Контактная система зажигания

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Тема: КОНТАКТНОЕ ЗАЖИГАНИЕ

Контактная система зажигания

Источником высокого напряжения разных систем зажигания есть индукционная катушка, которая превращает ток низкого напряжения от аккумулятора или генератора в ток высокого (12 и больше киловольт).

К электрической сети классической системы зажигания (рис. 1) входят: источник питания - соединенные параллельно генератор 6 и аккумуляторная батарея 5; катушка зажигания 8 с первичной и вторичной обмотками; конденсатор 9; прерыватель-распределитель 2 с кулачком 3 и контактами 4; свечи зажигания и проводы высокого напряжения.

Рис. 1 - Контактная система зажигания (КСЗ) с трехклемной катушкой:

1 - свечи зажигания; 2 - прерыватель-распределитель; 3 - кулачок с выступлениями; 4 - контакты; 5 - аккумуляторная батарея; 6 - генератор; 7 - выключатель зажигания; 8 - катушка зажигания; 9 - конденсатор

После включения выключателя зажигания 7 при запертых контактах 4 прерывателя-распределителя 2 ток низкого напряжения от "+" аккумуляторной батареи проходит в первичной обмотке катушки зажигания и через запертые контакты на "массу" двигателя и "-" батареи. При этом вокруг витков первичной обмотки создается электромагнитное поле, которое по своему значению нарастает в течение 0,02 с и достигает максимального значения, когда сила тока увеличится до 3,0-3,5 А. Такое переменное магнитное поле в первичной обмотке индуктирует во вторичной ЭДС взаимоиндукции около 2 кВ.

В момент размыкания контактов прерывателя ток в первичной обмотке быстро исчезает, а так же исчезает и магнитный поток, который, пересекая витки вторичной и первичной обмоток, индуктирует в них ЭДС соответственно высокого напряжения (16-26 кВ), а также самоиндукции (200- 300 В) такого же направления, что и прерванный ток. Вторичная обмотка задерживает его исчезновение и приводит к возникновению искрения и подгорания контактов. Во избежание этого явления, параллельно контактам включают конденсатор 9.

Физические явления формирования импульсов тока высокого напряжения и возникновение искры в свече зажигания графически изображены на рис. 2. Во время вращения вала двигателя происходит замыкание контактов прерывателя и при включенном зажигании по первичной обмотке индукционной катушки проходит ток І1, постепенно увеличиваясь от нуля до максимального значения по экспоненте (см. рис. 2, а).

В момент, необходимый для подачи искрового импульса, контакты прерывателя размыкаются и возникает колебательный процесс, связанный с обменом энергии между магнитным полем катушки и электрическим полем в емкостях первичного и вторичного кругов. Амплитуда колебаний напряжения, приложенной к электродам свечи U2, спадает по экспоненте (как показано на рис. 2,б штриховой линией).

Тем не менее, интерес вызывает лишь первая полуволна напряжения, поскольку, когда ее максимальное значение U2max превышает напряжение пробоя искрового промежутка Ug, возникает необходимая для зажигания искра. Величина U2max зависит от коэффициента трансформации катушки зажигания Кт, величины тока в первичной обмотке в момент размыкания контактов I1p, а также индуктивности L1 и емкости С1 первичной и С2 вторичной звеньев.

Рис. 2 - Графическое изображение формирования импульсов тока высокого напряжения

Максимальное напряжение вторичной обмотки U2max, при отсутствии искрового разряда осуществляет затихающие колебания.

После пробоя искрового промежутка вторичное напряжение резко уменьшается. При этом искра сначала имеет емкостную фазу, связанную с разрядкой емкостей на промежуток, а потом индуктивную, во время которой в искре выделяется энергия, накопленная в магнитном поле катушки. Емкостная составляющая искры есть кратковременной, с большой силой тока и имеет голубое свечение. Индуктивная фаза значительно продолжительнее, имеет небольшую силу тока и неяркое красное свечение.

Осциллограмма вторичного напряжения, которое отвечает графику, изображенному на рис. 2,б демонстрирует признаки нормальной работы системы зажигания. Это можно определить и по виду искры между электродами свечи. Если она имеет яркое ядро, окруженное пламя красного цвета, то такая система зажигания исправная.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала и количества цилиндров контакты прерывателя находятся в замкнутом состоянии меньшее время, а потому ток в первичной обмотке катушки зажигания не достигает своего максимального значения и вторичное напряжение уменьшается (рис. 3).

Аналогичное отрицательное влияние имеет увеличение зазора между контактами прерывателя. Вместе с тем при малом зазоре и низкой частоте вращения этот промежуток пробивает ток ЭДС самоиндукции, происходит искрение в контактах прерывателя, ток резко не исчезает и, как следствие, напряжение во вторичной обмотке уменьшается. По этим причинам оптимальный зазор между контактами прерывателя, при котором индуктируется максимальное вторичное напряжение в катушке зажигания, устанавливают в пределах 0,35-0,45 мм.

Рис. 3. Зависимость силы тока в первичной обмотке катушки зажигания Ij и вторичного напряжения U2 от частоты вращения коленчатого вала двигателя n

Как отмечалось выше, ток самоиндукции, который возникает в первичной обмотке катушки зажигания в случае размыкания контактов, имеет отрицательное влияние, поскольку он сохраняет направление прерванного тока, способствует искрению и обгоранию контактов прерывателя.

Для устранения этого явления параллельно контактам подключают конденсатор, который при размыкании контактов заряжается и предотвращает определенной мерой их обгоранию. При очередном замыкании контактов конденсатор разряжается через первичную обмотку, создавая при этом импульс тока обратного направления и усиливая рост вторичного напряжения. Поскольку каждая система зажигания имеет собственные параметры, для нее подбирают свой конденсатор первичного круга, емкость которого находится в пределах 0,17-0,35 мкФ.

Катушка зажигания

В данное время применяют два вида катушек зажигания - с разомкнутым и запертыммагнитопроводом, которые изготовляют по трансформаторной и автотрансформаторной схемами соединения обмоток.

Трехклемная катушка зажигания с разомкнутым магнитопроводом (рис. 4) - это трансформатор, который имеет вторичную обмотку, изготовленную из тонкого провода диаметром 0,07-0,09 мм, намотанного на сердечника, который представляет собой пакет изолированных одна от одной пластин из электротехнической стали; количество витков составляет 17-26 тысяч. Первичная обмотка катушки зажигания изготовлена из толстого провода (диаметром 0,7-0,8 мм), которая намотана сверху на вторичную, что больше оказывает содействие отводу от нее теплоты, и имеет небольшое количество (270-300) витков. Вторичная обмотка одним концом соединена с выводом 8, а вторым - с первичной обмоткой, т. е. выполнена по автотрансформаторной схеме. Коэффициент трансформации катушки зажигания представляет Кт = 56-230.

Рис. 4 - Строение трехклемной катушки зажигания:

1 - изолятор; 2 - корпус; 3 - изоляционная бумага обмоток; 4 - первичная обмотка; 5 - вторичная обмотка; 6 - клемма вывода первичной обмотки; 7 - контактный винт; 8 - центральная клемма для провода высокого напряжения; 9 - крышка; 10 - клемма для подведения питания (обозначение "+Б", "Б", "+", "15"); 11 - контактная пружина; 12 - скоба крепления; 13 - внешний магнитопровод; 14 - сердечник

Пространство между обмотками и корпусом заполняют изолировочным наполнителем - рубраксом или трансформаторным маслом. Наполненные маслом катушки надежнее в эксплуатации, однако они большие по размерам и массе сравнительно с катушками с сухой изоляцией, а на их изготовление тратится больше меди. Фарфоровый изолятор 1 и карболитовая крышка 9 предотвращают возможность пробоя между сердечником 14 и корпусом катушки 2.

Особым требованием к двигателям есть надежный их пуск при разных климатических условиях. Для повышения такой надежности используют катушки зажигания с четырьмя клеммами (три низкой и одна высокого напряжения). По такой конструкции включения первичной обмотки в сеть происходит от выключателя зажигания через дополнительное сопротивление (вариатор), которое присоединено к клеммам ВК и ВКБ.

В момент пуска двигателя ток от выключателя стартера подается в клемму ВК и на первичную обмотку катушки зажигания. Дополнительное сопротивление (вариатор) при этом отключают, и питание первичной обмотки происходит большим током, который создает высшее вторичное напряжение. Однако в этом режиме катушка должна работать в течение короткого периода, поскольку она может "сгореть". После пуска двигателя стартер отключается, клемма ВК отсоединяется от источника тока и теперь ток от выключателя зажигания подается на клемму ВКБ и через вариатор поступает в первичную обмотку, уменьшаясь на величину спада напряжения на опоре.

Сопротивление вариатора вдобавок зависит от нагревания его провода. На малых оборотах, когда контакты прерывателя находятся продолжительное время в запертом состоянии, ток проходит через вариатор дольше, нагревает провод больше, его сопротивление увеличивается до 4,8 Ом и ток в первичном круге уменьшается. С увеличением оборотов, наоборот, провод нагревается меньше, его сопротивление уменьшается (до 1,25 Ом), а ток в первичном круге возрастает.

Катушка зажигания в процессе работы нагревается, в частности, ее нагревание до 80°С снижает вторичное напряжение приблизительно на 1,5 кВ. Поэтому катушки зажигания конструктивно устанавливают после вентилятора для охлаждения принудительным напором воздуха.

На некоторых марках автомобилей применяют катушки зажигания с твердой изоляцией и замкнутым магнитопроводом, которые устанавливают в электронных системах зажигания. Такая конструкция стала возможной благодаря разработке специальных композиционных епоксидних масс, способных обеспечить высокие требования к изоляции и трудным эксплуатационным условиям. Использование запертого магнитопровода дает возможность уменьшить количество меди для обмоток, а также габариты и массу катушки.

Двухполюсную катушку с твердой изоляцией нынче устанавливают на автомобиле "Ока", а также ГАЗ с двигателями ЗМЗ-406, "Москвич - 2141" с микропроцессорной системой зажигания. Подобными катушками комплектуют системы зажигания автомобилей АвтоЗАЗ-ДЕУ (Nubira, Leganza), польский "Фиат" и др. На рис. 5 приведена схема катушки с запертым магнитопроводом и двумя выводами, которую устанавливают на автомобиле "Фиат" польского производства.

Существуют четырехпроводные катушки, где первичная обмотка разделена на две части, которые работают поочередно. Это обеспечивает возможность в системах с низковольтным распределением энергии обслуживать одной катушкой сразу четыре цилиндра. В катушку вставлены высоковольтные распределительные диоды.

Характеристика отдельных катушек зажигания приведена в табл. 1.

Рис. 5 - Катушка зажигания с запертым магнитопроводом и твердой изоляцией:

1 - выводы высокого напряжения; 2 - воздушный зазор; 3 - средний стержень сердечника (штриховая линия); 4 - обмотки; 5 - боковые стержни сердечника; 6 - разъем для подвода низкого напряжения; 7 - стержень магнитопровода

ТАБЛИЦА 1 - ХАРАКТЕРИСТИКА ОТДЕЛЬНЫХ КАТУШЕК ЗАЖИГАНИЯ

Главный недостаток КСЗ - большой ток (до 5 А), который проходит через контакты прерывателя и приводит к их электроэрозионному срабатыванию. Кардинальный способ уменьшить искрение этих контактов и удлинить срок их эксплуатации - это уменьшить силу тока, который через них проходит. Однако в этом случае уменьшится ток в первичной обмотке катушки, что является нежелательным явлением.

При КСЗ большой ток одновременно проходит и через контакты выключателя зажигания 7 (см. рис. 1). При этом максимальная сила тока во время включения может достичь 7 А, а в случае индуктивной нагрузки (отключение) - 12 А. Иногда вследствие обгорания и окисления именно этих контактов появляются неисправности в системе зажигания. Поэтому на отдельных марках автомобилей между выключателем и первичной обмоткой катушки зажигания устанавливают дополнительное реле. При этом через контакты реле проходит основной ток, а через выключатель зажигания - лишь небольшой (управляющий) ток.