Cистема зажигания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1 Система зажигания

1.1 Магнето

1.2 Батарейное зажигание

1.3 Зажигание с использованием генератора переменного тока

1.4 Электронное зажигание

1.5 Момент зажигания

1.6 Узлы системы зажигания

1.6.1 Свеча зажигания

2 Система пуска двигателя

2.1 Стартер

2.2 Мускульная сила человека

2.3 Вспомогательный двигатель внутреннего сгорания

2.4 Пневмозапуск

2.5 Другие способы

3 Приборы освещения



1. Система зажигания

В первых двигателях (например, двигатель Даймлера, а также так называемый полудизель) смесь топлива с воздухом воспламенялась в конце такта сжатия от раскалённой калильной головки - камеры, сообщающейся с камерой сгорания (синоним - калильная трубка). Перед запуском калильную головку надо было разогреть паяльной лампой, далее её температура поддерживалась сгоранием топлива при работе двигателя. В настоящее время по такому принципу работают калильные двигатели, используемые в различных моделях (авиа-, авто-, судомодели). Калильное зажигание в данном случае выигрывает своей простотой и непревзойдённой компактностью.

Дизельные двигатели также не имеют систему зажигания, топливо воспламеняется в конце такта сжатия от сильно нагретого в цилиндрах воздуха.

Не нуждаются в системе зажигания компрессионные карбюраторные двигатели, топливовоздушная смесь воспламеняется от сжатия. Данные двигатели также применяются в моделизме.

Но по настоящему на бензиновых моторах прижилась искровая система зажигания, то есть система, отличительным признаком которой является воспламенение смеси электрическим разрядом, пробивающем воздушный промежуток между электродами свечи зажигания.

В настоящее время существуют три системы зажигания: с использованием магнето, батарейное зажигание с автомобильным аккумулятором и система зажигания без аккумулятора с использованием мотоциклетного генератора переменного тока.



1.1 Магнето

Магнето - специализированный генератор переменного тока, вырабатывающий электроэнергию только для свечи зажигания. Конструкция представляет собой постоянный магнит, получающий вращение от коленчатого вала бензинового двигателя и неподвижную генераторную обмотку с малым количеством витков толстого провода (катушка индуктивности). На общем магнитопроводе с генераторной обмоткой находится высоковольтная (с большим количеством витков тонкого провода). Генерируемое низковольтное напряжение трансформируется в высоковольтное, способное «пробить» искровой промежуток свечи накаливания. Один из выводов каждой катушки связан с «массой» (корпусом двигателя), другой вывод высоковольтной обмотки присоединяется к центральному электроду свечи зажигания. Если магнето контактное - параллельно другому выводу низковольтной обмотки на «массу» подключён прерыватель с параллельно подключенным конденсатором (необходим для уменьшения искрения и подгорания контактов). В нужный момент времени (момент опережения зажигания)кулачок размыкает контакты прерывателя и на свече проскакивает искра. В электронных бесконтактных магнето прерыватель отсутствует, имеется управляющая катушка, в нужный момент генерируется управляющий импульс на электронный блок. Транзисторы или тиристоры открывается, ток поступает на высоковольтную катушку. Энергия дополнительно накапливается в конденсаторах или в катушках индуктивности, что повышает мощность искры.

Достоинством магнето является простота, компактность и лёгкость, низкая стоимость, аккумуляторная батарея не нужна. Магнето всегда готово к работе. Применяется в основном на малогабаритной технике, например, на бензопилах, газонокосилках, переносных бензогенераторах и др. Магнето также применялось на поршневых авиационных двигателях.

Рис. 1 Электронное бесконтактное магнетоМБ-1:

1 - маховик бензопилы «Урал» (видны две пары постоянных магнитов)

2 - маховик бензопилы «Дружба» (видны лопасти центробежного вентилятора)

3 - генераторная катушка

4 - метка для установки угла опережения

5 - конденсатор

6 - высоковольтная катушка

7 - управляющая катушка

8 - электронная схема (залита эпоксидной)

9 - если этот провод кнопкой замкнуть на «массу» - остановится двигатель

10 - высоковольтный провод

11 - свечной наконечник

12 - свеча зажигания

1.2 Батарейное зажигание

Второй, наиболее распространённой системой является батарейная система зажигания. В этом случае электропитание осуществляется от автомобильной аккумуляторной батареи, а когда двигатель работает электроэнергию вырабатывает автомобильный генератор, параллельно аккумулятору.

Последовательно источникам тока подключен выключатель зажигания, прерыватель и первичная обмотка катушки зажигания с добавочным сопротивлением.

Катушка зажигания представляет собой импульсный трансформатор. Основная функция катушки зажигания - трансформирование низкого (12 вольт) напряжения в высоковольтный (десятки тысяч вольт) импульс, способный «пробить» искровой промежуток на свече.

Цепь высокого напряжения - вторичная обмотка катушки зажигания, прерыватель-распределитель зажигания, высоковольтные провода и свечи зажигания.

Если двигатель одноцилиндровый - тогда высоковольтный распределитель отсутствует, он также не нужен на двухцилиндровых при применении двух искровых катушек зажигания. В последнее время ставится катушка на каждый цилиндр (что позволяет разместить катушку непосредственно на свече как наконечник и отказаться от высоковольтных проводов) или двух искровая катушка на пару цилиндров.

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции. От аккумуляторной батареи при включенном зажигании и замкнутых контактах прерывателя ток низкого напряжения проходит по первичной обмотке катушки зажигания, образуя вокруг неё магнитное поле. Размыкание контактов прерывателя приводит к исчезновению тока в первичной обмотке и магнитного поля вокруг неё. Исчезающее магнитное поле индуктирует во вторичной обмотке высокое напряжение (около 20 -25 киловольт). Распределитель поочерёдно подводит ток высокого напряжения к высоковольтным проводам и свечам зажигания, между электродами которых проскакивает искровой заряд, топливовоздушная смесь в цилиндрах двигателя воспламеняется.

Исчезающее магнитное поле пересекает не только витки вторичной, но и первичной обмотки, вследствие чего в ней возникает ток самоиндукции напряжением около 250 -300 вольт. Это приводит к искрению и обгоранию контактов, кроме того, замедляется прерывание тока в первичной обмотке, что приводит к уменьшению напряжения во вторичной обмотке. Поэтому параллельно контактам прерывателя подключен конденсатор (как правило, ёмкостью 0,25 мкф).

Последовательно первичной обмотке катушки зажигания включается добавочное сопротивление (или дополнительный резистор). На низких оборотах контакты прерывателя оказываются большую часть времени в замкнутом состоянии и через обмотку протекает ток, более чем достаточный для насыщения магнитопровода. Избыточный ток бесполезно нагревает катушку. При запуске двигателя добавочное сопротивление шунтируется контактами реле стартера, тем самым повышается энергия электрической искры на свече зажигания.

1.3 Зажигание с использованием генератора переменного тока (без аккумуляторов)

На лёгких мотоциклах (например, мотоциклы «Минск», «Восход»), мопедах и подвесных лодочных моторах устанавливаются генераторы переменного тока с самовозбуждением (или с вращающимся постоянным магнитом). Одна из статорных обмоток генерирует электроэнергию для свечи зажигания, остальные - для питания электрооборудования транспортного средства (фары, ходовые огни маломерного судна, освещение каюты). Статорная обмотка может быть совмещена с катушкой зажигания, а сам генератор - с узлом прерывателя. Аккумуляторная батарея на транспортном средстве не нужна (но на судне может присутствовать для освещения на стоянке, заряжается генератором на ходу, при работе лодочного мотора).

1.4 Электронное зажигание

Через контакты прерывателя «классической» системы зажигания протекает большой ток, вызывающий их быстрый износ, а также сила тока низкого напряжения зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. После появления полупроводниковых элементов (тиристоров и транзисторов) стали выпускаться электронные системы зажигания, вначале контактные, как дополнение к «классической», затем бесконтактные.

В контактной электронной системе зажигания через прерыватель проходит малый ток, собственно прерыватель вызывает срабатывание электронной схемы коммутатора, формирующей импульс в первичной обмотке катушки зажигания. Благодаря электронным компонентам напряжение в первичной обмотке может быть повышено, при запуске двигателя коммутатор может выдавать несколько импульсов подряд, облегчая воспламенение топливной смеси, водитель может со своего места легко регулировать момент зажигания.

Так, на автомобилях ЗИЛ-130, ЗИЛ-131 и ГАЗ-53 штатно устанавливалась контактно-транзисторная система зажигания. В СССР в продажу поступали блоки электронного зажигания («Ока», «Искра», «Искра-2» и др.), которые автолюбители самостоятельно устанавливали на свои «Запорожцы», «Жигули» и «Москвичи». Блок электронного зажигания мог быть легко отключен при его неисправности.

Системы с накоплением энергии в индуктивности

Системы с накоплением энергии в индуктивности (транзисторные) занимают доминирующее положение в технике. Принцип действия - при протекании электрического тока от внешнего источника через первичную обмотку катушки зажигания катушка запасает энергию в своём магнитном поле, при прекращении этого тока ЭДС самоиндукции генерирует в обмотках катушки мощный импульс, который снимается со вторичной (высоковольтной) обмотки, и подаётся на свечу. Напряжение импульса достигает 20 -40 тысяч вольт без нагрузки. Реально, на работающем двигателе напряжение высоковольтной части определяется условиями пробоя искрового промежутка свечи зажигания в конкретном рабочем режиме, и колеблется от 3 до 30 тысяч вольт в типичных случаях. Прерывание тока в обмотке долгие годы осуществлялось обычными механическими контактами, сейчас стандартом стало управление электронными устройствами, где ключевым элементом является мощный полупроводниковый прибор: биполярный или полевой транзистор.

Системы с накоплением энергии в ёмкости

Системы с накоплением энергии в ёмкости (они же «конденсаторные» или «тиристорные», CDI) появились в середине 1970-х годов в связи с появлением доступной элементной базы и возросшим интересом к роторно-поршневым двигателям. Конструктивно они практически аналогичны описанным выше системам с накоплением энергии в индуктивности, но отличаются тем, что вместо пропускания постоянного тока через первичную обмотку катушки к ней подключается конденсатор, заряженный до высокого напряжения (типично от 100 до 400 вольт). То есть обязательными элементами таких систем являются преобразователь напряжения того или иного типа, чья задача - зарядить накопительный конденсатор, и высоковольтный ключ, подключающий данный конденсатор к катушке. В качестве ключа, как правило, используются тиристоры. Недостатком данных систем является конструктивная сложность, и недостаточная длительность импульса в большинстве конструкций, достоинством - крутой фронт высоковольтного импульса, делающий систему менее чувствительной к забрызгиванию свечей зажигания, характерному для роторно-поршневых двигателей.

Существуют также конструкции, объединяющие оба принципа, и имеющие их достоинства, но, как правило, это любительские или экспериментальные конструкции, отличающиеся высокой сложностью изготовления.

1.5 Момент зажигания

Важнейшим параметром, определяющим работу системы зажигания, является так называемый момент зажигания, - то есть время, в которое система поджигает искровым разрядом сжатую рабочую смесь. Определяется момент зажигания как положение коленчатого вала двигателя в момент подачи импульса на свечу опережением относительно верхней мёртвой точки в градусах (типично от 1 градуса до 30).

Это связано с тем, что для сгорания рабочей смеси в цилиндре требуется некоторое время (скорость распространения фронта пламени около 20-30 м/с). Если поджигать смесь в положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ), смесь будет сгорать уже на такте расширения и частично на выпуске и не обеспечит эффективного давления на поршень (попросту говоря, догоняя поршень, вылетит в выхлопную трубу). Поэтому (оптимальный) момент зажигания подбирают таким образом (опережают относительно ВМТ), чтобы максимальное давление сгоревших газов приходилось на ВМТ.

Оптимальный момент опережения зажигания зависит от скорости движения поршня (оборотов двигателя), степени обогащения/обеднения смеси и немного от фракционного состава топлива (влияет на скорость горения смеси). Для автоматического приведения момента зажигания к оптимальному применяются центробежный и вакуумный регуляторы, или электронный блок управления.

Следует отметить, что на нагрузочных режимах в бензиновых двигателях при оптимальных (по скорости горения смеси) углах зажигания часто возникает детонация (взрывное горение смеси), поэтому, для её избежания, реальный угол опережения зажигания делают чуть больше, до порога возникновения детонации (подводом начального угла опережения вручную, или электроникой блока управления - автоматически, в движении). В современных двигателях управляющая программа постоянно устанавливает угол зажигания немножко ранее, постоянно двигая зажигание в раннюю сторону, малыми шагами в доли градуса, а в момент появления критерия детонации программа сдвигает зажигание на несколько градусов в позднюю сторону, затем процесс повторяется. В результате система «ведёт» момент зажигания по грани детонации, что способствует получению максимальной отдачи от двигателя. С момента введения стандарта EURO-3 момент зажигания управляется раздельно для каждого цилиндра.

Как «позднее зажигание», так и «раннее зажигание» (относительно оптимального) приводит к падению мощности двигателя и снижению экономичности из-за снижения КПД, а также избыточному нагреву и нагрузкам на детали двигателя. «Раннее зажигание», кроме того, приводит к сильной детонации, особенно при резком нажатии на педаль газа. Регулировка опережения зажигания на автомобилях обычно заключается в выставлении наиболее раннего момента зажигания, ещё не приводящего к детонации при разгоне.

1.6 Узлы системы зажигания

Датчик момента искрообразования

В старых двигателях использовался вращающийся кулачок и контактная группа (прерыватель), разрывающая цепь при определённом положении вала. Это упрощало низковольтную электрическую схему системы зажигания до двух проводов - от аккумулятора до катушки, и от катушки до прерывателя. Недостатком этой системы была низкая надёжность контактов прерывателя и параллельно им подключенного конденсатора (возможно, самое ненадёжное место в двигателе как целом), уязвимость контактов для нагара и влаги.

С развитием электроники от прерывателя отказались, заменив его бесконтактными датчиками - индуктивными, оптическими, либо наиболее распространёнными датчиками Холла, основанными на эффекте изменения проводимости полупроводника в магнитном поле. Преимущество бесконтактных схем - отсутствие необходимости в периодическом обслуживании, - за исключением замены свечей зажигания. В таком случае, для выдачи резкого фронта/спада напряжения на катушку необходима электронная схема, делающая это на основании сигнала с датчика. Отсюда происходит название такого варианта: «бесконтактное электронное зажигание». Электронная схема обычно исполнена в виде единого; зачастую - неремонтопригодного узла, известного в просторечии как «коммутатор».

На советских лодочных и мотоциклетных двигателях бесконтактное электронное зажигание применялось с 1970-х годов; на массовых легковых автомобилях - начиная с ВАЗ-2108 (1984, с задающим датчиком Холла в распределителе зажигания), хотя ранее на специальных «северных» версиях грузовиков ЗИЛ-130, Урал-375 использовалось бесконтактное зажигание «Искра» с коммутатором на кремниевых транзисторах, эта же система использовалась в полностью экранированном варианте на военной и специальной автомобильной технике. Датчик момента зажигания этой системы был генераторного типа (в распределителе зажигания вращается многополюсный магнит, наводящий импульсы в катушке индуктивности датчика).

В современных автомобилях на его смену пришли датчик положения коленвала и датчик фаз. Точный момент искрообразования вычисляется электронным блоком управления в зависимости от показаний многих иных датчиков (датчик детонации, датчик положения дроссельной заслонки и т. п.) и в зависимости от режима движения и работы двигателя.

Центробежный регулятор

Центробежный регулятор - устройство, изменяющее положение шторки бесконтактного датчика или кулачка контактного (а значит, и момент зажигания) в зависимости от оборотов двигателя.

Состоит из грузиков (обычно - двух), которые, с увеличение оборотов двигателя, расходятся, преодолевая сопротивление пружинок, поворачивая при этом часть вала со шторкой или кулачком вперёд (увеличивая опережение зажигания при увеличении оборотов).

Вакуумный регулятор

Вакуумный регулятор - устройство, изменяющее положение датчика относительно начального (а, значит, и момент зажигания) в зависимости от разрежения во впускном коллекторе, то есть от степени открытия дроссельных заслонок и оборотов двигателя. Обычно включает в себя шланг от узла прерывателя/датчика до карбюратора или впускного коллектора. На прерывателе разрежение воздействует на мембрану, которая, преодолевая сопротивление пружины, сдвигает датчик (контакты прерывателя) навстречу движению кулачка (шторок), то есть, увеличивая опережение зажигания при большом разрежении во впускном коллекторе (в этом случае смесь горит дольше, это режимы малых нагрузок при высоких оборотах двигателя).

Центробежный и вакуумный регуляторы позволяют добиться оптимального момента зажигания во всех режимах работы двигателя. В современных двигателях они уже не используются, - поскольку задача определения оптимального момента искрообразования переложена на микропроцессор (в электронном блоке управления, или контроллере), учитывающий в вычислениях также положение дросселей, обороты двигателя, сигналы датчика детонации и т. п.

На двигателях с электронными системами впрыска топлива функции центробежного и вакуумного регулятора выполняет программа блока управления двигателя.

Катушка зажигания

Катушка зажигания (часто называется «бобина») - импульсный трансформатор, преобразующий резкий фронт/спад напряжения от прерывателя/коммутатора в высоковольтный импульс. В одноцилиндровых двигателях (лодочные, мотоциклетные) используется по одной катушке на каждый цилиндр, соединённой со свечой высоковольтным проводом. В многоцилиндровых двигателях традиционно использовалась одна катушка и распределитель; однако в большинстве современных двигателей используется несколько катушек зажигания, либо объединённых в едином корпусе с электронными коммутаторами (т. н. «модуль зажигания»), при этом каждая катушка обеспечивает искру в конкретном цилиндре, либо в группах цилиндров, что позволяет отказаться от распределителя зажигания, либо отдельные катушки устанавливаются непосредственно на каждую свечу; при этом, катушки выполнены в виде надеваемых на свечи наконечников, конструктивно объединяющих собственно высоковольтный трансформатор и силовой ключ управления, что позволяет отказаться также и от высоковольтных проводов.

Переход на системы «одна катушка-одна свеча» в первую очередь связан с возросшей степенью форсирования автомобильных двигателей, что повлекло за собой повышение рабочих оборотов двигателя. Это в свою очередь вызвало подход систем с одной катушкой и высоковольтным распределителем к физическим пределам возможностей одной катушки: для создания мощного искрового разряда в катушке необходимо накопить большую энергию (порядка 50 мДж на разряд), значит, необходимо повышать индуктивность катушки. Повышение же индуктивности неизбежно увеличивает время накопления энергии в катушке. В случае многоцилиндровых двигателей это означало тупик. Решением и стало сначала появление DIS-систем (одна катушка на два цилиндра), и далее логически развилось в системы «одна катушка - одна свеча». Нередко - в случае больше объёмных двигателей или двигателей, работающих на обеднённых смесях, - используют двух- или многоточечный поджиг для уменьшения фазы горения смеси или для повышения надёжности (авиадвигатели). В этом случае устанавливается либо два комплекта катушек зажигания и распределителей, либо используется схема с индивидуальными катушками (например, двигатели Honda серии LxxA). Также, в двигателях с чётным числом цилиндров часто применяется схема с двух искровой катушкой зажигания, содержащей выводы от обоих концов высоковольтной обмотки и соответственно питающей две свечи зажигания, находящихся в цилиндрах, циклы в которых сдвинуты друг относительно друга так, чтобы ненужная в данный момент искра попадала на такт выпуска или продувки. Преимущество: позволяет упростить схему зажигания; причём, в случае двухцилиндровых двигателей - кардинально. Двух искровые катушки зажигания применяются на автомобилях «Ока», мотоциклах «Днепр».

Распределитель зажигания

Распределитель зажигания (обиходное название - «трамблёр») - высоковольтный переключатель, бегунок которого получает вращение от распределительного вала двигателя, подключает катушку зажигания к нужной в данный момент свече. Обычно исполняется в одном корпусе и на одном валу с прерывателем/датчиком положения вала. Состоит из подвижного контакта (бегунка) и крышки, к которой подключаются один высоковольтный провод от катушки и несколько - далее к свечам.

Вполне надёжен, но требует периодической чистки; также, трещины крышки часто приводят к неработоспособности двигателя, - особенно во влажную погоду. Бегунок имеет тенденцию к подгоранию.

В современных двигателях распределитель не используется, уступив место модулям зажигания, использующим отдельные катушки для отдельных групп свечей, или катушкам, установленным непосредственно на свечи.

Высоковольтные провода

Высоковольтные провода соединяют катушку зажигания с центральным контактом крышки распределителя и боковые контакты распределителя со свечами зажигания. Если двигатель одноцилиндровый или применяется двух искровая катушка зажигания - тогда провод идёт от катушки непосредственно к свече. Высоковольтный провод - это многожильный провод, окружённый многослойной изоляцией, способной выдержать разность потенциалов до 40 киловольт. Характеризуются распределённым активным сопротивлением (порядка нескольких килоом на метр), либо так называемым «нулевым сопротивлением» (порядка нескольких ом на метр). В последнее время стала применяться изоляция из силикона, как более надёжная и долговечная. Также применяются экранированные провода (с металлической оплёткой), например, на автомобилях с радиостанциями для уменьшения радиопомех. На концах высоковольтных проводов находятся наконечники для подключения к катушке зажигания, крышке распределителя и свечам зажигания.

В некоторых современных автомобилях катушки зажигания устанавливаются непосредственно на свечи и высоковольтные провода не используются.

1.6.1 Свеча зажигания

Свеча зажигания - устройство для воспламенения топливо-воздушной смеси в самых разнообразных тепловых двигателях. Бывают искровые, дуговые, накаливания, каталитические.

В бензиновых двигателях внутреннего сгорания используются искровые свечи. Поджог горючей смеси производится электрическим разрядом напряжением в несколько тысяч или десятков тысяч вольт, возникающим между электродами свечи. Свеча срабатывает на каждом цикле, в определённый момент работы двигателя.

В ракетных двигателях свеча зажигает топливную смесь электрическим разрядом только в момент запуска. Чаще всего, в процессе работы свеча разрушается и к повторному использованию непригодна.

В турбореактивных двигателях свеча воспламеняет смесь в момент запуска мощным дуговым разрядом. После этого горение факела поддерживается самостоятельно.

Калильные и одновременно каталитические свечи используются в модельных двигателях внутреннего сгорания. Топливная смесь двигателей специально содержит компоненты, которые легко воспламеняются в начале работы от раскалённой проволочки свечи. В дальнейшем накал нити поддерживается каталитическим окислением паров спирта, входящего в смесь.

Рис. 2 Устройство свечи зажигания

1 - контактный вывод

2 - рёбра изолятора

3 - изолятор

4 - металлическая оправа

5 - центральный электрод

6 - боковой электрод

7 - уплотнитель

Детали свечи зажигания

Контактный вывод

Контактный вывод, расположенный в верхней части свечи, предназначен для подключения свечи к высоковольтным проводам системы зажигания или непосредственно к индивидуальной высоковольтной катушке зажигания. Могут встречаться несколько слегка различных вариантов конструкции. Наиболее часто провод к свече зажигания имеет защёлкивающийся контакт, который надевается на вывод свечи. В других типах конструкции провод может крепиться к свече гайкой. Часто вывод свечи делают универсальным: в виде оси с резьбой и навинчивающегося защёлкивающегося контакта.

Рёбра изолятора

Рёбра изолятора предотвращают электрический пробой по его поверхности, образуя лабиринт.

Изолятор

Изолятор, как правило, делается из алюминиево-оксидной керамики, которая должна выдерживать температуры от 450 до 1 000 °C и напряжение до 60 000 В. Точный состав изолятора и его длина частично определяют тепловую маркировку свечи.

Часть изолятора, непосредственно прилегающая к центральному электроду, наиболее сильно влияет на качество работы свечи зажигания. Применение керамического изолятора в свече предложено Г. Хонольдом вследствие перехода к высоковольтному зажиганию.

Уплотнители

Служат для предотвращения проникновения горячих газов из камеры сгорания.

Цоколь (корпус)

Служит для заворачивания свечи и удержания её в резьбе головки блока цилиндров, для отвода тепла от изолятора и электродов, а также служит проводником электричества от «массы» автомобиля к боковому электроду.

Боковой электрод

Как правило, изготавливается из легированной никелем и марганцем стали. Приваривается контактной сваркой к корпусу. Боковой электрод, зачастую, очень сильно нагревается во время работы, что может привести к калильному зажиганию. Некоторые конструкции свечей используют несколько боковых электродов. Для увеличения долговечности электроды дорогих свечей снабжают напайками из платины и других благородных металлов.

С 1999 года на рынке появились свечи нового поколения - так называемые плазменно-форкамерные свечи, где роль бокового электрода играет сам корпус свечи. При этом образуется кольцевой (коаксиальный) искровой зазор, где искровой заряд перемещается по кругу. Такая конструкция обеспечивает большой ресурс и самоочистку электродов.

Форма бокового электрода в зоне пробоя напоминает сопло Лаваля, за счёт чего создаётся поток раскалённых газов, истекающих из внутренней полости свечи. Этот поток эффективно поджигает рабочую смесь в камере сгорания, полнота сгорания и мощность увеличивается, токсичность ДВС уменьшается. Эффективность «форкамерных» свеч поставлена под сомнение проведённым экспериментом.

Центральный электрод

Центральный электрод как правило соединяется с контактным выводом свечи через керамический резистор, это позволяет уменьшить радиопомехи от системы зажигания. Наконечник центрального электрода изготавливают из железо-никелевых сплавов с добавлением меди, хрома и благородных и редкоземельных металлов. Обычно центральный электрод - наиболее горячая деталь свечи. Кроме того, центральный электрод должен обладать хорошей способностью к эмиссии электронов, для облегчения искрообразования (предполагается, что искра проскакивает в той фазе импульса напряжения, когда центральный электрод служит катодом). Поскольку напряжённость электрического поля максимальна вблизи краёв электрода, искра проскакивает между острым краем центрального электрода и краем бокового электрода. В результате этого края электродов подвергаются наибольшей электрической эрозии. Раньше свечи периодически вынимали и удаляли следы эрозии наждаком. Сейчас, благодаря применению сплавов с редкоземельными и благородными металлами (иттрий, иридий, платина, вольфрам, палладий), нужда в зачистке электродов практически отпала. Срок службы при этом существенно вырос.

Зазор

Зазор - минимальное расстояние между центральным и боковым электродом. Величина зазора - это компромисс между «мощностью» искры, то есть размерами плазмы, возникающей при пробое воздушного зазора и между возможностью пробить этот зазор в условиях сжатой воздушно-бензиновой смеси.

Факторы, определяемые зазором:

Чем больше зазор - тем больше размеры искры, тем больше вероятность воспламенения смеси и больше зона воспламенения. Всё это положительно влияет на потребление топлива, равномерность работы, понижает требования к качеству топлива, повышает мощность. Слишком увеличивать зазор тоже нельзя, иначе высокое напряжение будет искать более лёгкие пути - пробивать высоковольтные провода на корпус, пробивать изолятор свечи и т. д.

Чем больше зазор - тем сложнее пробить его искрой. Пробоем изоляции называют потерю изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения, называемого пробивным напряжением .

Соответствующая напряжённость электрического поля

, г

де - расстояние между электродами, называется электрической прочностью промежутка. То есть чем больше зазор - тем больше напряжение пробоя необходимо. Там есть ещё зависимость от ионизации молекул, равномерности структуры вещества, полярности искры, скорости нарастания импульса, но это не важно в данном случае. Понятное дело, что высокое напряжение мы не можем поменять - оно определяется системой зажигания. А вот зазор  мы поменять можем.

Напряжённость поля в зазоре определяется формой электродов. Чем они острее - тем больше напряжённость поля в зазоре и легче пробой (как у иридиевых и платиновых свечей с тонким центральным электродом).

Пробиваемость зазора зависит от плотности газа в зазоре. В нашем случае - от плотности воздушно-бензиновой смеси.

Чем она больше - тем сложнее пробить. Пробивное напряжение газового промежутка с однородным и слабо неоднородным электрическим полем зависит как от расстояния между электродами, так и от давления и температуры газа. Эта зависимость определяется законом Пашена, согласно которому пробивное напряжение газового промежутка с однородным и слабо неоднородным электрическим полем определяется произведением относительной плотности газа  на расстояние  между электродами, . Относительной плотностью газа называют отношение плотности газа в данных условиях к плотности газа при нормальных условиях (20 °C, 760 мм рт. ст.). Зазор свечей не является константой, один раз заданной. Он может и должен подстраиваться под конкретную ситуацию эксплуатации двигателя.

Режимы работы свечей

Искровые свечи бензиновых двигателей по режиму работы условно подразделяют на «горячие», «холодные», «средние» (калильное число). Суть данной классификации - в степени нагрева изолятора и электродов. При работе изолятор и электроды любой свечи должны нагреваться до температур, способствующих «самоочищению» их поверхности от продуктов сгорания топливной смеси - нагара, сажи и т. п. Поэтому изоляторы свечей, работающих в оптимальном режиме всегда цвета «кофе с молоком».

Очистка поверхности изоляторов необходима для предотвращения поверхностных утечек высокого напряжения через слой нагара, что уменьшает мощность искрового пробоя зазора, или вообще делает его невозможным. Однако, если элементы свечи нагреваются слишком сильно, то может возникать неконтролируемое калильное зажигание. Процесс часто проявляется на больших оборотах. Это может приводить к детонации и разрушению элементов двигателя.

Степень нагрева элементов свечей зависит от следующих основных факторов: Внутренние факторы

конструкция электродов и изолятора (длинный электрод нагревается быстрее)

материал электродов и изолятора

толщина материалов

степень теплового контакта элементов свечи с корпусом

наличие медного сердечника в центральном электроде

Внешние факторы

степень сжатия и компрессии

тип топлива (более высокооктановое обладает большей температурой сгорания)

стиль езды (на больших оборотах и нагрузках двигателя нагрев свечей больше)

«Горячие» свечи - конструкция свечей специально разработана таким образом, что снижается теплопередача от центрального электрода и изолятора. Применяются в двигателях с низкой степенью сжатия и при использовании низкооктанового топлива. Так как в этих случаях меньше температура в камере сгорания.

«Холодные» свечи - конструкция свечей специально разработана таким образом, что максимально повышается теплопередача от центрального электрода и изолятора. Применяются в двигателях с высокой степенью сжатия, с высокой компрессией и при использовании высокооктанового топлива. Так как в этих случаях больше температура в камере сгорания.

«Средние» свечи - занимают промежуточное положение между горячими и холодными (самые распространенные)

«Оптимальные» свечи - конструкция свечей разработана таким образом, что теплопередача от центрального электрода и изолятора оптимальна для данного конкретного двигателя.

«Унифицированные» свечи - калильное число захватывает диапазон холодных и горячих свечей. Именно благодаря «полу открытости» свечи ей не страшны проблемы вентиляции и засорения продуктами неполного сгорания.

Свечи нормально самоочищаются во всех режимах работы двигателя и в то же время не приводят к калильному зажиганию.

Типовые размеры свечей зажигания

Размеры свечей зажигания классифицируются по диаметру резьбы на них. Применяются следующие типы резьбы:

M10Ч1 (мотоциклы, например, свечи типа «Т» - ТУ 23; бензопилы, газонокосилки);

M12Ч1,25 (мотоциклы);

M14Ч1,25 (автомобили, все свечи типа «А»);

M18Ч1,5 (свечи типа «М», устанавливались на старые автомобильные двигатели ГАЗ- 51, ГАЗ-69; «тракторные» свечи; свечи для газопоршневых ДВС и др.)

Вторым классификационным признаком служит длина резьбы:

короткая - 12 мм. (ЗИЛ, ГАЗ, ПАЗ, УАЗ, Волга, Запорожец, мотоциклы);

длинная - 19 мм. (ВАЗ, АЗЛК, ИЖ, Москвич, Газель, практически все иномарки);

удлинённая - 25 мм (современные форсированные ДВС);

на малогабаритные двигатели могут устанавливаться свечи с более короткой резьбой (меньше 12 мм)

Размер головки под ключ (шестигранник):

24 мм (свечи марки «М8» с резьбой M18Ч1,5)

22 мм (свечи марки «А10» «А11», двигатели автомобилей ЗИС-150, ЗИЛ-164)

нормальная - 21 мм (традиционная, для ДВС с двумя клапанами на цилиндр);

средняя - 19 мм (для ДВС некоторых мотоциклов)

уменьшенная - 16 мм или 14 мм (современная, для ДВС с тремя или четырьмя клапанами на цилиндр);

Калильное число (тепловая характеристика):

Горячие свечи 11 -14;

Средние свечи 17 -19;

Холодные свечи 20 и более;

Унифицированные свечи 11 -20

Способ уплотнения по резьбе:

С плоской прокладкой (с кольцом)

С конусным уплотнением (без кольца)

Количество и вид боковых электродов:

Одноэлектродные - традиционные;

Многоэлектродные - несколько боковых электродов;

Специальные, более стойкие электроды для работы на газе или для большего пробега;

Факельные - унифицированные свечи зажигания, присутствует конусный резонатор, для симметричного поджига топливной смеси.

Плазменно-форкамерные - боковой электрод выполнен в виде сопла Лаваля. Совместно с корпусом свечи образует внутреннюю форкамеру. Зажигание происходит форкамерно-факельным способом.

Маркировка свечей зажигания

На свече зажигания российского производства должны быть указаны: дата изготовления (месяц или квартал и (или) две последние цифры года изготовления);

товарный знак и (или) наименование предприятия-изготовителя; условное обозначение типа свечи (расшифровка приведена далее);

надпись "Сделано в России".

.

Из-за отсутствия за рубежом единой системы маркировки определить соответствие све-чей зажигания раз-личных производителей можно только при помощи каталогов или таблиц взаимозаменяемости (таб. 1).

В настоящее время все больше свечей зажигания выпускается с биметаллическим электродом. Это позволяет, помимо улучшения термоэластичности, повысить их надежность и долговечность.

Растет объем производства свечей зажигания с выступанием теплового конуса изолятора из металлического корпуса, что обеспечивает улучшенное самоочищение от нагара.

С целью увеличения срока эксплуатации, не требующего регулировки искрового зазора, выпускают свечи зажигания с несколькими электродами "массы".

Для улучшения процесса искрообразования (воспламеняющей способности искры) разрабатывают свечи с увеличенным искровым зазором, изменяют форму и профиль электродов, а на их поверхности наносят платину.

Растет производство свечей зажигания с использованием поверхностного разряда (в которых нет электрода "массы", а искра идет от центрального электрода к корпусу по поверхности изолятора).

Для снижение уровня помех радиоприему все больше свечей зажигания снабжаются встроенным помехо-подавительным резистором.

Таблица 1. Взаимозаменяемость основных типов свечей (прочерк - аналог отсутствует)

РОССИЯ	AUTOLITE	BERU	BOSCH	BRISK	CHAMPION	EYQUEM	MAGNETI MARELLI	NGK	NIPPON DENSO
А11,А11-1,А11-3	425	14-9A	W9A	N19	L86	406	FL4N	B4H	W14F
А11Р	414	14R-9A	WR9A	NR19	RL86	-	FL4NR	BR4H	W14FR
А14В, А14В-2	275	14-8B	W8B	N17Y	L92Y	550S	FL5NR	BP5H	W16FP
А14ВМ	275	14-8BU	W8BC	N17YC	L92YC	C32S	F5NC	BP5HS	W16FP-U
А14ВР	-	14R-7B	WR8B	NR17Y	-	-	FL5NPR	BPR5H	W14FPR
А14Д	405	14-8C	W8C	L17	N5	-	FL5L	B5EB	W17E
А14ДВ	55	14-8D	W8D	L17Y	N11Y	600LS	FL5LP	BP5E	W16EX
А14ДВР	4265	14R-8D	WR8D	LR17Y	NR11Y	-	FL5LPR	BPR5E	W16EXR
А14ДВРМ	65	14R-8DU	WR8DC	LR17YC	RN11YC	RC52LS	F5LCR	BPR5ES	W16EXR-U
А17В	273	14-7B	W7B	N15Y	L87Y	600S	FL6NP	BP6H	W20FP
А17Д	404	14-7C	W7C	L15	N4	-	FL6L	B6EM	W20EA
А17ДВ, А17ДВ-1, А17ДВ-10	64	14-7D	W7D	L15Y	N9Y	707LS	FL7LP	BP6E	W20EP
А17ДВМ	64	14-7DU	W7DC	L15YC	N9YC	C52LS	F7LC	BP6ES	W20EP-U
А17ДВР	64	14R-7D	WR7D	LR15Y	RN9Y	-	FL7LPR	BPR6E	W20EXR
А17ДВРМ	64	14R-7DU	WR7DC	LR15YC	RN9YC	RC52LS	F7LPR	BPR6ES	W20EPR-U
АУ17ДВРМ	3924	14FR-7DU	FR7DCU	DR15YC	RC9YC	RFC52LS	7LPR	BCPR6ES	Q20PR-U
А20Д, А20Д-1	4054	14-6C	W6C	L14	N3	-	FL7L	B7E	W22ES
А23-2	4092	14-5A	W5A	N12	L82	-	FL8N	B8H	W24FS
А23В	273	14-5B	W5B	N12Y	L82Y	755	FL8NP	BP8H	W24FP
А23ДМ	403	14-5CU	W5CC	L82C	N3C	75LB	CW8L	B8ES	W24ES-U
А23ДВМ	52	14-5DU	W5DC	L12YC	N6YC	C82LS	F8LC	BP8ES	W24EP-U



2. Система пуска двигателя

Двигатель внутреннего сгорания любого типа не создаёт вращающего момента в неподвижном состоянии. Прежде чем он начнёт работать, его нужно раскрутить с помощью внешнего источника энергии. Практически используются следующие варианты:

2.1 Стартер

Стартер (англ. starter, от start - начинать, пускать в ход), основной агрегат пусковой системы двигателя, раскручивающий его вал до частоты вращения, необходимой для запуска двигателя. Основные узлы стартера - двигатель, редуктор, устройства сцепления и расцепления с валом основного двигателя, пусковое устройство (для стартеров, которые не могут запускаться самостоятельно, например бензиновых, турбокомпрессорных). По принципу работы стартеры подразделяются на инерционные, прямого действия и комбинированные. В инерционных стартерах раскручивается сначала маховик, в котором накапливается энергия, обеспечивающая прокрутку вала основного двигателя при сцеплении его с валом. Стартер прямого действия раскручивает непосредственно вал основного двигателя.

Различают стартеры электрические, пневматические, гидравлические, бензиновые, турбостартеры.

Современные пусковые устройства легко запускаются одним поворотом ключа в замке зажигания. Но за каждым элементом процесса пуска скрывается целый ряд сложных технических операций - от запуска стартера, контроля зацепления шестерни привода стартера и зубчатого венца маховика и до схемы блокировки, служащей для того, чтобы стартер не запускался при работающем двигателе.

Все компоненты стартера должны быть тщательно подобраны, чтобы слаженно и долговременно работать и выдерживать огромное число запусков двигателя. У легкового автомобиля при движении по городу и пробеге около 15000 км это около 2000 запусков двигателя в год.

Принцип действия. Двигатель внутреннего сгорания начинает самостоятельно работать при условии, что его коленчатый вал вращается с определенной (пусковой) частотой, при которой обеспечивается нормальное протекание процессов смесеобразования, воспламенения и сгорания топлива.

Пусковая частота вращения бензиновых двигателей составляет 40-50 об/мин. У дизелей необходимо вращать коленчатый вал с большей частотой (100-250 об/мин), так как при медленном вращении сжимаемый воздух не нагревается до необходимой температуры и топливо, впрыснутое в камеру сгорания, не воспламеняется. Эти частоты вращения взяты для примера при плюсовой температуре окружающего воздуха. При минусовых температурах скорость вращения необходима большая. Стартер - устройство, обеспечивающее вращение коленчатого вала с пусковой частотой. При прокручивании двигателя стартер должен преодолеть момент сопротивления, создаваемый силами трения и компрессией, а при включении - и момент инерции вращающихся частей двигателя. Составляющие, которые определяют развиваемый стартером крутящий момент, зависят от объема и конструкций двигателя, числа цилиндров, степени сжатия, вязкости масла и частоты вращения. Стартер состоит из электродвигателя постоянного тока, механизма привода и механизма управления. Конструкция электродвигателей почти одинакова у всех стартеров. Статоры стартеров изготовляются либо из постоянных магнитов четырех или шести полюсными (нового образца), либо последовательного возбуждения четырех полюсными обмотками. Для уменьшения частоты вращения якоря в режиме холостого хода применяют электродвигатели смешанного возбуждения. Передача крутящего момента от стартера к коленчатому валу осуществляется через шестерню, находящуюся в зацеплении с зубчатым венцом маховика. Для увеличения крутящего момента на коленчатом валу применяется понижающая передача с передаточным числом 10-15. Шестерня стартера должна находиться в зацеплении с зубчатым венцом только во время пуска двигателя. Для этого шестерня и вал электродвигателя снабжены шлицами, которые допускают осевое перемещение шестерни по валу для сцепления и расцепления ее с зубчатым венцом маховика. Перемещение шестерни в современных стартерах осуществляется электромагнитным реле, подвижной сердечник которого через рычаг передает на шестерню осевое усилие. Работой электромагнитного реле управляет водитель через замок зажигания и разгрузочное реле. После пуска частота вращения коленчатого вала достигает 1000 об/мин. Если при этом вращение будет передаваться на якорь стартера, его частота вращения повысится до 10000-15000 об/мин.

Даже при кратковременном увеличении частоты вращения якоря до такой величины (пока водитель не отключит стартер) возможен разнос якоря. Для предохранения якоря стартера от разноса усилие от вала якоря к шестерне привода у большинства стартеров передается через муфту свободного хода (бендикс). Муфта обеспечивает передачу крутящего момента только в одном направлении - от вала якоря к маховику.

На автомобилях применяют стартеры с электромагнитным включением и дистанционным управлением. Принцип работы стартера заключается в следующем: При замыкании контактов замка зажигания по втягивающей обмотке электромагнита протекает ток, плунжер электромагнита втягивается и включается удерживающая обмотка электромагнита. Плунжер электромагнита и соединенный с ним рычаг (вилка) перемещает шестерню бендикса. Одновременно плунжер давит на пластину, которая в момент ввода шестерни в зацепление с венцом маховика замыкает контакты. Ток через замкнутые контакты поступает в обмотку электродвигателя, и якорь начинает вращаться.

2.2 Мускульная сила человека

Используется при запуске двигателей небольшой мощности. На лодочных моторах и бензопилах дёргают за тросик, намотанный на маховик или пусковой барабан («верёвочный стартёр»); на мотоциклах используют резкое нажатие ногой на специальный рычаг (кикстамртер); на мопедах - вращение педалей велосипедного типа; на автомобилях - проворачивают коленчатый вал пусковой (заводной) рукояткой («кривой стартёр»). Мускульная сила всегда доступна и не зависит от заряда аккумуляторов и т. п. Однако такой метод запуска не очень удобен в эксплуатации; чаще он используется в качестве резервного. На современных автомобилях, как правило, использование «кривого стартёра» вообще не предусматривается. Помимо всего прочего, «кривой стартер» крайне травмоопасен при неправильном использовании. Бывалые водители не рекомендуют охватывать пусковую рукоятку кистью с противопоставленным большим пальцем. Все пальцы должны располагаться по одну сторону рукоятки.

Существуют также ручные инерционные стартеры, при которых ручкой (через повышающий редуктор) раскручивается небольшой маховик, а когда он запасет необходимое количество кинетической энергии, этот маховик через понижающий редуктор соединяется с коленчатым валом пускаемого двигателя. Такой способ позволяет повысить пусковую мощность и не создавать чрезмерных усилий на пусковой рукоятке. Такие стартеры устанавливались на часть тракторов, некоторые образцы бронетанковой техники, поршневые авиационные двигатели и небольшие судовые дизели.

Долгое время ручной способ был основным для запуска поршневых двигателей самолётов - всем знакомы кадры хроники, когда коленчатый вал авиадвигателя раскручивают, дёргая рукой пропеллер. Данный способ перестал применяться с ростом мощности моторов, поскольку мускульной силы уже просто не хватало, чтобы провернуть вал тяжёлого и мощного двигателя, зачастую ещё и снабжённого редуктором.

Ручные стартеры бывают как съёмные (после запуска отделяются от двигателя, как на бензопилах «Урал» и «Дружба»), так и несъёмные(большинство современных компактных двигателей).

2.3 Вспомогательный двигатель внутреннего сгорания (пускач)

Главный двигатель запускается другим двигателем внутреннего сгорания, меньшей мощности (так называемый «пускач»); такой способ используется на многих тракторах. Пусковой двигатель обычно карбюраторный двухтактный, его мощность составляет примерно 10 % от мощности основного двигателя. Несмотря на «архаичность», это обеспечивает надёжный запуск в любых условиях. Трактор может эксплуатироваться вдали от населённых пунктов, где нет возможности контролировать состояние аккумулятора. «Пускач» включён в систему жидкостного охлаждения, в холодную погоду можно произвести подогрев главного двигателя. Сам же вспомогательный двигатель запускается вручную (дёрганием тросика) или от электро стартёра малой мощности. После запуска «пускача» и прогрева системы охлаждения тракторист соединяет фрикционной муфтой пусковой и главный двигатели.



2.4 Пневмозапуск

Сжатый воздух высокого давления используется для запуска больших дизелей на тепловозах, судахи бронетехнике. Ранее такой способ был основным для запуска поршневых двигателей в авиации. В цилиндрах, кроме обычных впускных и выпускных клапанов, устраиваются дополнительные пусковые клапаны. При запуске они открываются в таком порядке, чтобы входящий через них в цилиндры воздух толкал поршни и раскручивал двигатель. Баллоны со сжатым воздухом пополняются от компрессора, приводимого главным двигателем при его работе.

2.5 Другие способы

Буксировка транспортного средства

Автомобиль (как и мотоцикл) с механической КПП можно завести, буксируя его другим автомобилем (или толкая руками, это называется «завести с толкача»), а также разгоняя его при выключенном сцеплении по наклонной дороге. После достижения определённой скорости сцепление включают. Однако таким способом есть большая вероятность поломки ходовой части, которая тем выше, чем более низкая передача включена; в руководствах по эксплуатации многих автомобилей есть запрет на такой запуск. Также производители не рекомендуют такой способ запуска для автомобилей, оснащенных каталитическими нейтрализаторами из-за возможности попадания несгоревшего топлива в катализатор с последующим его перегревом и выходом из строя. Автомобиль с автоматической коробкой передач таким способом завести, как правило, невозможно. Гидротрансформатор заполняется гидравлической жидкостью только при работающем двигателе и крутящий момент передаваться с колёс на АКПП не будет.

«В одиночку»

Разновидностью первого способа является ручное раскручивание одного из колёс автомобиля (например, при помощи намотанного троса), предварительно вывешенного с помощью домкрата при включенной одной из верхних передач, для защиты рук при этом необходимо использовать рукавицы. Главной особенностью способа является возможность запуска двигателя водителем в одиночку. Другое колесо стоит на земле, но на него крутящий момент передаваться не будет благодаря дифференциалу.

...