Системы зажигания бензиновых двигателей

Назначение систем зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндрах бензинового двигателя. Топливовоздушная смесь воспламеняется в камере сгорания двигателя посредством электрического разряда между электродами свечи зажигания, установленной в головке цилиндров. Для создания искры между электродами свечи зажигания применяют системы зажигания от магнето и батарейные системы зажигания, источниками высокого напряжения в которых являются индукционные катушки.

Рис. Схема батарейной системы зажигания

Система зажигания состоит из следующих основных элементов:

• источник тока ИТ, функцию которого выполняет аккумуляторная батарея или генератор
• выключатель ВК цепи электроснабжения (выключатель зажигания)
• датчик Д углового положения коленчатого вала
• регуляторы момента зажигания РМЗ, которые задают определенный момент подачи высокого напряжения на свечу в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, разрежения Δрк во впускном трубопроводе и октанового числа бензина
• источник высокого напряжения ИВН, содержащий промежуточный накопитель энергии НЭ и преобразователь низкого напряжения в высокое
• силовое реле СР, в качестве которого могут служить механические контакты прерывателя или электронный ключ (транзистор или тири­стор)
• распределитель Р импульсов высокого напряжения по свечам
• помехоподавительные устройства ПП (экранирующие элементы системы зажигания или помехоподавительные резисторы)
• свечи зажигания СВ, на которые подается высокое вторичное напряжение

В батарейной системе зажигания источником энергии является аккумуляторная батарея или генератор (в зависимости от режима работы двигателя). Система зажигания от магнето принципиально отличается от батарейной тем, что источник электроэнергии в ней — магнитоэлектрический генератор, конструктивно объединенный с индукционной катушкой. Система зажигания от магнето в настоящее время на автомобилях практически не применяется, однако находит применение на пусковых бензиновых двигателях тракторных дизелей.

Система зажигания обеспечивает генерацию импульсов высокого напряжения в нужный момент времени на тактах сжатия в цилиндрах двигателя и их распределение по цилиндрам в соответствии с порядком их работы. Момент зажигания характеризуется углом опережения зажигания УОЗ, который представляет собой угол поворота коленчатого вата от положения в момент подачи искры до положения, когда поршень проходит через верхнюю мертвую точку ВМТ.

Электрическая искра вызывает появление в ограниченном объеме топливовоздушной смеси первых активных центров, от которых на­чинается развитие химической реакции оксидирования топлива, со­провождающейся выделением теплоты. Процесс сгорания рабочей смеси разделяют на три фазы:

• начальная, в которой формируется пламя, инициированное ис­кровым разрядом в свече
• основная, в которой пламя распространяется на большую часть камеры сгорания
• конечная, в которой пламя догорает у стенок цилиндра

Рис. Система зажигания с накоплением энергии:
а — в магнитном поле; б — в электрическом поле

Для бесперебойного искрообразования на свечу зажигания необходимо подать напряжение до 30 кВ.

Высокий уровень напряжения обеспечивает промежуточный источник энергии. По способу накопления энергии в промежуточном источнике различают системы с накоплением энергии в магнитном поле (в индуктивности) или в электрическом поле конденсатора (в емкости). В обоих случаях для получения импульса высокого напряжения используется катушка зажигания, представляющая собой трансформатор (или автотрансформатор), содержащий две обмотки: первичную L1 с малым числом витков и электросопротивле­нием в доли и единицы ома и вторичную обмотку L2 с большим числом витков и сопротивлением в единицы и десятки килоом.

Автотрансформаторная связь обмоток упрощает конструкцию и технологию изготовления катушки, а также несколько увеличивает вторичное напряжение. Коэффициент трансформации катушек зажигания находится в пределах 50—225.

В системах зажигания с накоплением энергии в катушках зажигания (в индуктивности) первичная обмотка L1 катушки подключается к источнику электроснабжения последовательно через механический или электронный прерыватель S2. В системах зажигания с накоплением энергии в электрическом поле конденсатора (в емкости) первичная обмотка катушки периодически подключается к конденсатору управляемым электронным переключателем S2. Конденсатор предварительно за­ряжается от источника электроснабжения на автомобиле через статический преобразователь напряжения.

Система зажигания

Свеча зажигания бензинового двигателя:
1 — контактная гайка;
2 — оребрение изолятора (барьеры для тока утечки);
3 — контактный стержень;
4 — керамический изолятор;
5 — металлический корпус;
6 — токопроводящий стеклогерметик;
7 — уплотнительное кольцо;
8 — теплоотводящая шайба;
9 — центральный электрод;
10 — тепловой конус изолятора;
11 — рабочая камера;
12 — боковой электрод «масса»;
h — искровой зазор

Работоспособность бензинового двигателя зависит не только от своевременной подачи в его цилиндры топливно-воздушной горючей смеси и последующего удаления продуктов сгорания, но и воспламенения в нужный момент горючей смеси от искры с помощью системы зажигания. Искра проскакивает между электродами свечи зажигания. Свеча вворачивается в резьбовое отверстие, выполненное в головке блока.
Свечи зажигания за многие годы своего существования принципиально мало изменились, но за счет применения новейших материалов и современных технологий стали более надежными и долговечными. Некоторые свечи с платиновыми электродами могут прослужить до 100 тыс. км пробега автомобиля.

Рабочая часть свечи зажигания с платиновыми электродами

Для того чтобы между электродами свечи зажигания проскочила искра, на нее нужно подать высокое напряжение (не менее 20 000 В). На автомобилях, в которых используются источники электрического тока с напряжением 12 В, для получения высокого напряжения применяется катушка зажигания — трансформатор с двумя обмотками (первичной и вторичной), отличающимися числом витков.

Конструкция катушки зажигания:
1 — крышка;
2 — контактное гнездо;
3 — винт;
4 — вывод низкого напряжения;
5 — уплотнительная прокладка;
6 — кольцевой магнитопровод;
7 — первичная обмотка;
8 — вторичная обмотка;
9 — фарфоровый изолятор;
10 — кожух катушки;
11 — трансформаторное масло;
12 — сердечник;
13 — картонная прокладка;
14 — контактная пружина

Катушка зажигания имеет внутренний сердечник. Вторичная обмотка, имеющая большее число витков, намотана вокруг сердечника. Один ее конец соединен с центральным выводом катушки, а второй — с низковольтной клеммой. Первичная обмотка (с меньшим числом витков) намотана поверх вторичной, и ее выводы соединены с низковольтными клеммами.
На вторичной обмотке катушки зажигания высокое напряжение возникает после того, как через первичную обмотку пройдет импульс тока низкого напряжения.

Конструкция датчика-распределителя зажигания:
1 — корпус;
2 — грузик центробежного регулятора;
3 — винт крепления подшипника;
4 — вакуумный регулятор;
5 — пружина вакуумного регулятора;
6 — диафрагма;
7 — штуцер;
8 — магнитопровод ротора;
9 — постоянный магнит;
10 — ротор;
11 — крышка;
12 — помехоподавительный резистор;
13 — выводы;
14 — центральный контакт;
15 — бегунок;
16 — фильц;
17 — винт крепления ротора;
18 — обмотка статора;
19 — винт крепления статора;
20 — статор;
21 — магнитопровод обмотки статора;
22 — опора статора;
23 — подшипник;
24 — пружина грузика;
25 — упорные шайбы;
26 — втулка;
27 — валик;
28 — пластина октан-корректора;
29 — шайба;
30 — пружинное кольцо;
31 — штифт;
32 — муфта привода

Момент опережения зажигания является весьма важным параметром и должен регулироваться в соответствии с изменениями оборотов и нагрузки двигателя. На первых автомобильных двигателях опережение зажигания регулировалось вручную, для чего на приборном щитке автомобиля располагалась специальная рукоятка. Затем на смену ручному регулятору пришел распределитель зажигания.
Под крышкой распределителя, в которую входит один высоковольтный провод от катушки зажигания и выходит несколько проводов, по одному к каждой свече зажигания, расположен центробежный механизм. В этом механизме имеется два грузика, уравновешенные пружинами, которые расходятся при вращении вала распределителя и увеличивают угол опережения зажигания при увеличении оборотов двигателя путем поворота опорной пластины, на которой расположены контакты прерывателя системы зажигания. В дополнение к этому устанавливается вакуумный регулятор, который изменяет момент зажигания в соответствии с нагрузкой (чем выше нагрузка, тем ниже давление во впускном трубопроводе).

Схема контактной системы зажигания:
G — источник энергии (генератор или аккумуляторная батарея);
С1 — конденсатор;
1 — прерыватель;
2 — катушка зажигания;
3 — распределитель зажигания;
4 — искровые свечи

Такая конструкция просуществовала довольно долго. Со временем, механическую контактную систему зажигания заменили на более надежную, бесконтактную.

118. Бесконтактная система зажигания

В бесконтактной системе распределитель зажигания заменен на датчик-распределитель и коммутатор. Датчик-распределитель выдает управляющие импульсы низкого напряжения и распределяет импульсы высокого напряжения по отдельным свечам зажигания. Работа бесконтактного датчика основана на использовании эффекта Холла. В этой системе еще существовали механические детали, которые не обеспечивали высокой надежности.

Индивидуальная катушка зажигания:
1 — печатная плата;
2 — задающий каскад;
3 — диод EFU;
4 — элемент вторичной обмотки;
5 — провод вторичной обмотки;
6 — контактная металлическая пластина;
7 — стержень высокого напряжения;
8 — разъем первичной цепи;
9 — провод первичной обмотки;
10 — I-образный сердечник (внутренний);
11 — постоянный магнит;
12 — о-образный сердечник (внешний);
13 — пружина;
14 — силиконовая изолирующая оболочка

В современных двигателях механический распределитель уступил место электронным системам. Сейчас его функцию выполняют или отдельные электронные модули, или, чаще, электронный блок управления. Катушки зажигания индивидуальные для каждого цилиндра, иногда для пары цилиндров. Это позволяет обойтись без высоковольтных проводов, повысить напряжение и увеличить надежность системы зажигания. Получение каждого искрового разряда производится по электронным сигналам с очень высокой точностью и без использования каких-либо подвижных частей. Во многих двигателях искра образуется не только во время такта сжатия (это значит, что каждая свеча генерирует искровой разряд каждый раз, когда поршень доходит до ВМТ). Cодержание вредных компонентов в отработавших газах при этом несколько снижается.

Классификация систем зажигания бензиновых двигателей

В бензиновом двигателе воспламенение топливной смеси осуществляется искровым разрядом, возникающем между электродами свечи зажигания под действием высокого напряжения.

К системам зажигания предъявляют следующие требования:

-напряжение во вторичной цепи должно быть достаточным для пробоя искрового промежутка свечи, обеспечивая при этом бесперебойное искрообразование (не менее 16 кВ при пуске холодного и 12 кВ при работе прогретого двигателя);

-искра, образующаяся между электродами свечи, должна обладать до­статочной энергией и продолжительностью для воспламенения рабочей смеси (зависит от ее состава, плотности и температуры);

-момент зажигания должен быть строго определенным и соответствовать режиму работы двигателя;

-работа всех элементов системы зажигания должна быть надежной при высоких температурах и механических нагрузках;

-низкий уровень радиопомех при работе системы.

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

Время накопления энергии катушкой (угол замкнутого состояния контактов) – время от момента начала накопления энергии (конкретно в контактной системе – момента замыкания контактов прерывателя; в других системах – момента срабатывания силового транзистора) до момента возникновения искры (конкретно в контактной системе – момента размыкания контактов прерывателя либо отсечки тока транзистором). Данная величина характеризует величину энергии, накапливаемой катушкой.

Напряжение пробоя – напряжение во вторичной цепи в момент образования искры, фактически, максимальное напряжение во вторичной цепи. Системы зажигания рассчитываются с учетом коэффициента запаса по вторичному напряжению, это значит, что максимально развиваемое катушкой напряжение всегда превышает напряжение пробоя в наихудших условиях работы двигателя, может достигать 20 кВ.

Напряжение горения – напряжение горения электрической дуги, установившееся во вторичной цепи после пробоя электродного зазора. Эта величина значительно меньше напряжения пробоя и составляет единицы кВ.

Время горения – длительность горения электрической дуги. Поджиг топливной смеси происходит при горении дуги, поэтому определение ее характеристик дает очень важную информацию при оценке исправности системы.

Угол опережения зажигания (УОЗ) – угол, на который успевает повернуться коленчатый вал от момента возникновения искры до момента достижения соответствующим цилиндром верхней мертвой точки (ВМТ). Оптимально поджигать смесь до подхода поршня к верхней мертвой точке в такте сжатия, чтобы после достижения поршнем ВМТ газы успели набрать максимальное давление и совершить максимальную полезную работу на такте рабочего хода.

Любая система зажигания четко делится на две части:

– низковольтную (первичную) цепь – включает первичную обмотку катушки зажигания и непосредственно связанные с ней цепи прерывателя, коммутатора и других компонентов в зависимости от устройства конкретной системы.

– высоковольтную (вторичную) цепь – включает вторичную обмотку катушки зажигания, систему распределения высоковольтной энергии, высоковольтные провода, свечи.

Схема простейшей системы зажигания

1. Источник питания – аккумуляторная батаррея (АКБ) или генератор;

2. Преобразователь напряжения – преобразует постоянное напряжение бортовой сети автомобиля в высоковольтный импульс;

3. Устройство управления накоплением энергии – определяет момент начала накопления энергии и момент зажигания;

4. Распределитель зажигания – коммутирует катушку зажигания с одной из свечей в соответствии порядку работы цилиндров;

5. Свечи зажигания – необходимы для образования искрового разряда и зажигания топливной смеси в камере сгорания двигателя.

Свечи устанавливаются в головке цилиндра. Когда импульс высокого напряжения подается на свечу, между ее электродами проскакивает искра, которая и воспламеняет рабочую смесь. Как правило, устанавливается по одной свече на цилиндр. Однако бывают и более сложные системы с двумя свечами на цилиндр.

Системы с механическим распределителем энергии

Классическая (трамблерная) система зажигания, довольно распространенная среди устаревших авто.

Принципиальная схема классической системы зажигания

1. Выключатель зажигания;

2. Источник питания;

4. Катушка зажигания;

5. Механический прерыватель;

6. Вал прерывателя;

7. Свечи зажигания;

Распределитель зажигания, трамблер (distributor) – распределяет высокое напряжение от катушки к свечам цилиндров двигателя. На контактных системах зажигания, как правило, объединен с прерывателем, на бесконтактных – с датчиком импульсов, на более современных либо отсутствует, либо объединен с катушкой зажигания (при этом центральный провод может отсутствовать), коммутатором и датчиками.

Распределитель работает следующим образом. Высокое напряжение, создаваемое во вторичной обмотке катушки зажигания, подается на центральную клемму распределителя зажигания. Вращающийся ротор распределителя (бегунок) образует коммутацию этой центральной клеммы и внешних электродов в такой последовательности, что высокое напряжение направляется к свече зажигания того цилиндра, поршень в котором находится в конце такта сжатия, и там создает искру. Как правило, для четырехцилиндровых двигателей, последовательность работы цилиндров 1-3-4-2. Такой порядок работы цилиндров установлен для равномерного распределения нагрузки на коленчатый вал двигателя. Синхронизация с коленчатым валом обеспечивается за счет постоянной механической связи распределителя зажигания с распределительным валом или любым другим валом, связанным с коленчатым валом при передаточном отношении между ними, равном 2:1.

Механический прерыватель – устройство управления накоплением энергии, замыкает и размыкает питание первичной обмотки катушки зажигания в зависимости от угла поворота распредвала. Контакты прерывателя находятся под крышкой распределителя зажигания.

Параллельно контактам включен конденсатор. Он необходим для того, чтобы контакты не обгорали в момент размыкания. Во время разрыва контактов, между ними образуется высокое напряжение, которое приводит к образованию искры, но конденсатор поглощает в себя большую часть энергии и искрение уменьшается до незначительного. При выходе конденсатора из строя, будут сильно обгорать контакты прерывателя.

В этой системе также присутствуют механизмы корректировки опережения зажигания: центробежный и вакуумный регуляторы.

Описанная система отличается простотой конструкции. Недостатками является наличие ненадежных механических элементов, прерыватель коммутирует большие токи, что со временем приводит к выходу его из строя, искрение в прерывателе и распределителе приводит к радиопомехам.

Одной из разновидностей классической системы, частично лишенной недостатков прерывателя, является классическая система с транзисторным коммутатором.

Коммутатор – это транзисторный ключ, который в зависимости от управляющего сигнала, включают или отключают питание первичной обмотки катушки зажигания. В зависимости от устройства конкретной системы зажигания, коммутатор может быть как один, так их может быть и несколько (если в системе зажигания используется несколько катушек).

В этом случае механический прерыватель управляет только транзисторным коммутатором, который, в свою очередь, управляет катушкой. Такая конструкция имеет существенное преимущество перед прерывателем без транзисторного коммутатора – оно заключается в том, что контактный прерыватель коммутирует значительно меньший ток. Следовательно, практически исключается пригорание контактов прерывателя во время размыкания, отсутствует необходимость в конденсаторе. В остальном система полностью аналогична классической системе. Обе описанные системы зажигания с механическим прерывателем имеют общее название – контактные системы зажигания.

Бесконтактные системы зажигания (БСЗ). В этом случае вместо механического прерывателя используется датчик – генератор импульсов с преобразователем сигналов, который управляет только транзисторным коммутатором, который, в свою очередь, управляет катушкой зажигания.

В системах зажигания с транзисторным коммутатором используются датчики трех типов:

Со временем, дополнительной задачей коммутатора зажигания стала зарядка катушки необходимой энергией, т. е. до момента зажигания коммутатор должен предугадать, когда нужно начать зарядку катушки, чтобы получить максимальную энергию искры и избежать перегрева катушки. Причём, он должен это сделать так, чтобы время заряда катушки было приблизительно постоянным.

Для этого коммутатор вычисляет скорость вращения двигателя и в зависимости от нее вычисляет момент замыкания катушки на землю. Другими словами, чем выше обороты двигателя, тем раньше коммутатор будет начинать замыкать катушку на землю, но время замкнутого состояния будет одинаковым.

Системы зажигания со статическим распределением энергии

Данные системы имеют принципиальное отличие от выше описанных. В системах зажигания со статическим распределением энергии DLI (DistributorLess Ignition) отсутствует механический распределитель. Катушки зажигания напрямую соединены со свечами зажигания и распределение напряжения осуществляется на первичной стороне катушек зажигания. Исключается и применение элементов, которые подвержены потерям энергии в них, а также износу. Такой способ распределения напряжения применяется в двух вариантах: с одно- и двухискровыми катушками зажигания.

Системы с одноискровыми катушками зажигания

В одноискровой системе каждая свеча имеет свою индивидуальную катушку зажигания. Блок управления двигателем включает в работу катушки зажигания в соответствии с установленным порядком работы цилиндров. Так как отсутствуют потери энергии в распределителе, то эти катушки зажигания могут быть очень компактных размеров. В основном, они располагаются непосредственно над свечами зажигания.

Неподвижное распределение напряжения с одноискровыми катушками зажигания применимо универсально для любого количества цилиндров. Нет ограничений на диапазоны регулировки опережения угла зажигания. Дополнительным преимуществом является то, что при выходе и строя катушки, перестанет работать только один цилиндр, а система в целом сохранит работоспособность. Однако, здесь необходимо применение датчика вращения коленвала с целью синхронизации работы всей системы с частотой вращения этого вала.

Коммутатор в таких системах может представлять собой один блок для всех катушек зажигания или отдельные блоки для каждой катушки зажигания, кроме того, он может быть интегрирован в электронный блок управления, а также может устанавливаться отдельно. Катушки зажигания также могут стоять как отдельно, так и единым блоком (но в любом случае отдельно от ЭБУ), а кроме того, могут быть объединены с коммутаторами.

Общая схема систем независимого зажигания

1. Высоковольтные провода;

2. Свечи зажигания;

ЭБУ – электронный блок управления двигателем;

КЗ – катушка зажигания.

Одной из наиболее популярных разновидностей таких систем является COP система (Coil on Plug – “катушка на свече”), в ней катушка зажигания ставится прямо на свечу. Таким образом, стало возможным полностью избавится еще от одного ненадежного компонента системы зажигания – высоковольтных проводов.

Общая схема системы COP

В системах с двухискровыми катушками (DIS) на каждые два цилиндра приходится по одной катушке зажигания. Концы вторичной обмотки подключены к свечам зажигания в разных цилиндрах. Цилиндры выбраны так, что при такте сжатия в одном цилиндре во втором происходит такт выпуска (при четном количестве цилиндров). В момент зажигания на обеих свечах зажигания образуется искра на первой катушка дает «рабочую искру», а на второй – «холостую».

Например, в классическом 4-х цилиндровом двигателе в цилиндрах 1 и 4 поршни занимают одно и то же положение (оба находятся в верхней или нижней мертвых точках одновременно) и движутся синхронно, но находятся на разных тактах. Когда цилиндр 1 находится на компрессионном ходу, цилиндр 4 – на такте выпуска, и наоборот.

Общая схема системы DIS

Катушки зажигания в системе DIS могут устанавливаться как отдельно от свечей и связываться с ними высоковольтными проводами, так и прямо на свечах (как в системе COP, но в этом случае высоковольтные провода все равно используются для передачи разряда на свечи смежных цилиндров).

Общая схема системы “DIS-COP”

Неисправности в системе зажигания приводят к пропускам воспламенения топливной смеси в цилиндрах, в результате двигатель не развивает мощность, работает нестабильно, «троит», повышается нагрузка на рабочие цилиндры, что приводит к снижению их времени эксплуатации, увеличению расхода топлива.