Устройство системы зажигания автомобиля ВАЗ-2107

Система зажигания с внешним питанием. Вторым, наиболее распространённым типом систем зажигания на автомобильных моторах, являются системы с «батарейным», то есть с внешним питанием. В этом случае питание системы осуществляется от внешнего источника электроэнергии. Неотъемлемой частью системы зажигания является катушка зажигания, представляющая собой импульсный трансформатор. Основная функция катушки зажигания — генерация высоковольтного импульса на свече. Долгие десятилетия катушка на двигателе была одна, а для обслуживания нескольких цилиндров применялся высоковольтный распределитель. В последнее время типичным становится катушка на пару цилиндров или на каждый цилиндр (что позволяет разместить катушку непосредственно на свече как колпачок и отказаться от высоковольтных проводов). Также существуют системы зажигания автомобильных двигателей с двумя свечами, и, соответственно, двумя катушками на каждый цилиндр. Две свечи на цилиндр применяются исходя из соображений сокращения длины пробега фронта горения в цилиндре, что позволяет немного сдвинуть момент зажигания в раннюю сторону, и получить немного большую отдачу от двигателя. Также повышается надёжность системы. В свою очередь, системы зажигания можно разделить на системы с накоплением энергии в индуктивности, и системы зажигания с накоплением энергии в ёмкости.

Системы с накоплением энергии в индуктивности занимают доминирующие положение на технике. Основная идея — при пропускании тока от внешнего источника через первичную обмотку катушки зажигания катушка запасает энергию в своём магнитном поле, при прекращении этого тока ЭДС самоиндукции генерирует в обмотках катушки мощный импульс, который снимается со вторичной (высоковольтной) обмотки, и подаётся на свечу. Напряжение импульса достигает 20-40 тысяч вольт без нагрузки. Реально, на работающем двигателе напряжение высоковольтной части определяется условиями пробоя искрового промежутка свечи зажигания в конкретном рабочем режиме, и колеблется от 3 до 30 тысяч вольт в типичных случаях. Прерывание тока в обмотке долгие годы осуществлялось обычными механическими контактами, сейчас стандартом стало управление электронными устройствами, где ключевым элементом является мощный полупроводниковый прибор: биполярный или полевой транзистор.

Системы с накоплением энергии в ёмкости (они же «конденсаторные» или «тиристорные») появились в середине 70-х годов в связи с появлением доступной элементной базы и возросшим интересом к роторно-поршневым двигателям. Конструктивно они практически аналогичны описанным выше системам с накоплением энергии в индуктивности, но отличаются тем, что вместо пропускания постоянного тока через первичную обмотку катушки к ней подключается конденсатор, заряженный до высокого напряжения (типично от 100 до 400 вольт). То есть обязательными элементами таких систем являются преобразователь напряжения того или иного типа, чья задача — зарядить накопительный конденсатор, и высоковольтный ключ, подключающий данный конденсатор к катушке. В качестве ключа, как правило, используются тиристоры. Недостатком данных систем является конструктивная сложность, и недостаточная длительность импульса в большинстве конструкций, достоинством — крутой фронт высоковольтного импульса, делающий систему менее чувствительной к забрызгиванию свечей зажигания, характерному для роторно-поршневых двигателей.

Существуют также конструкции, объединяющие оба принципа, и имеющие их достоинства, но, как правило, это любительские или экспериментальные конструкции, отличающиеся высокой сложностью изготовления.

Важнейшим параметром, определяющим работу системы зажигания, является так называемый момент зажигания, то есть время, в которое система поджигает искровым разрядом сжатую рабочую смесь. Определяется момент зажигания как положение коленвала двигателя в момент подачи импульса на свечу относительно верхней мёртвой точки в градусах. Позднее зажигание приводит к падению мощности двигателя из-за недогорания топлива, что ухудшает экологические характеристики выхлопа и приводит к снижению экономичности (уменьшение мощности не уменьшает расход топлива). Раннее зажигание приводит к детонации, особенно при резком нажатии на педаль газа. Регулировка опережения зажигания заключается в выставлении наиболее раннего момента зажигания, еще не приводящего к детонации.

Это основные типы систем зажигания, которые используются в разных областях и по сей день.

Назначением СЗ является:

1. Создание между электродами свечей зажигания искры, необходимой для воспламенения горючей смеси в бензиновых двигателях.

2. Подача напряжения зажигания на свечи в определённом порядке.

3. Регулировка момента возникновения искры.

Устройство элементов системы зажигания

Катушка зажигания типа 27.3705 с разомкнутым магнитопроводом, маслонаполненная, герметизированная. Реже используются катушки залитые компаундом. Сопротивление первичной обмотки при 25oС должно быть 0,45 ± 0,05 Ом, вторичной – 5 ± 0,5 кОм.

Рис. 2. Катушка зажигания. 1 – изолятор; 2 – корпус; 3 - изоляционная бумага обмоток; 4 - первичная обмотка; 5 - вторичная обмотка; 6 - клемма вывода первичной обмотки (обозначения "1", "-", "К"); 7 - контактный винт; 8 - центральная клемма для провода высокого напряжения; 9 – крышка; 10 - клемма подвода питания (обозначения "+Б", "Б", "+", "15"); 11 - контактная пружина; 12 - скоба крепления; 13 - наружный магнитопровод; 14 – сердечник;

Катушка зажигания выполняет функцию генератора импульсов высокого напряжения. Она работает по принципу трансформатора, имеет вторичную обмотку - тонкий провод с большим количеством витков, намотанный на железный сердечник, и первичную обмотку - толстый провод с малым количеством витков, намотанный поверх вторичной обмотки. При прохождении тока по первичной обмотке катушки, в ней создается магнитное поле. При размыкании цепи первичной обмотки коммутатором магнитный поток также прекращается, в результате чего в обеих обмотках индуцируется напряжение, которое во вторичной обмотке составляет не менее 20 кВ, а в первичной не более 500 В.

Высоковольтные провода зажигания. Используются в цепях высокого напряжения системы зажигания, т. е. от вторичной обмотки катушки зажигания к распределителю и свечам зажигания. Эти провода имеют специальную высоковольтную изоляцию. Они не только проводят ток высокого напряжения, но и одновременно подавляют радиопомехи, создаваемые системой зажигания. Наиболее широко распространенные "жигулевские" провода имеют следующую конструкцию. Сердечник провода, представляющий собой шнур из льняной пряжи, заключен в оболочку, изготовленную из пластмассы с максимальным добавлением феррита. Поверх этой оболочки намотан провод диаметром 0,11 мм из сплава никеля и железа по 30 витков на сантиметр. Снаружи провод имеет изолирующую оболочку из поливинилхлорида. Концы высокоомного провода соединены с латунными контактными зажимами, размещенными на концах проводов. Эти зажимы приспособлены для установки в катушку зажигания, распределитель зажигания или наконечники свечей.

Главное в проводах - это величина распределенного по длине сопротивления и величина пробивного напряжения изоляции. В зависимости от величины распределенного сопротивления оболочка провода имеет различную окраску.

Для систем зажигания высокой энергии (ВАЗ-21213, 2108) применяют провода синего цвета (силиконовая изоляция) с распределенным сопротивлением 2,55 кОм/м (2,28 - 2,82 кОм/м) и пробивным напряжением до 30 кВ. Зарубежные высоковольтные провода как правило отличаются повышенным распределенным сопротивлением (из-за более строгих требований к подавлению радиотелепомех). Их величина распределенного сопротивления может быть в пределах 9-25 кОм на метр, т. е. заметно больше, чем у наших синих проводов. Силиконовая изоляция таких проводов лучше, сами провода мягче.

Увеличение распределенного сопротивления уменьшает время горения искры между электродами свечи (разница до 20%) и энергию высоковольтного импульса (до 50%). Такое снижение может свести на нет все "запасы" в системе зажигания, и запуск двигателя при неблагоприятных условиях может оказаться затрудненным.

Большое значение имеет жесткость проводов. Чем провода более жесткие (особенно при низких температурах), тем быстрее ослабляются их контакты в соединениях. Кроме того, в жесткой изоляции чаще образовываются трещины.

Датчик-распределитель зажигания

Рис. 4. Датчик-распределитель зажигания 38.3706 1 – валик 2 - маслоотражательная муфта 3 - бесконтактный датчик 4 - корпус вакуумного регулятора 5 – мембрана 6 - крышка вакуумного регулятора 7 - тяга вакуумного регулятора 8 - опорная пластина центробежного регулятора 9 - ротор распределителя зажигания 10 - боковой электрод с клеммой 11 – крышка 12 - центральный электрод с клеммой 13 - уголек центрального электрода 14 – резистор 15 - наружный контакт ротора 16 - пластина центробежного регулятора 17 – грузик 18 - опорная пластина бесконтактного датчика 19 – экран 20 – корпус

Крышка датчика - распределителя зажигания сделана из специального токонепроводящего материала. Она имеет центральный электрод с клеммой, подпружиненный уголёк центрального электрода и боковые электроды с клеммами. Крышка на датчике-распределителе закрепляется с помощью двух пружинных защёлок расположенных друг напротив друга. С целью уменьшения конденсации паров, внутри крышки предусмотрена вентиляция полости корпуса распределителя через два небольших отверстия в крышке и на дне корпуса. Высоковольтное напряжение подаётся от катушки к центральному электроду крышки. Ток проходит через подпружиненный уголёк и попадает на центральный электрод ротора распределителя. Далее ток проходит через помехоподавляющий резистор к боковому электроду ротора. Ротор жёстко связан с валиком датчика-распределителя. При вращении валика ротор вращается с ним же, передавая ток к боковым электродам крышки распределителя. Обслуживание крышки сводится в поддержании её в чистоте как снаружи, так и внутри. Концом плоского надфиля зачищают боковые электроды в крышке распределителя. Этим облегчается стекание высоковольтного импульса с наружного электрода ротора на боковой электрод крышки, что предупреждает нежелательное стекание в другом месте и способствует подводу повышенного напряжения к электродам свечи. Необходимо обратить внимание и на подвижность центрального подпружиненного угольного электрода крышки. Были случаи, когда "уголек" заклинивался в отверстии крышки и уже не прижимался пружиной к центральному контакту ротора. Это приводило к сгоранию угольного электрода и отказу системы зажигания.

Датчик Холла. Магнитоэлектрический, получил свое название по имени Э. Холла, американского физика, открывшего в 1879 г. важное гальваномагнитное явление. Бесконтактные клавишные переключатели на основе эффекта Холла применялись за рубежом довольно широко уже с начала 70-х годов. Достоинства этого переключателя - высокая надежность и долговечность, малые габариты, а недостатки - постоянное потребление энергии и сравнительно высокая стоимость.

Рассмотрим принцип действия датчика Холла. Он имеет щелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны - постоянный магнит. В щель датчика входит стальной цилиндрический экран с прорезями. При вращении экрана, когда его прорези оказываются в зазоре датчика, магнитный поток воздействует на полупроводник с протекающим по нему током, и управляющие импульсы датчика Холла подаются в коммутатор.

Центробежный (ЦБ) регулятор и вакуумный регулятор. Служат для автоматической регулировки угла опережения зажигания. Взаимодействие этих устройств обеспечивает получение соответствующего угла опережения зажигания для существующих в данный момент частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя. Центробежный регулятор (см. рис. 7) вращается вместе с ротором аппарата зажигания, который расположен асимметрично с кулачком 3 (ротора нет на рисунке).

Рис. 7. Принцип действия центробежного регулятора: а - статическое состояние, б - рабочее состояние.

1 - пружина, 2 - грузики, 3 - кулачок, 4 - ось грузика, 5 - нижний диск, б - штифт грузика, 7 - сегмент, 8 - корпус аппарата зажигания.

Грузики 2 установлены на осях 4, укрепленных на нижнем диске 5, жестко связанном с осью регулятора. Кулачок 3 и соединенный с ним верхний сегмент 7 надеты на ротор распределителя. Верхний сегмент шарнирно соединен с грузиком 2 с помощью штифта 6, который входит в отверстие.

Регулятор работает на принципе использования центробежных сил, воздействующих на грузики. При увеличении частоты вращения ротора аппарата зажигания грузики, отклоняясь наружу, приводят к повороту кулачка в направлении вращения. Величина угла поворота кулачка определяется равновесием между центробежной силой, воздействующей на грузики, и силой натяжения пружин. Дальнейшее увеличение частоты вращения приводит к тому, что состояние равновесия этих сил происходит при другом угле поворота кулачка. Поворот кулачка в том же направлении, что и вращение ротора, приводит к подаче более раннего управляющего импульса датчика Холла. Таким образом, угол опережения зажигания увеличивается, и зажигание происходит раньше. Уменьшение частоты вращения приводит к уменьшению угла опережения зажигания.

Если в регуляторе обе пружины одинаковы, то характеристика угла опережения зажигания как функция числа оборотов линейна. Если же используются две разных пружины, то при малой частоте вращения больше вытягивается более слабая пружина, а при достижении определенной частоты в работу включается более сильная пружина, замедляя увеличение угла опережения зажигания. При этом характеристика последнего становится нелинейной. Максимальный угол опережения зажигания ограничен механически в результате ограничения поворота кулачка в крайнем положении. Кулачок может поворачиваться грузиками на 15-15,5о относительно валика. Соответственно угол опережения зажигания по коленвалу будет 30-31о, т. к. частота его вращения в два раза больше частоты вращения валика датчика-распределителя.

Вакуумный регулятор служит для увеличения угла опережения зажигания при уменьшении нагрузки двигателя (и наоборот). Для этого используется разрежение, создаваемое в диффузоре карбюратора. Расположение входного отверстия трубопровода, соединяющего карбюратор с регулятором, выбрано так, чтобы при полной нагрузке, холостом ходе и запуске двигателя разрежение не поступало на регулятор или было незначительным. Вследствие этих соображений входное отверстие размещается перед дроссельной заслонкой. При открывании дроссельной заслонки ее край проходит мимо входного отверстия трубопровода и разрежение в нем увеличивается.