Богатырев А.В., Есеновский-Лашков Ю.К. и др. Автомобили

Подождите немного. Документ загружается.

11.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ.

КЛАССИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ

Система зажигания предназначена для принудительного вос-

пламенения рабочей смеси в камере сгорания бензиновых двига-

телей точно в заданный момент времени. Для выполнения этого

должны быть созданы импульсы высокого напряжения требуемой

мощности, обеспечено надежное зажигание рабочей смеси в опре-

деленный момент рабочего цикла двигателя, распределены им-

пульсы высокого напряжения по цилиндрам в соответствии с по-

рядком работы цилиндров двигателя.

К системе зажигания предъявляют следующие жесткие требо-

вания: работа в любых климатических условиях эксплуатации при

вибрации, воздействии пыли, влаги и других факторов; надежное

искрообразование на любых режимах работы двигателя; достаточ-

ная энергия и продолжительность искры; строго определенный

момент зажигания в соответствии с нагрузочным и скоростным

режимами работы двигателя; допустимая эрозия электродов свечи.

Классификация систем зажигания. Различают следующие систе-

мы зажигания: по способу синхронизации искрообразования

—

контактные и бесконтактные; способу накопления энергии

—

ин-

дуктивные и емкостные; способу разрыва первичной цепи — с ме-

ханическим разрывом и транзисторные; способу распределения им-

пульсов высокого напряжения

—

с механическим и электронным

распределением; способу регулирования угла опережения зажига-

ния

— с

механическими автоматами и электронным регулированием.

Наиболее распространенные системы с индуктивным накопле-

нием энергии (с катушками зажигания), контактным способом

синхронизации, механическим распределением импульсов и ме-

ханическими автоматами регулирования угла опережения зажига-

ния называют классическими (батарейными).

Состав классической контактной системы зажигания (рис. 11.3, а):

источник энергии постоянного тока (аккумулятор или генера-

тор), прерыватель, конденсатор, катушка зажигания и искровые

свечи. Эти элементы составляют две цепи: первичную и вторич-

ную. Первичная цепь: источник энергии G

—

прерыватель

—

первичная обмотка L1 катушки зажигания и конденсатор СУ,

подключенный параллельно контактам прерывателя. Вторичная

цепь: вторичная обмотка L2 катушки зажигания

—

искровые

свечи.

Работа классической системы зажигания. Контакты прерывателя

ПР размыкаются механически от кулачка К (связь показана на ри-

сунке штриховой линией), который имеет привод от распредели-

тельного вала, следовательно, у четырехтактных двигателей вра-

щается в 2 раза медленнее коленчатого вала. При замыкании кон-

тактов в первичной цепи нарастает ток, создавая в первичной об-

мотке L1 магнитное поле. Его силовые линии пересекают также и

150

ПР

Распределитель

зажигания

ис

tttt

/„И

, кВ

» - - - -

AiAaa

Н*

:J2B

/V*

301, мс

tty

- 3^

•

301, мс

ЗАМ

РАЗ

Г^20

ЗАМ

301, мс

РАЗ

Рис. 11.3. Схема контактной системы зажигания (а) и электрические сигналы

первичной и вторичной цепи (б):

—

источник энергии (генератор или аккумуляторная батарея); ПР

—

прерыватель; С1

—

кон-

денсатор; X*—кулачок; A3 —катушка зажигания; ИС— искровые свечи; /—первичный ток;

2— импульс напряжения первичной цепи; 3— импульс вторичного напряжения; ЗАМ— кон-

такты замкнуты; РАЗ— контакты разомкнуты

витки вторичной обмотки L2. Катушка зажигания является повы-

шающим трансформатором. Коэффициент трансформации

/ур =

и>2/и>1

= 55...90 (здесь и>

и>! —

число витков соответственно

вторичной и первичной обмоток). Если в первичной обмотке на-

пряжение составляет

10... 12

В, то во вторичной обмотке оно дос-

тигает 300...400 В.

Для пробоя воздушного промежутка в свече нужно

16 000...20 000 В. Такой импульс высокого напряжения возникает

при размыкании контактов прерывателя, когда первичная цепь

разрывается, ток исчезает и магнитное поле цепи резко сокраща-

ется. Силовые линии поля с большой скоростью пересекают вит-

ки вторичной обмотки. По закону Фарадея электродвижущая сила

(ЭДС) прямо пропорциональна скорости пересечения проводника

магнитным полем. В этот момент во вторичной обмотке наводит-

151

ся ЭДС высокого напряжения (16...25 кВ), благодаря чему проис-

ходит пробой зазора между электродами разрядника (свечи ИС).

При разрыве первичной цепи в ее обмотке L1 возникает ЭДС

самоиндукции (при напряжении 200...400 В), которая направлена

в обратную сторону. Она создает искру между контактами преры-

вателя, что приводит к их обгоранию. Конденсатор СУ, включен-

ный в цепь параллельно контактам, поглощает ЭДС самоиндук-

ции, чем предотвращает возникновение искры между контактами.

Затем конденсатор разряжается через первичную обмотку, что

приводит к возникновению тока во вторичной обмотке и продле-

нию индуктивной фазы разряда («хвост искры»), который обеспе-

чивает лучшее зажигание смеси.

Процесс создания высокого напряжения можно разделить на

три этапа (рис. 11.3, б): 1) контакты прерывателя замкнуты

—

ЗАМ; 2) контакты прерывателя разомкнуты

—

РАЗ; 3) пробой ис-

крового промежутка

—

начало этапа РАЗ.

Первый этап: подключение первичной обмотки катушки зажи-

гания (накопителя) к источнику тока. Ток 1

в первичной цепи

(верхний график) нарастает по экспоненте:

где U

—

напряжение источника тока; R\

—

суммарное активное сопротивление

первичной цепи; /

—

текущее время; ii = Zi//?|

—

постоянная первичного контура;

—

индуктивность катушки.

При этом в катушке зажигания накапливается электромагнит-

ная энергия.

Таким образом, сила тока в первичной обмотке зависит от вре-

мени первого этапа, т. е. времени замкнутого состояния контак-

тов. Следовательно, ток разрыва

= % а-е-'-'Ч

Второй этап. Размыкание контактов приводит к отключению

катушки от источника тока. Первичный ток исчезает. Накоплен-

ная энергия превращается в электростатическую. Магнитное поле

исчезает, и во вторичной обмотке индуцируется ЭДС высокого

напряжения. Напряжение во вторичной обмотке тем больше, чем

больше коэффициент трансформации, ток в первичной обмотке в

момент размыкания контактов и скорость сокращения магнитно-

го поля.

Уравнение баланса энергии в первичной и вторичной цепях

(без учета потерь)

—

электромагнитная энергия катушки преобра-

зуется в энергию электрического поля конденсаторов и частично

расходуется на тепловые потери:

152

(X, /

/ 2=) / 2+(C

i/|) / 2.

Принимая

(wi/w

= hpl/2, получаем

где

x] —

коэффициент затухания;

= 0,75...0,85; С

—

емкость первичной цепи

(конденсатора); С

—

емкость вторичной цепи.

На рисунке 11.3, £ показаны переходные процессы в системе

зажигания: верхняя часть

—

в прерывателе (изменение первичного

тока), нижняя —во вторичной обмотке (изменение вторичного

тока). В момент разрыва контактов ток в первичной обмотке резко

снижается. В этот момент во вторичной обмотке резко нарастает

импульс высокого напряжения (нижний график). Затем первич-

ный ток затухает с колебаниями

—

происходит нагрев первичной

цепи. Если напряжение недостаточно для пробоя искрового про-

межутка свечи, то и во вторичной обмотке происходят затухаю-

щие колебания.

Энергия искрового разряда

^ир^/рЧ'

где

rip —

коэффициент передачи запасенной энергии в энергию искры: для тради-

ционной (цилиндрической формы) катушки зажигания rjp

0,35...0,45. Этот ко-

эффициент характеризует магнитную связь между первичной и вторичной обмот-

ками.

Из этой формулы видно, что увеличить энергию искры можно

за счет увеличения индуктивности L

первичной цепи (катушки)

или тока разрыва /

. Для классических систем зажигания ток раз-

рыва /

= 3,5...4 А из-за резкого снижения ресурса контактов. Уве-

личение индуктивности L

ограничивается условием обеспечения

бесперебойности искрообразования на максимальных частотах

вращения, так как при постоянном напряжении батареи с увели-

чением частоты вращения индуктивность должна уменьшаться.

Направления совершенствования классической системы зажига-

ния. Напряжение во вторичной цепи системы зажигания можно

увеличить за счет изменения значений тока разрыва и параметров

первичной (L

{

, R

{

) и вторичной (С

, w^w,) цепей. Параметры

первичной цепи зависят от режима двигателя (частота вращения и

число цилиндров) и работы прерывателя (время замкнутого состо-

яния контактов).

Ток разрыва /

в основном зависит от времени замкнутого со-

стояния контактов. При воздействии на контакты вращающегося

153

кулачка специального профиля это время определяется углом зам-

кнутого состояния контактов, увеличивая который, можно увели-

чить ток разрыва. Однако конструктивно добиться более 60...65 %

времени замыкания контактов невозможно. Хотя есть зарубежные

модели, в которых этот период достигает 85 % (при наличии двух

прерывателей и одной катушки).

Время замкнутого состояния контактов / = а/6 л, здесь а

—

угол

замкнутого состояния контактов.

С повышением частоты вращения это время уменьшается,

вследствие чего снижается напряжение во вторичной цепи U

(см.

рис. 11.2, б). На низких частотах напряжение падает из-за дугооб-

разования на контактах. При высоких частотах напряжение падает

из-за уменьшения времени их замкнутого состояния.

Нарастание тока пропорционально отношению напряжения

батареи к индуктивности катушки UJL\ и сопротивления R\ цепи.

Значит, чтобы увеличить ток разрыва, можно уменьшить сопро-

тивление первичной цепи. Однако чрезмерное уменьшение со-

противления и увеличение угла замкнутого состояния контактов

приводят к увеличению обгорания контактов, особенно на низких

частотах вращения.

Уменьшить емкость конденсатора Q не позволяет возникаю-

щее в момент разрыва контактов дугообразование, что вызывает

дополнительные потери энергии. Значения С

выбирают в преде-

лах 0,15...0,35 мкФ.

Величину С

(емкость свечи и вторичной обмотки катушки за-

жигания) уменьшить не позволяет технология изготовления. Она

находится в пределах 40...75пкФ, в экранированных системах

—

до 150 пкФ, т. е. вторичное напряжение в экранированных систе-

мах меньше.

Увеличивая коэффициент трансформации можно повысить

вторичное напряжение, однако оно снижается затем из-за сопро-

тивления свечи. Для существующих систем при индуктивности

первичной обмотки 6,5...9,5 мГн оптимальный коэффициент

трансформации равен 55...95.

Из сравнения формулы по определению энергии искрового

разряда и вторичного напряжения видно, что обе величины зави-

сят оттока разрыва. Значит, для повышения эффективности зажи-

гания смеси нужно увеличить ток разрыва.

11.3. ПРИБОРЫ КЛАССИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

Свеча зажигания работает в очень тяжелых условиях. Темпера-

тура в искре достигает 10 000 К. В это время электроны с одного

электрода активно переносятся на другой, т. е. происходит эрозия

электродов. Температура в камере сгорания достигает 2800 К. На-

пряжение может составлять 25...30кВ. Поэтому свеча должна об-

154

ладать стойкостью к электрической эрозии; иметь высокие изоля-

ционные свойства, герметичность; выдерживать высокие темпера-

туры и перепады температур (не трескаться, не шелушиться);

обеспечивать хороший отвод теплоты от частей свечи, находящих-

ся в камере сгорания, к головке цилиндров и самоочищение элек-

тродов.

Устройство и маркировка свечей зажигания. Свечу вворачивают

в головку цилиндров. В металлический корпус 4 свечи (рис. 11.4, а)

завальцован изолятор 2 с центральным электродом 5. Последний

заплавлен в проставку 3 стеклосплава, которая обеспечивает гер-

метичность соединения изолятор

—

центральный электрод. Боко-

вой электрод 6 приварен к корпусу.

Центральный электрод изготовлен из стали 13Х25Т или

Х20Н80, боковой электрод

—

из сплава НМц-5. Для улучшения

охлаждения свечи (почти 90 % теплоты от свечи передается че-

рез резьбовую часть и нижний пояс корпуса к головке цилинд-

ров) между корпусом и изолятором устанавливают теплоотводя-

щее кольцо, а под корпус свечи

—

уплотнительное медное

кольцо 7.

Свечи различают по тепловой характеристике (рис. 11.4, б), ко-

торая определяется калильным числом

—

показателем, пропорци-

о 6

Рис. 11.4. Искровая свеча зажигания (а) и тепловые характеристики свечей (б):

—

стержень; 2— изолятор; 3

—

токопроводящая проставка (герметик); 4— корпус; 5— цент-

ральный электрод; б—боковой электрод; 7—уплотнительное кольцо; /, //, ///—холодная,

горячая и термоэластичная свечи

155

ональным среднему индикаторному давлению, при котором начи-

нается калильное зажигание (верхний температурный предел).

Калильное число определяют экспериментально на одноцилинд-

ровой установке.

В интервале температур 500...900 К происходит самоочищение

электродов. Нижнему значению температурного предела соответ-

ствует интенсивное нагарообразование. Применяют свечи с ка-

лильным числом 8; 11; 14; 20, 23; 26.

Маркировка свечей означает следующее: А— резьба

М14х 1,25; М —резьба М18х 1,5; цифра

—

калильное число; бук-

ва Н или Д

—

длина резьбовой части (Н

—

11 мм, Д

—

19 мм); В

—

тепловой конус изолятора выступает за торец корпуса (если нет

этой буквы

—

не выступает); Т (термоцемент)

—

наличие гермети-

ка между центральным электродом и изолятором (иные герметики

не указывают в обозначении).

Пример: А17ДВ (в двигателях ВАЗ) —резьба М14х1,25, ка-

лильное число 17, длина резьбовой части 19 мм, тепловой конус

изолятора выступает за торец корпуса.

Свечи подбирают к двигателю так, чтобы на всех эксплуатаци-

онных режимах двигателя свеча работала в допустимом темпера-

турном диапазоне своей тепловой характеристики. «Горячие» све-

чи рекомендуются для малофорсированных двигателей, «холод-

ные»

—

прогреваются быстрее при меньших нагрузках, быстрее

достигают температуры самоочищения.

Неисправности свечей зажигания. Свеча обеспечивает нормаль-

ное искрообразование, если она не мокрая (электроды не покры-

ты пленкой жидкости), ободок резьбовой части не покрыт нага-

ром (слоем копоти), цвет электродов и изолятора от светло-ко-

ричневого до светло-серого (а не темно-коричневого с пятнами).

Иногда нарушается герметичность изолятора с электродом или

корпусом и происходит оплавление электродов, изолятора.

О богатой смеси или большом зазоре между электродами сви-

детельствуют черные закопченные электроды и изолятор; бедной

емкости, плохо отрегулированных клапанах, плохо затянутых све-

чах и применении низкооктанового бензина

—

серый цвет элект-

родов и следы оплавления их; об износе поршневых колец и нера-

ботающей свече

—

наличие масла на электродах и изоляторе.

Неисправную свечу можно точно определить только на специ-

альном приборе.

Через

10... 15

тыс. км пробега регулируют зазор между электрода-

ми. В классической системе зажигания он должен составлять

0,5...0,6 мм, в бесконтактной системе —0,8...0,9 (до 1,2 мм). Момент

затяжки свечи при установке в головку цилиндров 15...40 Н

•

м.

Катушка зажигания представляет собой повышающий авто-

трансформатор. Ее сердечник 6 (рис. 11.5) набран из пластин

трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. На сердечник с изо-

лирующей прокладкой намотано 18...25 тыс. витков wi первичной

156

Рис. 11.5. Катушка зажигания:

/, 11, 14— выводы низкого напряжения без маркировки, ВК и ВК-Б; 2

—

магнитопровод; 3,

первичная и вторичная обмотки; 5— изолятор; 6— сердечник; 7— кожух; 8— добавочный

резистор; 9— изолятор; 10— изолирующий картон; 12— карболитовая крышка; 13— наконеч-

ник; 15— шины

J, а поверх нее

—

220...300 витков w

вторичной обмотки 4. Следо-

вательно, коэффициент трансформации катушки = 62...80.

Внешнее расположение первичной обмотки обеспечивает ее

лучшее охлаждение. Толщина медной проволоки первичной об-

мотки 0,52...0,86 мм, вторичной обмотки 0,07...0,09 мм. Под кожу-

хом 7 установлен магнитопровод 2. Изолятор 5 и карболитовая

крышка

изолируют между собой сердечник и кожух. Весь объем

катушки заполнен трансформаторным маслом, которое является

общим изолятором и способствует лучшему теплообмену.

Центральная высоковольтная клемма с наконечником 13 со-

единена с одним из концов вторичной обмотки и служит для уста-

новки выходного провода высокого напряжения. Другой конец

вторичной обмотки соединен с одним из концов первичной об-

мотки, и оба они выведены на клемму 1 (безымянную). Другой

конец первичной обмотки выведен на клемму 77. К клемме 14

подсоединен добавочный резистор 8 сопротивлением

1...

1,9 Ом.

Катушки рассчитаны на работу при напряжении 6...8 В, кото-

рое бывает у аккумуляторной батареи при пуске двигателя. Поэто-

му во время работы двигателя такое напряжение обеспечивает до-

полнительный резистор, а при пуске двигателя он шунтируется

(«закорачивается», т. е. ток идет мимо него). Некоторые модели

катушек не имеют таких резисторов.

В бесконтактных системах зажигания применяют двух- и четы-

рехвыводные катушки зажигания. Они компактнее, имеют замк-

157

нутый магнитопровод, их обмотки намотаны в обратной последо-

вательности: сначала первичная, а потом вторичная. Эти катушки

имеют два или четыре высоковольтных вывода. Высокое напряже-

ние коммутируется сразу на двух выводах. Соответственно искра

возникает сразу в двух цилиндрах (1-ми 4-м или 2-м и 3-м). В од-

ном из них она рабочая, создается в конце такта сжатия, а в дру-

гом

—

холостая, так как там в этот момент конец такта выпуска.

Например, в двигателе BA3-21083 применена двухвыводная ка-

тушка 29.3705.

Прерыватель-распределитель включает в себя прерыватель, цен-

тробежный и вакуумный автоматы управления углом опережения

зажигания, октан-корректор и распределитель.

Прерыватель состоит из неподвижного (рис. 11.6) и подвижно-

го контактов, выполненных из тугоплавкого стойкого к электри-

ческой эрозии металла (вольфрама). Неподвижный контакт («на-

коваленка») закреплен на пластине 3, установленной на шарико-

подшипнике. Подвижной контакт («молоточек») закреплен на

текстолитовом рычажке 4, поджатом пластинчатой пружиной 6.

Рычажок имеет выступ, который воздействует на кулачок 8, имею-

щий столько же вершин, сколько цилиндров обслуживает преры-

ватель. Кулачок насажен на кулису 23 и вращается от вала 9, кото-

рый чаще всего имеет привод от распределительного вала ГРМ.

Вал прерывателя-распределителя вращается в 2 раза медленнее

коленчатого вала.

Подвижной контакт соединен с «массой», а неподвижный

—

клеммой ВК-Б катушки зажигания. При набегании вершины ку-

лачка на выступ рычажка подвижной контакт отходит от непод-

вижного, и первичная цепь размыкается. Зазор (обычно

0,35...0,45 мм) между контактами, определяющий угол их замкну-

того состояния, регулируют двумя винтами: стопорным и эксцент-

риковым. Отпустив стопорный винт и вращая отверткой эксцент-

риковый, можно увеличить или уменьшить этот зазор.

Центробежный автомат служит для изменения угла опереже-

ния зажигания в зависимости от частоты вращения вала двигателя.

На осях 22пластины 77, закрепленной на валу 9, установлены гру-

зики 10, стянутые пружинами 72. Сверху установлена пластина

(кулиса) 23, в прорези которой входят штифты грузиков. Кулиса

жестко связана с кулачком 8. При вращении вала грузики расхо-

дятся под действием центробежной силы и через штифты повора-

чивают по ходу вращения кулачок. Он раньше набегает на выступ

4 подвижного контакта, что обеспечивает раннее зажигание. На

максимальной частоте вращения угол опережения зажигания дос-

тигает 30...40° угла поворота коленчатого вала. Пружины 72имеют

разную жесткость, что обеспечивает разное изменение угла опере-

жения (ломаная линия на рис. 11.7, а)

Вакуумный автомат служит для изменения угла опережения за-

жигания в зависимости от нагрузки двигателя. Поскольку обога-

158

<вг

Рис. 11.6. Прерыватель-распределитель

Р119Б:

—

крышка; 2

—

токоразносная пластина;

J—пластина неподвижного контакта; 4

—

рычажок; 5—контакты; б—пружина; 7—

неподвижный диск; <?—кулачок; 9— вал;

10— грузик; 7/—пластина грузиков;

12 —

пружина; 13— корпус; 14, нижняя и

верхняя пластины октан-корректора; 15—

втулка; 76—штифт; 77—гайки; 19— маслен-

ка; 20— вакуумный регулятор; 27 —тяга;

22—ось грузика; 23— кулиса; 24— стопор-

ное кольцо