Наш Карачев - Информационный портал города и области
Детали, которые поджигают топливовоздушную смесь в цилиндрах, часто являются предметом различных рекламных заявлений. Было бы несправедливо сказать, что все эти заявления являются фальшивыми. Но будет очень далеко от истины, если сказать, что некоторые производители преувеличивают свои обещания относительно мощности двигателя и экономии топлива, уверенные в том, что большинство потребителей не будет тщательно проверять их заверения и гарантии. Нет сомнений в том, что качественная система зажигания поможет оптимизировать работу и экономичность двигателя, но существуют практические пределы тех улучшений, которые может дать обычная или «экзотическая» система зажигания.
Бесконтактные переключающие элементы заменили механические контакты прерывателя. Однако, метод индуктивного накопления энергии для образования искры не изменился со времен Чарльза Кеттеринга.
Любая система зажигания независимо от ее типа и конструкции имеет две функции:
• обеспечение воспламенения топливовоздушной смеси;
• обеспечение того, чтобы воспламенение происходило точно в нужный момент такта сжатия для оптимизации работы двигателя и/или топливной экономичности.
Несмотря на взрывную природу распыленного бензина, если искра для воспламенения будет проскакивать в несоответствующий момент, большинство потенциальной энергии будет высвобождено перед тем, когда эта энергия обеспечила бы полезную работу поршня. Фактически, если момент зажигания будет смещен на несколько градусов, двигатель может не работать вообще. Более того, оптимальный момент зажигания изменяется при изменении оборотов двигателя и положения дроссельной заслонки. Таким образом, система зажигания должна реагировать на изменение условий работы двигателя. В заключение, сотни миллионов искр, требуемые для обычного двигателя каждый год, должны быть генерированы со стопроцентной надежностью.
В большей или меньшей степени системы зажигания стали совершать этот «подвиг» с 1908 года, когда Чарльз Кеттеринг начал использовать систему зажигания с индуктивным накоплением энергии (английская аббревиатура IDI) для автомобильных двигателей. Механические контакты, важная часть изобретения Кеттеринга, использовались до середины 70-х годов для образования искры и, соответственно, начала сгорания. Развитие твердотельной электроники позволило заменить контакты прерывателя электронными переключающими элементами, которые гораздо более надежны и служат намного дольше.
Однако, метод образования высоковольтной искры, которая проскакивает между электродами свечи зажигания, практически не изменился со времени Чарльза Кеттеринга. Подобная система с индуктивным накоплением энергии используется практически на всех стандартных и форсированных двигателях.
Понимание основ того, как работает система зажигания, поможет вам оценить различные системы, установить нужную систему, диагностировать неисправности и что лучше всего, оптимизировать мощность двигателя. Не опасайтесь того, что вам придется углубляться в электрические «дебри» и обращаться для усовершенствования своей системы зажигания к специалистам. Система зажигания несложная, но она, вероятно, является одной из наименее доступных для понимания частей автомобильных технологий. Перейдем теперь к рассмотрению самой системы.
Система с индуктивным накоплением энергии
Весь процесс происходит в катушке зажигания. Понимание того, как работает эта необходимая деталь, является ключом к пониманию того, как работает вся система зажигания.
Катушка зажигания с технической точки зрения представляет собой трансформатор. Это означает, что она может преобразовывать напряжение в высокое или низкое, а напряжение будет способом описания усилия, с которым «движется» электричество. Его часто сравнивают с давлением в водяной трубе. Катушка зажигания состоит из двух отдельных обмоток (своеобразных катушек) из провода на обычном железном сердечнике. Одна из обмоток называется первичной и состоит примерно из 150 витков толстого медного провода. Первичная обмотка соединяется через контакты прерывателя (или через электронный блок управления) с источником напряжения 12В (аккумуляторной батареи). Другая обмотка, называемая вторичной, обычно наматывается поверх первичной. Вторичная обмотка содержит примерно 30 000 витков тонкого медного провода, и это определяет коэффициент трансформации катушки и ее возможность к генерации высокого напряжения, необходимого для проскакивания искры между электродами свечи зажигания. К примеру, если число витков вторичной обмотки будет в 10 раз превышать число витков первичной обмотки, то напряжение на вторичной обмотке будет в 10 раз больше напряжения па первичной обмотке. Так как многие катушки зажигания имеют коэффициент трансформации, равный 30 000/150, т. е. около 200:1, и напряжение вторичной обмотки будет в 200 раз больше, чем напряжение, приложенное к первичной обмотке. Однако когда вы умножите напряжение 12 В в первичной обмотке на 200, то вы получите 2400 В. Так как катушки зажигания выдают около 50 000 В, то, очевидно, существует еще и другой фактор при их работе. Ответ заключается в том, что происходит внутри катушки зажигания, когда к первичной обмотке подключается и отключается напряжение.
Существует жесткая связь между магнитным полем и электричеством. Когда электричество течет по проводнику (это называется электрическим током), то генерируется магнитное поле и, наоборот, электрический ток может генерироваться от переменного магнитного поля. Когда напряжение аккумуляторной батареи (АБ) прикладывается к первичной обмотке катушки зажигания, ток протекает через 150 витков провода и генерирует сильное магнитное поле, которое проходит через все витки катушки и через ее железный стержень. После того, как напряжение АБ было приложено примерно на 0,010-0,015 сек, магнитное поле достигает своего полного значения, т. е. за это время катушка входит в насыщение или насыщается.
Когда магнитное поле присутствует, то принципиально может образовываться электричество. Если сказать более точно, напряжение будет генерироваться пропорционально тому, как быстро увеличивается или уменьшается магнитное поле. Так как в первичной обмотке имеется ток, который поддерживает магнитное поле, отключение тока в первичной обмотке приводит к максимально быстрому спаду интенсивности магнитного поля. Спад поля происходит менее чем за 0,001 сек, и это индуцирует напряжение примерно в 250 В в первичной обмотке. Это и является тем напряжением, которое возрастает до 50 000 В благодаря коэффициенту трансформации катушки 200:1, и оно приводит к образованию искры в свече зажигания.
Использование быстро падающего магнитного поля для генерации высокого напряжения и затем для образования искры, воспламеняющей топливовоздушную смесь, было изобретением Чарльза Кеттеринга. Кеттеринг также обнаружил, что чем быстрее можно уменьшать магнитное поле, тем более надежно система зажигания будет воспламенять смесь.
Система зажигания с индуктивным накоплением энергии 1 - свеча зажигания; 2 - вакуумный регулятор опережения зажигания; 3 - выступы (кулачки) вала распределителя; 4 - крышка распределителя зажигания; 5 - ротор распределителя; 6 - контакт для высоковольтного провода; 7 - контакт ротора; 8 - магнитный датчик (датчик Холла); 9 - ротор с выступами; 10 - электронный датчик; 11 - контакты; 12 - конденсатор; 13 - пластина контактов; 14 - пружина для опережения зажигания; 15-механическийрегулятор опережения зажигания; 16 - вал распределителя; 17 - корпус распределителя; 18- отверстие для смазки; 19 - косая шестерня привода; 20 - привод масляного насоса; 21 - катушка зажигания; 22 - аккумуляторная батарея; 23 - выключатель зажигания.
Система зажигания Кеттеринга использовала механические контакты для включения и выключения катушки зажигания. Он же обнаружил, что электрическая искра (дуга) будет проскакивать между контактами в момент их размыкания. Эта искра будет продолжать протекание некоторого тока в первичной обмотке катушки зажигания, что удлинит процесс спада магнитного поля, таким образом, уменьшая напряжение во вторичной обмотке. Кеттеринг обнаружил, что подсоединение конденсатора параллельно контактам прерывателя существенно сокращает искрение между контактами, и напряжение во вторичной обмотке заметно увеличивается. Конденсатор действует подобно аккумуляторной батарее (АБ), заряжаясь и разряжаясь при размыкании и замыкании контактов. Когда контакты размыкаются, то разряженный конденсатор получает большую часть электрического тока, чем цепь высокого сопротивления, образуемого разомкнутыми контактами. Контакты расходятся достаточно далеко за время зарядки конденсатора, т. е. когда конденсатор полностью
Напряжение во вторичной обмотке управляется не только тем, как быстро спадает магнитное поле, но и тем, какова была напряженность магнитного поля перед спадом. Катушки зажигания высокой энергии (подобные показанной справа катушке ACCEL SUPER COIL) имеют меньше витков в первичной обмотке, что приводит к генерации большего тока и к более быстрому возрастанию магнитного поля.
заряжен, подача тока в первичной обмотке резко прекращается, что приводит к спаду магнитного поля примерно в 20 раз быстрее, чем это происходит тогда, когда между контактами проскакивает искра. Этот быстрый спад магнитного поля, вызванный конденсатором, увеличивает напряжение во вторичной обмотке, и конденсатор является необходимой частью систем зажигания с индуктивным накоплением электрической энергии.
Насыщение катушки зажигания
Так как напряжение вторичной обмотки управляется не только тем, как быстро спадает магнитное поле, но также и тем, какова была его напряженность перед спадом, образование • сильного магнитного поля также является очень важным фактором при получении максимальной отдачи от системы зажигания с индуктивным накоплением энергии. Так как для достижения уровня 95% от максимального уровня поля (полного насыщения) требуется всего 15 мсек (0,015 сек), это сначала может показаться достаточным временем для достижения этого уровня насыщения, и это не составляет проблем. Однако, когда вы представите себе, что катушка зажигания должна обеспечивать 4 импульса высокого напряжения в течение одного оборота двигателя (на двигателях V8), поэтому остается всего лишь 0,015 сек между каждым импульсом высокого напряжения, когда двигатель работает с частотой 1000 об/мин. При 6000 об/мин должно образовываться 15 искр в секунду для каждого цилиндра, что составляет около 400 искр в секунду для двигателя V8, что составляет всего 2,5 мсек (0,0025 сек) для промежутка между искрами.
Для преодоления этого временного затруднения использовались различные технологии, которые максимально увеличивают скорость, с которой создается магнитное поле (она называется скоростью насыщения) и напряженность магнитного поля, когда оно достигает насыщения (это называется уровнем насыщения). Наиболее популярным методом увеличения скорости насыщения является конструкция катушки, рассчитанная на работу от напряжения 9 или 10 В, а не от полного напряжения АБ (12 В). Это пониженное напряжение прикладывается к катушке зажигания, когда двигатель работает на холостом ходу. Когда обороты двигателя увеличиваются, к катушке прикладывается более высокое напряжение, увеличивая скорость образования магнитного поля и компенсируя, хотя и частично, более короткое время насыщения. Наиболее популярным для этой цели прибором является балластный резистор; его температура и сопротивление изменяются при изменении оборотов двигателя, позволяя большему току поступать к катушке при высоких оборотах двигателя. Балластный резистор выполняет также другую полезную функцию: он отключается из цепи во время запуска двигателя, что уменьшает нагрузку па АБ, позволяет максимально возможному напряжению поступать на катушку зажигания, и помогает быстрому запуску двигателя. Однако современные системы электронного зажигания используют более сложные методы изменения значения напряжения, чтобы достичь максимального насыщения.
Во времена контактных прерывателей увеличение угла замкнутого состояния контактов (меры того, как долго контакты находятся в замкнутом состоянии, позволяя магнитному полю увеличиваться в катушке) увеличивало прирост мощности при высоких оборотах двигателя. Двойные контакты увеличивают угол замкнутого состояния контактов от типичного значения 30° (с одинарными контактами) примерно до 40°. Максимальное значение угла замкнутого состояния контактов, создаваемое для системы с одной катушкой зажигания, может составлять чуть меньше 45°, т. е. это продолжительность того, как долго вал распределителя поворачивается, между соседними моментами зажигания на двигателе V8. В системах электронного зажигания механические ограничения уменьшаются, и становится достижимым практически полный 45-градусный период между импульсами высокого напряжения для образования магнитного поля в катушке. Даже полный период в 45°, соответствующий углу замкнутого состояния контактов, составляет для образования магнитного поля всего лишь 0,002 сек при 7000 об/мин, поэтому в дополнение к увеличению напряжения на первичной обмотке, уровень насыщения катушки оптимизируется с помощью ее конструкции. Специальные катушки зажигания, разработанные для применения в высокооборотистых двигателях, выпускаются фирмами MSD, ACCEL, PERFORMANCE DISTRIBUTORS, MALLORY и другими. Эти высоковольтные катушки зажигания имеют высокий коэффициент трансформации и обычно потребляют повышенный ток в первичной обмотке. Вдобавок к этому, некоторые из них имеют улучшенные изолирующие и теплорассеивающие свойства. Одно замечание: большинство нз этих катушек разработано для использования с бесконтактными и/или электронными системами зажигания. Установка катушек зажигания с повышенным током в первичной обмотке на обычную контактную систему зажигания может ускорить износ контактов от искрения и перегрева.
Секреты катушек зажигания
1 - уплотнительный колпачок; 2 - контакт вторичной обмотки для высокого напряжения; 3 - контакты первичной обмотки; 4 - крышка катушки зажигания; 5 - покрытие; 6 - вторичная обмотка; 7 - первичная обмотка; 8 - кожух катушки зажигания; 9 - стеклянная изоляция.
Все происходит в катушке зажигания. Состоящая из двух отдельных обмоток (первичной и вторичной), намотанных на общем железном сердечнике, катушка зажигания представляет собой трансформатор, который использует магнитное поле, вырабатываемое током в первичной обмотке, для генерации высокого напряжения во вторичной обмотке. Рост напряжения определяется коэффициентом трансформации, который, в свою очередь, определяется соотношением числа витков вторичной и первичной обмоток.
Многие катушки зажигания высокой энергии имеют коэффициент трансформации, равный 30000/150, т. е. 200:1. Однако, используя этот коэффициент, будет получен лишь рост напряжения в 200 раз, т. е. 12В х 200 = 2400 В. Так как катушки зажигания выдают напряжение до 60 000 В, то здесь работают и другие факторы.
Скрытым фактором является то, что напряжение будет генерироваться пропорционально тому, как быстро будет расти или спадать магнитное поле. Если магнитное поле быстро спадает (менее чем за 0,001 сек), это приведет к генерации напряжения 250-300 В в первичной обмотке. Это пиковое напряжение в первичной обмотке, умноженное на коэффициент трансформации 200, даст величину напряжения до 50 000 В во вторичной обмотке, которое подается на свечи зажигания.
1 - быстрый спад магнитного поля — высокое напряжение;
2 - медленный спад магнитного поля — низкое напряжение.
1 - напряженность магнитного поля; 2 - напряжение АБ; 3 - напряжение на первичной обмотке; 4 - напряжение образования искры; 5 - длительность искры; 6 - напряжение искры; 7 - напряжение вторичной обмотки.
На рисунке показано то, что происходит с магнитным полем, напряжением в первичной обмотке и во вторичной обмотке, когда контакты размыкаются и замыкаются. Когда контакты замкнуты, напряжение 12 В подается на катушку зажигания, и в ней образуется магнитное поле. Через несколько миллисекунд контакты размыкаются и магнитное поле спадает. Это быстрое изменение поля генерирует напряжение примерно 300 В в первичной обмотке и до 60 000 В во вторичной обмотке.
1 - напряженность магнитного поля; 2 - напряжение АБ; 3 - напряжение на первичной обмотке; 4 - напряжение искры; 5 - напряжение вторичной обмотки.
Имеется еще одна важная деталь, которая помогает образованию напряжения во вторичной обмотке. По кривым можно видеть, что что-то не в порядке. Низкие напряжения в первичной и во вторичной обмотках являются результатом отсутствия конденсатора в первичной цепи. Здесь видно, почему нужен конденсатор: он уменьшает искрение в зазоре между контактами, что замедляет спад магнитного поля и уменьшает напряжение во вторичной обмотке. Конденсатор, установленный параллельно контактам, выполняет следующие функции:
• он "поглощает " напряжение "искрения " на контактах;
• позволяет магнитному полю спадать в 20 раз быстрее;
• содействует генерации повышенного напряжения во вторичной обмотке.
Хотя механические контакты заменены бесконтактным датчиком и транзисторной системой переключения, принципы работы показанной здесь системы зажигания HY FIRE MALLOR Y в основном не изменились.
Ротор распределителя зажигания проходит 45°за 0,002 сек, когда двигатель работает при 7000 об/мин; 1 - 45°.
Система зажигания с емкостным накоплением энергии
До настоящего момента мы рассматривали системы зажигания с индуктивным накоплением энергии, в которых катушка зажигания вырабатывает высокое напряжение, когда от первичной обмотки катушки отключается напряжение, что приводит к быстрому спаду магнитного поля. Эта цепь отличается простотой и требует всего лишь механического контактного выключателя (прерывателя) и конденсатора, но у нее есть недостатки. Для того чтобы получить мощную искру, магнитное поле должно иметь высокие значения, а при высоких оборотах имеется очень мало времени для этого. Если вместо надежды на быстрый спад магнитного поля, система могла быть не ограничена требованиями по насыщению катушки (имеется в виду, что скорость изменения магнитного поля — увеличения или уменьшения определяет генерацию напряжения во вторичной обмотке). Подобные системы существуют, и они обычно используются на форсированных двигателях, в частности, в системах с многоискровым зажиганием, которые будут обсуждаться далее. Так называемые системы с емкостным накоплением энергии (CDI в английской аббревиатуре) эффективно работают, в противоположность системам с индуктивным накоплением энергии (IDI). Вместо образования магнитного поля в катушке зажигания большие конденсаторы внутри электронного блока управления заряжаются до напряжения 300-400 В или больше. Затем точно в момент зажигания, определяемым тем же самым механическим или электронным выключателем в распределителе зажигания, весь заряд этих конденсаторов подается на первичную обмотку катушки зажигания. Быстро возникает очень большое магнитное поле, которое индуцирует высокое напряжение во вторичной обмотке. Система CDI ограничивается только тем, как быстро могут быть перезаряжены конденсаторы.
Искра, вырабатываемая системой CDI, является мощной и точной, но многие такие системы обеспечивают очень короткую продолжительность искры, так как магнитное поле образуется в системе CDI намного быстрее, чем оно спадает в системе IDI. Многие системы IDI генерируют искру в зазоре между электродами свечи, которая продолжается более 0,001 сек, но продолжительность искры в системе CDI часто составляет всего лишь 0,00003 сек (30 мсек), т. е. она в 30 раз короче. Фактически, некоторые системы зажигания с емкостным накоплением энергии могут вырабатывать искру на такое короткое время, что она не может обеспечивать в некоторых случаях надежного воспламенения смеси. Однако при правильной конструкции система CD1 может генерировать высоковольтную искру нужной продолжительности для обеспечения надежного воспламенения во всех двигателях.
Какую систему использовать
Контактная система зажигания IDI (подобная показанной здесь системе с двойными контактами в распределителе фирмы MALLORY) обеспечивает мощность, сравнимую с большинством электронных систем зажигания.
Когда мы рассмотрели основы, можно перейти к специфике выбора и настройки системы зажигания для оптимизации эффективности работы и мощности двигателя.
До середины 70-х и контактная система зажигания была обычной системой просто потому, что она использовалась практически на всех автомобилях с бензиновыми двигателями. Автомобили с форсированными двигателями использовали системы с двойными контактами, но система зажигания с контактным прерывателем была единственной системой, имеющейся в распоряжении автомобилестроителей. 80-е и 90-е годы изменили ситуацию полностью. Теперь системы зажигания с контактным прерывателем на новых автомобилях практически не используются, хотя почти все автомобили по-прежнему используют конструкцию Кеттеринга с катушкой зажигания. Термин "обычная" теперь подразумевает управляемую компьютером систему контроля двигателя, в которой некий электронный "черный" ящик не только управляет зажиганием, но также процессом карбюрации или дозировкой впрыска топлива, моментами переключения передач в автоматической трансмиссии и др. Несмотря на все вышесказанное, контактные системы зажигания, вероятно, будут использоваться и после 2000 года, так как они могут обеспечить более чем точный процесс воспламенения смеси в форсированных двигателях при условии правильной работы, о чем будет сказано далее.
"Обычная" система зажигания с контактным прерывателем
Но это не значит, что контактные системы зажигания являются практически такими же хорошими, как и электронные системы, или что все контактные системы являются одинаковыми. Двумя главными недостатками контактных систем зажигания являются следующие:
• Искра со временем ухудшается.
• Для очень высоких оборотов двигателя (примерно выше 7000 об/ мин контакты являются не очень практичным устройством.
Во-первых, рассмотрим проблему износа. В обычных системах зажигания с контактами, где нет никакой электроники для управления переключением катушки зажигания, поверхности контактов подают и отключают напряжение к первичной обмотке катушки зажигания. Это приводит к искрению и преждевременной эрозии поверхности контактов, нарушению регулировки зазора между контактами и снижению значения генерируемого высокого напряжения. Но это еще не все, что изнашивается при замыкании и размыкании контактов. Трущийся блок, который движется поверх кулачка на оси распределителя и действует на контакты, со временем стирается и все больше и больше изменяет регулировку контактов. Таким образом, контакты требуют регулярной регулировки и периодической замены для обеспечения хорошей работы системы.
В дополнение к износу, определяемому визуально, возвратная пружина контактов со временем ослабляет свое усилие. В некоторых случаях натяжение пружины может не соответствовать требуемому. В любом случае, если усилие пружины спадает ниже определенного уровня, движение контактов более не будет следовать за кулачками распределителя, и контакты будут перекашиваться и "сползать", не обеспечивая надежного соединения. Это уменьшает время замкнутого состояния контактов и не дает катушке зажигания полностью отдать свой "магнитный заряд".
Измеритель угла замкнутого состояния контактов может быть использован для определения смещения контактов. Если имеет место резкий спад угла замкнутого состояния контактов при увеличении оборотов двигателя, то максимальное число оборотов для контактов почти наверняка было превышено. Эта проверка легче всего производится на устройстве для проверки распределителей, однако, даже без оборудования для проверок пропуски зажигания на высоких оборотах в контактной системе зажигания обычно происходят из-за перекоса или смещения контактов, и это следует проверять в первую очередь.
Износ является проблемой у контактных систем зажигания. Контакты прерывателя подают и отключают напряжение на первичной обмотке катушки зажигания. Искрение на контактах разрушает поверхности. Также со временем изнашивается трущийся блок, который контактирует с кулачком, находящимся на валу распределителя и при этом изменяется регулировка контактов.
Если у вас есть подозрение на перекос или вибрацию контактов, то установите новые контакты, предназначенные для использования в форсированных двигателях. Если ваш двигатель способен развивать очень высокие обороты, то вы можете приобрести специальные контакты, которые будут обеспечивать надежную искру при оборотах, превышающих 9000 об/мин. Однако усилие пружины при этих проверках такое высокое, что контакты имеют очень ограниченный срок службы, и они также воздействуют на подшипники распределителя. Если вам нужна такая возможность работы на высоких оборотах, примите решение сами и откажитесь от использования контактов. Установите бесконтактную систему зажигания.
Измеритель угла замкнутого состояния контактов используется для определения вибрации контактов. Если имеет место резкий спад угла замкнутого состояния контактов, максимальные обороты для контактов почти наверняка были превышены.
Бесконтактные электронные системы зажигания
Наиболее важным улучшением системы зажигания за последние 100 лет была замена механических контактов на электронный "переключатель", который не подвержен механическому износу. В распределителе, в том же самом месте, где находились контакты, находится устройство, "чувствующее" положение распределителя с помощью магнитного якоря и прерывания луча света или какой-то другой технологии. Это устройство (датчик) посылает импульс низкого напряжения на транзисторный усилитель, расположенный в отдельном транзисторном модуле управления, который подключает и отключает напряжение на первичной обмотке катушки зажигания. Такие электронные приборы не изнашиваются (в нормальных условиях) и не подвержены механическим ограничениям типа вибрации контактов. Фактически, скорость переключения таких устройств намного больше, чем нужно даже самым высокооборотистым двигателям.
Очень важна замена механических контактов электронным "переключателем", который не подвержен механическому износу.
Изменение угла замкнутого состояния контактов в электронной системе зажигания 1 - угол замкнутого состояния контактов (УЗСК) при 600 об/мин; 2-УЗСК при 1500 об/мин; 3-УЗСК при 2500 об/мин; 4-УЗСК при 4500 об/мин.
Кроме повышения максимально допустимых оборотов двигателя и надежности работы многие электронные системы зажигания обеспечивают дополнительные преимущества. Контактные системы зажигания ограничиваются промежутком времени, соответствующим углу замкнутого состояния контактов, когда в системе восстанавливается магнитное поле — между разрядами, соответствующими искрообразованию. Электронное управление, не ограничиваемое размыканием или замыканием контактов, может оптимизировать индуктивное накопление энергии при всех оборотах двигателя путем приложения полного значения напряжения к катушке зажигания и изменения угла замкнутого состояния контактов при изменении числа оборотов двигателя. При низких оборотах угол замкнутого состояния контактов поддерживается небольшим, (коротким) для предотвращения перегрева катушки зажигания (в этих системах балластный ограничительный резистор не используется). Но при высоких оборотах двигателя, когда реальное время для образования магнитного потока уменьшается, напряжение первичной обмотки подается на катушку зажигания почти сразу же после "разрядки" катушки, оптимизируя угол замкнутого состояния контактов и выходное напряжение.
Проверки мощности показали ее небольшое увеличение при использовании электронного зажигания с более "холодными" свечами и увеличенным зазором между их электродами. Эти свечи ACCEL изменяются от "холодных" (слева) до стандартных (справа) и "горячих" (в центре), калильное число которых определяется длиной изолятора.
Кроме чисто механических преимуществ высоковольтная бесконтактная электронная система зажигания может менять способ, каким происходит зажигание в камере сгорания. Эти небольшие изменения могут потребовать специальных методик настройки двигателя для оптимизации его работы и мощности. Во-первых, повышенное напряжение на вторичной обмотке, часто позволяет эффективно использовать более "холодные" свечи зажигания. При испытаниях свечи с более "холодным" калильным числом (на 1 -2 единицы) по сравнению со стандартными обеспечивают небольшое увеличение мощности, хотя это может и не происходить в некоторых случаях. Во-вторых, повышенное значение напряжения во вторичной обмотке катушки подает больше энергии к зазору между контактами свечи, поэтому увеличение зазора на 0,25-0,5 мм может обеспечить более "сильную" искру, которая надежно поджигает топливовоздушную смесь, особенно обедненную смесь, или при высоких степенях сжатия двигателя. Более надежное начальное зажигание может, в свою очередь, увеличить скорость распространения фронта пламени, и это может потребовать небольшого запаздывания момента зажигания для достижения оптимальной мощности. Результатом может стать уменьшение мощности, если момент зажигания не корректируется от изменения времени распространения пламени. Обычно хватит лишь небольшого изменения; предположение опережения зажигания оправдано перед модификацией.
1 - электронная система зажигания; 2 - стандартная система зажигания
Приведенные графики показывают результаты серии контрольных испытаний, в которых контактная и бесконтактная системы зажигания были тщательно оптимизированы. Хотя увеличение мощности и экономии было типичным для этих систем, начальный прирост мощности и экономичности были только частью истории. После 16 000 км эксплуатации электронное зажигание по-прежнему обеспечивало мощную и своевременную искру. За это же время высокое напряжение в контактной системе зажигания заметно снизилось из-за эрозии контактов и износа блока, трущегося о кулачок вала.
Наибольшим преимуществом любой электронной бесконтактной системы зажигания является уменьшение необходимого текущего обслуживания распределителя зажигания. Это означает, что система зажигания будет работать с максимальной эффективностью в течение долгого времени, обеспечивая оптимальную экономию топлива и эффективность работы. Однако уменьшение объема обслуживания не означает полного его отсутствия. Большинство электронных систем зажигания по-прежнему используют механические устройства для увеличения или уменьшения угла опережения зажигания. Эти механизмы опережения зажигания требуют периодической проверки и обслуживания. Работа и настройка этих систем описаны в следующих разделах этой главы.
Многоискровое зажигание и увеличение продолжительности зажигания
В последние годы развитие многоискровых систем и систем зажигания с увеличенной продолжительностью искры добавили уникальные возможности как "усиленным", так и обычным системам зажигания. Вместо образования единственной короткой искры для зажигания эти системы выдают несколько высоковольтных искр или одну большей продолжительности. В многоискровых системах число искр за цикл зажигания может доходить до шести, когда промежуток времени между тактами рабочего хода самый большой. Когда обороты двигателя возрастают, количество искр уменьшается примерно до двух при высоких оборотах. В системах зажигания с увеличенной продолжительностью искры одна искра большой длительности проскакивает между электродами свечи, тогда как многоискровые системы выдают несколько искр на свече. В обоих случаях зажигание топливовоздушной смеси происходит более полно и сравнимо с качеством зажигания двигателей, оснащенных несколькими свечами зажигания.
Потенциальная мощность увеличивается у многоискровых систем или у систем с продолжительной искрой. Зависит она от характера распространения пламени в камерах сгорания. Некоторые головки блока цилиндров имеют конструкцию камер сгорания, которая обеспечивает нужную турбулентность распространения пламени; головки с неразделенными камерами сгорания небольшого объема обычно подпадают под эту категорию. Двигатели с такими головками обеспечивают очень малый прирост мощности от многоискрового зажигания или его может даже не быть вообще. С другой стороны, головки блока цилиндров с камерами сгорания неразделенного типа обычно обеспечивают медленные скорости распространения фронта пламени. На этих двигателях мощная искра большой продолжительности почти всегда повышает мощность, хотя невозможно предсказать этот прирост на конкретном двигателе. Он может составлять от практически нулевого до величины почти в 5%. Измеренный прирост мощности добавляется к приросту, обеспечиваемому хорошей системой электронного зажигания с оптимизированным моментом впрыска.
Увеличение мощности от многоискровых систем или систем с увеличенной продолжительностью искры зависит от характеристик распространения пламени в камерах сгорания. Головки блока цилиндров с разделенными камерами сгорания малого объема обеспечивают малый прирост мощности, тогда как большие камеры сгорания неразделенного типа почти всегда дают увеличение мощности, от небольшого до почти 5%.
На гоночных двигателях многоискровые системы и системы с увеличенной продолжительностью искры имеют большое значение, т. к. они помогают смягчить работу двигателя на холостом ходу и уменьшить замасливание и "заливание" свечей, которое часто мешает работе двигателя в течение нескольких первых секунд после старта.автомобиля. Для двигателя повседневного применения эти высокотехнологичные системы зажигания могут улучшить разгон и уменьшить расход топлива.
Момент зажигания и опережение зажигания
Существует момент времени, обычно измеряемый в градусах поворота коленчатого вала до ВМТ, когда воспламенение топливовоздушной смеси обеспечивает максимальную мощность двигателя и эффективность его работы. Этот "участок" максимальной мощности, довольно узкий по времени, и мощность существенно упадет всего лишь в нескольких градусах поворота в любую сторону от этой почти максимальной точки. Если зажигание происходит слишком рано, то пик давления от сгорания будет воздействовать на поршень перед тем, как • шатун и коленчатый вал будут находиться на одной линии, когда они могут эффективно преобразовать это давление во вращательное движение коленчатого вала. Если зажигание будет лишь слегка преждевременным, то результатом будет просто потеря мощности. Однако если зажигание происходит постоянно с опережением, то очень высокие давления и температуры могут привести к спонтанному сгоранию несгоревших газов в пространстве камеры сгорания, что приведет к образованию еще более высоких давлений. Это явление, называемое детонацией, может подплавить и/или образовать отверстия в поршнях, разломать поршневые кольца и в самом худшем случае могут быть повреждены шатуны и даже коленчатый вал.
Прежде всего, увеличение мощности может показаться довольно простой задачей, заключающейся в определении оптимального момента зажигания, а затем фиксации параметров системы зажигания для обеспечения образования искры точно в этот момент. К сожалению, оптимальный момент зажигания не является фиксированной величиной, более того, он изменяется в зависимости от числа оборотов и нагрузки двигателя. Для того чтобы понять, почему возникают эти сложности и как с ними обращаться, давайте вернемся немного назад и внимательно рассмотрим процессы
Читать далее Системы зажиган
Меню сайта
Поиск
Категории раздела
Вход на сайт
Статистика
Системы зажигания
Детали, которые поджигают топливовоздушную смесь в цилиндрах, часто являются предметом различных рекламных заявлений. Было бы несправедливо сказать, что все эти заявления являются фальшивыми. Но будет очень далеко от истины, если сказать, что некоторые производители преувеличивают свои обещания относительно мощности двигателя и экономии топлива, уверенные в том, что большинство потребителей не будет тщательно проверять их заверения и гарантии. Нет сомнений в том, что качественная система зажигания поможет оптимизировать работу и экономичность двигателя, но существуют практические пределы тех улучшений, которые может дать обычная или «экзотическая» система зажигания.
Бесконтактные переключающие элементы заменили механические контакты прерывателя. Однако, метод индуктивного накопления энергии для образования искры не изменился со времен Чарльза Кеттеринга.
Любая система зажигания независимо от ее типа и конструкции имеет две функции:
• обеспечение воспламенения топливовоздушной смеси;
• обеспечение того, чтобы воспламенение происходило точно в нужный момент такта сжатия для оптимизации работы двигателя и/или топливной экономичности.
Несмотря на взрывную природу распыленного бензина, если искра для воспламенения будет проскакивать в несоответствующий момент, большинство потенциальной энергии будет высвобождено перед тем, когда эта энергия обеспечила бы полезную работу поршня. Фактически, если момент зажигания будет смещен на несколько градусов, двигатель может не работать вообще. Более того, оптимальный момент зажигания изменяется при изменении оборотов двигателя и положения дроссельной заслонки. Таким образом, система зажигания должна реагировать на изменение условий работы двигателя. В заключение, сотни миллионов искр, требуемые для обычного двигателя каждый год, должны быть генерированы со стопроцентной надежностью.
В большей или меньшей степени системы зажигания стали совершать этот «подвиг» с 1908 года, когда Чарльз Кеттеринг начал использовать систему зажигания с индуктивным накоплением энергии (английская аббревиатура IDI) для автомобильных двигателей. Механические контакты, важная часть изобретения Кеттеринга, использовались до середины 70-х годов для образования искры и, соответственно, начала сгорания. Развитие твердотельной электроники позволило заменить контакты прерывателя электронными переключающими элементами, которые гораздо более надежны и служат намного дольше.
Однако, метод образования высоковольтной искры, которая проскакивает между электродами свечи зажигания, практически не изменился со времени Чарльза Кеттеринга. Подобная система с индуктивным накоплением энергии используется практически на всех стандартных и форсированных двигателях.
Понимание основ того, как работает система зажигания, поможет вам оценить различные системы, установить нужную систему, диагностировать неисправности и что лучше всего, оптимизировать мощность двигателя. Не опасайтесь того, что вам придется углубляться в электрические «дебри» и обращаться для усовершенствования своей системы зажигания к специалистам. Система зажигания несложная, но она, вероятно, является одной из наименее доступных для понимания частей автомобильных технологий. Перейдем теперь к рассмотрению самой системы.
Система с индуктивным накоплением энергии
Весь процесс происходит в катушке зажигания. Понимание того, как работает эта необходимая деталь, является ключом к пониманию того, как работает вся система зажигания.
Катушка зажигания с технической точки зрения представляет собой трансформатор. Это означает, что она может преобразовывать напряжение в высокое или низкое, а напряжение будет способом описания усилия, с которым «движется» электричество. Его часто сравнивают с давлением в водяной трубе. Катушка зажигания состоит из двух отдельных обмоток (своеобразных катушек) из провода на обычном железном сердечнике. Одна из обмоток называется первичной и состоит примерно из 150 витков толстого медного провода. Первичная обмотка соединяется через контакты прерывателя (или через электронный блок управления) с источником напряжения 12В (аккумуляторной батареи). Другая обмотка, называемая вторичной, обычно наматывается поверх первичной. Вторичная обмотка содержит примерно 30 000 витков тонкого медного провода, и это определяет коэффициент трансформации катушки и ее возможность к генерации высокого напряжения, необходимого для проскакивания искры между электродами свечи зажигания. К примеру, если число витков вторичной обмотки будет в 10 раз превышать число витков первичной обмотки, то напряжение на вторичной обмотке будет в 10 раз больше напряжения па первичной обмотке. Так как многие катушки зажигания имеют коэффициент трансформации, равный 30 000/150, т. е. около 200:1, и напряжение вторичной обмотки будет в 200 раз больше, чем напряжение, приложенное к первичной обмотке. Однако когда вы умножите напряжение 12 В в первичной обмотке на 200, то вы получите 2400 В. Так как катушки зажигания выдают около 50 000 В, то, очевидно, существует еще и другой фактор при их работе. Ответ заключается в том, что происходит внутри катушки зажигания, когда к первичной обмотке подключается и отключается напряжение.
Существует жесткая связь между магнитным полем и электричеством. Когда электричество течет по проводнику (это называется электрическим током), то генерируется магнитное поле и, наоборот, электрический ток может генерироваться от переменного магнитного поля. Когда напряжение аккумуляторной батареи (АБ) прикладывается к первичной обмотке катушки зажигания, ток протекает через 150 витков провода и генерирует сильное магнитное поле, которое проходит через все витки катушки и через ее железный стержень. После того, как напряжение АБ было приложено примерно на 0,010-0,015 сек, магнитное поле достигает своего полного значения, т. е. за это время катушка входит в насыщение или насыщается.
Когда магнитное поле присутствует, то принципиально может образовываться электричество. Если сказать более точно, напряжение будет генерироваться пропорционально тому, как быстро увеличивается или уменьшается магнитное поле. Так как в первичной обмотке имеется ток, который поддерживает магнитное поле, отключение тока в первичной обмотке приводит к максимально быстрому спаду интенсивности магнитного поля. Спад поля происходит менее чем за 0,001 сек, и это индуцирует напряжение примерно в 250 В в первичной обмотке. Это и является тем напряжением, которое возрастает до 50 000 В благодаря коэффициенту трансформации катушки 200:1, и оно приводит к образованию искры в свече зажигания.
Использование быстро падающего магнитного поля для генерации высокого напряжения и затем для образования искры, воспламеняющей топливовоздушную смесь, было изобретением Чарльза Кеттеринга. Кеттеринг также обнаружил, что чем быстрее можно уменьшать магнитное поле, тем более надежно система зажигания будет воспламенять смесь.
Система зажигания с индуктивным накоплением энергии 1 - свеча зажигания; 2 - вакуумный регулятор опережения зажигания; 3 - выступы (кулачки) вала распределителя; 4 - крышка распределителя зажигания; 5 - ротор распределителя; 6 - контакт для высоковольтного провода; 7 - контакт ротора; 8 - магнитный датчик (датчик Холла); 9 - ротор с выступами; 10 - электронный датчик; 11 - контакты; 12 - конденсатор; 13 - пластина контактов; 14 - пружина для опережения зажигания; 15-механическийрегулятор опережения зажигания; 16 - вал распределителя; 17 - корпус распределителя; 18- отверстие для смазки; 19 - косая шестерня привода; 20 - привод масляного насоса; 21 - катушка зажигания; 22 - аккумуляторная батарея; 23 - выключатель зажигания.
Система зажигания Кеттеринга использовала механические контакты для включения и выключения катушки зажигания. Он же обнаружил, что электрическая искра (дуга) будет проскакивать между контактами в момент их размыкания. Эта искра будет продолжать протекание некоторого тока в первичной обмотке катушки зажигания, что удлинит процесс спада магнитного поля, таким образом, уменьшая напряжение во вторичной обмотке. Кеттеринг обнаружил, что подсоединение конденсатора параллельно контактам прерывателя существенно сокращает искрение между контактами, и напряжение во вторичной обмотке заметно увеличивается. Конденсатор действует подобно аккумуляторной батарее (АБ), заряжаясь и разряжаясь при размыкании и замыкании контактов. Когда контакты размыкаются, то разряженный конденсатор получает большую часть электрического тока, чем цепь высокого сопротивления, образуемого разомкнутыми контактами. Контакты расходятся достаточно далеко за время зарядки конденсатора, т. е. когда конденсатор полностью
Напряжение во вторичной обмотке управляется не только тем, как быстро спадает магнитное поле, но и тем, какова была напряженность магнитного поля перед спадом. Катушки зажигания высокой энергии (подобные показанной справа катушке ACCEL SUPER COIL) имеют меньше витков в первичной обмотке, что приводит к генерации большего тока и к более быстрому возрастанию магнитного поля.
заряжен, подача тока в первичной обмотке резко прекращается, что приводит к спаду магнитного поля примерно в 20 раз быстрее, чем это происходит тогда, когда между контактами проскакивает искра. Этот быстрый спад магнитного поля, вызванный конденсатором, увеличивает напряжение во вторичной обмотке, и конденсатор является необходимой частью систем зажигания с индуктивным накоплением электрической энергии.
Насыщение катушки зажигания
Так как напряжение вторичной обмотки управляется не только тем, как быстро спадает магнитное поле, но также и тем, какова была его напряженность перед спадом, образование • сильного магнитного поля также является очень важным фактором при получении максимальной отдачи от системы зажигания с индуктивным накоплением энергии. Так как для достижения уровня 95% от максимального уровня поля (полного насыщения) требуется всего 15 мсек (0,015 сек), это сначала может показаться достаточным временем для достижения этого уровня насыщения, и это не составляет проблем. Однако, когда вы представите себе, что катушка зажигания должна обеспечивать 4 импульса высокого напряжения в течение одного оборота двигателя (на двигателях V8), поэтому остается всего лишь 0,015 сек между каждым импульсом высокого напряжения, когда двигатель работает с частотой 1000 об/мин. При 6000 об/мин должно образовываться 15 искр в секунду для каждого цилиндра, что составляет около 400 искр в секунду для двигателя V8, что составляет всего 2,5 мсек (0,0025 сек) для промежутка между искрами.
Для преодоления этого временного затруднения использовались различные технологии, которые максимально увеличивают скорость, с которой создается магнитное поле (она называется скоростью насыщения) и напряженность магнитного поля, когда оно достигает насыщения (это называется уровнем насыщения). Наиболее популярным методом увеличения скорости насыщения является конструкция катушки, рассчитанная на работу от напряжения 9 или 10 В, а не от полного напряжения АБ (12 В). Это пониженное напряжение прикладывается к катушке зажигания, когда двигатель работает на холостом ходу. Когда обороты двигателя увеличиваются, к катушке прикладывается более высокое напряжение, увеличивая скорость образования магнитного поля и компенсируя, хотя и частично, более короткое время насыщения. Наиболее популярным для этой цели прибором является балластный резистор; его температура и сопротивление изменяются при изменении оборотов двигателя, позволяя большему току поступать к катушке при высоких оборотах двигателя. Балластный резистор выполняет также другую полезную функцию: он отключается из цепи во время запуска двигателя, что уменьшает нагрузку па АБ, позволяет максимально возможному напряжению поступать на катушку зажигания, и помогает быстрому запуску двигателя. Однако современные системы электронного зажигания используют более сложные методы изменения значения напряжения, чтобы достичь максимального насыщения.
Во времена контактных прерывателей увеличение угла замкнутого состояния контактов (меры того, как долго контакты находятся в замкнутом состоянии, позволяя магнитному полю увеличиваться в катушке) увеличивало прирост мощности при высоких оборотах двигателя. Двойные контакты увеличивают угол замкнутого состояния контактов от типичного значения 30° (с одинарными контактами) примерно до 40°. Максимальное значение угла замкнутого состояния контактов, создаваемое для системы с одной катушкой зажигания, может составлять чуть меньше 45°, т. е. это продолжительность того, как долго вал распределителя поворачивается, между соседними моментами зажигания на двигателе V8. В системах электронного зажигания механические ограничения уменьшаются, и становится достижимым практически полный 45-градусный период между импульсами высокого напряжения для образования магнитного поля в катушке. Даже полный период в 45°, соответствующий углу замкнутого состояния контактов, составляет для образования магнитного поля всего лишь 0,002 сек при 7000 об/мин, поэтому в дополнение к увеличению напряжения на первичной обмотке, уровень насыщения катушки оптимизируется с помощью ее конструкции. Специальные катушки зажигания, разработанные для применения в высокооборотистых двигателях, выпускаются фирмами MSD, ACCEL, PERFORMANCE DISTRIBUTORS, MALLORY и другими. Эти высоковольтные катушки зажигания имеют высокий коэффициент трансформации и обычно потребляют повышенный ток в первичной обмотке. Вдобавок к этому, некоторые из них имеют улучшенные изолирующие и теплорассеивающие свойства. Одно замечание: большинство нз этих катушек разработано для использования с бесконтактными и/или электронными системами зажигания. Установка катушек зажигания с повышенным током в первичной обмотке на обычную контактную систему зажигания может ускорить износ контактов от искрения и перегрева.
Секреты катушек зажигания
1 - уплотнительный колпачок; 2 - контакт вторичной обмотки для высокого напряжения; 3 - контакты первичной обмотки; 4 - крышка катушки зажигания; 5 - покрытие; 6 - вторичная обмотка; 7 - первичная обмотка; 8 - кожух катушки зажигания; 9 - стеклянная изоляция.
Все происходит в катушке зажигания. Состоящая из двух отдельных обмоток (первичной и вторичной), намотанных на общем железном сердечнике, катушка зажигания представляет собой трансформатор, который использует магнитное поле, вырабатываемое током в первичной обмотке, для генерации высокого напряжения во вторичной обмотке. Рост напряжения определяется коэффициентом трансформации, который, в свою очередь, определяется соотношением числа витков вторичной и первичной обмоток.
Многие катушки зажигания высокой энергии имеют коэффициент трансформации, равный 30000/150, т. е. 200:1. Однако, используя этот коэффициент, будет получен лишь рост напряжения в 200 раз, т. е. 12В х 200 = 2400 В. Так как катушки зажигания выдают напряжение до 60 000 В, то здесь работают и другие факторы.
Скрытым фактором является то, что напряжение будет генерироваться пропорционально тому, как быстро будет расти или спадать магнитное поле. Если магнитное поле быстро спадает (менее чем за 0,001 сек), это приведет к генерации напряжения 250-300 В в первичной обмотке. Это пиковое напряжение в первичной обмотке, умноженное на коэффициент трансформации 200, даст величину напряжения до 50 000 В во вторичной обмотке, которое подается на свечи зажигания.
1 - быстрый спад магнитного поля — высокое напряжение;
2 - медленный спад магнитного поля — низкое напряжение.
1 - напряженность магнитного поля; 2 - напряжение АБ; 3 - напряжение на первичной обмотке; 4 - напряжение образования искры; 5 - длительность искры; 6 - напряжение искры; 7 - напряжение вторичной обмотки.
На рисунке показано то, что происходит с магнитным полем, напряжением в первичной обмотке и во вторичной обмотке, когда контакты размыкаются и замыкаются. Когда контакты замкнуты, напряжение 12 В подается на катушку зажигания, и в ней образуется магнитное поле. Через несколько миллисекунд контакты размыкаются и магнитное поле спадает. Это быстрое изменение поля генерирует напряжение примерно 300 В в первичной обмотке и до 60 000 В во вторичной обмотке.
1 - напряженность магнитного поля; 2 - напряжение АБ; 3 - напряжение на первичной обмотке; 4 - напряжение искры; 5 - напряжение вторичной обмотки.
Имеется еще одна важная деталь, которая помогает образованию напряжения во вторичной обмотке. По кривым можно видеть, что что-то не в порядке. Низкие напряжения в первичной и во вторичной обмотках являются результатом отсутствия конденсатора в первичной цепи. Здесь видно, почему нужен конденсатор: он уменьшает искрение в зазоре между контактами, что замедляет спад магнитного поля и уменьшает напряжение во вторичной обмотке. Конденсатор, установленный параллельно контактам, выполняет следующие функции:
• он "поглощает " напряжение "искрения " на контактах;
• позволяет магнитному полю спадать в 20 раз быстрее;
• содействует генерации повышенного напряжения во вторичной обмотке.
Хотя механические контакты заменены бесконтактным датчиком и транзисторной системой переключения, принципы работы показанной здесь системы зажигания HY FIRE MALLOR Y в основном не изменились.
Ротор распределителя зажигания проходит 45°за 0,002 сек, когда двигатель работает при 7000 об/мин; 1 - 45°.
Система зажигания с емкостным накоплением энергии
До настоящего момента мы рассматривали системы зажигания с индуктивным накоплением энергии, в которых катушка зажигания вырабатывает высокое напряжение, когда от первичной обмотки катушки отключается напряжение, что приводит к быстрому спаду магнитного поля. Эта цепь отличается простотой и требует всего лишь механического контактного выключателя (прерывателя) и конденсатора, но у нее есть недостатки. Для того чтобы получить мощную искру, магнитное поле должно иметь высокие значения, а при высоких оборотах имеется очень мало времени для этого. Если вместо надежды на быстрый спад магнитного поля, система могла быть не ограничена требованиями по насыщению катушки (имеется в виду, что скорость изменения магнитного поля — увеличения или уменьшения определяет генерацию напряжения во вторичной обмотке). Подобные системы существуют, и они обычно используются на форсированных двигателях, в частности, в системах с многоискровым зажиганием, которые будут обсуждаться далее. Так называемые системы с емкостным накоплением энергии (CDI в английской аббревиатуре) эффективно работают, в противоположность системам с индуктивным накоплением энергии (IDI). Вместо образования магнитного поля в катушке зажигания большие конденсаторы внутри электронного блока управления заряжаются до напряжения 300-400 В или больше. Затем точно в момент зажигания, определяемым тем же самым механическим или электронным выключателем в распределителе зажигания, весь заряд этих конденсаторов подается на первичную обмотку катушки зажигания. Быстро возникает очень большое магнитное поле, которое индуцирует высокое напряжение во вторичной обмотке. Система CDI ограничивается только тем, как быстро могут быть перезаряжены конденсаторы.
Искра, вырабатываемая системой CDI, является мощной и точной, но многие такие системы обеспечивают очень короткую продолжительность искры, так как магнитное поле образуется в системе CDI намного быстрее, чем оно спадает в системе IDI. Многие системы IDI генерируют искру в зазоре между электродами свечи, которая продолжается более 0,001 сек, но продолжительность искры в системе CDI часто составляет всего лишь 0,00003 сек (30 мсек), т. е. она в 30 раз короче. Фактически, некоторые системы зажигания с емкостным накоплением энергии могут вырабатывать искру на такое короткое время, что она не может обеспечивать в некоторых случаях надежного воспламенения смеси. Однако при правильной конструкции система CD1 может генерировать высоковольтную искру нужной продолжительности для обеспечения надежного воспламенения во всех двигателях.
Какую систему использовать
Контактная система зажигания IDI (подобная показанной здесь системе с двойными контактами в распределителе фирмы MALLORY) обеспечивает мощность, сравнимую с большинством электронных систем зажигания.
Когда мы рассмотрели основы, можно перейти к специфике выбора и настройки системы зажигания для оптимизации эффективности работы и мощности двигателя.
До середины 70-х и контактная система зажигания была обычной системой просто потому, что она использовалась практически на всех автомобилях с бензиновыми двигателями. Автомобили с форсированными двигателями использовали системы с двойными контактами, но система зажигания с контактным прерывателем была единственной системой, имеющейся в распоряжении автомобилестроителей. 80-е и 90-е годы изменили ситуацию полностью. Теперь системы зажигания с контактным прерывателем на новых автомобилях практически не используются, хотя почти все автомобили по-прежнему используют конструкцию Кеттеринга с катушкой зажигания. Термин "обычная" теперь подразумевает управляемую компьютером систему контроля двигателя, в которой некий электронный "черный" ящик не только управляет зажиганием, но также процессом карбюрации или дозировкой впрыска топлива, моментами переключения передач в автоматической трансмиссии и др. Несмотря на все вышесказанное, контактные системы зажигания, вероятно, будут использоваться и после 2000 года, так как они могут обеспечить более чем точный процесс воспламенения смеси в форсированных двигателях при условии правильной работы, о чем будет сказано далее.
"Обычная" система зажигания с контактным прерывателем
Но это не значит, что контактные системы зажигания являются практически такими же хорошими, как и электронные системы, или что все контактные системы являются одинаковыми. Двумя главными недостатками контактных систем зажигания являются следующие:
• Искра со временем ухудшается.
• Для очень высоких оборотов двигателя (примерно выше 7000 об/ мин контакты являются не очень практичным устройством.
Во-первых, рассмотрим проблему износа. В обычных системах зажигания с контактами, где нет никакой электроники для управления переключением катушки зажигания, поверхности контактов подают и отключают напряжение к первичной обмотке катушки зажигания. Это приводит к искрению и преждевременной эрозии поверхности контактов, нарушению регулировки зазора между контактами и снижению значения генерируемого высокого напряжения. Но это еще не все, что изнашивается при замыкании и размыкании контактов. Трущийся блок, который движется поверх кулачка на оси распределителя и действует на контакты, со временем стирается и все больше и больше изменяет регулировку контактов. Таким образом, контакты требуют регулярной регулировки и периодической замены для обеспечения хорошей работы системы.
В дополнение к износу, определяемому визуально, возвратная пружина контактов со временем ослабляет свое усилие. В некоторых случаях натяжение пружины может не соответствовать требуемому. В любом случае, если усилие пружины спадает ниже определенного уровня, движение контактов более не будет следовать за кулачками распределителя, и контакты будут перекашиваться и "сползать", не обеспечивая надежного соединения. Это уменьшает время замкнутого состояния контактов и не дает катушке зажигания полностью отдать свой "магнитный заряд".
Измеритель угла замкнутого состояния контактов может быть использован для определения смещения контактов. Если имеет место резкий спад угла замкнутого состояния контактов при увеличении оборотов двигателя, то максимальное число оборотов для контактов почти наверняка было превышено. Эта проверка легче всего производится на устройстве для проверки распределителей, однако, даже без оборудования для проверок пропуски зажигания на высоких оборотах в контактной системе зажигания обычно происходят из-за перекоса или смещения контактов, и это следует проверять в первую очередь.
Износ является проблемой у контактных систем зажигания. Контакты прерывателя подают и отключают напряжение на первичной обмотке катушки зажигания. Искрение на контактах разрушает поверхности. Также со временем изнашивается трущийся блок, который контактирует с кулачком, находящимся на валу распределителя и при этом изменяется регулировка контактов.
Если у вас есть подозрение на перекос или вибрацию контактов, то установите новые контакты, предназначенные для использования в форсированных двигателях. Если ваш двигатель способен развивать очень высокие обороты, то вы можете приобрести специальные контакты, которые будут обеспечивать надежную искру при оборотах, превышающих 9000 об/мин. Однако усилие пружины при этих проверках такое высокое, что контакты имеют очень ограниченный срок службы, и они также воздействуют на подшипники распределителя. Если вам нужна такая возможность работы на высоких оборотах, примите решение сами и откажитесь от использования контактов. Установите бесконтактную систему зажигания.
Измеритель угла замкнутого состояния контактов используется для определения вибрации контактов. Если имеет место резкий спад угла замкнутого состояния контактов, максимальные обороты для контактов почти наверняка были превышены.
Бесконтактные электронные системы зажигания
Наиболее важным улучшением системы зажигания за последние 100 лет была замена механических контактов на электронный "переключатель", который не подвержен механическому износу. В распределителе, в том же самом месте, где находились контакты, находится устройство, "чувствующее" положение распределителя с помощью магнитного якоря и прерывания луча света или какой-то другой технологии. Это устройство (датчик) посылает импульс низкого напряжения на транзисторный усилитель, расположенный в отдельном транзисторном модуле управления, который подключает и отключает напряжение на первичной обмотке катушки зажигания. Такие электронные приборы не изнашиваются (в нормальных условиях) и не подвержены механическим ограничениям типа вибрации контактов. Фактически, скорость переключения таких устройств намного больше, чем нужно даже самым высокооборотистым двигателям.
Очень важна замена механических контактов электронным "переключателем", который не подвержен механическому износу.
Изменение угла замкнутого состояния контактов в электронной системе зажигания 1 - угол замкнутого состояния контактов (УЗСК) при 600 об/мин; 2-УЗСК при 1500 об/мин; 3-УЗСК при 2500 об/мин; 4-УЗСК при 4500 об/мин.
Кроме повышения максимально допустимых оборотов двигателя и надежности работы многие электронные системы зажигания обеспечивают дополнительные преимущества. Контактные системы зажигания ограничиваются промежутком времени, соответствующим углу замкнутого состояния контактов, когда в системе восстанавливается магнитное поле — между разрядами, соответствующими искрообразованию. Электронное управление, не ограничиваемое размыканием или замыканием контактов, может оптимизировать индуктивное накопление энергии при всех оборотах двигателя путем приложения полного значения напряжения к катушке зажигания и изменения угла замкнутого состояния контактов при изменении числа оборотов двигателя. При низких оборотах угол замкнутого состояния контактов поддерживается небольшим, (коротким) для предотвращения перегрева катушки зажигания (в этих системах балластный ограничительный резистор не используется). Но при высоких оборотах двигателя, когда реальное время для образования магнитного потока уменьшается, напряжение первичной обмотки подается на катушку зажигания почти сразу же после "разрядки" катушки, оптимизируя угол замкнутого состояния контактов и выходное напряжение.
Проверки мощности показали ее небольшое увеличение при использовании электронного зажигания с более "холодными" свечами и увеличенным зазором между их электродами. Эти свечи ACCEL изменяются от "холодных" (слева) до стандартных (справа) и "горячих" (в центре), калильное число которых определяется длиной изолятора.
Кроме чисто механических преимуществ высоковольтная бесконтактная электронная система зажигания может менять способ, каким происходит зажигание в камере сгорания. Эти небольшие изменения могут потребовать специальных методик настройки двигателя для оптимизации его работы и мощности. Во-первых, повышенное напряжение на вторичной обмотке, часто позволяет эффективно использовать более "холодные" свечи зажигания. При испытаниях свечи с более "холодным" калильным числом (на 1 -2 единицы) по сравнению со стандартными обеспечивают небольшое увеличение мощности, хотя это может и не происходить в некоторых случаях. Во-вторых, повышенное значение напряжения во вторичной обмотке катушки подает больше энергии к зазору между контактами свечи, поэтому увеличение зазора на 0,25-0,5 мм может обеспечить более "сильную" искру, которая надежно поджигает топливовоздушную смесь, особенно обедненную смесь, или при высоких степенях сжатия двигателя. Более надежное начальное зажигание может, в свою очередь, увеличить скорость распространения фронта пламени, и это может потребовать небольшого запаздывания момента зажигания для достижения оптимальной мощности. Результатом может стать уменьшение мощности, если момент зажигания не корректируется от изменения времени распространения пламени. Обычно хватит лишь небольшого изменения; предположение опережения зажигания оправдано перед модификацией.
1 - электронная система зажигания; 2 - стандартная система зажигания
Приведенные графики показывают результаты серии контрольных испытаний, в которых контактная и бесконтактная системы зажигания были тщательно оптимизированы. Хотя увеличение мощности и экономии было типичным для этих систем, начальный прирост мощности и экономичности были только частью истории. После 16 000 км эксплуатации электронное зажигание по-прежнему обеспечивало мощную и своевременную искру. За это же время высокое напряжение в контактной системе зажигания заметно снизилось из-за эрозии контактов и износа блока, трущегося о кулачок вала.
Наибольшим преимуществом любой электронной бесконтактной системы зажигания является уменьшение необходимого текущего обслуживания распределителя зажигания. Это означает, что система зажигания будет работать с максимальной эффективностью в течение долгого времени, обеспечивая оптимальную экономию топлива и эффективность работы. Однако уменьшение объема обслуживания не означает полного его отсутствия. Большинство электронных систем зажигания по-прежнему используют механические устройства для увеличения или уменьшения угла опережения зажигания. Эти механизмы опережения зажигания требуют периодической проверки и обслуживания. Работа и настройка этих систем описаны в следующих разделах этой главы.
Многоискровое зажигание и увеличение продолжительности зажигания
В последние годы развитие многоискровых систем и систем зажигания с увеличенной продолжительностью искры добавили уникальные возможности как "усиленным", так и обычным системам зажигания. Вместо образования единственной короткой искры для зажигания эти системы выдают несколько высоковольтных искр или одну большей продолжительности. В многоискровых системах число искр за цикл зажигания может доходить до шести, когда промежуток времени между тактами рабочего хода самый большой. Когда обороты двигателя возрастают, количество искр уменьшается примерно до двух при высоких оборотах. В системах зажигания с увеличенной продолжительностью искры одна искра большой длительности проскакивает между электродами свечи, тогда как многоискровые системы выдают несколько искр на свече. В обоих случаях зажигание топливовоздушной смеси происходит более полно и сравнимо с качеством зажигания двигателей, оснащенных несколькими свечами зажигания.
Потенциальная мощность увеличивается у многоискровых систем или у систем с продолжительной искрой. Зависит она от характера распространения пламени в камерах сгорания. Некоторые головки блока цилиндров имеют конструкцию камер сгорания, которая обеспечивает нужную турбулентность распространения пламени; головки с неразделенными камерами сгорания небольшого объема обычно подпадают под эту категорию. Двигатели с такими головками обеспечивают очень малый прирост мощности от многоискрового зажигания или его может даже не быть вообще. С другой стороны, головки блока цилиндров с камерами сгорания неразделенного типа обычно обеспечивают медленные скорости распространения фронта пламени. На этих двигателях мощная искра большой продолжительности почти всегда повышает мощность, хотя невозможно предсказать этот прирост на конкретном двигателе. Он может составлять от практически нулевого до величины почти в 5%. Измеренный прирост мощности добавляется к приросту, обеспечиваемому хорошей системой электронного зажигания с оптимизированным моментом впрыска.
Увеличение мощности от многоискровых систем или систем с увеличенной продолжительностью искры зависит от характеристик распространения пламени в камерах сгорания. Головки блока цилиндров с разделенными камерами сгорания малого объема обеспечивают малый прирост мощности, тогда как большие камеры сгорания неразделенного типа почти всегда дают увеличение мощности, от небольшого до почти 5%.
На гоночных двигателях многоискровые системы и системы с увеличенной продолжительностью искры имеют большое значение, т. к. они помогают смягчить работу двигателя на холостом ходу и уменьшить замасливание и "заливание" свечей, которое часто мешает работе двигателя в течение нескольких первых секунд после старта.автомобиля. Для двигателя повседневного применения эти высокотехнологичные системы зажигания могут улучшить разгон и уменьшить расход топлива.
Момент зажигания и опережение зажигания
Существует момент времени, обычно измеряемый в градусах поворота коленчатого вала до ВМТ, когда воспламенение топливовоздушной смеси обеспечивает максимальную мощность двигателя и эффективность его работы. Этот "участок" максимальной мощности, довольно узкий по времени, и мощность существенно упадет всего лишь в нескольких градусах поворота в любую сторону от этой почти максимальной точки. Если зажигание происходит слишком рано, то пик давления от сгорания будет воздействовать на поршень перед тем, как • шатун и коленчатый вал будут находиться на одной линии, когда они могут эффективно преобразовать это давление во вращательное движение коленчатого вала. Если зажигание будет лишь слегка преждевременным, то результатом будет просто потеря мощности. Однако если зажигание происходит постоянно с опережением, то очень высокие давления и температуры могут привести к спонтанному сгоранию несгоревших газов в пространстве камеры сгорания, что приведет к образованию еще более высоких давлений. Это явление, называемое детонацией, может подплавить и/или образовать отверстия в поршнях, разломать поршневые кольца и в самом худшем случае могут быть повреждены шатуны и даже коленчатый вал.
Прежде всего, увеличение мощности может показаться довольно простой задачей, заключающейся в определении оптимального момента зажигания, а затем фиксации параметров системы зажигания для обеспечения образования искры точно в этот момент. К сожалению, оптимальный момент зажигания не является фиксированной величиной, более того, он изменяется в зависимости от числа оборотов и нагрузки двигателя. Для того чтобы понять, почему возникают эти сложности и как с ними обращаться, давайте вернемся немного назад и внимательно рассмотрим процессы
Читать далее Системы зажиган