Что такое искровое зажигание двигателя

Виды, устройство и принцип работы системы зажигания

Система зажигания двигателя – это комплекс устройств, приборов и датчиков, необходимых для его запуска. Ее главной задачей является создание высокого напряжения для формирование искры, воспламеняющей топливовоздушную смесь, в точно определенный момент времени. Это обеспечивает правильный режим работы мотора, а потому от исправности системы зажигания зависит расход топлива, мощность и безопасность движения автомобиля.

Устройство и принцип действия типовой системы зажигания

С технической стороны система зажигания входит в комплекс электрооборудования двигателя. Конструктивно она состоит из следующих элементов:

Работа системы зажигания основана на следующем принципе: при подаче в сеть низковольтного напряжения, происходит накопление и преобразование энергии, что затем распределяется по свечам, на электродах которых формируется искра, провоцирующая воспламенение топливовоздушной смеси.

Виды систем зажигания

В современном автомобилестроении системы зажигания классифицируют в зависимости от способа управления процессом. При этом выделяют три основных типа схем:

Характерные особенности контактной системы

Исторически контактная система является одной из первых и сегодня ее можно встретить лишь на старых моделях автомобилей. В таких конструкциях формирование высокого напряжения происходит в трансформаторной катушке, а распределение его на свечи реализуется механическим способом – замыканием и размыканием контактов цепи прерывателем-распределителем.

Помимо основных элементов, такие системы включают в себя центробежный регулятор опережения зажигания, необходимый для преобразования угла опережения зажигания относительно частоты вращения коленвала. Он представляет собой два груза, воздействующих на мобильную пластину, контактирующую с кулачковым механизмом прерывателя.

Угол опережения зажигания – определенное положение коленвала, при котором осуществляется подача высокого напряжения на свечи. В таком режиме зажигание происходит до момента достижения поршнем верхней мертвой точки, что позволяет обеспечить максимально эффективное сгорание топливовоздушной смеси.

Также в контактных схемах применяется вакуумный регулятор опережения зажигания, изменяющий угол опережения соответственно режиму работы (нагрузке) мотора. Он соединен с полостью, находящейся за дроссельной заслонкой, и при нажатии на педаль газа изменяет угол опережения в зависимости от величины разрежения.

При замыкании контактов низкое напряжение подается на первичную обмотку катушки, где аккумулируется энергия и в момент размыкания контакта происходит формирование высокого напряжения на вторичной обмотке. Затем энергия поступает к распределителю зажигания и далее на соответствующую свечу.

Если нагрузка на силовой агрегат повышается, увеличивается частота вращения вала прерывателя-распределителя, и грузы центробежного регулятора расходятся, изменяя положение пластины. Это способствует более раннему размыканию контактов, что увеличивает угол опережения. При снижении нагрузки на двигатель происходит обратный процесс.

В чем отличия контактно-транзисторной системы зажигания

Следующим поколением системы зажигания стала контактно-транзисторная, предполагающая установку в первичной цепи катушки транзисторного коммутатора. Он позволяет снизить силу тока в обмотке низкого напряжения, что повышает срок эксплуатации контактов.

За счет установки транзистора напряжение, поступающее на свечи, больше, чем в классической контактной системе на 30%. Зазор между электродами и, как следствие, длина искры при этом также больше, а значит возрастает и площадь контакта с топливовоздушной смесью, что способствует ее полному сгоранию. В контактно-транзисторной системе зажигания прерыватель воздействует не на катушку, а на коммутатор.

При повороте ключа через транзистор начинают проходить два типа токов:

Когда контакты размыкаются, ток цепи управления исчезает, а транзистор запирается, препятствуя протеканию тока первичной обмотки. В этот момент магнитное поле формирует высокое напряжение на вторичной обмотке. Для ускорения запирания транзистора в контактной системе зажигания этого типа может устанавливаться импульсный трансформатор.

Принцип работы бесконтактной системы

Эволюционным продолжением транзисторно-контактной системы, является бесконтактное зажигание. В таких конструкциях вместо прерывателя устанавливается специальный датчик импульсов. Это дает возможность увеличить срок службы системы зажигания за счет отсутствия неисправностей, связанных с контактами прерывателя.

Датчик формирует электрические импульсы низкого напряжения. Он бывает трех типов:

Конструктивно датчик импульсов интегрирован в распределитель и регулируется режимом вращения коленвала двигателя. Прерывание тока в первичной обмотке катушки зажигания бесконтактной системы осуществляется также транзисторным коммутатором, но реагирующим на сигналы датчика.

В момент вращения коленвала датчик посылает импульсы напряжения на коммутатор. Последний, соответственно, формирует импульсы тока в обмотке низкого напряжения катушки. Когда ток не поступает, на вторичной обмотке возникает высокое напряжение, которое передается распределителю и далее по высоковольтным проводам к нужной свече. Изменение угла опережения в бесконтактной системе зажигания также выполняется центробежным и вакуумным регуляторами.

Электронная и микропроцессорная системы

Самой современной системой считается электронная. Она не имеет механических контактов, а потому ее также можно назвать бесконтактной. Электронное зажигание является частью системы управления двигателем.

Выделяют два типа электронных бесконтактных систем зажигания:

Помимо базовых элементов электронная система зажигания включает:

Такие системы могут оснащаться одной общей (в конструкциях с распределителем), индивидуальными (при подаче энергии прямо на свечу) или сдвоенными катушками зажигания.

Разновидностью электронной системы является микропроцессорная. В ней применяется целый комплекс датчиков, сигналы которых обрабатываются ЭБУ. Он рассчитывает оптимальный режим работы системы в заданный момент времени. Преимуществами такой конструкции является снижение расхода топлива и улучшение динамических характеристик автомобиля.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Система зажигания

В бензиновом двигателе (SI) про­цесс сгорания топлива инициируется внеш­ним зажиганием. Поджог сжатой топливо­воздушной смеси в нужный момент времени осуществляется системой зажигания. Зажи­гание осуществляется электрической искрой, образуемой между электродами свечи зажи­гания в камере сгорания. Вот о том, как устроена система зажигания в бензиновом двигателе, мы и поговорим в этой статье.

Стабильное, надежное зажигание при лю­бых условиях абсолютно необходимо для обеспечения бесперебойной работы двига­теля. Сбои в системе зажигания вызывают:

Искровое зажигание

Электрическая искра может возникнуть на свече зажигания только по достижении необхо­димого напряжения зажигания (см. рис. «Напряжение на свече зажигания при статической или полустатической топливной смеси» ). На­пряжение зажигания зависит от зазора между электродами свечи зажигания и плотности топливно-воздушной смеси на момент зажига­ния. После электрического пробоя напряжение на свече зажигания снижается до напряжения горения искры. Напряжение горения искры за­висит от длины искры (определяемой зазором между электродами и отклонением искры по­током топливно-воздушной смеси).

В течение времени горения искры энергия, запасенная в системе зажигания, преобразу­ется в искру зажигания. Затем искра гаснет, и напряжение спадает до нуля.

Смесеобразование и энергия зажигания

Электрическая искра между электродами свечи зажигания создает высокотемператур­ную плазму. При наличии смеси соответству­ющего состава в области свечи зажигания и при подаче системой зажигания достаточ­ного количества энергии дуга создает фронт пламени, который затем распространяется независимо.

Система зажигания должна обеспечивать этот процесс при любых условиях работы двигателя. При идеальных условиях, когда топливно-воздушная смесь неподвижна, од­нородна и имеет стехиометрический состав, для каждого отдельного процесса зажига­ния требуется количество энергии, равное 0,2 мДж. В реальных условиях работы двига­теля требуется значительно больше энергии. Некоторая часть энергии искры преобразу­ется во время пробоя, а оставшаяся часть — во время горения искры.

При увеличении зазора между электро­дами искра увеличивается, однако для этого требуется более высокое напряжение за­жигания. При бедной топливно-воздушной смеси или на двигателях с наддувом также требуется увеличенное напряжение зажига­ния. При данном уровне энергии продолжи­тельность искры при увеличении напряже­ния зажигания уменьшается. Как правило, более продолжительная искра стабили­зирует процесс горения топлива; неодно­родность смеси в области свечи в момент зажигания может быть скомпенсирована за счет увеличения продолжительности искры Турбулентность топливно-воздушной смеси, подобная турбулентности, имеющей место в режиме послойного распределения заряда топлива, может вызвать значительное от­клонение искры, приводящее к ее погаса­нию. Для повторного зажигания топливно-воздушной смеси требуются многоискровые системы зажигания.

Необходимость в более высоких напря­жениях зажигания, большей продолжитель­ности искры и обеспечении многоискрового зажигания вызвала создание систем с более высокой энергией зажигания. Недостаточная энергия зажигания является причиной про­пусков зажигания топлива. Поэтому система зажигания должна обеспечивать достаточное количество энергии при любых условиях ра­боты двигателя.

Эффективное распыление топлива и сво­бодный доступ топливно-воздушной смеси к искре повышают воспламеняемость смеси и способствуют увеличению продолжительности и длины искры. Расположение и длина искры определяются размерами свечи зажигания. Продолжительность искры зависит от типа и конструкции системы зажигания, а также от условий в камере сгорания. В зависимости от особенностей двигателя (впрыск топлива во впускной трубопровод, прямой впрыск то­плива или наличие наддува) требуемая энергия искры составляет от 30 до 100 мДж.

Момент зажигания

Начало сгорания топлива в двигателе вну­треннего сгорания определяется моментом зажигания. Момент зажигания всегда ука­зывается относительно верхней мертвой точки поршня. Самый ранний возможный момент зажигания определяется пределом возникновения детонации, а самый позд­ний — пределом воспламеняемости смеси или максимальной допустимой температу­рой отработавших газов. Момент зажигания оказывает влияние на:

Базовая точка зажигания

Скорость распространения фронта пламени в камере сгорания увеличивается при уве­личении заряда смеси в цилиндре и частоты вращения коленчатого вала. Для создания максимального крутящего момента двига­теля максимальная скорость сгорания и, следовательно, максимальное давление продуктов горения должны достигаться вскоре после прохождения поршнем верх­ней мертвой точки (см. рис. «Характеристика давления в камере сгорания в зависимости от момента опережения зажигания» ). Следова­тельно, зажигание должно происходить до верхней мертвой точки, и момент зажигания должен сдвигаться в сторону опережения по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала или уменьшения заряда смеси.

Также момент зажигания должен быть сдвинут в сторону опережения в случае бедной топливно-воздушной смеси (λ > 1), поскольку в этом случае имеет место более низкая скорость распространения фронта пламени. Таким образом, установка момента зажигания зависит от частоты вращения ко­ленчатого вала, величины заряда смеси и со­става смеси (коэффициента избытка воздуха λ). Моменты опережения зажигания опреде­ляются на испытательном стенде, и в случае электронных систем управления двигателем сохраняются в программной памяти блока управления (см. рис. «Диаграмма момента зажигания в функции частоты вращения коленчатого вала и относительной величины заряда воздуха» ).

Коррекция момента опережения зажигания в зависимости от условий работы двигателя

Осуществляя управление моментом опереже­ния зажигания, электронные системы управ­ления двигателем, кроме частоты вращения коленчатого вала, могут учитывать и другие факторы. Базовый момент опережения зажига­ния может быть изменен посредством аддитив­ных коррекций или, для определенных рабочих точек или диапазонов, заменен в соответствии со специальными программными таблицами. В качестве примеров аддитивной коррекции можно привести коррекцию момента опереже­ния зажигания для предотвращения детонации, или при работе двигателя с системой прямого впрыска топлива на бедной смеси и во время прогрева. Примерами использования специаль­ных значений угла опережения зажигания или программных таблиц является коррекция угла опережения зажигания в режиме послойного распределения заряда смеси и во время пуска двигателя. Окончательная реализация зависит от архитектуры блока управления двигателем.

Состав отработавших газов и расход топлива

Момент опережения зажигания оказывает значи­тельное влияние на состав отработавших газов. Однако различные критерии оптимизации, такие как состав отработавших газов, расход топлива, динамика автомобиля и т.д., не всегда могут быть совместимы, поэтому определить «идеальный» момент опережения зажигания не всегда пред­ставляется возможным.

Изменения момента опережения зажигания вызывают взаимно противоположные измене­ния расхода топлива и состава отработавших газов (см. рис. «Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания а_z на состав отработавших газов» и «Влияние коэффициента избытка воздуха λ и момента зажигания а_z на расход топлива и крутящий момент» ). При увеличении опереже­ния зажигания возрастает мощность двигателя, снижается расход топлива, но также увеличи­вается содержание в отработавших газах угле­водородов и особенно оксидов азота. Слишком большое опережение зажигания может приве­сти к детонации двигателя и, как следствие, к его выходу из строя. Позднее зажигание приводит к повышению температуры отработавших газов, что также негативно влияет на работу двигателя.

Системы электронного управления работой двигателя по программируемым зависимостям изменения момента опережения зажигания обе­спечивают его корректировку в соответствии с изменениями таких параметров, как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, темпера­тура и т.п. Также электронные системы могут использоваться для получения оптимального сочетания взаимоисключающих параметров.

Предотвращение детонации

Электронные системы управления моментом опережения зажигания дают возможность точ­ного регулирования угла опережения зажигания в зависимости частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, температуры и т.д. Тем не менее, даже при отсутствии специальной системы кон­троля детонации должны быть предусмотрены средства предельно допустимых значений угла опережения зажигания.

Это необходимо, чтобы даже в экстремальных условиях, касающихся допусков изготовления, износа двигателя, окружающих условий, каче­ства топлива и т.д., ни в одном из цилиндров не могла возникать детонация. В результате прихо­дится снижать степень сжатия и сдвигать момент опережения зажигания в сторону запаздывания, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению крутящего момента двигателя.

Этих недостатков позволяет избежать си­стема контроля детонации. Опыт показывает, что эта система позволяет увеличить степень сжатия, значительно снизить расход топлива и повысить крутящий момент. В настоящее время требуемая коррекция угла опережения зажигания должна быть определена не для наи­худших, а, напротив, для наилучших возможных условий (например, для минимального разброса допусков, наилучшего качества топлива, для ци­линдра, менее всего склонного к детонации и т.д.). Теперь на протяжении всего срока службы двигателя стало возможным управлять каждым отдельным цилиндром таким образом, чтобы при любых условиях он работал вблизи порога детонации, т.е. с максимальной возможной эффективностью. Для создания такой системы особенно важно иметь надежный метод опреде­ления детонации. Этот метод должен позволять определять детонацию в каждом цилиндре во всем диапазоне условий работы двигателя, на­чиная с определенной интенсивности детонации.

Система контроля детонации

Система контроля детонации (см. рис. «Блок-схема системы защиты двигателя от детонации» ) включает:

Датчик детонации

Типичным симптомом детонации является вы­сокочастотная вибрация, накладывающаяся на кривую низкого давления в камере сгорания. Лучше всего эта вибрация определяется непо­средственно в камере сгорания при помощи датчиков давления. Однако, поскольку уста­новка датчиков давления в головке блока ци­линдров для каждого цилиндра все еще связана с высокими дополнительными затратами, эти вибрации обычно определяются при помощи датчиков детонации, устанавливаемых снаружи двигателя. Эти датчики представляют собой пье­зоэлектрические датчики ускорения (см. рис. «Датчик детонации» ), воспринимающие детонационную вибрацию и преобразующие ее в электрический сигнал.

Существуют датчики детонации двух ти­пов: широкополосный датчик с типичной полосой частот от 5 до 20 кГц и резонанс­ный датчик, передающий сигнал детонации только одной резонансной частоты. Гибкая система оценки сигнала в блоке управления дает возможность оценки различных или не­скольких резонансных частот при помощи одного широкополосного датчика детонации. Это повышает надежность системы, в связи с чем в настоящее время в основном приме­няются широкополосные датчики детонации.

Для надежного определения детонации во всех цилиндрах и при любых условиях работы двигателя количество и расположение датчиков детонации необходимо определить для каждого типа двигателя. На четырехцилиндровых ряд­ных двигателях обычно устанавливают один или два датчика детонации, на 5- и 6-цилиндровых двигателях — два, а на 8- и 12-цилиндровых дви­гателях — четыре датчика детонации.

Оценка сигнала датчика детонации

Специальный блок оценки сигнала в блоке управления обрабатывает сигнал широко­полосного датчика детонации и генерирует показательную переменную для каждого процесса сгорания топлива. Эта чрезвычайно гибкая система оценки сигнала, использую­щая широкополосный датчик детонации, дает значительно лучшие результаты по сравне­нию с резонансным датчиком детонации. Это связано с тем, что резонансный датчик передает только одну резонансную частоту для анализа состояния всех цилиндров при любых условиях работы двигателя.

Детектирование детонации

Переменная величина, генерируемая блоком оценки сигнала, классифицируется в алго­ритме детектирования детонации как «де­тонация» или «отсутствие детонации» для каждого цилиндра и каждого процесса сго­рания топлива. Это выполняется посредством сравнения величины переменной, характери­зующей текущий процесс сгорания топлива с переменной, представляющей процесс без детонации.

Адаптивная система регулирования угла опережения зажигания

В случае детектирования детонации в цилин­дре момент опережения зажигания для этого цилиндра сдвигается в сторону запаздывания (см. рис. «Система контроля детонации» ). Когда детонация прекращается, угол опережения зажигания возвращается к исходному значению. Алгоритмы детектирования детонации и регулирования угла опережения зажигания согласованы таким образом, чтобы исключить слышимую и вредную для двигателя детонацию, несмотря на то, что каждый цилиндр работает вблизи предела детонации в пределах диапазона оптимальной эффективности.

В реальных условиях работы двигателя имеют место различные пределы детонации для отдельных цилиндров, что требует для них различных моментов опережения зажигания. Для адаптации момента опережения зажигания к пределу детонации значения запаздывания опережения зажигания для каждого цилиндра и для каждой рабочей точки двигателя записы­ваются в память блока управления. Эти значе­ния для различных нагрузок и частот вращения коленчатого вала заносятся в программные таблицы, которые хранятся в энергонезависи­мом запоминающем устройстве и в ОЗУ с по­стоянным питанием. Таким образом, двигатель может работать без детонации с оптимальной эффективностью в любой рабочей точке, а также в условиях быстрого изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Эта адаптация позволяет даже использовать бензин с более низким октановым числом.

Системы зажигания двигателя

На современных автомобилях системы зажи­гания почти всегда представляют собой часть системы управления двигателем. Автоном­ные системы зажигания в настоящее время используются только в некоторых случаях (например, на автомобилях с двигателями малого рабочего объема). В основном приме­няются системы распределения статического высокого напряжения с отдельными катуш­ками зажигания для каждого цилиндра (ин­дуктивные системы зажигания, см. рис. «Система зажигания с индивидуальными катушками зажигания для каждого цилиндра» ). Значительно реже (на малолитражных дви­гателях) используются системы зажигания на основе высоковольтных конденсаторов (емкостное зажигание) или специальные кон­струкции, такие как магнето. В следующем разделе будут рассмотрены только системы с использованием катушек зажигания.

Техника безопасности при работе с системой зажигания

Все электронные системы зажигания являются системами высокого напряжения. Во избежание любых рисков, перед тем как приступить к работам по обслуживанию систем зажигания всегда выключайте зажигание или отсоединяйте аккумуляторную батарею. Такие работы могут включать:

Производя проверку системы зажигания, помните, что при включенном зажигании в системе присутствуют опасные высокие сопряжения. Все работы должны выполняться только квалифицированным персоналом.

Индуктивные системы зажигания

Контур индуктивной системы зажигания (см. рис. «Структура контура зажигания в системе с отдельными катушками зажигания для каждого цилиндра» ) включает:

Перед требуемым моментом зажигания за­дающий (усилительный) каскад открывается, и через первичную обмотку катушки начинает протекать электрический ток, источником ко­торого является электрическая система авто­мобиля. В течение времени протекания тока по первичной обмотке (период протекания тока), в первичной обмотке создается магнитное поле.

В момент зажигания электрический ток че­рез первичную обмотку снова прерывается, и энергия магнитного поля разряжается через вторичную обмотку катушки зажигания. В ходе этого процесса во вторичной обмотке генери­руется высокое напряжение, которое, в свою очередь, генерирует искру на свече зажигания. Требуемое напряжение зажигания на свече всегда должно быть меньше максимального возможного напряжения, которое может соз­дать система.

После электрического пробоя оставшаяся часть энергии преобразуется на свече зажи­гания в течение периода горения искры.

Функции индуктивной системы зажигания

Основными функциями индуктивной си­стемы зажигания являются:

Определение момента зажигания

Текущий момент зажигания определяется в каждом случае программным образом, в за­висимости от условий работы и эффективной выходной мощности двигателя.

Определение периода протекания электри­ческого тока

Требуемая энергия зажигания должна быть доступна в момент зажигания. Количество на­копленной энергии зависит от силы электри­ческого тока протекающего через первичную обмотку катушки (тока отсечки) и индуктив­ности первичной обмотки. Сила тока отсечки, в основном, зависит от времени протекания тока через первичную обмотку и от напряжения в электрической системе автомобиля. Значения периодов протекания тока, требуемых для до­стижения желаемого тока отсечки, содержатся в характеристических кривых или программных таблицах в функции напряжения в установив­шемся состоянии. Также может быть предусмо­трена коррекция периода протекания тока в пер­вичной обмотке в зависимости от температуры

Инициирование зажигания

Система инициирования зажигания обеспе­чивает возникновение искры в соответствую­щем цилиндре в нужный момент времени с требуемым уровнем энергии зажигания. В системах зажигания с электронной систе­мой управления на коленчатом вале закре­плен импульсный зубчатый диск (обычно 60 зубцов) с установочной меткой, который сканируется генератором импульсов индук­тивного типа (датчиком). По сигналу датчика блок управления вычисляет угол поворота коленчатого вала и моментальную скорость вращения коленчатого вала. Катушка зажи­гания может быть включена и выключена при любом требуемом положении коленча­того вала. Для системы также требуется до­полнительный фазовый сигнал положения распределительного вала для однозначной идентификации цилиндра.

Для каждого процесса сгорания топлива блок управления вычисляет момент вклю­чения, исходя из желаемого момента зажи­гания, периода протекания электрического тока и текущей частоты вращения коленча­того вала, и в этот момент включает задаю­щий (усилительный) каскад. Выключение задающего каскада в соответствии с требуе­мым моментом зажигания, производится по истечении периода протекания тока или по достижении требуемого угла поворота колен­чатого вала.

Источник