Как указывалось выше, в двигателях с искровым зажиганием воспламенение горючей смеси в конце такта сжатия обеспечивается искрой, возникающей между электродами свечи зажигания при подаче на них высокого напряжения. Подача высокого напряжения на контакты свечи зажигания в нужный момент обеспечивается системой зажигания. Независимо от конструктивного исполнения система зажигания обязательно включает в себя цепь низкого напряжения и цепь высокого напряжения. В цепь низкого напряжения входят источник постоянного тока, система разрыва питания цепи низкого напряжения, обмотка низкого напряжения катушки зажигания, ключ управления (замок зажигания). В цепь высокого напряжения входят обмотка высокого напряжения катушки зажигания, провод высокого напряжения от катушки зажигания до распределителя, система распределения тока высокого напряжения по цилиндрам, провода высокого напряжения от распределителя до свечей зажигания, свечи зажигания.
В цепи низкого напряжения источником постоянного тока может быть аккумуляторная батарея, генератор постоянного тока или генератор переменного тока с выпрямителем.
Система разрыва питания цепи низкого напряжения может быть контактная, контактная с транзисторным усилением или бесконтактная. В последние годы широкое распространение получает микропроцессорная система зажигания.
Систему зажигания с контактной системой разрыва часто называют классической. Она представлена на рис. 2.73. Цепь низкого напряжения включает в себя источник постоянного тока, прерыватель, обмотку низкого напряжения (первичную) катушки зажигания. Цепь высокого напряжения включает в себя обмотку высокого напряжения (вторичную) катушки зажигания, центральный провод высокого напряжения, распределитель с бегунком (ротором), провода высокого напряжения от распределителя к свечам зажигания.
Рис. 2.73. Система зажигания с контактной системой разрыва: G — источник энергии (генератор или аккумуляторная батарея); С1 — конденсатор; 1 — прерыватель; 2 — катушка зажигания; 3 — распределитель зажигания; 4 — искровые свечи
Источники постоянного тока — это генератор и аккумуляторная батарея. Их конструкции будут рассмотрены в разделе «Электрооборудование».
Прерыватель служит для синхронного с вращением коленчатого вала периодического разрыва цепи низкого напряжения. Обычно прерыватель конструктивно объединяется с другим прибором системы зажигания — распределителем тока высокого напряжения. Такой единый узел называется прерывателем-распределителем или датчиком-распределителем (рис. 2.74).
Рис. 2.74. Конструкция прерывателя: 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 ротора; 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 октанкорректора; 29 — шайба; 30 — пружинное кольцо; 31 — штифт; 32 — муфта привода
Распределители зажигания управляют моментом искрообразования и распределением искры по цилиндрам. В зависимости от того, выполнен ли механизм искрообразования контактным или бесконтактным, распределители делятся на прерыватели-распределители и датчики-распределители.
Прерыватели-распределители имеют устоявшуюся конструкцию и отличаются, в основном, элементами подсоединения к двигателю и числом выводов, зависящим от числа цилиндров двигателя. Они объединяют в один узел контактный прерыватель тока в первичной цепи катушки зажигания, центробежный и вакуумный регуляторы угла опережения зажигания и высоковольтный распределитель.
Кулачок прерывательного механизма имеет число выступов по числу цилиндров двигателя.
Высоковольтный распределитель содержит пластмассовый ротор с центральным электродом и боковые электроды, установленные в пластмассовой крышке. Ротор закреплен на валу, связанном с подвижной пластиной регулятора опережения зажигания. Импульсы высокого напряжения поступают на центральный электрод от катушки зажигания через подпружиненный угольный электрод и помехоподавительный резистор (1—6 кОм), закрепленный в углублении ротора.
При вращении ротора импульсы высокого напряжения передаются от центрального электрода через зазор к боковым электродам, а от них через высоковольтные провода к свечам. Провода к боковым электродам подсоединяются в соответствии с порядком работы цилиндров.
На корпусе распределителя закреплен конденсатор, включенный параллельно контактам прерывателя для уменьшения их искрения.
У прерывателей-распределителей контактно-транзисторных систем зажигания этот конденсатор отсутствует.
В процессе работы контактных систем происходит постепенное изменение формы контактов под действием электрической искры. При этом на поверхности одного контакта образуется выступ, а на другом — лунка. В результате работа прерывателя и, соответственно, всего двигателя нарушается. Это вынуждает постоянно проверять состояние и регулировать зазор между контактами. Несмотря на использование в качестве материала контактов тугоплавкого вольфрама надежность и ресурс контактной группы невелики, что привело к разработке и широкому применению на современных двигателях бесконтактных систем зажигания.
Датчики-распределители отличаются в основном тем, что у них контактный прерыватель замещен бесконтактным датчиком. В бесконтактном датчике магнитоэлектрического типа число пар полюсов соответствует числу цилиндров двигателя, в датчике Холла этому числу соответствует число прорезей вращающегося магнитного экрана. Центробежный регулятор угла опережения зажигания в магнитоэлектрическом датчике поворачивает втулку с расположенным на ней ротором датчика, в датчике Холла поворачивается муфта с закрепленным на ней магнитным экраном (шторкой). Вакуумные автоматы поворачивают пластину крепления микропереключателя. Октан-корректор имеет шкалу со знаками « + » и « — » для увеличения и уменьшения угла опережения и риски, соответствующие изменению угла опережения зажигания.
Крышка датчиков-распределителей бесконтактных систем зажигания обычно увеличена в диаметре по сравнению с распределителями контактной системы, что предотвращает вероятность высоковольтного пробоя между выводами проводов.
Центробежный регулятор представляет собой грузы, шарнирно закрепленные на осях пластины, жестко связанной с валиком. Грузы связаны между собой пружинами. На грузах закреплены штифты, входящие в прорези кулисы. При увеличении частоты вращения валика грузы под действием центробежных сил преодолевают усилия пружин, расходятся, поворачивая при этом валик в сторону увеличения угла опережения зажигания.
Вакуумный корректор представляет собой вакуумную камеру, корпус которой жестко крепится к корпусу прерывателя. Внутри корпуса находится диафрагма, соединенная тягой со статором. Полость диафрагмы со стороны тяги связана с атмосферой, противоположная полость — с впускным коллектором, обеспечивающим разрежение в этой полости. На диафрагму со стороны полости разрежения действует пружина, стремящаяся повернуть статор в сторону уменьшения опережения зажигания. При уменьшении загрузки двигателя дроссельная заслонка прикрывается, разрежение увеличивается и вакуумный корректор поворачивает статор в сторону увеличения угла опережения зажигания.
Катушка зажигания представляет собой трансформатор, в котором изменение магнитного поля для получения высокого напряжения во вторичной обмотке получается за счет разрыва тока в первичной обмотке. Конструкция катушки зажигания представлена на рис. 2.75. Сердечник 12 набран из пластин трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. На сердечник поверх изолирующей прокладки намотана первичная обмотка 8, состоящая из 18…25 тыс. витков медной проволоки толщиной 0,52…0,86 мм. Провод первичной покрыт токоизолирующим лаком. Поверх первичной обмотки намотана вторичная обмотка 7, состоящая из 300 витков медной проволоки толщиной 0,07…0,09 мм. Один конец первичной обмотки выведен к клемме, к которой через замок зажигания подводится напряжение от аккумуляторной батареи. Второй конец подсоединен к клемме, от которой идет провод к прерывателю. При высокой частоте вращения коленчатого вала время замкнутого состояния контактов небольшое, поэтому ток, достаточный для создания необходимого магнитного поля, не вызывает чрезмерного нагрева первичной обмотки. При малой частоте вращения время замкнутого состояния контактов относительно велико, что может вызвать перегрев первичной обмотки и сократить срок ее службы. Для устранения этого недостатка в отдельных конструкциях применяют дополнительный резистор (вариатор), последовательно соединенный с первичной обмоткой до клеммы катушки зажигания. При большой частоте вращения коленчатого вала и малом времени замкнутого состояния контактов прерывателя вариатор не успевает нагреться и его сопротивление остается номинальным. При малой частоте вращения вала время замкнутого состояния контактов увеличивается, вариатор нагревается и его сопротивление увеличивается, что уменьшает ток в первичной обмотке, увеличивая срок ее службы. Входной конец первичной обмотки катушки зажигания в этом случае связан с клеммой, общей с выходным концом вариатора. Входной конец вариатора связан с клеммой, на которую подается ток от аккумуляторной батареи. При пуске холодного двигателя (стартерный пуск) наличие дополнительного сопротивления уменьшает возможность создания надежной искры высокого напряжения, поэтому при наличии вариатора обычно предусматривают возможность закорачивания его при стартерном пуске двигателя. Это достигается тем, что при замыкании токоподводящих контактов стартера пусковым реле ток одновременно напрямую подается на выходную клемму вариатора.
Рис. 2.75. Конструкция катушки зажигания: 1 —крышка; 2 — контактное гнездо; 3 — винт; 4 — вывод низкого напряжения; 5 — уппотнительная прокладка; 6 — кольцевой магнитопровод; 7 — вторичная обмотка; 8 — первичная обмотка; 9—фарфоровый изолятор; 10 — кожух катушки; 11 — трансформаторное масло; 12 — сердечник; 13 — картонная прокладка; 14 — контактная пружина
Свеча зажигания. Предназначена для воспламенения горючей смеси в конце такта сжатия путем образования электрической дуги в воздушном пространстве между электродами. Из-за кратковременности действия дуги ее называют искрой.
К свече зажигания предъявляются следующие требования:
• высокие токоизоляционные свойства, обусловленные высоким напряжением между электродами;
• стойкость к электрической эрозии;
• герметичность крепления свечи в головке блока цилиндров;
• стойкость к высокой (до 2000…2500 °С) температуре газов;
• способность к быстрому охлаждению.
Свеча (рис. 2.76) состоит из металлического корпуса, внутри которого завальцован керамический изолятор. Внутри изолятора проходит центральный токопроводящий стержень, на один резьбовой конец которого наворачивается втулка для клеммы провода высокого напряжения, другой конец стержня является центральным электродом. На отдельных свечах высокое напряжение к центральному электроду подводится через помехоподавляющий резистор. Второй электрод, имеющий Г-образную форму, приварен к нижней части корпуса свечи. Электрод может быть изготовлен из меди с высокотемпературным покрытием из серебpa, золота или платины. На нижней части корпуса нарезана резьба для крепления свечи в головке блока. Между фланцем нижней части корпуса и головкой блока предусмотрено уплотнительное кольцо из мягкого материала. Для удобства монтажа и демонтажа свечи кольцо завальцовано между фланцем и резьбовой частью. Фланец корпуса имеет форму шестигранника под головку ключа. Свечи различают по температурным характеристикам, определяющим возможность их работы без калильного зажигания. Калильным зажиганием называется такой режим работы свечи, при котором из-за высокой температуры электродов горючая смесь воспламеняется без электрической искры. Способность свечи работать без калильного зажигания оценивается калильным числом. Калильное число — условный показатель из ряда целых чисел ( 8 — 11 — 14 — 17 — 20 — 23 — 26 ) . Чем больше калильное число, тем выше способность свечи работать без калильного зажигания. На отечественных особо малых и малых автобусах с двигателями ЗМЗ-406 применяют свечи с калильным числом 14. На автобусах с двигателями 3M3-53, ЗИЛ-508 или ЗИЛ-375 применяют свечи с калильным числом 11. Свечи с калильным числом 20 и выше называют холодными, они предназначаются для двигателей с высоким температурным режимом. Свечи с калильным числом ниже 20 называют горячими, и они предназначены для двигателей с умеренным температурным режимом.
Рис. 2.76. Конструкция свечи зажигания: 1 — контактная гайка; 2 — оребрение изолятора (барьеры для тока утечки); 3 —контактный стержень; 4 — керамический изолятор; 5 — металлический корпус; б — пробка стеклогерметика; 7 — уплотнительное кольцо; 8 — теплоотводящая шайба; 9 — центральный электрод; 10 — тепловой конус изолятора; 11 — рабочая камера; 12 — боковой электрод «массы»; h — искровой зазор
Характеристика свечи указывается в ее маркировке. Первая буква маркировки обозначает резьбу нижней части свечи. Буква А — резьба М14 (метрическая) с шагом 1,25 мм, М — резьба М18 с шагом 1,5 мм. Следующие две цифры обозначают калильное число. Затем следует длина резьбовой части: Н — 11 мм, Д — 19 мм. Следующая буква маркировки означает, выступает ли конус изолятора за торец резьбовой части корпуса — В — конус выступает, отсутствие буквы — конус не выступает. Затем обозначение герметизации между центральным токопроводящим стержнем и изолятором: Т — термоцемент, иные герметики в маркировке не обозначаются. Последняя буква в маркировке р говорит о наличии в свече помехоподавляющего резистора. Например, свечи двигателя 3M3-4063 имеют маркировку А14ДВР. Такая свеча имеет метрическую резьбу М14 с шагом 1,25 (А), длину резьбовой части 19 мм (Д), конус изолятора выступает за торец резьбовой части корпуса (В), свеча снабжена помехоподавляющим резистором (Р).
Контактно-транзисторная система зажигания. Надежная работа системы зажигания в основном определяется величиной высокого напряжения во вторичной цепи катушки зажигания. Это напряжение определяется величиной напряжения в первичной цепи. При классической (контактной) схеме разрыва первичной цепи обеспечить надежное высокое напряжение в первичной цепи не представляется возможным в любых условиях работы. Одной из причин этого является повышенная возможность обгорания контактов прерывателя при большом токе в первичной цепи. Для исключения этого необходимо уменьшить ток в контактах прерывателя, сохранив большой ток в первичной цепи катушки. Достигнуть этого можно, применив контактнотранзисторную систему зажигания (рис. 2.77). В первичной цепи установлен транзистор, база которого управляется прерывателем, эмиттер подает ток в первичную обмотку катушки зажигания, а на коллектор ток подается от источника питания. В этом случае через контакты прерывателя проходит относительно небольшой ток управления базой транзистора (0,3…0,8 А), а в первичную обмотку катушки зажигания с эмиттера поступает большой ток (10 А). Контактнотранзисторная система зажигания применяется в двигателях ЗИЛ-508, ЗИЛ-375, 3M3-53. Контактно-транзисторная система значительно повышает работоспособность системы зажигания, но в то же время в ней оста-ется размыкаемый контакт, который и при малых токах может вызвать определенные проблемы. Решение этих проблем возможно при применении бесконтактной системы разрыва первичной цепи.
Рис. 2.77 Контактно-транзисторная система зажигания: 1 — катушка зажигания; 2 — распределитель; 3 — свечи
Бесконтактная система разрыва первичной цепи. При этой системе периодическое появление тока в первичной цепи обеспечивается либо магнитоэлектрическим датчиком, либо датчиком Холла. В любом случае сигнал магнитоэлектрического тока или датчика Холла усиливается транзистором, с эмиттера которого ток подается в первичную обмотку катушки зажигания. Схема бесконтактной системы разрыва первичной цепи с применением магнитоэлектрического датчика показана на рис 2.78. Вращающийся от коленчатого вала двигателя постоянный магнит имеет форму зубчатого диска, в котором количество зубьев соответствует числу цилиндров. Зубья диска при вращении проходят мимо индуктивной катушки (катушки с сердечником). При прохождении зуба магнита мимо катушки в последней индуцируется слабый ток, подающийся на базу транзистора. Датчик Холла (рис.2.79) представляет собой полупроводниковую пленку, по одной стороне которой проходит ток. При прохождении магнитного поля поперек пленки на ее краях возникает ЭДС, которая через усилитель подается на базу транзистора. Магнитное поле создается постоянным магнитом, от которого датчик Холла экранируется вращающимся диском с прорезями. Эффект Холла возникает при прохождении прорезей диска мимо датчика.
Рис. 2.78. Схема бесконтактной системы разрыва первичной цепи с применением магнитоэлектрического датчика: 1 — катушка зажигания; 2 — распределитель; 3 — искровые свечи
Рис. 2.79. Схема датчика Холла: 1 — постоянный магнит; 2 — магнитомягкий экран с прорезями (ротор); 3 — микросхема; ЭХ — элемент Холла (чувствительный элемент датчика); У — усилитель; St — пороговый элемент (релейный усилитель); VT — выходной транзистор; СТ — стабилизатор напряжения; 4 — нагрузка (коммутатор бесконтактной системы зажигания)
Микропроцессорная система зажигания. В современных двигателях с искровым воспламенением смеси применяют, как указывалось выше, систему непосредственного впрыска топлива, управляемую бортовым микропроцессором. Бортовой микропроцессор для качественного управления процессом впрыска получает сигналы от датчика частоты вращения коленчатого вала, датчиков угла положения коленчатого и распределительного валов, датчика расхода воздуха, датчика положения дроссельной заслонки, датчика температуры охлаждающей жидкости и датчика детонации. Все эти сигналы обрабатываются электронным блоком управления (микропроцессором) для определения оптимального момента впрыска топлива и его количества. Очевидно, что перечисленные параметры могут использоваться и для определения оптимального момента подачи высокого напряжения на электроды свечи в каждом из цилиндров. В этом случае применяют микропроцессорную систему зажигания. Такая система применена на двигателях ЗМЗ-4062.10 для малых и особо малых автобусов. Структурная схема микропроцессорной системы зажигания представлена на рис.2.80. Как видно из схемы, для четырехцилиндрового двигателя применены две катушки зажигания 8, каждая их которых подает высокое напряжение на две из четырех све-чей 12 двигателя. Катушки зажигания получают сигнал от микропроцессорного блока управления 2, который вырабатывает управляющие сигналы по информации, получаемой от датчиков 11 частоты вращения коленчатого вала, теплового состояния двигателя 10 и датчика начала отсчета 9. Поскольку высокое напряжение вырабатывается катушками зажигания одновременно для двух свечей, то искра появляется одновременно в двух цилиндрах — в одном в конце такта сжатия, воспламеняя сжатую горючую смесь, а в другом — в конце такта выпуска, эта свеча в данный момент работает вхолостую.
Рис. 2.80 Структурная схема микропроцессорной системы зажигания: 1 — аккумулятор; 2 — контроллер (блок управления); 3 — генератор; 4 — выключатель зажигания; 5 — блок ЭПХХ; 6, 7 — концевой выключатель и электромагнитный клапан карбюратора; 8 — катушка зажигания; 9 — датчик начала отсчета; 10,11 — датчики теплового состояния двигателя и частоты вращения коленчатого вала; 12 — свечи зажигания