Транзисторная индуктивная система зажигания

Недостатком традиционной 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.

Рис. Контактно-транзисторная индуктивная система зажигания

Улучшить ситуацию можно путем использования транзистора для прерывания тока в первичной цепи. 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 (черный график) и транзисторно-индуктивной (красный график) систем зажигания

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: 1 — постоянный магнит; 2 — сердечник из магнитомягкой стали с индукционной обмоткой; 3 — изменяемый воздушный зазор; 4 — ротор; 5 — зубцы ротора

Ротор установлен на валу распределителя зажигания. При вращении изменяется зазор между сердечниками из магнитомягкой 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.

Рис. Датчик Холла:

1. Обтюратор
2. Магнитомягкая электропроводящая деталь
3. Слой Холла
4. Воздушный зазор

• U — Напряжение Холла

На рисунке 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. При этом энергия, необходимая для воспламенения рабочей смеси, и напряжение во вторичной цепи системы зажигания остаются высокими.

Рис. Изменение по времени силы тока в первичной цепи системы зажигания с регулировкой угла замкнутого состояния контактов и без нее

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 так-же 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.

Рис. Одноискровая катушка зажигания производства фирмы «Bosch»

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.

Рис. Стержневая катушка зажигания производства фирмы «Bosch»

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 цидиндров, 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.

Рис. Порядок работы электронной системы зажигания с двухискровыми катушками зажигания в четырехцилиндровом четырехтактном двигателе

На рисунке 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.