Системы пуска и зажигания

Система пуска

Стартер

На современных автомобилях для проворачивания коленчатого вала двигателя при пуске используют электродвигатели постоянного тока — стартеры.

В связи со значительной мощностью, потребляемой стартером от аккумуляторной батареи, отраслевым стандартом ОСТ.003.084—88 рекомендован кратковременный режим работы стартеров с длительностью включения до 10 с при температуре 20 °С.

В случае низких температур допускается длительность работы стартеров до 15 с для карбюраторных двигателей и до 20 с — для дизелей.

Схема электростартерного пуска двигателя
1 — стартер в сборе с элементами управления, 2 — аккумуляторная батарея, 3 — выключатель, 4 —электродвигатель, 5—тяговое реле, 6—контактный диск, 7 — обмотка электромагнита, 8 — якорь, 9 — возвратная пружина, 10 — приводной механизм, 11 — рычаг, 12 — шестерня, 13 — маховик двигателя

Тяговое реле стартера — электромагнитное устройство, тогда как соединение стартера с приводным редуктором осуществляется с помощью механического устройства Тяговое реле обеспечивает дистанционное включение стартера, являясь одновременно элементом как приводного механизма, так и устройства подключения стартера к аккумуляторной батарее после присоединения якоря стартера к редуктору, связывающему его с коленчатым валом двигателя Тяговое реле состоит из тягового электромагнита с обмоткой 7 и якорем 8.

Стартеры классифицируют по способу возбуждения электродвигателя (последовательное, смешанное или от постоянных магнитов), конструкции коллектора (радиальным (цилиндрический) или с торцевым расположением щеток), типу механизма привода, способу крепления на двигателе, степени защиты от внешних воздействий.

На автомобилях ВАЗ-2108 и ВАЗ-2109 устанавливают стартеры смешанного возбуждения с торцевым расположением щеток коллектора. Коллектор — наиболее ответственный узел электродвигателя. Он подвергается большим механическим, электрическим и тепловым нагрузкам. Коллектор выполнен в виде пластмассового диска, в котором залиты медные контактные пластины. Поверхность коллектора, контактирующая со щетками (рабочая поверхность), расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения якоря.

Электростартер с торцевым расположением щеток:
1— вал якоря; 2 и 3 — соответственно замковое и упорное кольца; 4 — шестерня; 5 — рычат привода; 6— тяга реле; 7—заглушка; 8— обмотка возбуждения; 9 — якорь тягового реле; 10 и 15 — корпус и крышка тягового реле; 11 и 12 — удерживающая и втягивающая обмотки; 13 — сердечник втягивающего реле; 14 — подвижный контакт; 16— контактные болты; 17 — бандаж обмотки якоря; 18 — обмотка якоря; 19 — защитный кожух; 20 — щетка; 21 — подшипник скольжения; 22 — торцевой коллектор; 23 — коллекторная крышка; 24 — якорь стартера; 25 — корпус; 26— поводковая муфта; 27 — передняя крышка; 28 — роликовая муфта свободного хода

Включение осуществляется по наиболее короткой электрической цепи, позволяющей использовать медные провода большого сечения во избежание потерь энергии на сопротивление проводов при больших токах, потребляемых стартером. Эти токи не в состоянии пропустить через себя контакты замка зажигания или промежуточного реле стартера, которое включается через замок зажигания. В начале включения стартера необходимо большое усилие для втягивания якоря тягового реле, поэтому обмотка электромагнита содержит две секции — втягивающую и удерживающую.

Система управления включением стартера:
GB — аккумуляторная батарея; Я — якорь стартера; ОВ — обмотка возбуждения стартера; ВО — втягивающая обмотка реле; УО — удерживающая обмотка реле; А — средняя точка; S₃ — контакт замка зажигания; К_с — реле стартера; SK_с— контакты реле стартера; SK_т — контакты тягового реле

Муфты свободного хода

Муфта свободного хода передает крутящий момент от вала стартера к коленчатому валу двигателя во время пуска, а после пуска двигателя работает в режиме обгона и автоматически разъединяет стартер и двигатель.

На современных стартерах отечественных автомобилей распространены в основном роликовые или плунжерно-роликовые муфты.

В роликовых муфтах свободного хода используется явление заклинивания роликов в пазах переменной ширины вследствие возникновения сил трения в сопряженных деталях. Надежный контакт роликов с рабочими поверхностями клиновидного пространства осуществляется прижимным устройством, состоящим из цилиндрической пружины или пружины и плунжера.

Роликовые муфты свободного хода:
а — трехроликовая; б — четырехроликовая; 1 — ролик; 2 — плунжер; 3— пружина; 4 — внутренняя (ведомая) обойма; 5 — наружная обойма; 6 — стопорное кольцо; 7— упорное кольцо; 8 — пружина; 9 — поводковая муфта; 10— замковое кольцо; 11— буферная пружина; 12 — шлицевая направляющая; 13 — центрирующее кольцо; 14— войлочное кольцо; 15 — кожух муфты; 16— шестерня; 17— вкладыш

Система зажигания

Рабочая смесь (бензин—воздух) в цилиндрах карбюраторного двигателя (или двигателя с впрыском топлива) воспламеняется электрической искрой, образующейся между электродами свечи зажигания.

В настоящее время на бензиновых автомобильных двигателях применяют в основном батарейную систему зажигания, в которой сравнительно простыми техническими средствами можно преобразовать напряжение аккумуляторной батареи (или генератора) в импульсное высоковольтное напряжение, достаточное для возникновения электрического разряда в свече.

Контактная система зажигания.

Наиболее простой батарейной системой зажигания является контактная система.

Батарейная система зажигания:
а — электрическая схема; б— графики изменения силы тока и напряжения в обмотках катушки зажигания, характеризующие процессы за один цикл работы прерывателя; 1 — аккумуляторная батарея; 2 — замок зажигания; 3 — резистор (вариатор); 4— контакты реле стартера; 5 — катушка зажигания; 6— рычажок; 7— пружина; 8— конденсатор; 9 — контакты прерывателя; 10 — подушечка; 11— кулачок; 12 — корпус прерывателя; 13 — бегунок; 14 — центральный электрод; 15— крышка (корпус распределителя); 16— гнезда для свечных проводов; 17 — провода к свечам; 18 — свечи зажигания; R_д — дополнительный резистор; I₁ — ток в первичной обмотке катушки зажигания; I_р — ток разряда; U — напряжение на первичной обмотке катушки зажигания; R — внутреннее сопротивление катушки зажигания; U₂ — напряжение на вторичной обмотке катушки зажигания; U_пp—  напряжение пробоя зазора в свече; U_2max— максимальное напряжение на выходе вторичной обмотки; t —время

Контактно-транзисторная система зажигания. Появление для автомобилей новых двигателей с высокой степенью сжатия (7 ...9) и максимальной частотой вращения коленчатого вала 5000... 8000 мин-1, а также стремление работать на обедненных рабочих смесях для экономии топлива потребовало от системы зажигания больших энергий искрового разряда. Для этого необходимо увеличить силу тока первичной цепи катушки зажигания, которая в настоящее время ограничена условиями работы контактной группы и составляет 3,5...5 А при напряжении 12 В.

Бесконтактная система зажигания. Силовой транзистор, работающий в ключевом (да—нет) режиме, управляется не прерывателем, а от специальных бесконтактных датчиков.

Контактно-транзисторная (а) и бесконтактная (б) системы зажигания:
1 — аккумуляторная батарея; 2— транзистор; 3 — катушка зажигания; 4— распределитель зажигания; 5 — бегунок; 6 — свечи зажигания; 7 — контакты прерывателя; 8—кулачок; 9— выключатель зажигания; 10 — индукционный датчик; R_д — дополнительный резистор; N и S — полюсы магнита

Наиболее распространены магнитоэлектрические датчики.

Схемы, поясняющие принцип действия датчиков для бесконтактной транзисторной системы зажигания:
а — коммутаторного, б — генераторного, в — магнитоэлектрического, 1 — полюсные наконечники, 2 — магнит, 3 — катушка, 4 — якорь, U_вых — напряжение на выходе катушки, а — угол поворота; N и S — полюсы магнитов

Лучшими характеристиками обладают генераторные датчики с числом статорных полюсов, равным числу цилиндров двигателя (рис.  б). При тех же качественных характеристиках, геометрических и динамических параметрах, что и у магнитоэлектрического прибора, этот датчик обеспечивает для каждого положения распределителя магнитного потока средний зазор как сумму всех зазоров между ротором и статором одновременно.

Действие полупроводникового датчика основано на эффекте Холла.

К пояснению возникновения ЭДС Холла — эффекта Холла (а) и схема экранного датчика Холла (б):
1 — ротор; 2 — магнит; 3 — изолирующее основание; 4 — магнитоуправляемая микросхема; 5 — усилитель; А₁и А₂ — электроды, между которыми возникает ЭДС Холла; I_n— ток, проходящий через пластину; N и S — полюсы магнита

Суть эффекта заключается в том, что если полупроводниковую пластину определенного химического состава (арсенид галлия или индия, антимонид индия) поместить в магнитное поле (N—S) так, чтобы силовые линии поля были перпендикулярны плоскости пластины, и через эту пластину пропустить ток In, то между электродами на противоположных гранях A1 И А2 возникает ЭДС Холла.

В датчиках для прерывателей-распределителей системы зажигания автомобиля используется ЭДС Холла, вызванная изменением внешнего магнитного потока, действующего на магнитоуправляемую микросхему. 

Наиболее простой способ использования данного эффекта реализован в датчиках экранного типа.

Прерыватели-распределители

Контактные прерыватели-распределители. Такое название приборы получили потому, что прерыватель и распределитель зажигания практически во всех современных системах зажигания выполнены в одном корпусе. Они располагаются один над другим и приводятся во вращение от одного общего вала, связанного зубчатой передачей с распределительным валом двигателя.

Прерыватель-распределитель классической контактной системы зажигания:
1— угольный электрод; 2 — крышка; 3 — токоразносная пластина; 4 — ротор (бегунок); 5—кулачок; 6 — защелки крышки; 7— эксцентрик (регулировочный винт); 8—подвижный контакт прерывателя; 9 — контактная стойка; 10—опорная пластина контактной группы; 11 — шкала настройки угла опережения зажигания; 12 — вал привода кулачка; 13 — корпус; 14 — стопорный винт; 15 — проводник к контактной группе; 16 — опорный диск; 17 — контактный винт; 18— конденсатор; 19 — корпус вакуумного регулятора опережения зажигания; 20 — ведущая пластина (траверса); 21 — грузики; 22 — стяжная пружина; 23 — штифт грузика; 24 — ось вращения грузиков; 25 — крышка вакуумного регулятора; 26 — прокладка; 27 — штуцер; 28 — пружина; 29 — диафрагма; 30 — тяга; 31 — штифт для тяги; А — центробежный регулятор; Б — вакуумный регулятор; I и II — положения диафрагмы

Бесконтактные прерыватели-распределители. Бесконтактные системы зажигания лишены многих недостатков, присущих контактным классическим системам.

Распределитель системы зажигания с магнитоэлектрическим датчиком:
1— соединительная муфта; 2 — монтажная пластина; 3 — корпус; 4 — масленка; 5 — контакт; 6 — вакуумный регулятор; 7 — крышка распределителя; 8 — электрод; 9 — наружные контакты; 10 — токоразносная пластина; 11— ротор; 12 —втулка; 13 — статор датчика; 14 — стойка; 15 и 17 — шариковые подшипники; 16— центробежный регулятор; 18 — приводной вал; 19 — подшипник скольжения; 20— установочные метки; 21 — магнитный ротор; 22 и 24 — пластины статора; 23 — катушка; 25 и 27 — пластины с полюсными наконечниками для магнита; 26— кольцевой магнит

Прерыватель-распределитель системы зажигания с датчиком Холла:
1 — муфта; 2 — валик; 3 — маслоотражательное кольцо; 4 — сальник; 5 — корпус; 6—втулка; 7— подшипник; 8— неподвижная пластина; 9 — защитныйэкран; 10 — крышка распределителя; 11 — ротор; 12 — винт; 13 — датчик Холла; 14— экран датчика; 15 — втулка; 16— центробежный автомат; 17 — кабельный разъем; 18 — вакуумный регулятор

Коммутаторы

К коммутатору предъявляются следующие требования:

     формирование электрического импульса необходимой величины и длительности в первичной обмотке катушки зажигания;

     формирование управляющего импульса для катушки зажигания в необходимый момент в целях искрообразования в свече в соответствии с формой импульса, поступающего от магнитоэлектрического датчика или датчика Холла;

     поддержание заданного уровня управляющего импульса независимо от колебаний напряжения бортовой сети автомобиля.

По существу, часть схемы датчик—транзистор является простейшим коммутатором.

Коммутатор модели 13.3734 предназначен для работы совместно с магнитоэлектрическим датчиком.

Электрическая схема коммутатора 13.3734:
R1—R10— резисторы; С1—С7— конденсаторы; VT1—VT3— транзисторы; VD1—VD4 — диоды

В последние годы автоэлектроника начинает осваивать выпуск коммутаторов по технологии изготовления больших гибридных интегральных микросхем, представляющих собой толстопленочные микросхемы. Такой коммутатор состоит из одной, двух или более интегральных управляющих микросхем и такого же числа силовых транзисторов. На базе этих сборок создаются одно-, двух и многоканальные коммутаторы, позволяющие управлять одной, двумя и более катушками зажигания. Разработаны коммутаторы для управления несколькими катушками зажигания для каждой свечи двигателя в отдельности.

Контроллеры

Оптимальный угол опережения зажигания, который влияет на полноту отдаваемой двигателем мощности, и минимум токсичности отработавших газов зависят от многих параметров работы двигателя: частоты вращения коленчатого вала двигателя, разрежения во впускном трубопроводе (задроссельном пространстве), температуры охлаждающей жидкости. Угол опережения зажигания выбирают по оптимальной характеристике регулирования с учетом указанных режимных параметров по информации от датчиков начала отсчета.

Структурная схема контроллера модели МС-2715.03:
НО~ начало отсчета; УИ —угловые импульсы; Р_к — разрежение в коллекторе; Т_ох— температура охлаждающей жидкости; ФИЗ - формирователь импульса зажигания С_з; ВК - канал управления; ЭПХХ - экономайзер принудительного холостого хода

Катушки зажигания

Катушки зажигания выполняют в основном по типовой схеме. Они различаются по конструкции магнитной цепи.

Схема и конструкция катушки зажигания Б-115, общие виды катушек зажигания с замкнутой (а, б) и разомкнутой (в...е) магнитной
цепью:
1 и 3 — высоковольтная и низковольтная обмотки катушки; 2 — сердечник; 4 — керамические пластины; 5 — дополнительный резистор (вариатор); 6— герметизирующее кольцо; 7, 9 и 12 — выводы; 8 — крышка; 10 — пружина; 11 — контактная пластина; 13 — корпус; 14 — магнитопровод; 15 — изолятор

Свечи зажигания

Воспламенение рабочей смеси в цилиндре двигателя осуществляется свечой зажигания. Высоковольтное напряжение, поступающее на электрод свечи от катушки зажигания через распределитель, вызывает искровой разряд (пробой) в зазоре между электродами свечи и воспламеняет рабочую смесь. Зазор между электродами — это воздушный искровой промежуток. Именно свечи с воздушным искровым промежутком наиболее распространены в современных автомобильных поршневых двигателях. В роторнопоршневых и газотурбинных двигателях иногда используют свечи поверхностного разряда, когда искровой разряд проходит частично по воздуху, частично по поверхности изолятора.

Свечи зажигания: стандартная (а), экранированная (б) и установка свечи в головке блока цилиндров двигателя (в):
1 — колпачок; 2— стержень; 3 — изолятор; 4— корпус; 5 и 6 — центральный и боковой электроды; 7 — уплотнительная шайба; 8— уплотнитель; 9 — токопроводящий стеклогерметик; 10 — накатка в нижней части стержня; 11 — резистор; 12 — пружина; 13 — проводник; 14 — керамическая втулка; 15 — гайка; 16 — резиновая втулка

Свечи маркируют группой букв и цифр, содержащих информацию о резьбе: буква А — резьба М 141x25, М — резьба М18х 1,5; цифра — калильное число (8, 11, 14, 17, 20, 23, 26); следующая буква обозначает длину резьбовой части (Н — 11 мм, Д — 19 мм; длина 12 мм на свече не обозначается). Последняя буква обозначает, выступает ли конец изолятора за торец корпуса свечи (буква В). Иногда последней буквой Т обозначается герметизация центрального электрода термоцементом; если используется другой герметик, обозначение отсутствует. Температурный режим работы свечей примерно одинаков, а эксплуатационные температурные режимы двигателей различны. Поэтому свечи изготовляют с различной тепловой характеристикой — калильным числом. Это отвлеченный показатель, определяемый на испытательных стендах и зависящий от индикаторного давления на пороге калильного зажигания. Чем выше калильное число, тем в более высоком тепловом режиме может работать свеча зажигания.

Система зажигания с электронным распределением высокого напряжения

Система зажигания с электронным распределением высоковольтных импульсов не имеет механических устройств, присущих прерывателям-распределителям традиционных конструкций. Она может содержать одну, две, четыре или более катушек зажигания в зависимости от числа цилиндров двигателя. Распространены катушки зажигания для многоцилиндровых двигателей, устанавливаемые непосредственно на свечу. В этом случае высоковольтные провода отсутствуют. Коммутирование тока осуществляется по низковольтной цепи.

Применение электронного распределения не только уменьшает число механических элементов в системе зажигания, но и упрощает ее техническое обслуживание и снижает уровень электромагнитных помех. Электронное распределение зажигания целесообразно использовать в цифровых системах зажигания.

Структурная схема цифровой системы зажигания (а), а также схемы ключевых устройств для катушки зажигания, обслуживающей одну свечу (б), и для двух катушек, обслуживающих четыре свечи (в):
1 — комплекс датчиков; 2 — согласующее устройство; 3 — аналого-цифровой преобразователь; 4 — процессор; 5 — формирователь импульса зажигания; 6 — формирователь выбора канала; 7 — постоянное запоминающее устройство, 8 — блок обработки данмых; 9 — коммутатор; 10 — блок силовых ключей; 11- катушки зажигания, U— напряжение питания