Система зажигания

Систему зажигания, которая обеспечивает работу двигателя, придется рассмотреть в этом разделе, хотя она и является составной частью "Электрооборудования автомобиля".

Когда мы изучали рабочий цикл двигателя, было отмечено, что в самом конце такта сжатия рабочую смесь необходимо поджечь. Это означает, что между электродами свечи зажигания в этот момент должна проскочить высоковольтная искра.

Система зажигания предназначена для создания тока высокого напряжения и распределения его по свечам цилиндров. Импульс тока высокого напряжения подается на свечи в строго определенный момент времени, который меняется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель.

На автомобилях прежних лет выпуска устанавливалась контактная или бесконтактная система зажигания. В современном автомобиле с системой впрыска топлива система зажигания является частью комплексной электронной системы управления двигателем.

Контактная система зажигания

Источники электрического тока (аккумуляторная батарея и генератор, подробный разговор о которых будет в разделе "Электрооборудование автомобиля") вырабатывают ток низкого напряжения. Они "выдают" в бортовую электрическую сеть автомобиля 12–14 вольт. Для возникновения искры между электродами свечи на них необходимо подать 18–20 тысяч вольт! Поэтому в системе зажигания имеются две электрические цепи – низкого и высокого напряжения (рис. 21). Контактная система зажигания состоит из (рис. 21):

катушки зажигания;

прерывателя тока низкого напряжения;

распределителя тока высокого напряжения;

центробежного регулятора опережения зажигания;

вакуумного регулятора опережения зажигания;

свечей зажигания;

проводов низкого и высокого напряжения;

включателя зажигания.

Катушка зажигания (рис. 21)предназначена для преобразования тока низкого напряжения в ток высокого напряжения. Как и большинство приборов системы зажигания, она располагается в моторном отсеке автомобиля.

а) электрическая цепь низкого напряжения: 1 – "масса" автомобиля; 2 – аккумуляторная батарея; 3 – контакты замка зажигания; 4 – катушка зажигания; 5 – первичная обмотка (низкого напряжения); 6 – конденсатор; 7 – подвижный контакт прерывателя; 8 – неподвижный контакт прерывателя; 9 – кулачок прерывателя; 10 – молоточек контактов

б) электрическая цепь высокого напряжения: 1 – катушка зажигания; 2 – вторичная обмотка (высокого напряжения); 3 – высоковольтный провод катушки зажигания; 4 – крышка распределителя тока высокого напряжения; 5 – высоковольтные провода свечей зажигания; 6 – свечи зажигания; 7 – распределитель тока высокого напряжения ("бегунок"); 8 – резистор; 9 – центральный контакт распределителя; 10 – боковые контакты крышки

Рис. 21. Контактная система зажигания

Принцип работы катушки зажигания очень прост и знаком из школьного курса физики. Когда по обмотке низкого напряжения протекает электрический ток, вокруг нее создается магнитное поле. Если прервать ток в этой обмотке, то исчезающее магнитное поле индуцирует ток уже в другой обмотке (высокого напряжения).

За счет разницы в количестве витков обмоток катушки, из 12-ти вольт мы получаем необходимые нам 20 тысяч вольт! Цифра весьма впечатляющая, но это как раз то напряжение, которое в состоянии пробить воздушное пространство (около миллиметра) между электродами свечи зажигания.

Если кто из вас, испугавшись этой цифры, решил вообще не дотрагиваться до чего-либо электрического в машине, то напрасно.

"Убивает не напряжение, а ток" – известное выражение у электриков, как нельзя лучше подходит к ситуации с электричеством в автомобиле.

В системе зажигания очень малые токи, поэтому, если вы и дотронетесь до проводов или приборов системы, то будет лишь несколько "неприятно", но не более того. Да и произойдет это только, если вы стоите босиком (или в мокрой обуви) на сырой земле или если одна рука на "массе", а другая на тех самых 20000 В.

Прерыватель тока низкого напряжения (контакты прерывателя – рис. 21) нужен для того, чтобы размыкать ток в цепи низкого напряжения. При этом во вторичной обмотке катушки зажигания индуцируется ток высокого напряжения, который затем поступает на центральный контакт распределителя.

Контакты прерывателя находятся под крышкой распределителя зажигания. Пластинчатая пружина подвижного контакта постоянно прижимает его к неподвижному контакту. Размыкаются они лишь на короткий срок, когда набегающий кулачок приводного валика прерывателя-распределителя надавит на молоточек подвижного контакта.

Параллельно контактам включен конденсатор, который необходим для того, чтобы контакты не обгорали в момент размыкания. Во время отрыва подвижного контакта от неподвижного между ними хочет проскочить мощная искра, но конденсатор поглощает в себя большую часть электрического разряда и искрение уменьшается до незначительного.

Но это только половина полезной работы конденсатора. Он еще участвует и в увеличении напряжения во вторичной обмотке катушки зажигания. Когда контакты прерывателя полностью размыкаются, конденсатор разряжается, создавая обратный ток в цепи низкого напряжения, и тем самым, ускоряет исчезновение магнитного поля. А чем быстрее исчезает это поле, тем больший ток возникает в цепи высокого напряжения.

"Зачем такой длинный разговор о такой маленькой штучке в такой большой машине?" – спросите вы.

Так вот учтите, при выходе конденсатора из строя двигатель работать не будет! Напряжение во вторичной цепи получится недостаточно большим для того, чтобы пробить воздушную преграду между электродами свечи зажигания. Может быть, иногда, слабая искорка и будет проскакивать, но нам нужна достаточно "горячая" и стабильная искра, которая гарантированно воспламенит рабочую смесь и обеспечит нормальный процесс ее сгорания. А для этого, как раз и необходимы те самые "страшные" 20 тысяч вольт, в "приготовлении" которых участвует и конденсатор тоже.

Прерыватель тока низкого напряжения и распределитель высокого напряжения расположены в одном корпусе и имеют привод от коленчатого вала двигателя.

Часто водители называют этот узел коротко – "прерыватель-распределитель" (или еще короче – "трамблер").

Крышка распределителя и распределитель (ротор) тока высокого напряжения (рис. 21 и 22) предназначены для распределения тока высокого напряжения по свечам цилиндров двигателя.

Рис. 22. Прерыватель-распределитель: 1 – диафрагма вакуумного регулятора; 2 – корпус вакуумного регулятора; 3 – тяга; 4 – опорная пластина; 5 – ротор распределителя ("бегунок"); 6 – боковой контакт крышки; 7 – центральный контакт крышки; 8 – контактный уголек; 9 – резистор; 10 – наружный контакт пластины ротора; 11 – крышка распределителя; 12 – пластина центробежного регулятора; 13 – кулачок прерывателя; 14 – грузик; 15 – контактная группа; 16 – подвижная пластина прерывателя; 17 – винт крепления контактной группы; 18 – паз для регулировки зазоров в контактах; 19 – конденсатор; 20 – корпус прерывателя-распределителя; 21 – приводной валик; 22 – фильц для смазки кулачка

После того, как в катушке зажигания образовался ток высокого напряжения, он попадает (по высоковольтному проводу) на центральный контакт крышки распределителя, а затем через подпружиненный контактный уголек на пластину ротора.

Во время вращения ротора ток через небольшой воздушный зазор "соскакивает" с его пластины на боковые контакты крышки. Далее, через высоковольтные провода импульс тока высокого напряжения попадает к свечам зажигания.

Боковые контакты крышки распределителя пронумерованы и соединены высоковольтными проводами со свечами цилиндров в строго определенной последовательности.

Таким образом, устанавливается "порядок работы цилиндров", который выражается рядом цифр.

Как правило, для четырехцилиндровых двигателей применяется порядок работы: 1–3–4–2. Это означает, что после воспламенения рабочей смеси в первом цилиндре, следующий "взрыв" произойдет в третьем, потом в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Такой порядок работы цилиндров установлен для равномерного распределения нагрузки на коленчатый вал двигателя.

Подача высокого напряжения на электроды свечи зажигания должна происходить в конце такта сжатия, когда поршень не доходит до верхней мертвой точки примерно 4–6°, измеряя по углу поворота коленчатого вала. Этот угол называют углом опережения зажигания.

Необходимость опережения момента зажигания горючей смеси обусловлена тем, что поршень движется в цилиндре с огромной скоростью. Если смесь поджечь несколько позже, то расширяющиеся газы не будут успевать делать свою основную работу, то есть давить на поршень в должной степени. Хотя горючая смесь и сгорает в течение 0,001–0,002 секунды, поджигать ее надо до подхода поршня к верхней мертвой точке. Тогда в начале и середине рабочего хода поршень будет испытывать необходимое давление газов, а двигатель будет обладать той мощностью, которая требуется для движения автомобиля.

Первоначальный угол опережения зажигания выставляется и корректируется с помощью поворота корпуса прерывателя-распределителя. Тем самым мы выбираем момент размыкания контактов прерывателя, приближая их или, наоборот, удаляя от набегающего кулачка приводного валика прерывателя-распределителя.

В зависимости от режима работы двигателя, условия процесса сгорания рабочей смеси в цилиндрах постоянно меняются. Поэтому для обеспечения оптимальных условий необходимо постоянно менять и указанный выше угол (4–6°). Это обеспечивают центробежный и вакуумный регуляторы опережения зажигания.

Центробежный регулятор опережения зажигания предназначен для изменения момента возникновения искры между электродами свечей зажигания в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя.

При увеличении оборотов коленчатого вала двигателя поршни в цилиндрах увеличивают скорость своего возвратно-поступательного движения. В то же время скорость сгорания рабочей смеси остается практически неизменной. Следовательно, для обеспечения нормального рабочего процесса в цилиндре смесь необходимо поджигать чуть раньше. Для этого искра между электродами свечи должна проскочить раньше, а это возможно лишь в том случае, если контакты прерывателя тоже разомкнутся раньше. Это и должен обеспечить центробежный регулятор опережения зажигания (рис. 23).

а) расположение деталей регулятора: 1 – кулачок прерывателя; 2 – втулка кулачков; 3 – подвижная пластина; 4 – грузики; 5 – шипы грузиков; 6 – опорная пластина; 7 – приводной валик; 8 – стяжные пружины

б) грузики вместе

в) грузики разошлись

Рис. 23. Схема работы центробежного регулятора угла опережения зажигания

Центробежный регулятор опережения зажигания находится в корпусе прерывателя-распределителя (см. рис. 22 и 23). Он состоит из двух плоских металлических грузиков, каждый из которых одним из своих концов закреплен на опорной пластине, жестко соединенной с приводным валиком. Шипы грузиков входят в прорези подвижной пластины, на которой закреплена втулка кулачков прерывателя. Пластина с втулкой имеют возможность проворачиваться на небольшой угол относительно приводного валика прерывателя-распределителя.

По мере увеличения числа оборотов коленчатого вала двигателя, увеличивается и частота вращения валика прерывателя-распределителя. Грузики, подчиняясь центробежной силе, расходятся в стороны и сдвигают втулку кулачков прерывателя "в отрыв" от приводного валика, в результате чего набегающий кулачок поворачивается на некоторый угол по ходу вращения навстречу молоточку контактов. Контакты размыкаются раньше, угол опережения зажигания увеличивается.

При уменьшении скорости вращения приводного валика центробежная сила уменьшается, и под воздействием пружин грузики возвращаются на место – угол опережения зажигания уменьшается.

Вакуумный регулятор опережения зажигания предназначен для изменения момента возникновения искры между электродами свечей зажигания в зависимости от нагрузки на двигатель.

На одной и той же частоте вращения коленчатого вала двигателя положение дроссельной заслонки (педали "газа") может быть различным. Это означает, что в цилиндрах будет образовываться смесь различного состава, а скорость сгорания рабочей смеси как раз и зависит от ее состава.

При полностью открытой дроссельной заслонке (педаль "газа" "в полу") смесь сгорает быстрее, и поджигать ее можно и нужно попозже. Следовательно, угол опережения зажигания надо уменьшать.

И наоборот, когда дроссельная заслонка прикрыта, скорость сгорания рабочей смеси падает. Значит, угол опережения зажигания должен быть увеличен.

Именно этим и занимается вакуумный регулятор опережения зажигания.

Вакуумный регулятор (рис. 24) крепится к корпусу прерывателя-распределителя (см. рис. 22). Корпус регулятора разделен диафрагмой на два объема. Один из них связан с атмосферой, а другой через соединительную трубку сообщается с полостью под дроссельной заслонкой. С помощью тяги диафрагма регулятора соединена с подвижной пластиной, на которой располагаются контакты прерывателя.

Рис. 24. Вакуумный регулятор угла опережения зажигания

При увеличении угла открытия дроссельной заслонки (увеличение нагрузки на двигатель) разряжение под ней уменьшается. В этом случае, под воздействием пружины диафрагма через тягу сдвигает пластину вместе с контактами на небольшой угол в сторону от набегающего кулачка прерывателя. Контакты будут размыкаться позже, угол опережения зажигания уменьшится.

И наоборот, угол увеличивается, когда вы прикрываете дроссельную заслонку (уменьшаете "газ"). Разрежение под заслонкой увеличивается, передается к диафрагме и она, преодолевая сопротивление пружины, тянет на себя пластину с контактами. Это означает, что кулачок прерывателя быстрее встретится с молоточком контактов и разомкнет контакты раньше. Таким образом мы увеличиваем угол опережения зажигания для плохо горящей рабочей смеси.

Свеча зажигания (рис. 25) необходима для образования искрового разряда и поджигания рабочей смеси в камере сгорания. Как вы помните, устанавливается свеча зажигания в головке цилиндра двигателя (см. рис. 6).

Рис. 25. Свеча зажигания: 1 – контактная гайка; 2 – изолятор; 3 – корпус; 4 – уплотнительное кольцо; 5 – центральный электрод; 6 – боковой электрод

Когда импульс тока высокого напряжения от распределителя зажигания попадает на свечу, между ее электродами проскакивает искра. Именно эта "искорка" и воспламеняет рабочую смесь, обеспечивая тем самым нормальное прохождение рабочего цикла двигателя (см. рис. 8). Свеча зажигания маленькая, но очень важная деталь вашего двигателя.

В обычной жизни вы можете посмотреть на принцип работы свечи зажигания, поиграв с пьезо- или электрозажигалкой, которая используется на кухне. Искра, проскакивающая между электродами зажигалки, воспламеняет газ и обеспечивает рабочий "кухонный" процесс.

Высоковольтные провода служат для подачи тока высокого напряжения от катушки зажигания к распределителю и от него на свечи зажигания.

Основные неисправности контактной системы зажигания

Отсутствует искра между электродами свечей из-за обрыва или плохого контакта проводов в цепи низкого напряжения, обгорания контактов прерывателя или отсутствия зазора между ними, "пробоя" конденсатора. Искра может отсутствовать также при неисправности катушки зажигания, крышки распределителя, ротора, высоковольтных проводов или самой свечи.

Для устранения этой неисправности необходимо последовательно проверить цепи низкого и высокого напряжения. Зазор в контактах прерывателя следует отрегулировать, а неработоспособные элементы системы зажигания заменить.

Двигатель работает с перебоями и (или) не развивает полной мощности из-за неисправной свечи зажигания, нарушения величины зазора в контактах прерывателя или между электродами свечей, повреждения ротора или крышки распределителя, а также при неправильной установке начального угла опережения зажигания.

Для устранения неисправности необходимо восстановить нормальные зазоры в контактах прерывателя и между электродами свечей, выставить начальный угол опережения зажигания в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя, а неисправные детали следует заменить.

Бесконтактная система зажигания

Преимущество бесконтактной системы зажигания заключается в возможности увеличения подаваемого напряжения на электроды свечи (увеличение "мощности" искры). Это означает, что улучшается процесс воспламенения рабочей смеси. Тем самым облегчается запуск холодного двигателя, повышается устойчивость его работы на всех режимах, что имеет особое значение для суровых зимних месяцев.

Немаловажным фактом является то, что при использовании бесконтактной системы зажигания двигатель становится более экономичным.

У бесконтактной системы, как и у контактной, есть цепи низкого и высокого напряжения.

Цепи высокого напряжения контактной и бесконтактной систем зажигания практически ничем не отличаются, но цепи низкого напряжения у них различны. В бесконтактной системе используются электронные устройства – коммутатор и датчик-распределитель (датчик Холла) (рис. 26).

а) схема электрической цепи низкого напряжения: 1 –аккумуляторная батарея; 2 – контакты замка зажигания; 3 – транзисторный коммутатор; 4 – датчик-распределитель (датчик Холла); 5 – катушка зажигания

б) схема электрических соединений коммутатора и датчика-распределителя

Рис. 26. Бесконтактная система зажигания

Бесконтактная система зажигания включает в себя следующие узлы:

катушку зажигания;

датчик-распределитель;

коммутатор;

свечи зажигания;

провода высокого и низкого напряжения;

выключатель зажигания.

В такой системе зажигания отсутствуют контакты прерывателя, а значит, нечему подгорать и нечего регулировать. Функцию контактов в этом случае выполняет бесконтактный датчик Холла, который посылает управляющие импульсы в электронный коммутатор. А коммутатор, в свою очередь, управляет катушкой зажигания, которая преобразует ток низкого напряжения в те самые "страшно большие" вольты.

Основные неисправности бесконтактной системы зажигания

Если "заглох" и не хочет заводиться двигатель с бесконтактной системой зажигания, то в первую очередь стоит проверить... подачу бензина. Может быть, к вашей радости, причина была именно в этом. Если с бензином все в порядке, а искры на свече нет, то у вас есть три варианта решения проблемы.

Начнем с третьего. Надо хлопнуть дверцей машины, сказать нехорошие слова и опоздать на работу, добираясь туда на общественном транспорте.

Первый вариант предполагает попытку проверить на практике мнение о том, что "электроника – это наука о контактах". Открываем капот и проверяем, зачищаем, подергиваем и подпихиваем на свои места все провода и проводочки, которые попадаются под руку. Если до этих судорожных движений где-то были ненадежные электрические соединения, то двигатель заведется. А если нет, то остается еще второй вариант.

Для возможности воплощения в жизнь второго варианта вам следует быть запасливым водителем. Из резерва необходимых вещей, которые вы возите с собой в машине, в первую очередь надо взять запасной коммутатор и заменить им прежний. Как правило, после этой процедуры двигатель оживает. Если же он все еще не хочет запускаться, то имеет смысл, последовательно меняя на новые, проверить крышку распределителя, ротор, бесконтактный датчик и катушку зажигания. В процессе этой "меняльной" процедуры двигатель все-таки заведется, а позже дома, вместе со специалистом вы сможете разобраться, какой конкретно узел вышел из строя и почему.

Эксплуатация системы зажигания

При нормальной эксплуатации автомобиля и периодическом его обслуживании система зажигания не доставляет водителю больших хлопот. Но некоторые водители вообще забывают о том, что кроме пепельницы и магнитолы в автомобиле есть еще и многострадальный двигатель, и в частности его система зажигания.

Наступает момент, и машина "говорит" водителю о том, что у нее тоже есть "нервы и предел терпения". Двигатель начинает фыркать и дымить, глохнуть и не заводиться. Это могут быть крупные поломки или мелкие неисправности в системах и механизмах двигателя, но, как правило, проблема кроется всего лишь в нарушенных регулировках и соединениях.

Так как мы уже знаем, что "электроника – это наука о контактах", то в первую очередь необходимо следить за чистотой и надежностью электрических соединений. Поэтому при эксплуатации автомобиля иногда приходится зачищать клеммы проводов и штекерные разъемы.

Периодически следует контролировать зазор в контактах прерывателя (рис. 21)и при необходимости его регулировать. Если зазор в контактах прерывателя больше нормы (0,35–0,45 мм), то наблюдается неустойчивая работа двигателя на больших оборотах. Если меньше – неустойчивая работа на оборотах холостого хода. Все это происходит по причине того, что нарушенный зазор меняет время замкнутого состояния контактов. А это уже влияет и на мощность искры, проскакивающей между электродами свечи, и на сам момент ее возникновения в цилиндре (опережение зажигания).

К сожалению, качество нашего бензина нередко оставляет желать лучшего. Поэтому, если сегодня вы заправили свой автомобиль не очень качественным бензином, то в следующий раз он может оказаться еще хуже. Естественно, это не может не влиять на качество приготавливаемой карбюратором горючей смеси и процесс ее сгорания в цилиндре. В таких случаях, чтобы двигатель безотказно продолжал выполнять свою работу, необходимо подстраивать систему зажигания под "сегодняшний" бензин.

Если первоначальный угол опережения зажигания не соответствует оптимальному, то можно наблюдать и ощущать следующие явления.

Угол опережения зажигания слишком велик (раннее зажигание):

затрудненный запуск холодного двигателя;

"хлопки" в карбюраторе (обычно хорошо слышны из-под капота при попытках запуска двигателя);

потеря мощности двигателя (машина плохо "тянет");

перерасход топлива;

перегрев двигателя (индикатор температуры охлаждающей жидкости активно стремится к красному сектору);

повышенное содержание вредных веществ в выхлопных газах.

Угол опережения зажигания меньше нормы (позднее зажигание):

"выстрелы" в глушителе;

потеря мощности двигателя;

перерасход топлива;

перегрев двигателя.

Короче говоря, при неправильно выставленном зажигании двигатель хочет "умереть", а машина не хочет ехать. Перечень вышеописанных "кошмаров" можно было бы и продолжить, но и этого достаточно для того, чтобы вы поняли, что двигатель и его системы требуют периодических регулировок. А кто будет этим заниматься, зависит от вас. Можно самостоятельно овладеть некоторыми навыками в не очень трудоемких и не очень сложных операциях по регулировкам. Или можно обращаться к специалисту, которому вы будете доверять свою "ласточку".

Свеча зажигания, как было упомянуто ранее, это маленький и с виду простенький элемент системы зажигания, но это только с виду.

Нормальная работа двигателя возможна при условии, если зазор между электродами свечи будет конкретным и одинаковым в свечах всех цилиндров. Для контактных систем зажигания зазор должен быть в пределах 0,5–0,6 мм, а для бесконтактных систем 0,7–0,9 мм и более.

Теперь вспомните "жуткие" условия, в которых работают свечи зажигания. Не всякий металл выдержит огромные температуры в агрессивной среде. Поэтому со временем электроды свечей подгорают и покрываются нагаром.

Вообще-то, изношенные или обросшие нагаром свечи рекомендуется заменить. Но если в пути запасных свечей не оказалось, то очищаем электроды "забарахлившей" свечи от нагара мелкозернистым надфилем или специальной алмазной пластинкой, регулируем зазор, подгибая боковой электрод, и вкручиваем свечу на место.

Каждый раз, выкручивая свечи зажигания, обращайте внимание на цвет их электродов. Если они светло-коричневые, то свеча работает нормально. А если они черные, то возможно свеча вообще не работает.

Сегодня в продаже есть силиконовые высоковольтные провода. При замене вышедших из строя старых проводов имеет смысл приобрести именно силиконовые, так как они не "пробиваются" током высокого напряжения. А ведь перебои в работе двигателя нередко происходят из-за утечки импульса тока высокого напряжения по высоковольтному проводу на "массу" автомобиля. Вместо того чтобы пробивать воздушный барьер между электродами свечи и поджигать рабочую смесь, электрический ток выбирает путь наименьшего сопротивления и "уходит" на сторону.

Старайтесь не открывать капот автомобиля, когда на улице идет дождь или снег. После мокрого душа двигатель может не запуститься, так как вода, попав на приборы электрооборудования и провода, образует токопроводящие мостики, по которым высокое напряжение утекает на "массу".

Тот же эффект, но более усугубленный, возникает у любителей прокатиться по глубоким лужам на большой скорости. В результате "купания"

водой заливаются все приборы и провода системы зажигания, расположенные под капотом, и двигатель, естественно, глохнет, поскольку ток высокого напряжения уже не может добраться до свечей зажигания. Возобновить поездку в таких случаях удается лишь после того, как горячий двигатель своим теплом просушит все "электрическое" в подкапотном пространстве.

Система зажигания на автомобилях с электронным управлением двигателем

На современных автомобилях с электронным управлением двигателем система зажигания состоит из (рис. 27):

электронного блока управления (ЭБУ);

датчиков (угла поворота коленчатого вала, положения дроссельной заслонки, детонации, температуры охлаждающей жидкости);

катушки зажигания (общей или по одной катушке на каждый цилиндр);

распределителя тока высокого напряжения (при общей катушке зажигания);

высоковольтных проводов;

свечей зажигания.

Рис. 27. Схема электронной системы зажигания. Вариант А – с общей катушкой зажигания; Вариант Б – с отдельной катушкой на каждый цилиндр: 1 – маховик с зубчатым венцом; 2 – поршень; 3 – цилиндр двигателя; 4 – камера сгорания; 5 – впускной клапан; 6 – поток воздуха; 7 – дроссельная заслонка; 8 – датчик положения дроссельной заслонки; 9 – катушка зажигания; 9" – катушка зажигания на каждой свече; 10 – распределитель тока высокого напряжения; 11 – высоковольтные провода; 11" – электрический провод, по которому к катушке зажигания поступает импульсный сигнал от ЭБУ; 12 – свеча зажигания; 13 – выпускной клапан; 14 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 15 – датчик детонации; 16 – датчик угла поворота коленчатого вала; 17 – электронный блок управления (ЭБУ); 18 – диагностическая лампа-сигнализатор; 19 – диагностическая колодка; 20 – замок зажигания; 21 – аккумуляторная батарея

При работе двигателя информация от датчиков поступает в электронный блок управления (ЭБУ). В результате обработки полученной информации ЭБУ устанавливает оптимальный момент зажигания, необходимый для получения максимальной экономичности работы двигателя в каждый отдельный момент времени, и подает импульсный сигнал катушке (катушкам) зажигания.

Электронная система зажигания не требует регулировок и очень надежна в течение всего срока службы.

Наблюдая за диагностикой электрооборудования на СТО, многие хотят знать, что показывает та или иная картинка на экране мотортестера .

Рис. 1. Нормальные величины напряжения на свечах четырехцилиндрового двигателя.

Рис. 2. Осциллограмма напряжения в свечных проводах.

Рис. 3. Участки ”ненормальной” осциллограммы: а – напряжение пробоя и длительность искры слишком велики; б – напряжение пробоя слишком велико и отсутствует участок горения; в – напряжения пробоя и искры ниже, а длительность искры выше нормы.

Продолжаем знакомить с методами диагностики автомобиля любительскими и профессиональными измерительными приборами (см. ЗР, 1998, № 10). Как по величине высокого напряжения судить о работе зажигания, расскажут разработчики известных минских мотортестеров . Более 1000 приборов, созданных этим предприятием, успешно эксплуатируются на предприятиях автосервиса России, Белоруссии, Украины, стран Балтии.

В основе работы всех бензиновых двигателей лежат одни и те же физические процессы, поэтому многие внешние параметры очень схожи.

Чтобы не нарушать работу системы зажигания, врезаясь в нее при измерении высокого напряжения, в мотортестерах применяют специальный накладной датчик емкостного типа. Его можно представить как вторую обкладку конденсатора, первой обкладкой которого служит центральная жила высоковольтного провода, а диэлектриком между пластинами выступает изоляция этого же провода. Образованная таким образом емкость достаточна, чтобы зафиксировать величину напряжения, которое пропорционально высокому . Эта картина представлена на рис. 1, где столбики изображают величину напряжения в высоковольтной цепи каждого из четырех цилиндров. Здесь оно одинаково на всех свечах.

Напомним суть процессов в системе зажигания. Воспламеняет смесь в двигателе искра, которая возникает между электродами свечи. При оптимальном зазоре между ними (0,6–0,8 мм) и нормальном составе топливно-воздушной смеси в цилиндре искровой разряд начинается, когда разность потенциалов между электродами достигает около десяти киловольт (рис. 2, желтая зона). Искра пробивает пространство между электродами, среда между ними ионизируется, а затем смесь воспламеняется.

Электрическое сопротивление среды и напряжение между электродами в последний момент резко падает до 1–2 кВ (рис. 2, красная зона). Через некоторое время (0,7–1,5 миллисекунды) по окончании процесса горения смеси становится все меньше ионизированных частиц вблизи электродов, поэтому сопротивление среды возрастает и напряжение между электродами растет до 3–5 кВ (рис. 2, синяя зона). Этого для пробоя недостаточно, и высокое напряжение, колеблясь в соответствии с затухающими переходными процессами в катушке зажигания, опускается к нулю – до следующего импульса (рис. 2, зеленая зона).

Когда зазор между электродами свечи меньше, то и пробой происходит при меньшем напряжении. Это не самый лучший вариант. Энергия искры меньше, хуже условия для поджига смеси, а в конечном итоге снижаются мощностные и экономические характеристики двигателя.

Если же в свече зазор больше нормы, то пробой происходит, наоборот, при более высоком напряжении. В энергетическом отношении это вроде бы неплохо, но при этом растет вероятность пробоя диэлектрических деталей (крышки распределителя, ”бегунка”, изолятора свечи и т. д.) и утечек тока. Это может в самый неподходящий момент привести к перебоям в работе двигателя, невозможности его пустить, особенно во влажную погоду и т. п.

Если при нормальном зазоре в свечах напряжение ниже нормы (всего 4–6 кВ), то, возможно, переобогащена смесь, поступающая в цилиндры. Ведь чем она богаче, тем лучше проводит ток, – и, следовательно, при меньшем напряжении будет происходить пробой между электродами. Значит, надо заняться карбюратором или системой впрыска.

Если же, наоборот, высокое напряжение выше нормы (например, 13–15 кВ) – смесь слишком бедная. Двигатель может останавливаться на холостых оборотах, не развивать полной мощности и т. д. Другие причины кроме смеси: обрыв или отсутствие полного контакта в центральном проводе высокого напряжения, трещина в крышке распределителя, пробой ”бегунка”.

Если высокое напряжение больше нормы в одном из цилиндров, то в число возможных причин можно включить и подсос воздуха в этот цилиндр.

Для полной диагностики системы зажигания важны еще два параметра – напряжение и длительность искры. В идеальном случае напряжение составляет около 10 кВ, а длительность – 0,7–1,5 миллисекунды. Эти два параметра тесно связаны между собой, так как определяют энергию искры. Поскольку энергия, накапливаемая катушкой, – величина постоянная, то чем больше напряжение искры, тем меньше становится ее длительность, и наоборот. Чтобы детально проанализировать эти параметры, увеличивают масштаб на экране мотортестера .

Если напряжения пробоя и искры значительно выше, а длительность больше 1,5 мс (осциллограмма выглядит, как на рис. 3, а), причину можно найти, последовательно проверяя свечи, ”бегунок”, крышку распределителя и катушку зажигания.

Если на экране мы видим, что участок горения вообще отсутствует (рис. 3, б), амплитуда напряжения пробоя выше нормы и идет высоковольтный колебательный процесс (как зеркало повторяющий колебания в первичной обмотке катушки зажигания) – значит, оборван провод, идущий к свече этого цилиндра.

Если процесс горения наблюдается, но напряжение пробоя и искры раза в два выше нормы, а на осциллограмме виден колебательный процесс на всем участке горения, значит, надо искать трещину в корпусе свечи.

Если же, наоборот, эти напряжения значительно ниже нормы, длительность искры больше 2,5–3 мс, скорее всего пробивает на ”массу” (закорочен) высоковольтный провод (рис. 3, в).

Конечно, мы расшифровали только самые основные, наиболее часто встречающиеся варианты показаний и осциллограммы высоких напряжений. Другие, более сложные описаны в руководствах по эксплуатации мотортестеров.

Основными условиями воспламенения смеси являются превышение высокого (вторичного) напряжения над напряжением пробоя и достаточность энергии искрового разряда, выделяемой в искровом промежутке зажигательной свечи. Искровой разряд имеет емкостную и индуктивную фазы. Длительность емкостной фазы невелика и составляет 1-3 мкс. Поэтому энергия, выделяемая в данной фазе искрового разряда, обеспечивает воспламенение лишь однородной и полностью газифицированной рабочей смеси. При пуске холодного двигателя, когда паровой части топлива в смеси недостаточно, а температура ее низка, для воспламенения рабочей смеси кроме емкостной фазы разряда требуется индуктивная. Длительность индуктивной фазы искрового разряда существенно больше, чем емкостной, что способствует улучшению прогрева смеси и ее испарению. Это обеспечивает более качественное воспламенение смеси, находящейся по своему составу у границ воспламеняемости.

У систем зажигания, предназначенных для двигателей с Э > 9, энергия искрового разряда достигает 0,05 Дж, а длительность 2,5 мс. При этом повышение вторичного напряжения над напряжением пробоя, характеризуемого коэффициентом запаса, составляет 1,4-1,5.

Величина напряжения пробоя при пуске двигателя (особенно холодного) всегда больше, чем на его рабочих режимах. Это связано с низкой температурой электрода свечи и рабочей смеси в цилиндре. Напряжение пробоя зависит от давления сжатия в момент пробоя искрового промежутка и расстояния между электродами свечи. На величину напряжения пробоя влияет форма электродов свечи (результат электрической эрозии), при изменении которой оно увеличивается на 3-4 кВ за первые 25 тыс. км пробега автомобиля.

Величина вторичного напряжения, развиваемого системой зажигания, зависит от конструктивных и эксплуатационных факторов.

При пусковых частотах вращения коленчатого вала двигателя время замкнутого состояния контактов прерывателя достаточно велико, и сила тока в первичной электроцепи достигает максимального значения. При малой частоте размыкания контактов и большой силе тока разрыва, индуктируемого в первичной обмотке катушки, возможен пробой искрового воздушного промежутка между контактами, что вызывает ухудшение параметров искрового разряда.

Вторичное напряжение уменьшается при снижении напряжения на зажимах аккумуляторной батареи, которое обусловливается низкой температурой аккумуляторной батареи и степенью ее разряженности. Для компенсации снижения напряжения в первичную электроцепь систем зажигания у отечественных автомобилей вводится дополнительный резистор, замыкаемый накоротко в момент включения стартера.

Необходимо отметить влияние неравномерности электрострартерного прокручивания коленчатого вала на снижение вторичного напряжения систем зажигания. Вторичное напряжение падает при неравномерном прокручивании коленчатого вала на 0,2-1,5 кВ по сравнению с равномерным прокручиванием. Уменьшение вторичного напряжения возможно и при увеличении шунтирующего сопротивления и зазора между электродами . Шунтирование свечей при пуске двигателя происходит в результате переобогащения смеси и попадания между электродами влаги и остатков продуктов сгорания. Наибольшее шунтирование свечей наблюдается у роторно-поршневых двигателей (в силу конструктивных особенностей расположения свечи) и у двухтактных двигателей из-за плохой организации процесса смесеобразования и плохой очистки цилиндров от остаточных газов. Увеличить энергию искрового разряда и величину вторичного напряжения у систем зажигания можно только увеличением силы тока разрыва первичной электроцепи катушки зажигания. В классических электромеханических системах такая возможность ограничивается сроком службы контактов прерывателя. Наибольшая эксплуатационная надежность контактов имеет место при силе тока 1 А.

Проблема роста вторичного напряжения и энергии искрового разряда за счет увеличения силы тока разрыва первичной цепи решается с помощью схем контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания.

Обеспечивают более легкие условия работы контактов прерывателя при одновременном повышении силы тока разрыва первичной цепи.

Вторичное напряжение, развиваемое контактно-транзисторной системой зажигания двигателя ЗИЛ-508.1000400, составляет 25 кВ, что обеспечивает коэффициент запаса 1,7-1,8 (1,35 для классической системы). Сила тока в первичной цепи катушки зажигания составляет около 7 А и разрываемого контактами прерывателя — 0,7-0,9 А. Положительным качеством контактно-транзисторной системы является увеличение по сравнению с классической длительностью и энергии искрового разряда (энергия до 0,024-0,025 Дж и длительность до 2,0-2,3 мс). К недостаткам данных систем относится влияние на их характеристики напряжения в первичной цепи и л, хотя оно несколько меньше, чем у классической системы.

Лучшими системами с точки зрения пуска являются электронные бесконтактные системы с электронными или электромеханическими автоматами опережения зажигания, имеющие бесконтактное управление моментом зажигания с нормированным временем накопления энергии в магнитном поле. В таких системах время накопления энергии почти не зависит от п, что улучшает условия пуска двигателя. Энергия индуктивной фазы на пусковых режимах двигателя для отечественных электронных систем (бесконтактной и микропроцессорной) составляет от 0,03 до 0,05 Дж, а длительность разряда от 2,0 до 1,7 мс.

Широко применяются электронные системы с накоплением энергии в электростатическом поле конденсатора и коммутирующем элементе (тиристоре). Резкий рост вторичного напряжения обеспечивает малую чувствительность к шунтированию свечей зажигания. Такой характер возрастания напряжения тиристорной системы, несмотря на малую длительность индуктивной составляющей, позволяет повысить надежность воспламенения топливомасляных смесей двухтактных и роторно-поршневых двигателей, а также газовоздушных смесей газовых двигателей.

Двухтактные пусковые двигатели оборудуются системами зажигания от магнето, особенностью которых являются более низкие вторичное напряжение и энергия искрового разряда по сравнению с батарейной системой зажигания, особенно в интервале пусковых частот вращения коленчатого вала 200-300 мин-1. Для повышения коэффициента запаса по вторичному напряжению приходится повышать пусковую частоту вращения коленчатого вала, что ухудшает экономические показатели пусковой системы.

Неравномерность вращения коленчатого вала пусковых двигателей при электростартерном пуске (5 достигает 1,85-1,90) приводит к снижению вторичного напряжения на 0,3-4,5 кВ. Это необходимо учитывать при выборе параметров систем зажигания от магнето.

Улучшить пуск пусковых двигателей можно за счет применения электронных систем зажигания, минимальная частота устойчивого искрообразования которых должна составлять не более 100-150 мин