Контактная система зажигания, принцип работы

Рис.1 Принципиальная схема контактной системы зажигания:
S1 — выключатель зажигания; S2 — выключатель добавочного резистора; Т - катушка зажигания; S4 — прерыватель-распределитель; Е — свечи; S3 — контакты прерывателя; С1 — конденсатор; GB — батарея; G — генератор; R_ш — шунтирующий резистор электродов свечи (нагар); L₁ — первичная обмотка; L₂ — вторичная обмотка катушки зажигания; ВК-Б и ВК - выводы добавочного резистора.

На рис.1 изображена принципиальная схема контактной системы зажигания. При замыкании контактов выключателя зажигания S1 и замкнутых контактах прерывателя S3 по первичной обмотке катушки зажигания будет проходить ток i₁. Первиная обмотка автомобильной катушки зажигания обладает значительной индуктивностью L₁, поэтому сила тока i₁ повышается до установившегося значения не мгновенно, а через определенный период времени, так как быстрому возрастанию силы тока препятствует ЭДС самоиндукции катушки (рис. 2). При размыкании контактов прерывателя сила тока в первичной обмотке катушки зажигания начнет уменьшаться, в результате чего в обмотках катушки наводится ЭДС. ЭДС высокого напряжения вторичной обмотки распределяется по свечам Е (см. рис.1) распределителем S4. Когда ЭДС вторичной обмотки катушки зажигания превысит пробивное напряжение искрового зазора автомобильной свечи Е, произойдет электрический разряд, в результате чего рабочая смесь в цилиндре двигателя воспламенится.

Рабочий процесс в контактной системе зажигания автомобиля можно разделить на три периода. Первый период — замыкание первичной цепи контактами прерывателя. В течение этого периода: конденсатор С1 (рис. 1) замкнут накоротко контактами прерывателя S3. Вторичная цепь разомкнута и не влияет на процессы в первичной цепи.

При замыканий контактов в первичной цепи возникает ЭДС самоиндукции, уменьшающая скорость нарастания первичной силы тока i₁. ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности первичной обмотки катушки зажигания и скорости нарастания силы тока i₁ в первичной цепи.

Установившееся значение силы тока в первичнои цепи
I_уст = U₁/(R₁ + R_д) = U₁/R,
где U₁ — напряжение, подведенное к первичной цепи от автомобильного аккумулятора или генератора; R₁ — сопротивление первичной обмотки катушки зажигания; R_д — сопротивление добавочного резистора катушки зажигания (в период пуска двигателя R_д = 0, так как резистор закорачивается контактами S2).

Рис.2 Изменение первичного тока i₁ напряжений U₁ и U₂ в обмотках катушки зажигания:
а — при отсутствии искрового разряда между электродами свечи; б - при наличии его.

Ток i₁ достигает установившегося значения применительно к автомобильным катушкам зажигания за 0,01-0,02 с (рис. 2).

Разрыв цепи при установившейся силе тока наблюдается при пуске двигателя и его работе на режиме холостого хода. При увеличении частоты вращения будет уменьшаться время замкнутого состояния контактов и снижаться сила тока в первичной цепи, что является основным недостатком контактной системы зажигания.

Второй период — размыкание первичной цепи контактами прерывателя (рис. 1). К этому моменту в катушке накапливается электромагнитная энергия.

После размыкания контактов прерывателя возникает переходный процесс в двух индуктивно связанных контурах: первичой обмотке катушки и конденсаторе С1; вторичной обмотке катушки и емкости С2 вторичной цепи (штриховая линия на рис. 1).

Емкость С2 вторичной цепи включает емкости вторичной обмотки катушки зажигания, распределителя, емкость проводов высокого напряжения и емкость свечей.

В момент размыкания контактов прерывателя электромагнитная энергия, запасенная в первичной обмотке катушки, преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов С1 и С2, в электромагнитную энергию вторичной обмотки катушки зажигания и частично превращается в теплоту.

Вторичное напряжение прямо пропорционально силе тока разрыва в момент размыкания контактов. Однако такая зависимость наблюдается только до определенного значения силы тока i₁. Дальнейшее ее увеличение до значения I_уст приводит к образованию дуги между контактами, а вторичное напряжение из-за уменьшения скорости спада силы первичного тока практически не повышается.

Величина сопротивления первичной цепи (R₁ + R_д) выбирается, исходя из максимально допустимой силы установившегося тока.

При наличии конденсатора С1 скорость исчезновения магнитного поля первичной обмотки катушки зажигания увеличивается примерно в 20 раз, что соответственно повышает вторичное напряжение.

При уменьшении емкости первичной цепи вторичное напряжение снижается из-за усиления дугообразования на контактах прерывателя. Увеличение емкости уменьшает скорость убывания силы первичного тока и, следовательно, магнитного потока, что также снижает вторичное напряжение.

Уменьшение емкости С2 ограничено конструкцией элементов вторичной цепи. При экранировании системы зажигания значительно увеличивается емкость С2 и снижается напряжение U2 max. На увеличение емкости С2 влияет загрязнение крышек катушки зажигания, распределителя, проводов высокого напряжения, наличие на них влаги. Поэтому в процессе эксплуатации указанные элементы необходимо поддерживать чистыми и сухими. Емкость вторичной обмотки катушки зажигания составляет 40-60 пФ; емкость распределителя 15-24 пФ; емкость свечи около 20 пФ, емкость проводов 0,9-1,2 пФ.

Рис.3 Зависимость напряжения U2 max от числа разрывов z_р первичной цепи при различных значениях шунтирующего сопротивления R_ш нагара свечи:
1 R_ш = ∞ ; 2 - R_ш = 0,5 МОм; ---- транзисторная система зажигания; —•—•—•— контактная система зажигания; заштрихованная зона — возможные значения пробивных напряжений U_пр искрового промежутка свечи.

Третий период — электрический разряд между электродами свечи. Искровой разряд является одновременно источником теплоты и значительной ионизации. Разряд на свече имеет две фазы: емкостную и индуктивную. Емкостная фаза — это разряд энергии, которая накопилась в емкости вторичной цепи, когда она зарядилась до уровня, достаточного для пробоя искрового промежутка свечи. Емкостная фаза разряда протекает в течение очень короткого промежутка времени (около 10^-6 с).

Энергия емкостной фазы разряда равна 0,5C2/U²_2max. Большой силы разрядный ток емкостной фазы вызывает сильные радиопомехи и эрозию электродов свечи. Для предотвращения эрозии электродов свечи, а в неэкранированных системах и для уменьшения радиопомех во вторичную цепь (крышка распределителя, высоковольтные провода, наконечники свечи) включается подавляющий резистор (10 000-15 000 Ом).

Вторая — индуктивная фаза разряда имеет относительно малую скорость разряда. Это — разряд по сильно ионизированному каналу, созданному предыдущим емкостным разрядом. Продолжительность его может достигать нескольких миллисекунд. Разряд продолжается практически до полного расхода электромагнитной энергии.

При высокой скорости движения рабочей смеси (большой частоте вращения коленчатого вала двигателя) наблюдается повторно-емкостной разряд, когда за первой искрой следует серия других искр, между которыми имеются искры индуктивного разряда. Индуктивная фаза разряда обладает значительной энергией и играет важную роль при воспламенении рабочей смеси, особенно на переходных режимах двигателя, а также на режимах пуска холодного двигателя, при бедных и богатых смесях. Индуктивная фаза разряда сильно влияет на износ электродов свечи.

Изменение вторичного напряжения, развиваемого катушкой зажигания, в зависимости от числа разрывов z_р первичной цепи и значения шунтирующего сопротивления R_ш показано на рис. 3.

Влияние нагара на юбочке изолятора свечи на величину вторичного напряжения и энергию искры может быть снижено, если скорость нарастания фронта импульса вторичного напряжения будет выше. В этом случае время утечки тока через нагар сократится. Аналогичную роль играет и дополнительный искровой промежуток между пластиной ротора и боковыми электродами крышки распределителя. Пока вторичное напряжение не достигнет значения, необходимого для пробоя этого зазора (около 2000 В), ток утечки отсутствует.