8. Получение высокого напряжения для свечей зажигания

В первые 20 лет прошлого века двигатели автомобилей для целей зажигания обычно оснащались магнето, т.е. генератором высокого напряжения, который приводится от двигателя и не требует наличия аккумулятора.

Однако для работы световых приборов автомобиля все равно требовался аккумулятор, поэтому старая система зажигания была постепенно вытеснена более прогрессивной – катушечной, которая была впервые запатентована в 1908 г. К. Ф. Кеттерингом из «Dayton Engeneering Laboratories Company» (DELCO) и не претерпела существенных изменений за прошедшие 90 лет.

Развитие электроники положило конец монополии Кеттеринга, и за последние 20 лет в конструкцию систем зажигания было внесено изменений больше, чем за все предыдущие годы.

Тем не менее, батарейно-катушечная система зажигания все еще применяется на многих автомобилях, и понимание принципов ее работы имеет большое значение, хотя теперь она является лишь частью большой группы разнообразных систем.

По способу накопления энергии различаются системы с накоплением энергии в индуктивности и в емкости (рис. 1).

В обоих случаях для получения импульса высокого напряжения используется катушка зажигания, представляющая собой высоковольтный трансформатор, содержащий две обмотки: первичную с малым числом витков и омическим сопротивлением в доли и единицы Ом, и вторичную с большим числом витков и омическим сопротивлением в единицы и десятки кОм.

Коэффициент трансформации катушки лежит в пределах 50‑150. Значительное количество энергии, которое требуется для воспламенения рабочей смеси, накопить в конденсаторе (емкости) приемлемых размеров при достаточно низком напряжении бортовой сети невозможно, и поэтому система, представленная на рис. 1б, оборудована высоковольтным преобразователем напряжения. Такое усложнение не дает существенных преимуществ, поэтому системы с накоплением энергии в емкости на автомобилях практически не применяются.

Принцип работы схемы, изображенной на рис. 1а, характерен для всех систем зажигания, устанавливаемых на автомобилях. Выключатель зажигания S₁включает систему в сеть питания. При вращении вала двигателя происходит замыкание контактов прерывательного механизмаS₂, и токI₁начинает нарастать в первичной цепи катушки зажигания по экспоненте (рис. 2а).

В момент, необходимый для подачи искрового импульса на зажигание (напряжение U₂), прерывательS₂разрывает свои контакты, после чего возникает колебательный процесс, связанный с обменом энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем в емкостяхС1иС2. Амплитуда колебаний напряжения, приложенного к электродам свечиU₂, убывает по экспоненте (штриховая линия на рис. 2б).

Однако интерес представляет лишь первая полуволна напряжения, так как, если ее максимальное значение U_2mпревышает напряжение пробоя искрового промежуткаU_n, то возникает необходимая для зажигания искра.

Величина U_2mзависит от коэффициента трансформации катушки зажиганияК_т = W₂/W₁(W₁иW₂соответственно число витков первичной и вторичной обмоток катушки), тока первичной обмотки в момент разрываI_р, а также индуктивностиL₁и емкостиС1первичной иС2вторичной цепей:

.

Коэффициент К_Пучитывает потерю энергии в активных сопротивлениях первичнойR1и вторичнойR2цепей, в сопротивлении нагараRш, шунтирующего искровой промежуток, а также в сердечнике катушки при его перемагничивании. ОбычноК_Плежит в пределах 0,7‑0,8. Влияние нагара на свечах на искрообразование значительно снижается с увеличением скорости нарастания вторичного напряжения. В современных системах эта скорость лежит в пределах (200 – 700) В/мкс.

После пробоя искрового промежутка вторичное напряжение резко уменьшается (рис. 2б). При этом в искровом промежутке сначала искра имеет емкостную фазу, связанную с разрядом емкостей на промежуток, а затем индуктивную, во время которой в искре выделяется энергия, накопленная в магнитном поле катушки.

Емкостная составляющая искры обычно кратковременна, очень ярка, имеет голубоватое свечение. Сила тока в искре велика даже при малом количестве протекающего в ней электричества.

Индуктивная составляющая отличается значительной продолжительностью, небольшой силой тока, большим количеством электричества и неярким красноватым свечением. Осциллограмма вторичного напряжения, соответствующая рис. 2б, является признаком нормальной работы системы зажигания. О нормальной работе свидетельствует и вид искры между электродами свечи. В исправной системе она имеет яркое ядро, окруженное пламенем красноватого цвета.

Распределение зажигания по цилиндрам может производиться как на высоковольтной, так и на низковольтной стороне.

При низковольтном распределении каждая катушка зажигания обслуживает два либо четыре цилиндра. В первом случае катушка имеет два высоковольтных вывода (двухвыводная катушка), во втором четыре (четырехвыводная). Импульсы напряжения на обоих выводах двухвыводной катушки появляются одновременно, но один из них подается в цилиндр в такте сжатия и производит воспламенение рабочей смеси, а в другом цилиндре в это время избыточное давление отсутствует, и выделенная в искре энергия расходуется вхолостую. Четырехвыводная катушка снабжена первичной обмоткой, состоящей из двух секций, работающих попеременно. Высоковольтные диоды обеспечивают разделение цепей, так как высоковольтные импульсы такой системы разнополярны. Это является недостатком системы с четырехвыводной катушкой, поскольку в зависимости от полярности импульса, напряжение пробоя на свече может отличаться на 1,5‑2 кВ. Катушка может обслуживать и один цилиндр, в этом случае она обычно располагается непосредственно на свече.

В настоящее время наиболее распространено высоковольтное распределение зажигания, однако, развитие электроники позволяет перейти, вернее, вернуться к низковольтному распределению, какое было, например, на первых автомобилях фирмы «Форд», где имелись 4 прерывателя и 4 катушки зажигания.

Контрольные вопросы

1. В каком году была запатентована катушечная система зажигания, и из чего она состоит?

2. В чем состоит разница между системами с накоплением энергии в емкости и в конденсаторе, какая из них получила наибольшее распространение и почему?

3. В какой момент времени резко повышается напряжение во вторичной обмотке катушки зажигания и почему?

4. Какое основное требование предъявляется к напряжению вторичной обмотки катушки зажигания?

5. Какая составляющая напряжения во вторичной обмотке больше по амплитуде, а какая - продолжительнее во времени?