Смесь воздуха с топливом в бензиновом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) должна воспламениться в строго определённый момент, зависящий от режима работы мотора. Для этого горение инициализируется искрой между электродами свечи зажигания. Мощность тут ограничена, зато разряд, имеющий плазменную структуру, обладает чрезвычайно высокой температурой. Длительность искры также имеет значение. Это важно для бесперебойности поджигания, а также полноты сгорания, что определяет мощность двигателя и минимизирует расход топлива.
Как работает и из чего структурно состоит система искрового зажигания
Необходимая энергия забирается из бортовой электросети автомобиля, после чего накапливается и выделяется в виде короткого импульса. Это обеспечивает высокую мощность, то есть работу, совершаемую в единицу времени. Данная задача определяет схематический состав системы:
Читайте также: Датчики двигателей ЯМЗ-5340, ЯМЗ-536
- источник питания постоянного тока, во время пуска двигателя это аккумуляторная батарея, а в дальнейшем генератор, приводимый от коленчатого вала;
- устройства коммутации питания, проводка, выключатель, дополнительные реле, а предохранители обычно не применяются для обеспечения надёжности;
- энергетический аккумулятор, в роли которого обычно выступает магнитное поле катушки зажигания (высоковольтного трансформатора);
- силовой ключ, разрывающий ток в первичной обмотке катушки в нужный момент;
- элементы управления ключом, в роли которых могут выступать различные по организации устройства;
- узлы и детали связи высоковольтной обмотки трансформатора со свечами;
- свечи зажигания, непосредственно создающие искровой разряд внутри камеры сгорания.
Конкретная реализация системы зависит от степени совершенства конструкции, то есть даты разработки двигателя. Прогресс шёл по направлению внедрения в автомобильную технику наиболее современных, но уже проверенных и надёжных электронных компонентов.
Разные принципы организации от устаревших к современным
Как и во многих других системах автомобиля, механика и простейшая электротехника здесь постепенно заменялась твердотельной электроникой и вычислительными цифровыми устройствами. Можно выделить несколько ступеней развития систем зажигания, между которыми имеется качественное различие. На каждой из них происходили количественные изменения, возрастали мощность, точность и надёжность.
Простая система батарейного зажигания
Долгое время система состояла из катушки зажигания, прерывателя-распределителя (трамблёра) и высоковольтных проводов со свечами. Несмотря на простоту, эта техника работала надёжно, хотя и требовала регулярного обслуживания.
Первичная обмотка катушки подключалась к бортовой сети через контакты прерывателя. Механически связанный с коленвалом кулачковый валик в точно заданные моменты замыкал и размыкал подвижный контакт, в результате чего катушка то накапливала энергию за счёт роста протекающего через первичную обмотку тока, то резко выбрасывала её на высоковольтный контакт вторичной в виде импульса напряжения порядка десяти киловольт и выше. Соединялся этот контакт с распределителем зажигания, бегунок которого указывал на нужный цилиндр.
Дополнительно параллельно контактам устанавливался конденсатор, предотвращающий обгорание и служащий для пропускания импульса тока разряда на корпус, а также регуляторы опережения зажигания. Обычно их было два, вакуумный и центробежный. Первый следил за разрежением во впускном коллекторе, то есть степенью открытия дросселя водителем, а второй – за оборотами двигателя. Оба были настроены таким образом, чтобы максимально приблизить момент подачи искры к оптимальному для данного режима. Но в силу своей простоты, делали это они достаточно грубо, моторы не отдавали теоретически возможной мощности, иногда возникала детонация, расходовалось лишнее топливо.
Из других недостатков можно было отметить:
- плохую работу инертных механических контактов на больших частотах вращения;
- обгорание и износ контактных поверхностей, несмотря на специальные материалы;
- необходимость частой регулировки начального момента зажигания;
- низкую надёжность высоковольтной части распределителя, пробои бегунка, проводов и наконечников;
- сложности с обеспечением высокой мощности искры из-за ограничений по способностям контактов.
Узкие места классической системы требовали коренных преобразований.
Токовая разгрузка контактов силовым транзистором
Облегчить жизнь прерывателю стало возможно с появлением первых мощных и достаточно высоковольтных транзисторов фактически твердотельных и быстродействующих реле. Контакты превратились из силового элемента лишь в управляющий, ими подавался слаботочный сигнал на открытие или закрытие полупроводникового прибора. Некоторое время такие системы производились, но в нашей стране только в виде радиолюбительских конструкций. Иногда транзисторный ключ подменялся на тиристорный преобразователь, позволяющий увеличить напряжение на первичной обмотке. Но контакты, даже работая на малых токах (при такой схеме их можно было смазывать и герметизировать), всё равно ограничивали рост характеристик.
Полный уход от контактов
Логичным следствием стала замена контактов на твердотельный датчик. Подобные устройства лишены инерционности, не изнашиваются и позволяют очень точно задавать момент срабатывания. Поначалу датчики использовали несколько принципов работы, магнитный индукционный, оптический или основанный на эффекте Холла. Постепенно последний стал применяться почти на всех автомобилях.
Датчик Холла способен реагировать на магнитный поток изменением своего выходного электрического сигнала. Достаточно поместить в прорезь между магнитом и кристаллом Холла ферромагнитную шторку с прорезями и на выходе получается чётко синхронизированное с вращением вала импульсное напряжение. Дальше сигнал поступал на усилитель, часто называемый коммутатором, оканчивающийся всё тем же транзисторным силовым ключом.
Бесконтактное транзисторное зажигание устранило практически все недостатки старых конструкций. Исчезли проблемы с мощностью искры, быстродействием, надёжностью и обслуживанием. Всё определялось лишь качеством используемых электронных приборов. Но дальнейшее повышение требований к двигателям требовало более точного регулирования момента зажигания и устранения некоторых новых недостатков, связанных с экономичностью и экологией.
Управление зажиганием датчиками и микропроцессором
Для каждого двигателя существует своя многомерная модель оптимизации момента искрообразования, подбираемая в ходе теоретических и экспериментальных исследований на стендах. Без компьютерной техники реализовать её уже стало невозможно.
Структура самой современной системы зажигания стала выглядеть как классический управляющий компьютер:
- многочисленные датчики, снимающие в реальном времени мгновенное состояние двигателя, его режимы работы, температуру и подачу топливной смеси;
- блок обработки информации, принимающий сигналы датчиков и рассчитывающий по картам памяти и формулам момент подачи искры в каждый цилиндр индивидуально;
- раздельные катушки зажигания, непосредственно связанные со свечами без высоковольтных проводов;
- свечи с применением электродов из благородных металлов, допускающие большой срок службы при больших зазорах, высоком давлении и очень мощной искре.
Иногда ещё применялись распределители, но от них очень быстро отказались. Индивидуальные катушки обеспечивали нужную мощность, крутые фронты нарастания напряжения и большую длительность разряда, что позволяло работать на бедных, плохо поджигающихся смесях. При этом они обладают низким уровнем радиопомех, что очень важно с ростом применяемости электроники в автомобилях.
Поскольку подача смеси, её состав и быстрое реагирование на смену режима тесно связаны с опережением зажигания, то система была интегрирована в общий блок управления двигателем. Например, реакция на появление детонации сейчас производится комплексно, регулированием как количества топлива, так и момента подачи искры. Быстродействующий процессор и непрерывно совершенствуемая программа его работы полностью берут под контроль весь мотор, а часто и другие системы автомобиля.
Путь развития систем зажигания от первого микропроцессора до интегрированной электронной системы управления двигателем (ЭСУД) был пройден очень быстро. Теоретическая необходимость такого решения была понятно сразу, а прогресс в схемотехнике не заставил себя ждать. Даже мощный и массивный силовой транзистор, не всегда надёжный, стал малогабаритным драйвером на общей плате ЭСУД.
В развитии систем зажигания существовали и различные тупиковые ветки. Плазменные системы, разряд на днище поршня, форкамерное зажигание и некоторые ещё более экзотические проекты. Все они были вытеснены современным типовым решением, хотя не исключено, что если ДВС не будут окончательно забыты с появлением электромобилей, то и в искровом зажигании родится нечто новое и пока неизвестное.
