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:
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:
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.
Устройство автомобилей
Система зажигания
Назначение системы зажигания
В двигателях с принудительным воспламенением рабочей смеси, к которым относятся бензиновые и газовые двигатели, применяется система зажигания, т. е. система, обеспечивающая поджог топливовоздушной смеси перед началом рабочего хода поршня в конце такта сжатия.
Система зажигания двигателя предназначена для генерации импульсов высокого напряжения, вызывающих вспышку рабочей смеси в камере сгорания, синхронизацию этих импульсов с фазой двигателя и распределение импульсов по цилиндрам двигателя.
Воспламенение горючей смеси в камере сгорания автомобильного бензинового или газового двигателя осуществляется посредством электрического разряда, возникающего между электродами свечи зажигания, ввернутой в головку блока цилиндров. Бесперебойное искрообразование между электродами свечи зажигания происходит при высоком напряжении (8…30 тыс. вольт). На прогретом двигателе к моменту искрообразования рабочая смесь сжата и имеет высокую температуру, близкую к температуре воспламенения, поэтому для ее воспламенения требуется искровой разряд небольшой мощности.
Однако имеется ряд режимов работы двигателя, когда требуется очень мощная искра. К таким режимам относятся:
Электрическая искра вызывает появление в ограниченном объеме рабочей смеси первых активных центров, от которых начинается развитие бурно протекающей химической реакции окисления топлива (т. е. его горения), сопровождающейся выделением тепла.
От мощности искры и момента зажигания рабочей смеси в значительной мере зависят экономичность и устойчивость работы двигателя, а также токсичность отработавших газов.
Требования, предъявляемые к системе зажигания
Учитывая условия, в которых работают двигатели внутреннего сгорания, к системам зажигания предъявляются следующие требования:
Напряжение, необходимое для пробоя искрового промежутка свечи зажигания, зависит от многих факторов, таких как давление, температура и состав рабочей смеси; расстояние между электродами свечи зажигания (зазор); материал и температура электродов; полярность высокого напряжения.
Так, при пуске холодного двигателя пробивное напряжение достигает 16…30 тыс. вольт и более, а при работе прогретого двигателя достаточно 10…12 тыс. вольт.
Воспламенение смеси должно осуществляться в точно определенный момент относительно достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ). Это обусловлено тем, что смесь сгорает не мгновенно, а в течение некоторого, пусть даже короткого, промежутка времени.
Если воспламенение происходит позднее, чем нужно, то смесь сгорает в процессе такта расширения (рабочего хода), и догорает в выпускном трубопроводе. В результате уменьшается среднее давление газов в процессе рабочего хода поршня, и, соответственно, снижается мощность двигателя. Кроме того, происходит перегрев деталей системы выпуска отработавших газов и увеличивается количество вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду.
При слишком раннем воспламенении рабочая смесь вспыхивает до прихода поршня в ВМТ, из-за чего поршень испытывает сильные встречные удары от детонирующего топлива, сопровождающиеся звонким металлическим стуком в двигателе. Раннее воспламенение уменьшает мощность и КПД двигателя и приводит к быстрому износу деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ), особенно поршневой группы.
Угол между положением коленчатого вала, соответствующим моменту искрового разряда между электродами свечи зажигания, и положением, при котором поршень находится в ВМТ, называется углом опережения зажигания. Оптимальный угол опережения зажигания зависит от частоты вращения коленчатого вала и от нагрузки двигателя.
Если коленчатый вал вращается с большой частотой, скорость движения поршня увеличивается, и время, отводимое для сгорания рабочей смеси, сокращается. В этом случае для того, чтобы рабочая смесь успела полностью сгореть, необходимо поджечь ее немного раньше, до прихода поршня в ВМТ, т. е. увеличить угол опережения зажигания.
Повышение нагрузки на двигатель сопровождается увеличением угла открытия дроссельной заслонки и наполняемости цилиндров, а также снижением частоты вращения коленчатого вала двигателя. В результате продолжительность такта расширения и процесса сгорания смеси увеличивается, поэтому смесь нужно поджечь немного позже, т. е. уменьшить угол опережения зажигания.
По этим причинам современные системы зажигания оснащены устройствами, автоматически изменяющими угол опережения зажигания в зависимости от режима работы двигателя.
Распределительная функция системы зажигания связана с тем, что автомобильные двигатели в подавляющем большинстве выполняются многоцилиндровыми, при этом процессы, происходящие в разных цилиндрах сдвинуты по времени из соображений уравновешенности и сбалансированности узлов и деталей подвижной группы КШМ. Следовательно, система зажигания должна обеспечить подачу искрового разряда в каждый цилиндр строго в соответствии с протекающим в нем тактом, положением поршня и клапанов газораспределительного механизма (ГРМ).
Устройства, обеспечивающие своевременную подачу искры в каждый цилиндр двигателя, называют распределителями зажигания. Конструкция распределителя зависит от типа системы зажигания, применяемой в двигателе, но принцип действия и выполняемые функции у таких устройств одинаковы.
Особенности работы двигателя и определяют основные требования к системе зажигания. При этом важным для системы зажигания является стабильность регулировочных характеристик, поскольку даже самое небольшое их изменение в процессе работы негативно отражается на мощности двигателя и его экономичности, а также в количестве вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду.
Требования, предъявляемые к приборам системы зажигания
Приборы системы зажигания должны отвечать следующим требованиям:
Классификация систем зажигания
В настоящее время отечественные и зарубежные производители автомобильных двигателей серийно выпускают следующие типы систем зажигания:
Батарейная (контактная) система зажигания использовалась на первых двигателях внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от электрической искры. Высокое напряжение в такой системе создается посредством явлений самоиндукции, имеющих место в трансформаторе (катушке зажигания) при протекании переменного тока через одну из его обмоток. При этом переменный ток возникает при разрыве электрической цепи от аккумуляторной батареи. Прерывание тока в контактной системе зажигания осуществляется механическим прерывателем, что и является слабым звеном этой системы.
Термин «батарейная система зажигания» возник при появлении первых автомобильных двигателей с электроискровой системой зажигания. На таких автомобилях еще не использовались генераторные установки, и единственным источником электроэнергии являлись аккумуляторные батареи. В настоящее время чаще употребляется термин «контактная система зажигания».
Электроника, управляемая датчиками, оказалась несравненно надежнее и функциональнее, чем механика и электромеханика. Так, например, датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) совместно с некоторыми другими корректирующими датчиками (датчик фаз, датчик положения дроссельной заслонки, датчик скорости) полностью заменил такой ненадежный элемент системы зажигания, как прерыватель. Имея простую конструкцию и миниатюрные габариты, датчики, тем не менее, великолепно справлялись с возложенными на них функциями.
Кроме того, наиболее ценным последствием внедрения компьютера в автомобиль явилась возможность централизованного управления системами двигателя и согласовать работу систем зажигания, питания и охлаждения.
В последние годы устаревшие типы системы зажигания, использующие в работе механические, транзисторные и тиристорные прерыватели, интенсивно уступают место более современным системам, управляемым посредством электроники и компьютерной техники.
В двигателях современных бензиновых и газовых автомобилей все шире применяются цифровые и микропроцессорные системы, комплексно управляющие системами зажигания и питания двигателя, а также осуществляющими контроль над выбросами продуктов сгорания топлива в окружающую среду, что позволило получить ряд существенных преимуществ с точки зрения динамики, экономичности и экологичности двигателей.
Тем не менее, для того, чтобы ясно понимать работу самых совершенных систем зажигания, необходимо знать принцип работы старой и доброй контактной (батарейной) системы зажигания, позволившей впервые воспламенить рабочую смесь в цилиндре двигателя с помощью электрической искры.
Система зажигания очень важна для автомобиля
Разновидности систем зажигания
Благодаря системе зажигания авто в определенный момент работы двигателя производится подача на свечи зажигания искрового разряда. Данная схема системы зажигания применяется в бензиновых моторах. В дизельных двигателях система зажигания работает следующим образом, в момент сжатия происходит впрыск топлива. Существуют некоторые марки американских автомобилей, в которых система зажигания, а точнее ее импульсы подаются непосредственно в блок управления погружаемым топливным насосом.
Все существующие системы зажигания разделяются на три вида:
В двухтактных двигателях без внешнего источника питания применяется система зажигания типа «магнето». Принцип работы «магнето» заключается в создании ЭДС, в момент вращения в катушке зажигания постоянного магнита по заднему фронту импульса.
Все описанные типы систем зажигания отличаются только способом создания управляющего импульса.
Устройство системы зажигания
На рисунке представлена система зажигания, которая применяется в бензиновых автомобилях.
Рассмотрим более подробно устройство и схему системы зажигания авто.
Источником питания для системы зажигания выступает аккумуляторная батарея непосредственно в момент запуска мотора, и генератор во время работы двигателя.
Накопитель применяется для аккумуляции и преобразования достаточного количества энергии, которая используется на создание электрического разряда в электродах свечи зажигания. Современная система зажигания автомобиля может применять емкостной или индуктивный накопитель.
Индуктивный накопитель представляет собой катушку зажигания (автотрансформатор), первичная обмотка у которой, подключается к полюсу плюсовому, а минусовой полюс подключается через устройство разрыва. В процессе работы устройства разрыва, возьмем для примера кулачки зажигания, в первичной обмотке наводится напряжение самоиндукции. В это время во вторичной обмотке создается повышенное напряжение, необходимое для пробоя на свече воздушного зазора.
Емкостной накопитель представлен в виде емкости, которая заряжается при помощи повышенного напряжения. В нужный момент отдает всю энергию на свечу зажигания.
Блок управления накоплением энергии предназначен для определения начального момента накопления энергии, а также момента его передачи на свечу зажигания.
Выключатель зажигания – электрический или механический контактный блок для подачи в систему зажигания напряжения. Выключатель зажигания многим автомобилистам известен, как «замок зажигания». Ему отводится две функции: подача напряжения непосредственно на втягивающее реле стартера и подача напряжения в бортовую сеть автомобиля.
Устройство распределения по цилиндрам применяется для подачи в определенный момент энергии к свечам зажигания от накопителя. Данный элемент системы зажигания двигателя состоит из блока управления, коммутатора и распределителя.
Автомобилистам наиболее известно это устройство, как «трамблер», который является распределителем зажигания. Трамблер распределяет по проводам высокое напряжение на свечи цилиндров. Как правило, в распределителе присутствует кулачковый механизм.
Свеча зажигания – устройство с двумя электродами, которые находятся друг от друга на определенном расстоянии от 0.15 до 0,25 мм. Свеча состоит из фарфорового изолятора, который плотно насажен на металлическую резьбу, электродом служит центральный проводник, а вторым электродом выступает резьба.
Высоковольтные провода представляют собой одножильные кабеля с усиленной изоляцией. Проводник может быть выполнен в виде спирали, что поможет избавиться от помех в радиодиапазоне.
Принцип работы системы зажигания
Разделим работу системы зажигания на следующие этапы:
На примере классической системы зажигания рассмотрим принцип работы. В процессе вращения вала привода трамблера приводятся в действие кулачки, подаваемые на обмотку первичную автотрансформатора напряжение 12 вольт.
В момент подачи напряжения на трансформатор, наводится ЭДС самоиндукции в обмотке и вследствие этого, возникает высокое напряжение до 30000 вольт на вторичной обмотке. После чего в распределитель зажигания (бегунок) подается высокое напряжение, который в момент вращения подает напряжение на свечи. 30000 вольт достаточно, чтобы пробить воздушный зазор свечи искровым зарядом.
Система зажигания автомобиля должна быть идеально отрегулирована. Если будет позднее или раннее зажигание, то двигатель внутреннего сгорания может потерять свою мощность или появится повышенная детонация, а это очень не понравится вашей шестерке (ВАЗ 2106).
Виды, устройство и принцип работы системы зажигания
Система зажигания двигателя – это комплекс устройств, приборов и датчиков, необходимых для его запуска. Ее главной задачей является создание высокого напряжения для формирование искры, воспламеняющей топливовоздушную смесь, в точно определенный момент времени. Это обеспечивает правильный режим работы мотора, а потому от исправности системы зажигания зависит расход топлива, мощность и безопасность движения автомобиля.
Устройство и принцип действия типовой системы зажигания
С технической стороны система зажигания входит в комплекс электрооборудования двигателя. Конструктивно она состоит из следующих элементов:
Работа системы зажигания основана на следующем принципе: при подаче в сеть низковольтного напряжения, происходит накопление и преобразование энергии, что затем распределяется по свечам, на электродах которых формируется искра, провоцирующая воспламенение топливовоздушной смеси.
Виды систем зажигания
В современном автомобилестроении системы зажигания классифицируют в зависимости от способа управления процессом. При этом выделяют три основных типа схем:
Характерные особенности контактной системы
Исторически контактная система является одной из первых и сегодня ее можно встретить лишь на старых моделях автомобилей. В таких конструкциях формирование высокого напряжения происходит в трансформаторной катушке, а распределение его на свечи реализуется механическим способом – замыканием и размыканием контактов цепи прерывателем-распределителем.
Помимо основных элементов, такие системы включают в себя центробежный регулятор опережения зажигания, необходимый для преобразования угла опережения зажигания относительно частоты вращения коленвала. Он представляет собой два груза, воздействующих на мобильную пластину, контактирующую с кулачковым механизмом прерывателя.
Угол опережения зажигания – определенное положение коленвала, при котором осуществляется подача высокого напряжения на свечи. В таком режиме зажигание происходит до момента достижения поршнем верхней мертвой точки, что позволяет обеспечить максимально эффективное сгорание топливовоздушной смеси.
Также в контактных схемах применяется вакуумный регулятор опережения зажигания, изменяющий угол опережения соответственно режиму работы (нагрузке) мотора. Он соединен с полостью, находящейся за дроссельной заслонкой, и при нажатии на педаль газа изменяет угол опережения в зависимости от величины разрежения.
При замыкании контактов низкое напряжение подается на первичную обмотку катушки, где аккумулируется энергия и в момент размыкания контакта происходит формирование высокого напряжения на вторичной обмотке. Затем энергия поступает к распределителю зажигания и далее на соответствующую свечу.
Если нагрузка на силовой агрегат повышается, увеличивается частота вращения вала прерывателя-распределителя, и грузы центробежного регулятора расходятся, изменяя положение пластины. Это способствует более раннему размыканию контактов, что увеличивает угол опережения. При снижении нагрузки на двигатель происходит обратный процесс.
В чем отличия контактно-транзисторной системы зажигания
Следующим поколением системы зажигания стала контактно-транзисторная, предполагающая установку в первичной цепи катушки транзисторного коммутатора. Он позволяет снизить силу тока в обмотке низкого напряжения, что повышает срок эксплуатации контактов.
За счет установки транзистора напряжение, поступающее на свечи, больше, чем в классической контактной системе на 30%. Зазор между электродами и, как следствие, длина искры при этом также больше, а значит возрастает и площадь контакта с топливовоздушной смесью, что способствует ее полному сгоранию. В контактно-транзисторной системе зажигания прерыватель воздействует не на катушку, а на коммутатор.
При повороте ключа через транзистор начинают проходить два типа токов:
Когда контакты размыкаются, ток цепи управления исчезает, а транзистор запирается, препятствуя протеканию тока первичной обмотки. В этот момент магнитное поле формирует высокое напряжение на вторичной обмотке. Для ускорения запирания транзистора в контактной системе зажигания этого типа может устанавливаться импульсный трансформатор.
Принцип работы бесконтактной системы
Эволюционным продолжением транзисторно-контактной системы, является бесконтактное зажигание. В таких конструкциях вместо прерывателя устанавливается специальный датчик импульсов. Это дает возможность увеличить срок службы системы зажигания за счет отсутствия неисправностей, связанных с контактами прерывателя.
Датчик формирует электрические импульсы низкого напряжения. Он бывает трех типов:
Конструктивно датчик импульсов интегрирован в распределитель и регулируется режимом вращения коленвала двигателя. Прерывание тока в первичной обмотке катушки зажигания бесконтактной системы осуществляется также транзисторным коммутатором, но реагирующим на сигналы датчика.
В момент вращения коленвала датчик посылает импульсы напряжения на коммутатор. Последний, соответственно, формирует импульсы тока в обмотке низкого напряжения катушки. Когда ток не поступает, на вторичной обмотке возникает высокое напряжение, которое передается распределителю и далее по высоковольтным проводам к нужной свече. Изменение угла опережения в бесконтактной системе зажигания также выполняется центробежным и вакуумным регуляторами.
Электронная и микропроцессорная системы
Самой современной системой считается электронная. Она не имеет механических контактов, а потому ее также можно назвать бесконтактной. Электронное зажигание является частью системы управления двигателем.
Выделяют два типа электронных бесконтактных систем зажигания:
Помимо базовых элементов электронная система зажигания включает:
Такие системы могут оснащаться одной общей (в конструкциях с распределителем), индивидуальными (при подаче энергии прямо на свечу) или сдвоенными катушками зажигания.
Разновидностью электронной системы является микропроцессорная. В ней применяется целый комплекс датчиков, сигналы которых обрабатываются ЭБУ. Он рассчитывает оптимальный режим работы системы в заданный момент времени. Преимуществами такой конструкции является снижение расхода топлива и улучшение динамических характеристик автомобиля.
Как устроена система зажигания, её назначение и принцип действия
Система зажигания устанавливается на бензиновые двигатели. Ее главная задача – воспламенить топливно-воздушную смесь в тот момент, когда поршень находится в верхнем положении, максимально сжимая ее. Бензин в цилиндре двигателя воспламеняется с искрой, которая возникает в специальной свече, в чем и состоит назначение системы зажигания в автомобиле.
Общие сведения о системе зажигания
При такте сжатия поршень двигается вверх, повышая давление воздушно-топливной смеси, поступающей в цилиндр через впускной клапан. Как только он доходит до мертвой точки, между электродами свечи проскакивает электрическая искра, которая и воспламенит горючую смесь. Чтобы бензиновые пары гарантированно воспламенились, длина искры должна быть не менее 1 мм, именно такой зазор должен быть между центральным и боковым электродом свечи.
Чтобы получить такую искру, напряжение или разница потенциалов между свечными электродами должна быть не менее 20 кВ. При этом аккумуляторная батарея выдает напряжение в 12 В, поэтому устройство системы зажигания должно позволять трансформировать высокие напряжения, чтобы получить нужную длину искры. Важно, что искра должна проскакивать именно в нужный момент, когда поршень находится в верхней точке.
Работа системы зажигания
Для получения тока высокого напряжения применяется специальная катушка, которая называется модуль зажигания. Она получает информацию от электронного блока управления или «мозгов», подавая ток высокого напряжения на свечу точно в нужный момент.
Команду на подачу искры в рабочий цилиндр подает датчик положения коленчатого вала, который располагается возле задающего диска, закрепленного на конце коленвала. На этом диске нет одного зубчика, что является меткой для датчика. При подходе этой метки к датчику, она подает сигнал ЭБУ, что поршень находится в верхней точке и можно подавать разряд на свечу зажигания.
Поэтому при выходе из строя датчика коленчатого вала автомобиль не заводится, поскольку непонятно, в каком положении находится поршень. В случае такой поломки придется вызывать эвакуатор и доставлять автомобиль на СТО, своим ходом он туда не доберется.
Устройство
Конструкция системы зажигания в различных автомобилях может различаться, но несмотря на это, в общем, система зажигания состоит из следующих узлов:
Модуль зажигания имеет четыре выводных контакта для каждого цилиндра, к которым подсоединяются свечи через свечные наконечники. Соединительные провода имеют надежную толстую изоляцию, поэтому автомобилисты называют их бронепроводами. Чтобы правильно присоединить провода к свечам, на модуле зажигания напротив выводных штырей нанесены цифры, соответствующие номерам цилиндров.
На более современных авто модуль зажигания, а также высоковольтные провода заменяются отдельными катушками зажигания, которые устанавливают на каждую свечу. Управляющие провода с током низкого напряжения идут непосредственно на каждую из таких катушек. При этом за очередность работы свечей отвечает тот же электронный блок управления или мозги автомобиля.
Виды систем зажигания
Важный элемент — распределяющее устройство, по типу которого различается контактная или бесконтактная система зажигания, а на новых автомобилях устанавливается более технологичная электронная система зажигания. Каждая из них имеет свои преимущества, которые нужно знать владельцу автомобиля.
Проблемы с зажиганием
Основная проблема любой системы зажигания — отсутствие разряда в камере сгорания из-за поломки свечей. Это приводит к отключению одного или нескольких цилиндров. Чтобы этого не случилось, свечи требуется менять каждые 30-40 тыс. км пробега. На старых автомобилях отечественного производства это можно сделать самостоятельно. Более современные модели требуют специального ключа, поэтому данную операцию лучше делать на СТО.
