Как получить такое напряжение, если в аккумуляторной батарее оно всего 12 В?
Для получения тока высокого напряжения используется явление электромагнитной индукции. Если на первичную обмотку индукционной катушки, соединенной с аккумуляторной батареей, намотать вторую обмотку (рис. 120, а), называемую вторичной, и соединить с вольтметром, то при замыкании и размыкании цепи первичной обмотки силовые линии магнитного поля пересекают витки вторичной обмотки и в каждом из них индуктируется ЭДС, которая обнаруживается по показаниям вольтметра. Величина вторичного напряжения равна сумме напряжений в каждом витке, поэтому чем больше витков во вторичной обмотке, тем выше напряжение.
Рис. 120. Схема катушки зажигания
Если в первичной обмотке намотать 270—320 витков, а во вторичной — 18000—20000, то напряжение во вторичной обмотке может достигать 17000—24000 В. Этого напряжения достаточно для того, чтобы создать искру между электродами свечи в несколько десятых долей миллиметра. Описанный принцип заложен в основу прибора, получившего название катушки зажигания (рис. 120, б).
В катушке зажигания на одном сердечнике намотаны тщательно изолированные обе обмотки. Концы их выведены к зажимам. Задача катушки зажигания — преобразовывать ток низкого напряжения в импульсный ток высокого напряжения, создающего искровой ра (ряд между электродами свечей зажигания
Свеча зажигания (рис. 121) состоит из корпуса с боковым электродом и центрального электрода, изолированного от корпуса изолятором. На корпусе свечи нарезана резьба, при помощи которой ее ввертывают в головку блока цилиндров. Для уплотнения на резьбовую часть корпуса устанавливают прокладку. Вверху на центральном электроде нарезана резьба для крепления провода высокого напряжения. Если по этому проводу пустить ток высокого напряжения, то между электродами свечи создается искра.
Рис. 121. Свеча зажигания
Итак,свеч и зажигания служат для подведения импульсов высокого напряжения в камеры сгорания цилиндров двигателя, необходимые для создания электрической искры.
Свечи зажигания на двигателе работают в крайне неблагоприятных условиях. Напряжение в работающей свече достигает 25 кВ при температуре, колеблющейся от 50 до 2500°C и при все время изменяющемся давлении, доходящем до 4 МПа (40 кгс/см²).
Наиболее ответственная деталь свечи — изолятор. Он должен быть прочным, не колоться при небольших ударах и высокой температуре, не подвергаться действию высокого напряжения. Поэтому для его изготовления применяется высококачественный керамический материал с высоким содержанием окиси алюминия. Сверху изолятор покрывают глазурью.
Для нормальной работы свечи нижний, так называемый тепловой конус изолятора должен иметь температуру 500—600°C. При такой температуре масло, попадающее на изолятор, сгорает без остатка, т. е. не образуя нагара. При меньшей температуре изолятора на его поверхности образуется слой нагара, так как масло сгорает неполностью. Через нагар происходит утечка тока высокого напряжения, и свеча сначала начнет работать с перебоями, а потом может вообще отказать. Потребуется частая очистка свечи от нагара. Признак низкой температуры — черный нагар на электродах и изоляторе.
При повышении температуры изолятора или электрода более 800°C рабочая смесь, поступающая в цилиндр, при соприкосновении с ними начинает сама воспламеняться еще до подачи искры. Происходит так называемое калильное зажигание. Смесь воспламеняется раньше положенного времени. Двигатель теряет мощность, перегревается. Признаком перегрева свечи является белый цвет нижней части ее теплового конуса и оплавление глазури изолятора и даже металла центрального электрода.
Нормальная работа свечи может быть достигнута при определенной ее теплоотдаче. И для каждого двигателя должна быть своя свеча с вполне определенными характеристиками. Обычно теплоотдача свечи определяется длинной теплового конуса изолятора. Важнейшей характеристикой теплового качества свечи является условно установленное калильное число: 8, 11, 14, 17, 20, 23 или 26.
Существует закономерность: чем больше калильное число, тем меньше длина теплового конуса и больше теплоотдача и, наоборот, чем меньше калильное число, тем больше длина теплового конуса изолятора и меньше теплоотдача свечи.
Свечи с большой теплоотдачей называют холодными. Их устанавливают на быстроходных двигателях с высокой степенью сжатия. Свечи с малой теплоотдачей называют горячими. Их устанавливают на тихоходных двигателях с небольшой степенью сжатия.
Несколько слов о маркировке свечей. Установлен определенный порядок букв и цифр. Первая буква обозначает резьбу ввертной части свечи. Обычно используются две резьбы: буквой А обозначается резьба М14Х1,25, буквой Б — М18Х1,5.
Второй стоит цифра, обозначающая калильное число, третьей — буква, обозначающая длину ввертной части: буква Н означает длину 11 мм, буква Д — 19 мм и без буквы — 12 мм. Далее стоит буква В, обозначающая, что тепловой конус выступает за торец корпуса и, наконец, если соединение изолятора и центрального электрода герметизировано термоцементом, ставится буква Т. Кроме того, в маркировке свечи может быть указано ее исполнение (Э — экспортное, Т — тропическое, У и ХЛ соответственно для умеренного и холодного климата).
Например, свеча А17ДВ, устанавливаемая на автомобилях «Москвич» и «Жигули», имеет резьбу М14Х 1,25, калильное число 17, длину ввертной части 19 мм, тепловой конус изолятора выступает за торец корпуса.
Для получения такого высокого напряжения необходимо разомкнуть цепь низкого напряжения.
Рассмотрим схему системы зажигания (рис. 122). Опа включает две цепи; в цепь высокого напряжения входят четыре свечи, катушка и распределитель зажигания; в цепь низкого напряжения — катушка зажигания, прерыватель с конденсатором, выключатель зажигания и источники тока (аккумуляторная батарея и генератор).
Рис. 122. Система зажигания
В цепь низкого напряжения включен прибор, называемый прерывателем. В корпусе прерывателя расположен диск, на котором жестко на стойке закреплен неподвижный контакт, соединенный с корпусом автомобиля, а на оси установлен подвижный рычажок с контактом и плоской пружиной, удерживающей контакты в замкнутом состоянии. Подвижный контакт изолирован от корпуса и соединен с первичной обмоткой катушки зажигания. Другой конец первичной обмотки соединен через выключатель зажигания с аккумуляторной батареей. Подвижный рычажок с контактом опирается пятой на кулачок, установленный на вращающемся валике. Число выступов кулачка равно числу цилиндров двигателя. При набегании выступа на подвижный рычажок контакты размыкаются и во вторичной обмотке индуктируется ток высокого напряжения.
Вспомним, что за два оборота коленчатого вала в каждом цилиндре двигателя происходит один рабочий ход, а в четырех цилиндрах они чередуются через пол-оборота коленчатого вала. Поэтому, если валик прерывателя будет вращаться с частотой в два раза меньшей, чем частота коленчатого вала, то на валике должно быть число кулачков, равное числу цилиндров двигателя. Обычно валик приводится но вращение при помощи шестеренчатой передачи от распределительного вала двигателя.
Итак, мы ознакомились с принципом возникновения электрической искры между электродами свечи. Для работы двигателя необходимо создать искру в том цилиндре, в котором она нужна в данный момент, т. е. полученный в катушке зажигания ток высокого напряжения следует направить в цилиндры двигателя согласно порядку их работы. Об этом мы говорили при рассмотрении устройства газораспределительного механизма.
Как же сделать, чтобы искра попадала в цилиндр двигателя в нужный момент?
В систему зажигания введен прибор — распределитель, в котором ток высокого напряжения, полученный в катушке зажигания, подводится к вращающемуся ротору. Через каждую четверть оборота электрод ротора подходит к одному из четырех (если двигатель четырехцилиндровый) неподвижных электродов. Как только электрод ротора совпадает с электродом крышки распределителя, ток высокого напряжения проходит по ним, а затем по проводу поступает к свече цилиндра двигателя.
Непременным условием нормальной работы системы зажигания является синхронность моментов размыкания контактов прерывателя и совпадения электродов распределителя. Поэтому прерыватель и распределитель объединяют в один прибор, который называется прерыватель-распределитель. Этот прибор имеет один корпус. Ротор распределителя устанавливают на валик прерывателя. Главное условие — за один оборот валика распределителя искра должна создаваться по одному разу в свечах двигателя.
Таким образом, валик распределителя должен вращаться вдвое медленнее коленчатого вала, т. е. как распределительный вал. Именно поэтому чаще всего валик распределителя приводится в действие от распределительного вала парой шестерен с одинаковым числом зубьев.
В момент размыкания цепи низкого напряжения между контактами прерывателя индуктируется ЭДС самоиндукции, достигающая 200 300 В. Под действием ЭДС между контактами может возникнуть ток, проявляющийся в виде дугового разряда (контакты искрят). При этом сильно разрушаются рабочие поверхности контактов. Если коленчатый вал двигателя вращается с частотой 4000 мин-1 (4000 об/мин), то контакты прерывателя размыкаются 8000 раз в минуту. При таком интенсивном искрении контакты быстро обгорают и их придется очень часто менять.
Но это — не самая главная неприятность. Искра замедляет прерывание тока в первичной обмотке катушки зажигания. Из-за удлинения времени размыкания замедлится исчезновение магнитных линий, что уменьшит скорость пересечения витков вторичной обмотки и в них будет индуктироваться меньшее напряжение. Это недопустимо, так как между электродами может не возникнуть электрическая искра.
Кроме того, магнитные силовые линии, пересекая витки первичной обмотки, индуктируют в ней ЭДС самоиндукции. Она достигает величины 200—300 В, способствуя увеличению искрения между контактами. Поэтому для уменьшения такого искрения параллельно контактам включают конденсатор, который представляет собой две пластины-обкладки, между которыми расположен изолятор.
Если конденсатор подключить к источнику тока (рис. 123, а), то произойдет заряд его. Под действием ЭДС источника обкладка, соединенная с его минусовым выводом, будет заряжаться и в нее перейдут дополнительные электроны с минусового полюса источника. На другой обкладке часть свободных электронов сместится к плюсовому выводу источника.
Рис. 123. Схема включения конденсатора
Таким образом, между обкладками появляется напряжение, равное напряжению источника тока. Если конденсатор отключить от источника тока, то он остается заряженным, пока его обкладки не будут замкнуты. В конденсаторе запасена энергия. Она повышается с увеличением напряжения источника тока, площади обкладок конденсатора и уменьшением расстояния между обкладками.
Для увеличения площади обкладок и уменьшения размеров конденсатора обкладки изготавливают из фольги и скатывают их в рулон (рис. 123, б).
Как же работает прерыватель вместе с конденсатором?
Конденсатор подключают параллельно контактам прерывателя (рис. 126, в). Во время работы, как только контакты прерывателя начнут расходиться (размыкаться), в первичной обмотке катушки зажигания наводится ЭДС самоиндукции, однако искрения не наблюдается, так как в это время цепь замкнута на конденсаторе и происходит его зарядка. Как только конденсатор заряди гея, ток в цепи исчезнет, однако искрения между контактами не будет, так как они уже разошлись на значительное расстояние и напряжение тока самоиндукции не в состоянии дать искру.
Как согласуется момент создания искры в свече с ходом поршня в цилиндре?
Рабочую смесь нужно поджечь с таким расчетом, чтобы к моменту перехода поршнем верхней мертвой точки давление газов было наибольшее. В таком случае сильно нагретые газы занимают небольшой объем, следовательно, они мало тепла отдают стенкам цилиндра, а двигатель развивает максимальную мощность.
Существует закономерность: чем больше частота вращения коленчатого вала, тем меньше времени длится рабочий ход, тем раньше необходимо создать искру между электродами свечи.
Внимательно посмотрите на контакты прерывателя и кулачок (рис. 124). Кулачок стоит неподвижно (стрелкой указано направление его вращения). Корпус же можем повернуть на некоторый угол влево или вправо. В положении а кулачок размыкает контакты, между электродами свечи возникает искра. Повернем корпус по часовой стрелке (в направлении вращения кулачка) — положение б. Теперь до момента размыкания контактов кулачок должен повернуться на некоторый угол, т. е. искра появится позже.
Рис. 124. Схема опережения и запаздывания зажигания
Если корпус прерывателя повернуть против часовой стрелки (положение в), то кулачок пройдет момент размыкания контактов, т. е. искра в свече появилась раньше, чем в положении а. В соответствии с этим зажигание бывает нормальное, раннее и позднее.
Видимо, для регулирования момента зажигания корпус должен поворачиваться автоматически, а не от руки. Обычно в прерыватель-распределитель вводится три приспособления: октан-корректор, центробежный регулятор и вакуумный регулятор опережения зажигания. В первом из них угол опережения зажигания регулируется от руки, а в остальных — автоматически.
Октан-корректор используется для установки угла опережения зажигания после ремонта двигателя или регулировки зазора между контактами прерывателя, а также при перемене сорта топлива (с другим октановым числом). Октан-корректор состоит из двух пластин (рис. 125), соединенных между собой тягой с гайками. Одна пластина закреплена на блоке цилиндров, другая — на корпусе прерывателя-распределителя. При вращении гаек тяга удлиняется или укорачивается, поворачивая верхнюю пластину вместе с прерывателем-распределителем относительно нижней пластины. Угол поворота контролируется по шкале.
Рис. 125. Октан-корректор
С увеличением частоты вращения коленчатого вала уменьшается время рабочего хода и поэтому необходимо, как мы убедились, увеличивать угол опережения зажигания. Именно для этой цели предназначен центробежный регулятор опережения зажигания (рис. 126). На валике прерывателя закреплена пластина с осями. На осях установлены грузики, стянутые пружинами., Штифты грузиков входят в пазы пластины кулачка. При значительном увеличении частоты вращения валика грузики под действием центробежных сил расходятся и поворачивают на некоторый угол кулачки прерывателя в сторону вращения валика: контакты будут размыкаться раньше, происходит опережение зажигания.
Рис. 126. Центробежный регулятор опережения зажигания
Какая необходимость в вакуумном опережении зажигания?
Если октан-корректором регулируют угол опережения зажигания в зависимости от сорта топлива (чтобы не было детонации), центробежный регулятор— в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, то вакуумный регулятор — в зависимости от нагрузки двигателя, т. е. от величины разрежения во впускном трубопроводе двигателя.
Как же происходит такое регулирование?
Раньше мы рассматривали крепление неподвижного контакта относительно корпуса прерывателя жестким На самом деле все детали закреплены на подвижной пластине, которая может поворачиваться относительно корпуса прерывателя на некоторый угол. На корпусе прерывателя закреплен вакуумный регулятор опережения зажигания. Он состоит из корпуса и крышки, между которыми зажата диафрагма (рис. 127), соединенная при помощи тяги с подвижной пластиной. С другой стороны диафрагмы установлена пружина, которая толкает диафрагму, а вместе с ней и тягу в левое положение. Тяга поворачивает пластину по часовой стрелке.
Рис. 127. Вакуумный регулятор опережения зажигания
Пространство с одной стороны диафрагмы находится под атмосферным давлением, с другой при помощи трубопровода соединено со смесительной камерой карбюратора за дросселем. Если нагрузка двигателя небольшая, дроссельная заслонка прикрыта, разрежение в смесительной камере, а следовательно, и в вакуумной камере регулятора значительное. Под атмосферным давлением диафрагма перемешается вправо, тянет за собой тягу и поворачивает против часовой стрелки пластину с неподвижным контактом, увеличивая угол опережения зажигания.
Если нагрузка возрастает, дроссельная заслонка открывается, разрежение в смесительной камере карбюратора за заслонкой уменьшается, диафрагма под действием пружины перемещается влево, уменьшая угол опережения зажигания.
Во время пуска двигателя стартером потребляется ток силой до 500—600 А. В холодное время года напряжение 12-вольтной аккумуляторной батареи в момент пуска иногда падает до 8 В. Естественно, это значительно снижает вторичное напряжение, получаемое в системе зажигания. что ухудшает и без того тяжелые условия при пуске двигателя в холодное время года. Поэтому вторичное напряжение стараются повысить.
Если последовательно с первичной обмоткой катушки зажигания включить добавочный резистор (рис. 128), т. е. прибор, увеличивающий сопротивление цепи, то он будет снижать силу тока в первичной обмотке катушки зажигания, что вызовет уменьшение напряжения во вторичной цепи. Именно на это рабочее напряжение рассчитывается катушка зажигания. Если теперь параллельно резистору подключить контакты и замыкать их при помощи контактного диска тягового реле стартера в момент пуска двигателя, то резистор будет закорачиваться и в цепи первичной обмотки увеличится сила тока, т. е. компенсируется падение напряжения при пуске двигателя из-за значительного потребления тока стартером.
Рис. 128. Схема включения добавочного резистора
Для чего предназначен выключатель зажигания?
Название выключателя говорит само за себя: он размыкает цепь низкого напряжения при неработающем двигателе и замыкает при его пуске. Более того, он предназначен для включения контрольно-измерительных приборов, стартера и радиоприемника. А главное: замкнуть цепь низкого напряжения может только человек, имеющий ключ от специального замка, соединенного с выключи гелем.
Во время работы системы зажигания происходит очень много замыканий и размыканий цепи, искровых разрядов и т. д. Каждый из них является причиной возникновения высокочастотных электромагнитных волн, вызывающих сильные помехи в теле- и радиоприемниках. Для гашения помех в системе зажигания используются различные приспособления: подавительные резисторы, блокирующие конденсаторы, экранирующие оплетки и др.
В заключение следует отметить, что рассмотренная система зажигания не лишена недостатков: при большой частоте вращения коленчатого вала недостаточная величина напряжения вторичной цепи, необходимость частой зачистки и даже замены контактов, корректировки угла замкнутого состояния контактов прерывателя. Поэтому и последнее время появилось несколько принципиально новых схем систем зажигания, например, контактно-транзисторная, транзисторная бесконтактная, тиристорная и др.
В последние годы чаще всего применяют транзисторные системы зажигания. Что это? Дань моде или острая необходимость?
Рассмотренная классическая система зажигания обладает некоторыми серьезными недостатками, связанными с невозможностью увеличения высокого напряжения на всех режимах работы современных быстроходных двигателей и поддержания высокой надежности и долговечности контактен! прерывателя.
Главная причина этих недостатков заключается в большой силе электрического тока, проходящего через контакты прерывателя. Несмотря на установку конденсатора между контактами, все-таки создается искрение и через определенное время рабочая поверхность контактов окисляется, изнашивается, что увеличивает сопротивление в первичной цепи. Отсюда напрашивается предположение, что уменьшение силы тока низкого напряжения позволит устранить эти недостатки.
Однако уменьшить силу тока в первичной цепи зажигания можно, но до установленного предела, в противном случае это отразится на величине высокого напряжения во вторичной обмотке и, следовательно, на качестве искры. Используя полупроводниковый прибор-транзистор, можно при помощи небольшой силы тока управлять в рабочей цепи током значительной силы. Поясним это на примере течения жидкости по трубе (рис. 129, а). На пути большого потока жидкости поставлен клапан, открывающийся при набегании вращающегося кулачка на стержень клапана. Сопротивление жидкости открытию клапана весьма ощутимо. Поэтому для того, чтобы открыть клапан, необходимо затратить значительное усилие. Все это вызывает быстрый износ стержня клапана. На рис. 129, б показан другой узел, в котором при набегании кулачка на стержень открывается управляющий клапан, жидкость по дополнительному каналу поступает в цилиндр и давит на поршень. Поршень, перемещаясь вверх, открывает заслонку, пропуская жидкость. Таким образом, применяя небольшое усилие, можно управлять значительными потоками жидкости.
Рис. 129. Гидравлическая модель транзистора
Роль указанного механизма в системе зажигания может выполнять транзистор. Транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор (рис. 130). Средний его электрод выполнен из кристалла полупроводника (кремния, германия) и называется базой. На две стороны кристалла наплавлены слои (электроды) с хорошей электропроводностью (индий и др.). Один из электродов называют эмиттером, другой — коллектором. Последний соединен с корпусом транзистора, а выводные проводники от эмиттера и коллектора изолированы от корпуса.
Рис. 130. Транзистор
В местах контакта эмиттера и коллектора с базой образуются два перехода (запирающие слои). При разомкнутом выключателе (рис. 130, б) транзистор закрыт: сопротивление обоих переходов равно нескольким тысячам Ом и поэтому через транзистор ток не проходит.
Чтобы открыть транзистор, необходимо значительно уменьшить сопротивление переходов. Для этого выключателем включают пень базы транзистора, которая является цепью управления. Тогда под действием ЭДС от минусового зажима источника в базу транзистора переместится большое количество свободных электронов. Сопротивление переходов понизится в несколько тысяч раз. В цепи базы будет проходить ток небольшой силы, равный десятым долям ампера (путь тока базы показан пунктирными красными стрелками). Для ограничения силы тока управления в цепь включен дополнительный резистор R6. При прохождении тока базы сопротивление обоих переходов транзистора резко уменьшается (до десятых долей Ома), и в цепи потребителя через транзистор будет проходить ток значительной силы (путь тока показан красными стрелками).
Таким образом, при помощи транзистора обеспечивается включение и выключение электрической цепи или ее какого-то участка в определенные моменты работы того или иного прибора.
Если транзистор включить последовательно в цепь первичной обмотки катушки зажигания (рис. 131, а), а к базе Б присоединить резистор и прерыватель зажигания, то можно считать, что принципиальная схема контактно транзисторной системы зажигания готова. Как видно из схемы, эмиттер подключают к плюсовому зажиму аккумуляторной батареи, а базу — через резистор и прерыватель к минусовому. Резистор вводят для ограничения силы тока в цепи базы, т. е. в цепи управления.
Рис. 131. Схема работы транзисторной системы зажигания
При замыкании цепи контактами прерывателя к переходу эмиттер-база приложено напряжение в прямом направлении и по цепи течет ток. Этот ток оказывает существенное влияние на сопротивление между эмиттером и коллектором. Прохождение тока в цепи вызывает резкое снижение сопротивления транзистора (в несколько тысяч раз) и соответствует нескольким десятым долям Ома (транзистор открывается), и через первичную обмотку проходит ток большой силы (часть тока идет через цепь базы).
Таким образом, открытый транзистор обеспечивает прохождение тока низкого напряжения от батареи к катушке зажигания Говорят, что транзистор открыт.
Как только контакты прерывателя при повороте кулачка размыкаются, в цепи базы ток не идет, сопротивление между эмиттером и коллектором резко возрастает и достигает величины нескольких тысяч Ом. Транзистор переходит в закрытое состояние, и электрический ток в первичной обмотке катушки зажигания практически-не поступает.
Таким образом, прерывая небольшую силу тока в цепи базы, можно управлять большим по величине током катушки зажигания, т. е. мы получили схему управления, аналогичную рассмотренной схеме управления движением жидкости.
В контактно-транзисторную систему зажигания вводят также дополнительные приборы, обеспечивающие надежность и долговечность ее работы.