Назначение системы зажигания двигателя внутреннего сгорания (двухтактного или четырехтактного) — инициирование сгорания горючей (топливной) смеси в цилиндре двигателя с искровым зажиганием в тот момент цикла его работы, в котором достигается высокая эффективность работы и низкий уровень выбросов отработавших газов. Если двигатель многоцилиндровый, существует последовательность зажигания, которая определяет порядок работы цилиндров двигателя. Например, 1-3-4-2 – это обычный порядок чередования тактов для четырехцилиндровых двигателей.
Двигатель с искровым зажиганием отличается от дизельного двигателя тем, что в дизеле газ в цилиндре воспламеняется путем нагрева чистого воздуха за счет сжатия и впрыска топлива в оптимальное время, а затем самовоспламеняется. Однако при холодном дизельном двигателе способствовать зажиганию может свеча накаливания (по конструкции и принципу действия отличная от свечи зажигания).
Современная система зажигания
Современная система зажигания состоит из:
- свечей, по числу цилиндров двигателя;
- катушки зажигания, общей или по числу свечей;
- прерывателя-распределителя зажигания (трамблер), полупроводникового коммутатора или электронного блока управления;
- источника питания (аккумуляторной батареи);
- ключа зажигания;
- высоковольтных проводов.
Свечи зажигания
Свечи зажигания, установленные в головке блока цилиндров, служат для воспламенения подготовленной горючей смеси. Свеча зажигания снабжена двумя электродами. При подаче на электроды высокого напряжения (20-30 тысяч вольт) газ между ними ионизируется, проходящий электрический ток приводит к образованию электрической искры, и топливная смесь воспламеняется.
Обычно на каждый цилиндр приходится только одна свеча зажигания, но возможно наличие двух поджигающих электродов для повышения надежности работы двигателей, и для запуска нескольких фронтов пламени, чтобы сгорание во всем цилиндре происходило быстрее и равномернее, например, в ДВС гоночных автомобилей.
Катушка зажигания
Для подачи высокого напряжения, необходимого для ионизации газа между электродами свечей, используется катушка зажигания, представляющая собой особый тип трансформатора с двумя обмотками, первичной низковольтной и вторичной высоковольтной. Обычно катушка зажигания одна на двигатель, общая для всех цилиндров, но иногда катушкой зажигания снабжается каждый цилиндр (каждая свеча). Чтобы исключить необходимость в высоковольтном проводе, катушка зажигания в этих случаях устанавливается прямо поверх свечи зажигания.
Общая катушка зажигания приводит к снижению веса двигателя, но в этом случае необходимо использовать распределитель зажигания (трамблер), распределяющий высокое напряжение от катушки зажигания к нужной свече (согласно порядку работы ДВС) посредством вращающегося бегунка. Для быстрой подачи импульса на катушку зажигания, к ее первичной обмотке добавляется конденсатор, подобное зажигание называется конденсаторным. Конденсаторное зажигание часто используется в высокоскоростных двухтактных двигателях, например, для бензопил.
Для подачи питания на первичную обмотку катушки зажигания используются два метода:
- Зажигание от магнето. На маховике коленчатого вала ДВС размещаются постоянные магниты, а на блоке двигателя располагается катушка с железным сердечником, в которой, при вращении маховика, индуцируется электрический ток. Зажигание от магнето очень простое и надежное, однако при запуске двигателя возникают некоторые трудности с выработкой необходимого напряжения, что можно компенсировать, например, посредством балластного резистора. Зажигание от магнето применяется в простых двигателях, например газонокосилок, мопедов и бензопил, но также и в авиационных двигателях, где требуется высокая надежность.
- Аккумуляторное зажигание. В качестве источника питания для катушки зажигания используется автомобильный аккумулятор (аккумуляторная батарея). Подобная система зажигания требует наличия электрогенератора для зарядки аккумулятора. Батарейное зажигание обычно используется в транспортных средствах, где энергия необходима еще и для других целей, например, в автомобилях.
- Описанная выше система зажигания, широко применявшаяся на автомобилях прежних моделей, очень надежна, и даже при разрегулировке и износе позволит двигателю работать в широком температурном диапазоне и повышенной влажности.
Прерыватель-распределитель
Точный момент зажигания определяется датчиками, формирующими импульсы низкого напряжения. В четырехтактных двигателях искра в свече должна образовываться лишь через каждые два оборота коленвала. Обычно на распределительном валу устанавливается датчик Холла, состящий из постоянного магнита и полупроводникового чипа.
Иногда вместо датчика Холла используется индукционная катушка (например, на подвесных моторах), в которых чувствительный элемент реагирует на величину зазора между датчиком и ротором, создающим действующее на датчик магнитное поле.
Применяются и оптические датчики в составе светодиода, фототранзистора и микросхемы-контроллера. Искра образуется при перекрытии светового потока от светодиода к фототранзистору (приемнику излучения).
Распределитель зажигания представляет собой крышку над бегунком распределителя. Высокое напряжение от катушки зажигания подается в центр крышки к вращающемуся бегунку, затем оно передается по 4 высоковольтным проводам (по числу цилиндров двигателя) к контактам свечей зажигания.
Скорость сгорания горючей смеси зависит, помимо прочего, от октанового числа топлива. Если сгорание происходит слишком быстро, а топливная смесь воспламеняется слишком рано, ДВС при работе «стучит», появляются вибрации, что повреждает подшипники коленчатого вала; двигатель работает неравномерно, и ухудшается его динамика.
Для расчета соответствующего момента зажигания обычно на блок цилиндров устанавливаются два датчика стука на основе пьезокерамических кристаллов, что позволяет изменить момент зажигания при изменении качества топлива.
В ДВС предусмотрена выработка сигналов отключения зажигания, возможны следующие типы сигналов:
- простое выключение двигателя ключом зажигания;
- временное снижение крутящего момента при переключении передачи в автоматической коробке передач
- сброс крутящего момента при экстренном торможении.
- в качестве альтернативы отключается впрыск топлива;
- для выключения зажигания на мотоциклах первичная обмотка катушки зажигания замыкается накоротко кнопкой «стоп».
Регулировка системы зажигания и электронные системы управления двигателем
Искрообразование в контактах прерывателя может привести к эрозии контактных поверхностей, в результате чего установка зажигания сбивается. Во избежание этого, для уменьшения искрообразования к контактам подключался конденсатор. Тем не менее, контактные поверхности иногда приходилось обрабатывать абразивом, а кулачки могли изнашиваться механически, оттого иногда приходилось проводить регулировку распределителя зажигания. Это делалось посредством стробоскопической лампы, подключаемой между «массой» и первичной обмоткой катушки зажигания. Лампа загоралась в тот момент, когда в свече зажигания возникала искра.
На шкив коленчатого вала для привода вентилятора охлаждения наносилась маркировка точного угла по отношению к верхней точке положения поршня. Посветив стробоскопом на шкив, можно было увидеть узкую линию (лампа светила в течение короткого времени, соответствовавшему одному градусу на шкиве). Далее распределитель зажигания проворачивался до совпадения с меткой, и окончательно закреплялся в этом положении.
Оптимальный момент зажигания на основе значений датчиков рассчитывается электронной схемой с программами и логикой в виде алгоритмов, параметров и таблиц, хранящихся в микросхеме памяти. Программы сертифицированы поставщиком, но иногда заменяются путем перепрограммирования (перепрошивки), что делает недействительными гарантии.
Подобная электронная система зажигания позволяет повысить мощность двигателя и крутящий момент, улучшается продувка цилиндров, улучшаются экологические показатели благодаря более полному сгоранию топлива.
Электроника системы зажигания обычно интегрирована с электроникой управления подачей топлива (а иногда и с электроникой автоматической коробки передач), и в целом называется «системой управления двигателем». Электронная программа часто включает в себя диагностику функционирования датчиков и хранит в памяти режимы работы двигателя, облегчая последующее устранение неисправностей.
Другое преимущество – электронная система зажигания совместима с газобаллонной системой питания двигателя.
История развития систем зажигания
Системы зажигания для двигателей с искровым зажиганием эволюционировали более чем за 100 лет от простых механических систем до усовершенствованных электронных, описанных выше. Самые ранние системы зажигания были снабжены кулачками на коленвале, распределительном валу или вспомогательном валу (по одному кулачку на каждый цилиндр), по которому скользил контакт прерывателя. При замкнутом контакте катушка зажигания заряжалась током, индуцированным в момент прохождения магнита на вращающемся маховике рядом с катушкой.
Когда переключатель размыкался кулачком, катушка зажигания создавала искру в свече зажигания. При использовании нескольких цилиндров использовался распределитель зажигания с вращающимся бегунком для распределения высокого напряжения на соответствующую свечу зажигания. Бегунок распределителя вращается внутри крышки распределителя, на него через центральный высоковольтный провод поступает высокое напряжение от катушки зажигания, с последующим распределением его на соответствующие свечи зажигания.
На автомобилях, где необходимо было изменять обороты двигателя во время движения, рычажок зажигания иногда устанавливался по центру рулевого колеса, чтобы водитель мог устанавливать зажигание с большим углом опережения на более высоких оборотах и с меньшим, например, при разгоне двигателя. Установление момента зажигания ранее достижения поршнем верхней мертвой точки оптимизирует работу двигателя путем более эффективного сгорания горючей смеси.
Рычажок вел к механизму, который слегка проворачивал контакт прерывателя, тем самым сдвигая момент зажигания.
Следующим шагом в развитии системы зажигания стала автоматическая регулировка зажигания в зависимости от условий работы двигателя. Во впускной коллектор была добавлена вакуумная мембрана, чтобы зажигание адаптировалось к нагрузке при падении давления, когда водитель быстро открывал дроссельную заслонку (нажимал на педаль «газа»). Также, был установлен центробежный регулятор для возможности опережения зажигания на более высоких оборотах двигателя. Центробежный регулятор содержал 2 грузика, положение которых зависело от оборотов двигателя, и которые определяли положение кулачкового механизма прерывателя для точного выставления угла опережения зажигания.
В 1970-х годах для прерывания тока была использована тиристорная электроника, что позволило избавиться от механических контактов в прерывателе. В конце 20-го века были повышены требования по очистке выхлопных газов и снижению расхода топлива, что привело к внедрению датчиков, измерявших условия работы двигателя с использованием микропроцессора для расчета оптимального угла опережения зажигания.
Для авиационных и подвесных двигателей, где важна надежность, также были внедрены датчики и электроника, но для питания электроники было сохранено магнето. Для 4-цилиндрового двигателя спортивных самолетов обычно использовались две системы зажигания с 4 проводами зажигания каждая. Два провода шли к верхним свечам зажигания и два — к нижним. Многие современные лодочные подвесные двигатели снабжены аккумулятором, но все еще могут быть запущены посредством шнура в экстренной ситуации, когда аккумулятор вышел из строя.
Перспективы на будущее
В последние десятилетия системы зажигания стали очень надежными, основная работа ведется над усовершенствованием датчиков. Также, ведутся эксперименты по замене свечей зажигания высокоэнергетическими лазерами, что еще десятилетие назад было только на стадии лабораторных исследований.
Другая идея – отказаться от стартера, впрыскивая для запуска двигателя топливо в цилиндр, при поршне в положении такта сжатия, с воспламенением топлива системой зажигания. Это позволило бы, например, заглушать двигатель автомобиля, остановившегося на красный свет, и вновь запускать его на зеленый. К настоящему времени несколько автопроизводителей уже провели испытания этого метода.
Также, ведутся исследования по объединению принципов работы бензинового и дизельного ДВС, с использованием в дизельных двигателях свечей зажигания, что предоставляет больше свободы в выборе топлива.