Агентство по образованию Российской Федерации

Сибирская автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Кафедра «Электроника и автотракторное электрооборудование»

Принцип действия и проверка работоспособности контактной системы зажигания

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине

«Электрооборудование автомобилей»: 150200 и 240400

Составители: А.П. Попов, В.И. Степанов, А.Ю Власов

Омск

Издательство СибАДИ

2006

Лабораторная работа № 4

Испытание катушки зажигания

1. Цель работы

- проверка работоспособности катушки зажигания с использованием контактного прерывателя;

- знакомство с конструкцией катушки зажигания и принципом работы прерывателя контактной системы зажигания.

2. Общие сведения Назначение и принцип действия контактной системы зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Развитие автомобилей первоначально было связано с системой зажигания от магнето, но оно достаточно быстро было вытеснено батарейной системой зажигания, которая в различных вариантах и применяется на современных автомобилях.

Тенденции развития ДВС связаны с повышением их экономичности, снижением токсичности отработавших газов, уменьшением массы и габаритных размеров, повышением частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия.

Это оказывает влияние на конструкцию и схемное исполнение систем зажигания, не затрагивая, однако, основного принципа их действия, — накопления энергии в магнитном или электрическом поле с последующим мгновенным выделением ее в искровом промежутке свечи в нужный момент такта сжатия в рабочем цилиндре и в соответствии с заданным порядком работы цилиндров двигателя.

Разряд в искровом промежутке вызывается импульсом напряжения, величина которого зависит от температуры и давления в камере сгорания, конфигурации и размеров искрового промежутка. Величина импульса должна обеспечиваться системой зажигания с определенным запасом, с учетом износа электродов свечи в эксплуатации. Обычно коэффициент запаса составляет 1,5 - 1,8, а величина импульса напряжения лежит в пределах 20 - 30 кВ.

Процесс сгорания рабочей смеси разделяется на три фазы: начальную, когда формируется пламя, возникающее от искрового разряда в свече, основную, ко­гда пламя распространяется на большей части камеры сгорания, и конечную, когда пламя догорает у стенок камеры. Этот процесс требует определенного времени. Наиболее полное сгорание рабочей смеси достигается своевременной подачей сигнала на воспламенение, т.е. установкой оптимального угла опере­жения зажигания в зависимости от режима работы двигателя.

Угол опережения зажигания определяется по углу поворота коленчатого вала двигателя от момента возникновения искры до момента достижения порш­нем верхней мертвой точки.

Если угол опережения зажигания больше оптимального, то зажигание ран­нее. Давление в камере сгорания при этом достигает максимума до достиже­ния поршнем верхней мертвой точки и оказывает противодействующее воз­действие на поршень. Раннее зажигание может явиться причиной возникнове­ния детонации. Если угол опережения зажигания меньше оптимального, зажи­гание позднее, в этом случае двигатель перегревается.

На начальную фазу сгорания влияет энергия и длительность искрового разряда в свече. В современных системах энергия разряда достигает 50 мДж, а длительность 1 - 2,5 мс. По способу накопления энергии различаются системы с накоплением энергии в индуктивности и в емкости. В обоих случаях для получения импульса высокого напряжения используется катушка зажигания, представляющая собой высоковольтный трансформатор, содержащий две обмотки: первичную с малым числом витков и омическим сопротивлением в доли и единицы Ома и вторичную с большим числом витков и омическим сопротивлением в единицы и десятки кОм. Коэффициент трансформации катушки лежит в пределах 50 - 150. Значительное количество энергии, которое требуется для воспламенения рабочей смеси, накопить в конденсаторе приемлемых размеров при достаточно низком напряжении бортовой сети невозможно. Такую систему требуется оборудовать высоковольтным преобразователем напряжения, что приводит к усложнению схемы и не дает существенных преимуществ. Поэтому системы с накоплением энергии в емкости на автомобилях практически не применяются.

П ринцип работы схемы с накоплением энергии в индуктив­ности, изображенной на рис. 1, характерен для всех систем зажигания, устанавливаемых на автомобилях.

Выключатель зажигания S1 включает систему в сеть питания. В некоторых системах роль выклю­чателя S1 играют контакты реле, управляемого выключателем зажи­гания. При вращении вала двигателя происходит замыкание контактов прерывательного меха­ни­зма S2, и ток начинает нарастать в первичной цепи катушки зажига­ния по экспоненте, как показано на рис. 2, а.

В момент, необходимый для подачи искрового импульса на зажигание, прерыватель S2 разрывает свои контакты, после чего возникает колебательный процесс, связанный с обменом энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем в емкостях С1 и С2. Амплитуда колебаний напряжения, приложенного к электродам свечи U₂, убывает по экспоненте, как показано на рис. 2 пунктиром. Интерес представляет лишь первая полуволна напряжения, т.к., если ее максимальное значение U_2m превышает напряжение пробоя искрового промежутка U_n, то возникает необходимая для зажигания искра. Величина U_2m зависит от коэффициента трансформации катушки зажигания К_Т = w₂/w₁ (w₂ и w₁ соответственно число витков вторичной и первичной обмоток катушки), величины тока первичной обмотки в момент разрыва I_1р, а также индуктивности L₁ и емкости С₁ первичной и С₂ вторичной цепей

. (1)

К оэффициент К_П учитывает потерю энергии в активных сопротивлениях первичной R₁ и вторичной R₂ цепей, в сопро­тивлении нагара, шунтирующего искровой промежуток, а также в сердечнике катушки при его перемагничивании. Обычно К_П лежит в пределах 0,7 - 0,8. Влияние нагара на свечах на процесс искрообразования зна­чительно сни­жается с увеличе­нием скоро­сти нарастания вто­ричного напряже­ния. В совре­менных системах эта скорость лежит в пределах 200- 700 В/мкс.

После пробоя искрового промежутка вторичное напряже­ние резко уменьшается (рис. 2). При этом в искровом промежут­ке сначала искра имеет емкост­ную фазу, связанную с разрядом емкостей на промежуток, а затем индуктивную, во время которой в искре выделяется энергия, накопленная в магнитном поле катушки. Емкостная составляю­щая искры обычно кратковре­менна, очень ярка, имеет голубоватое свечение. Сила тока в искре велика даже при малом количестве протекающего в ней электричества. Индуктивная составляющая отличается значительной продолжительностью, небольшой силой тока, большим количеством электричества и неярким красноватым свечением. Осциллограмма вторичного напряжения, соответствующая рис. 2, является признаком нормальной работы системы зажигания. О нормальной работе свидетельствует и вид искры между электродами свечи. В исправной системе она имеет яркое ядро, окруженное пламенем красноватого цвета.

Системы зажигания по своим конструктивным и схемным выполнениям делятся на контактную систему (ее называют классической), контактно-транзисторную и бесконтактную электронные си­стемы зажигания.

Контактная система зажигания

В контактной системе зажигания (рис. 3) коммутация в первичной цепи за­дания осуществляется механическим кулачковым прерывательным механизмом. Кулачок прерывателя связан с коленчатым валом двигателя через зубчатую или зубчато-ременную передачу, причем частота вращения вала кулачка вдвое меньше частоты вращения вала двигателя. Угол опережения зажигания устанавливается изменением положения кулачка относи­тельно приводного вала или углового положения пластины прерывателя, на которой закреплена ось его подвижного рычажка. Время замкнутого и разомкнутого состояния контактов определяется конфигурацией кулачка, частотой вращения и зазором между контактами.

Закономерность изменения угла опережения зажигания по частоте вращения коленчатого вала двигателя и его нагрузке различна для разных типов двигателя и подбирается экспериментально. Однако во всех случаях с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается скорость движения поршня, и для того, чтобы смесь успела сгореть при увеличении частоты вращения угол опережения зажигания должен быть увеличен. Для изменения положения кулачка относительно приводного вала в зависимости от частоты вращения служит центробежный регулятор. Своеобразным датчиками частоты вращения в регу­ляторе являются грузики, оси вращения которых закреплены на пластине связанной с приводным валом. Под действием центробежной силы, зависящей от частоты вращения, грузики стремятся разойтись и повернуть траверсу, жестко связанную с кулачком, при этом центробежная сила преодолевает силу противодействующей пружины.

С увеличением нагрузки двигателя, т.е. с увеличением угла открытия дроссельной заслонки, наполнение цилиндров и давление в конце такта сжатия уве­личивается, процесс сгорания ускоряется. Следовательно, с увеличением от­крытия дроссельной заслонки угол опережения зажигания должен уменьшаться. Изменение угла опережения зажигания по нагрузке двигателя осуществляет вакуумный регулятор. Вакуумная камера регулятора соединена со впускным трактом дви­гателя за дроссельной заслонкой. При увеличении нагрузки дроссельная заслонка открывается, давление за ней снижается, и гибкая мембрана через шток поворачивает пластину с контактным механизмом относительно кулачка в сто­рону уменьшения угла опережения зажигания. Максимальный угол опережения зажигания по нагрузке также ограничивается упором и лежит в пределах 15-25º по углу поворота коленчатого вала. В реальной эксплуатации центробежный и вакуумный регуляторы работают совместно.

Если октановое число топлива не соответствует степени сжатия двигателя, то даже при оптимальной установке угла опережения зажигания, соответствующей максимальной мощности двигателя, в нем может возникнуть детонация - чрезвычайно быстрое сгорание рабочей смеси, подобное взрыву. Для предотвращения детонации служит октан-корректор, позволяющий вручную повернуть корпус прерывателя-распределителя в ту или другую сторону. При применении топлива с меньшим октановым числом корпус поворачивается в сторону уменьшения угла опережения зажигания.

Добавочный резистор R (рис. 3) служит для защиты первичной цепи катушки зажигания от токовой перегрузки, возможной на малой частоте вращения коленчатого вала, а также при неработающем двигателе. При этом на катушку подается напряжение 7– 8 В, на которое она и рассчитана.

При пуске двигателя и включении стартера добавочный резистор закорачивается и, тем самым, устраняется влияние снижения напряжения в цепи катушки зажигания.

Добавочный резистор выполняется из никелевой или константановой проволоки, имеет сопротивление 1–1,9 Ом и располагается либо на катушке зажигания, либо отдельно. Сопротивление никелевого резистора с ростом силы тока возрастает. В цепях, где напряжение при пуске понижается мало, добавочный резистор не применяется.

Распределительный механизм, который объединен в один узел «прерыватель-распределитель» с прерывателем, подводит вывод вторичной обмотки катушки зажигания через контактный уголек к вращающемуся электроду (бегунку), установленному на одном валу с кулачком прерывателя. При вращении ротора высокое напряжение последовательно через воздушный промежуток в 0,5 мм поступает на электроды распределителя и по высоковольтным проводам подается на свечи. Мо­мент прохождения бегунка мимо каждого электрода распределителя синхрони­зирован с размыканием контактов прерывателя.

Зависимость вторичного напряжения от величины емкости С1 конденсатора, включаемого параллельно контактам прерывателя и служащего для формирования импульса напряжения в первичной цепи катушки зажигания, характеризуется формулой (1).

Время замкнутого состояния контактов прерывателя определяется выражением: , (2)

где п_кв – частота вращения коленчатого вала двигателя (об/мин);

z – число цилиндров двигателя;

k – коэффициент, зависящий от профиля кулачка (k = 0,8 – 0,9).

Условия формирования импульса, при котором энергия электрической дуги достаточна для воспламенения в межэлектродном пространстве свечи топливо-воздушной смеси, будут соблюдены, если процесс в первичной цепи катушки зажигания носит колебательный характер. Это происходит, если величина волнового сопротивления >> R_1∑/2,

где L – индуктивность первичной обмотки катушки зажигания;

С – емкость в цепи первичной обмотки катушки зажигания;

R_1∑ – суммарное сопротивление первичной цепи катушки зажигания.

Характер процесса в цепи первичной обмотки катушки зажигания в момент разрыва контактов можно установить по то процесс носит колебательный характер.

При росте частоты вращения время замкнутого состояния контактов уменьшается. Для того, чтобы магнитная энергия, которая накапливается в катушке, зажигания была достаточна для формирования электрической дуги величина тока первичной обмотки катушки зажигания в момент разрыва контактов должна быть близка уровню . В этом случае время замкнутого состояния контактов t_ЗАМ >3,

где – постоянная времени первичной обмотки катушки зажигания.

Обычно емкость конденсатора С1 лежит в пределах 0,17-0,35 мкФ. При малой величине емкости С1 энергия дуги низка, а ее увеличение приводит к снижению вторичного напряжения, поэтому конденсатор подбирается к каждой системе индивидуально. Амплитуда вторичного напряжения сни­жается также с ростом емкости вторичной цепи С2, согласно выражению (1). Это создает проблему в случае применения экранированной системы, предназначенной для снижения уровня радиопомех, создаваемых системой зажигания, так как экранирование вызывает повышение вторичной емкости. В ряде случаев отказываются от применения экранирования и используют высоковольтные провода с распределен­ным сопротивлением (2-15 кОм/м).

Табл.1. Характеристики катушек зажигания

Катушки	Первичная обмотка		Вторичная обмотка		Коэффициент трансформации	Добавочный резистор
	Сопротив-ление, Ом	Индуктив-ность, мГн	Сопротив-ление, кОм	Емкость, пФ
Б114	0,37 - 0,41	3-3,3	21,5-23	31-36	227	СЭ107
Б115	1,86 - 2	9,3-9,8	8,3-9,2	38-44	68	Б115
Б116	0,78 - 0,79	5,4-5,6	15,6	55-57	153	СЭ107
Б117	3,1 - 3,3	10-11	6,3-9,2	44-47	78,5	_
Б118*	0,72 - 0,73	5,6-5,8	15	55-57	115	СЭ107
27.3705	0,4 - 0,5	3,7-3,8	4,5-5,5	31	82	_
29.3705	0,45 - 0,55	4,1-4,4	11	37	90	–
30.3705	0,4 - 0,55	5,6-6,2	6,3-6,4	24	70	–

*- экранированное исполнение.