11.4. Призначення, загальна будова та робота системи запалювання

У циліндрі карбюраторного двигуна робоча суміш запалюється електричною іскрою, яка утворюється між електродами свічки запалювання. Для цього до них в певні моменти підводиться висока напруга. Напруга пробиття залежить від величини зазору між електродами та тиску в циліндрі. Вона становить приблизно 8–12 кВ, але для підвищення надійності займання робочої суміші створюють напругу 16–20 кВ.

Рис. 11.10. Конструкція контактної системи запалювання: 1 – генератор; 2 – вимикач запалювання; 3 – переривач; 4 – розподільник; 5 – свічка запалювання; 6 – котушка запалювання; 7 – акумуляторна батарея

Сукупність приладів і пристроїв, що забезпечують займання робочої суміші в циліндрах відповідно до порядку і режиму роботи двигуна, називається системою запалювання.

До контактної системи запалювання двигуна належать свічки запалювання, встановлені у камері згоряння кожного циліндра; котушка запалювання, яка є трансформатором з первинною і вторинною обмотками, переривач ланцюга струму низької напруги; розподільник струму високої напруги, конденсатор і варіатор (додатковий резистор).

Система запалювання живиться від джерел електричного струму (генератор і акумуляторна батарея) і вмикається замком запалювання.

При замиканні контактів вимикача запалювання струм від джерел струму надходить в первинну обмотку котушки запалювання через варіатор і далі на ізольований від корпуса (маси) рухомий контакт переривача, з якого через нерухомий контакт проходить на корпус. Рухомий контакт розміщений на важелі, на який через подушечку з ізоляційного матеріалу діє кулачок з виступами, кількість яких відповідає кількості циліндрів двигуна. Кожний з виступів кулачка розмикає контакти переривача в той момент, коли у відповідному циліндрі потрібно запалити робочу суміш.

Рис.11.11. Електрична схема контактної системи запалювання: 1 – свічка запалювання, 2 – контакт розподільника запалювання, 3 – ротор, 4 – розподільник запалювання, 5 – кулачок переривача, 6 – вісь, 7 – переривач, 8 – конденсатор, 9 і 10 – рухомий і нерухомий контакти переривача, 11 – вторинна обмотка, 12 – котушка запалювання, 13 – первинна обмотка, 14 – варіатор, 15 – вимикач запалювання, 16 – генератор, 17 – акумуляторна батарея, 18 – стартер

Оскільки за два оберти колінчастого вала в чотиритактному двигуні в кожному циліндрі відбувається один робочий хід, то кулачок переривача повинен обертатись вдвічі повільніше, ніж колінчастий вал. Тому, як правило, вал переривача приводиться в рух від розподільчого вала двигуна.

Струм, який проходить через первинну обмотку котушки запалювання, створює магнітне поле. При розмиканні ланцюга первинної обмотки переривачем магнітне поле котушки зникає, його силові лінії перетинають витки первинної і вторинної обмоток і у вторинній обмотці індукується струм високої напруги, а в первинній обмотці – струм самоіндукції, який уповільнює зникнення магнітного поля.

Водночас вторинна напруга залежить від швидкості зникнення магнітного поля. Струм самоіндукції первинної обмотки викликає також іскріння між контактами переривача, що призводить до їхнього обгоряння. Щоб уникнути цього негативного явища, паралельно до контактів переривача вмикається конденсатор.

При розмиканні контактів переривача струм самоіндукції первинної обмотки заряджає конденсатор. Водночас зменшується іскріння між контактами переривача. Розряджаючись через первинну обмотку, конденсатор створює в ній струм зворотного напряму, що прискорює зникнення магнітного поля. Отже, конденсатор підвищує високу напругу у вторинній обмотці котушки.

Робота розширення газів використовується найефективніше, якщо тиск газів в циліндрі досягає максимального значення через 15–20° повороту колінчастого вала після ВМТ. Оскільки робоча суміш згоряє не миттєво, то її необхідно запалювати з деяким випередженням, тобто раніше ніж поршень підійшов до ВМТ. Випередження займання суміші називають випередженням запалювання і звичайно вимірюють в градусах кута повороту колінчастого вала.

Кут випередження запалювання повинен змінюватись із зміною частоти обертання колінчастого вала і навантаження на двигун (відкриття дросельної заслінки). Зміна кута випередження запалювання залежно від частоти обертання колінчастого вала двигуна здійснюється за допомогою відцентрового регулятора, а залежно від навантаження двигуна – вакуумного регулятора.

Після замикання контактів переривача сила струму в первинній обмотці котушки запалювання зростає не відразу, а поступово. Це пояснюється наявністю індуктивності в ланцюзі первинної обмотки котушки. Для досягнення найвищої сили струму в первинній обмотці необхідно, щоб контакти переривача якомога довше час були в замкненому стані. Цей час залежить від форми виступів кулачка, зазору між контактами переривача в розімкненому стані та від частоти розмикань. Зазвичай зазор між контактами встановлюють мінімально допустимим (0,3–0,4 мм) з умови іскріння між ними.

У разі збільшення частоти обертання колінчастого вала сила струму в ланцюзі первинної обмотки котушки не встигає досягти максимального значення, і це призводить до зниження високої напруги. Отже, із зростанням частоти обертання колінчастого вала висока напруга знижується. Щоб зменшити різницю в потужності іскри за різної частоти обертання колінчастого вала, в ланцюг первинної обмотки котушки вмикають варіатор. Варіатор виготовлений з матеріалу, опір якого зростає з підвищенням температури, тобто із збільшенням сили струму, що проходить через нього. Оскільки середня сила струму, який проходить через первинну обмотку котушки, знижується із збільшенням частоти обертання колінчастого вала, то й опір варіатора у такому разі відповідно зменшується, що призводить до деякого збільшення сили струму в мережі.

Для підвищення потужності іскри між електродами свічки запалювання при пуску двигуна стартером, вимикач стартера відмикає варіатор, що призводить до збільшення сили струму в первинній обмотці.

Струм високої напруги, одержаний у вторинній обмотці котушки запалювання, підводиться до ротора розподільника запалювання. Ротор, встановлений на кулачок переривача і обертається разом з ним. В момент розмикання контактів переривача струмороздавальна пластина ротора підводить струм високої напруги до одного з контактів розподільника запалювання, з’єднаного із свічкою запалювання того циліндра, в якому в цей час закінчується стиснення робочої суміші. Контакти розподільника запалювання повинні бути з’єднані з свічками в послідовності, що відповідає послідовності роботи двигуна.

Карбюраторний двигун зупиняють, вимикаючи запалювання. Для цього передбачений вимикач у первинному ланцюзі котушки запалювання. Вимикач запалювання зазвичай виконаний як одне ціле із замком запалювання, що керується ключем.

Конструкція апаратів запалювання. Іскрова свічка запалювання складається з металевого корпуса із зовнішньою різьбою і бічним електродом, керамічного осердя, всередині якого розміщені контактний стрижень і центральний електрод. Осердя ущільнене в корпусі мідною теплопровідною шайбою і тальковим герметиком. Для закріплення осердя в корпусі його краї розвальцьовані. Зазор між електродами може змінюватися у межах 0,5–1,0 мм.

	:
	Рис. 11.12. Іскрова свічка запалювання 1 – контактна гайка; 2 – оребрення радіатора; 3 – контактний стрижень; 4 – керамічний ізолятор; 5 – металевий корпус; 6 – провідниковий склогерметик; 7 – ущільнювальне кільце; 8 – теплопровідна шайба; 9 – центральний електрод; 10 – тепловий конус ізолятора; 11 – робоча камера; 12 – бічний електрод

Під час згоряння суміші на нижній частині свічки відкладається нагар, який знижує напругу, що підводиться до центрального електрода. Це погіршує іскроутворення і запалювання суміші. За достатньо високої температури нижньої частини ізолятора центрального електрода (500–600 °С) нагар, що осідає на ньому, згоряє, і свічка самоочищається. Якщо нижня частина ізолятора надмірно нагріта (більше за 850 °С), то вона може стати причиною передчасного займання робочої суміші.

Температура нижньої частини ізолятора центрального електрода залежить від конструктивних особливостей, режимів роботи двигунів та від конструкції свічки. На двигунах різних марок, а також під час їх роботи в різних умовах необхідно застосовувати свічки з відповідною тепловою характеристикою, яка визначається розжарювальним числом, що вказується на ізоляторі свічки. Чим вище розжарювальне число, тим “холодніша” свічка, тобто вона може працювати у вищому тепловому режимі. Теплова характеристика свічки переважно визначається за довжиною нижньої частини ізолятора центрального електрода. Чим вона коротша, тим краще тепловідведення і “холодніша” свічка.

Свічки маркірують групою букв і цифр, наприклад А20ДВ. Перша буква означає діаметр і крок різьби (А – 14х1,25 або М – 18х1,5); одна або дві цифри вказують розжарювальне число свічки; наступна за цифрою буква визначає довжину різьблення на корпусі (Н – 11мм, Д – 19 мм); якщо довжина різьби дорівнює 12 мм, то вона не вказується); подальші букви – відповідно чи виступає нижня частина ізолятора з корпусу (В) і чи застосовується в свічці герметизація термогерметиком (Т).

Рис. 11.13. Конструкція котушки запалювання: 1 – ізолятор; 2 – корпус котушки; 3 – ізоляційний папір обмоток; 4 – первинна обмотка; 5 – вторинна обмотка; 6 – ізоляція між обмотками; 7 – клема виводу первинної обмотки; 8 – контактний гвинт; 9 – вивід високої напруги; 10 – кришка; 11 – клема виводу початку первинної та кінця вторинної обмоток; 12 – пружина центральної клеми; 13 – каркас вторинної обмотки; 14 – зовнішня ізоляція первинної обмотки; 15 – скоба кріплення котушки; 16 – зовнішній магнітопровід; 17 - серцевина

Котушка запалювання має осердя, яке для зменшення вихрових струмів набране з пластин електротехнічної сталі завтовшки 0,35 мм, ізольованих одна від одної окалиною. Осердя поміщене в картонну трубку, на яку намотана вторинна обмотка, яка має 18–26 тис. витків емальованого дроту діаметром 0,07–0,09 мм. Між шарами обмоток прокладений ізолювальний конденсаторний папір. На вторинну обмотку намотана первинна обмотка, яка складається з 270–330 витків емальованого дроту діаметром 0,72– 0,86 мм. Між обмотками прокладена картонна трубка. Таке розташування обмоток покращує відведення теплоти від первинної обмотки, яка нагрівається сильніше. Зовні первинна обмотка обгорнута трансформаторним папером. На дні корпуса котушки укладений керамічний ізолятор. Між корпусом і первинною обмоткою розташований магнітопровід з електротехнічної сталі. Котушка зверху закрита карболітовою кришкою, в якій закріплені три клеми низької напруги і клема високої напруги.

Варіатор є резистором, який розміщений між двома керамічними утримувачами. Він кріпиться до кронштейна котушки. Під час пуску двигуна струм підводиться до первинної обмотки котушки безпосередньо через клему в обхід варіатора.

Розподільник запалювання зазвичай виконаний в одному корпусі з переривачем. Вони розташовані один над одним і приводяться в рух від спільного вала.

В нижній металевій частині корпуса є площинка, на якій закріплені контакти переривача. Кулачок переривача приводиться в рух від вала через відцентровий регулятор випередження запалювання. Струм від первинної обмотки котушки запалювання подається до ізольованого рухомого контакту переривача через клему. Нерухомий контакт через площинку з’єднаний з корпусом (масою) розподільника. Нерухомий контакт закріплений на пластині, яка за допомогою ексцентрика може переміщатись відносно площинки, що дає змогу регулювати зазор між контактами переривача в розімкненому стані. Положення пластини відносно площинки фіксується гвинтом. Паралельно до контактів переривача вмикається конденсатор ємністю 0,17–0,35 мкФ.

Відцентровий регулятор кута випередження запалювання має опорну пластину, напресовану на вал. На її осях шарнірно встановлені тягарці, які стягуються до центра пружинами. Штифти тягарців входять в косі пази рухомої пластини, з’єднаної з кулачком. При збільшенні частоти обертання вала тягарці розходяться і повертають рухому пластину з кулачком в напрямку обертання вала, внаслідок чого момент зіткнення виступу кулачка з подушечкою рухомого контакту переривача настає раніше. Отже, раніше розмикаються контакти і запалюється робоча суміш в циліндрах.

Рис. 11.14. Відцентровий регулятор кута випередження запалювання: 1 – кулачок переривача; 2 – втулка кулачків; 3 – рухома пластина; 4 – тягарці; 5 – штифти тягарців; 6 – опорна пластина; 7 – стягувальні пружини

Вакуумний регулятор випередження запалювання має мембрану, розташовану в металевому корпусі. Мембрана з одного боку навантажена пружиною, а з іншого – з’єднана тягою з площинкою, на якій розміщені контакти переривача. Ця площинка складається з двох дисків, з’єднаних кульковим підшипником. Верхній диск може повертатися на деякий кут відносно нижнього, жорстко закріпленого до корпусу розподільника. З боку пружини на мембрану діє розрідження, яке передається з впускного трубопроводу двигуна. При зменшенні відкриття дросельної заслінки розрідження за карбюратором збільшується, мембрана прогинається, стискаючи пружину, і переміщає площинку з переривачем в напрямку, протилежному до напрямку обертання вала. Це призводить до випереджувального розмикання контактів переривача і збільшення кута випередження запалювання.

Рис. 11.15. Робота вакуумного регулятора випередження запалювання а) кут випередження зменшується; б) кут випередження збільшується

Розподільник струму високої напруги складається з карболітового ротора, який має латунну струмороздавальну пластину, і карболітової кришки з контактними гніздами для дротів високої напруги. У центрі кришки є гніздо, до якого підводиться струм від котушки запалювання, а по периферії – гнізда для дротів, що ведуть до свічок запалювання. Ротор надягають на хвостовик кулачка переривача. Під час обертання ротора його струмороздавальна пластина підходить (зазор 0,2–0,3 мм) до латунних контактів кожного з периферійних контактних гнізд, що виступають всередину кришки.

Центральне контактне гніздо з’єднується з струмороздавальною пласти­ною за допомогою вугільного контакту, який притискається до пластини пружиною. Кришка розподільника закріплена на корпусі за допомогою двох пружинних затискачів.

Рис. 11.16. Конструкція переривача-розподільника: 1 – вал; 2 – корпус давача розподільника запалювання; 3 – замок; 4 – безконтактний давач; 5 – корпус вакуумного регулятора; 6 – діафрагма; 7 – тяга вакуумного регулятора; 8 – опорна платина відцентрового регулятора; 9 – ротор розподільника запалювання; 10 – бічний електрод; 11 – кришка; 12 – центральний електрод; 13 – вуглик центрального електрода; 14 – резистор; 15 – зовнішній контакт ротора; 16 – ведуча пластина відцентрового регулятора; 17 – тягарець відцентрового регулятора; 18 – опорна пластина безконтактного давача; 19 - екран

Переривач-розподільник закріплений на двигуні за допомогою двох пластин октан-коректора. Нижня пластина з нанесеною на ній шкалою жорстко прикріплена до блока двигуна, а верхня – до корпусу переривача-розподільника. Вертикальне ребро нижньої пластини затиснуте між двома гайками горизонтального гвинта, шарнірно пов’язаного з верхньою пластиною. При повороті гайок в той або інший бік верхня пластина переміщається разом з корпусом переривача-розподільника відносно закріпленої на двигуні нижньої пластини. Це дає змогу корегувати первинно встановлений кут випередження запалювання залежно від властивостей (октанового числа) пального.

Транзисторні системи запалювання. Для підвищення паливної економічності автомобілів в сучасних двигунах збільшують ступінь стиснення і збіднюють робочу суміш. Стійке займання такої суміші вимагає збільшення іскрового зазору між електродами свічки запалювання. Для надійного іскроутворення в умовах високого тиску кінця такту стиснення і збільшеного іскрового зазору необхідно збільшувати вторинну напругу, яка залежить від сили струму в первинній обмотці котушки запалювання. Проте сила струму обмежена надійністю роботи контактів переривача, які обгоряють під час іскроутворення в момент їхнього розмикання. Ці недоліки значною мірою можуть бути усунені у разі застосування контактно-транзисторних і безконтактно-транзисторних систем запалювання.

У цих системах в ланцюг первинної обмотки котушки запалювання послідовно увімкнений транзистор, який закривається у момент іскроутворення (перериває струм в ланцюзі первинної обмотки котушки запалювання). Перевагою таких систем є менше послаблення потужності іскри із зростанням частоти обертання колінчастого вала двигуна, ніж в звичайних системах запалювання, внаслідок деякої зміни електричних характеристик котушки запалювання і можливості використання великої сили струму в ланцюзі її первинної обмотки.

У контактно-транзисторній системі запалювання управління транзистором здійснюється за допомогою переривача, увімкненого в ланцюг бази транзистора. Через контакти переривача протікає струм бази невеликої сили, і термін їхньої служби різко збільшується.

Крім приладів і деталей, які входять до звичайної системи батарейного запалювання, контактно-транзисторна система має транзисторний комутатор і блок додаткових резисторів.

Рис. 11.17. Схема контактно-транзисторної системи запалювання: 1 – вимикач запалювання, 2 – транзисторний комутатор, 3 – котушка запалювання, 4 – розподільник, I–IV – номери циліндрів; R1 R2 – резистори

Котушка запалювання має збільшену кількість витків вторинної обмотки, зменшену кількість витків первинної; один кінець вторинної обмотки безпосередньо з’єднаний з корпусом. У переривачі відсутній конденсатор для гасіння іскри при розмиканні контактів, тому що сила струму, що проходить через них, невелика. У ланцюг первинної обмотки увімкнені два резистори, один з яких замикається накоротко на час пуску двигуна стартером для збільшення потужності іскри під час пуску.

Рис. 11.18. Схема безконтактно-транзисторної системи запалювання: 1 – магнітоелектричний давач; 2 – акумуляторна батарея; 3 – вимикач запалювання; 4 – варіатор; 5 – електронний комутатор; 6 – котушка запалювання; 7 – розподільник; 8 – свічки запалювання

Разом з контактно-транзисторними системами запалювання застосовуються транзисторні системи запалювання з безконтактним управлінням. У цих системах транзисторний комутатор, що перериває ланцюг первинної обмотки котушки запалювання, спрацьовує під впливом електричного імпульсу, який створюється безконтактним давачем магнітоелектричного типу.

Така система забезпечує вищу напругу у вторинному ланцюзі, що дає змогу збільшувати зазори між електродами свічок запалювання, одержувати сильніший і триваліший розряд і стійкіше займання суміші на різних режимах роботи двигуна. Внаслідок відсутності у переривачі елементів, що зношуються внаслідок тертя, момент запалювання в такій системі не змінюється залежно від терміну роботи системи, що характерно для контактної системи запалювання.