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.