Системы электроискрового зажигания

Говоря об электроискровом зажигании, следует заметить, что в самом начале на автомобилях оно реализовывалось от магнето.
Магнето — это электрическая машина индукторного типа. Преобразует механическую энергию непосредственно в энергию искрового разряда. Работает независимо от бортовой электросети.
Конструктивно в магнето совмещены (рис. 1.5): индукторный электрогенератор ИГ; повышающий трансформатор TP, первичная обмотка N± которого является индуктивным накопителем энергии; контактный прерыватель Р тока с кулачковым толкателем К; распределитель S. Ротор (постоянный магнит М) индукторного генератора ИГ, кулачок прерывателя Р и редуктор R распределителя S механически соединены общей осью и приводятся во вращение от коленвала (KB) ДВС. Когда индукционный ток в первичной обмотке трансформатора TP достигает максимального значения, контакты прерывателя Р размыкаются. Во вторичной обмотке W2 повышающего трансформатора наводится высоковольтное напряжение, которое распределяется по свечам распределителем S.
Магнето и теперь еще достаточно широко используется на тракторных пусковых и на малоцилиндровых, например мотоциклетных двигателях. Но на современных автомобилях магнето теперь не применяется.
Этому есть две причины: низкая надежность электромеханического магнето с высоковольтным распределением при его работе на многоцилиндровых ДВС и невозможность получения высокой энергии искрового разряда при низких оборотах вращения коленвала двигателя (наиболее сказывается при пуске холодного ДВС).
Классической для автомобилей является батарейная система зажигания рис. 1.6. Ее компонентный состав прост: катушка зажигания КЗ, прерыватель КП с распределителем РП и свечи зажигания СВ с высоковольтными проводами. Источником энергии для системы зажигания является бортовая система электроснабжения (U6), а источниками управляющих сигналов — механический привод ПР от распределительного вала ДВС и пневмопривод BP от разрежения во впускном коллекторе ВК.
Интересной особенностью батарейной системы зажигания является то, что в ней изначально были найдены два совершенно уникальных технических решения: индуктивный накопитель (катушка зажигания) и высоковольтный электроискровой разрядник (свечи зажигания). До тех пор, пока воспламенение топливо-воздушной смеси на легкотопливных ДВС будет осуществляться от высоковольтной искры, свечи зажигания и катушка зажигания в автомобильной системе зажигания будут присутствовать всегда. Были попытки применить пьезокерамические генераторы высокого напряжения, а также полупроводниковые свечи зажигания с поверхностным тлеющим разрядом. Но высокая сложность их конструкции и низкая надежность оставили эти попытки на уровне научно-исследовательских разработок. Системы зажигания с емкостным накопителем также не нашли широкого распространения, так как не обеспечивают требуемой для стандартных ДВС длительности электроискрового разряда. Таким образом, катушка зажигания и свечи зажигания составляют выходную электрическую схему в любой современной системе зажигания.
Существуют контактные системы зажигания, в которых число таких выходных электрических схем равно числу цилиндров двигателя, что позволяет отказаться от высоковольтного электромеханического переключателя-распределителя.
В двигателях с парным числом цилиндров возможно применение двухвыводных трансформаторов или катушек зажигания, когда оба вывода используются как рабочие (рис. 1.7). Искрообразование от двух-выводной КЗ в обеих свечах S происходит одновременно. При этом одна свеча в данном цикле рабочая, другая — холостая. Свечи устанавливаются в те цилиндры, в которых поршни имеют одинаковый ход во всех фазах движения. Для 4-х цилиндрового ДВС это первый и четвертый, а также второй и третий цилиндры. Для нормальной работы 4-х цилиндрового ДВС необходимы две двухвыводные катушки зажигания; для 6-ти цилиндрового — три; для 8-ми цилиндрового — четыре. В двигателях, оборудованных двухвыводными КЗ, порядок работы не нарушается, так как — когда в одном цилиндре сжатие и зажигание, в другом — выпуск отработавших газов. Установочный угол опережения зажигания в таких ДВС больше обычного. Инжектором носителей зарядов в одной свече (S+) является корпусной электрод, в другой свече (S-) — центральный электрод (Rn — помехоподавительный резистор).
Все многовыводные системы зажигания с индуктивным накопителем требуют значительного увеличения электроэнергии для их питания. Так, двухканальная система зажигания современного 4-х цилиндрового автомобильного двигателя потребляет от бортовой сети не, 20-30 Вт, как батарейная система зажигания, а до 100 Вт. Это не является недостатком, так как в классической батарейной системе зажигания малый ток потребления объясняется не реальной потребностью электроэнергии на оптимальное искрообразование, а невозможностью сделать этот ток больше из-за наличия в системе электромеханических контактов прерывателя, которые подвержены быстрой эрозии и выгоранию при большом коммутируемом токе. Кроме этого, в контактных системах зажигания с высоковольтным распределителем (одной катушкой зажигания) угол замкнутого состояния контактов (время накопления энергии в катушке зажигания) ограничен. В многовыводных системах зажигания накопление энергии в индуктивном накопителе происходит более продолжительное время.
Главным достижением в конструировании и совершенствовании автомобильных систем зажигания является широкое применение в их схемах полупроводниковых приборов. Так возникли контактно-транзисторная (рис. 1.8, а), бесконтактно-транзисторная (рис. 1.8, б) и тиристорная (рис. 1.8, в) системы управления первичным током катушки зажигания. Электронная часть этих систем получила название электронного коммутатора зажигания.
С внедрением электронных коммутаторов появились совершенно новые возможности реализации автоматического управления энергией индуктивного накопителя, так как коммутация тока первичной обмотки катушки зажигания стала теперь также электронной.
Дальнейшее развитие систем зажигания шло по пути внедрения электронного управления временем накопления и моментом искрообразования. Электронные блоки управления, реализующие эти функции, получили название контроллеров. Контроллер зажигания управляется от датчиков, а управляет — электронным коммутатором системы зажигания (рис. 1.8, г). Так появились системы зажигания с чисто электронным управлением.
Все это повысило такие эксплуатационные характеристики системы зажигания, как функциональная точность, продолжительность наработки на отказ, энергия высоковольтной искры, универсальность применения, надежность.
О надежности системы зажигания надо сказать отдельно. Известно, что эксплуатационная надежность N сложной технической системы определяется в основном двумя факторами: надежностью nm каждого из составных компонентов системы и их числом m: N = п± • п2 • п3 • • • пт.
Для многокомпонентных систем это означает, что самый ненадежный элемент сводит "на нет" надежность всех остальных. Так, если контактная пара прерывателя (п = 0,75) в классической батарейной системе зажигания перегорает, то высоконадежный элемент этой системы — катушка зажигания (п = 0,99) — не защищает систему от выхода из строя. А в батарейной системе зажигания низконадежных элементов немало. Кроме электрических контактов прерывателя и распределителя (п = 0,85), это еще и такие механические составные части системы, как центробежный регулятор (п = 0,80), вакуумный регулятор (п = 0,95), привод (п = 0,90) от коленвала ДВС.