Система зажигания

Введение 
Система зажигания — это совокупность всех приборов и устройств, обеспечивающих появление искры в момент, соответствующий порядку и режиму работы двигателя. Эта система является частью общей системы электрооборудования. Первые двигатели (например, двигатель Даймлера) в качестве системы зажигания имели калильную головку (синоним — калильную трубку). То есть, воспламенение рабочей смеси осуществлялось в конце такта сжатия от сильно нагретой камеры, сообщающейся с камерой сгорания. Перед запуском калильную головку надо было разогреть, далее её температура поддерживалась сгоранием топлива. В настоящее время таким воспламенением обладают часть микродвигателей внутреннего сгорания, используемые в различных моделях (авиа-, авто-, судомодели и тому подобное). Калильное зажигание в данном случае выигрывает своей простотой и непревзойдённой компактностью.

 История. 
Но по-настоящему на бензиновых моторах прижилась искровая система зажигания, то есть система, отличительным признаком которой является воспламенение смеси электрическим разрядом, пробивающей воздушный промежуток свечи зажигания. 
Было создано большое количество систем зажигания. Все основные типы таких систем можно встретить и в настоящее время. 
Система зажигания на основе магнето. 
Одной из первых появилась система зажигания на основе магнето. Идея такой системы — генерация импульса зажигания при прохождении рядом с неподвижной катушкой магнитного поля постоянного магнита, связанного с вращающейся деталью двигателя. Достоинством такой конструкции является простота, отсутствие каких-либо батарей. Такая система всегда готова к работе. Применяют её в данное время более всего на силовой продукции — например, на бензопилах, газонокосилках, маленьких бензогенераторах и тому подобной технике. Недостатками является дороговизна изготовления (катушка с большим количеством витков весьма тонкого провода, высокие требования к изоляции, качественные мощные магниты), конструктивные сложности с регулированием момента зажигания (необходимо перемещать довольно массивную катушку). Для повышения надёжности нередко применяют конструкции с выносными трансформаторами. В этом случае первично генерируется низковольтный импульс, когда магнит проходит рядом с катушкой. Данная катушка изготавливается из небольшого количества витков более толстого провода, поэтому она проще, дешевле и компактнее. Далее низковольтный импульс поступает на катушку зажигания, с которой и снимается высоковольтный импульс, идущий уже на свечи зажигания. В такие и подобные им системы зажигания в настоящее время вводят различные электронные компоненты с целью улучшения характеристик и смягчения недостатков, но неизменной остаётся идея генерации импульса с помощью постоянного магнита

Система зажигания с внешним питанием. 
Вторым, наиболее распространённым типом систем зажигания на автомобильных моторах, являются системы с «батарейным», то есть с внешним питанием. В этом случае питание системы осуществляется от внешнего источника электроэнергии. Неотъемлемой частью системы зажигания является катушка зажигания, представляющая собой импульсный трансформатор. Основная функция катушки зажигания — генерация высоковольтного импульса на свече. Долгие десятилетия катушка на двигателе была одна, а для обслуживания нескольких цилиндров применялся высоковольтный распределитель. В последнее время типичным становится катушка на пару цилиндров или на каждый цилиндр (что позволяет разместить катушку непосредственно на свече как колпачок и отказаться от высоковольтных проводов). Также существуют системы зажигания автомобильных двигателей с двумя свечами, и, соответственно, двумя катушками на каждый цилиндр. Две свечи на цилиндр применяются, исходя из соображений сокращения длины пробега фронта горения в цилиндре, что позволяет немного сдвинуть момент зажигания в раннюю сторону, и получить немного большую отдачу от двигателя. Также повышается надёжность системы. В свою очередь, системы зажигания можно разделить на системы с накоплением энергии в индуктивности, и системы зажигания с накоплением энергии в ёмкости.

 Системы с  накоплением энергии в индуктивности 
Системы с накоплением энергии в индуктивности занимают доминирующее положение в технике. Основная идея — при пропускании тока от внешнего источника через первичную обмотку катушки зажигания катушка запасает энергию в своём магнитном поле, при прекращении этого тока ЭДС самоиндукции генерирует в обмотках катушки мощный импульс, который снимается со вторичной (высоковольтной) обмотки, и подаётся на свечу. Напряжение импульса достигает 20-40 тысяч вольт без нагрузки. Реально, на работающем двигателе напряжение высоковольтной части определяется условиями пробоя искрового промежутка свечи зажигания в конкретном рабочем режиме, и колеблется от 3 до 30 тысяч вольт в типичных случаях. Прерывание тока в обмотке долгие годы осуществлялось обычными механическими контактами, сейчас стандартом стало управление электронными устройствами, где ключевым элементом является мощный полупроводниковый прибор: биполярный или полевой транзистор. 
Системы с накоплением энергии в ёмкости 
Системы с накоплением энергии в ёмкости (они же «конденсаторные» или «тиристорные», CDI) появились в середине 70-х годов в связи с появлением доступной элементной базы и возросшим интересом к роторно-поршневым двигателям. Конструктивно они практически аналогичны описанным выше системам с накоплением энергии в индуктивности, но отличаются тем, что вместо пропускания постоянного тока через первичную обмотку катушки к ней подключается конденсатор, заряженный до высокого напряжения (типично от 100 до 400 вольт). То есть обязательными элементами таких систем являются преобразователь напряжения того или иного типа, чья задача — зарядить накопительный конденсатор, и высоковольтный ключ, подключающий данный конденсатор к катушке. В качестве ключа, как правило, используются тиристоры. Недостатком данных систем является конструктивная сложность, и недостаточная длительность импульса в большинстве конструкций, достоинством — крутой фронт высоковольтного импульса, делающий систему менее чувствительной к забрызгиванию свечей зажигания, характерному для роторно-поршневых двигателей.

 Момент зажигания 
Важнейшим параметром, определяющим работу системы зажигания, является так называемый момент зажигания, — то есть время, в которое система поджигает искровым разрядом сжатую рабочую смесь. Определяется момент зажигания как положение коленвала двигателя в момент подачи импульса на свечу опережением относительно верхней мёртвой точки в градусах (типично от 1 градуса до 30). 
 
Это связано с тем, что для сгорания рабочей смеси в цилиндре требуется некоторое время (скорость распространения фронта пламени около 20-30 м/с). Если поджигать смесь в положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ), смесь будет сгорать уже на такте расширения и частично на выпуске и не обеспечит эффективного давления на поршень (попросту говоря, догоняя поршень, вылетит в выхлопную трубу). Поэтому (оптимальный) момент зажигания подбирают таким образом (опережают относительно ВМТ), чтобы максимальное давление сгоревших газов приходилось на ВМТ. 
Оптимальный момент (опережения) зажигания зависит от скорости движения поршня (оборотов двигателя), степени обогащения/обеднения смеси и немного от фракционного состава топлива (влияет на скорость горения смеси). Для автоматического приведения момента зажигания к оптимальному применяются центробежный и вакуумный регуляторы, или электронный блок управления. 
Следует отметить, что на нагрузочных режимах в бензиновых двигателях при оптимальных (по скорости горения смеси) углах зажигания часто возникает детонация (взрывное горение смеси), поэтому, для её избежания, реальный угол опережения зажигания делают чуть меньше, до порога возникновения детонации (подводом начального угла опережения вручную, или электроникой блока управления - автоматически, в движении). 
Как "позднее зажигание", так и "раннее зажигание" (относительно оптимального) приводит к падению мощности двигателя и снижению экономичности из-за снижения КПД, а также избыточному нагреву и нагрузкам на детали двигателя. "Раннее зажигание", кроме того, приводит к сильной детонации, особенно при резком нажатии на педаль газа. Регулировка опережения зажигания на автомобилях обычно заключается в выставлении наиболее раннего момента зажигания, еще не приводящего к детонации при разгоне.

2. Узлы системы  зажигания

•  
  Датчик момента искрообразования 

 
В старых двигателях использовался механический кулачок и контактная группа (прерыватель), разрывающая цепь при определенном положении вала. Это упрощало низковольтную электрическую часть системы до двух проводов — от источника питания до катушки, и от катушки до прерывателя. Недостатком этой системы была крайне низкая надёжность контактов прерывателя (возможно, самое ненадёжное место в двигателе как целом), их уязвимость для нагара и влаги. 
 
Потому с развитием электроники от прерывателя отказались, заменив его бесконтактными датчиками — индуктивными, оптическими, либо наиболее распространенными датчиками Холла, основанными на эффекте изменения проводимости полупроводника в магнитном поле. Неоспоримое преимущество данных схем — отсутствие необходимости в периодическом обслуживании, — за исключением замены свечей зажигания. В таком случае, для выдачи резкого фронта/спада напряжения на катушку необходима электронная схема, делающая это на основании сигнала с датчика. Отсюда происходит название такого варианта: «электронное зажигание». Электронная схема обычно исполнена в виде единого; зачастую — неремонтопригодного узла, известного в просторечии как «коммутатор». 
В советских/российских двигателях малого литража (лодочные, мотоциклетные) электронное зажигание применялось с 70х годов; в автомобилях — начиная с ВАЗ-2108 (1984). 
В современных автомобилях на его смену пришли датчик положения коленвала и датчик фаз. Точный момент искрообразования вычисляется вычисляется электронным блоком управления в зависимости от показаний многих иных датчиков (датчик детонации, датчик положения дроссельной заслонки и т.п.) и в зависимости от режима движения и работы двигателя. 

•  
  Центробежный регулятор. 

 
Устройство, изменяющее положение шторки бесконтактного датчика или кулачка контактного (а значит, и момент зажигания) в зависимости от оборотов двигателя. Состоит из грузиков (обычно - двух), которые, с увеличение оборотов двигателя, расходятся, преодолевая сопротивление пружинок, поворачивая при этом часть вала со шторкой или кулачком вперёд (увеличивая опережение зажигания при увеличении оборотов). 

•  
  Вакуумный регулятор. 

 
Устройство, изменяющее положение датчика относительно начального (а, значит, и момент зажигания) в зависимости от разрежения вовпускном коллекторе, то есть от степени открытия дроссельных заслонок и оборотов двигателя. Обычно включает в себя шланг от узла прерывателя/датчика до карбюратора или впускного коллектора. На прерывателе разрежение воздействует на мембрану, которая, преодолевая сопротивление пружины, сдвигает датчик (контакты прерывателя) навстречу движению кулачка (шторок), то есть, увеличивая опережение зажигания при большом разрежении во впускном коллекторе (в этом случае смесь горит дольше, это режимы малых нагрузок при высоких оборотах двигателя). 
 
Центробежный и вакуумный регуляторы позволяют добиться оптимального момента зажигания во всех режимах работы двигателя. В современных двигателях они уже не используются, — поскольку задача определения оптимального момента искрообразования переложена на микропроцессор (в электронном блоке управления, или контроллере), учитывающий в вычислениях также положение дросселей, обороты двигателя, сигналы датчика детонации и т. п. 

•  
  Катушка зажигания (часто называется «бобина») 

 
Трансформатор, преобразующий резкий фронт/спад напряжения от прерывателя/коммутатора в высоковольтный импульс. В малогабаритных двигателях (лодочные, мотоциклетные) традиционно использовалось по одной катушке на каждый цилиндр, соединённой со свечой высоковольтным проводом. В автомобильных же двигателях традиционно использовалась одна катушка и распределитель; однако в большинстве современных двигателей используется несколько катушек зажигания, либо объединённых в едином корпусе с электронными коммутаторами (т.н. «модуль зажигания»), при этом каждая катушка обеспечивает искру в конкретных цилиндрах, либо в группах цилиндров, что позволяет отказаться от распределителя зажигания, либо отдельные катушки устанавливающиеся непосредственно на каждую свечу; при этом, катушки выполнены в виде надеваемых на свечи колпачков, конструктивно объединяющих собственно высоковольтный трансформатор и силовой ключ управления, что позволяет отказаться также и от высоковольтных проводов. Нередко —в случае большеобъемных двигателей или двигателей, работающих на обеднённых смесях,— используют двух- или многоточечный по́джиг для уменьшения фазы горения смеси или для повышения надёжности (авиадвигатели). В этом случае устанавливается либо два комплекта катушек зажигания и распределителей, либо используется схема с индивидуальными катушками (например, двигатели Honda серии LxxA). Также, в двигателях с четным числом цилиндров часто применяется схема с катушкой зажиганиия, содержащей выводы от обоих концов высоковольтной обмотки и соответственно питающей две свечи зажигания, находящихся в цилиндрах, циклы в которых сдвинуты друг относительно друга так, чтобы ненужная в данный момент искра попадала на такт выпуска или продувки. Преимущество: позволяет упростить схему зажигания; причём, в случае двухцилиндровых двигателей — кардинально. 

•  
  Распределитель. 

 
Высоковольтный переключатель, вращающийся вместе с распределительным валом двигателя, подключает одну катушку зажигания к нужной в данный момент свече. Обычно исполняется в одном корпусе и на одном валу с прерывателем/датчиком положения вала. Состоит из подвижного контакта (бегунка) и вымя-образной крышки, в которой смонтированы неподвижные контакты. 
 
Вполне надёжен, но требует периодической чистки; также, трещины крышки часто приводят к неработоспособности двигателя, — особенно во влажную погоду. Бегунок имеет тенденцию к подгоранию. 
 
В современных двигателях распределитель не используется, уступив место модулям зажигания, использующим отдельные катушки для отдельных групп свечей, или катушкам установленным непосредственно на свечи. 

•  
  Высоковольтные провода. 

 
От катушки к свече, или же от катушки к центру распределителя, и от свечи к окружности распределителя. Многожильный провод в слое толстой изоляции, способной выдержать разность потенциалов до 40 киловольт. Характеризуются распределённым активным сопротивлением (порядка нескольких килоом на метр), либо так называемым "нулевым сопротивлением" (порядка нескольких ом на метр). В последнее время стала применяться изоляция из силикона, как более надёжная и долговечная. 
 
В некоторых современных автомобилях катушки зажигания устанавливаются непосредственно на свечи, и высоковольтные провода не используются. 

•  
  Свеча зажигания 

 
Ввинчиваемая в цилиндр деталь, содержащая в себе искровой промежуток внутри цилиндра и контакт для подключения провода (катушки) вне него. 
 
Непосредственно поджигает смесь в цилиндре. 

•  
  Магнето 

 
Генератор с вращающимся постоянным магнитом, статорная катушка которого совмещена с катушкой зажигания, а сам генератор — с узлом прерывателя. Позволяет исполнение всей системы зажигания в виде блока «магнето+высоковольтный провод+свеча» без любых других проводов и узлов, в том числе — без аккумуляторной батареи. Используется в бензопилах, газонокосилках и мопедах, где не применяется замок зажигания с секретным ключом. В некоторых случаях (лодочный мотор «Вихрь») используется магнето с 2 (двумя) выносны́ми катушками зажигания.