Двигун внутрішнього згоряння – це диво інженерної думки, яке вдосконалюється вже понад століття. Автомобільні виробники, як і раніше, отримують крихітні прирости в ефективності і знижують викиди з кожним новим модельним роком. Результат? Машина, яка неймовірно складна, але при цьому напрочуд надійна.
У той час як інші посібники розбирають паливні насоси, контури охолодження, розподільні вали, турбокомпресори та передавальні числа, справжня магія відбувається в системі запалювання. Саме тут паливо та повітря нарешті зустрічають своє призначення.
Ми розглянемо, як працює ця система, починаючи з критично важливого поняття випередження запалення. Потім ми розберемо апаратне забезпечення, яке створює іскру – свічки, котушки, розподільники. Нарешті ми подивимося на сучасний перехід до безконтактних систем, які повністю відмовляються від розподільника.
Освоєння часу запалення системи запалювання
Система запалення вашого двигуна повинна ідеально синхронізуватися з рештою, що відбувається всередині блоку. Мета проста: підпалити паливо в ту саму мілісекунду, коли гази, що розширюються, зможуть здійснити максимально можливу роботу. Якщо підпалити надто рано чи надто пізно, ви втратите потужність. Ви також будете витрачати більше палива та забруднювати довкілля сильніше.
Коли паливоповітряна суміш згоряє в циліндрі, температура різко зростає. Рідке паливо перетворюється на вихлопні гази. Ця фазова перехідна зміна викликає стрімке зростання тиску, виштовхуючи поршень вниз.
Щоб отримати максимальний момент, що крутить, потрібно максимізувати цей тиск під час робочого ходу. Вищий тиск означає кращу ефективність. Найкраща ефективність означає, що ви рідше заїжджаєте на заправку. Випередження запалення – це важіль, який керує всім цим.
Існує затримка. З моменту виникнення іскри до того, як паливоповітряна суміш повністю згорить і тиск досягне піку, минає час. Якщо подати іскру в той самий момент, коли поршень досягає верхньої точки свого ходу стиснення, поршень почне рухатися вниз до того, як тиск досягне максимуму. Ви пропустите вікно можливостей.
Щоб витягти максимум з кожної краплі палива, іскра повинна виникати до того, як поршень досягне верхньої точки ходу стиснення. До того часу, коли поршень почне свій рух вниз по робочому ходу, тиск буде досить високим, щоб із силою виштовхнути його.
Фізика роботи
Давайте подивимося на математику в циліндрі:
- Сила дорівнює Тиску, помноженому на Площу поршня
- Відстань дорівнює Довжині ходу
Таким чином, робота = тиск × площа поршня × довжина ходу.
Довжина ходу та площа поршня – це фіксовані параметри конструкції. Ви не можете змінити їх без перебудови двигуна. Єдина змінна, яку ви можете максимізувати для збільшення роботи, це тиск. Це повертає нас до часу запалювання.
Ви можете випереджати (збільшувати) або затримувати (зменшувати) кут запалювання залежно від потреб двигуна.
Час, необхідний згоряння палива, залишається приблизно однаковим. Але в міру зростання обертів двигуна поршні рухаються швидше. Це означає, що іскра має виникати раніше. Це випередження запалення : більш висока швидкість двигуна потребує раннього займання.
Але потужність – не єдина мета. Іноді нам потрібно мінімізувати викиди. Коли ви не прагнете максимальної потужності, ви можете затримувати кут запалення. Переміщення іскри ближче до верхньої точки стиснення ходу знижує максимальний тиск і температуру в циліндрі. Нижчі температури означають менше утворення оксидів азоту (NOx), які є регульованими забруднювачами. Затримка запалювання також може запобігти детонації двигуна. Багато сучасних автомобілів з датчиками детонації роблять це автоматично для захисту двигуна.
Далі ми розглянемо компоненти, які створюють іскру.
Свічка запалювання
Як висока напруга запалює двигун
Теорія проста. Реальність жорстока.
Свічка запалювання змушує електрику пробивати іскру через крихітний зазор. Уявіть блискавку. Але для пробою цієї іскри потрібний величезний тиск. Необхідна напруга становить від 40000 до 100000 вольт.
Це не помилка.
Для проходження цього високовольтного струму до електрода свічка потребує окремого ізольованого «маршруту». Як тільки струм досягає зазору? Він перестрибує через нього. Потім він проводить струм прямо у блок двигуна для заземлення.
Але дістатися цієї точки — найскладніша частина.
Компонент повинен витримувати екстремальні температури та тиск у камері згоряння. Він також повинен відштовхувати відкладення, що утворюються від присадок палива. Якщо на свічці накопичується бруд, іскра пропадає. А якщо іскра пропадає, автомобіль не працює.
Як тепловий діапазон та керамічні ізолятори керують роботою свічки запалювання
Магія всередині свічки запалення полягає не лише у зазорі. Все починається з керамічного ізолятора. Цей компонент виконує основну роботу, ізолюючи високу напругу, що проходить через електрод. Без нього електричний заряд міг би пробивати дугу в будь-якому доступному напрямку до «маси», швидше за все, замикаючись коротко, так і не досягнувши камери згоряння. Ціль? Точна іскра саме на кінчику, де це потрібно.
Але тут є й вторинний ефект. Кераміка також сприяє спалюванню відкладень. Можна припустити, що кераміка це просто бар’єр, але її теплові властивості є частиною процесу очищення. Кераміка погано проводить тепло. Замість швидко відводити тепло, вона утримує його всередині свічки під час роботи. Це утримання тепла навмисне.
Не всім двигунам потрібна однакова теплова стратегія. Декому потрібні гарячі свічки. Вони оснащені керамічним носиком, який має меншу площу контакту з металевим корпусом. Найменший контакт означає менший відведення тепла від свічки. Результат? Свічка працює за більш високої температури. Ця додаткова теплова енергія спалює нагар та забруднення до того, як вони викличуть пропуски запалювання.
З іншого боку, високопродуктивні або сильно навантажені двигуни часто вимагають холодних свічок. Вони мають керамічний ізолятор із більшою площею контакту з металевою частиною. Велика площа поверхні означає, що тепло приділяється швидше. Свічка працює при нижчій температурі, запобігаючи самозайманню в ситуаціях, коли екстремальне нагрівання може призвести до руйнування двигуна.
Вибір між гарячими та холодними свічками – це питання не якості, а відповідності теплового діапазону свічки специфічному тепловиділенню двигуна.
Все зводиться до геометрії. Найменший носик ізолятора утримує тепло всередині. Більший дозволяє йому виходити. Конструктори двигунів вибирають правильний баланс, ґрунтуючись на ступені стиснення, повітряному потоці та ємності системи охолодження. Якщо помилитися, ви отримаєте забруднення свічок, або розплавлені електроди. Керамічний ізолятор – це не просто ізолятор. Це терморегулятор.
Котушка запалення оманливо проста. Це лише трансформатор високої напруги. Усередині знаходиться первинна обмотка з дроту. Щільно намотана поверх неї – “вторинна обмотка”. У чому різниця? У вторинної обмотки кількість витків у сотні разів більша.
Струм тече від акумулятора безпосередньо в цю первинну обмотку. Все досить просто.
Але магія відбувається, коли ви розриваєте ланцюг.
У старих двигунах це завдання виконують контактні переривники. У сучасних системах використовують напівпровідникові електронні компоненти. У будь-якому випадку результат однаковий. Струм у первинній обмотці раптово переривається.
Магнітне поле навколо первинної обмотки миттєво хлопається. Це поле, що схлопується, пронизує вторинну обмотку. Воно індукує струм у вторинній обмотці. Величезний струм. Йдеться про напругу до 100 000 вольт.
Ця напруга виходить із котушки через сильно ізольований провід і прямує прямо до розподільника.
Роль розподільника
Далі розподільник бере він основну роботу. Його головне завдання – спрямувати імпульс високої напруги у потрібний циліндр у точний момент.
Це забезпечується кришкою та ротором.
Котушка підключена до ротора. Ротор обертається усередині кришки. Усередині кришки знаходяться металеві контакти – по одному на кожен циліндр. У міру обертання ротора його наконечник проходить повз кожен контакт.
Фізичного контакту немає. Імпульс високої напруги пробиває крихітний зазор між ротором та нерухомим контактом. Потім він переходить високовольтним дротом свічки запалювання. Зрештою, він досягає свічки запалювання потрібного циліндра.
Саме тому кришку та ротор замінюють під час технічного обслуговування. Постійна електрична дуга швидко їх руйнує. Вони зношуються. Те саме відбувається з високовольтними проводами свічок запалювання. Їхня ізоляція згодом деградує.
Деградація ізоляції викликає загадкові проблеми із двигуном. Пропуски займання. Нестабільний холостий перебіг. Проблеми, які здаються випадковими, поки ви не відстежите шлях високої напруги струму.
У старих конструкціях розподільників нижня частина робить більше ніж просто розподіляє харчування. Вона також керує струмом, що надходить на саму котушку. Заземлююча сторона котушки підключена безпосередньо до контактних переривників. Коли ці контакти розмикаються, розривається первинний ланцюг. Котушка заряджається. Контакти замикаються. Цикл повторюється.
Механічні обмеження контактної групи
Усередині розподільника обертається простий кулачок. Він тисне на важіль, прикріплений до контактів переривника. Коли пелюстка кулачка піднімає важіль, контакти розмикаються. Це розриває ланцюг заземлення первинного кола. Магнітне поле в котушці миттєво хлопається. Це схлопування створює імпульс високої напруги, що подається на свічку запалювання.
Однак саме в управлінні моментом запалення механічна система впирається у межу. Контакти покладаються або на вакуумний випереджувач, або на відцентровий випереджувач**. Вакуумний випереджач реагує на навантаження двигуна. Відцентровий випереджач реагує на швидкість обертання двигуна. Обидва намагаються динамічно оптимізувати кут випередження запалення. Але є грубими наближеннями. Вони можуть врахувати все змінні, із якими стикається двигун.
Саме тому більшість сучасних автомобілів повністю відмовилися від контактної групи. Точність важливіша за механічну простоту.
Чому електронне запалення замінило контактну групу
Сучасні двигуни використовують датчики для точного відстеження положення поршнів. Дані надходять безпосередньо в блок керування двигуном (ЕБУ). ЕБУ не ворожить. Він визначає ідеальний момент запалювання на основі тисяч вхідних параметрів. Потім активує транзистор. Транзистор замикає та розмикає ланцюг котушки. У розподільнику немає частин, що рухаються, які могли б зноситися. Немає контактів, які могли б вигоріти чи вкритися нагаром. Лише чисте цифрове керування.
Цей перехід зумовлювався як надійністю. Йшлося про ефективність. І про відповідність екологічним нормам. Механічні системи було неможливо відповідати вимогам двигунів з комп’ютерним управлінням.
Наступний крок: безрозподільне запалювання
Що ж слідує за розподільником, керованим ЕБУ? Наступний етап еволюції повністю усуває розподільник. У наступному розділі ми розглянемо системи безрозподільного запалювання.
Системи запалювання без розподільника змінюють правила технічного обслуговування. Вам не знадобиться регулювання запалення в перші 100 000 миль. Не маркетинговий хід. Це – механічна реальність.
Різниця полягає у способі створення іскри. У старих автомобілях розподільник механічно спрямовував високовольтний струм на кожний циліндр. Він виходив з ладу. Зношувався. Викликав головний біль. Сучасні системи повністю відмовилися від розподільника. Вони покладаються на блок керування двигуном (ЕБУ), який керує кожною мікросекундою формування іскри.
Як працює управління кутом випередження запалення ЕБУ
ЕБУ не просто вгадує. Він обчислює. Він використовує дані з датчиків, щоб визначити точний момент займання свічки. Тут у гру входить котушка.
У системах з індивідуальними котушками (coil-on-plug) або з «марною іскрою» (waste-spark) котушка працює аналогічно великим центральним котушкам минулого, але з ключовою відмінністю в управлінні. ЕБУ керує транзисторами. Ці транзистори розривають ланцюг «землі» у ланцюзі запалювання. Коли ланцюг розривається, магнітне поле в котушці хлопається. Це схлопування генерує високовольтну іскру.
Така конструкція дає ЕБУ повний контроль за кутом випередження запалювання. Комп’ютер може коригувати кут залежно від навантаження, температури, показань датчиків детонації та умов керування. Це динамічно. Це точно.
Чому можна забути про регулювання запалювання
Перехід на електронне ignition – це не лише питання зручності. Це питання довговічності.
Немає розподільника, який міг би зноситися. Механічних контактів та конденсаторів більше немає. Немає високовольтних проводів свічок запалювання, прокладених моторним відсіком. Ці дроти з часом деградують, втрачаючи ізоляцію та викликаючи пропуски запалення. Без них ламатися майже нема чому.
В результаті виходить система, що вимагає практично нульового обслуговування протягом першого десятиліття експлуатації. Ви змінюєте свічки за рекомендацією виробника, але чи сама система запалювання? Вона просто працює.
Переваги точності
Чому це важливо? Два слова: ефективність та потужність.
У старих системах крива випередження запалення була фіксованою або обмеженою механічно. Сучасні системи можуть оптимізувати процес згоряння реальному часі. Це призводить до кращої економії палива. Це знижує викиди. Це також дозволяє отримати більшу потужність з того ж робочого об’єму.
Електронні системи запалення мають більший термін служби, оскільки в них немає частин, що рухаються. Менше частин, що рухаються, — менше елементів, які можуть вийти з ладу. Вони також забезпечують кращу економію палива та менші викиди порівняно зі своїми попередниками із переривниками контактів.
Розуміння еволюції систем запалення
Якщо подивитися на історію систем запалювання, то це не пряма лінія. Існує чотири основні типи:
- Конвенційні системи запалення із переривником контактів.
- Системи запалення із високим енергетичним розрядом (електронні).
- Системи запалення без розподільника (з «марною іскрою»).
- Системи запалювання з індивідуальними котушками (coil-on-plug).
Основна мета будь-якої системи запалення залишається незмінною. Вона створює електричну іскру у камері згоряння двигуна. Ця іскра спалахує суміш палива та повітря. Без неї двигун є просто важким блоком металу.
Автомобільна система запалювання – це те, що підпалює паливо та повітря, запускаючи двигун вашого автомобіля. Це те, що “включає” ваш автомобіль і змушує його працювати. Електронна система запалювання – це просто еволюція цього процесу, що використовує електронні ланцюги замість механічних тригерів для досягнення кращої продуктивності.
Більше про механіку двигуна
- Як працюють автомобільні двигуни
- Вікторина: Тест з двигуна
-
Як працюють системи упорскування палива
