Подаваемая в цилиндры двигателя горючая смесь воспламеняется искрой, проскакивающей в нужный момент между электродами свечи. Столь мощный искровой разряд создается электрическим импульсом высокого напряжения. Чтобы понять, как это реализовано в автомобиле, стоит изучить конструкцию и принцип работы катушки зажигания, играющей в данном процессе главную роль.
Зачем нужна катушка?
Для своевременного и полного сжигания топливовоздушной смеси в цилиндре необходимо выдержать ряд условий:
- мощность электрического разряда порядка 20 тыс. вольт;
- подача импульса на свечу при достижении поршнем верхней точки с опережением 5° оборота коленчатого вала;
- зазор между электродами – 0,8–1,0 мм.
За выполнение первого условия отвечает именно высоковольтная катушка. Общеизвестно, что напряжение бортовой сети транспортных средств составляет 12 В, на некоторых грузовиках (например, КаМАЗ) – 24 В. Подобные характеристики не подходят для уверенного искрообразования.
Чтобы создать мощную искру, пробивающую воздушную прослойку шириной 1 мм, низкое напряжение необходимо преобразовать и создать более высокий потенциал – около 20 кВ. Для этого служит высоковольтная катушка зажигания, которая работает в составе системы следующим образом:
- Когда поршень в одном из цилиндров приближается к верхней мертвой точке (ВМТ), завершается такт сжатия.
- Электронный блок управления, получающий информацию от датчика положения коленчатого вала, дает команду на искрообразование, отправляя сигнал размыкающему реле.
- В режиме ожидания катушка постоянно находится под напряжением бортовой сети – 12 В. Реле по команде контроллера размыкает данную цепь и питание обмотки прекращается.
- В момент разрыва элемент вырабатывает высоковольтный импульс, отправляемый по изолированным проводам к электродам соответствующей свечи.
Справка. Описанный алгоритм применяется на автомобилях с прошлого века. Тогда разрыв цепи питания обеспечивал кулачковый вал распределителя зажигания, размыкающий контакты механическим способом.
Отсюда становится понятно назначение катушки зажигания – образование кратковременного высоковольтного импульса, пользуясь низким напряжением от аккумуляторной батареи. Как это происходит внутри элемента, читайте в следующем разделе.
Конструкция и принцип действия
Устройство рассматриваемого элемента системы зажигания выглядит так:
- металлический сердечник подключен к основному контакту, соединяемому с центральным электродом свечи зажигания посредством высоковольтного провода;
- вокруг сердечника выполнена вторичная обмотка, состоящая из большого числа витков тонкого медного проводника с изоляцией;
- поверх вторичной обмотки предусмотрен слой диэлектрика и небольшое количество витков толстой медной проволоки – первичная обмотка;
- сердечник с обмотками помещен внутрь герметичного пластикового корпуса, наполненного трансформаторным маслом;
- обмотки подключены по последовательной схеме, 2 соединенных конца выведены на одну внешнюю клемму, два других – на отдельные контакты.
Примечание. Характеристики обмоток – толщина провода и количество витков отличаются в зависимости от марки и модели авто. Число витков первичной обмотки редко превышает 150, вторичной – 30 тыс.
К центральной клемме катушки присоединен высоковольтный провод, идущий к распределителю зажигания либо прямо на свечу. Оставшиеся контакты подключаются к минусовой клемме аккумулятора (массе) и плюсовому проводу цепи низкого напряжения.
Принцип действия повышающей катушки основан на эффекте электромагнитной индукции – создании постоянного поля вокруг сердечника. Как искрообразование реализовано на практике:
- К первичной обмотке после включения зажигания подводится напряжение 12 В от аккумулятора. Возникает электромагнитное поле, усиливаемое железным сердечником.
- Когда стартер проворачивает коленчатый вал и какой-либо поршень доходит до ВМТ, электроника посредством реле разрывает низковольтную цепь питания.
- Разрыв цепи провоцирует образование кратковременного импульса внутри второй многовитковой обмотки. В этот момент напряжение на катушке зажигания достигает 20 тыс. вольт и более.
- Ток передается на свечу, проскакивает искровой разряд и топливная смесь поджигается. Двигатель заводится.
После запуска двигателя первая обмотка питается от генератора, а вторичная непрерывно вырабатывает новые импульсы, поочередно направляемые распределителем к свечам всех цилиндров.
Виды высоковольтных элементов
Выше представлено описание простой конструкции повышающего напряжение трансформатора, обеспечивающего разрядами все цилиндры двигателя. Куда направить каждую последующую искру, определяет трамблер, он же – главный распределитель зажигания.
В современных моторах, управляемых электроникой, трамблеры не ставятся и применяются другие разновидности катушек:
- с двумя контактами высокого напряжения;
- индивидуальные.
Первый тип внешне напоминает обычный трансформатор со стальным сердечником, собранном из Ш-образных пластин. Функциональное отличие – подача импульса одновременно на 2 клеммы, подключенные к свечам двух цилиндров. Поскольку такты сжатия в них происходят в разные моменты, устройство создает искру на электродах обеих свечей. В одной камере происходит воспламенение, в другой разряд проскакивает вхолостую.
На четырехцилиндровый силовой агрегат ставится 2 двухвыводных трансформатора, образующих так называемый модуль зажигания. На многих марках автомобилей он представляет собой единую деталь, куда подключены все провода низкого и высокого напряжения.
Справка. Существует и другая схема подключения – на каждую свечу отдельный двухвыводной трансформатор, присоединенный одним изолированным проводом.
Устройство катушки зажигания индивидуального типа в корне отличается от предыдущих конструкций:
- первичная и вторичная обмотка поменялись местами – вторая находится сверху;
- габариты устройства существенно уменьшились;
- мини-катушка устанавливается прямо на центральный контакт свечи;
- высоковольтные провода отсутствуют.
Количество индивидуальных трансформаторов зависит от числа цилиндров силового агрегата – на каждую свечу ставится отдельная катушка. Преимущество данного устройства – отсутствие потерь и пробоев на участке от источника импульсов до свечных электродов, то бишь, – на бронепроводе. Второе достоинство – снижение стоимости ремонта: заменить один малый трансформатор дешевле и проще, чем весь модуль зажигания.
Принцип работы индивидуальных элементов остается неизменным – разрыв низковольтной цепи создает в многовитковой обмотке скачок напряжения, сразу передаваемый на электроды свечи зажигания. Для защиты от перегрузок в цепь включен полупроводниковый диод.
О неисправностях и способах устранения
Модули зажигания можно смело отнести к деталям длительного использования. При правильной эксплуатации минимальный ресурс элемента составляет 100 тыс. км пробега машины. Нередко повышающий трансформатор работает в течение всего срока службы транспортного средства.
В процессе эксплуатации катушки необходимо помнить о следующих моментах:
- Причиной преждевременной поломки элемента часто становится длительный перегрев.
- С годами свойства изоляционных материалов внутри обмоток ухудшаются. Повышается вероятность межвиткового замыкания, ведущего к перегреву и перегоранию проводников.
- В силу особенностей конструкции высоковольтная катушка не подлежит ремонту и восстановлению. Некоторые модели можно разобрать и попытаться устранить обрыв или замыкание, но практика показывает, что надежнее и дешевле поставить новую запчасть.
- Для нормальной работы элемента и стабильного искрообразования нужно обеспечить минимальное напряжение бортовой сети 11,5 вольт. Если из-за неисправности генератора либо разрядки аккумуляторной батареи вольтаж не достигает нормы, износ трансформатора ускоряется.
- По той же причине уменьшается мощность искрового разряда на электродах свечей, рабочая смесь воспламеняется и сгорает хуже.
- Пробой изоляции или обрыв высоковольтных проводов, вызывающий искрение на кузов машины, сокращает срок службы катушки. Если игнорировать неполадку в течение длительного времени, она придет в негодность.
- Мини-катушки индивидуального типа иногда выходят из строя из-за вибрации силового агрегата. Причина – внутренний обрыв проводников.
За модулем зажигания необходимо следить, чтобы из-за неисправностей двигателя на корпус устройства не попадало горячее масло либо охлаждающая жидкость. Не держите долго включенное зажигание – при этом греется обмотка катушки и разряжается аккумулятор.
ДВЕ СИНХРОННЫЕ ИСКРЫ
ДВЕ СИНХРОННЫЕ ИСКРЫ
На многих современных автомобилях, оснащенных системой впрыска топлива (а таких в мире — большинство), применяется система зажигания с низковольтным распределением энергии. Часто неисправности в ней связаны с катушками зажигания нетрадиционной конструкции. О них рассказывает Антон УТКИН.
Неискушенный в технике автолюбитель, возможно, считает систему зажигания без обычного распределителя недавним достижением электроники. Между тем еще в 1961 году на ирбитском мотоцикле М-62 с двухцилиндровым оппозитным двигателем впервые появилась двухискровая (тогда еще шестивольтовая) катушка Б-201 (фото 1). В отличие от известных ранее, у нее было два высоковольтных вывода — от первого и последнего витков вторичной обмотки, которую полностью изолировали от «массы» (рис. 1). Такое передовое решение стало возможным благодаря четырехтактному циклу двигателя и чередованию вспышек в цилиндрах через каждый полный оборот коленвала. Высоковольтная цепь проходила через «массу» и искровые промежутки обеих свечей, каждая из которых либо поджигала топливную смесь в конце такта сжатия, либо проскакивала вхолостую в конце такта выпуска.
Но о применении двухискровых катушек на четырехцилиндровых моторах тогда речи не шло — электронное распределение низкого напряжения по двум каналам в ту пору еще не появилось. Впрочем, идея обойтись без «бегунка» уже будоражила умы. На фото 2 — один из вариантов самодельного двухканального трамблера для «Москвича», рассчитанного на работу с двумя двухискровыми или четырьмя обычными, но шестивольтовыми «бобинами». Его два прерывателя, расположенные под углом 90°, и кулачок с двумя гранями вместо четырех обеспечивали одновременное искрообразование на свечах каждой пары цилиндров дважды за один оборот коленвала.
Серийное применение на отечественных автомобилях двухискровая схема нашла в 1986 году на модели VAZ 21083–02 с микропроцессорным зажиганием. Специально для нее НИИАвтоприборов (ныне «Автоэлектроника») совместно с московским заводом АТЭ-2 разработал сухую, запрессованную в полипропилен двухискровую катушку высокой энергии с индексом 29.3705. Система включала две такие катушки, каждая из которых обслуживала свою пару цилиндров, а энергия между ними распределялась статически — с помощью контроллера и двухканального коммутатора. В сочетании с карбюратором эта система не давала особых преимуществ перед обычным трамблером, уступая последнему в простоте, надежности и цене, поэтому в 1990 году производство VAZ 21083–02 прекратили. Но годом раньше начался серийный выпуск «Оки», для двухцилиндрового мотора которой как раз и подошла двухискровая катушка 29.3705 в комплекте с обычным коммутатором и датчиком Холла.
К тому времени все недостатки этой катушки и причины ее частых отказов уже были хорошо известны конструкторам. Поэтому в 1992 году на конвейере АТЭ-2 появилась новая катушка 3009.3705, сделанная по лицензии французской фирмы «Дюселье» (ныне «Валео»). Ее важнейшее отличие от предшественницы — замкнутый магнитопровод, позволивший резко сократить магнитный поток рассеяния, повысить КПД и более чем вдвое уменьшить число витков обмоток, а значит, существенно сократить расход обмоточной меди. Многослойный каркас и новый материал изоляции уменьшили вероятность внутренних пробоев, характерных для катушки 29.3705. Последний вариант двухискровой катушки от АТЭ-2 — модель 3012.3705, освоенная в 1994 году. При сохранении энергетических параметров и надежности 3009.3705 она заметно меньше и легче. Именно 3012.3705 устанавливают на «Оку», а также на автомобили ГАЗ с двигателем ЗМЗ-406 (по две штуки). Ее копию малыми сериями делает уфимское ОНПП «Молния» для модификации «Москвича-2141» с микропроцессорным зажиганием. От московской она отличается нестандартной маркировкой (8Г4768049), материалом корпуса и цветом (он коричневый, а не серый, как у АТЭ-2).
А наиболее интегрированный (многофункциональный) прибор системы зажигания — это четырехискровой высоковольтный модуль 42.3705, выпускаемый на заводе АТЭ-2 для «самар» с впрыском топлива. Он включает в себя две двухискровые катушки и силовую часть двухканального коммутатора, залитые в единый компактный блок. Такое решение представляется оправданным лишь при достаточной надежности каждого элемента изделия, иначе при отказе одного из них придется менять весь дорогостоящий модуль. Видимо, это одна из причин, по которой большинство фирм в мире пока предпочитают раздельные приборы системы зажигания.
Условия искрообразования в системах с двухвыводными катушками почти не отличаются от тех, где есть распределитель, несмотря на наличие второго искрового промежутка. Дело в том, что падение напряжения в цепи вторичной обмотки распределяется по свечам неравномерно. В том цилиндре, где искра пробивает сжатую топливно-воздушную смесь, напряжение пробоя достигает 10 кВ, а в том, где она является «паразитной», то есть срабатывает вхолостую в конце такта выпуска, вполне достаточно 1–2 кВ. То есть потери составляют около 15% — не больше, чем в обычной системе, где «паразитная» искра проскакивает между «бегунком» и контактом крышки трамблера.
Практически единственная причина выхода из строя двухискровых катушек — внутренний пробой. Его симптомы порой ставят в тупик даже сведущего в электротехнике автолюбителя. Вот вам вопрос: может ли быть так, что на одной свече, подключенной к выводу двухискровой катушки, искра есть, а на другой, подключенной к другому выводу этой же катушки, — нет? На первый взгляд, при исправных свечах и высоковольтных проводах такого быть не может. Ведь в цепи последовательно соединенных потребителей работает либо все, либо ничего. Но не спешите с выводами! Про подобные чудеса мы слыхали от владельцев «Оки», рассказывавших, как мотор упорно «троил» (то бишь «единил»), несмотря на многократную замену свечи, а помогала лишь замена катушки зажигания. И вот наконец-то такая пробитая «бобина» попала к нам в руки.
Катушку 8Г4768049 принес в редакцию читатель — владелец «Москвича» с микропроцессорным зажиганием. Двигатель «троил», а при проверке «на искру» любая свеча, подключенная к выводу одной из катушек для второго цилиндра, упорно не желала работать. Но при этом свеча третьего цилиндра, подключенная к ней последовательно, прекрасно искрила! Заменили катушку — мотор «запел всеми четырьмя».
Для проверки катушки мы собрали схему с блоком аварийного зажигания климовского завода, который представляет собой транзисторный вибратор, размыкающий цепь первичной обмотки катушки с частотой 150 раз в секунду (рис. 2). Подключенные к высоковольтным выводам свечи положили на медную пластину, соединенную проводом с «минусом» аккумулятора, то есть получили полную имитацию штатной схемы автомобиля. Включив питание, услышали треск непрерывного искрового разряда, но работала только одна свеча (фото 4). Поменяли свечи местами — так и есть, они тут ни при чем: не работает один из выводов катушки. Но должен же ток, выйдя с одного конца вторичной обмотки и пройдя через искровой промежуток одной свечи, как-то попасть на другой конец обмотки?! Путь ему остается только один — «масса» — «минусовый» провод — аккумуляторная батарея — замок зажигания — первичная обмотка катушки. То есть ему главное попасть поближе к виткам вторичной обмотки, а там, глядишь, где-нибудь да пробьется к цели. А раз так, попробуем отключить «минусовый» провод от медной пластинки. Как и следовало ожидать, обе свечи заработали синхронно (фото 5).
Отсюда вывод — в катушке пробита межобмоточная изоляция, то есть для высокого напряжения обе обмотки теперь не изолированы друг от друга (только для высокого напряжения). В обычных одноискровых катушках такого практически не бывает, поскольку там есть возможность разнести первичную обмотку и крайние витки вторичной, на которых напряжение максимально. А в компактных двухискровых, напротив — между любой частью вторичной обмотки и витками первичной, разделенных порой слоем пластмассы толщиной 3–5 мм, может возникать разность потенциалов в десятки киловольт. Особенно когда один из высоковольтных проводов отсоединен от свечи и его наконечник удален от «массы».
Правда, солидные производители обязательно проводят выборочные тесты катушек на пробой. Например, на АТЭ-2 их испытывают в течение 5 минут непрерывной коммутации первичной обмотки с определенной частотой при полностью отключенных высоковольтных проводах. И все же рисковать не стоит, поэтому, проверяя систему зажигания «на искру», примите все меры, чтобы при проворачивании коленвала наконечник высоковольтного провода не отошел от «массы» дальше 5–7 мм.
Стоит ли выбрасывать пробитую катушку или она еще может пригодиться? Ответ: может, но только на машине с распределителем. Высоковольтный провод с неработающего вывода подсоединяем к «массе», а с работающего — к центральному гнезду крышки трамблера. Теперь она будет работать «вечно».
В заключение — об одном неприятном свойстве систем с двухискровыми катушками, о котором конструкторы обычно умалчивают. Речь идет о взрыве глушителя, который нечасто, но все же случается на машинах, оборудованных такими системами. Происходит это после неудачных попыток пуска двигателя, когда водитель подолгу прокручивает его стартером, вместо того, чтобы открыть капот и разобраться, в чем дело. Если пуск затруднен из-за плохого контакта в каком-либо из штекерных разъемов, то мотор, вращаемый стартером, успеет накачать в систему выпуска изрядное количество топливно-воздушной смеси. От вибрации при работе стартера контакт может восстановиться и на свечах одной пары цилиндров возникнут искры. В системе с распределителем двигатель просто начинает работать и выхлопные газы быстро продуют глушитель, но здесь картина иная. В цилиндре, где проскакивает «паразитная» искра, выпускной клапан еще открыт, и фронт пламени, не имея препятствий на своем пути, распространяется по трубам выпускной системы со скоростью до 50 м/с. Мгновенное сгорание смеси в объемистом корпусе глушителя носит взрывной характер. В отличие от обычного «выстрела» в глушителе (например, при позднем зажигании или сбитых фазах), здесь последствия куда более серьезные — глушитель разлетается на куски. Кстати, сидящие в салоне испытывают в этот момент довольно острые ощущения — машина будто подпрыгивает, а звук такой, что на несколько минут закладывает уши.
Учитывая, что на многих автомобилях глушитель расположен в непосредственной близости от бензобака, есть основания опасаться более серьезных последствий. К счастью, о таких случаях мы пока не слышали (дай Бог, чтобы и впредь не услышали). Хочется верить, что двухискровые катушки в будущем станут надежнее и целесообразность их применения перестанут подвергать сомнению.
Фото 1. Бескорпусная двухискровая катушка Б-201.
Фото 2. Двухканальный контактный трамблер штучного изготовления.
Фото 3. Четырехискровой модуль 42.3705.
Рис. 1. Схема системы зажигания с прерывателем и двухискровой катушкой для двухцилиндрового двигателя: 1 — катушка
Б-201; 2 — замок зажигания; 3 — батарея; 4 — конденсатор; 5 — прерыватель; 6 — первичная обмотка; 7 — вторичная обмотка; 8 — свеча.
Рис. 2. Схема проверки двухискровой катушки:
1 — батарея; 2 — транзисторный вибратор;
3 — катушка зажигания;
4 — свеча; 5 — соединительная пластина; 6 — зажим «крокодил»; 7 — искра с вывода, удаленного от места пробоя; 8 — межобмоточный пробой.
Типичный признак внутреннего пробоя — искрит только одна свеча.
Пробитая катушка работает нормально, но только в лабораторных условиях — перемычка между свечами изолирована от «массы».
Решил здесь поделиться как модернизировать систему зажигания карбюраторных ВАЗ с не сильно большой переделкой, то есть фактически одну катушку заменить на другую. Заодно узнать ваше мнение.
Так как мне захотелось немного модернизировать свою систему зажигания на ВАЗ 21083, а именно поменять старую катушку на что нибудь другое из за того, что по всем признакам и приговору СТОшника уже подходит время её менять. Перелопатив весь форум и интернет, видел как применяют по четыре катушки, две релюшки, кучу проводки и полнейшего разноса трамблера )) чтоб впихнуть невпихуемое, дошел даже до способа "божья искра", понял что это очень хлопотно и из за неправильной установки можно влететь есчо на более крупную сумму.
Короче, нашел на мой взгляд самый простой способ как заменить надоедливую катушку 027.3705 за которой нужен "уход" и теперь я очень сильно сомневаюсь в качестве новых "российско — китайских" катушек такого типа:
на более современный вид более мощной инжекторной катушки 2111-3705010-03 с несильно большой доработкой самой проводки
Получается что в схеме практически ничего не надо менять, просто заменяется сама катушка зажигания.
В цепи бесконтактной системы зажигания ВАЗ 2108 остаются все детали — коммутатор электронный 0529.3734, ВАЗовский трамблер во всей своей красе с одним бесконтактным датчиком холла.
Установка :
При подключении катушки можно выбрать левую или правую сторону в этом случае другая сторона будет резервной, получается один провод от катушки подключается к корпусу "масса", другой идет на трамблер как от стандартной катушки зажигания.
Сам центральный высоковольтный провод который идет на трамблер надо будет переделать, потому что вывод на катушке инжекторный значит тот конец провода который идет на катушку нужно установить инжекторный наконечник.
На свечах рекомендуемый зазор 1,0 — 1,13 мм.
Схема подключения инжекторной катушки:
Для сравнения это схема подключения катушки старого образца:
Чтобы было понятней расскажу как подключить своими словами:
1. отключаете родную катушку зажигания, на неё идут два провода (запомните какой куда шол) и конец высоковольтного провода который идет потом на трамблер
2. Устанавливаете на конце вв провода который будет идти на инжекторную катушку инжекторный наконечник, дополнительно ставите есчо один провод тоже с инжекторным наконечником который будет идти на корпус "масса"
3. Далее прикручиваете катушку в удобном месте но чтобы провода дотягивались как до катушки так и до массы.
4. подключение проводки происходит через штекер предварительно купленного для этой катушки:
— провод который шол на старой катушке к клеме с буквой "Б" подсоединяется по центру выхода из инжекторной катушке;
— провод который шол на старой катушке к клеме с буквой "К" подсоединяете слева или справа в зависимости какую вы сторону катушки будете использовать
В конце проверяете зазор на свечах, рекомендую высоковольтные провода с сердцевиной из медной жилой минимальным "нулевым" сопротивлением. Такое изменение улучшит ездовые характеристики.
Можно конечно в трамблер установить параллельно два датчика холла чтобы отказаться от подключений ВВ проводов к крышке трамблера и иметь подключение аналогично инжекторной системы, но я счел это излишним.
Этот способ замены катушек зажигания старого образца на более мощные современные варианты можно применять и на других карбюраторных двигателях, к примеру у нас на форуме уже имеется пример применения такого типа на машине Лада Ока
И в конце видео работы от автора этой идеи модернизации:
Так как появились люди которые немного сомневаются добавлю цифры:
— Катушка зажигания 027.3705
Сопротивление первичной обмотки (0,45+0,05) Ом
Сопротивление вторичной обмотки (5+0,5) кОм
— Катушки серии 3122.3705
Сопротивление первичной обмотки 0,43±0,04 Ом
Сопротивление вторичной обмотки 4,08±0,40 Ом.
— Катушки серии 8352.12
Сопротивление первичной обмотки 0,42±0,05 Ом.
Сопротивление вторичной обмотки 5,00±1,00 Ом.
— Инжекторная катушка зажигания 2111-3705010-03
Сопротивление первичной обмотки 0.5 Ом.
Сопротивление вторичной обмотки 6.9 кОм
Источник: