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.

требования к системе зажигания двигателя внутреннего сгорания

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:

  • пусковой режим;
  • работа на бедных смесях при частичном открытии дроссельной заслонки;
  • работа на холостом ходу;
  • работа при резких открытиях дросселя.

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:

  • система зажигания должна создавать напряжение, достаточное для пробоя искрового промежутка (зазора) свечи зажигания, обеспечивая при этом бесперебойное искрообразование на всех режимах работы двигателя;
  • искра, образующаяся между электродами свечи зажигания, должна обладать достаточной энергией и продолжительностью действия для воспламенения рабочей смеси при всех возможных режимах работы двигателя;
  • момент зажигания должен быть строго определенным и соответствовать условиям работы двигателя;
  • работа всех элементов системы зажигания должна быть надежной при высоких температурных и механических нагрузках, которые испытывает двигатель;
  • электроды свечи зажигания в процессе работы не должны подвергаться значительной эрозии.

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:

  • иметь простую конструкцию при эффективной работе;
  • обладать малой массой и габаритными размерами;
  • быть надежными и долговечными при минимальных эксплуатационных затратах;
  • обеспечивать бесперебойное воспламенение рабочей смеси на всех режимах работы двигателя;
  • обеспечивать автоматическое изменение угла опережения зажигания в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала;
  • не создавать помех для работы радиоэлектронной аппаратуры и компьютерной техники, применяемой на автомобиле.

***




Классификация систем зажигания

В настоящее время отечественные и зарубежные производители автомобильных двигателей серийно выпускают следующие типы систем зажигания:

  • батарейная с механическим прерывателем (классическая контактная);
  • контактно-транзисторная;
  • контактно-тиристорная;
  • бесконтактно-транзисторная;
  • цифровая с механическим распределителем;
  • цифровая со статическим распределителем;
  • микропроцессорная система управления автомобильным двигателем (МСУАД).

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».

Контактно-транзисторная система зажигания пришла на смену классической контактной системе с появлением достаточно мощных и портативных полупроводниковых приборов. Однако, полностью отказаться от механического способа разрыва электрических цепей в такой системе конструкторы не решились - механический прерыватель периодически отсоединял базу транзистора от питающей цепи аккумуляторной батареи, запирая или отпирая, таким образом, цепь эмиттер-коллектор транзистора, через которую проходил ток в первичную обмотку катушки зажигания.
Преимущество контактно-транзисторной системы зажигания заключалось в том, что через контакты прерывателя проходил ток меньшей величины, чем в прерывателе классической системы, что благотворно сказывалось, в первую очередь, на сроке службы контактов прерывателя, но не решало многих проблем батарейной системы зажигания с механическими элементами.

Следующим этапом развития системы зажигания явилось применение бесконтактных транзисторных систем. Контакты прерывателя, замыкаемые и смыкаемые механическим путем, уступили место магнитоэлектрическому датчику-ротору. Датчик вращался в магнитном поле неподвижного статора специальной конструкции и генерировал импульсы, позволяющие управлять транзистором первичной (низковольтной) цепи системы зажигания.
Бесконтактно-транзисторная система зажигания имеет существенное преимущество перед контактной и контактно-транзисторной системами - в ее работе не использовался такой нежный и ненадежный элемент, как электрические контакты, управляемые механическим путем.

Несколько иной способ получения высокого напряжения для образования искрового разряда на свечах зажигания применяется в тиристорных (конденсаторных) системах зажигания. В отличие от рассмотренных выше систем зажигания, использующих для накопления высоковольтной энергии индуктивность (катушку зажигания), в тиристорных системах накопление энергии осуществляется в емкостном накопителе, т. е. конденсаторе. Для работы такой системы необходимы дополнительные устройства, в частности, преобразователь напряжения и управляющий элемент - тиристор.
система зажигания двигателя Преимущество тиристорных систем зажигания заключается в том, что для накопления электроэнергии в конденсаторе требовалось значительно меньше времени, чем в системах с индуктивными накопителями.
Кроме того, работа тиристорной системы зажигания практически не зависела от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Эти факторы были решающими при выборе типа системы зажигания для автомобилей с высокооборотистыми двигателями, в том числе - для гоночных автомобилей и мотоциклов. Тем не менее, недостатки этой системы, в. т. ч. очень короткая продолжительность искрового разряда, не позволили ей вытеснить классические системы зажигания с индуктивными накопителями энергии.

Прогрессирующее развитие компьютерной техники привело к появлению совершенной новых типов систем зажигания, использующих для своей работы всевозможные датчики, управляющей программой бортового компьютера автомобиля. Сначала появились системы зажигания с цифровым управлением, а затем и микропроцессорные системы управления автомобильным двигателем.

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.

***

Батарейная (контактная) система зажигания