Системы зажигания. Система зажигания автомобиля: предназначения, устройство, принцип работы Как называется генератор зажигания двигателя

Назначение устройства и принцип работы.

Основное назначение системы зажигания автомобиля является подача искрового разряда на свечи зажигания в определённый такт работы бензинового двигателя. Для дизельных двигателей под зажиганием понимают момент впрыска топлива в такт сжатия. В некоторых моделях автомобилей система зажигания, а именно ее импульсы подаются на блок управления погружным топливным насосом. Систему зажигания, по мере своего развития, можно разделить на три типа. Контактная система зажигания, импульсы у которой создаются во время работы контактов на разрыв. Бесконтактная система зажигания, управляющие импульсы создаются электронным транзисторным управляющим устройством – коммутатором, (хотя правильно его назвать генератором импульсов). Микропроцессорная система зажигания - это электронное устройство, которое управляет моментом зажигания, а также другими системами автомобиля. Для двухтактных двигателей, без внешнего источника питания используются системы зажигания типа магнето. Основана на принципе создания ЭДС при вращении постоянного магнита в катушке зажигания по заднему фронту импульса.

Устройство системы зажигания

Все вышеперечисленные виды систем зажигания похожи между собой, отличаются только методом создания управляющего импульса. Так в систему зажигания входят:

1.Источник питания для системы зажигания, это аккумуляторная батарея (в момент запуска двигателя), и генератор (во время работы двигателя).

2.Выключатель зажигания – это механическое или электрическое контактное устройство подачи напряжения на систему зажигания, или по-другому – замок зажигания. Как правило, выполняет две функции: подачи напряжения на бортовую сеть и систему зажигания, подачи напряжения на втягивающее реле стартера автомобиля.

3.Накопитель энергии – узел предназначенный для накопления, преобразования энергии достаточной для возникновения электрического разряда между электродами свечи зажигания. Условно накопители энергии можно разделить на индуктивный и емкостный.

Простейший индуктивный накопитель – это катушка зажигания, которая представляет собой автотрансформатор, первичная обмотка у него подключается к плюсовому полюсу и через устройство разрыва к минусовому. Во время работы устройства разрыва, например кулачков зажигания, в первичной обмотке возникает напряжение самоиндукции. Во вторичной обмотке образуется повышенное напряжение, достаточное для пробоя воздушного зазора свечи.

Емкостный накопитель представляет собой емкость, которая заряжается повышенным напряжением и в нужный момент отдает свою энергию на свечу зажигания

4.Свечи зажигания, представляют собой устройство с двумя электродами находящимися друг от друга на расстоянии 0,15-0,25 мм. Представляет собой фарфоровый изолятор, насаженный на металлическую резьбу, в центре находится центральный проводник, который служит электродом, вторым электродом является резьба.

5.Система распределения зажигания предназначена для подачи в нужный момент энергии от накопителя к свечам зажигания. В состав системы входят распределитель, и(или) коммутатор, блок управления системой зажигания.

Распределитель зажигания (трамблёр) – устройство распределения высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам цилиндров. Обычно в распределителе собран и кулачковый механизм. Распределение зажигания может быть механическим и статическим. Механический распределитель представляет собой вал, который приводится в действие от двигателя и при помощи «бегунка» распределяет напряжение по высоковольтным проводам. Статическое распределение зажигания подразумевает под собой отсутствие вращающихся деталей. При таком варианте катушка зажигания присоединятся непосредственно к свече, а управление происходит от блока управления зажиганием. Если, например, двигатель автомобиля имеет четыре цилиндра, то и катушек будет четыре. Высоковольтные провода в данной системе отсутствуют.

Коммутатор – электронное устройство для генерации импульсов управления катушкой зажигания, включается в цепь питания первичной обмотки катушки и по сигналу от блока управления разрывает питание, в результате чего возникает напряжение самоиндукции.

Блок управления системой зажигания – микропроцессорное устройство, которое определяет момент подачи импульса в катушку зажигания, в зависимости от данных датчиков положения коленвала, лямбда-зондов, температурных датчиков и датчика положения распредвала.

6.Высоковольтный провод - это одножильный провод с повышенной изоляцией. Внутренний проводник может иметь форму спирали, для исключения помех в радиодиапазоне.

Принцип работы системы зажигания

Рассмотрим принцип действия классической системы зажигания. При вращении вала привода трамблёра в действие приводятся кулачки, которые «разрывают» подаваемые на первичную обмотку автотрансформатора (бобину) 12 вольт. При пропадании напряжения на трансформаторе, в обмотке появляется ЭДС самоиндукции, соответственно на вторичной обмотке возникает напряжение порядка 30000 вольт. Высокое напряжение подается в распределитель зажигания (бегунок), который вращаясь попеременно подает напряжение на свечи в зависимости от такта работы двигателя внутреннего сгорания. Высокого напряжения достаточно для пробоя искровым разрядом воздушного зазора между электродами свечи зажигания.

Опережение зажигания нужно для более полного сгорания топливной смеси. Из-за того, что топливо сгорает не сразу, поджечь его необходимо немного раньше, до прихода в ВМТ. Момент подачи искры должен быть точно отрегулирован, потому что в ином случае (раннее или позднее зажигание) двигатель потеряет свою мощность, возможна повышенная детонация.

Рассмотрим принцип действия бесконтактной системы зажигания на примере системы зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099. Определим, откуда берется искра для поджига топливной смеси в камере сгорания и почему она проскакивает своевременно для каждого цилиндра.

Бесконтактная система зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099 включает в себя катушку зажигания, свечи зажигания, высоковольтные провода (бронепровода), трамблер с распределителем зажигания, датчиками-регуляторами опережения зажигания (центробежным и вакуумным) и датчиком Холла, также коммутатор и провода низкого напряжения.

Схема бесконтактной системы зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

схема бесконтактной системы зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

Откуда поступает ток в систему зажигания?

Электрический ток в систему зажигания поступает с вывода «30» генератора, через монтажный блок предохранителей и реле, реле зажигания и далее на вывод «Б» катушки зажигания. Система запитывается после поворота ключа в замке зажигания.

Принцип действия бесконтактной системы зажигания

— При работе двигателя вращается вал распределителя зажигания (трамблера). В работу вступает . Стальной круглый экран с четырьмя прорезями на валу трамблера, вращаясь, проходит через зазор этого датчика. Когда проходит прорезь экрана, напряжение отдаваемое датчиком ниже бортового на 3 В или равно ему, когда зубец экрана, напряжение падает практически до нуля. Прохождение каждого из четырех зубцов соответствует такту сжатия и моменту зажигания в одном из цилиндров двигателя.

Примечания и дополнения

работа центробежного регулятора опережения зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

вакуумный регулятор опережения зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

Основным назначением системы зажигания автомобиля является подача искрового разряда на свечи зажигания в определённый . Для дизельных двигателей под зажиганием понимают момент впрыска топлива в такт сжатия. В некоторых моделях автомобилей система зажигания, а именно ее импульсы, подаются на блок управления погружным топливным насосом.

Систему зажигания, по мере своего развития, можно разделить на три типа. Контактная система зажигания , импульсы у которой создаются во время работы контактов на разрыв. Бесконтактная система зажигания , управляющие импульсы создаются электронным транзисторным управляющим устройством – коммутатором, (хотя правильно его назвать генератором импульсов). Микропроцессорная система зажигания - это электронное устройство, которое управляет моментом зажигания, а также другими системами автомобиля. Для двухтактных двигателей, без внешнего используются системы зажигания типа магнето. Основана на принципе создания ЭДС при вращении постоянного магнита в катушке зажигания по заднему фронту импульса.

Устройство системы зажигания

Схема системы зажигания: 1 - замок зажигания; 2 - катушка зажигания; 3 - распределитель, 4 - свечи зажигания; 5 - прерыватель, 6 - масса.

Источник питания для системы зажигания, это (в момент запуска двигателя), и (во время работы двигателя).
Выключатель зажигания – это механическое или электрическое контактное устройство подачи напряжения на систему зажигания, или по-другому – замок зажигания. Как правило, выполняет две функции: подачи напряжения на бортовую сеть и систему зажигания, подачи напряжения на втягивающее реле .
Накопитель энергии – узел предназначенный для накопления, преобразования энергии достаточной для возникновения электрического разряда между электродами свечи зажигания. Условно накопители энергии можно разделить на индуктивный и емкостный.
1. Простейший индуктивный накопитель – это катушка зажигания, которая представляет собой автотрансформатор, первичная обмотка у него подключается к плюсовому полюсу и через устройство разрыва к минусовому. Во время работы устройства разрыва, например кулачков зажигания, в первичной обмотке возникает напряжение самоиндукции. Во вторичной обмотке образуется повышенное напряжение, достаточное для пробоя воздушного зазора свечи.
2. Емкостный накопитель представляет собой емкость, которая заряжается повышенным напряжением и в нужный момент отдает свою энергию на свечу зажигания
Свечи зажигания , представляют собой устройство с двумя электродами находящимися друг от друга на расстоянии 0,15-0,25 мм. Это фарфоровый изолятор, насаженный на металлическую резьбу. В центре находится центральный проводник, который служит электродом, вторым электродом является резьба.
Система распределения зажигания предназначена для подачи в нужный момент энергии от накопителя к свечам зажигания. В состав системы входят распределитель, и(или) коммутатор, блок управления системой зажигания .
1. Распределитель зажигания (трамблёр) – устройство распределения высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам цилиндров. Обычно в распределителе собран и кулачковый механизм. Распределение зажигания может быть механическим и статическим. Механический распределитель представляет собой вал, который приводится в действие от двигателя и при помощи «бегунка» распределяет напряжение по высоковольтным проводам. Статическое распределение зажигания подразумевает под собой отсутствие вращающихся деталей. При таком варианте катушка зажигания присоединятся непосредственно к свече, а управление происходит от блока управления зажиганием. Если, например, двигатель автомобиля имеет четыре цилиндра, то и катушек будет четыре. Высоковольтные провода в данной системе отсутствуют.
2. Коммутатор – электронное устройство для генерации импульсов управления катушкой зажигания, включается в цепь питания первичной обмотки катушки и по сигналу от блока управления разрывает питание, в результате чего возникает напряжение самоиндукции.
3. Блок управления системой зажигания – микропроцессорное устройство, которое определяет момент подачи импульса в катушку зажигания, в зависимости от данных датчиков положения коленвала, лямбда-зондов, температурных датчиков и датчика положения распредвала.
Высоковольтный провод - это одножильный провод с повышенной изоляцией. Внутренний проводник может иметь форму спирали, для исключения помех в радиодиапазоне.

Принцип работы системы зажигания

Рассмотрим принцип действия классической системы зажигания. При вращении вала привода трамблёра в действие приводятся кулачки, которые «разрывают» подаваемые на первичную обмотку автотрансформатора (бобину) 12 вольт. При пропадании напряжения на трансформаторе, в обмотке появляется ЭДС самоиндукции, соответственно на вторичной обмотке возникает напряжение порядка 30000 вольт. Высокое напряжение подается в распределитель зажигания (бегунок), который вращаясь попеременно подает напряжение на свечи в зависимости от такта работы . Высокого напряжения достаточно для пробоя искровым разрядом воздушного зазора между электродами свечи зажигания.

Д.Соснин

На легковых автомобилях, оборудованных бензиновым двигателем внутреннего сгорания, применяются различные системы электроискрового зажигания: контактные, контактно-транзисторные, бесконтактно-транзисторные, электронно-цифровые, микропроцессорные.

1. Транзисторные системы зажигания

Транзисторные системы зажигания принято подразделять на две группы:

Контактно-транзисторные (КТСЗ) и бесконтактно-транзисторные (БТСЗ). В контактно-транзисторной системе зажигания контактная пара прерывателя в первичной цепи катушки зажигания отсутствует и заменена транзисторным ключом КТ. Но сам транзисторный ключ управляется по базе контактной парой механического прерывателя К прежней конструкции. Это позволило уменьшить ток разрыва в контактной паре и за счет усиления в транзисторе увеличить ток разрыва в индуктивном накопителе (в первичной обмотке катушки зажигания). При этом коэффициент запаса по вторичному (выходному) напряжению увеличился. Эксплуатационная надежность системы зажигания стала несколько выше. Наряду с контактно-транзисторными системами зажигания были разработаны также и контактно-тиристорные системы с емкостным накопителем, которые не нашли широкого практического применения.

Бесконтактно-транзисторная система зажигания (БТСЗ) - это первая система с чисто электронным устройством управления первичным током катушки зажигания и с бесконтактным электроимпульсным датчиком момента зажигания, который, как и контактная пара в классическом прерывателе-распределителе, расположен на подвижной площадке приводного валика механического высоковольтного распределителя. Положение подвижной площадки относительно оси приводного валика (угол разворота) может регулироваться аппаратами опережения зажигания (центробежным и вакуумным). Подвижная площадка и установленный на ней активатор бесконтактного датчика представляют собой электромеханическое устройство управления моментом зажигания. Такое устройство управления в совокупности с высоковольтным распределителем образуют так называемый датчик-распределитель .

Электронное устройство управления первичным током в БТСЗ конструктивно выполнено в виде отдельного блока, который называется коммутатором. По выходу коммутатор соединен с катушкой зажигания, а по входу - управляется электроимпульсным входным датчиком на распределителе.

Таким образом, бесконтактно-транзисторная система зажигания (рис. 1) -

Это совокупность электронного коммутатора К, датчика-распределителя РР, катушки зажигания КЗ и традиционной выходной исполнительной периферии: высоковольтных проводов ВВП и свечей зажигания.

Бесконтактно-транзисторные системы зажигания (БТСЗ) стали устанавливаться на легковых автомобилях в конце 60-х годов и с тех пор постоянно совершенствовались.

В качестве бесконтактных входных датчиков с механическим приводом от распредвала ДВС были испытаны магнитоэлектрические, индукционные, электромагнитные генераторные, параметрические, оптоэлектронные и прочие преобразователи механического вращения в электрический сигнал (рис. 2).

Бесконтактный датчик выполняет в системе зажигания следующие функции: задает установочный угол* опережения зажигания; управляет моментом зажигания при изменении частоты вращения и нагрузки двигателя; определяет тактность работы ДВС. По совокупности перечисленных функций бесконтактный датчик выдает на вход коммутатора оптимальную величину

* Установочным называется угол опережения зажигания на предельно низких (холостых) оборотах двигателя, когда центробежный и вакуумный регуляторы еще не работают. текущего значения угла опережения зажигания для различных режимов работы двигателя.

Вначале, как более простой и достаточно надежный, широкое практическое применение получил магнитоэлектрический датчик. Но с разработкой активатора на эффекте Холла последний стал основным элементом для всех последующих бесконтактных датчиков электронных систем зажигания.

Не менее значительной модернизации подвергались электронные коммутаторы БТСЗ. От тиристорных коммутаторов быстро отказались, так как система зажигания с емкостным накопителем выдает на свечи очень короткий импульс высокого напряжения (не более 250...300 мкс), что не приемлемо для большинства современных бензиновых автомобильных двигателей.

Первые простейшие транзисторные коммутаторы работали без ограничения амплитуды первичного тока, т.е. в режиме постоянной скважности импульсов зарядного тока для индуктивного накопителя (отечественный коммутатор 13.3734).

В системах зажигания с такими коммутаторами амплитуда высоковольтного импульса на вторичной обмотке катушки зажигания, как и в контактной системе, зависит от частоты вращения двигателя, а также от напряжения в бортсети автомобиля.

На смену коммутаторам с постоянной скважностью (КПС) пришли коммутаторы с нормируемой скважностью (КНС), в которых ток заряда индуктивного накопителя поддерживается в заданных пределах ограничения путем управляемого насыщения выходного транзистора. Это защищает выходной транзистор коммутатора от перегрузки по току, а также стабилизирует амплитуду тока заряда при изменении напряжения в бортсети. Выходное напряжение U2 при этом также стабилизируется.
Но ограничение тока мощного транзистора насыщением приводит к значительному выделению тепловой энергии на коллекторно-эмиттерном переходе и, как следствие, к низкой функциональной надежности системы зажигания в целом.

Исключить этот недостаток в коммутаторах с нормируемой скважностью можно введением в схему электронного регулятора времени накопления энергии (времени протекания тока заряда через индуктивный накопитель). Так появились коммутаторы с программным регулятором времени накопления (коммутатор 36.3734), а вслед за ними и более совершенные коммутаторы с адаптивным регулированием (коммутатор 3620.3734). Последние, помимо основной функции регулирования времени, обеспечивают более высокую точность поддержания параметров тока заряда при воздействии на систему зажигания различных дестабилизирующих факторов (неустойчивая работа двигателя, окружающая среда, старение и уход номиналов радиоэлементов и пр.).

Электронные коммутаторы БТСЗ исключительно разнообразны не только по схемотехническому, но и по технологическому исполнению. Электронные схемы коммутаторов,первоначально аналоговые и на дискретных радиоэлементах, были вытеснены интегральными микросхемами с цифровым принципом действия. Стали появляться коммутаторы на так называемых заказных (специально разработанных для АСЗ) больших интегральных и монокристальных схемах.

Известно более 60-ти разновидностей бесконтактных систем зажигания с электронными коммутаторами, серийно выпускаемых за рубежом. Из отечественных транзисторных коммутаторов наиболее распространены одноканальные 36.3734 и 3620.3734, а также двухканальный 6420.3734 .

В качестве примера схемной реализации бесконтактно-транзисторной системы зажигания рассмотрим один из вариантов ее принципиальной электрической схемы (рис. 3).

Выходной каскад ВК, помимо традиционной катушки зажигания и транзисторного ключа VT3, содержит ряд дополнительных элементов. VD1 - диод для защиты транзисторного ключа VT3 от обратного прохождения тока (от инверсного включения) во время емкостной фазы разряда, когда имеет место обратная полу волна напряжения в первичной обмотке катушки зажигания (инверсное включение VT3 образуется и при случайном обратном включении аккумуляторной батареи). VD2 - стабилизирующий диод для ограничения величины падения напряжения на участке эмиттер-коллектор закрытого (разомкнутого) транзистора VT3 (защита от перенапряжения). Конденсатор С1 с первичной обмоткой катушки зажигания образует последовательный колебательный контур ударного возбуждения, что увеличивает скорость нарастания выходного напряжения системы зажигания. Резистор R3 ограничивает ток разряда конденсатора С1 через открытый (замкнутый) ключ VT3. Для того чтобы ключ VT3 работал стабильно, т.е. при включении и выключении обеспечивал крутые фронты и постоянство амплитуды импульса первичного тока в катушке зажигания, управляющий (базовый) импульс тока транзистора VT3 должен быть с крутыми фронтами и достаточно большим по амплитуде для глубокого насыщения транзистора. На формирование управляющего импульса тока работает предварительный усилитель-ограничитель на транзисторе VT1 и стабилизирующий транзистор обратной связи VT2.

Перечисленные элементы составляют электрическую схему коммутатора ТСЗ.

Датчик-распределитель содержит механическое устройство управления моментом зажигания, в кото рое входят магнитная система М датчика Холла с индукцией поля В, активатор ЭХ датчика Холла, усилительограничитель УО, триггер Шмитта ТШ, разделительный транзистор VT и стабилизатор напряжения СТ.

В датчик-распределитель входят также центробежный (ЦБР) и вакуумный (ВР) регуляторы, магнитный атенюатор А датчика Холла и собственно сам ротационный высоковольтный распределитель РР. Следует отметить, что электронный коммутатор в БТСЗ является лишь формирователем формы импульса тока в первичной обмотке катушки зажигания, а значит и скорости нарастания вторичного напряжения но к формированию момента зажигания коммутатор прямого отношения не имеет. Момент зажигания в БСЗ, как и в контактных системах, формируется электромеханическим устройством управления - бесконтактным датчиком на распределителе. Это обстоятельство является принципиальным недостатком всех бесконтактно-электронных систем зажигания. Второй недостаток - наличие в системе ротационного высоковольтного распределителя. Дальнейшее совершенствование автомобильных систем зажигания шло по пути устранения этих недостатков.

2. Электронные и микропроцессорные системы зажигания

Рассмотренные выше системы зажигания (КТСЗ, БТСЗ) в настоящее время имеют ограниченное применение, а на импортных легковых автомобилях высокого потребительского класса, начиная с середины 90-х годов, вообще не используются. Им на смену пришли системы зажигания четвертого поколения - это системы с электронно-вычислительными устройствами управления и без высоковольтного распределителя энергии по свечам в выходном каскаде. Такие системы принято подразделять на электронно-вычислительные или просто на электронные (ЭСЗ) и микропроцессорные (МСЗ).

Электронные и микропроцессорные системы зажигания имеют три принципиальных отличия от предшествующих систем:

1. Их устройства управления (УУ) являются электронно-вычислительными блоками дискретного принципа действия, выполнены с применением микроэлектронной технологии (на универсальных или на больших интегральных микросхемах) и предназначены для автоматического управления моментом зажигания. Эти устройства называются контроллерами.

2. Применение микроэлектронной технологии, помимо получения преимуществ по надежности, позволяет значительно расширить функции электронного управления. Стало возможным внедрение в автомобильную систему зажигания бортовой самодиагностики и принципов схемотехнического резервирования.

3. Выходные каскады этих систем в подавляющем большинстве случаев многоканальные и, как следствие, не содержат высоковольтного распределителя зажигания.

Электронные и микропроцессорные системы зажигания отличаются друг от друга способами формирования основного сигнала зажигания, т.е. того сигнала, который от ЭБУ подается на спусковое устройство накопителя.

В ЭСЗ основной сигнал зажигания формируется с применением время-импульсного способа преобразования информации от входных датчиков. Это когда контролируемый процесс задается временем его протекания, с последующим преобразованием времени в длительность электрического импульса. Таким образом, в ЭСЗ контроллер содержит электронный хронометр и управляется аналоговыми сигналами. Компонентный состав современной ЭСЗ показан на рис. 4.

В МСЗ, структурная схема которой показана на рис. 5, для формирования сигнала зажигания применяется число-импульсное преобразование, при котором параметр процесса задается не временем протекания, а непосредственно числом электрических импульсов.

Функции электронного вычислителя здесь выполняет число-импульсный микропроцессор, который работает от электрических импульсов, стабилизированных по амплитуде и длительности (от цифровых сигналов). Поэтому между микропроцессором и входными датчиками в ЭБУ МСЗ устанавливаются число-импульсные преобразователи аналоговых сигналов в цифровые (ЧИПы).

В отличие от электронной, микропроцессорная система зажигания работает по заранее заданной для данного двигателя внутреннего сгорания программе управления. Поэтому в вычислителе микропроцессорной системы зажигания имеется электронная память (постоянная и оперативная).

Программа управления для конкретной конструкции двигателя определяется экспериментально, в процессе его разработки. На испытательном стенде имитируются все возможные режимы двигателя при всех возможных условиях его работы. Для каждой экспериментальной точки подбирается и регистрируется оптимальный угол опережения зажигания. Получается набор многочисленных значений угла для момента зажигания, каждое из которых отвечает строго определенной совокупности сигналов от входных датчиков. Графическое изображение такого множества представляет собой трехмерную характеристику зажигания, которая в виде матрицы показана на рис. 6.

Координаты трехмерной характеристики "зашиваются" в постоянную память микропроцессора и в дальнейшем служат опорной информацией для определения угла опережения зажигания в реальных условиях эксплуатации двигателя на автомобиле. Изменение опорного (взятого из памяти) угла 8 опережения зажигания осуществляется автоматически. Увеличение угла 8 происходит: при повышении оборотов, при уменьшении нагрузки и при понижении температуры ДВС. Уменьшение угла 8 имеет место при увеличении нагрузки, при падении оборотов и при повышении температуры ДВС.

Если в МСЗ помимо основных датчиков используются дополнительные (например, датчик детонации в цилиндрах ДВС), то в микропроцессоре осуществляется коррекция опорного значения угла опережения зажигания по сигналам этих датчиков. При этом корректировка производится по каждому цилиндру в отдельности.

Электронные блоки управления для ЭСЗ и МСЗ, помимо функциональных и схемотехнических, имеют и принципиальные конструктивные различия.

В ЭСЗ блок управления является самостоятельным конструктивным узлом и называется контроллером (рис. 7).

На входы контроллера подаются сигналы от входных датчиков системы зажигания, а по выходу - контроллер работает на электронный коммутатор выходного каскада (см. рис. 4). Все электронные схемы контроллера низкоуровневые (потенциальные), что позволяет включать их в состав других бортовых электронных блоков управления (например, в ЭБУ системы впрыска топлива).

В МСЗ все функции управления интегрированы в центральный бортовой компьютер автомобиля и персональный блок управления для системы зажигания может отсутствовать. Функции входных датчиков МСЗ выполняют универсальные датчики комплексной системы автоматического управления двигателем. Основной сигнал зажигания подается на электронный коммутатор выходного каскада МСЗ непосредственно от центрального бортового компьютера.

Несмотря на значительные различия электронных и микропроцессорных систем зажигания, по устройствам управления выходные каскады этих систем имеют идентичное схемотехническое и конструктивное исполнение, при котором каждая свеча зажигания на многоцилиндровом ДВС получает энергию для искрообразования по отдельному каналу. Такое распределение называется статическим или многоканальным.

Что это дает автомобильной системе зажигания?

Надо вспомнить, что кроме обычных недостатков механического переключателя (низкая надежность и малая наработка на отказ вращающихся и трущихся частей) классический распределитель зажигания имеет и тот, что в нем реализуется коммутация высоковольтной энергии через электрическую искру. Это, помимо дополнительных потерь энергии, приводит к неравномерному выгоранию контактов в изоляционной крышке распределителя и, как следствие, к явлению разброса искр по цилиндрам и к низкой функциональной надежности системы зажигания. Разброс искр между выводами даже исправного механического распределителя может достигать 2...3 угловых градусов по повороту коленвала ДВС.

Ясно, что в электронных и особенно в микропроцессорных системах зажигания, высоконадежных и высокоточных в функциональном отношении, формирование момента зажигания в которых реализуется с точностью 0,3...0,5° для каждого цилиндра в отдельности, применение высоковольтного механического распределителя совершенно недопустимо. Здесь приемлемы электронные способы переключения каналов на низкопотенциальном уровне непосредственно в электронном блоке управления с дальнейшим статическим разделением каналов по высокому напряжению на многовыводных или индивидуальных катушках зажигания. Это неизбежно приводит к многоканальности выходного каскада системы зажигания.

3. Выходные каскады с многовыводными катушками зажигания

Реализация многоканального распределения энергии может быть осуществлена в системах зажигания несколькими способами. Наиболее простой из них - применение двухвыводного высоковольтного выходного трансформатора или двухвыводной катушки зажигания в выходном каскаде. Такой способ разделения каналов приемлем для реализации в системе зажигания с любым типом накопителя.

Откуда пришла такая идея? Известно, что в системе зажигания, на выходе которой установлен высоковольтный распределитель, во время разряда накопителя имеют место две искры: одна основная (рабочая) в свече зажигания и другая вспомогательная - между бегунком распределителя и контактом одного из его свечных выводов. Вторичная обмотка выходного трансформатора (катушки зажигания) высоковольтным выводом соединена с центральным бегунком распределителя, а другой вывод обмотки является нулевым, так как во время разряда накопителя соединяется с "массой" автомобиля (см. рис. 3, ). Энергия вспомогательной искры в распределителе тратится бесполезно, и эту искру стремятся всячески подавить. Отсюда ясно, что вспомогательную искру из-под крышки распределителя можно перенести во вторую свечу зажигания, соединив ее с первой через массу головки блока цилиндров последовательно. Для этого достаточно исключить распределитель из выходного каскада, отсоединить от массы автомобиля заземляемый вывод катушки зажигания и подключить к нему вторую электроискровую свечу (рис. 8).

При одновременном искрообразовании в двух свечах зажигания одна искра является высоковольтной (12...20 кВ) и воспламеняет топливовоздушную смесь в конце такта сжатия (рабочая искра). При этом другая искра низковольтная (5...7 кВ), холостая. Явление перераспределения высокого напряжения от общей вторичной обмотки между искровыми промежутками в двух свечах зажигания есть следствие глубоких различий условий, при которых происходит искрообразование. В конце такта сжатия незадолго до появления рабочей искры температура топливовоздушного заряда еще недостаточно высокая (200...300°С), а давление, наоборот - значительное (10...12 атм). В таких условиях пробивное напряжение между электродами свечи - максимально. В конце такта выпуска, когда имеет место искрообразование в среде отработавших газов, пробивное напряжение минимально, так как температура выхлопных газов высокая (800...1000°С), а давление низкое (2...3 атм). Таким образом, при статическом распределении высокого напряжения с помощью двухвыводной катушки зажигания (на двух последовательно соединенных свечах - одновременно) почти вся энергия высоковольтного электроискрового разряда приходится на рабочую искру.

Впервые двухвыводная катушка была применена в контактной батарейной системе зажигания для двухцилиндрового 4-х тактного двигателя. Примером может служить система зажигания для двигателя польского автомобиля ФИАТ-126Р (рис. 9). Аналогичная по принципу действия система зажигания установлена на отечественном автомобиле ОКА (с электронным управлением).

Если в ДВС четыре цилиндра, потребуется две двухвыводных катушки зажигания и два раздельных энергетических канала коммутации в выходном каскаде (см. рис. 5). На рис. 10 приведена диаграмма последовательности искрообразования в цилиндрах 4-х цилиндрового четырехтактного двигателя, оснащенного системой зажигания с двумя двухвы-водными катушками зажигания. Для шестицилиндрового двигателя потребуется три двухвыводных катушки зажигания и три энергетических канала.

В настоящее время разработан ряд автомобильных систем зажигания, в которых две двухвыводных катушки зажигания собираются на общем Ш-образном магнитопроводе и тем самым образуется одна 4-выводная катушка зажигания (например для автомобиля ВАЗ-2110). Такая катушка имеет две первичных и две вторичных обмотки и управляется от двухканального коммутатора. Четырехвыводная катушка зажигания может иметь и одну вторичную двухвыводную обмотку при двух первичных. Вторичная обмотка такой катушки дооборудована четырьмя высоковольтными диодами - по два на каждый высоковольтный вывод .

Недостатком любой системы зажигания с двухвыводными катушками является то, что в одной свече искра развивается от центрального электрода к массовому (боковому), а во второй свече - в обратном направлении (см. рис. 8). Так как центральный электрод заострен и всегда значительно горячее бокового, то истечение носителей заряда с его острия при искрообразовании требует затраты меньшего количества энергии, чем при истечении с бокового электрода (на центральном электроде начинает проявляться термоэлектронная эмиссия). Это приводит к тому, что пробивное напряжение на свече, работающей в прямом направлении, становится несколько ниже (на 1,5.2 кВ), чем на свече с обратным включением полярности. Для современных электронных и микропроцессорных систем зажигания с большим коэффициентом запаса по вторичному напряжению и с управляемым временем накопления энергии это не имеет принципиального значения.

4. Выходные каскады с индивидуальным статическим распределением

В современных электронных и микропроцессорных системах зажигания широко используются выходные каскады с индивидуальными катушками зажигания для каждой свечи в отдельности. Примером может служить система зажигания фирмы BOSCH, интегрированная в электронную систему автоматического управления (ЭСАУ) двигателем, которая известна под названием Motronic.

На рис. 11 показана функциональная схема ЭСАУ Motronic М-3,2,

Которая устанавливается на четырехцилиндровых двигателях автомобилей AUDI-A4 (выпуск после 1995 года).

В контроллере J220 имеется микропроцессор с блоком памяти, в котором хранится трехмерная характеристика зажигания (см. рис. 6). По этой характеристике, а также по сигналам датчика ДО G-28 (датчик частоты вращения двигателя) и датчика ДН G-69 (датчик нагрузки двигателя) устанавливается начальный угол Q(кю) = F(n) опережения зажигания. Далее по сигналам датчиков ДХ G-40, ДТ G-62 и ДД G-66 в цифровом микропроцессоре производится вычисление текущего (необходимого для данного режима работы ДВС) значения угла опережения зажигания, который с помощью электронной схемы переключения каналов подается в виде основного импульса S зажигания в соответствующий канал электронного коммутатора К-122. К этому времени в этом канале индуктивный накопитель N находится в заряженном (от бортсети +12 В) состоянии и по сигналу S разряжается на соответствующую свечу зажигания. Через 180° поворота коленвала описанные процессы будут иметь место в следующем (по порядку работы двигателя) канале коммутатора.

Основные преимущества системы зажигания, интегрированной в ЭСАУ Motronic, состоят в следующем:

- индивидуальное статическое распределение высокого напряжения по свечам зажигания;
- катушки зажигания с заземленной вторичной обмоткой;
- все входные датчики (датчик Холла, датчик частоты вращения ДВС, датчик температуры ДВС, датчики дроссельной заслонки, датчик детонации) - это формирователи электрических сигналов из неэлектрических воздействий бесконтактного принципа действия. Аналоговые сигналы от этих датчиков преобразуются в контроллере в цифровые сигналы;
- селективная коррекция угла опережения зажигания по детонации (в каждом цилиндре в отдельности);
- отключение цилиндров ДВС при перебоях в искрообразовании (защита дорогостоящих компонентов - кислородного датчика и каталитического газонейтрализатора экологической системы автомобиля от повреждений);
- наличие в контроллере функций самодиагностики и резервирования.

5. Выходной каскад с управляемым трансформатором зажигания

Известны попытки применить в многоканальном выходном каскаде автомобильной системы зажигания высоковольтный трансформатор с насыщающимися сердечниками.
Если магнитопровод трансформатора ввести в режим насыщения, то его коэффициент трансформации резко падает и энергия из первичной обмотки во вторичную не трансформируется.

Электрическая схема выходного каскада с трансформатором насыщения показана на рис. 12.

Выходной трансформатор имеет два магнитопровода - М1 и М2, охваченных общей первичной обмоткой Каждый магнитопровод оснащен отдельной обмоткой управления Wв и Wв") и отдельной двухвыводной вторичной обмоткой (W2" и W2""). Когда по управляющей обмотке Wв" протекает ток, достаточный для насыщения сердечника М1, а обмотка Wв" обесточена, то высокое напряжение будет наводиться только во вторичной обмотке W2". Если обесточить управляющую обмотку Wв" и пропустить ток насыщения по обмотке Wв", то насытится сердечник М2 и высокое напряжение будет трансформировано только в обмотку W2"".

Система зажигания с трансформатором насыщения обладает высокой надежностью, малыми габаритами и весом, но ее промышленный выпуск пока не реализован из-за значительных технических трудностей изготовления (для трансформатора насыщения требуются тороидальные сердечники из высококачественного пермалоя. Намотка многовитковых обмоток на такие сердечники крайне затруднена).

6. Высоковольтные провода

В системах зажиганиях с высоковольтным механическим распределителем длина высоковольтных проводов всегда значительна (20...60 см). И так как по проводам в момент электроискрового разряда в свечах протекает высокочастотный ток высокого напряжения, то длинные провода излучают радиопомехи. Источниками радиопомех являются также свечи зажигания.

Есть три способа подавления радиопомех от АСЗ: экранизация высоковольтных проводов, свечей, катушки зажигания и высоковольтного распределителя; введение в центральный токовод высоковольтного провода распределенной индуктивности и распределенного сопротивления; установка помехоподавительного резистора непосредственно в изолятор свечи зажигания.

Экранизация требует увеличения запаса по вторичному напряжению и делает выходной каскад АСЗ громоздким. Высоковольтный провод с распределенными параметрами имеет недостаточно высокую конструктивную надежность, сложную технологию изготовления и высокую стоимость.

В современных системах зажигания применяют свечи с помехоподавительным резистором 4...10 кОм, а длину высоковольтных проводов стремятся свести к минимуму. Последнее становится возможным благодаря применению индивидуальных катушек зажигания, установленных непосредственно на свечах (см. рис. 11).

Высоковольтные провода подразделяют на низкоомные (до 0,5 Ом/м - в устаревших конструкциях проводов) и высокоомные (1...10 кОм/м). Провода маркируются двумя способами: цветом и текстовой надписью вдоль провода.

Отечественные провода светло-коричневой или пестрой расцветки - низкоомные. Провода красного или розового цвета ПВВП-8 обладают распределенным сопротивлением 2000+200 Ом/м; синего цвета ПВППВ-40 - 2550±250 Ом/м. На высоковольтных проводах импортного производства электрические параметры чаще обозначаются текстом вдоль провода. Содержание текста можно расшифровать по фирменному каталогу.

Любой из трех указанных способов подавления радиопомех приводит к некоторому падению высоковольтного выходного напряжения системы зажигания, что иногда сказывается при пуске холодного двигателя в слякотную зимнюю погоду, когда провода покрываются тонким инеем. Чтобы устранить этот недостаток, в современных микропроцессорных системах зажигания стали применять грязевлагозащиту высоковольтных проводов и свечей зажигания (укрытие проводов в изоляционную трубку или под пластмассовую крышку вместе со свечами).

* В заключение следует отметить, что автомобили с центральным бортовым компьютером (ЦБК) - пока редкость. Но перспектива очевидна. В недалеком будущем ЦБК станет единым электронным блоком управления, общим для всех функциональных систем на борту автомобиля, таких как: впрыск топлива, электроискровое зажигание, антиблокировка тормозов, управление дифференциалами ведущих колес, антипробуксовка колес и т.д. и т.п. Но даже при полной интеграции функций управления в центральный бортовой компьютер принципы построения электронных схем для электроискровых систем зажигания надолго останутся такими же, как и в современных микропроцессорных системах.

Литература

1. Д.Соснин. Современные автомобильные системы зажигания. Ремонт&Сервис, №10, 1999 г., с. 45-47
2. Д.Соснин, А.Фещенко. Автомобильные катушки зажигания. Ремонт&Сервис, №9, 1999 г., с. 46-53
3. В.Е.Ютт. Электрооборудование автомобилей. М. Транспорт. 1995 г. Продолжение следует

Автомобильный мотор еще в первых своих модификациях представлял собой сложную конструкцию, состоящую из ряда систем, работающих воедино. Одним из основных компонентов любого бензинового мотора является система зажигания. Об ее устройстве, разновидностях и особенностях мы сегодня и поговорим.

Система зажигания

Система зажигания автомобиля представляет собой комплекс из приборов и устройств, которые работают на обеспечение своевременного появления электрического разряда, воспламеняющего смесь в цилиндре. Она является неотъемлемой деталью электронного оборудования и в своем большинстве завязана на работе механических компонентов мотора. Этот процесс присущ всем моторам, которые не используют для воспламенения сильно нагретый воздух (дизель, компрессионные карбюраторные). Искровое воспламенение смеси применяется и в гибридных моторах, работающих на бензине и газу.

Принцип работы системы зажигания зависит от ее вида, но если обобщать ее работу, можно выделить следующие этапы:

процесс накопления высоковольтного импульса;
проход заряда через повышающий трансформатор;
синхронизация и распределения импульса;
возникновение искры на контактах свечи;
поджог топливной смеси.

Важным параметром является угол или момент опережения – это время, в которое осуществляется поджог воздушно-топливной смеси. Подбор момента происходит так, чтобы предельное давление возникало при попадании поршня в верхнюю точку. В случае с механическими системами его придется выставлять вручную, а в электронно-управляемых системах настройка происходит автоматически. На оптимальный угол опережения влияет скорость движения, качество бензина, состав смеси и другие параметры.

Классификация систем зажигания

Основываясь на методе синхронизации зажигания, различают схемы контактные и бесконтактные. По технологии формирования угла опережения зажигания можно выделить системы с механической регулировкой и полностью автоматические или электронные.

Исходя из типа накопления заряда, для пробития искрового промежутка, рассматривают устройства с накоплением в индуктивности и с накоплением в емкости. По способу коммутации первичной цепи катушки бывают – механические, тиристорные и транзисторные разновидности.

Узлы систем зажигания

Все существующие виды систем зажигания различаются способом создания контролирующего импульса, в остальном их устройство практически не отличается. Поэтому можно указать общие элементы, которые являются неотъемлемой частью любой вариации системы.

Питание – первичным, служит аккумулятор (задействуется при пуске), а при работе – эксплуатируется напряжение, которое производит генератор.

Выключатель – устройство, которое необходимо для подачи питания на всю систему или его отключения. Выключателем служит замок зажигания или управляющий блок.

Накопитель заряда – элемент необходимый для концентрации энергии в нужном объеме, для воспламенения смеси. Существует два типа компонентов для накопления:

Индуктивный – катушка, внутри которой расположился повышающий трансформатор который создает достаточный импульс для качественного поджога. Первичная обмотка устройства питается от плюса батареи и приходит через прерыватель к ее минусу. При размыкании первичного контура прерывателем на вторичном создается высоковольтный заряд, который и передается на свечу.
Емкостный – конденсатор, который заряжается повышенным напряжением. В нужное время накопленный заряд по сигналу передается на катушку.

Схема работы в зависимости от вида накопления энергии

Свечи – изделие, состоящее из изолятора (основа свечи), контактного вывода для подключения высоковольтного провода, металлической оправы для крепления детали и двух электродов, между которыми и образуется искра.

Система распределения – подсистема, предназначенная для направления искры на нужный цилиндр. Состоит из нескольких компонентов:

Распределитель или трамблер – устройство, сопоставляющее обороты коленвала и соответственно – рабочее положение цилиндров с кулачковым механизмом. Компонент может быть механическим или электронным. Первый – передает вращение мотора и посредством специального бегунка распределяет напряжение от накопителя. Второй (статический) исключает наличие вращающихся частей, распределение происходит благодаря работе блока управления.
Коммутатор – прибор, генерирующий импульсы заряда катушки. Деталь присоединяется к первичной обмотке и разрывает питание, генерируя напряжение самоиндукции.
Блок управления – устройство на микропроцессорах, определяющее момент передачи тока в катушку на основании показаний датчиков.

Провод – одножильный высоковольтный проводник в изоляции, соединяющий катушку с распределителем, а также контакты коммутатора со свечами.

Магнето

Одной из первых систем зажигания является – магнето. Она состоит из генератора тока, который создает разряд исключительно для искрообразования. Состоит система из постоянного магнита, который приводится в движение коленчатым валом и катушки индуктивности. Искру, способную пробить искровой промежуток генерирует повышающий трансформатор, одной частью которого служит грубая обмотка катушки индуктивности. Для повышения напряжения используют часть обмотки генератора, которая соединена с электродом свечи.

Система зажигания с магнето

Контроль за подачей искры может быть контактный, выполненный в виде прерывателя или бесконтактный. При бесконтактном методе подачи искры применяются конденсаторы, которые улучшают качество искры. В отличие от представленных далее схем зажигания, магнето не требуется аккумулятор, оно легкое и активно применяется в компактной технике – мотокосах, бензопилах, генераторах и т.д.

Контактная система зажигания

Устаревшая, распространенная схема воспламенения топливной смеси. Отличительной особенностью системы является создание высокого напряжения, вплоть до 30 тысяч В на свечи. Создает такое высокое напряжение катушка, которая соединена с распределительным механизмом. Импульс на катушку передается благодаря специальным проводам, соединенным с контактной группой. При размыкании кулачков происходит формирование разряда и искры. Устройство также выполняет роль синхронизатора, так как момент образования искры должен совпадать с нужным моментом такта сжатия. Данный параметр устанавливается посредством механической регулировки и сдвига искры на более раннюю или позднюю точку.

Простейшая схема

Уязвимой частью такого варианта является естественный механический износ. Из-за него меняется момент образования искры, он нестабильный для различных положений бегунка. Ввиду чего появляются вибрации мотора, падает его динамика, ухудшается равномерность работы. Тонкие настройки позволяют избавиться от явных неисправностей, но проблема может возникнуть повторно.

Преимуществом контактного зажигания является его надежность. Даже при серьезном износе деталь будет работать безотказно, позволяя мотору работать. Схема не прихотлива к температурным режимам, практически не боится влаги или воды. Такой вид зажигания распространен на старых автомобилях и по сей день используется на ряде серийных моделей.

Бесконтактное зажигание

Принципиальная схема работы бесконтактной системы несколько отличается. Она сохраняет трамблер, как элемент конструкции, но он лишь выполняет функцию синхронизации цилиндров и отсылает импульс на коммутатор. В свою очередь транзисторный элемент, синхронизируется с показателем датчика и определяет угол зажигания, а также другие настройки – автоматически.

Преимущество системы – стабильность качества искрообразования, которое не зависит от ручных настроек или сохранности поверхности контактов. Если рассматривать превосходство данного варианта над контактной схемой, можно выделить:

система генерирует искру высокого качества постоянно;
устройство системы зажигания исключает ухудшение ее работы вследствие износа или загрязнения;
отсутствует необходимость производить тонкие настройки угла зажигания;
не приходится следить за состоянием контактов, контролировать их угол замыкания и другие настройки.

В результате использования бесконтактной системы можно наблюдать снижение расхода топлива, улучшение динамических характеристик, отсутствие сильных вибраций мотора, стабильная искра позволяет облегчить холодный пуск.

Электронное зажигание

Современная, наиболее совершенная схема, которая полностью исключает наличие подвижных частей. Для получения необходимых данных о положении коленвала и других применяются специальные датчики. Далее электронный блок управления производит расчеты и посылает соответствующие импульсы на рабочие компоненты. Такой подход позволяет максимально точно определить момент подачи искры, благодаря чему смесь разжигается своевременно. Это позволяет получить больше мощности, улучшить продувку цилиндра и снизить вредные выбросы, благодаря лучшему дожигу топлива.

Схема электронной системы

Электронная система зажигания автомобиля отличается высокой стабильностью работы и устанавливается на большинство современных авто. Такая популярность определена преимуществами данной схемы:

Снижение расхода топлива во всех режимах работы мотора.
Улучшение динамических показателей – отклик на педаль газа, скорость разгона и т.д.
Более плавная работа мотора.
Выравнивается график момента и лошадиных сил.
Минимизируются потери мощности на низких оборотах.
Совместима с газобаллонным оборудованием.
Программируемый электронный блок позволяет настроить двигатель на экономию топлива или наоборот, на повышение динамических показателей.

Назначение системы зажигания достаточно простое, она является неотъемлемой частью бензинового двигателя, а также моторов, оснащенных ГБО. Этот компонент постоянно меняется и приобретает новые формы, соответствующие современным требованиям. Несмотря на это даже самые простые модели зажигания все еще используются на различной технике, успешно выполняя свою работу, как и десятки лет назад.

Autoleek