Система зажигания предназначена для воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя. Воспламенение смеси происходит от искры, поэтому другое наименование системы искровая система зажигания.
В зависимости от способа управления процессом зажигания различают следующие типы систем зажигания:
- контактная система зажигания;
- бесконтактная (транзисторная) система зажигания;
- электронная (микропроцессорная) система зажигания.
Сжатая рабочая смесь в цилиндре двигателя зажигается электрическим разрядом — искрой, образующейся между электродами свечи зажигания.
Для образования электрического разряда в условиях сжатой рабочей смеси необходимо напряжение не менее 12 …16 кВ.
Преобразование тока низкого напряжения в ток высокого напряжения и распределение его по цилиндрам двигателя осуществляется приборами батарейного зажигания. Система батарейного зажигания состоит из источников тока низкого напряжения, катушки зажигания, прерывателя-распределителя, свечей зажигания, включателя зажигания (замка зажигания) и проводов низкого и высокого напряжений (рис. 9.1).
В системе батарейного зажигания имеется две цепи — низкого и высокого напряжения. Цепь низкого напряжения питается от аккумуляторной батареи 1 или генератора 2. В эту цепь кроме источников тока последовательно включены включатель зажигания 3, первичная обмотка катушки зажигания 4 и прерыватель 11.
Цепь высокого напряжения состоит из вторичной обмотки катушки зажигания 5, распределителя 8, проводов высокого напряжения 6, свечей зажигания 7. Образование тока высокого напряжения в катушке зажигания основано на принципе электромагнитной индукции. При включенном выключателе зажигания и замкнутых контактах прерывателя ток от аккумуляторной батареи или генератора поступает на первичную обмотку катушки зажигания, вследствие чего вокруг нее образуется магнитное поле. При размыкании контактов прерывателя ток в первичной обмотке катушки зажигания и магнитный поток вокруг нее исчезают. Исчезающий магнитный поток пересекает витки вторичной и первичной обмоток катушки зажигания и в каждом из них возникает небольшая ЭДС. Благодаря большому числу витков вторичной обмотки, последовательно соединенных между собой, общее напряжение на ее концах достигает 20…35 кВ.
От катушки зажигания через провод высокого напряжения, распределитель и провода ток высокого напряжения поступает к свечам зажигания, в результате чего между электродами свечей возникает искровой разряд, зажигающий рабочую смесь.
ЭДС самоиндукции, возникающая в первичной обмотке катушки зажигания, достигает 200…300В, что вызывает появление искрообразования между контактами прерывателя. Для предотвращения этого явления параллельно контактам прерывателя установлен конденсатор, который образует совместно с первичной обмоткой колебательный контур, что позволяет получить многократное перераспределение энергии между катушкой зажигания и конденсатором. Эти колебания приводят к тому, что между электродами свечи образуется череда искр, которая создает электрическую дугу.
В контактной системе зажигания управление накоплением и распределение электрической энергии по цилиндрам осуществляется механическим устройством: прерывателем-распределителем. Дальнейшим развитием контактной системы зажигания является контактная транзисторная система зажигания, в первичной цепи катушки зажигания которой применен транзисторный коммутатор.
Кроме описанной применяются также контактные транзисторные системы зажигания, бесконтактные системы зажигания с датчиком Холла и индукционной катушкой.
Компоненты системы зажигания. Катушка зажигания служит для преобразования тока низкого напряжения в ток высокого напряжения. Типичная конструкция катушки для автомобильного двигателя показана на рис. 9.2. На сердечник 17, набранный из тонких железных пластин, наматывается из тонкой проволоки вторичная обмотка 5 с большим числом витков, а на ее первичная обмотка 4 с малым числом витков. Для уменьшения зависимости напряжения во вторичной обмотке от частоты вращения коленчатого вала двигателя в первичную обмотку могут включать дополнительный резистор в виде проволочной спирали из низкоуглеродистой стали.
Катушка зажигания представляет собой высоковольтный импульсный повышающий трансформатор системы зажигания ДВС, первичная обмотка которого имеет сравнительно небольшое количество витков толстого провода и рассчитана на импульсы низкого напряжения 12 вольт, вторичная обмотка выполнена из тонкого провода с большим количеством витков, благодаря чему во вторичной обмотке создаётся высокое импульсное выходное напряжение до 25 000 — 35 000 вольт. В зависимости от типа и назначения катушки число витков лежит в пределах 180…330 — для первичной и 18 000…26 000 — для вторичных обмоток. Соответственно диаметр провода первичной обмотки — 0,53…0,86 мм, а вторичной — 0,07…0,095 мм. Коэффициент трансформации — 55…100.
Высокое напряжение от катушки зажигания с помощью высоковольтного кабеля подаётся на распределителя, от него с помощью высоковольтных проводов напряжение распределяется по свечам зажигания или сразу на свечу в статической системе зажигания. Высокое напряжение обеспечивает искру между электродами свечи, тем самым воспламеняя топливовоздушную смесь.
Через первичную обмотку катушки зажигания протекает постоянный ток. Когда поршень подходит к верхней мёртвой точке, цепь первичной обмотки разрывается размыканием контактов прерывателя, или с помощью электронных (транзисторных или тиристорных) ключей, управляемых с помощью датчика Холла, индуктивного или иного датчика. Разрыв цепи в статических системах зажигания осуществляется ЭБУ.
Прерыватель-распределитель состоит из прерывателя и распределителя, установленных в одном общем корпусе (рис. 9.3). Распределитель зажигания обеспечивает замыкание и размыкание цепи тока низкого напряжения и распределение по цилиндрам двигателя тока высокого напряжения. В корпусе распределителя также установлен вал 9 привода кулачка 8 прерывателя, токоразносной пластины 2 распределителя и центробежного регулятора, автоматически изменяющего угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. При вращении вала 9 кулачок 8 размыкает контакты 5 прерывателя, что вызывает прерывание напряжения в первичной обмотке зажигания и возникновение высокого напряжения во вторичной обмотке катушки зажигания.
При рассмотрении рабочего цикла двигателя было условно принято, что воспламенение рабочей смеси в цилиндре происходит при положении поршня в ВМТ. Скорость сгорания смеси в цилиндре двигателя очень велика, но все же на сгорание, необходимо определенное время. Если рабочую смесь воспламенять в момент нахождения поршня в ВМТ (позднее зажигание), то она будет сгорать при увеличивающемся объеме, что приведет к перегреву двигателя и снижению его мощности и экономичности. Если смесь сгорает до прихода поршня в ВМТ (раннее зажигание), то также нарушается нормальная работа двигателя; образующиеся газы давят на поднимающийся поршень, и он получает «обратный удар». Следовательно, смесь необходимо воспламенять до прихода поршня в ВМТ (в конце такта сжатия) с некоторым опережением. Опережение зажигания устанавливают с таким расчетом, чтобы к началу рабочего хода почти вся смесь успела сгореть и давление газов на поршень было наибольшим.
Углом опережения зажигания называют угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до ВМТ в момент появления искры между электродами свечи зажигания. Наивыгоднейший угол опережения зажигания зависит от соотношения между частотой вращения коленчатого вала и скоростью сгорания смеси данного состава. С возрастанием частоты вращения коленчатого вала угол опережения зажигания необходимо увеличить, так как повышается скорость движения поршней и остается меньше времени на горение смеси. Продолжительность периода сгорания смеси зависит от скорости распространения фронта пламени во время горения, которая не превышает 35 м/с. На скорость распространения фронта пламени влияют состав смеси и ее турбулентность, форма камеры сгорания, диффузия (проникновение) активных центров в свежую смесь, конвекция (перенос теплоты) в верхнюю часть камеры сгорания и другие факторы. Поэтому чем выше скорость сгорания смеси, тем меньше должен быть угол опережения зажигания.
Для изменения угла опережения зажигания в прерывателях-распределителях применяют центробежные и вакуумные регуляторы опережения зажигания.
Центробежный регулятор. Вместе с валом вращаются токоразносная пластина 2 и центробежный регулятор. Грузики 10 центробежного регулятора установлены на осях 22 опорной пластины, которая связана с кулачком 8 прерывателя. По мере увеличения частоты вращения вала распределителя зажигания под действием центробежных сил грузики расходятся, упираются в пластину 23, преодолевают сопротивление пружин 12 и поворачивают кулачок прерывателя относительно вала, изменяя угол опережения зажигания.
Вакуумный регулятор изменяет угол опережения зажигания в зависимости от нагрузки двигателя, т. е. от степени открытия дроссельной заслонки. Вакуумный регулятор 20 состоит из корпуса и крышки, между которыми зажата мембрана 27, соединенная тягой 28 с подвижным диском 29 прерывателя. Пружина 25 действует на мембрану 27 и через тягу 28 повертывает подвижный диск по направлению вращения кулачка 8, что соответствует позднему зажиганию (рис. 9.3, а). При уменьшении нагрузки на двигатель дроссельную заслонку прикрывают, и разрежение во впускном трубопроводе и в полости корпуса 20 передающееся через трубку подвода разряжения увеличивается. Под действием разности давлений мембрана 27, преодолевая силу сопротивления пружины 25, перемещается в правую (по схеме) сторону. В этом случае тяга поворачивает диск прерывателя в сторону, противоположную направлению вращения кулачка 8, и контакты размыкаются раньше (рис. 9.3, д) — угол опережения зажигания увеличивается. Одновременная и независимая работа центробежного н вакуумного регуляторов обеспечивает установку наивыгоднейшего угла опережения зажигания с учетом как частоты вращения коленчатого вала, так и нагрузки двигателя.
Крышка 1 распределителя зажигания имеет центральный электрод. Боковые электроды связаны со свечами зажигания, а центральный электрод — с катушкой зажигания проводами высокого напряжения, которые имеют распределенные по длине сопротивления для уменьшения радиопомех, создаваемых системой зажигания.
Свеча зажигания (рис. 9.4) предназначена для воспламенения рабочей смеси в камере сгорания двигателя. В стальном корпусе 10, имеющем резьбу для крепления свечи в головке блока, установлен и завальцован керамический изолятор 17. По оси изолятора при его формовке заложен центральный электрод 7.
Высокие температуры искрообразования приводят к частичному рас плавлению и выпариванию материала электродов, поэтому центральные электроды изготавливаются из никелевого сплава с добавками хрома, марганца и кремния. Наряду с никелевыми сплавами используются также сплавы серебра и платины, так как они незначительно обгорают и хорошо отводят тепло.
Центральный электрод соединяется с контактным стержнем через резистор 18. Применение резистора обусловлено необходимостью защиты электронное оборудование двигателя от помех, возникающих при искрообразовании. Резистор представляет собой токопроводящую стекломассу, которой заливается промежуток между электродом и стержнем.
Боковой электрод 14 приварен к нижнему торцу корпуса 10. В зазоре между центральным и боковым электродами происходит искровой разряд, воспламеняющий рабочую смесь в камере сгорания. На работающем двигателе свеча контактирует с продуктами сгорания при температуре до 2500 °С и давлении 5…6 МПа, что может привести к перегреву изолятора и электродов и возникновению так называемого калильного зажигания. Охлаждаются центральный электрод и изолятор свечи в результате передачи теплоты по материалу изолятора, поэтому температура этих элементов определяется теплопроводностью материала изолятора и его размерами; она не должна превышать 850…900 °С.
В то же время температура этих элементов свечи не должна снижаться настолько, чтобы на них происходило отложение нагара (400…500 °С). Для изготовления изоляторов применяют керамические материалы на основе Аl2О3 (синоксаль, боркорунд, уралит). Свеча зажигания должна быть герметичной, так как в случае прорыва газов произойдет перегрев изолятора и, как следствие, возникнет калильное зажигание. Герметизация осуществляется термоцементом, тальком, стеклогерметиком.
Способность свечи работать на двигателе без возникновения калильного зажигания оценивают ее калильным числом. Калильное число — это величина, пропорциональная среднему индикаторному давлению, при котором во время работы свечи на специальной моторной установке возникает калильное зажигание вследствие перегрева изолятора и электродов. В настоящее время для автомобильных двигателей выпускают свечи с калильными числами: 8, 11, 14, 17, 20, 23, 26.
Высоковольтные провода должны подводить энергию от катушки к распределителю и от него к свечам без потерь; обладать высокими изолирующими свойствами, механической прочностью, стойкостью к кислотам, маслам и бензину; не создавать помех работе электронных приборов (радио, телевидение, электронное управление автомобилем и т. п.).
По виду проводящего элемента применяют провода трех видов: медный многожильный, углеволокно, ферромагнитный силикон с проволочным сопротивлением. Провода первых двух видов работают с дополнительными сопротивлениями, подавляющими помехи. Эти сопротивления установлены или в наконечнике свечи, или в самой свече (в маркировке такой свечи есть буква R). Маркировка этих проводов ПВВ, ПВРВ, ППОВ, ПВЗС. Провода «с распределенными параметрами» типа ПВВП, ПВППВ имеют токопроводящую систему из неметаллического материала или слоя ферропласта с намотанной на него токопроводящей проволокой. Они обладают помехоподавляющими свойствами.
Применяются также бесконтактные системы зажигания с датчиком Холла и индукционной катушкой.