от АБ пос­ту­па­ет на пер­вичную об­мотку ин­дукци­он­ной ка­туш­ки и че­рез нее на мас­су ав­то­моби­ля. В ка­туш­ке об­ра­зу­ет­ся маг­нитное по­ле. Так как ка­туш­ка об­ла­да­ет соп­ро­тив­ле­ни­ем, ток в пер­вичной об­мотке и маг­нитное по­ле на­рас­та­ют пос­те­пен­но. Это по­ле, пе­ресе­кая вит­ки вто­рич­ной об­мотки, на­водит в ней ЭДС (300…400 В).

Важ­но знать! Ве­личи­на ЭДС пря­мо про­пор­ци­ональна ско­рос­ти пе­ресе­чения про­вод­ни­ка (об­мотки) маг­нитным по­лем, чис­лу вит­ков во вто­рич­ной об­мотке и вре­мени на­коп­ле­ния энер­гии в пер­вичной об­мотке.

Пре­рыва­тель вра­ща­ет­ся от рас­пре­дели­тельно­го ва­ла. Он ме­хани­чес­ки со­еди­ня­ет и раз­мы­ка­ет кон­такты. При раз­мы­кании кон­тактов ток пре­рыва­ет­ся, маг­нитное по­ле ис­че­за­ет, прон­зая вит­ки вто­рич­ной об­мотки и на­водя в ней ЭДС до 25 тыс. В. Это­го дос­та­точ­но для про­боя воз­душно­го за­зора в све­че (0,5…0,6 мм) и об­ра­зова­ния ис­кры.

Кон­денса­тор, под­клю­чен­ный па­рал­лельно кон­тактам пре­рыва­теля, за­бирая часть энер­гии, про­тиво­действу­ет ис­кре­нию кон­тактов пре­рыва­теля при раз­мы­кании. Он вмес­те с пер­вичной об­моткой об­ра­зу­ет ин­дуктив­но-ем­кос­тный кон­тур, в ко­тором на­кап­ли­ва­ет­ся энер­гия.

Вы­сокое нап­ря­жение, соз­да­ва­емое в ка­туш­ке, по­да­ет­ся на цен­тральную клем­му рас­пре­дели­теля за­жига­ния. От не­го че­рез скользя­щий кон­такт на вра­ща­ющийся ро­тор (бе­гунок) рас­пре­дели­теля. Ро­тор (в со­от­ветс­твии с по­ряд­ком ра­боты ДВС) по­да­ет им­пульсы вы­соко­го нап­ря­жения на све­чи.

Син­хро­низа­ция ра­боты пре­рыва­теля и рас­пре­дели­теля с вра­щени­ем ко­лен­ча­того ва­ла (и по­ложе­ни­ем пор­шней) обес­пе­чива­ет­ся ме­хани­чес­ким при­водом от рас­пре­дели­тельно­го ва­ла. Конс­трук­тивно они объеди­нены в од­ном кор­пу­се (пре­рыва­теля-рас­пре­дели­теля).

Цен­тро­беж­ный ре­гуля­тор опе­реже­ния за­жига­ния ре­гули­ру­ет мо­мент за­жига­ния в за­виси­мос­ти от час­то­ты вра­щения ко­лен­ча­того ва­ла. Чем больше ско­рость вра­щения, тем больше дол­жен быть угол опе­реже­ния за­жига­ния. Цен­тро­беж­ные гру­зики, рас­по­ложен­ные на опор­ной плас­ти­не, вра­ща­ют­ся вмес­те с ва­ликом рас­пре­дели­теля (рис. 28.2). С по­выше­ни­ем час­то­ты вра­щения ко­лен­ча­того ва­ла гру­зики рас­хо­дят­ся и по­вора­чива­ют не­сущую плас­ти­ну в нап­равле­нии, про­тиво­полож­ном вра­щению ва­лика. В ре­зульта­те сдви­га­ет­ся ку­лачок на угол a, кон­такты раз­мы­ка­ют­ся раньше и на этот же угол уве­личи­ва­ет­ся угол опе­реже­ния за­жига­ния.

Рис. 28.2.Система установки угла опережения катушечного зажигания:
а — центробежный регулятор опережения зажигания (нерабочее положение); б — вакуумный регулятор опережения (запаздывания) зажигания; 1 — опорная пластина; 2 — кулачок распределителя; 3 — контактная поверхность; 4 — центробежный грузик; 5 — несущая пластина; 6 — валик распределителя зажигания; 7 — распределитель зажигания; 8 — подвижная пластина прерывателя; 9 — подсоединение впускного трубопровода к коробке регулирования запаздывания зажигания в вакуумном регуляторе; 10 — коробка регулирования запаздывания зажигания в вакуумном регуляторе; 11 — диафрагма системы регулирования опережения зажигания; 12 — коробка регулирования опережения зажигания; 13 — анероидная коробка вакуумного регулятора; 14 — подсоединение впускного трубопровода к коробке регулирования опережения зажигания; 15 — кольцеобразная диафрагма системы регулирования запаздывания зажигания; 16 — тяга регулирующая; 17 — контакты прерывателя

Ва­ку­ум­ный ре­гуля­тор опе­реже­ния за­жига­ния кор­ректи­ру­ет мо­мент за­жига­ния в за­виси­мос­ти от наг­рузки на дви­гатель (и со­от­ветс­твен­но­го из­ме­нения по­ложе­ния дрос­сельной зас­лонки). В за­виси­мос­ти от по­ложе­ния дрос­сельной зас­лонки (пе­дали га­за) в ци­лин­дры дви­гате­ля бу­дет по­падать смесь раз­лично­го сос­та­ва. При пол­ностью от­кры­той зас­лонке (пе­даль га­за вы­жата) смесь «бо­гатая», ско­рость ее сго­рания вы­сокая. Под­жи­гать ее нуж­но поз­же, а для это­го угол опе­реже­ния за­жига­ния не­об­хо­димо уменьшить. При от­пу­щен­ной пе­дали га­за смесь в ци­лин­дры пос­ту­па­ет «бед­ная» и го­рит она мед­ленно. Что­бы смесь ус­пе­ла сго­реть, угол опе­реже­ния за­жига­ния не­об­хо­димо уве­личи­вать. При уве­личе­нии дав­ле­ния на пе­даль га­за (дрос­сельная зас­лонка от­кры­ва­ет­ся) раз­ря­жение во впус­кном тру­боп­ро­воде уменьша­ет­ся. Ре­гули­ру­ющая тя­га, свя­зан­ная с плас­ти­ной пре­рыва­теля, сдви­га­ет плас­ти­ну вмес­те с кон­такта­ми в нап­равле­нии вра­щения ку­лач­ков. Кон­такты раз­мы­ка­ют­ся поз­же, угол опе­реже­ния за­жига­ния уменьша­ет­ся. При уменьше­нии га­за (зас­лонка зак­ры­ва­ет­ся) раз­ре­жение уве­личи­ва­ет­ся, плас­ти­на сдви­га­ет­ся на­встре­чу вра­щению ку­лач­ков — угол опе­реже­ния за­жига­ния уве­личи­ва­ет­ся.

Не­дос­татка­ми та­кой сис­те­мы за­жига­ния яв­ля­ют­ся под­го­рание кон­тактов пре­рыва­теля из-за больших то­ков в це­пи низ­ко­го нап­ря­жения, не­дос­та­точ­ное вто­рич­ное нап­ря­жение на вы­соких и низ­ких обо­ротах дви­гате­ля, пе­рего­рание кон­денса­тора и др.

Контактно-транзисторное и бесконтактно-транзисторное зажигание

Кон­так­тно-тран­зистор­ное за­жига­ние. В этой сис­те­ме пре­рыва­ние то­ка на пер­вичную об­мотку ка­туш­ки осу­щест­вля­ют с по­мощью тран­зисто­ра (рис. 28.3). Уп­равля­ющие сиг­на­лы тран­зистор по­луча­ет от пре­рыва­теля, но те­перь ток в пре­рыва­тель пос­ту­па­ет че­рез ре­зис­то­ры (соп­ро­тив­ле­ния), и по­это­му его си­ла уменьша­ет­ся поч­ти в 20 раз. Кон­такты пре­рыва­теля при та­кой ма­лой си­ле то­ка (поч­ти 0,2 А вмес­то 10 А) зна­чительно меньше под­верже­ны под­го­ранию. Ког­да тран­зистор от­крыт, ток от ак­ку­муля­тора пос­ту­па­ет на пер­вичную об­мотку ка­туш­ки. Из-за зна­чительно воз­росше­го быс­тро­действия ток во вто­рич­ной об­мотке ин­ду­циру­ет­ся с большим нап­ря­жени­ем. Ис­кра бо­лее ста­бильная и мощ­ная, спо­соб­ная про­бивать в све­че больший воз­душный за­зор (0,8…0,9 мм) и под­жи­гать «бед­ную» смесь. Воз­росшее быс­тро­действие сис­те­мы поз­во­ля­ет ис­пользо­вать ее на быс­тро­ход­ных дви­гате­лях с большой сте­пенью сжа­тия.

Рис. 28.3.Схемы контактно-транзисторного зажигания:
1 — аккумулятор; 2 — выключатель зажигания; 3 — последовательно подключенный резистор; 4 — выключатель, подключенный в обход резистора; 5 — катушка зажигания с первичной и вторичной обмотками; 6 — контакты прерывателя; 7 — распределитель; 8 — свечи зажигания; 9 — электронный блок; 10 — транзистор

Цепь уп­равля­ет­ся элек­трон­ной схе­мой (тран­зистор и два ре­зис­то­ра). Этот элек­трон­ный блок раз­ме­щен в кор­пу­се вык­лю­чате­ля за­жига­ния. Для уси­ления нап­ря­жения в це­пи пер­вичной об­мотки мо­жет ис­пользо­ваться им­пульсный тран­сфор­ма­тор.

Бес­контак­тно-тран­зистор­ное за­жига­ние. В бес­контак­тных сис­те­мах за­жига­ния от­сутс­тву­ют проб­ле­мы, при­сущие ме­хани­чес­ким кон­тактам. В этой сис­те­ме кон­такты пре­рыва­теля за­мене­ны на дат­чик Хол­ла, ко­торый встро­ен в рас­пре­дели­тель за­жига­ния (рис. 28.4).

Рис. 28.4.Система зажигания с датчиком Холла в распределителе зажигания:
1 — вращающаяся заслонка; 2 — постоянный магнит со слабой магнитной проницаемостью; 3 — интегральная схема с датчиком Холла; 4 — воздушный зазор

В ос­тальном эта сис­те­ма не от­ли­ча­ет­ся от тран­зистор­но-кон­так­тно­го за­жига­ния. Угол опе­реже­ния за­жига­ния ре­гули­ру­ет­ся тра­дици­он­ным спо­собом (ва­ку­ум­ный и цен­тро­беж­ный ре­гуля­торы). По­высив­ша­яся мощ­ность раз­ря­да поз­во­ля­ет про­бивать воз­душный за­зор до 1,2 мм.

Электронные системы зажигания

Элек­трон­ная сис­те­ма за­жига­ния. В ней ва­ку­ум­ный и цен­тро­беж­ный ре­гуля­торы уг­ла опе­реже­ния за­жига­ния от­сутс­тву­ют. Дат­чик ско­рос­ти оп­ре­деля­ет час­то­ту вра­щения ко­лен­ча­того ва­ла, а дат­чик дав­ле­ния — раз­ря­жение во впус­кном тру­боп­ро­воде. Их сиг­на­лы пос­ту­па­ют в ЭБУ дви­гате­лем, ко­торый вы­да­ет сиг­на­лы на кор­ректи­ров­ку уг­ла опе­реже­ния за­жига­ния. Угол опе­реже­ния за­жига­ния до­пол­ни­тельно кор­ректи­ру­ет­ся от дат­чи­ков тем­пе­рату­ры дви­гате­ля, тем­пе­рату­ры вса­сыва­емо­го воз­ду­ха. В этой сис­те­ме ис­пользу­ет­ся рас­пре­дели­тель за­жига­ния с вра­ща­ющим­ся ро­тором.

Пол­ностью элек­трон­ная сис­те­ма за­жига­ния. В этой сис­те­ме рас­пре­деле­ние за­жига­ния осу­щест­вля­ют ЭБУ (рис. 28.5). За­да­ющий кас­кад за­жига­ния (ком­му­татор) встро­ен в ка­туш­ку за­жига­ния или в ЭБУ дви­гате­ля. Он уп­равля­ет то­ком в пер­вичной об­мотке ин­дукци­он­ной ка­туш­ки за­жига­ния. Для каж­до­го ци­лин­дра ге­нери­ру­ет­ся от­дельный уп­равля­ющий сиг­нал. Ка­туш­ку за­жига­ния ус­та­нав­ли­ва­ют на каж­дый ци­линдр или при двух­ис­кро­вом за­жига­нии­— од­ну ка­туш­ку на два ци­лин­дра.

Рис. 28.5.Индуктивная система зажигания с неподвижным (бесконтактным) распределением напряжения:
1 — аккумулятор; 2 — диод, встроенный в катушку зажигания для подавления искривлений напряжения; 3 — катушка зажигания; 4 — свеча зажигания; 5 — задающий каскад зажигания, встроенный в электронный блок управления двигателем или в катушку зажигания; 6 — управляющий сигнал задающего каскада зажигания из электронного блока управления двигателем Motronic

В этой сис­те­ме нет вра­ща­ющих­ся де­талей, от­сутс­тву­ют от­кры­тое ис­кро­об­ра­зова­ние и, со­от­ветс­твен­но, элек­тро­маг­нитные по­мехи и про­вода вы­соко­го нап­ря­жения. Сис­те­ма кор­ректи­ру­ет угол опе­реже­ния за­жига­ния ко всем ре­жимам ра­боты ДВС, об­легча­ет его пуск, обес­пе­чива­ет ус­тойчи­вую ра­боту на хо­лос­том хо­ду, по­нижен­ный рас­ход топ­ли­ва и ток­сичность ОГ, кон­тро­лиру­ет де­тона­цию.

Свечи зажигания

Важ­нейший при­бор лю­бой сис­те­мы за­жига­ния — све­чи. От их сос­то­яния за­висит ус­тойчи­вость и эко­номич­ность ра­боты ДВС. Све­чи за­жига­ния ра­бота­ют в очень тя­желых и хи­мичес­ки аг­рессив­ных ус­ло­ви­ях. На них воз­действу­ет тем­пе­рату­ра 2700°С, дав­ле­ние 6 МПа, нап­ря­жение 30000 В. Во вре­мя ис­кро­вого раз­ря­да из элек­тро­дов вы­бива­ют­ся и­оны ме­тал­ла, это уве­личи­ва­ет за­зор на 0,015 мм на каж­дые 1000 км. На их элек­тро­дах мо­жет об­ра­зовы­ваться на­гар, а на внеш­ней и внут­ренней сто­ронах све­чей кон­денси­роваться вла­га. От­вод теп­ло­ты от све­чей дол­жен обес­пе­чивать са­мо­очи­щение элек­тро­дов (500…900°С). При бо­лее низ­ких тем­пе­рату­рах про­ис­хо­дит ин­тенсив­ное на­гаро­об­ра­зова­ние, а при бо­лее вы­соких воз­можно вос­пла­мене­ние сме­си от го­рячих час­тей све­чи, а не от ис­кры (ка­лильное за­жига­ние). Тре­бова­ния к све­чам от­ра­жены в их мар­ки­ров­ке.

При­ведем на­ибо­лее час­то встре­ча­ющи­еся обоз­на­чения све­чей, вы­пус­ка­емых в Рос­сии:

• пер­вая бук­ва (А или М) — резьба на кор­пу­се М14×1,25 или М12×1,3;
• вто­рая бук­ва (У или М) — раз­мер под ключ 16 или 19;
• циф­ры 8, 11, 14, 17, 20, 23, 26 — ка­лильное чис­ло — чем оно больше, тем меньше све­ча наг­ре­ва­ет­ся («го­рячие» све­чи (8…14) — хо­роши для зи­мы и не­фор­си­рован­ных ДВС, «хо­лод­ные» све­чи — для ле­та и фор­си­рован­ных ДВС);
• бук­вы Д или Н — дли­на резьбо­вой час­ти 19 или 11 (12 не обоз­на­ча­ет­ся);
• В — выс­тупле­ние теп­ло­вого ко­нуса изо­лято­ра;
• Р — встро­ен ре­зис­тор;
• М — ма­тери­ал цен­трально­го элек­тро­да (мед­ный с жа­рос­тойкой обо­лоч­кой).

Так, мар­ка све­чи за­жига­ния АУ17ДВРМ со­дер­жит сле­ду­ющую ин­форма­цию: резьба — М14×1,25, под ключ — 16 мм, ка­лильное чис­ло — 17, дли­на резьбы — 19 мм, теп­ло­вой ко­нус выс­ту­па­ет из кор­пу­са, име­ет­ся ре­зис­тор, цен­тральный элек­трод — мед­ный.

В обоз­на­чении мар­ки мо­жет быть и дру­гая ин­форма­ция: да­та вы­пус­ка, ма­тери­ал гер­ме­тика цен­трально­го элек­тро­да и др. Для вы­яс­не­ния со­от­ветс­твия с инос­тран­ны­ми све­чами име­ют­ся таб­ли­цы пе­рево­да.

Нес­мотря на мно­го­об­ра­зие све­чей за­жига­ния, их конс­трук­ции в це­лом иден­тичны (рис. 28.6). В це­лях по­выше­ния ка­чес­тва элек­тро­дов час­то для их из­го­тов­ле­ния ис­пользу­ют бла­город­ные ме­тал­лы. Вы­сокой элек­три­чес­кой и теп­ло­вой про­води­мостью, хи­мичес­кой стойкостью об­ла­да­ют се­реб­ро, пла­тина, ни­келе­вые спла­вы. Цен­тральные элек­тро­ды из­го­тов­ля­ют из спла­вов на ос­но­ве се­реб­ра или к ним при­вари­ва­ют тон­кие пла­тино­вые стер­жни. Мас­со­вые (бо­ковые) элек­тро­ды мо­гут со­дер­жать ни­келе­вые спла­вы.

Рис. 28.6.Устройство свечи зажигания:
а — конструкция свечи; б — формы массовых электродов; 1 — контактная головка с гайкой; 2 — керамический изолятор; 3 — корпус свечи; 4 — термоосадочная канавка; 5 — теплопроводящий стеклогерметик; 6 — уплотнительная прокладка; 7 — резьбовая часть свечи; 8 — биметаллический центральный электрод; 9 — боковой массовый электрод; I — боковые электроды; II — свеча зажигания с поверхностным искровым промежутком

Вни­мание! Для ус­тойчи­вой и эко­номич­ной ра­боты ДВС с ис­кро­вым за­жига­ни­ем не­об­хо­димо ис­пользо­вать све­чи, ре­комен­до­ван­ные за­водом-из­го­тови­телем. Не­ис­прав­ности сис­тем за­жига­ния в ос­новном воз­ни­ка­ют из-за пло­хих со­еди­нений, гря­зи, вла­ги, нес­вое­вре­мен­но­го тех­ни­чес­ко­го об­слу­жива­ния и за­мены вы­рабо­тав­ших свой ре­сурс при­боров.