В настоящее время применяются два вида катушек - с разомкнутым и замкнутым магнитопроводом. Они могут выполняться по трансформаторной и автотрансформаторной схемам соединения обмоток. В автотрансформаторной схеме уменьшается число выводов и в создании высокого напряжения участвует и первичная катушка, включенная последовательно со вторичной. Трансформаторная связь обычно применяется в катушках электронных систем зажигания во избежание опасных воздействий всплесков напряжения при разряде на электронные элементы. На рис. 8.13, а представлена катушка с разомкнутым магнитопроводом.
Сердечник катушки набран из листов электротехнической стали. Вторичная обмотка, намотанная на изоляционную втулку, располагается на сердечнике. Число витков этой обмотки лежит в пределах 16-40 тыс., диаметр провода 0,06-0,09 мм. Поверх вторичной обмотки через изоляционную прокладку располагается первичная обмотка.
Такое расположение способствует лучшему ее охлаждению. Обмотка имеет 260 - 330 витков провода диаметром 0,5-0,9 мм. Начало вторичной обмотки объединено с пружиной и латунной вставкой для соединения с высоковольтным проводом. На низковольтные выводы подводятся совместное соединение вторичной и первичной обмоток и вывод первичной обмотки. Обмотки с сердечником помещены в кожух, от которого сердечник изолирован керамическим изолятором.
Рядом с кожухом располагается витой наружный магнитопровод, увеличивающий индуктивность катушки. Между кожухом катушки и крышкой, выполненной из высоковольтной пластмассы, проложена герметизирующая прокладка. Соединение крышки с кожухом выполнено завальцовкой, что делает конструкцию неразборной. Внутренняя полость катушки заполнена трансформаторным маслом.
У катушек систем с регулируемым временем накопления энергии, имеющих низкое сопротивление первичной обмотки (0,4 - 0,5 Ом), позволяющее ускорить процесс нарастания первичного тока. В случае отказа ограничителя тока в контроллере чрезмерный перегрев катушки может вызвать взрыв. Для его предотвращения некоторые катушки снабжены предохранительным клапаном, срабатывающим при повышении давления внутри катушки. После срабатывания клапана катушка восстановлению не подлежит.
Катушки с замкнутым магнитопроводом (рис. 8.13, б) получают в последнее время все большее распространение. Наличие замкнутого магнитопровода позволяет накопить необходимую для воспламенения рабочей смеси энергию в значительно меньшем объеме катушки, снизить расход обмоточной меди, трудоемкость изготовления. Малые размеры специальных катушек позволяют размещать их прямо на свечах зажигания.
Магнитопровод катушки набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Его только условно можно назвать замкнутым, так как в нем имеется воздушный зазор 0,3-0,5 мм, препятствующий насыщению магнитопровода, сдерживающего изменения магнитного потока магнитопровода и, следовательно, вредно влияющего на образование вторичного напряжения.
Вторичная обмотка намотана на секционный пластмассовый каркас. Такая конструкция обмотки уменьшает ее емкость и снижает вероятность межвиткового пробоя. Обмотки катушки помещаются в пластмассовый корпус и заливаются эпоксидным компаундом. Полученная монолитная конструкция собирается вместе с магнитопроводом.
В четырехвыводных катушках, имеющих первичную обмотку, разделенную на две части, работающие попеременно, что обеспечивает возможность в системах с низковольтным распределением энергии обслужить одной катушкой сразу четыре цилиндра, в катушку вставляются высоковольтные разделительные диоды.
Технические данные некоторых катушек зажигания приведены в табл.1.
Распределители зажигания
Распределители зажигания управляют моментом искрообразования и распределением искры по цилиндрам. В зависимости от того, выполнен ли механизм искрообразования контактным или бесконтактным, распределители делятся на прерыватели-распределители и датчики-распределители. На рис 8.14,а изображен прерыватель-распределитель, а на рис. 8.14, б - датчик-распределитель.
Прерыватели-распределители имеют устоявшуюся конструкцию и отличаются, в основном, элементами подсоединения к двигателю и числом выводов, зависящим от числа цилиндров двигателя. Они объединяют в один узел контактный прерыватель тока в первичной цепи катушки зажигания, центробежный и вакуумный регуляторы угла опережения зажигания и высоковольтный распределитель.
Кулачок прерывательного механизма имеет число выступов по числу цилиндров двигателя. Конструкция прерывательного механизма, а также центробежного и вакуумного автоматов была описана ранее.
Высоковольтный распределитель содержит пластмассовый ротор с центральным электродом и боковые электроды, установленные в пластмассовой крышке. Ротор закреплен на валу, связанном с подвижной пластиной регулятора опережения зажигания. Импульсы высокого напряжения поступают на центральный электрод от катушки зажигания через подпружиненный угольный электрод и помехоподавительный резистор (1-6 кОм), закрепленный в углублении ротора.
При вращении ротора импульсы высокого напряжения передаются от центрального электрода через зазор к боковым электродам, а от них через высоковольтные провода к свечам. Провода к боковым электродам подсоединяются в соответствии с порядком работы цилиндров.
На корпусе распределителя закреплен конденсатор, включенный параллельно контактам прерывателя для уменьшения их искрения.
У прерывателей-распределителей контактно-транзисторных систем зажигания этот конденсатор отсутствует.
Датчики-распределители отличаются в основном тем, что у них контактный прерыватель замещен бесконтактным датчиком {микропереключателем). В бесконтактном датчике магнитоэлектрического типа число пар полюсов соответствует числу цилиндров двигателя, в датчике Холла этому числу соответствует число прорезей вращающегося магнитного экрана. Центробежный регулятор угла опережения зажигания в магнитоэлектрическом датчике поворачивает втулку с расположенным на ней ротором датчика, в датчике Холла поворачивается муфта с закрепленным на ней магнитным экраном (шторкой). Вакуумные автоматы поворачивают пластину крепления микропереключателя.
Октан-корректор имеет шкалу со знаками “+” и “-” для увеличения и уменьшения угла опережения и риски, соответствующие изменению угла опережения зажигания. В последних конструкциях датчиков-распределителей, например, переднеприводных автомобилей ВАЗ, с целью повышения точности установки момента искрообразования привод распределителя осуществляется непосредственно от распределительного вала двигателя, при этом распределитель крепится на головку блока цилиндров двигателя.
Крышка датчиков-распределителей бесконтактных систем зажигания обычно увеличена в диаметре по сравнению с распределителями контактной системы, что предотвращает вероятность высоковольтного пробоя между электродами крышки. Крышки таких распределителей изготавливают из специальной высоковольтной пластмассы на основе полибутилентерефталатов.
Возможно исполнение распределителя как неотъемного элемента конструкции самого двигателя. В этом случае ротор закрепляется непосредственно на распределительном валу.
Свечи зажигания
Свеча зажигания должна обеспечивать гарантированное воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя при подаче на нее высокого напряжения. Расположение свечи в головке блока цилиндров и частично в камере сгорания создает чрезвычайно напряженные условия ее работы.
При работе двигателя температура в камере сгорания колеблется от 70 до 2500°С, максимальное давление достигает 5-6 МПа, напряжение на свече достигает 20 кВ. Это накладывает отпечаток на конструкцию свечи. Первоначально выпускавшиеся отечественные свечи были разборной конструкции, в настоящее время в России и за рубежом выпускаются только неразборные свечи (рис. 8.15, а).
Корпус свечи представляет собой полую резьбовую конструкцию с головкой под шестигранный ключ. Внутри корпуса располагается керамический изолятор, выполненный из уралита, боркорунда, синоксаля, хелумина или других материалов, обладающих высокой температурной, электрической и механической стойкостью.
Изолятор должен выдерживать напряжение не менее 30 кВ при максимальной температуре.
Внутри изолятора закреплен центральный электрод и контактный стержень. Центральный электрод изготавливается из хромотитановой стали 13Х25Т или хромоникелевого сплава Х20Н80. В свечах с расширенным температурным диапазоном (“термоэластик”) центральный электрод выполняется из меди, серебра или платины с термостойким покрытием рабочей части.
Герметизация центрального электрода и контактного стержня производится специальной токопроводящей стекломассой.
К корпусу свечи приварен боковой электрод из никельмарганцевого или хромоникелевого сплава. Некоторые фирмы, например, Bosch, применяют до четырех боковых электродов в свече. Увеличение числа боковых электродов способствует снижений устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя за счет более разветвленной и стабильной искры. Между центральным и боковым электродами устанавливается зазор 0,5-1,2 мм. Чем больше зазор, тем больше воспламеняющая способность искры, но при этом от системы зажигания требуется более высокое напряжение. Зимой рекомендуется использовать минимальные зазоры или даже уменьшать их на 0,1-0,2 мм.
Для контактной системы зажигания автомобилей ВАЗ обычно рекомендуется зазор 0,5-0,6 мм, для бесконтактных систем - 0,7-0,8 мм.
Уплотнительное кольцо обеспечивает герметизацию цилиндра.
Герметизированные экранированные свечи, например, СН443 (рис. 8.15, б), имеют встроенный помехоподавительный резистор.
Калильное число является важнейшей характеристикой свечи, которая оценивает ее тепловые свойства.
Нормальная работа свечи происходит при температуре теплового конуса изолятора 400 - 900°С. При температуре ниже 400°С на свече образуется нагар, который вызывает перебои в работе двигателя, при температуре свыше 920°С возникает калильное зажигание - самовоспламенение топливной смеси от нагретого конуса свечи.
Калильное число определяется на специальном одноцилиндровом эталонном двигателе, степень сжатия которого изменяют до возникновения калильного зажигания. Среднее индикаторное давление при возникновении калильного зажигания, соответствует калильному числу, которое должно принадлежать ряду: 8; 11; 14; 17; 20; 23; 26. В некоторых странах под калильным числом понимают время работы эталонного двигателя до начала калильного зажигания.
Так обозначает калильное число, например, фирма Bosch. Теплоотдача свечи определяется целым рядом параметров и, в частности, зависит от длины теплового конуса изолятора. Длинный тепловой конус затрудняет теплоотвод, нижняя часть свечи плохо охлаждается. Такую свечу называют “горячей”, она соответствует малым значениям калильного числа и рекомендуется для тихоходных двигателей с низкой степенью сжатия. Короткий тепловой конус характерен для “холодной” свечи с большими значениями калильного числа, рекомендуется для быстроходных форсированных двигателей.
Применение меди, серебра и платины для изготовления центрального электрода повышает теплоотдачу и расширяет температурный диапазон свечи. На рис. 8.16 приведены зависимости температуры теплового изолятора свечи от нагрузки двигателя для “горячей”, “холодной” свечи и свечи “термоэластик”, т.е. свечи широкого температурного диапазона.
Маркировка отечественных свечей содержит расширенную информацию о их конструкции и свойствах.
Первая буква определяет размеры резьбы: А - М14х1,25; М - М18х1,5; вторая буква характеризует особенности конструкции свечи: К - с коническим уплотнением без прокладки, М - малогабаритная; следующая цифра указывает калильное число, стоящие после цифры буквы Д или М обозначают длину резьбовой части 19 или 11 мм, при отсутствии буквы длина равна 12 мм; буква В соответствует выступанию теплового конуса изолятора за торец корпуса, Т - указывают на герметизацию центрального электрода термоцементом. Через дефис может указываться порядковый номер разработки. Похожее обозначение имеют свечи фирмы Bosch.
Первая буква в их обозначении W соответствует отечественной А, D соответствует М, далее может идти буква, обозначающая исполнение свечи (R - со встроенным резистором), затем цифра, характеризующая ее тепловые характеристики (чем меньше, тем свеча “холоднее”), затем идет буквенное обозначение длины резьбы (D соответствует 19 мм), наконец, буквенное обозначение числа боковых электродов, если их больше одного (D - два, Т - три, Q - четыре), и исполнение центрального электрода: С-медь, Р-платина, S-серебро.
Высоковольтные провода
Высоковольтные провода подразделяются на обычные с металлическим центральным проводником и специальные с распределенными параметрами, обеспечивающие подавление радиопомех.
Провода с медной жилой ПВВ, ПВРВ, ППОВ и ПВЗС имеют изоляцию из поливинилхлорида, резины и полиэтилена, поверх которой у проводов ПВРВ, ППОВ и ПВЗС надета оболочка повышенной бензомаслостойкости. Эти провода обладают низким сопротивлением центральной жилы (18-19)*10-3 Ом/м, рассчитаны на максимальное рабочее напряжение 15-25 кВ и могут применяться только в комплекте с помехоподавительными резисторами.
Провода с равномерно распределенным сопротивлением делятся на провода с распределенным активным сопротивлением (резистивный провод) и реактивным сопротивлением (реактивный провод). Резистивный провод имеет токопроводящую жилу из хлопчатобумажной пряжи, пропитанной сажевым раствором, в хлопчатобумажной или капроновой оплетке. Провод ПВВО такого типа обладает сопротивлением (15-40)*103 Ом/м и рассчитан на максимальное рабочее напряжение 15 кВ.
Реактивный провод находит более широкое распространение и применяется, в частности, на автомобилях ВАЗ.
Провода марки ПВВП имеют центральную льняную нить, на которую нанесен слой ферропласта, в состав которого входят марганец-никелевые и никель-цинковые порошки.
Поверх ферропластового сердечника наматывается токопроводящая железо-никелевая проволока. Сверху провод изолирован поливинилхлоридной изоляцией. Поглощение радиопомех происходит в проводнике и диэлектрике ферропластового слоя. Провод ПВВП выпускается диаметром 7,2 и 8 мм соответственно на рабочее напряжение 25 и 40 кВ и имеет сопротивление 2 кОм/м. Установленный на автомобилях ВАЗ такой провод ПВВП-8 отличает красный цвет.
Провода ПВППВ и ПВППВ-40 имеют аналогичную конструкцию и отличаются только применяемыми в них материалами.
Для бесконтактных систем зажигания автомобилей ВАЗ применяется провод синего цвета ПВВП-40 с силиконовой изоляцией с сопротивлением 2,55 кОм/м и рабочим напряжением до 40 кВ. Провода зарубежного производства имеют из-за повышенных требований по помехоподавлению более высокие величины сопротивления (у проводов фирмы Motorcraft - 11 кОм/м). Установка проводов с повышенным сопротивлением может привести к перебоям в работе зажигания. Помехоподавительные резисторы, которые выпускаются в расчете на сопротивления от 5 до 13 кОм, соединяются со свечой или с распределителей. Резистор может встраиваться в свечной экранированный наконечник (рис. 8.17).
Техническое обслуживание систем зажигания
В наибольшей мере технического обслуживания требует контактная система зажигания.
В бесконтактных системах обслуживание сведено к минимуму, а ремонт выполняется блочной заменой вышедших из строя изделий.
При ТО-1 рекомендуется проверить крепление прерывателя-распределителя и катушки зажигания, а также затяжку гаек выводных болтов и при необходимости подтянуть их, смазать валик привода кулачка и ротора распределителя.
При ТО-2 следует осмотреть и очистить сухой тряпкой от грязи, пыли и масла все элементы системы зажигания. Вывернуть свечи и проверить их состояние. При необходимости очищают свечи от нагара и регулируют зазор между электродами. Состояние свечи может дать расширенную информацию о работе системы зажигания и двигателя. При правильном выборе свечи и нормальной ее работе на нижней части изолятора наблюдается налет светло-бежевого цвета (при работе на этилированном бензине серого цвета). Удалять его с изолятора не следует.
Черная копоть на всех элементах свечи свидетельствует о длительной работе на холостом ходу, переобогащении смеси, неправильной регулировке угла замкнутого состояния контактов прерывателя или зазора между ними, отказе конденсатора, неисправности свечи.
Замасливание всех свечей у двигателя, находившегося в длительной эксплуатации, информирует об износе цилиндров, поршней, поршневых колец; замасливание одной свечи чаще всего свидетельствует о прогаре впускного клапана.
Выгорание электродов и других элементов свечи обусловлено перегревом, вызванным применением низкооктанового бензина, неправильной установкой угла опережения зажигания, переобеднением смеси.
Свечи рекомендуется заменять через 15-30 тыс. км пробега.
После снятия с двигателя при ТО-2, прерыватель-распределитель следует протереть сухой тряпкой изнутри и снаружи проверить, нет ли трещин и следов выгорания на его элементах, а также проверить состояние контактов прерывателя и, при необходимости, отрегулировать зазор между ними и протереть контакты мягкой ветошью, смоченной в бензине или спирте.
Смазке подлежит ось рычажка, валик привода кулачка, втулка кулачка.
Через 40-60 тыс. км пробега при подготовке автомобиля к зимней эксплуатации после разборки распределителя следует проверить состояние подшипников, рычажка прерывателя, кулачка, контактов прерывателя, центробежного и вакуумного регуляторов, при необходимости отрегулировать установку угла замкнутого состояния контактов и момент искрообразования. Чаще всего двигатель не запускается, особенно в сырую погоду, именно из-за неисправности системы зажигания.
Однако, прежде всего, следует убедиться в исправности выключателя зажигания (падение напряжения в его контактах под нагрузкой не должно превышать 0,2 В), нормальной заряженности аккумуляторной батареи и исправности системы электроснабжения. В бесконтактных электронных системах зажигания, если напряжение бортовой сети превышает 18 В, коммутатор отключает систему зажигания.
Неисправность системы зажигания выявляется на специальных стендах, в том числе оснащенных осциллографом, на экране которого можно наблюдать изменение тока первичной цепи и вторичного напряжения по времени.
Проверку катушки зажигания производят замером ее сопротивления в первичной и вторичной цепях. Если оно отличается от требуемого, катушка неисправна, ее следует заменить. Замером сопротивления проверяется и дополнительный резистор. Тестером в режиме омметра можно проверить конденсатор. При подключении тестера, включенного на измерение больших сопротивлений, у исправного конденсатора стрелка в момент подключения совершает бросок, а затем возвращается в нулевое положение. Элементы электронной схемы системы зажигания могут быть также проверены тестером.
Для проверки и регулировки прерывателя-распределителя и датчика-распределителя служат специальные стенды, например, Э 213, К 295 и др.
Проверку датчиков коммутаторов и контроллеров электронной системы зажигания проще всего производить заменой их на заведомо исправные блоки.
Датчик можно проверить и обыкновенным вольтметром (тестером, включенным на измерение напряжения). У исправного датчика Холла 581.3706 вольтметр, включенный на измерение постоянного напряжения и подсоединенный к выводу датчика, по мере вращения вала датчика-распределителя должен резко менять показания от примерно 0,4 В до величины, не более чем на 3 В отличающейся от напряжения литания. Магнитоэлектрический датчик датчика-распределителя 19.3706 при работающем стартере должен показывать напряжение не менее 2 В при измерении его вольтметром переменного тока, сопротивление обмотки датчика лежит в пределах 280-470 Ом. Проверку коммутатора 36.3734 или 55.3734 можно производить осциллографом пo схеме на рис. 8.18, а, выводы осциллографа следует подключать к резистору R 0,01 Ом на мощность 20 Вт или более, а на вход коммутатора подать сигналы прямоугольной формы согласно рис. 8.18, в.
Частота импульсов может изменяться в пределах 3,33 — 233 Гц, скважность Т/Ти=3, напряжение минимальное Umin=0,4 В, максимальное Umax=10 В.
У исправного коммутатора импульсы на его выходе должны соответствовать рис. 8.18, б. Величина импульса Imax не должна превышать 8-9 А, а время накопления 1ц не более 8,5 мс при частоте 33,5 Гц и 4 мс при 150 Гц.
Испытание свечей зажигания на герметичность и электрические испытания проводят на специальном стенде, например, Э203П. Для очистки их от нагара служит приспособление Э203-0. Для проверки исправности свечи на двигателе может служить специальный индикатор.
В настоящее время выпускаются различные мотортестеры, упрощающие процесс регулировки и диагностики систем зажигания. Микропроцессорная система зажигания, наиболее сложная для диагностики, обычно снабжается специальной диагностической аппаратурой, в том числе с применением компьютера. Функции диагностики могут быть возложены и на сам микропроцессор системы зажигания.
