Системы зажигания от магнето применяются на сегодняшний день только в небольших и экономичных двигателях, чаще всего стационарных. Искрообразование, необходимое для воспламенения рабочей смеси, происходит благодаря энергии магнето — компактного генератора переменного тока с механическим приводом. Обычно системы зажигания от магнето используются на двигателях, в системе электрооборудования которых для снижения веса отсутствует аккумуляторная батарея, а пуск двигателя осуществляется с помощью механического привода.
Системы батарейного зажигания, в соответствии с названием, работают в сочетании с электрооборудованием, включающем в себя аккумуляторную батарею. Такие системы способны обеспечивать искрообразование на любых режимах работы двигателя, а наличие аккумулятора позволяет осуществлять пуск двигателя от электростартера.
Долгое время бензиновые двигатели легковых автомобилей и мотоциклов оснащались индуктивной (контактной) системой зажигания от высоковольтной катушки (бобины), но в середине 70-х годов прошлого века развитие систем электрооборудования автомобиля способствовало постепенной замене механических деталей индуктивной системы зажигания на электронные. Так появились транзисторная индуктивная система зажигания и высоковольтная конденсаторная система зажигания. Эти совершенные электронные системы не имеют движущихся деталей, подверженных механическому износу, и, как следствие, не требуется частое техническое обслуживание и регулировка системы зажигания.
Электронные системы зажигания конструируются таким образом, чтобы вторичное напряжение в системе лишь незначительно возрастало при увеличении частоты вращения коленчатого вала и вырабатывалось достаточно энергии, необходимой для воспламенения рабочей смеси. С помощью управления характеристиками двигатель может работать с полной нагрузкой во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала при обеспечении оптимальных моментов искрообразования.
Индуктивная (контактная) система зажигания
В индуктивной (контактной) системе зажигания для выработки высокого напряжения, необходимого для искрообразования, используется высоковольтная катушка (бобина), у которой первичная обмотка состоит из нескольких витков толстой проволоки, а вторичная обмотка — из большого количества витков тонкой проволоки. Индуктивные напряжения на обеих обмотках зависят от числа витков, поэтому при относительно низком напряжении в первичной обмотке на вторичной обмотке возникает очень высокое напряжение, необходимое для эффективного искрообразования.
Наряду с высоковольтной катушкой для индуктивной системы зажигания необходимыми составляющими являются аккумулятрная батарея, выключатель зажигания, прерыватель, распределитель, конденсатор и свечи зажигания по числу цилиндров двигателя (рис. 5.4). В особых случаях используется по две свечи зажигания на цилиндр.
Рис. 5.4. Индуктивная (контактная) система зажигания
Для образования искры на свече зажигания необходимо, чтобы электрический ток в нужный момент прерывался в первичной обмотке катушки зажигания. В этом случае магнитное поле первичной обмотки разрушается и индуцируется соответствующее высокое напряжение во вторичной обмотке. Для прерывания электрического тока служит прерыватель. Его контакты удерживаются в замкнутом состоянии до наступления момента зажигания рабочей смеси в очередном цилиндре. В этот момент вращающийся кулачок размыкает контакты прерывателя. В тот же момент ротор распределителя зажигания должен замкнуть в распределителе контакты между вторичной обмоткой высоковольтной катушки и свечой зажигания соответствующего цилиндра. Для обеспечения согласованной работы прерывателя и распределителя их обычно объединяют в единый агрегат — прерыватель-распределитель, на корпусе которого крепится и конденсатор. Наличие контактов прерывателя привело к тому, что такую систему часто называют контактной системой зажигания.
Индуктивное напряжение в первичной цепи системы зажигания составляет около 350 В, а напряжение во вторичной цепи, получаемое в результате, достигает примерно 25 кВ при соотношении чисел витков обмоток, равном 70. Часто поэтому первичную цепь называют цепью низкого напряжения, а вторичную — цепью высокого напряжения.
Длительность замкнутого состояния контактов прерывателя выражается в градусах и называется угол замкнутого состояния контактов. Величина этого угла зависит от геометрических параметров кулачка и отрегулированного зазора в контактах прерывателя. Более того, угол замкнутого состояния контактов уменьшается при увеличивающейся частоте вращения коленчатого вала, так как частота вращения распределительного вала также увеличивается, а прерыватель-распределитель приводится в действие именно от распределительного вала двигателя. Так как увеличение силы тока в первичной обмотке происходит не внезапно, а стремится асимптотически к своему максимальному значению (рис. 5.5), конечное значение силы тока первичной цепи уменьшается при уменьшении угла замкнутого состояния контактов, а магнитное поле катушки зажигания к моменту размыкания контактов прерывателя слабеет.
Рис. 5.5. Изменение по времени силы тока в первичной цепи
Вследствие ослабления магнитного поля снижается напряжение во вторичной цепи системы зажигания. Принципиальное изменение напряжения во вторичной цепи в зависимости от частоты вращения коленчатого вала показано на рис. 5.6. При низкой частоте вращения во время размыкания контактов прерывателя может возникнуть паразитная искра, которая задерживает разрушение магнитного поля в катушке зажигания, что приводит к снижению напряжения во вторичном контуре. Обычно паразитная искра при размыкании контактов подавляется с помощью конденсатора.
Рис. 5.6. Напряжение во вторичной цепи системы зажигания
Как следствие, происходит быстрое разрушение магнитного поля с соответствующим высоким напряжением во вторичной цепи системы зажигания.
Даже при высокой частоте вращения коленчатого вала можно наблюдать дополнительное падение напряжения, вызванное вибрацией контактов прерывателя. Максимальная частота искрообразования ограничивается величиной приблизительно 1800 искр/мин.
Транзисторная индуктивная система зажигания
Как было сказано выше, недостатком традиционной индуктивной системы зажигания является само наличие контактов прерывателя и зависимость силы тока высоковольтной катушки от частоты вращения коленчатого вала и, соответственно, вала привода прерывателя-распределителя. Эта зависимость точно определяется геометрическими параметрами кулачка распределителя. Улучшить ситуацию можно путем использования транзистора для прерывания тока в первичной цепи (рис. 5.7). При этом не допускается нежелательное искрообразование, а сила тока в первичной цепи может повышаться, что при одновременном снижении числа витков первичной обмотки способствует быстрому созданию магнитного поля. Как следствие спад напряжения во вторичной цепи системы зажигания при растущей частоте вращения становится незначительным (рис. 5.8).
Рис. 5.7. Контактно-транзисторная индуктивная система зажигания
Включение транзистора происходит посредством тока управления. Когда ток управления подается на транзистор, тот открыт для тока первичной цепи. Если ток управления прерывается, прерывается и ток первичной цепи. Управление током первичной цепи осуществляется первоначально посредством уже известных контактов прерывателя, что также используется в индуктивной системе зажигания. Так как сила тока управления значительно меньше, чем сила тока первичной цепи, все указанные недостатки в данном случае становятся незначительными. Такая конструкция называется контактно-транзисторной индуктивной системой зажигания.
Рис. 5.8. Изменение по времени силы тока в первичной обмотке высоковольтной катушки индуктивной (черный график) и транзисторно-индуктивной (красный график) систем зажигания
В современных системах зажигания ток управления генерируется с помощью датчика импульсов. В этом случае речь идет о бесконтактной транзисторной индуктивной системе зажигания. Так как здесь нет механических контактов, нет и необходимости проводить техническое обслуживание. Кроме того, в данной системе момент зажигания будет точно обеспечиваться электроникой.
В качестве электрического датчика импульсов используется индукционный датчик или датчик Холла. Индукционный датчик состоит из постоянного магнита и стального ротора (рис. 5.9). Ротор установлен на валу распределителя зажигания. При вращении изменяется зазор между сердечниками из магнитомягкой стали и зубцами ротора, что приводит к изменениям магнитного потока, идущего через индукционную обмотку. В индукционной обмотке индуцируется переменное напряжение, которое после преобразования в других устройствах служит для управления транзистором.
Рис. 5.9. Индукционный датчик: 1 - постоянный магнит; 2 - сердечник из магнитомягкой стали с индукционной обмоткой; 3 - изменяемый воздушный зазор; 4 - ротор; 5 - зубцы ротора
Индукционный датчик может устанавливаться непосредственно на коленчатый вал или рядом с зубчатым венцом маховика; в последнем случае сигнал датчика должен преобразовываться в отвечающий числу цилиндров периодический ток управления при помощи соответствующего электронного устройства.
Преимуществом данного типа установки является точное по времени возбуждение напряжения во вторичной цепи системы зажигания, так как исключены производственные допуски и износ привода распределителя зажигания.
В датчике Холла используется эффект Холла, названный в честь его первооткрывателя: если ток течет в электрическом проводнике, который пронизывается магнитным полем, электроны отклоняются вертикально в направлении тока и магнитного поля. Особенно четко можно увидеть эффект Холла в полупроводнике. На рис. 5.10 в слое Холла вверху царит избыток электронов, а внизу — недостаток электронов. Благодаря этому на датчике Холла снимается напряжение. Если магнитное поле, например, прерывается обтюратором, напряжение Холла ослабевает. Периодическая смена напряженности магнитного поля, вызванная вращающимся обтюратором, может использоваться для определения частоты вращения.
Рис. 5.10. Датчик Холла: 1 - Обтюратор; 2 - Магнитомягкая электропроводящая деталь; 3 - Слой Холла; 4 - Воздушный зазор; U - Напряжение Холла
Часто на двигатель устанавливается дифференциальный датчик Холла. В этом случае вследствие изменения профиля боковой поверхности магнитного зубчатого диска импульсного датчика вырабатываются два сигнала, которые дифференцировано усиливаются и становятся более чувствительными к помехам.
Напряжение Холла используется после преобразования и усиления с помощью других электронных устройств для управления транзистором.
Рис. 5.11. Изменение по времени силы тока в первичной цепи системы зажигания с регулировкой угла замкнутого состояния контактов и без нее
Фактическое напряжение во вторичной цепи и энергию, необходимую для воспламенения рабочей смеси, можно увеличить с помощью электронной регулировки угла замкнутого состояния контактов. Без регулировки данный угол будет иметь постоянную величину, а достигнутая сила тока первичной цепи будет уменьшаться при увеличении частоты вращения коленчатого вала или снижающемся напряжении батареи. Как следствие, уменьшаются энергия, необходимая для воспламенения рабочей смеси, и напряжение во вторичной цепи системы зажигания. С помощью электронной регулировки величина угла замкнутого состояния контактов варьируется в соответствии с условиями работы двигателя, таким образом всегда обеспечивается необходимая сила тока в первичной цепи (рис. 5.11). При этом энергия, необходимая для воспламенения рабочей смеси, и напряжение во вторичной цепи системы зажигания остаются высокими. Регулировка возможна только в ограниченных пределах, так как слишком большое увеличение угла опережения зажигания сможет снизить продолжительность искрового разряда, и, как следствие, надежное воспламенение смеси не может гарантироваться. При использовании полностью электронной системы зажигания ротор распределителя зажигания также заменяется электронным устройством. При этом обеспечиваются следующие преимущества:
- отсутствие износа механических деталей;
- отсутствие паразитных электромагнитных волн вследствие искрового перекрытия в распределителе зажигания;
- простая конструкция, так как отсутствует механический привод прерывателя-распределителя.
В системах зажигания без механического распределителя, управляемых транзистором, чаще всего устанавливаются одноискровые катушки зажигания. В этом случае каждый цилиндр оборудован отдельной катушкой зажигания, которая насаживается непосредственно на свечу зажигания (рис. 5.12). Такая катушка состоит из первичной и вторичной обмоток, расположенных друг над другом, и наборного пластинчатого сердечника из электротехнической стали, замыкающегося с помощью магнита. Вся конструкция залита эпоксидной смолой. Преимуществами являются точная управляемость и компактность устройства, что важно при ужесточенных предельных ограничениях содержания вредных примесей в отработавших газах и повышенных требованиях к системам диагностики.
Рис. 5.12. Одноискровая катушка зажигания производства фирмы «Bosch»
Для подавления искровых помех при подаче тока, которые могут содействовать перебоям в зажигании, необходимо установить диод высокого напряжения во вторичной цепи. Далее необходимо позаботится о том, чтобы подавление помех в катушке зажигания происходило самостоятельно. При замене так называемой «индивидуальной катушки зажигания» на длинный тянутый магнитопровод уменьшается пространство, необходимое для размещения катушки зажигания (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Стержневая катушка зажигания производства фирмы «Bosch»
В последние годы широкое распространение получили многоискровые катушки зажигания, рассчитанные на работу сразу с двумя или четырьмя свечами зажигания. Рассмотрим принцип работы двухискровой катушки зажигания, которая имеет два высоковольтных вывода, к каждому из которых подсоединяется одна свеча зажигания. В четырехцилиндровом двигателе обычно к одной катушке подключают свечи зажигания первого и четвертого цилиндров, а к другой — второго и третьего цилиндров. Соответственно, при срабатывании высоковольтной катушки обе подключенные свечи зажигания начинают искрить одновременно. При этом в одном цилиндре искра подается на свечу зажигания к началу рабочего хода, в то время как в другом свеча зажигания срабатывает «вхолостую» при выпуске отработавших газов, индуцируя слабую опорную искру. На рис. 5.14 этот процесс показан на примере четырехцилиндрового четырехтактного двигателя. Обе катушки зажигания индуцируют одну искру зажигания за один оборот коленчатого вала.
Рис. 5.14. Порядок работы электронной системы зажигания с двухискровыми катушками зажигания в четырехцилиндровом четырехтактном двигателе
К преимуществам бесконтактной транзисторной системы зажигания по сравнению с контактной системой зажигания можно отнести:
- отсутствие необходимости в обслуживании;
- постоянство момента искрообразования;
- незначительное снижение напряжения во вторичной цепи системы зажигания и количества энергии, необходимой для воспламенения рабочей смеси при увеличении частоты вращения коленчатого вала;
- максимальная частота искрообразования может достигать 30000 искр/мин.
Новые разработки приводят к созданию компактных систем с незначительными потерями. В дальнейшем будут использоваться системы, позволяющие оценить параметры сгорания рабочей смеси путем измерения ионного тока непосредственно после зажигания.
Высоковольтная конденсаторная система зажигания
В качестве альтернативы транзисторной индуктивной системе зажигания разрабатываются плазменные и лазерные системы зажигания, но вследствие высоких затрат на изготовление они пока не используются. Преимуществом лазерной системы зажигания является, в частности, гибкий выбор точки воспламенения рабочей смеси в камере сгорания, что осуществляется посредством фокусировки лазерного луча. Особое преимущество данная система представляет для бензиновых двигателей, в которых начало сгорания рабочей смеси инициируется в струе впрыскиваемого топлива. При этом задержка воспламенения незначительна, в результате повышается коэффициент полезного действия двигателя и снижается уровень вредных примесей в отработавших газах.
При использовании в спортивных соревнованиях высокофорсированных двигателей приходится сталкиваться с сильным загрязнением маслом и нагаром основания изоляторов свечей зажигания. В этом случае часто используют высоковольтную конденсаторную систему зажигания, схематическое устройство которой представлено на рис. 5.15.
Рис. 5.15. Высоковольтная конденсаторная система зажигания
Здесь функцию аккумулятора энергии выполняет конденсатор, который разряжается через первичную обмотку, при этом во вторичной обмотке индуцируется высокое напряжение. Трансформатор высокого напряжения работает быстро и с малыми потерями. По сравнению с транзисторной индуктивной системой зажигания здесь повышение вторичного напряжения на порядок выше, около 3000 В/мкс — против 400 В/мкс. Вследствие значительно более быстрого повышения вторичного напряжения потери энергии на свече зажигания, которые могут возникнуть вследствие вышеупомянутых загрязнений, остаются незначительными.
Малая длительность индуктивной фазы искрового разряда, напротив, отрицательно влияет на воспламенение рабочей смеси с помощью высоковольтного конденсатора, в особенности, при неоднородной смеси; это может привести к перебоям в зажигании (рис. 5.16). Для решения данной проблемы можно использовать систему зажигания с переменным напряжением. В этом случае длительность искрового разряда увеличивается, при этом образуется колебательный контур из конденсатора и трансформатора высокого напряжения. После образования длительность искрового разряда поддерживается с помощью энергии, сохраненной во вторичной обмотке катушки зажигания, в то время как конденсатор вновь заряжается.
Рис. 5.16. Длительность индуктивной фазы искрового разряда tF в высоковольтной конденсаторной (слева) и индуктивной (справа) системах зажигания
Спад напряжения во вторичной цепи высоковольтной конденсаторной системы зажигания с увеличением частоты вращения коленчатого вала в любом случае меньше, чем в индуктивной системе зажигания.
Можно подвести следующие итоги:
- Индуктивная система зажигания используется только в старых двигателях. Она была полностью вытеснена транзисторной индуктивной системой зажигания. Зажигание с помощью высоковольтного конденсатора используется только в особых случаях, например, когда следует опасаться перебоев искрообразования вследствие сильного загрязнения свечей зажигания.
- Полностью электронная транзисторная индуктивная система зажигания не требует обслуживания; момент искрообразования сохраняется без последующей регулировки.
- Полностью электронная транзисторная индуктивная система зажигания предоставляет возможность регулировки угла замкнутого состояния контактов, при котором напряжение во вторичной цепи системы зажигания остается всегда высоким независимо от частоты вращения коленчатого вала. При этом вырабатывается достаточно энергии, необходимой для воспламенения рабочей смеси. Вследствие этого даже бедные смеси бензина и воздуха хорошо воспламеняются.