2.11.1. Назначение системы, батарейная система зажигания
Система зажигания двигателя предназначена для создания импульсов высокого напряжения, вызывающих вспышку рабочей смеси в камере сгорания двигателя, синхронизации этих импульсов с фазой двигателя и распределения импульсов зажигания по цилиндрам двигателя. Для зажигания рабочей смеси применяются две системы: система батарейного зажигания и зажигание от магнето.
На автомобильных бензиновых двигателях широко применяют батарейные системы зажигания, которые позволяют увеличить напряжение аккумуляторной батареи или генератора до величины, необходимой для возникновения электрического разряда, и в требуемый момент подать это напряжение на соответствующую свечу зажигания. Момент зажигания характеризуется углом опережения зажигания, который представляет собой угол поворота коленчатого вала, отсчитываемый от положения вала в момент подачи искры до ВМТ.
В систему зажигания необходимая энергия поступает не непосредственно из аккумуляторной батареи, а из промежуточного накопителя энергии. От мощности искры и момента зажигания рабочей смеси в значительной степени зависят экономичность и устойчивость работы двигателя, а также токсичность отработавших газов.
Воспламенение рабочей смеси в камере сгорания автомобильного бензинового двигателя осуществляется посредством электрического разряда между электродами свечи, ввернутой в головку цилиндра двигателя.
Бесперебойное искрообразование между электродами свечи происходит при высоком (15…24 кВ) напряжении. На прогретом двигателе к моменту искрообразования рабочая смесь сжата и имеет температуру, близкую к температуре самовоспламенения. В этом случае достаточно незначительной энергии электрического разряда порядка 5 МДж. Однако для некоторых режимов работы двигателя требуется значительная энергия искры, порядка 30… 100 МДж, это режимы пуска двигателя, работа на бедной смеси при частично открытой дроссельной заслонке, работа на холостом ходу, работа при резком открывании дроссельной заслонки.
Классификация батарейных систем зажигания, использующих катушку (или несколько катушек) зажигания в качестве источника импульсов высокого напряжения, выполняется по ряду признаков, например:
по способу управления (синхронизации) системой зажигания — с контактным и бесконтактным управлением;
способу регулирования угла опережения зажигания — с механическим (вакуумным, центробежным) или электронным регулированием;
способу накопления энергии — системы с накоплением энергии в индуктивности (катушка зажигания) и емкости (в конденсаторе);
способу распределения импульсов высокого напряжения по цилиндрам двигателя — с механическим и статическим распределением.При статическом распределении эту функцию выполняют многовыводные (на двух, четырех, шести выводах) катушки зажигания, управляемые контроллером;
типу защиты от радиопомех — экранированные системы и с помехоподавляющими резисторами.
В зависимости от конструкции различают следующие основные системы батарейного зажигания: контактная; контактно-транзисторная; бесконтактно-транзисторная; микропроцессорная.
Принципиальная схема контактной системы батарейного зажигания (КСЗ) представлена на рис. 2.69. Для преобразования электрического тока низкого (12 В) напряжения в ток высокого (15… 24 кВ) напряжения служит индукционная катушка зажигания 4, представляющая собой трансформатор с размещенными на сердечнике первичной и вторичной обмотками. Для размыкания цепи тока низкого напряжения предназначен механический прерыватель 8. Параллельно контактам прерывателя подключен конденсатор 7 постоянной емкости 0,2…0,3 мкФ.
Рис. 2.69. Принципиальная схема контактной системы батарейного зажигания: 1 — аккумуляторная батарея; 2 — выключатель зажигания; 3 — вариатор; 4 — индукционная катушка зажигания; 5 — распределитель; 6 — свечи зажигания; 7 — конденсатор; 8 — прерыватель; → — направление вращения ротора
Ток высокого напряжения от индукционной катушки зажигания 4 по проводам высокого напряжения поступает к распределителю 5, а от него — к свечам 6 зажигания. Прерыватель 8 и распределитель 5 конструктивно выполнены в одном устройстве, называемом прерывателем-распределителем. Число выступов кулачка прерывателя (число размыканий цепи тока низкого напряжения за один оборот кулачка) равно числу цилиндров двигателя. Привод кулачка прерывателя и ротора распределителя осуществляется одним валом от распределительного вала двигателя, причем у четырехтактных двигателей частота вращения этих валов одинакова.
При включении выключателя 2 зажигания от аккумуляторной батареи 1 при замкнутых контактах прерывателя 8 через первичную обмотку индукционной катушки зажиганий проходит электрический ток, создающий магнитное поле, магнитные линии которого пересекают витки обеих обмоток и замыкаются через сердечник. При размыкании контактов прерывателя 8 ток в первичной цепи и созданное им магнитное поле исчезают, что вызывает появление электрического тока в витках первичной и вторичной обмоток, величина которого пропорциональна скорости изменения магнитного поля. Так как число витков вторичной обмотки значительно больше, чем первичной, напряжение во вторичной обмотке достигает 15…24 кВ.
При размыкании первичной цепи (цепи тока низкого напряжения) в первичной обмотке индукционной катушки зажигания индуктируется ток напряжением 200…300 В, направление его совпадает с направлением основного тока, что приводит к замедлению скорости исчезновения магнитного поля, а следовательно, к снижению индуктированного во вторичной обмотке напряжения. При последующем замыкании первичной цепи ток самоиндукции имеет направление, противоположное основному току, т.е. препятствует быстрому нарастанию силы тока в первичной цепи. С целью устранения отрицательного влияния тока самоиндукции на величину вторичного напряжения и на работоспособность контактов прерывателя 8 параллельно им подключается конденсатор 7. Заряжаясь при размыкании контактов, конденсатор уменьшает искрообразование между ними, способствует увеличению скорости изменения силы тока в первичной цепи, что приводит к росту вторичного напряжения. Кроме того, разряжаясь в момент последующего замыкания контактов, конденсатор увеличивает скорость нарастания силы тока в первичной обмотке катушки зажигания.
Когда вторичное напряжение превышает пробивное, между электродами свечи зажигания происходит искровой разряд, во вторичной цепи возникает ток, а напряжение во вторичной цепи резко уменьшается.
С увеличением частоты вращения коленчатого вала продолжительность замкнутого состояния контактов прерывателя 8 сокращается, что приводит к уменьшению силы тока размыкания и вторичного напряжения. Для некоторого повышения напряжения во вторичной обмотке при сокращении продолжительности замкнутого состояния контактов прерывателя служит добавочное сопротивление, или вариатор 3, включенный последовательно в цепь низкого напряжения катушки зажигания. Вариатор изготовлен из сплава, сопротивление которого нелинейно зависит от температуры. При малой частоте вращения коленчатого вала, когда сила тока в первичной обмотке достаточно большая, вариатор нагревается и его сопротивление возрастает. Это способствует уменьшению силы тока в первичной обмотке и предохранению индукционной катушки зажигания от перегрева. По мере увеличения частоты вращения вала сила тока в первичной обмотке уменьшается, вариатор остывает, его сопротивление снижается, а сила тока в первичной обмотке возрастает.
Главные недостатки батарейной системы зажигания — большая сила тока, проходящего через прерыватель и вызывающего электроэрозионное изнашивание контактов, а также искрящие высоковольтные контакты в распределителе. Эти недостатки в первую очередь уменьшают срок службы и снижают надежность всей системы зажигания. Для улучшения работы системы зажигания в нее включают транзисторные коммутаторы.
В контактно-транзисторной системе зажигания (КТСЗ) цепь электрического тока низкого напряжения разделена на силовую цепь и цепь управления. При этом значительно снижается сила тока, проходящего через контакты прерывателя, что увеличивает срок их службы. За счет большей величины и скорости изменения силы тока в силовой цепи, а также изменения обмоточных данных индукционной катушки зажигания существенно возрастает вторичное напряжение. Это обеспечивает стабильную работу системы зажигания при больших частотах вращения коленчатого вала и при работе двигателя на обедненных смесях.
Коллектор транзистора 1 (рис. 2.70) соединен с «массой», база Б — с подвижным контактом прерывателя, а эмиттер Э — с первичной обмоткой 6 индукционной катушки зажигания. Первичная обмотка через резисторы R1 иR2 соединена с аккумуляторной батареей 10. При пуске двигателя стартером выключатель 11 стартера шунтирует резистор R2. Транзистор выполняет роль прерывателя цепи тока низкого напряжения. При замыкании контактов прерывателя по цепи управления транзистором (база —эмиттер) проходит ток управления, под действием которого силовая цепь транзистора (коллектор —эмиттер) открывается и через первичную обмотку 6 индукционной катушки зажигания проходит ток силой, превышающей первичный ток обычной системы зажигания примерно в 2 раза. При размыкании контактов прерывателя ток в цепи управления транзистором исчезает, разность потенциалов базы и эмиттера транзистора становится равной нулю, сопротивление перехода эмиттер —коллектор резко повышается и транзистор запирает силовую цепь. При исчезновении тока в первичной цепи в витках вторичной обмотки 7 индукционной катушки зажигания индуктируется высокое напряжение, подводимое распределителем добычного типа к свечам 15 зажигания.
Рис. 2.70. Схема контактно-транзисторной системы зажигания:
1 — транзистор; 2 — коммутатор; 3, 13 — конденсаторы; 4 — германиевый диод; 5 — стабилитрон; 6, 7— первичная и вторичная обмотки индукционной катушки зажигания; 8 — распределитель; 9 — блок дополнительных резисторов R1 и Я2; 10 — аккумуляторная батарея; И — выключатель стартера; 12— прерыватель; 14 — трансформатор; 15 — свечи зажигания; Б — база; К — коллектор; Э — эмиттер; R1, R2 — резисторы цепи низкого напряжения; RЗ, R4 — сопротивления коммутатора; → — направление вращения ротора
Трансформатор 14 и сопротивление RЗ выполняют функции конденсатора в обычной системе зажигания, т.е. ускоряют процесс размыкания силовой цепи и способствуют увеличению скорости изменения магнитного потока. Стабилитрон 5 и германиевый диод 4 защищают транзистор от перенапряжения, которое может возникнуть на первичной обмотке при отключении нагрузки во вторичной цепи индукционной катушки зажигания: отсоединение провода высокого напряжения, неисправность свечи зажигания и т.д.
Защита транзистора от перегрузки по току во время пуска двигателя обеспечивается резистором R1, ограничивающим силу тока в первичной обмотке при шунтировании резистора R2. Конденсатор 13 защищает транзистор от перенапряжений, возникающих в цепи питания при отключении аккумуляторной батареи, коротком замыкании в обмотках генератора и др. Конденсатор 3 и сопротивление 114 уменьшают потери мощности при переключении
транзистора (снижают нагрев).
Бесконтактно-транзисторная система зажигания (БТСЗ) является наиболее совершенной. В этой системе транзисторный коммутатор 3 (рис. 2.71), прерывающий цепь первичной обмотки катушки зажигания, срабатывает под воздействием электрического импульса, создаваемого бесконтактным датчиком. Наибольшее распространение получили бесконтактные магнитоэлектрические датчики — индукционные (датчики Холла). В БТСЗ вместо прерывателя- распределителя применяется датчик-распределитель 2.
Рис. 2.71. Бесконтактно-транзисторная система зажигания:
1 — свечи зажигания; 2 — датчик-распределитель; 3 — коммутатор; 4 — генератор; 5 — аккумуляторная батарея; 6 — монтажный блок; 7— реле зажигания; 8 — замок зажигания; 9 — катушка зажигания; 10 — индукционный датчик (датчик Холла)
Устройство коммутатора для таких бесконтактных систем достаточно сложное (в нем есть микросхема, силовой транзистор, а также несколько резисторов, стабилитроны и конденсаторы). Энергия искры в 3 — 4 раза больше, чем в КСЗ.
Основные достоинства БТСЗ относительно контактных систем следующие: контакты распределителя не обгорают и не загрязняются; создается повышенная энергия разряда в свече (это особенно важно при разгоне машины, когда условия для воспламенения смеси неблагоприятны, БТСЗ примерно на 20 % снижает содержание СО в отработавших газах и на 5 % уменьшает расход топлива); обеспечивается уверенный пуск холодного двигателя при низких температурах при падении напряжения до 6 В.