Система зажигания двигателей автомобилей скрупулёзно

Учитывая длительную историю развития машин, следует отметить: получила собственное развитие и система зажигания двигателей. Разработаны разные типы, центробежные и вакуумные механизмы опережения зажигания, усовершенствована работа катушек, устройств магнето и т.д. Конечно же, отмечаются разные виды и конструкции свечей зажигания, внедряются электронные схемы. В общем, есть тема для рассмотрения, причём рассмотрения скрупулёзно – до мелочей.

Система зажигания двигателей — в общем и целом

Система зажигания двигателя техники (в частности, автомобиля) получает электроэнергию от аккумулятора. При этом напряжение аккумулятора (как правило, 12 вольт) увеличивается до напряжения более высокого. Увеличенное напряжение подаётся на свечи зажигания.

Подаваемое высокое напряжение на свечи зажигания способствует производству мощной искры, формируемой на электродах. Каждая свеча зажигания ввинчивается в отверстие головки блока цилиндра, соответственно электроды помещаются непосредственно внутрь камеры сгорания цилиндра мотора.

Одним словом — свеча зажигания представлена электрическим устройством с парой металлических контактов – электродов, отделённых друг от друга небольшим воздушным пространством. Один электрод находится под высоким напряжением, другой соединён с массой (минусовым потенциалом). Малое воздушное пространство между электродами приводит к разряду – формированию искры.

Формируемая искра воспламеняет топливно-воздушную смесь, находящуюся внутри цилиндра двигателя. Результатом такого действия становится «взрыв» внутри камеры сгорания, сила которого толкает поршень вниз, через который передаётся движение на коленчатый вал.

Очевидный момент — полное сгорание топлива способствует максимальному вырабатыванию энергии. Здесь искра нужна именно в конце ступени сжатия каждого цилиндра, что и даёт правильное воспламенение (сгорание воздушно-топливной смеси). Кроме того, двигатель машины требует многочисленного искрообразования за минуту времени для поддержки правильной скорости хода.

Так, если типичный шестицилиндровый двигатель автомобиля обеспечивает скорость вращения 3000 об/мин, требуется формирование искры с частотой 1500 раз за минуту в области каждого цилиндра мотора. Поскольку имеют место шесть цилиндров, в общей сложности нужны 9000 искровых разрядов.

Аккумуляторная система зажигания двигателей

Своего рода базовая система зажигания двигателей, функционирующая от аккумуляторной батареи, содержит следующие компоненты:

• аккумулятор,
• ключ,
• катушка,
• распределитель,
• пусковое устройство,
• провод свечи,
• свеча.

Каждый компонент предназначен под соответствующий функционал. Аккумулятор обеспечивает систему электричеством. Ключ системы зажигания двигателей активирует или деактивирует схему. Катушка зажигания увеличивает напряжение аккумуляторной батареи.

Распределитель направляет высокое напряжение на свечи зажигания. Пусковым устройством контролируется момент возникновения искры на свечных электродах. Проводом осуществляется передача электричества на электрод свечей зажигания. Свеча зажигания создаёт искру внутри цилиндра для воспламенения топливно-воздушной смеси.

Для большинства конструкций автомобилей источниками питания для системы зажигания двигателя выступает аккумуляторная батарея и генератор переменного тока. Батарея питания здесь представляет свинцово-кислотную конструкцию, которая дополнительно использоваться для питания других вспомогательных цепей.

Типичная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея собрана из нескольких отдельных отсеков (ячейки). Каждая ячейка содержит ряд свинцовых пластин. Пространство между пластинами заполнено раствором электролита (смесь серной кислоты с водой). Каждая ячейка АКБ выдаёт 2 вольта напряжения. Соответственно, АКБ напряжением 12 вольт содержит шесть рабочих ячеек.

Ток, вырабатываемый свинцово-кислотной батареей, как правило, измеряется ампер/часами (А/ч). Для аккумуляторной системы зажигания двигателей характерным является присутствие генератора, применяемого для подзарядки в процессе работы мотора машины.

Переключатель зажигания двигателя автомобиля

Узел переключателя системы зажигания двигателя автомобиля обычно монтируется на некотором расстоянии вниз по рулевой колонке от замка зажигания. Эти два узла соединяются стержнем исполнительного механизма переключателя.

Поворот ключа активирует перемещение реечно-зубчатой передачи. В свою очередь, перемещается плунжер в различные положения, необходимые для выполнения функций переключателя. Существует несколько различных типов переключателей. Наиболее распространённым является пятипозиционный вариант.

Например, в положении «ACT» двигатель автомобиля выключается, аккумуляторная батарея подключается на клемму «аксессуар». Тем самым задействуются аксессуары:

• радиоприёмник,
• обогреватель,
• вентилятор,
• стеклоочиститель.

При этом цепи системы зажигания двигателя, указателя уровня топлива, световых индикаторов остаются в положении выключено.

В положениях «OFF» и «LOCK» аксессуары, питание на которые подаётся через замок зажигания, не работают. Кроме того, общепринятой практикой является заземление цепи резистивного провода на катушку зажигания, когда переключатель находится в положении «LOCK». Так предотвращается работа двигателя с перемычкой на катушке.

Как правило, в положении «START» все аксессуары, на которые подаётся питание через переключатель, временно отключаются. Одно подключение осуществляется к соленоиду стартера, второе подключение осуществляется непосредственно на катушку зажигания.

Поскольку напряжение аккумуляторной батареи снижается при запуске двигателя машины, балластный резистор питания переключателя отключается. Тем самым обеспечивается более высокое напряжение вторичной обмотки для запуска мотора. Когда ключ зажигания отпускается из положения «START», пружина возвращает переключатель в положение «ON».

Катушка зажигания как электрический трансформатор

Все существующие системы зажигания двигателя машин содержат катушку зажигания. По сути, этот элемент представляет собой тип электрического трансформатора, преобразующего электричество низкого напряжения в электричество высокого напряжения.

Катушка зажигания работает по принципу магнитной индукции. Элемент состоит из двух  слоёв витков провода, называемых первичной обмоткой и вторичной обмоткой. Первичная обмотка выполнена проводом большого сечения. Вторичная обмотка выполнена проводом тонкого сечения. Используется сердечник на основе мягкого железа.

Пусковое устройство присоединено к первичной обмотке катушки зажигания. Пусковое устройство служит для включения и выключения тока в первичной обмотке в нужное время. Вторичная обмотка катушки соединена с проводом свечи зажигания.

Проводники системы зажигания автомобильных моторов

Провода системы зажигания двигателя машины разделяют на два основных типа:

1. Первичные.
2. Вторичные.

Первичные провода несут сильноточные нагрузки при низком напряжении от аккумуляторной батареи к компонентам зажигания. Эти провода изготовлены жилами большого диаметра, покрытыми лёгкой изоляцией.

Напротив, вторичные провода используются для передачи небольшого тока, но при очень высоком напряжении. Поэтому вторичные провода имеют малый диаметр и покрываются толстой оболочкой резиновой, пластиковой, неопреновой. На концах проводов установлены металлические разъёмы — клеммы.

Исполнение свечей системы зажигания

Свеча зажигания имеет два металлических электрода. Фактически эти металлические электроды представляют собой проводники, по которым течёт ток. Один электрод проходит по всей длине свечи зажигания. Это центральный электрод. Второй электрод соединён с резьбовой частью. Называется обычно боковым электродом или заземляющим электродом.

Заземляющий электрод расположен таким образом, что находится в непосредственной близости к центральному электроду. Небольшое воздушное пространство между двумя электродами образует рабочий зазор.

Каждая свеча зажигания имеет индивидуальный калильный диапазон. Тепловой диапазон свечи зажигания в значительной степени определяет работу мотора в разных условиях и на разных скоростях. Тепловой диапазон классифицирует свечи зажигания в зависимости от способности отводить тепло от рабочего зазора.

Свечи зажигания характеризуются «холодными», если способны легко передавать теплоту сгорания от электродов на головку блока цилиндров. Напротив, для «горячей» свечи характерным является изолирование центрального электрода от корпуса и головки блока цилиндров. Следовательно, «горячая» конструкция имеет тенденцию сохранять тепло. «Холодные» конструкции имеют более короткие изоляторы, чем «горячие».

Распределительное устройство

Устройство, именуемое распределителем, используется для передачи высокого напряжения от катушки к свечам. Распределитель направляет высокое напряжение на цилиндр, который в данный момент находится в состоянии такта сжатия (готовности к воспламенению) воздушно-топливной смеси.

Распределитель обычно устанавливается на двигатель автомобиля так, чтобы корпус помещался в отверстие в блоке цилиндров или головке цилиндров. Когда распределитель установлен в двигателе, шестерня на конце вала распределителя приводится в движение аналогичной шестерней, прикреплённой к распределительному валу двигателя.

То есть, когда двигатель работает, распределительный вал вращается с кулачковым валом с одинаковой скоростью. Таким образом, один оборот распределительного вала приводит к одному обороту распределителя.

Период ожидания (время выдержки)

Время выдержки системы зажигания определяется числом градусов, на которое поворачивается кулачок распределителя за время, когда контактные точки замкнуты. Когда подушечка кулачка прерывателя достигает выступа или угла кулачка распределителя, точки открываются, и период задержки заканчивается.

После того, как подушечка кулачка прерывателя проходит выступ, блок возвращается к плоской стороне кулачка, начинается следующий период выдержки. Настройка выдержки в данном случае крайне важна для правильной работы системы зажигания двигателя автомобиля.

Если полная окружность составляет 360 градусов, максимальная задержка для любого двигателя равна тем же 360 градусам, поделённым на количество цилиндров двигателя машины. Один полный оборот кулачка распределителя составляет 360 градусов. Мотор на 8 цилиндров имеет 8 кулачков. Поэтому угол поворота каждого кулачка составляет 45 градусов (360/8 = 45).

Для двигателя на 6 цилиндров угол между кулачками составляет 60 градусов (360/6 = 60). Для двигателя машины на 4 цилиндра угол между кулачками составляет 90 градусов (360/4 = 90).

Система зажигания по принципу магнето

Здесь, соответственно, источником, вырабатывающим энергию в системе зажигания, выступает магнето. Что такое магнето? Речь идёт о генераторе небольших размеров. Система практикуется достаточно широко:

• тракторы,
• масляные горелки,
• подвесные моторы,
• грузовики,
• бетономешалки,
• автобусы,
• самолёты,
• силовые установки,
• газовые моторы,
• судовые двигатели.

Когда магнето вращается двигателем, вырабатывается электрическое напряжение. Чем выше вращение, тем больше величина электрического напряжения. Магнето не требуется какой-либо внешний источник питания, например, аккумуляторная батарея. Такое устройство непосредственно является производителем электрической энергии.

Магнето имеет два вида проводниковой обмотки (первичная, вторичная). В дополнение к такой схеме, магнето условно разделяют на три типа исполнения в зависимости от системы вращения двигателя.

1. Вращающийся якорь.
2. Вращающийся магнит.
3. Полярный индуктор.

Если вращающийся якорь движется между неподвижными магнитами, вращающиеся магниты, соответственно, вращаются вокруг якоря. В полярном индукторе магнит и обмотки остаются неподвижными. Напряжение генерируется за счёт изменения направления магнитного поля, благодаря полярным выступам из мягкого железа — индукторам.

Принцип действия системы магнето

Принцип работы такой системы зажигания подобен принципу работы катушечной или аккумуляторной конструкции, за исключением одного момента. Здесь для производства энергии используется магнето, не аккумуляторная батарея.

Когда двигатель машины запускается, момент вращения передаётся на магнето. Это устройство начинает вырабатывать энергию высокого напряжения. Один конец обмотки магнето заземляется через размыкатель контактов. Параллельно размыкателю контактов подключается запальный конденсатор.

Контакт прерывателя регулируется кулачком. Когда прерыватель разомкнут, ток протекает через конденсатор, соответственно, конденсатор заряжается. Поскольку конденсатор действует как зарядное устройство, первичный ток уменьшается. Тем самым уменьшается общее магнитное поле, генерируемое в системе, увеличивается напряжение конденсатора.

Высокое напряжение конденсатора действует как ЭДС создания искры на свече системы зажигания. На начальном этапе скорость двигателя низкая, следовательно, напряжение, генерируемое магнето, также низкое. Однако по мере увеличения скорости вращения двигателя напряжение, генерируемое магнето нарастает, электрический ток увеличивается.

Преимущества и недостатки магнето

Что касается имеющихся преимуществ такого рода устройства, здесь имеет место система зажигания двигателей самоподдерживающегося типа. Поэтому необходимость иметь внешний источник энергии – аккумуляторную батарею, отсутствует. Схема отличается надёжностью, учитывая отсутствие аккумулятора.

Дополнительно следует отметить достаточно компактное исполнение устройства. Такого рода конструкция даёт качественную искру для системы зажигания на высоких оборотах двигателей. Наконец, среди явных преимуществ — отсутствие необходимости постоянного обслуживания.

В плане существующих недостатков оборудования – здесь налицо проблемы старта по причине низкой скорости вращения на начальном этапе запуска двигателя машины. Этот момент выглядит проблематичным по сравнению с аккумуляторной системой зажигания. Также возможны пропуски зажигания из-за утечки или колебания напряжения.

Таблица: разница между аккумуляторной системой зажигания и магнето

Электронная система зажигания двигателя машин

Электронная система зажигания двигателей – современное оборудование моторов машин, которое представлено следующим исполнением:

1. Поджиг ёмкостного разряда.
2. Транзисторная система.
3. Пьезоэлектрическая система.
4. Система зажигания «Texaco».

Первое исполнение – это устройство, состоящее из батареи (6-12 вольт), выключателя, преобразователя тока, зарядного сопротивления, накопительного конденсатора. Здесь также имеет место кремниевый управляемый выпрямитель, устройство запуска, повышающий трансформатор, свечи зажигания.

Аккумуляторная батарея напряжением 6-12 вольт подключается к преобразователю тока через замок зажигания, который предназначен для повышения напряжения до 250-350 вольт. Это высокое напряжение используется для зарядки накопительного конденсатора через зарядное сопротивление. Зарядное сопротивление рассчитано таким образом, чтобы контролировать требуемый ток.

Зарядная катушка используется здесь для выработки напряжения заряда конденсатора. На основе движения маховика вырабатывается одиночный импульс мощности, который подаётся на свечу зажигания зарядной катушкой для обеспечения рабочей искры.

Схемой используется Датчик Холла, определяющий точку, где магнит маховика меняет полюса северный на южный. Когда происходит смена полюсов, устройство посылает один импульс на модуль CDI (Capacitor Discharge Ignition – Запальный Разряд Конденсатора). Осуществляется сброс энергии зарядного конденсатора на высоковольтный трансформатор.

Метка синхронизации электронного зажигания

Метка синхронизации электронного зажигания представляет собой произвольную точку совмещения корпуса двигателя и пластины статора. Метка указывает точку, где верхняя часть хода поршня эквивалентна точке срабатывания на маховике и статоре.

Вращением пластин статора влево и вправо допустимо эффективно менять точку срабатывания CDI. Тем самым опережается или замедляется время, соответственно. Поскольку маховик вращается быстро, зарядная катушка вырабатывает переменный ток (+6 / -6 вольт).

Блок CDI имеет набор полупроводниковых выпрямителей, пропускающих только положительный импульс на конденсатор. Соответственно, пока волна проходит на блок CDI, выпрямитель пропускает только волну положительного полупериода.

Здесь также используется цепь триггера, представляющая переключатель на транзисторе, тиристоре или тринисторе. Запускается цепь импульсом от датчика Холла на статоре. Как только конденсатор полностью зарядился, цепь запускается вновь. Вот почему с двигателем связана метка синхронизации времени.

Если цепь срабатывает слишком быстро, искра на свече формируется слабым разрядом. Правда, на двигателях более высокого ускорения срабатывание проходит быстрее полного заряда конденсатора. Всякий раз, когда конденсатор разряжается, переключатель выключается, конденсатор заряжается вновь.

Триггерный импульс от датчика Холла подается на затвор транзистора. Накопленный заряд проходит через первичную сторону высоковольтного трансформатора. Трансформатор имеет общую землю между первичной и вторичной обмотками. То есть имеет место автоматический повышающий трансформатор.

Таким образом, если увеличить обмотки на вторичной стороне, допустимо умножить напряжение. Поскольку свече зажигания требуется 30 000 вольт для формирования искры, требуются тысячи витков провода стороны высокого напряжения (вторичной обмотки).

Когда затвор транзистора открывается и сбрасывает весь ток на первичную сторону, низковольтная сторона трансформатора насыщается. Создаётся короткое, но очень сильное магнитное поле. Поскольку поле постепенно уменьшается, большой ток первичной обмотки формирует на вторичной обмотке высокое напряжение.

Преимущества и недостатки работы модуля CDI

Основным преимуществом модуля CDI является достижение полного заряда конденсатора за очень короткое время (1 мс). То есть модуль CDI удачно подходит для применений компенсации недостаточного времени задержки.

Конденсаторный разряд характеризуется коротким переходным процессом, быстрым нарастанием напряжения (от 3 до 10 кВ/мкс) по сравнению с индуктивными системами зажигания двигателей (от 300 до 500 В/мкс). Здесь более короткая длительность искры (около 50-80 мкс).

Быстрое повышение напряжения делает системы CDI нечувствительными к шунтирующему сопротивлению.

Если же рассматривать существующие недостатки, система зажигания двигателей на основе разряда конденсатора создаёт значительные электромагнитные помехи. Именно здесь кроется главная причина отказа от применения CDI производителями автомобилей.

Короткая продолжительность искры не годится под воспламенение относительно бедных смесей, используемых при низких уровнях мощности. Чтобы решить эту проблему, системы зажигания на основе CDI делают по схеме искровой гирлянды при низких оборотах двигателя.

Транзисторная катушечная система зажигания

Транзисторная катушечная система зажигания двигателей с точкой прерывания разработана для замены стандартной системы зажигания. Чтобы получить максимальную мощность и скорость, которые способен выдать двигатель машины, необходимо устройство, превосходящее по характеристикам обычное.

Системы зажигания электронного типа обеспечивают двигателю более «горячую» и равномерную искру, формируемую с более точным интервалом. Это способствует:

• более эффективному сгоранию воздушно-топливной смеси,
• повышению производительности мотора,
• увеличению показателя пробега.

Повышенная надежность электронного зажигания позволяет реже проводить техническое обслуживание двигателей за счёт увеличения срока службы отдельно взятых деталей.

На высоких скоростях точки прерывания на традиционном устройстве дестабилизируются повышенным током. Кроме того, угол выдержки точек прерывателя слишком мал для полного насыщения катушки энергией. Транзисторная катушечная система зажигания двигателей устраняет оба этих недостатка.

Пьезоэлектрическая система зажигания

Разработка синтетических пьезоэлектрических материалов, способных выдавать больше 20 кВ напряжения за счёт механической загрузки небольшого кристалла, привела к созданию оригинальных устройств. Правда, исключительно предназначенных для одноцилиндровых двигателей машин.

Однако по причинам высокой механической нагрузки, необходимости своевременного контроля и способности вырабатывать достаточное напряжение, пьезоэлектрические системы зажигания пока что не нашли широкого использования на практике.

Система зажигания двигателей «Texaco»

Повышенное внимание относительно контроля выбросов выхлопных газов, в мире неожиданно возник интерес к системам рециркуляции выхлопных газов и обеднённым топливно-воздушным смесям. Решение проблем горения бедных смесей нашли в разработке системы зажигания «Texaco».

Устройство обеспечивает искру контролируемой продолжительности. Другими словами, продолжительность искры в градусах угла поворота коленчатого вала допустимо сделать постоянной на любых оборотах двигателя машины.

Здесь имеет место система переменного тока. Схема состоит из трёх основных блоков:

• блока питания,
• блока управления,
• датчика-распределителя.

Как отмечается, разработка «Texaco» способна обеспечить стабильное действие при соотношении воздух/топливо 24:1.

Механизм опережения зажигания

Механизм опережения зажигания предназначен для обеспечения искры при любых условиях работы двигателя и в наиболее благоприятный момент времени. Благоприятный момент — наиболее благоприятный с точки зрения мощности двигателя, экономии топлива и минимального разрежения выхлопных газов.

Посредством таких механизмов точно устанавливается угол опережения зажигания, организация воспламенения до момента достижения поршнем ВМТ. Частота вращения двигателя и нагрузка на двигатель являются управляющими величинами, необходимыми для автоматической регулировки угла опережения зажигания.

Большинство двигателей оснащены механизмами распределителя, которые автоматически регулируют оптимальное опережение зажигания с учётом изменения скорости и нагрузки. Используются, в частности, два механизма:

1. Центробежный механизм.
2. Вакуумный механизм.

Центробежный механизм опережения зажигания управляет моментом работы на полной нагрузке. Механизм регулировки спроектирован таким образом, когда работа приводит к желаемому опережению искры. Кулачок подвижно установлен на валу распределителя так, что по мере увеличения скорости груз отклоняется и толкает кулачок в направлении вращения вала.

В результате кулачки приходят в соприкосновение с трущимся блоком рычага прерывателя несколько раньше. Тем самым смещается точка воспламенения в сторону опережения. В зависимости от скорости двигателя груз отклоняется наружу на большее или меньшее расстояние от центра.

Затем груз удерживается в выдвинутом положении в состоянии равновесия, соответствующем смещённому углу синхронизации, удерживающей пружиной. Пружина точно уравновешивает центробежную силу. Груз смещает кулачок либо на базе качения, либо на основе скользящих контактов. Соответственно различают тип контакта качения и тип скользящего контакта центробежного механизма опережения зажигания.

Начало регулировки времени в диапазоне малых оборотов двигателя и продолжение регулировки по кривой полной нагрузки определяются:

• размерами груза,
• формой контактных механизмов (качения или скользящего типа),
• устройством удержания пружины.

Все элементы могут быть самых разных конструкций. Кулачок, управляемый центробежной силой, снабжён нижним ограничителем для установки начала регулировки. Также есть верхний ограничитель максимально возможной регулировки полной нагрузки.

Вакуумный регулятор опережения зажигания

Вакуумный механизм смещает точку воспламенения при частичной нагрузке. Регулятор разработан таким образом, когда действие приводит к заданной кривой опережения частичной нагрузки. В этом механизме управляющей величиной регулировки является статическое разрежение, преобладающее в карбюраторе. Также работает фактор зависимости от положения дроссельной заслонки в любой момент времени.

Диафрагма вакуумной установки перемещается за счёт изменения давления газа. Положение этой диафрагмы определяется перепадом давления в любой момент между преобладающим вакуумом и атмосферным давлением. Начало регулировки задаётся предварительно установленным натяжением пружины сжатия.

Площадь диафрагмы, усилие и жёсткость пружины выбираются в соответствии с кривой опережения частичной нагрузки. Движение диафрагмы передаётся через вакуумный рычаг, соединённый с подвижной плитой прерывателя. Это движение смещает плиту прерывателя на дополнительную величину в условиях частичной нагрузки в направлении, противоположном направлению вращения вала распределителя.

Ограничители на рычаге продвижения вакуума в основании вакуумного блока ограничивают диапазон регулировки. Вакуумный регулятор опережения зажигания работает независимо от центробежного механизма подачи. Общий угол регулировки в любой момент времени — это результат сложения сдвигов. Тех сдвигов, что обеспечиваются двумя отдельными механизмами, работающими в сочетании с работой двигателя при частичной нагрузке.

---

При помощи информации: Shindengen