Воспламенение рабочей смеси может проис­ходить двумя способами — принудительным образом от искрового разряда и самовос­пламенением от сжатия. При принудительном воспламенении рабочей смеси (принудитель­ном зажигании) смесь воспламеняется с по­мощью искрового разряда от свечи зажигания, что типично для бензиновых двигателей. При самовоспламенении смесь нагревается до тем­пературы воспламенения посредством сжатия в цилиндре без дополнительного подвода энер­гии извне в камеру сгорания. Если в цилиндре сжимается воздух, то при сжатии он нагревается настолько, что воспламенение происходит по­сле впрыскивания топлива в камеру сгорания. Принцип самовоспламенения смеси от сжатия используется в дизельных двигателях и изредка встречается в бензиновых двигателях.

 

Принудительное зажигание

 

Один из первых двигателей Жана Этьена Ле-нуара уже был оснащен системой электри­ческого принудительного зажигания смеси. Это индукционное устройство вырабатывало электрический ток, и вследствие электриче­ского искрового разряда (искры) в цилиндре зажигалась смесь газа с воздухом.

Николаус Август Отто сначала разрабо­тал для своего двигателя систему факель­ного зажигания. Следующим типом зажигания стала система воспла­менения смеси от трубки накаливания. Небольшая трубка, открытая со стороны камеры сгорания, нагревалась снаружи от постоянно работавшей запальной горелки (рис. «Воспламенение рабочей смеси от трубки накаливания»). Во время сжатия рабочая смесь направлялась к раскаленной трубке накали­вания, от соприкосновения с поверхностью которой и зажигалась.

В 1884 году Отто изобрел систему низ­ковольтного зажигания «на отрыв». Внутрь камеры сгорания двигателя вдавался изолированный от цилиндра палец с прижа­тым к нему размыкающим рычагом. Магнето низкого напряжения вырабатывало электри­ческий ток, подававшийся на палец и рычаг. В момент, необходимый для воспламенения смеси в цилиндре, размыкающий рычаг от­водился от изолированного пальца. Возникавшая при размыкании контактов искра воспламеняла рабочую смесь.

В начале XX столетия компания «Bosch» разработала высоковольтную систему за­жигания. Этот принцип и сегодня использу­ется в бензиновых двигателях. В данных си­стемах посредством высокого напряжения образуется искровой разряд (искра), что вы­зывает экзотермическую реакцию рабочей смеси в камере сгорания.

 

Самовоспламенение смесей

 

Высокая степень сжатия, характерная для дизельных двигателей, позволяет во время сжатия нагревать воздух в цилиндре выше температуры, необходимой для воспламене­ния дизельного топлива. Когда поршень на­ходится недалеко от верхней мертвой точки, дизельное топливо впрыскивается в сильно сжатый и нагретый воздух, от чего оно само­стоятельно воспламеняется.

В случае низкой температуры окружаю­щей среды воздух при сжатии нагревается недостаточно из-за потерь тепла через по­верхность цилиндра, поэтому впрыскивае­мое дизельное топливо может не воспламе­няться. Для такого случая в головке блока цилиндров установлены штифтовые или проволочные свечи накаливания (рис. «Свечи накаливания»), каждая из которых выходит внутрь камеры сгорания. Перед пуском двигателя свечи на­каливания включаются на короткое время (до одной минуты, в зависимости от необхо­димости), подогревая воздух в камерах сго­рания. После этого исправный двигатель пу­скается уже после нескольких оборотов вала стартера. Штифтовая свеча накаливания менее чувствительна к качеству топлива, ее мощность накала и поверхность излучения тепла больше по сравнению с проволочной свечой накаливания.

 

Задержка воспламенения

 

В дизельном двигателе продолжительность задержки воспламенения означает период между началом впрыскивания и воспламе­нением. Задержка воспламенения увеличи­вается экспоненциально вместе с растущей температурой заряда смеси и может компенсироваться до определенной степени только переносом момента впрыскивания топлива на более ранний срок при холодном двигателе.

В бензиновом двигателе между образо­ванием искры зажигания и экзотермическим сгоранием смеси также существует отрезок времени, который называется задержкой воспламенения.

Начало сгорания смеси в дизельном дви­гателе можно определить по резкому нарас­танию давления, которое значительно отли­чается от характера изменения давления без сгорания (рис. «Задержка воспламенения рабочей смеси в дизельном двигателе»). Длительность задержки воспламенения составляет около 1/1000 с. Во время задержки воспламенения топливо распространяется в воздухе, сжатом с каме­ре сгорания. Оно испаряется, и происходят предварительные химические реакции. За­держка воспламенения зависит, кроме всего прочего, от температуры. В частности, важ­ны следующие условия:

• Тип топлива: дизельное топливо со­стоит из крупномолекулярных углево­дородных соединений, которые быстро распадаются и приводят к небольшой задержке воспламенения. Бензин, осо­бенно высокооктановый, состоит из углеводородных соединений, обеспечи­вающих большую задержку воспламе­нения;
• Температура и давление: при увеличе­нии температуры и возрастании давле­ния задержка воспламенения уменьша­ется.

 

В дизельном двигателе предпочтитель­ной является короткая задержка воспламе­нения, для того, чтобы поступающее дизель­ное топливо начало гореть с момента начала впрыскивания. При этом влияние на характер изменения давления сгорания оказывается путем дозирования впрыскивания топлива. Большая задержка воспламенения приведет к резкому, взрывному сгоранию поступающе­го топлива. В этом случае наблюдается резкое нарастание давления с соответствующим по­вышением уровня шума работы двигателя.

В бензиновом двигателе, наоборот, пред­почтительной является большая задержка воспламенения, чтобы избежать преждев­ременного неравномерного сгорания смеси.

 

Двигатели с принудительным воспламенением рабочей смеси

 

С момента своего появления системы зажи­гания для принудительного воспламенения рабочей смеси делятся на две группы: систе­мы батарейного зажигания и системы зажи­гания от магнето.

Системы зажигания от магнето применя­ются на сегодняшний день только в небольших и экономичных двигателях, чаще всего стацио­нарных. Искрообразование, необходимое для воспламенения рабочей смеси, происходит благодаря энергии магнето — компактного генератора переменного тока с механическим приводом. Обычно системы зажигания от маг­нето используются на двигателях, в системе электрооборудования которых для снижения веса отсутствует аккумуляторная батарея, а пуск двигателя осуществляется с помощью механического привода.

Системы батарейного зажигания, в со­ответствии с названием, работают в сочета­нии с электрооборудованием, включающем в себя аккумуляторную батарею. Такие си­стемы способны обеспечивать искрообразо­вание на любых режимах работы двигателя, а наличие аккумулятора позволяет осущест­влять пуск двигателя от электростартера.

Долгое время бензиновые двигатели лег­ковых автомобилей и мотоциклов оснащались индуктивной (контактной) системой зажига­ния от высоковольтной катушки (бобины), но в середине 70-х годов прошлого века развитие систем электрооборудования автомобиля спо­собствовало постепенной замене механиче­ских деталей индуктивной системы зажигания на электронные. Так появились транзисторная индуктивная система зажигания и высоко­вольтная конденсаторная система зажигания. Эти совершенные электронные системы не имеют движущихся деталей, подверженных механическому износу, и, как следствие, не требуется частое техническое обслуживание и регулировка системы зажигания.

Электронные системы зажигания кон­струируются таким образом, чтобы вторич­ное напряжение в системе лишь незначительно возрастало при увеличении частоты вращения коленчатого вала и вырабатыва­лось достаточно энергии, необходимой для воспламенения рабочей смеси. С помощью управления характеристиками двигатель может работать с полной нагрузкой во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала при обеспечении оптимальных момен­тов искрообразования.

 

Контактная система зажигания

 

В контактной (индуктивной) системе зажи­гания для выработки высокого напряжения, необходимого для искрообразования, ис­пользуется высоковольтная катушка (боби­на), у которой первичная обмотка состоит из нескольких витков толстой проволоки, а вторичная обмотка — из большого коли­чества витков тонкой проволоки. Индуктив­ные напряжения на обеих обмотках зависят от числа витков, поэтому при относительно низком напряжении в первичной обмотке на вторичной обмотке возникает очень вы­сокое напряжение, необходимое для эффек­тивного искрообразования.

Наряду с высоковольтной катушкой для индуктивной системы зажигания необхо­димыми составляющими являются аккумуляторная батарея, выключатель зажигания, прерыватель, распределитель, конденсатор и свечи зажигания по числу цилиндров дви­гателя (рис. «Индуктивная (контактная) система зажигания»). В особых случаях использу­ется по две свечи зажигания на цилиндр.

Для образования искры на свече зажига­ния необходимо, чтобы электрический ток в нужный момент прерывался в первичной обмотке катушки зажигания. В этом случае магнитное поле первичной обмотки раз­рушается и индуцируется соответствующее высокое напряжение во вторичной обмотке. Для прерывания электрического тока слу­жит прерыватель. Его контакты удержива­ются в замкнутом состоянии до наступления момента зажигания рабочей смеси в очередном цилиндре. В этот момент вращающийся кулачок размыкает контакты прерывателя. В тот же момент ротор распределителя за­жигания должен замкнуть в распределителе контакты между вторичной обмоткой вы­соковольтной катушки и свечой зажигания соответствующего цилиндра. Для обеспе­чения согласованной работы прерывателя и распределителя их обычно объединяют в единый агрегат — прерыватель-распреде­литель, на корпусе которого крепится и кон­денсатор. Наличие контактов прерывателя привело к тому, что такую систему часто на­зывают контактной системой зажигания.

Индуктивное напряжение в первич­ной цепи системы зажигания составляет около 350 В, а напряжение во вторичной цепи, получаемое в результате, достигает примерно 25 кВ при соотношении чисел витков обмоток, равном 70. Часто поэтому первичную цепь называют цепью низкого напряжения, а вторичную — цепью высо­кого напряжения.

Длительность замкнутого состояния кон­тактов прерывателя выражается в градусах и называется угол замкнутого состояния контактов. Величина этого угла зависит от геометрических параметров кулачка и отре­гулированного зазора в контактах прерыва­теля. Более того, угол замкнутого состояния контактов уменьшается при увеличиваю­щейся частоте вращения коленчатого вала, так как частота вращения распределитель­ного вала также увеличивается, а преры­ватель-распределитель приводится в дей­ствие именно от распределительного вала двигателя. Так как увеличение силы тока в первичной обмотке происходит не вне­запно, а стремится асимптотически к своему максимальному значению (рис. «Изменение по времени силы тока в первичной цепи»), конеч­ное значение силы тока первичной цепи уменьшается при уменьшении угла замкну­того состояния контактов, а магнитное поле катушки зажигания к моменту размыкания контактов прерывателя слабеет.

Вследствие ослабления магнитного поля снижается напряжение во вторичной цепи системы зажигания. Принципиальное из­менение напряжения во вторичной цепи в зависимости от частоты вращения колен­чатого вала показано на рис. «Напряжение во вторичной цепи системы зажигания». При низкой частоте вращения во время размыкания контактов прерывателя может возникнуть паразитная искра, которая задерживает разрушение магнитного поля в катушке зажигания, что приводит к снижению на­пряжения во вторичном контуре. Обычно паразитная искра при размыкании контак­тов подавляется с помощью конденсатора.

Как следствие, происходит быстрое разру­шение магнитного поля с соответствующим высоким напряжением во вторичной цепи системы зажигания.

Даже при высокой частоте вращения коленчатого вала можно наблюдать допол­нительное падение напряжения, вызванное вибрацией контактов прерывателя. Макси­мальная частота искрообразования огра­ничивается величиной приблизительно 1800 искр/мин.

 

Транзисторная система зажигания

 

Недостат­ком традиционной контактной (индуктивной) системы за­жигания является само наличие контактов прерывателя и зависимость силы тока вы­соковольтной катушки от частоты вращения коленчатого вала и, соответственно, вала привода прерывателя-распределителя. Эта зависимость точно определяется геометриче­скими параметрами кулачка распределителя.

Улучшить ситуацию можно путем использова­ния транзистора для прерывания тока в пер­вичной цепи (рис. «Контактно-транзисторная индуктивная система зажигания»). При этом не допускает­ся нежелательное искрообразование, а сила тока в первичной цепи может повышаться, что при одновременном снижении числа вит­ков первичной обмотки способствует быстро­му созданию магнитного поля. Как следствие спад напряжения во вторичной цепи системы зажигания при растущей частоте вращения становится незначительным (рис. «Изменение по времени силы тока в первичной обмотке высоковольтной катушки индуктивной и транзисторно­-индуктивной»). Включение транзистора происходит посредством тока управления. Когда ток управления подается на транзистор, тот от­крыт для тока первичной цепи. Если ток управления прерывается, прерывается и ток первичной цепи. Управление током первич­ной цепи осуществляется первоначально посредством уже известных контактов пре­рывателя, что также используется в индук­тивной системе зажигания. Так как сила тока управления значительно меньше, чем сила тока первичной цепи, все указанные недо­статки в данном случае становятся незна­чительными. Такая конструкция называется контактно-транзисторной индуктивной системой зажигания.

В современных системах зажигания ток управления генерируется с помощью датчи­ка импульсов. В этом случае речь идет о бес­контактной транзисторной индуктивной системе зажигания. Так как здесь нет ме­ханических контактов, нет и необходимости проводить техническое обслуживание. Кро­ме того, в данной системе момент зажигания будет точно обеспечиваться электроникой.

В качестве электрического датчика им­пульсов используется индукционный датчик или датчик Холла. Индукционный датчик состоит из постоянного магнита и стального ротора (рис. «Индукционный датчик»). Ротор установлен на валу распределителя зажигания. При вращении изменяется зазор между сердечниками из магнито-мягкой стали и зубцами ротора, что приводит к изменениям магнитного потока, идущего через индукционную обмотку. В ин­дукционной обмотке индуцируется пере­менное напряжение, которое после преоб­разования в других устройствах служит для управления транзистором.

 

 

Индукционный датчик может устанавли­ваться непосредственно на коленчатый вал или рядом с зубчатым венцом маховика; в по­следнем случае сигнал датчика должен преоб­разовываться в отвечающий числу цилиндров периодический ток управления при помощи соответствующего электронного устройства.

Преимуществом данного типа установки яв­ляется точное по времени возбуждение напря­жения во вторичной цепи системы зажигания, так как исключены производственные допуски и износ привода распределителя зажигания.

В датчике Холла используется эффект Холла, названный в честь его первооткрыва­теля: если ток, течет в электрическом проводнике, который пронизывается магнитным полем, электроны отклоняются вертикально в направлении тока и магнитного поля. Осо­бенно четко можно увидеть эффект Холла в полупроводнике. На рис. «Датчик Холла» в слое Холла вверху царит избыток электронов, а внизу недостаток электронов. Благодаря этому на датчике Холла снимается напряжение. Если магнитное поле, например, прерывается обтюратором, напряжение Холла ослабе­вает. Периодическая смена напряженности магнитного поля, вызванная вращающимся обтюратором, может использоваться для определения частоты вращения.

 

 

Часто на двигатель устанавливается диффе­ренциальный датчик Холла. В этом случае вслед­ствие изменения профиля боковой поверхно­сти магнитного зубчатого диска импульсного датчика вырабатываются два сигнала, которые дифференцировано усиливаются и становятся более чувствительными к помехам.

Напряжение Холла используется после преобразования и усиления с помощью дру­гих электронных устройств для управления транзистором.

Фактическое напряжение во вторич­ной цепи и энергию, необходимую для вос­пламенения рабочей смеси, можно увели­чить с помощью электронной регулировки угла замкнутого состояния контактов. Без регулировки данный угол будет иметь по­стоянную величину, а достигнутая сила тока первичной цепи будет уменьшаться при увеличении частоты вращения колен­чатого вала или снижающемся напряже­нии батареи. Как следствие, уменьшаются энергия, необходимая для воспламенения рабочей смеси, и напряжение во вторич­ной цепи системы зажигания. С помощью электронной регулировки величина угла замкнутого состояния контактов варьиру­ется в соответствии с условиями работы двигателя, таким образом всегда обеспе­чивается необходимая сила тока в пер­вичной цепи (рис. «Изменение по времени силы тока в первичной цепи системы зажигания с регулировкой угла замкнутого состояния контактов и без нее»).

 

 

При этом энергия, необходимая для воспламенения рабочей смеси, и напряжение во вторичной цепи системы зажигания остаются высокими. Регулировка возможна только в ограни­ченных пределах, так как слишком боль­шое увеличение угла опережения зажига­ния сможет снизить продолжительность искрового разряда, и, как следствие, на­дежное воспламенение смеси не может гарантироваться.            При использовании полностью электронной системы зажига­ния ротор распределителя зажигания так­же заменяется электронным устройством. При этом обеспечиваются следующие пре­имущества:

• Отсутствие износа механических деталей; отсутствие паразитных электромагнит­ных волн вследствие искрового пере­крытия в распределителе зажигания;
• Простая конструкция, так как отсутствует механический привод прерывателя-рас­пределителя.

 

В системах зажигания без механического распределителя, управляемых транзисто­ром, чаще всего устанавливаются одноискровые катушки зажигания. В этом случае каждый цилиндр оборудован отдельной катушкой зажигания, которая насажива­ется непосредственно на свечу зажигания. Такая катушка состоит из первич­ной и вторичной обмоток, расположенных друг над другом, и наборного пластинчатого сердечника из электротехнической стали, замыкающегося с помощью магнита. Вся конструкция залита эпоксидной смолой. Преимуществами являются точная управ­ляемость и компактность устройства, что важно при ужесточенных предельных огра­ничениях содержания вредных примесей в отработавших газах и повышенных требо­ваниях к системам диагностики.

Для подавления искровых помех при по­даче тока, которые могут содействовать пере­боям в зажигании, необходимо установить диод высокого напряжения во вторичной цепи. Далее необходимо позаботится о том, чтобы подавление помех в катушке зажигания происходило самостоятельно. При замене так называемой «индивидуальной катушки зажи­гания» на длинный тянутый магнитопровод уменьшается пространство, необходимое для размещения катушки зажигания.

В последние годы широкое распростра­нение получили многоискровые катушки зажигания, рассчитанные на работу сразу с двумя или четырьмя свечами зажигания. Рассмотрим принцип работы двухискровой катушки зажигания, которая имеет два высоковольтных вывода, к каждому из которых подсоединяется одна свеча зажи­гания. В четырехцилиндровом двигателе обычно к одной катушке подключают свечи зажигания первого и четвертого цилиндров, а к другой — второго и третьего цилиндров. Соответственно, при срабатывании высоко­вольтной катушки обе подключенные свечи зажигания начинают искрить одновременно. При этом в одном цилиндре искра подается на свечу зажигания к началу рабочего хода, в то время как в другом свеча зажигания срабатывает «вхолостую» при выпуске отра­ботавших газов, индуцируя слабую опорную искру. На рис. «Порядок работы электронной системы зажигания с двухискровыми катушками зажигания в четырехцилиндровом» этот процесс показан на примере четырехцилиндрового четырех­тактного двигателя. Обе катушки зажигания индуцируют одну искру зажигания за один оборот коленчатого вала.

 

 

К преимуществам бесконтактной транзи­сторной системы зажигания по сравнению с контактной системой зажигания можно от­нести:

• Отсутствие необходимости в обслуживании;
• Постоянство момента искрообразования;
• Незначительное снижение напряжения во вторичной цепи системы зажигания и количества энергии, необходимой для воспламенения рабочей смеси при увеличении частоты вращения коленча­того вала;
• Максимальная частота искрообразования может достигать 30000 искр/мин.

 

Новые разработки приводят к созданию компактных систем с незначительными по­терями. В дальнейшем будут использоваться системы, позволяющие оценить параметры сгорания рабочей смеси путем измерения ион­ного тока непосредственно после зажигания.

 

Конденсаторная система зажигания

 

В качестве альтернативы транзисторной системе зажигания разраба­тываются плазменные и лазерные системы зажигания, но вследствие высоких затрат на изготовление они пока не используются. Преимуществом лазерной системы зажига­ния является, в частности, гибкий выбор точ­ки воспламенения рабочей смеси в камере сгорания, что осуществляется посредством фокусировки лазерного луча. Особое пре­имущество данная система представляет для бензиновых двигателей, в которых на­чало сгорания рабочей смеси инициируется в струе впрыскиваемого топлива. При этом задержка воспламенения незначительна, в результате повышается коэффициент полез­ного действия двигателя и снижается уровень вредных примесей в отработавших газах.

При использовании в спортивных сорев­нованиях высокофорсированных двигателей приходится сталкиваться с сильным загрязнением маслом и нагаром основания изолято­ров свечей зажигания. В этом случае часто ис­пользуют высоковольтную конденсаторную систему зажигания, схематическое устрой­ство которой представлено на рис. «Высоковольтная конденсаторная система зажигания».

 

 

Здесь функцию аккумулятора энергии выполняет конденсатор, который разряжа­ется через первичную обмотку, при этом во вторичной обмотке индуцируется высо­кое напряжение. Трансформатор высокого напряжения работает быстро и с малыми потерями. По сравнению с транзисторной индуктивной системой зажигания здесь по­вышение вторичного напряжения на поря­док выше, около 3000 В/мкс — против 400 В/ мкс. Вследствие значительно более быстро­го повышения вторичного напряжения поте­ри энергии на свече зажигания, которые мо­гут возникнуть вследствие вышеупомянутых загрязнений, остаются незначительными.

Малая длительность индуктивной фазы искрового разряда, напротив, отрицатель­но влияет на воспламенение рабочей смеси с помощью высоковольтного конденсатора, в особенности, при неоднородной смеси; это может привести к перебоям в зажигании (рис. «Длительность индуктивной фазы искрового разряда в высоковольтной
конденсаторной и индуктивной системах зажигания»). Для решения данной проблемы можно использовать систему зажигания с переменным напряжением. В этом случае длительность искрового разряда увеличи­вается, при этом образуется колебательный контур из конденсатора и трансформатора высокого напряжения. После образования длительность искрового разряда поддержи­вается с помощью энергии, сохраненной во вторичной обмотке катушки зажигания, в то время как конденсатор вновь заряжается.

 

 

Спад напряжения во вторичной цепи высоковольтной конденсаторной системы зажигания с увеличением частоты вращения коленчатого вала в любом случае меньше, чем в индуктивной системе зажигания.

Можно подвести следующие итоги:

• Индуктивная система зажигания использу­ется только в старых двигателях. Она была полностью вытеснена транзисторной ин­дуктивной системой зажигания. Зажигание с помощью высоковольтного конденсато­ра используется только в особых случаях, например, когда следует опасаться пере­боев искрообразования вследствие силь­ного загрязнения свечей зажигания.
• Полностью электронная транзисторная индуктивная система зажигания не требует обслуживания; момент новообра­зования сохраняется без последующей регулировки.
• Полностью электронная транзисторная индуктивная система зажигания предо­ставляет возможность регулировки угла замкнутого состояния контактов, при котором напряжение во вторичной цепи системы зажигания остается всегда высо­ким независимо от частоты вращения ко­ленчатого вала. При этом вырабатывает­ся достаточно энергии, необходимой для воспламенения рабочей смеси. Вслед­ствие этого даже бедные смеси бензина и воздуха хорошо воспламеняются.