В зависимости от рода источника тока системы зажигания делятся на батарейные и от магнето.

Батарейная система зажигания используется в двигателях (например, автомобильных), в которых аккумуляторная батарея служит также для пуска, освещения и т. п., а система зажигания от магнето — в двигателях (например, мотоциклетных), в которых требуются простота обслуживания, компактность и малая масса. При пуске и работе двигателя с малой частотой вращения мощность искры в системе батарейного зажигания не зависит от частоты вращения, что является преимуществом по сравнению с системой зажигания от магнето.

Батарейная система зажигания

На большей части двигателей в качестве источника тока применяют генератор и аккумуляторную батарею, соединенные параллельно. В настоящее время наиболее широко используют простые по конструкции генераторы переменного тока. Аккумуляторные батареи могут быть кислотными (они компактны) и щелочными. Емкость батареи обычно выбирают в зависимости от силы тока при пуске двигателя электростартером, которая, в свою очередь, зависит от размеров двигателя и пусковой частоты вращения.

Ток от аккумуляторной батареи подается в систему зажигания при пуске и работе двигателя с малой частотой вращения. При средней и большой частотах вращения генератор снабжает системы зажигания и подзаряда аккумуляторной батареи. Ток и напряжение подзаряда регулируются специальным реле, так как большие изменения силы тока и напряжения влияют на работу батареи. Для предохранения батареи от разряда через генератор в схему включено реле обратного тока. Все реле объединены в один узел, называемый реле-регулятором. Для контроля направления и силы зарядного тока в систему включают амперметр. Иногда вместо него включают контрольную лампу, которая загорается при разряде батареи.

Катушка зажигания типичной конструкции для автомобильного двигателя показана на рис. 3. На сердечник, набранный из тонких железных пластин, наматывается из тонкой проволоки вторичная обмотка с большим числом витков, а на нее первичная обмотка с малым числом витков. Для уменьшения зависимости напряжения во вторичной обмотке от частоты вращения коленчатого вала двигателя в первичную обмотку обычно включают дополнительный резистор 1 в виде проволочной спирали из низкоуглеродистой стали. При увеличении или уменьшении частоты вращения соответственно изменяется время замкнутого состояния контактов. Вследствие этого повышается или понижается сила тока в первичной цепи и соответственно напряжение во вторичной обмотке, а также температура дополнительного сопротивления. Сопротивление низкоуглеродистой стали существенно зависит от температуры, поэтому сила тока в первичной обмотке изменяется на меньшее значение, чем при отсутствии дополнительного сопротивления. Во время работы двигателя с малой частотой вращения дополнительный резистор ограничивает силу тока, предохраняя катушку зажигания от перегрева. Для получения более мощной искры резистор при пуске отключается выключателем стартера.

Прерыватель состоит из подвижного изолированного от массы контакта, соединенного с массой неподвижного контакта, и кулачка, кинематически связанного с коленчатым валом. Число выступов кулачка равно числу цилиндров двигателя. В четырехтактных двигателях частота вращения кулачка в 2 раза меньше частоты вращения коленчатого вала. Первичная цепь размыкается при набегании выступа кулачка на фибровую или текстолитовую колодку (пяту) подвижного контакта. Контакты смонтированы на диске, который может поворачиваться на некоторый угол относительно кулачка.

При повороте диска меняется положение пяты подвижного контакта по отношению к кулачку и размыкание контактов происходит позднее или раньше. Тем самым можно регулировать момент зажигания.

Распределитель обычно компонуют вместе с прерывателем. Подвижный контакт распределителя, насаженный на валик прерывателя, замыкает цепь тока высокого напряжения в соответствии с порядком работы цилиндров. Неподвижные контакты связаны проводами высокого напряжения со свечами зажигания.

Углом, опережения зажигания принято называть угол поворота коленчатого вала от положения, соответствующего моменту подачи искры, до ВМТ. Для каждого двигателя при определенных частоте вращения и нагрузке можно подобрать оптимальные углы опережения зажигания, соответствующие наибольшей мощности или наименьшему расходу топлива. При работе с углами опережения зажигания, отличными от оптимальных, мощность двигателя падает, а экономичность ухудшается, так как процесс сгорания протекает в неблагоприятной фазе цикла.

При повышении частоты вращения вала двигателя сокращается время совершения каждого цикла и, следовательно, возрастает ход поршня (угол поворота вала), в течение которого происходит развитие начальной стадии процесса сгорания (возникновение очага горения и формирование фронта пламени). Поэтому угол опережения зажигания необходимо увеличивать. Изменение угла опережения зажигания при изменении частоты вращения осуществляется вручную или автоматически с помощью регулятора.

Центробежный регулятор угла опережения зажигания представлен на рис. 5. Кулачок укреплен на коромысле, которое может поворачиваться на ведущем валике при расхождении грузов. Центробежная сила, возникающая при вращении, уравновешивается силой пружин 5. При увеличении частоты вращения грузы расходятся и поворачивают коромысло с кулачком против хода вращения; при этом каждый выступ кулачка будет раньше набегать на пяту подвижного контакта прерывателя и, следовательно, угол опережения будет расти. С увеличением нагрузки угол опережения зажигания необходимо уменьшать, так как возрастает скорость сгорания смеси.

Вакуум-корректор автоматически изменяет угол опережения зажигания при изменении нагрузки. Полость вакуум-корректора соединена с впускным трубопроводом двигателя, а полость II с атмосферой. При изменении нагрузки изменяется вакуум во впускном трубопроводе, в результате чего изменяется положение мембраны. Связанный с мембраной рычаг поворачивает диск прерывателя и изменяет угол опережения зажигания.

Свеча зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в камере сгорания двигателя. В стальном корпусе, имеющем резьбу для крепления свечи в головке блока, установлен и завальцован керамический изолятор. По оси изолятора при его формовке заложен центральный электрод. Боковой электрод приварен к нижнему торцу корпуса. В зазоре между центральным и боковым электродами происходит искровой разряд, воспламеняющий рабочую смесь в камере сгорания. На работающем двигателе свеча контактирует с продуктами сгорания при температуре до 2500 °С и давлении 5…6 МПа, что может привести к перегреву изолятора и электродов и возникновению так называемого калильного зажигания. Охлаждаются центральный электрод и изолятор свечи в результате передачи теплоты по материалу изолятора, поэтому температура этих элементов определяется теплопроводностью материала изолятора и его размерами; она не должна превышать 850…900 °С. Например, для снижения температуры изолятора и центрального электрода уменьшают их длину и выбирают материал изолятора с большей теплопроводностью.

В то же время температура этих элементов свечи не должна снижаться настолько, чтобы на них происходило отложение нагара (400…500 °С). При появлении нагара на изоляторе возможны пропуски искрообразования, так как высоковольтная обмотка катушки зажигания шунтируется сопротивлением нагара. Для изготовления изоляторов применяют керамические материалы на основе А120з (синоксаль, боркорунд, уралит). Материалы электродов должны обеспечивать достаточные коррозие-, эрозие- и жаростойкость, что в значительной мере определяет срок службы свечи. Для достижения необходимого срока службы центральный электрод изготовляют из стали 13Х25Т или Х20Н80, а боковой — из сплава НМ5.

Свеча зажигания должна быть герметичной, так как в случае прорыва газов произойдет перегрев изолятора и, как следствие, возникнет калильное зажигание. Герметизация осуществляется термоцементом, тальком, стеклогерметиком.

Способность свечи работать на двигателе без возникновения калильного зажигания оценивают ее калильным числом. Калильное число — это величина, пропорциональная среднему индикаторному давлению, при котором во время работы свечи на специальной моторной установке возникает калильное зажигание вследствие перегрева изолятора и электродов. В настоящее время для автомобильных двигателей выпускают свечи с калильными числами; 8, 11, 14, 17, 20, 23, 26. Величина калильного числа свечи маркируется на изоляторе свечи. Двигатели, устанавливаемые на автомобилях с радиостанциями, для устранения ради; помех оборудуют экранированными системами зажигания, для которых применяют специальные свечи.

С ростом степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала обычная батарейная система перестает удовлетворять требованиям обеспечения надежной работы двигателя.

На современных двигателях с принудительным воспламенением от свечи, особенно в многоцилиндровых, время замкнутого состояния контактов становится настолько малым, что напряжение на вторичной обмотке катушки зажигания недостаточно для пробоя искрового промежутка и возникают пропуски зажигания.

Решить эти проблемы можно лишь путем увеличения силы тока в первичной обмотке катушки зажигания, но так как коммутация этого тока осуществляется контактами прерывателя, то срок их службы и надежность системы зажигания значительно уменьшаются.

Если коммутацию тока первичной обмотки катушки зажигания осуществлять посредством электронных приборов, то перечисленные выше проблемы становятся разрешимыми. В этом случае управляющий импульс подается на базу транзистора либо от прерывателя — контактно-транзисторная система зажигания, либо от специального датчика — бесконтактная электронная система зажигания. Все виды датчиков, используемых в бесконтактных транзисторных системах зажигания, де it на параметрические и генераторные. В параметрических датчиках изменяются ге или иные параметры управляющей (базовой) цепи (сопротивление, индуктивность, емкость), в связи с чем изменяется сила тока базы.

Г енераторные датчики (магнитоэлектрические, фотоэлектрические и др.) являются источниками питания управляющей цепи. Наибольшее распространение получили магнитоэлектрические датчики

Магнитоэлектрический датчик представляет собой однофазный генератор переменного тока с ротором на постоянных магнитах. Число пар полюсов ротора соответствует числу цилиндров двигателя. Число периодов изменения напряжения за два оборота, например, четырехтактного двигателя соответствует числу его цилиндров. Положительные полупериоды этого напряжения открывают транзистор формирующего каскада коммутатора бесконтактной системы зажигания, что соответствует моменту искрообразования.

При малых частотах вращения вырабатываемого датчиком напряжения недостаточно для переключения транзистора. Для устранения перечисленных недостатков вводят специальный формирующий каскад. В настоящее время разработан ряд схем, различающихся датчиками, формирующими каскадами, электронными коммутирующими приборами и способами накопления энергии.

Рассмотрим, например, бесконтактную систему зажигания БСЗ-ЭЗ/12в двигателя ЗИЛ-375, в которой для управления моментом искрообразования применен сигнал магнитоэлектрического датчика. Система включает: фильтр 1 радиопомех (ФР-82), дополнительный резистор 2 (СЭ-325), высоковольтный трансформатор 3 (Б 118), коммутатор 6 (ТК-200), датчик-распределитель 5 (Р-351), аварийный вибратор 4 (РС-331).

Перед рассмотрением работы схемы бесконтактной системы зажигания напомним, что если знаки потенциала базы транзистора и его коллектора совпадают, то транзистор открывается после достижения определенного значения абсолютной величины потенциала. При этом сопротивление его коллекторно-эмиттерной цепи уменьшается прямо пропорционально изменению потенциала на базе, и наоборот. При включенном замке зажигания и неподвижном коленчатом валу транзистор V4 закрыт, так как на его базе отрицательный потенциал, а на коллекторе — положительный; транзисторы V3, V2, VI открыты, так как знаки потенциалов их коллекторов и баз совпадают, а цепочки смещения обеспечивают абсолютные значения потенциалов баз, соответствующие полному открытию транзисторов V3, V2, VI.

Когда напряжение U положительного полупериода, поступающее от датчика при проворачивании коленчатого вала двигателя, достигает значения в точке А, транзистор V4 открывается, сопротивление его эмиттерно-коллекторной цепи резко уменьшается и на базу транзистора V3 подается отрицательный потенциал; потенциал коллектора положительный, транзистор V3 резко закрывается, что приводит к последовательной подаче отрицательного потенциала на базы транзисторов V2 и VI и их последовательному резкому закрыванию. Так как первичная обмотка катушки зажигания 3 (высоковольтного трансформатора) включена последовательно в эмит-терно-коллекторную цепь транзистора VI, при его закрывании сила тока в ней резко уменьшается, а во вторичной обмотке за счет самоиндукции наводится напряжение Ut = kU\, где k — коэффициент трансформации катушки зажигания, a Ui — напряжение на концах первичной обмотки в момент закрытия транзистора VI. Параметры катушки зажигания выбираются такими, чтобы напряжение t/г было достаточным для пробоя воздушного промежутка свечи зажигания на любом скоростном и нагрузочном режиме работы двигателя.

Напряжение U2 через распределитель датчика-распределителя подается на свечи в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя. После закрытия транзистора VI в колебательном контуре, образованном индуктивностью первичной обмотки катушки зажигания и конденсатором С/, возникает затухающий колебательный процесс; напряжение на обкладках конденсатора С/ изменяется не только по абсолютной величине, но и по знаку. Ток через диод V6, сопротивление R5 и конденсатор СЗ передается на базу V4. Каждый раз, когда на базу V4 попадает положительный потенциал, происходит искрообразование.

Так как при пуске двигателя я <600, время между положительными полуволнами сигнала от датчика в несколько раз больше, чем период колебаний колебательного контура, и в искровом промежутке каждой свечи происходит многократное искрообразование (многоискро-вость), что улучшает условия пуска. При увеличении частоты вращения коленчатого вала эти периоды сравниваются ввиду уменьшения периода между сигналами от датчика, и много-искровость исчезает.

В случае отказа транзисторного коммутатора или датчика система может работать без этих приборов в аварийном режиме. Прерывание тока в первичной обмотке катушки зажигания осуществляется аварийным вибратором, который представляет собой электромагнитное реле с нормально замкнутым контактом К1.

Подключение вибратора к системе зажигания автомобиля осуществляется водителем путем отключения вывода Р от коммутатора и соединения его с выводом Р1 вибратора. При этом ток через первичную обмотку катушки зажигания, обмотку электромагнитного реле вибратора и замкнутые его контакты пойдет на массу.

Магнитопровод реле вибратора намагнитится и притянет ярмо к реле, разомкнув его контакты. Произойдет прерывание тока в первичной цепи катушки зажигания и индуктирование высокого напряжения в ее вторичной обмотке, которое через распределитель будет подано к свече соответствующего цилиндра и вызовет в ее зазоре искрообразование.

В рассмотренных выше системах зажигания энергия, необходимая для искрообра-зования, накапливалась в магнитном поле катушки зажигания (в индуктивности). Возможно создание системы зажигания с накоплением энергии в емкости. Энергия заряженного конденсатора W = 0,5С U2, поэтому достижение необходимой величины энергии искрообразования выгоднее осуществлять путем увеличения напряжения заряда конденсатора при наименьшей возможной его емкости. В качестве коммутирующего прибора в системах зажигания с накоплением энергии в емкости используют, как правило, тиристор, поэтому такие системы зажигания называют также тиристорными.

Она включает преобразователь Л постоянного тока в переменный, повышающий трансформатор Т2, выпрямитель В, тиристор VS, конденсатор С и катушку зажигания.

Напряжение на выходе выпрямителя В должно составлять примерно 300…400 В. Конденсатор С через первичную обмотку катушки зажигания заряжается этим напряжением. Тиристор находится в закрытом состоянии до тех пор, пока на управляющий его электрод не подано от контактного или бесконтактного датчика управляющее напряжение. В момент подачи к тиристору управляющего напряжения он открывается и конденсатор через тиристор разряжается на первичную обмотку катушки зажигания, во вторичной обмотке катушки индуцируется высокое напряжение, используемое для искрообра-зования. Благодаря возможности быстрого подзаряда конденсатора система обеспечивает высокую частоту искрообразования (до 600 искр в секунду) и может быть рекомендована для быстроходных двигателей.

Система зажигания с накоплением энергии в емкости

Основная часть энергии искрообразования накапливается в емкости. Обмотки катушки зажигания могут обладать малой индуктивностью и малым сопротивлением, что ускоряет переходные процессы в системе и способствует меньшей чувствительности к понижению вторичного напряжения вследствие утечек тока через шунтирующие сопротивления R отложений на изоляторе свечи, появляющихся при работе двигателя. Поэтому система зажигания с накоплением энергии в емкости более предпочтительна для двигателей с большей склонностью к нагарообра-зованию на свечах (роторно-поршневые, двухтактные мотоциклетные).

ствием пружины вернется в первоначальное положение, замкнет контакты К1 и процесс будет повторяться с частотой, равной собственной частоте срабатывания данной системы, что и определяет частоту искрообразования. В каждый цилиндр через распределитель будет подаваться серия искр, одна из которых воспламенит рабочую смесь.

Быстротечность разряда конденсатора обусловливает малое время существования искрового разряда, что снижает надежность воспламенения.

Система зажигания от магнето

Система зажигания от магнето отличается от батарейной системы зажигания тем, что все приборы, кроме проводов высокого напряжения и свечей зажигания, скомпонованы в одном агрегате — магнето. Ток в первичной цепи создается переменным магнитным потоком, возникающим в сердечнике катушки зажигания. Размыкание контактов первичной цепи происходит в тот момент, когда сила тока в этой цепи достигает максимального значения

Конструкции магнето различаются в основном по магнитной схеме. Возможны три принципиально различные схемы: с вращающимся якорем, с вращающимся ротором и с вращающимся магнитом. Более широко распространена последняя схема, основными элементами которой являются многополюсный магнит и магни-топровод, соединенный с сердечником индукционной катушки. В двигателях малой мощности (например, лодочных, мотоциклетных) магнит размещают в маховике, а все остальные узлы магнето — в полости маховика (так называемое маховичное магнето).

На рис. 10 приведена схема мотоциклетного магнето. Магнитная система состоит из магнитов и полюсных наконечников, залитых в алюминиевый маховик. Внутри маховика расположены три сердечника с обмотками: первичной, вторичной и осветительной. При вращении маховика в сердечниках возникает переменный магнитный поток, вследствие чего в первичной обмотке индуктируется ток. Первичная обмотка периодически замыкается прерывателем. Вторичная обмотка 5 высокого напряжения соединена с выводом.