Эволюция систем зажигания авто
Что нужно бензиновому двигателю для эффективной работы?
— В первую очередь, надежное воспламенение воздушно-топливной смеси.
Чтобы двигатель работал с максимальной отдачей, недостаточно только выдерживать оптимальное стехиометрическое соотношение топливовоздушной смеси 14:1. От силы, длительности и момента высоковольтной искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания, зависит эффективная мощность, топливная экономичность, чистота выхлопа и даже ресурс двигателя.
Насколько хорошо реализована и настроена система зажигания автомобиля, настолько же эффективным будет соотношение мощности и расхода топлива.
Искра, обеспечивающая воспламенение горючей смеси в цилиндрах двигателя должна стабильно и вовремя проскакивать в нужных цилиндрах на всех режимах работы двигателя. При этом, смесь должна сгорать в цилиндрах плавно, со скоростью не более 200 м/с, иначе двигатель будет испытывать ударные детонационные нагрузки, что в итоге приведет к его повреждению.
Не должно быть и эффекта калильного зажигания, когда образующийся на электродах свечи раскаленный углеродный нагар бесконтрольно воспламеняет горючую смесь. Кроме этого, момент подачи высоковольтной искры должен меняться на разных режимах работы двигателя, иначе у автомобиля не будет приемистости и динамики. И это всего-лишь базовые требования к системе зажигания.
Вместе с другими системами и агрегатами автомобилей, в течение многих лет системы зажигания совершенствовались, повышалась их надежность и эффективность, электромеханические узлы и детали заменялись электронными, а управление моментом и распределением зажигания полностью отдано электронной системе управления. О том, что же было до того и какие виды и устройства предшествовали электронным системам управления, справедливо рассказать в дальнейшем.
Речь пойдет о том, как совершенствовались системы зажигания и какие достоинства и недостатки определяли их работу.
Зажигание от магнето
Такой вид системы зажигания сегодня можно встретить лишь на старых мотоциклах, мопедах, лодочных моторах или на тракторных двигателях, служащих стартером для основного. Это устройство по своей сути, прародитель всех современных систем зажигания.
Уникальность магнето заключается в том, что для его работы не требуется отдельный источник электрической энергии – аккумуляторная батарея. Магнето способно работать как генератор низкого и высокого напряжения одновременно.
Принцип работы основан на магнитоэлектрической индукции при вращении магнитного ротора вокруг катушек индуктивности. Высокое напряжение формируется при помощи контакта прерывателя и конденсатора, который накапливает индуцированное в катушке напряжение, а затем разряжается.
В результате образуется электромагнитный импульс высокого напряжения, который подается на свечу зажигания, а при наличии нескольких цилиндров, на высоковольтный распределитель.
Подобные системы зажигания в XX веке совсем не были редкостью. Главным преимуществом (и главным недостатком) магнето является отсутствие источника питания. В результате, снижается надежность при работе двигателя на низких оборотах, а от обилия движущихся механических частей повышается сложность в ремонте и настройке. Отчасти поэтому, использование магнето эффективно только для двухтактных двигателей, которые развивают очень высокие обороты.
Батарейная (контактная) система зажигания
Другая ступень эволюции автомобильного зажигания – это появление контактной или батарейной системы. Главное её преимущество перед магнето – это наличие стабильного источника питания, аккумуляторной батареи. Именно благодаря большей надежности на всех оборотах двигателя, контактная система зажигания получила такое широкое распространение в автомобилестроении на всех континентах.
В основе работы является тот же эффект, что и в магнето. При размыкании контактов прерывателя импульс напряжения, усиленный конденсатором, подается на первичную обмотку катушки зажигания. В этот же момент во вторичной или высоковольтной обмотки катушки зажигания индуцируется импульс, напряжением 15000 – 18000 Вольт. Этого вполне достаточно для образования устойчивой искры на электродах свечи. Высокое напряжение подается к нужным цилиндрам благодаря распределителю (трамблеру), конструктивно объединенному с прерывателем.
Принцип работы трамблера довольно прост. На одном валу объединены кулачковый прерыватель, высоковольтный распределитель и вакуумный корректор угла опережения зажигания. При резком увеличении оборотов двигателя необходимо уменьшить угол опережения зажигания. Это необходимо для повышения приемистости и улучшения сгорания топлива.
Вакуумный корректор работает следующим образом: при резком открытии дроссельной заслонки, возрастает разрежение во впускном коллекторе. Мембрана вакуумного корректора связана трубкой со впускным коллектором. При наличии разрежения, мембрана при помощи тяги поворачивает площадку с контактами распределителя зажигания, тем самым меняя угол опережения зажигания в сторону уменьшения.
При закрытии дроссельной заслонки разрежение падает и пружина возвращает мембрану с тягой в исходное положение. Такая система проста в обслуживании и легко регулируется. Аналогично работает и система октан-корректора, необходимая для корректировки угла опережения зажигания в зависимости от используемого бензина с различным октановым числом.
В качестве усовершенствования контактной системы в её схему введены дополнительные резисторы. Резисторы в крышке прерывателя и внутри свечей зажигания служат балластом для подавления радиопомех, возникающих при высоковольтных импульсах, а резистор на первичной обмотке катушки зажигания необходим для ограничения тока при длительной работе двигателя. Благодаря ему, исключается прохождение тока высокой силы по низковольтной цепи, а значит, уменьшается нагрев и износ контактов прерывателя.
К недостаткам контактной системы зажигания следует отнести необходимость регулировок зазора прерывателя. Контакт прерывателя часто подвержен подгоранию, отсыреванию и окислению. При наличии любого из перечисленного, крайне затрудняется пуск двигателя.
При выходе из строя конденсатора резко снижается эффективность работы системы вплоть до полной остановки двигателя. Обилие движущихся механических частей, в том числе и в высоковольтной части, способствует износу и выгоранию контактов вплоть до полного выхода системы из строя.
Контактно-транзисторная система зажигания
С началом эпохи полупроводников, к 70-м годам прошлого века, многие марки и модели автомобилей получили более совершенную систему зажигания, содержащую в своем составе полупроводниковые приборы – транзисторы.
Принцип их работы заключался в том, что низковольтный электрический импульс, необходимый для подачи на высоковольтную обмотку катушки зажигания, формировался не размыканием контактов прерывателя, а транзистором, работающим в режиме электронного ключа.
И если в батарейной системе требовался довольно значительный ток, чтобы индуцировать высокое напряжение, в результате чего неизбежно подгорали контакты, то при введении электронного переключателя – транзистора контакты прерывателя были уже полностью разгружены по току и лишь служили как датчик момента образования импульса.
Транзисторная схема формировала мощный и устойчивый электрический импульс, достаточный для образования качественного зажигания горючей смеси. В остальном эта система практически ничем не отличается от «классической» контактной системы зажигания.
В нашей стране контактно-транзисторная система зажигания устанавливалась на автомобили ГАЗ 53, ГАЗ 24 «Волга», УАЗ, а также на автомобили, производимые на базе ГАЗ 24 с моторами ЗМЗ, например РАФ «Латвия», ЕрАЗ, а также зарубежные: Zuk, ARO и пр.
Бесконтактная (трамблерная) система зажигания
Как было сказано выше, главным недостатком всех перечисленных систем зажигания было наличие механического контактного прерывателя.
При создании бесконтактной системы зажигания этот недостаток был полностью устранен. Вместо прерывателя система получила электромагнитный датчик Холла – устройство, генерирующее электромагнитный импульс при попадании кристалла полупроводника в магнитное поле.
Принцип действия бесконтактной системы зажигания первого поколения был таким: в корпусе трамблера вместо контактов прерывателя размещается датчик Холла, окруженный вращающимся экраном с прорезью. При совпадении датчика и прорези экрана, магнитное поле от постоянного магнита воздействует на кристалл датчика. В результате, на контактах датчика формируется электрический импульс, который поступает в электронное устройство – коммутатор.
Коммутатор формирует задающий импульс на катушку зажигания. В результате, на вторичной обмотке катушки индуцируется мощный электромагнитный импульс напряжением выше 30 000 Вольт. Этого вполне достаточно для формирования мощной устойчивой искры.
Такой вид зажигания устанавливался на все автомобили семейства ВАЗ 2108 – 2110 и многие европейские марки (Ford, Renault, FIAT, Peugeot и пр.). Следует отметить, что свечи для бесконтактной системы зажигания непригодны для системы с контактным, т.к. имеется слишком большая разница по току и напряжению.
Главный недостаток бесконтактной системы зажигания первого поколения – наличие механического способа распределения высокого напряжения и механическое регулирование угла опережения зажигания.
Во многих японских моделях автомобилей раннего выпуска бесконтактная система зажигания отличается объединением в трамблере не только датчика Холла, распределителя высокого напряжения, а также катушки зажигания. Такой способ компоновки позволяет не только рационально использовать подкапотное пространство, но и уменьшить количество высоковольтных проводов, повысить надежность, уменьшив трассировку высокого напряжения.
Однако, способ изменения угла опережения зажигания и октан-коррекции здесь остается вакуумным. Например, на карбюраторной версии двигателей 4AF, 4AGE, 5АF (Toyota) в трамблере с интегрированной высоковольтной катушкой имеются две вакуумные мембраны для коррекции октанового числа топлива и угла опережения зажигания.
Более поздние модели с системой электронного впрыска имели в составе трамблера шаговый электродвигатель, который управлялся блоком ЭБУ.
Бесконтактная микропроцессорная система зажигания (трамблерная)
Следующее поколение бесконтактной системы зажигания реализовано в совместной работе с системой электронного впрыска топлива (EFI, CFI и пр.).
Многие автомобили, выпущенные в начале и середине 90-х гг. прошлого века, имеющие электронную систему впрыска (моновпрыска), имели в составе бесконтактное зажигание с механической дистрибуцией высокого напряжения. Вместо датчика Холла на них имелась уже иная система искрообразования.
Так, например, на автомобилях Honda CR-V, Toyota RAV-4 первого поколения, считавшихся в то время одними из передовых, система зажигания была реализована следующим образом: сигнал от датчика положения коленчатого вала поступал в электронную систему правления двигателем, после чего блок ЭБУ подавал электрический импульс на катушку, интегрированную в трамблер. От неё высоковольтный импульс поступал на трамблер и распределялся по необходимым цилиндрам.
Как видно, основным недостатком такой системы является механическое распределение высокого напряжения при помощи трамблера, хотя при этом управление моментом, углом и длительностью импульса полностью обеспечивается блоком ЭБУ.
Бесконтактная (двухконтурная) микропроцессорная система зажигания (DIS, EDIS)
Главным отличием от остальных систем зажигания является наличие двух катушек зажигания и отсутствие трамблера, т.к. распределение высоковольтного напряжения построено здесь иным образом, чем традиционное. Само название системы DIS расшифровывается как Distributorless Ignition System, что в буквальном переводе означает «система зажигания без распределителя». Также часто можно встретить и другое название: «двухконтурная система зажигания».
В её составе действительно нет трамблера, поскольку распределение искры строится по принципу: две искры на два цилиндра. Характерная черта этой системы – наличие двух независимых катушек зажигания выполненных раздельно, либо в моноблоке. Одна катушка подает высокое напряжение на свечи 1 и 4 цилиндра. Другая – на 2 и 3 соответственно.
Благодаря полному отсутствию механически подвижных частей система DIS применяется очень широко. Система устанавливалась на многие автомобили, включая рестайлинговый кроссовер Toyota RAV- 4 первого поколения, Daewoo Nexia, Ford Escort и многие другие. В автомобилях Ford ранних поколений применяется отдельный блок управления зажиганием EDIS, работающий в сопряжении с ЭБУ. В остальных марках – коммутатор зажигания интегрирован с ЭБУ.
Как же это работает?
— Очень просто. Высоковольтные выводы катушек соединены напрямую со свечами зажигания. Электронный блок управления двигателем получает информацию от датчиков положения коленчатого вала, датчика кислорода, датчика массового расхода воздуха, датчика температуры, абсолютного давления и др. и на основе данных поочередно отправляет импульсы на катушки.
Например, при подаче импульса на катушку для первого цилиндра, искра будет проскакивать также и на свече четвертого. А при подаче искры на свечу второго, холостая искра будет проскакивать при выпуске отработавших газов в третьем цилиндре.
Как понятно из вышеперечисленного, основной недостаток этой системы – повышенный износ свечей зажигания, которые изнашиваются в два раза интенсивнее по причине холостой искры. Другой не менее важный недостаток – это разность силы искры по цилиндрам. Дело в том, что катушки имеют полярность высоковольтных выводов, подключенных к свечам.
При отрицательной полярности условия пробоя искрового промежутка свечи лучше, чем при положительной из-за меньшей ионизации воздуха. Поэтому, в некоторых случаях может наблюдаться вибрация и неровная работа двигателя.
Система модульного зажигания (Coil On Plug)
Самая передовая система зажигания, нашедшая самое широкое применение – модульная. Также можно встретить название COP.
Дословный перевод означает: «катушка на свече». Это принципиально новая система зажигания. Следует отметить, что она полностью лишена всех недостатков, присущих системам зажигания предыдущих поколений. В ней полностью отсутствуют движущиеся механические детали, высоковольтные части непосредственно соединены со свечами. Свечи зажигания, в свою очередь, не имеют двойной нагрузки как в системе DIS, а управление зажиганием низковольтное импульсное и полностью контролируется электронной системой управления двигателем.
Как понятно из самого названия, система состоит из нескольких модулей. В состав каждого входит своя высоковольтная катушка и электронный блок коммутации. Каждый модуль фиксируется поверх свечи. К каждому модулю от ЭБУ подходят три, реже четыре провода.
Первый провод – питающий «плюс», сигнальный и «масса». Управление импульсами происходит по сигнальному проводу, переключением «массы». Основное преимущество: полностью независимое модульное зажигание, управляемое ЭБУ, как правило, без необходимости настройки и регулировки.
Модули с четырьмя проводами имеют возможность отклика и определения состояния (пропуски зажигания). В результате, при наличии диагностического оборудования быстро определить неисправный модуль или свечу.
При пуске двигателя, ЭБУ в заданной последовательности посылает импульсы на управляющие провода. В результате чего, на катушках появляются импульсы высокого напряжения, приходящие непосредственно к свечам зажигания. При этом, каждый модуль работает как отдельная катушка. В случае неисправности модуля – довольно легко произвести его замену.
Уход за электропроводкой автомобиля
Характерные неисправности: пробой резинового уплотнителя в нижней части свечи, выход из строя отдельного модуля, реже отсутствие контакта в разъеме. Основной недостаток – это сравнительно высокая стоимость. Основное достоинство – надежность. На сегодняшний день – это самая передовая система зажигания.