Системы зажигания автомобилей - общее устройство и типы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы зажигания автомобилей - общее устройство и типы

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах бензиновых двигателей. Основными требованиями к системе зажигания являются: зажигание бензиновый двигатель автомобиль

1. Обеспечение искры в нужном цилиндре (находящемся в такте сжатия) в соответствии с порядком работы цилиндров.

2. Своевременность момента зажигания. Искра должна происходить в определенный момент (момент зажигания) в соответствии с оптимальным при текущих условиях работы двигателя углом опережения зажигания, который зависит, прежде всего, от оборотов двигателя и нагрузки на двигатель.

3. Достаточная энергия искры. Количество энергии, необходимой для надежного воспламенения рабочей смеси, зависит от состава, плотности и температуры рабочей смеси.

4. Общим условием для системы зажигания является ее надежность (обеспечение непрерывности искрообразования).

Неисправность системы зажигания вызывает неполадки как при запуске, так и при работе двигателя:

- трудность или невозможность запуска двигателя;

- неравномерность работы двигателя - "троение" или прекращение работы двигателя - при пропусках искрообразования в одном или нескольких цилиндрах;

- детонация, связанная с неверным моментом зажигания и вызывающая очень быстрый износ двигателя;

- нарушение работы других электронных систем за счет высокого уровня электромагнитных помех и пр.

Существует множество типов систем зажигания, отличающихся и устройством и принципами действия. В основном системы зажигания различаются по:

- системе определения момента зажигания.

- системе распределения высоковольтной энергии по цилиндрам.

При анализе работы систем зажигания исследуются основные параметры искрообразования, смысл которых практически не отличается в различных системах зажигания:

- угол замкнутого состояния контактов (УЗСК, Dwell angle) - угол, на который успевает повернуться коленчатый вал от момента начала накопления энергии (конкретно в контактной системе - момента замыкания контактов прерывателя; в других системах - момента срабатывания силового транзисторного ключа) до момента возникновения искры (конкретно в контактной системе - момента размыкания контактов прерывателя). Хотя в прямом смысле данный термин можно применить только к контактной системе - он условно применяется для систем зажигания любых типов.

- угол опережения зажигания (УОЗ, Advance angle) - угол, на который успевает повернуться коленчатый вал от момента возникновения искры до момента достижения соответствующим цилиндром верхней мертвой точки (ВМТ). Одна из основных задач системы зажигания любого типа - обеспечение оптимального угла опережения зажигания (фактически - оптимального момента зажигания). Оптимально поджигать смесь до подхода поршня к верхней мертвой точке в такте сжатия - чтобы после достижения поршнем ВМТ газы успели набрать максимальное давление и совершить максимальную полезную работу на такте рабочего хода. Также любая система зажигания обеспечивает взаимосвязь угла опережения зажигания с оборотами двигателя и нагрузкой на двигатель.

При увеличении оборотов, скорость движения поршней увеличивается, при этом время сгорания смеси практически не изменяется - поэтому момент зажигания должен наступать чуть раньше - соответственно при увеличении оборотов, УОЗ надо увеличивать.

На одной и той же частоте вращения коленчатого вала двигателя, положение дроссельной заслонки (педали газа) может быть различным. Это означает, что в цилиндрах будет образовываться смесь различного состава. А скорость сгорания рабочей смеси как раз и зависит от ее состава. При полностью открытой дроссельной заслонке (педаль газа "в полу") смесь сгорает быстрее и поджигать ее нужно позже - соответственно при увеличении нагрузки на двигатель, УОЗ надо уменьшать. И наоборот, когда дроссельная заслонка прикрыта, скорость сгорания рабочей смеси падает, поэтому угол опережения зажигания должен быть увеличен.

- напряжение пробоя - напряжение во вторичной цепи в момент образования искры - фактически - максимальное напряжение во вторичной цепи.

- напряжение горения - условно-установившееся напряжение во вторичной цепи в течение периода горения искры.

- время горения - длительность периода горения искры.

Обобщенно структуру системы зажигания можно представить следующим образом:

Рассмотрим подробнее каждый из элементов системы:

1. Источник питания для системы зажигания - бортовая сеть автомобиля и ее источники питания - аккумуляторная батарея (АКБ) и генератор.

2. Выключатель зажигания.

3. Устройство управления накоплением энергии - определяет момент начала накопления энергии и момент "сброса" энергии на свечу (момент зажигания). В зависимости от устройства системы зажигания на конкретном авто может представлять из себя:

* Механический прерыватель, непосредственно управляющий накопителем энергии (первичной цепью катушки зажигания). Данный компонент нужен для того, чтобы замыкать и размыкать питание первичной обмотки катушки зажигания. Контакты прерывателя находятся под крышкой распределителя зажигания. Пластинчатая пружина подвижного контакта постоянно прижимает его к неподвижному контакту. Размыкаются они лишь на короткий срок, когда набегающий кулачок приводного валика прерывателя-распределителя надавит на молоточек подвижного контакта.

Параллельно контактам включен конденсатор (condenser). Он необходим для того, чтобы контакты не обгорали в момент размыкания. Во время отрыва подвижного контакта от неподвижного, между ними хочет проскочить мощная искра, но конденсатор поглощает в себя большую часть электрического разряда и искрение уменьшается до незначительного. Но это только половина полезной работы конденсатора - когда контакты прерывателя полностью размыкаются, конденсатор разряжается, создавая обратный ток в цепи низкого напряжения, и тем самым, ускоряет исчезновение магнитного поля. А чем быстрее исчезает это поле, тем больший ток возникает в цепи высокого напряжения. При выходе конденсатора из строя двигатель нормально работать не будет - напряжение во вторичной цепи получится недостаточно большим для стабильного искрообразования.

Прерыватель располагается в одном корпусе с распределителем высокого напряжения - поэтому распределитель зажигания в такой системе называютпрерывателем-распределителем. Такая система зажигания называется классической системой зажигания. Общая схема классической системы:

Это наиболее старая из существующих систем - фактически она является ровесницей самого автомобиля. За границей такие системы прекратили серийно устанавливать в основном к концу 1980-х годов, у нас такие системы на "классику" устанавливаются до сих пор. Кратко принцип работы выглядит следующим образом - питание от бортовой сети подается на первичную обмотку катушки зажигания через механический прерыватель. Прерыватель связан с коленчатым валом, что обеспечивает замыкание и размыкание его контактов в нужный момент. При замыкании контактов начинается зарядка первичной обмотки катушки, при размыкании первичная обмотка разряжается, но во вторичной обмотке наводиться ток высокого напряжения, который, через распределитель, также связанный с коленчатым валом, поступает на нужную свечу.

Также в этой системе присутствуют механизмы корректировки опережения зажигания - центробежный и вакуумный регуляторы.

Центробежный регулятор опережения зажигания предназначен для изменения момента возникновения искры между электродами свечей зажигания, в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя.

Центробежный регулятор опережения зажигания находится в корпусе прерывателя-распределителя. Он состоит из двух плоских металлических грузиков, каждый из которых одним из своих концов закреплен на опорной пластине, жестко соединенной с приводным валиком. Шипы грузиков входят в прорези подвижной пластины, на которой закреплена втулка кулачков прерывателя. Пластина с втулкой имеют возможность проворачиваться на небольшой угол относительно приводного валика прерывателя-распределителя. По мере увеличения числа оборотов коленчатого вала двигателя, увеличивается и частота вращения валика прерывателя-распределителя. Грузики, подчиняясь центробежной силе, расходятся в стороны, и сдвигают втулку кулачков прерывателя "в отрыв" от приводного валика. То есть набегающий кулачок поворачивается на некоторый угол по ходу вращения навстречу молоточку контактов. Соответственно контакты размыкаются раньше, угол опережения зажигания увеличивается.

При уменьшении скорости вращения приводного валика, центробежная сила уменьшаются и, под воздействием пружин, грузики возвращаются на место - угол опережения зажигания уменьшается.

Вакуумный регулятор опережения зажигания предназначен для изменения момента возникновения искры между электродами свечей зажигания, в зависимости от нагрузки на двигатель.

Вакуумный регулятор крепится к корпусу прерывателя - распределителя. Корпус регулятора разделен диафрагмой на два объема. Один из них связан с атмосферой, а другой, через соединительную трубку, с полостью под дроссельной заслонкой. С помощью тяги, диафрагма регулятора соединена с подвижной пластиной, на которой располагаются контакты прерывателя. При увеличении угла открытия дроссельной заслонки (увеличение нагрузки на двигатель) разряжение под ней уменьшается. Тогда, под воздействием пружины, диафрагма через тягу сдвигает на небольшой угол пластину вместе с контактами в сторону от набегающего кулачка прерывателя. Контакты будут размыкаться позже - угол опережения зажигания уменьшится. И наоборот - угол увеличивается, когда вы уменьшаете газ, то есть, прикрываете дроссельную заслонку. Разряжение под ней увеличивается, передается к диафрагме и она, преодолевая сопротивление пружины, тянет на себя пластину с контактами.

Это означает, что кулачок прерывателя раньше встретится с молоточком контактов и разомкнет их. Тем самым мы увеличили угол опережения зажигания для плохо горящей рабочей смеси.

* Механический прерыватель с транзисторным коммутатором. В этом случае механический прерыватель управляет только транзисторным коммутатором, который, в свою очередь, управляет накопителем энергии. Такая конструкция имеет существенное преимущество перед прерывателем без транзисторного коммутатора - оно заключается в том, что здесь контактный прерыватель обладает большей надежностью за счет того, что в этой системе через него протекает существенно меньший ток (соответственно практически исключается пригорание контактов прерывателя во время размыкания). Соответственно и конденсатор, подключенный параллельно контактам прерывателя стал не нужным. В остальном система полностью аналогична классической системе. Обе описанные системы зажигания с механическим прерывателем имеют общее название - контактные системы зажигания.

Управление первичной обмоткой катушки зажигания в системе с механическим прерывателем и транзисторным коммутатором:

* транзисторный коммутатор с бесконтактным датчиком - генератором импульсов (индуктивного типа, типа Холла или оптического типа) и преобразователем его сигналов. В этом случае вместо механического прерывателя используется датчик - генератор импульсов с преобразователем сигналов, который управляет только транзисторным коммутатором, который, в свою очередь, управляет накопителем энергии.

В системах зажигания с транзисторным коммутатором используются датчики трех типов:

- датчик Холла (такая модификация системы называется TI-h) содержит пластинку кремния, к двум боковым граням которой приложено небольшое напряжение. Если пластинку поместить в магнитное поле, то на двух других гранях пластинки также появится напряжение В этом состоит эффект Холла.

Изменение магнитного поля вызовет изменение напряжения Холла, которое можно использовать для управления коммутатором. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, может прерываться лопастями обтюратора, вращающегося на валу распределителя зажигания. Через кремниевую пластинку пропускается ток примерно 30 мА, тогда как напряжение Холла составляет около 2 мВ, увеличиваясь с ростом температуры. Пластинка обычно составляет одно целое с интегральной схемой, осуществляющей усиление и формирование сигнала.

При открытом зазоре между постоянным магнитом и датчиком Холла пластинка выдает напряжение. Если зазор перекрывается лопастью обтюратора, магнитное поле замыкается через лопасть и не попадает на пластинку Холла. Напряжение при этом падает.

Сигнал с граней пластинки попадает в усилитель и формирователь импульсов, после чего он может управлять коммутатором (включением и выключение катушки).

- индуктивный датчик (такая модификация системы называется TI-i) - включает в себя постоянный электромагнит с обмоткой и зубчатый диск. При вращении диска магнитное поле замыкается либо через зуб, либо через впадину. Магнитный поток, проходящий через обмотку, то увеличивается, то уменьшается, в результате чего в обмотке индуцируется ЭДС переменного знака. Сигналы датчика проходят через формирователь импульсов и далее поступают в коммутатор для управления первичной обмоткой катушки зажигания. При увеличении скорости возрастет частота импульсов, а также само выходное напряжение датчика - с долей вольта до сотни вольт.

- оптический датчик (такая модификация системы называется TI-o) - представляет из себя сегментированный диск, закрепленный на валу распределителя, который перекрывает инфракрасный луч, направленный на фототранзистор. В течение промежутка времени, пока фототранзистор освещен, через первичную обмотку катушки идет ток. Когда диск перекрывает луч, датчик посылает в коммутатор импульс, который прерывает ток в катушке и таким образом генерирует искру. Существует несколько разновидностей такого рода устройств: запуск искры может происходить как при открытии так и наоборот, при закрытии светового источника. Обычно такие генераторы задают постоянный угол включенного состояния катушки, но качество зажигания от этого не страдает, поскольку на это не оказывает влияния динамика подвижного контакта и он остается всегда постоянный, независимо от скорости.

Датчик-генератор импульсов, как правило, конструктивно располагается внутри распределителя зажигания (конструкция самого распределителя от контактной системы не отличается) - поэтому узел в целом называют "датчик-распределитель".

Коммутатор управляет замыканием первичной цепи катушки зажигания на массу. При этом коммутатор не просто разрывает первичную цепь по сигналу с импульсного датчика - коммутатор должен обеспечить предварительную зарядку катушки необходимой энергией. То есть, до управляющего импульса с датчика, коммутатор должен предугадать, когда нужно замкнуть катушку на землю, для того чтобы её зарядить. Причём, он должен это сделать так, чтобы время заряда катушки было приблизительно постоянным (достигался максимум накопленной энергии, но не допускался перезаряд катушки). Для этого коммутатор вычисляет период импульсов приходящих с датчика. И в зависимости от этого периода, вычисляет время начала замыкания катушки на землю. Другими словами, чем выше обороты двигателя, тем раньше коммутатор будет начинать замыкать катушку на землю, но время замкнутого состояния будет одинаковым.

Одна из модификаций этой системы с механическим распределителем и катушкой зажигания, отдельно стоящей от распределителя и коммутатора получила устоявшееся название "бесконтактная система зажигания (БСЗ)". Общая схема бесконтактной системы зажигания:

Естественно, существует множество модификаций данной системы - с применением других типов датчиков, с применением нескольких датчиков и пр.

* микропроцессорный блок управления зажиганием (или блок управления двигателем с подсистемой управления зажиганием) - с датчиками и коммутатором. Системы зажигания, в которых применяется такой вариант управления зажиганием имеют общее название микропроцессорные системы зажигания. В этом случае блок управления получает информацию о работе двигателя (обороты, положение коленчатого вала, положение распределительного вала, нагрузка на двигатель, температура охлаждающей жидкости и пр.) от датчиков и по результатам алгоритмической обработки этих данных управляет коммутатором, который, в свою очередь, управляет накопителем энергии. Регулировка опережения зажигания реализована программно в блоке управления.

Коммутаторы в микропроцессорных системах зажигания также называются "воспламенитель" (igniter).

Электронный блок управления (ЭБУ, ECU, PCM) - именно он выполняет в системе главную роль. Его работа состоит в сборе информации от датчиков (для управления зажиганием основными датчиками являются датчик положения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик детонации, датчик угла открытия дроссельной заслонки), расчете оптимального момента зажигания и времени зарядки катушки и конкретно управление через коммутатор первичной цепью катушки. На современных автомобилях блок управления системой зажигания объединен с блоком управления впрыском топлива.

Кратко рассмотрим основные датчики микропроцессорной системы управления зажиганием:

- Датчики положения коленчатого и распределительного вала. Эти датчики необходимы ЭБУ для определения текущих оборотов двигателя, а также текущего положения распределительного вала (для идентификации цилиндра, который находится в такте сжатия). В разных модификациях электронных систем управления используется разный набор датчиков для решения этих задач. При этом также используются датчики разных типов - но наиболее часто индуктивные датчики и датчики Холла.

- Датчик детонации - устанавливается на блоке двигателя. Во время работы двигателя датчик генерирует сигнал с частотой и амплитудой, зависящей от частоты и амплитуды вибрации двигателя. При возникновении детонации электронный блок корректирует угол опережения зажигания.

- Датчик угла открытия дроссельной заслонки - определяет нагрузку на двигатель.

Размещено на Allbest.ru