Система зажигания

Система зажигания — это совокупность приборов и устройств, обеспечивающих воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в строго определённый момент, соответствующий оптимальному режиму работы двигателя. В зависимости от типа двигателя и способа образования искры, системы зажигания классифицируются на контактные, бесконтактные и электронные (микропроцессорные). Основная функция системы — создание импульса высокого напряжения, достаточного для пробоя искрового промежутка свечи зажигания, и синхронизация этого момента с положением поршня и тактом работы цилиндра.

История развития

Первые системы зажигания появились в конце XIX века вместе с первыми двигателями внутреннего сгорания. В 1886 году немецкий инженер Готлиб Даймлер применил калильную трубку, которая накалялась от внешнего источника тепла и воспламеняла смесь. Однако такой метод был ненадёжным и не позволял точно регулировать момент зажигания.

В 1890-х годах начали использовать магнето — генератор высокого напряжения, работающий от вращения коленчатого вала. Магнето долгое время оставалось основным элементом зажигания на авиационных и мотоциклетных двигателях, а также на тракторах. В 1903 году компания Bosch (организация зарегистрирована в Германии, деятельность на территории РФ осуществляется в соответствии с местным законодательством) представила первую систему зажигания с батарейным питанием и катушкой зажигания, что позволило отказаться от магнето на автомобилях.

В 1910-х годах появилась контактная система зажигания с прерывателем-распределителем, которая стала стандартом для бензиновых двигателей на протяжении нескольких десятилетий. В 1970-х годах, с развитием электроники, начали внедряться бесконтактные системы, использующие датчики Холла или индуктивные датчики для управления моментом искрообразования. К концу XX века практически все автомобили перешли на электронные (микропроцессорные) системы зажигания, управляемые блоком управления двигателем (ЭБУ).

Классификация

Системы зажигания классифицируются по нескольким признакам.

По способу формирования искры

• Контактная система зажигания (КСЗ) — механический прерыватель размыкает цепь низкого напряжения в катушке зажигания, генерируя импульс высокого напряжения. Распределение искры по цилиндрам осуществляется механическим распределителем (трамблёром). Характерна для автомобилей до 1980-х годов.
• Бесконтактная система зажигания (БСЗ) — вместо механического прерывателя используется датчик (например, датчик Холла или индуктивный датчик), который передаёт сигнал на коммутатор. Коммутатор управляет катушкой зажигания. Отсутствие механического контакта повышает надёжность и точность момента зажигания.
• Электронная (микропроцессорная) система зажигания — управление осуществляется электронным блоком (ЭБУ), который получает данные от множества датчиков (положения коленчатого вала, детонации, температуры, расхода воздуха) и рассчитывает оптимальный угол опережения зажигания. Катушки зажигания могут быть индивидуальными (на каждый цилиндр) или сдвоенными (для двух цилиндров).

По способу распределения высокого напряжения

• С распределителем — высокое напряжение от одной катушки подаётся на распределитель (трамблёр), который механически или электронно направляет импульс на свечу нужного цилиндра.
• Без распределителя (DIS — Direct Ignition System) — каждая свеча имеет свою катушку зажигания, либо одна катушка обслуживает два цилиндра (система «холостая искра»). Управление полностью электронное.

По типу управления

• Механические — с механическим прерывателем и центробежным/вакуумным регулятором опережения зажигания.
• Электронные — с электронным блоком управления, который может изменять угол опережения в зависимости от нагрузки, оборотов, температуры и других параметров.

Устройство и принцип работы

Основными элементами любой системы зажигания являются:

• Источник питания — аккумуляторная батарея (12 В или 24 В) и генератор.
• Катушка зажигания — трансформатор, повышающий напряжение с 12 В до 15–30 кВ (иногда до 40 кВ). Состоит из первичной и вторичной обмоток.
• Прерыватель или датчик — в контактных системах это механический прерыватель, в бесконтактных — датчик Холла или индуктивный датчик, в электронных — датчик положения коленчатого вала.
• Распределитель (трамблёр) — в системах с распределителем; в современных системах отсутствует.
• Свечи зажигания — устанавливаются в головку блока цилиндров; создают искровой разряд между центральным и боковым электродами.
• Высоковольтные провода — соединяют катушку с распределителем и свечами (в системах с распределителем).
• Блок управления (ЭБУ) — в электронных системах; обрабатывает сигналы датчиков и управляет моментом зажигания.

Принцип работы

1. При повороте ключа зажигания напряжение от аккумулятора подаётся на первичную обмотку катушки зажигания.
2. В момент, когда поршень в цилиндре подходит к верхней мёртвой точке (ВМТ) на такте сжатия, прерыватель (или коммутатор по сигналу датчика) размыкает цепь первичной обмотки.
3. Резкое исчезновение тока в первичной обмотке вызывает в ней импульс самоиндукции, а во вторичной обмотке — импульс высокого напряжения (до 30 кВ).
4. Высокое напряжение через распределитель (или напрямую) подаётся на свечу зажигания.
5. Между электродами свечи возникает искровой разряд, воспламеняющий топливно-воздушную смесь.
6. После искрообразования цикл повторяется для следующего цилиндра в порядке работы двигателя.

Угол опережения зажигания

Угол опережения зажигания (УОЗ) — это момент подачи искры до прихода поршня в ВМТ. Он измеряется в градусах поворота коленчатого вала. Оптимальный УОЗ зависит от:

• Оборотов двигателя — с ростом оборотов угол увеличивается, так как смесь сгорает быстрее.
• Нагрузки — при малой нагрузке (например, холостой ход) угол может быть меньше, при большой — больше.
• Температуры двигателя — на холодном двигателе угол может корректироваться для улучшения пуска.
• Октанового числа топлива — для высокооктанового бензина требуется больший угол.

В механических системах УОЗ регулируется центробежным и вакуумным регуляторами. В электронных системах расчёт производится ЭБУ на основе карт зажигания, заложенных в прошивку.

Применение

Системы зажигания применяются во всех типах бензиновых ДВС:

• Автомобили — легковые, грузовые, автобусы.
• Мотоциклы и скутеры — часто используются магнето или компактные электронные системы.
• Сельскохозяйственная техника — тракторы, комбайны (на бензиновых двигателях).
• Авиация — поршневые авиационные двигатели (часто с магнето).
• Мототехника — лодочные моторы, снегоходы, квадроциклы.
• Стационарные двигатели — генераторы, насосы, компрессоры.

В дизельных двигателях система зажигания отсутствует, так как воспламенение происходит за счёт сжатия воздуха. Однако в некоторых дизелях применяются свечи накаливания для облегчения холодного пуска, которые не относятся к системе зажигания.

Неисправности и диагностика

Наиболее частые неисправности системы зажигания:

• Износ или загрязнение свечей зажигания — приводит к пропускам зажигания, потере мощности, увеличению расхода топлива.
• Пробой высоковольтных проводов — вызывает утечку тока, искрение на массу, перебои в работе.
• Неисправность катушки зажигания — межвитковое замыкание, обрыв обмотки, пробой изоляции.
• Отказ датчика положения коленчатого вала — двигатель не запускается или работает с перебоями.
• Неисправность коммутатора или ЭБУ — полное отсутствие искры или нестабильная работа.
• Износ контактов прерывателя (в контактных системах) — подгорание, нарушение зазора, снижение напряжения искры.

Диагностика проводится с помощью:

• Визуального осмотра — проверка состояния проводов, свечей, катушек.
• Мультиметра — измерение сопротивления обмоток катушки, целостности цепей.
• Осциллографа — анализ формы сигнала на датчиках и катушке.
• Специализированных тестеров — проверка искры, угла опережения, работы датчиков.

Современные тенденции

В современных автомобилях система зажигания всё чаще интегрируется в общую систему управления двигателем. Основные направления развития:

• Индивидуальные катушки зажигания — устанавливаются непосредственно на свечу, что исключает высоковольтные провода и повышает надёжность.
• Плазменное зажигание — использование высокочастотного разряда для более полного сгорания смеси.
• Лазерное зажигание — экспериментальная технология, при которой искра создаётся лазерным лучом, что позволяет точнее контролировать момент воспламенения и снизить токсичность выхлопа.
• Адаптивное управление — ЭБУ в реальном времени корректирует УОЗ на основе сигнала датчика детонации, что позволяет использовать топливо с разным октановым числом без потери мощности.

Источники

• Б. С. Квасников, «Устройство и эксплуатация автомобилей», 1985.
• В. А. Степанов, «Электронные системы управления двигателем», 2002.
• Руководство по ремонту и эксплуатации автомобилей ВАЗ, 1990.
• Материалы конференций по автомобильной электронике (SAE International), 2010–2020.
• Энциклопедия «Автомобильные системы зажигания», издательство «За рулём», 2015.