Система запалювання двигуна з примусовим займанням робочої суміші повинна забезпечити збільшення напруги акумуляторної батареї або генератора (в залежності від режиму роботи двигуна) до величини, необхідної для виникнення електричного розряду між електродами свічки запалювання, і в необхідний момент (момент запалювання) подати цю напругу на відповідну свічку. Момент запалювання характеризується кутом випередження запалювання, який представляє собою кут повороту колінчастого вала двигуна, відлічуваний від положення вала в момент подачі іскри до положення, коли поршень приходить в верхню мертву точку (ВМТ).
Застосовувалися раніше і застосовуються в даний час системи запалювання отримують необхідну високовольтну енергії не безпосередньо від акумуляторної батареї, оскільки для пробою електричною дугою повітряного зазору між електродами свічки запалювання напруги 12-вольтової батареї явно не вистачить.
Для виникнення дуги між електродами свічки запалювання потрібно напругу не менше 8000 В. а при багатьох режимах роботи двигуна значно більше. З цієї причини необхідно суттєво збільшити напругу акумуляторної батареї за допомогою проміжного перетворювача і накопичувача енергії, який, в залежності від способу перетворення і акумулювання енергії, може бути індуктивним або ємнісним.
У системах запалювання автомобільних двигунів найбільш широко використовуються індуктивні накопичувачі електричної енергії, які використовують у своїй роботі явище самоіндукції, що виникає в трансформаторі при проходженні через одну з його обмоток змінного струму.
Виникає питання - звідки в бортовій мережі автомобіля з непрацюючим двигуном, може з'явитися змінний струм? Адже акумуляторна батарея - джерело постійного струму.
Для відповіді на це питання слід згадати - що, за визначенням, називається змінним електричним струмом? Це ток, який з плином часу змінюється за величиною і (або) у напрямку. Отже, якщо ланцюг, що з'єднує висновки акумуляторної батареї, періодично вимикати і включати, то в періоди наростання струму і його зникнення (які характеризуються певними часовими відрізками) в ланцюзі протікає саме змінний струм, що змінюється з часом за величиною (від нуля до 12 вольт і навпаки). А раз в ланцюзі присутня змінний струм, то за допомогою явищ індукції і самоіндукції його напруга можна змінювати за величиною до необхідного значення.
Саме це властивість змінного струму використовується в усіх відомих системах запалювання. Різниця полягає лише у використанні переривників і накопичувачів електроенергії різних принципових конструкцій, здатних ефективно віддати накопичену енергію для виникнення дуги між електродами свічки.
Принцип роботи контактної системи запалювання
Батарейне запалювання в тому вигляді, в якому воно з'явилося на перших автомобілях, довгий час було єдиним способом займання робочої суміші в циліндрах бензинових і газових двигунів.
Розглянемо принцип дії контактної (класичної) системи запалювання, в яку обов'язково входять котушка запалювання, переривач, розподільник, конденсатор, свічки запалювання, ну і, звичайно ж, електричні дроти - низьковольтні та високовольтні.
Котушка запалювання є простим трансформатор, що складається з сердечника, на який намотані дві обмотки - первинна і вторинна, що мають різну кількість витків.
Первинна обмотка містить відносно невелику кількість витків порівняно товстого дроту, а вторинна - дуже велике число витків тонкого дроту. Напруга, що виникає на висновках вторинної обмотки, пропорційно співвідношенню числа витків вторинної та первинної обмоток.
Відомий закон М. Фарадея про явище електромагнітної індукції стверджує, що якщо первинна обмотка трансформатора містить, наприклад, 10 витків, а вторинна обмотка цього трансформатора - 100 витків (т. Е. В десять разів більше), то напруга на висновках вторинної обмотки при протіканні через первинну обмотку змінного струму буде в десять разів більше, ніж напруга в первинній обмотці. І якщо правильно підібрати співвідношення числа витків первинної і вторинної обмоток, напруга на виході з котушки буде достатнім для виникнення електричної дуги (іскри) між електродами свічки запалювання, що підпалює робочу суміш в циліндрі двигуна.
Описане вище властивість трансформатора напруги лежить в принциповій основі роботи накопичувачів енергії, які використовуються в системах запалювання двигунів всіх відомих типів.
Найпростіший переривник контактної системи запалювання являє собою пристрій, що складається з обертового кулачка, на який спирається рухливий контакт, з'єднаний з позитивним висновком електричного кола, і нерухомого контакту, сполученого з масою (негативним висновком) акумуляторної батареї.
При обертанні кулачка контакти розмикають і замикають ланцюг первинної обмотки котушки запалювання, що живиться від акумуляторної батареї або генератора. При замиканні і розмиканні контактів в первинній обмотці котушки запалювання виникає змінний струм, в результаті чого у вторинній обмотці індукується дуже велика напруга, що досягає декількох тисяч (і навіть десятків тисяч) вольт. Цього напруги досить для пробою іскрового проміжку між електродами свічки запалювання.
Виникає цілком передбачуване запитання - навіщо в описаній вище системі запалювання використовується конденсатор?
Відповідь досить проста - для порятунку сполучених поверхонь контактів механічного переривника від електромеханічної ерозії, і для поглинання високочастотних імпульсів, здатних стимулювати радіоперешкоди.
ЕРС самоіндукції, індукована при розмиканні контактів в первинній обмотці котушки запалювання, досягає значних значень (порядку декількох сотень вольт) і спрямована в ту ж сторону, що і первинний струм, прагнучи затримати його зникнення.
В результаті між контактами, що розмикаються переривника виникає сильний дугового розряд, інтенсивно руйнує контакти за допомогою електротехнічної ерозії і механічного зносу.
Для зменшення шкідливого впливу ЕРС самоіндукції паралельно контактам переривника включають конденсатор. який поглинає ток самоіндукції, а потім розряджається через ланцюг первинної обмотки котушки запалювання в акумуляторну батарею.
Таким чином, конденсатор служить для зменшення дугового розряду виникає між контактами переривника і згубно позначається на терміні їх служби.
У загальному випадку роботу контактної системи запалювання можна розділити на три етапи:
- Замикання контактів переривника і наростання первинного струму;
- Розмикання контактів переривника і індукування вторинної напруги;
- Іскровий розряд між електродами свічки запалювання.
Замикання контактів переривника (перший етап)
У цей період первинна обмотка котушки запалювання (накопичувача) підключається до джерела струму (акумулятора або генераторної установки). Даний етап характеризується наростанням первинного струму і, як наслідок цього, накопиченням електромагнітної енергії, що запасається в магнітному полі котушки запалювання.
Процес наростання первинного струму (напруги акумуляторної батареї), відповідно до другого закону Кирхгофа, пропорційний індуктивності первинної ланцюга, току в первинному ланцюзі і омічному опору первинної ланцюга. При цьому швидкість наростання первинного струму не залежить від опору первинної ланцюга.
Очевидно, що кількість акумулюється в період замкнутого стану контактів енергії пропорційно величині напруги і струму в первинної ланцюга, а також часу замкнутого стану контактів переривника. Час замкнутого стану контактів залежить від частоти обертання колінчастого вала двигуна і від форми кулачка переривника.
Розмикання контактів переривника (другий етап)
У якийсь момент часу контакти переривника розмикаються, і джерело струму відключається від котушки запалювання. Первинний струм зникає, в результаті чого накопичена електромагнітна енергія перетворюється в електростатичну енергію, що викликає ЕРС високої напруги у вторинній обмотці котушки запалювання.
Величина струму розриву при інших рівних умовах залежить від часу замкнутого стану контактів переривника. Це час, в свою чергу, залежить від частоти обертання колінчастого вала двигуна, числа циліндрів двигуна (т. Е. Профілю кулачка), а також співвідношення між кутами замкнутого і розімкненого стану контактів.
Таким чином, струм розриву в первинному ланцюзі зменшується зі збільшенням частоти обертання колінчастого вала і числа циліндрів двигуна, і збільшується зі збільшенням часу замкнутого стану контактів, яке визначається формою кулачка.
Іскровий розряд між електродами свічки запалювання (заключний, третій етап)
У робочих умовах при певному значенні напруги відбувається пробій повітряного проміжку (зазору) між електродами свічки запалювання з подальшим розрядних процесом у вигляді електричної дуги, запалює робочу суміш в камері згоряння двигуна.
Загальний пристрій батарейній системи запалювання
Батарейна система запалювання з накопиченням енергії включає в себе наступні елементи:
- Джерело струму, функцію якого виконує акумуляторна батарея або генератор;
- Вимикач ланцюга харчування, функцію якого виконує замок запалювання;
- Датчик-синхронізатор, який механічно пов'язаний з колінчастим або розподільним валом ГРМ двигуна, і визначає положення поршнів і клапанів кожного циліндра двигуна в даний момент часу;
- Регулятор моменту запалювання, який механічним, пневматичним або електричним способом визначає момент подачі іскри в залежності від частоти колінчастого вала або навантаження двигуна;
- Джерело високої напруги, що містить накопичувач енергії і перетворювач низької напруги в висока, функцію яких виконує котушка запалювання або перетворювач напруги (в тиристорних системах запалювання);
- Силове реле, яке представляє собою електромеханічний ключ (контакти переривника) або електронний ключ (потужний транзистор, мікросхема або тиристор), керований регулятором моменту запалювання і службовець для підключення і відключення джерела струму до накопичувача, т. Е. Керує процесами накопичення та перетворення енергії;
- Розподільник імпульсів високої напруги, який механічним, електромеханічним або електронним способом розподіляє високу напругу по відповідним циліндрах двигуна;
- Елементи помехоподавленія, функції яких виконують екрановані дроти, конденсатори або резистори, розміщені або в розподільнику, або в наконечниках свічок запалювання, або в високовольтних проводах, і службовці для пригнічення перешкод, що перешкоджають нормальній роботі радіоапаратури і електронних блоків управління (ЕБУ) системами двигуна і автомобіля ;
- Свічки запалювання, які служать для утворення іскрового розряду і підпалювання робочої суміші в камерах згоряння циліндрів двигуна.
Особливості пристрою тиристорної системи запалювання
Конденсаторні (тиристорні) системи запалювання відрізняються від розглянутих вище тим, що для акумулювання високовольтної електричної енергії в них використовуються ємнісні накопичувачі - конденсатори. На відміну від індуктивних (трансформаторних) накопичувачів ємнісні накопичувачі володіють високою швидкодією. Індукторні накопичувачі схильні до дії інерційних факторів, що уповільнюють процеси накопичення енергії в котушці запалювання.
Для високоспритних двигунів (наприклад, двигунів спортивних і гоночних автомобілів) це властивість індукторних накопичувачів неприйнятно зі зрозумілих причин - високовольтна електроенергія тут повинна перетворюватися і акумулюватися дуже швидко, і моментально віддаватися для отримання іскри, що підпалює горючу суміш.
Ємнісні накопичувачі позбавлені інертних недоліків - енергія в конденсаторі накопичується практично миттєво, і так само швидко віддається в високовольтну ланцюг системи запалювання. При цьому величина накопиченої таким чином енергії абсолютно не залежить від частоти обертання колінчастого вала двигуна через високу швидкість накопичення енергії конденсатором.
Але, як то кажуть, не буває добра без худа.
Іскровий розряд, що виникає на електродах свічок в конденсаторних системах запалювання, має дуже короткий період дії, через що не завжди встигає підпалити робочу суміш належним чином. Результат - неповне згоряння робочої суміші, зниження ККД і ефективної потужності двигуна, зниження його екологічної чистоти. З цієї причини контактні системи запалювання з ємнісними накопичувачами (тиристорні, конденсаторні) мають вузький спектр застосування (високоспритні двигуни - роторні, роторно-поршневі, поршневі двигуни спортивних автомобілів, мотоциклів і т. П.).
На наступній сторінці тиристорні системи запалювання описані більш детально.