ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
Тема: Автомобильные системы зажигания.
Цель: Изучение автомобильных систем зажигания, исследование
работы классической автомобильной системы зажигания и
определение технического состояния бесконтактного датчика
прерывателя-распределителя и коммутатора.
6.1. Основные сведения.
Определение и классификация автомобильных систем
зажигания.
Система зажигания – комплекс автомобильного оборудования,
предназначенный для выполнения следующих трех основных
функций:
 генерация импульсов высокого напряжения, вызывающих
вспышку рабочей смеси в камере сгорания двигателя;
 синхронизация этих импульсов с фазой работы двигателя;
 распределение
импульсов
зажигания
по
цилиндрам
двигателя.
На автомобилях, оборудованных бензиновыми двигателями
внутреннего
сгорания,
применяются
следующие
системы
электроискрового зажигания:
 батарейные с механическим прерывателем (классические);
 контактно-транзисторные;
 контактно-тиристорные;
 бесконтактно-транзисторные;
 цифровые с механическим распределителем;
 цифровые со статическим распределителем;
 микропроцессорные системы управления автомобильным
двигателем.
Все эти системы позволяют увеличить напряжение автомобильной
аккумуляторной батареи (АБ) или генератора (в зависимости от
режима работы двигателя) до величины, необходимой для
возникновения электрического разряда, и в требуемый момент подать
это напряжение на соответствующую свечу зажигания (СВ). Момент
зажигания характеризуется углом опережения зажигания, который
отсчитывается от положения коленчатого вала в момент подачи искры
до положения, когда поршень приходит в верхнюю мертвую точку
(ВМТ). Перечисленные выше системы зажигания получают
необходимую энергию не непосредственно от АБ, а от
промежуточного накопителя (индуктивного или емкостного) энергии.
Бесперебойное
искрообразование
между электродами
СВ
происходит при высоком напряжении (8-30кВ). На прогретом
двигателе к моменту искрообразования рабочая смесь сжата и имеет
температуру, близкую температуре самовоспламенения. В этом
случае достаточно незначительной величины электрический разряд
(порядка 5мДж). Однако имеется ряд режимов работы двигателя
(пусковой, работа на бедных смесях при частичном открытии
дроссельной заслонки, холостой ход, работа при резких открытиях
дросселя), когда требуется искра в 30-100кДж. Электрическая искра
вызывает появление в ограниченном объеме рабочей смеси первых
активных центров, от которых начинается развитие химической
реакции окисления топлива. Воспламенение рабочей смеси является
началом бурной реакции окисления топлива, сопровождающейся
выделением тепла и токсичных веществ (продуктов сгорания). От
мощности искры и момента зажигания в значительной степени зависят
экономичность и устойчивость работы двигателя, а также его
экологическая безопасность.
Структура системы зажигания.
Батарейная (с накоплением энергии) система зажигания состоит из
следующих основных элементов (рис.6.1):
Рис 6.1.
Батарейная
система
зажигания
 источник тока (ИТ), функцию которого выполняет АБ или
генератор;
 выключатель цепи питания (ВК), функцию которого
выполняет замок зажигания;
 датчик-синхронизатор (Д), который механически связан с
коленчатым валом двигателя и определяет его угловые
положения;
 регулятор момента зажигания (РМЗ), который определяет
момент подачи искры в зависимости от нагрузки или частоты
вращения коленчатого вала;
 источник
высокого
напряжения
(ИВН),
содержащий
накопитель (Н) энергии и преобразователь (П) низкого
напряжения в высокое, функцию которого выполняет катушка
зажигания;
 силовое
реле
(СР),
которое
представляет
собой
электромеханический
(контакты
прерывателя)
или
электронный (мощный транзистор или тиристор) ключ,
управляемый
РМЗ
и
служащий
для
подключения
(отключения) ИТ к накопителю ИВН, т.е. управляет
процессами накопления и преобразования энергии;
 распределитель (Р) импульсов высокого напряжения,
который
распределяет
высокое
напряжение
по
соответствующим цилиндрам двигателя;
 элементы помехоподавления (ПП), функцию которых
выполняют
помехоподавительные
резисторы,
расположенные либо в Р, либо в наконечниках свечей
зажигания СВ;
 свечи зажигания (СВ), служащие для образования искрового
разряда и зажигания рабочей смеси в камере сгорания
двигателя.
Принцип работы системы зажигания.
Рис 6.2. Контактная система зажигания
Контактная (классическая) система зажигания (рис.6.2.) содержит
следующие основные элементы: катушка зажигания 1, свечи
зажигания 6 и прерыватель – распределитель 7. Кулачок 4
прерывателя и ротор 5 распределителя закреплены на общем валу,
который приводится во вращение зубчатой передачей от
распределительного вала ДВС и вращается с частотой, вдвое
меньшей, чем коленчатый вал. Кулачок при вращении воздействует на
рычажок 3 прерывателя, размыкая контакты 2. Параллельно
контактам 2 включен конденсатор С. Ротор распределителя при
вращении проходит мимо неподвижных электродов распределителя,
число которых равно числу цилиндров ДВС. Каждый электрод
соединен высоковольтным проводом со свечой соответствующего
цилиндра.
При включенном выключателе зажигания и замкнутых контактах
прерывателя от положительного вывода аккумуляторной батареи (АБ)
через добавочный резистор Rд, цепь первичной обмотки катушки
зажигания (Кз), корпус автомобиля к отрицательному выводу АБ
протекает ток, создающий в первичной обмотке Кз магнитное поле,
линии которого, замыкаясь через сердечник Кз, пронизывают витки
обеих обмоток.
При вращении коленчатого вала, когда в одном из цилиндров будет
заканчиваться такт сжатия рабочей смеси, кулачок своей гранью
разомкнет контакты прерывателя. При размыкании контактов ток в
первичной обмотке Кз прекращается и исчезает магнитное поле, что
приводит к индуцированию в обеих обмотках э.д.с.. Так как число
витков вторичной обмотки значительно больше числа витков
первичной, то в ней э.д.с. достигает величины (до 35кВ), достаточной
для пробоя воздушного зазора между электродами свечи. В момент
появления высокого напряжения ротор распределителя проходит под
неподвижным электродом, соединенным со свечой того цилиндра, в
котором заканчивается такт сжатия. В результате между электродами
свечи происходит электрический разряд и воспламенение смеси в
цилиндре. Ток высокого напряжения протекает от вторичной обмотки
через ротор и неподвижный электрод распределителя, проскакивает в
виде искры между электродами свечи и через корпус автомобиля, АБ
и первичную обмотку возвращается на вторичную обмотку Кз.
При размыкании контактов прерывателя в первичной обмотке
индуцируется э.д.с. самоиндукции (200…300В), под действием
которой между контактами может возникнуть дуговой разряд,
разрушающий рабочие поверхности (подгорание) контактов. Для
исключения этого явления параллельно контактам подключен
конденсатор С.
Добавочный резистор Rд позволяет улучшить работу системы
зажигания при пуске двигателя. При включении стартера напряжение
АБ сильно уменьшается, что приводит к уменьшению тока в
первичной, а следовательно и снижению вторичного напряжения Кз
(особенно при низкой температуре). Поэтому первичную обмотку Кз
рассчитывают на пониженное (6…8В) напряжение и последовательно
с ней включают
резистор Rд, который во время пуска ДВС
закорачивается
специальными
контактами
тягового
или
дополнительного реле стартера.
С увеличением числа цилиндров и частоты вращения коленчатого
вала двигателя уменьшается время замкнутого состояния контактов
прерывателя, что приводит к уменьшению силы тока первичной цепи в
момент размыкания контактов и, следовательно, вторичного
напряжения. Искусственное повышение силы тока разрыва (более
3,5А) приводит к сильному искрению на контактах (их подгоранию), что
уменьшает их срок службы и снижает надежность системы зажигания.
Эти недостатки удалось устранить в контактно-транзисторной
системе зажигания (рис. 6.3.), особенностью которой является то, что
ток первичной обмотки прерывается не контактами, а мощным
транзисторным «ключом». Контакты в этом случае служат для
управления током (относительно небольшим) базы транзистора, при
этом отпадает необходимость в искрогасящем конденсаторе. При
замыкании контактов 1 прерывателя база транзистора 2 через корпус
соединяется с отрицательным выводом АБ. По цепи базы пойдет ток,
транзистор откроется и замкнет цепь первичной обмотки Кз 3.
Рис 6.3. Контактно-транзисторная система зажигания
При размыкании контактов прерывателя транзистор закроется,
разрывая первичную цепь Кз, и во вторичной обмотке будет
индуцироваться э.д.с. Посредством распределителя высокое
напряжение подается на электроды свечи. Рассмотренная схема
является упрощенной. В реальных контактно-транзисторных системах
зажигания
для
коммутации
первичной
цепи
применяется
транзисторный коммутатор, в котором, кроме транзистора, имеется
ряд
элементов,
служащих
для
защиты
транзистора
от
перенапряжений и улучшения условий его работы. Однако для
многоцилиндровых высокооборотных ДВС требуется такая частота
искрообразования на свечах, которая в выше рассмотренных
системах приводит к дребезжанию контактов, что
значительно
снижает вторичное напряжение. Избежать этого можно применением
независимых систем зажигания (двойных прерывателей, нескольких
катушек и т.д.) или исключением (заменой бесконтактным датчиком)
контактной группы. Применение бесконтактных систем зажигания
позволяет получить стабильное искрообразование на свечах в
большом диапазоне частот вращения коленчатого вала и не требует
(практически) обслуживания в процессе эксплуатации.
Основной особенностью бесконтактной системы зажигания
(рис.6.4.)
является
наличие
бесконтактного
датчика.
В
рассматриваемой схеме, магнитоэлектрический датчик содержит
постоянный магнит 2 в виде зубчатого ротора и обмотку статора 1,
намотанную на сердечник. При вращении зубчатого ротора в обмотке
статора 1 индуцируется переменная э.д.с. Когда один из зубцов
ротора приближается к обмотке, э.д.с. в ней возрастает и при
совпадении зуба со средней линией обмотки достигает максимума,
затем при удалении зуба э.д.с. меняет знак и увеличивается в
противоположном направлении до максимума.
Рис 6.4. Бесконтактная система зажигания
При появлении на обмотке 1 положительной полуволны в
транзисторе 3 протекает ток базы, он открывается, и по первичной
обмотке Кз 4 идет ток. При изменении знака напряжения в обмотке 1
транзистор закроется, разрывая первичную цепь Кз, вследствие чего
во вторичной цепи возникает уже рассмотренный выше процесс
образования высокого напряжения, необходимого для появления
искры на соответствующей свече зажигания. Число пар полюсов
датчика соответствует числу цилиндров ДВС.
В качестве бесконтактного датчика могут быть использованы также
датчики индукционного, параметрического, оптоэлектронного и других
типов, позволяющих механическое вращение преобразовывать в
электрический сигнал. Наиболее
распространен
генераторный
датчик, работающий на эффекте
Холла (рис.6.5.), состоящем в
возникновении э.д.с. на гранях
полупроводниковой пластины 2
внесенной в магнитное поле 4,
при
пропускании
по
ней
постоянного тока I. Сигнал с
граней пластины подается на
усилитель
и
устройство
формирования
прямоугольных
Рис. 6.5. Эффект Холла:
1 – амперметр; 2 – кремневая
пластина; 3 – вольтметр; 4 линии магнитного поля
импульсов (рис.6.6,б.), а затем на коммутатор, распределяющий
высоковольтные импульсы (рис.6.6,а.) по цилиндрам ДВС. При
высоком уровне напряжения Холла первичная обмотка катушки
зажигания отключена и на свече соответствующего цилиндра
возникает искровой разряд.
Рис. 6.6. Форма
импульсов:
а) на выходе
коммутатора;
б) на выходе датчика
Холла.
Элементы системы зажигания.
Катушка
зажигания
представляет
собой
повышающий
автотрансформатор, первичная обмотка которого рассчитана на
напряжение 12В. Все катушки зажигания, в основном, имеют
аналогичную конструкцию (рис.6.7) и отличаются обмоточными
данными, конструкцией отдельных узлов и деталей, наличием
дополнительных
устройств,
габаритными
и
установочными
размерами.
Рис. 6.7.Катушка зажигания:
1, 11, 14 – выводы низкого напряжения без маркировки, ВК и ВК-Б; 2
- магнитопровод; 3, 4 – первичная и вторичная обмотки; 5 – изолятор;
6 - сердечник; 7 – кожух; 8 – добавочный резистор; 9 – изолятор; 10 –
изолирующий картон; 12 – карболитовая крышка; 13 – наконечник; 15
– шины.
В классических батарейных системах зажигания устанавливаются
маслонаполненные катушки с разомкнутой магнитной цепью
(сердечником) и большой индуктивностью первичной обмотки. В
контактно-транзисторных и транзисторных системах катушки имеют
классическую конструкцию и выполнены по традиционной технологии,
но их первичная обмотка обладает сравнительно малыми значениями
(0,4…0,5Ом) сопротивления и индуктивности (это позволяет
Рис 6.8. Прерывательраспределитель Р119Б:
1
–
крышка;
2
–
токоразносная пластина; 4 –
рычажок; 5 – контакты; 6 –
пружина; 7 – неподвижный
диск; 8 – кулачок; 9 – вал; 10
– грузик; 11 – пластина
грузиков; 12 – пружина; 13 –
корпус; 14, 18 – нижняя и
верхняя пластины октанкорректора; 15 – втулка; 16 –
штифт; 17 – гайки; 19 –
масленка; 20 – вакуумный
регулятор; 21 – тяга; 22 – ось
грузика; 23 - кулиса; 24 –
стопорное кольцо
использовать их без дополнительного сопротивления), а также
большим коэффициентом трансформации. Для бесконтактных и
микропроцессорных систем зажигания используются двухвыводные
катушки (рис.6.7,в), обмотки которых опрессованы пластмассой.
Для уменьшения габаритов и веса, повышения к.п.д.
преобразования энергии, уменьшения расхода обмоточного провода и
электротехнической стали, а также улучшения искрового разряда и
снижения трудоемкости изготовления в последнее время выпускают
катушки зажигания с замкнутым магнитопроводом.
Прерыватель-распределитель предназначен для размыкания
первичной цепи катушки зажигания, распределения импульсов
высокогонапряжения по цилиндрам двигателя в необходимой
последовательности, установки начального угла опережения
зажигания и автоматического регулирования опережения зажигания в
зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки
двигателя. Эти функции реализуются при помощи механических или
электронных средств управления зажиганием. Причем механические
применяются только в контактных системах зажигания, а в
электронных (контактно-транзисторных и бесконтактных) могут
применяться, как механические так и электронные средства.
Механический прерыватель-распределитель включает в себя
прерыватель, центробежный и вакуумный автоматы управления углом
опережения
зажигания,
октан-корректор,
конденсатор
и
распределитель (рис.6.8).
Центробежный автомат служит для изменения угла опережения
зажигания в зависимости от частоты вращения вала двигателя. При
увеличении частоты вращения коленчатого вала, грузики 10 под
действием центробежных сил, преодолевая усилие пружин 12,
расходятся в стороны, увлекая за собой кулису 23 в сторону вращения
вала, что приводит к увеличению угла опережения.
Вакуумный автомат позволяет изменять угол опережения
зажигания в зависимости от нагрузки двигателя (от разрежения над
дроссельной заслонкой карбюратора). При полностью открытой
заслонке разрежение невелико и вакуумный регулятор не работает.
По мере увеличения прикрытия заслонки (нагрузка двигателя
уменьшается) разрежение возрастает, диафрагма регулятора
прогибается, увлекая за собой тягу и прикрепленную к ней пластину
прерывателя на некоторый угол.
Октан-корректор предназначен для установочной регулировки
момента зажигания.
Механические
прерыватели-распределители
имеют
ряд
недостатков:
 реализуют, как правило, простейшие характеристики, что
снижает мощность и экономичность двигателя;
 со временем пружины механизмов ослабляются и требуют
регулировки или замены;
 большая инертность срабатывания и гистерезис;
 испарение смазки требует периодического обслуживания.
Рис. 6.9. Принципиальная электрическая схема электронной
системы зажигания 36.3734.20.
Электронные устройства управления моментом зажигания
позволяют устранить эти недостатки, при относительно невысокой
стоимости и простоте. По принципу действия они могут быть
классифицированы на аналоговые и дискретные. В аналоговых
устройствах сигналы, вырабатываемые различными датчиками,
контролирующими работу ДВС, формируются соответствующим
образом и подаются на коммутатор, управляющий моментом
зажигания.
В дискретных устройствах – управляющая
зависимость
записывается
в
постоянное
запоминающее
устройство,
откуда
в
дальнейшем, в зависимости от режима работы
ДВС, считывается тот или иной угол
опережения зажигания.
Примером электронной системы зажигания с
регулированием времени накопления энергии
является система зажигания с электронным
коммутатором 36.3734-20 и датчиком Холла
(рис.6.9.).
Рис. 6.10. Устройство свечи зажигания:
1 – электропроводящая перемычка из
специального стекла; 2 – изолятор; 3 – барьер
утечки тока; 4 – резьбовое соединение; 5 –
гайка клеммы; 6 – клеммный стержень; 7 –
корпус; 8 – уплотнительное кольцо; 9 –
изолятор электрода; 10 – центральный электрод; 11 – боковой
электрод
Свеча зажигания (рис. 6.10.) представляет собой устройство,
предназначенное для воспламенения рабочей смеси в цилиндре ДВС.
Для образования искры в свече на ее электроды подается высокое
напряжение от катушки зажигания. При достижении разности
потенциалов на электродах значения пробивного напряжения
(8…12кВ), между ними происходит разряд.
Величина пробивного напряжения зависит:
 от параметров самой свечи (материал и форма
электродов, величина воздушного зазора, полярность
центрального электрода);
 от параметров, характеризующих условия воспламенения
рабочей смеси в камере сгорания (давления в момент
пробоя искрового промежутка, температура рабочей
смеси и электродов, состав и скорость движения смеси в
зоне искрового промежутка);
 от скорости нарастания напряжения на электродах
(параметров выходного каскада системы зажигания).
Свеча зажигания в процессе эксплуатации подвергается
значительным тепловым, электрическим, механическим и химическим
воздействиям, величина которых зависит от частоты вращения
коленчатого вала и тактности ДВС. По мере развития
двигателестроения интенсивность перечисленных воздействий
возрастает,
что
требует
постоянно
улучшать
технические
характеристики свечей зажигания.
6.2. Последовательность выполнения работы.
6.2.1. Изучить общую схему электрооборудования автомобиля
(схема выдается преподавателем) и составить согласно ней
принципиальную электрическую схему системы зажигания данного
автомобиля.
6.2.2. Изучить устройство и принцип работы контактной системы
зажигания и на лабораторном стенде исследовать зависимость
выходного напряжения и угла опережения зажигания от частоты
вращения коленчатого вала и нагрузки, для чего:
 подсоединить
вход
откалиброванного
(согласно
инструкции, приведенной на стенде) осциллографа к
лабораторной установке;
 включить питание стенда, и плавно изменяя частоту
вращения вала распределителя, снять осциллограммы
импульсов выходного напряжения на дух различных
частотах вращения;

при
фиксированной
частоте
вращения
вала
распределителя, искусственно создавая разрежение в
вакуумном регуляторе, снять осциллограммы выходного
напряжения при разных степенях разрежения;
 вручную при помощи октан-корректора изменить угол
опережения зажигания и снять осциллограммы.
6.2.3. Произвести проверку технического состояния распределителя
зажигания типа 40.3706 с генераторным датчиком Холла для чего:
 собрать электрическую цепь в соответствии со схемой,
представленной на стенде;
 медленно вращая (вручную) вал распределителя
измерить величину и количество импульсов напряжение
на выходе датчика за один оборот, которое должно
изменяться скачком от минимального (не более 0,4 В) до
максимального (не более чем на 3В меньшего
напряжения питания);
6.2.4. Сделать проверку коммутатора типа 36.3734 для чего:
 собрать электрическую цепь в соответствии со схемой,
представленной на стенде;
 подсоединить первый вход откалиброванного (согласно
инструкции, приведенной на стенде) осциллографа к
выходу генератора (для наблюдения опорных импульсов),
второй – к выходу коммутатора (для наблюдения
формируемых коммутатором импульсов);
 снять осциллограммы импульсов на выходе коммутатора.
6.3. Форма и содержание отчета.
6.3.1. Отчет по лабораторной работе оформляется каждым студентом
на листах формата А4 в соответствии со стандартом
университета.
6.3.2. В отчете должны быть указаны тема и цель лабораторной
работы.
6.3.3. Объем теоретического материала, изложенный в отчете,
определяется студеном самостоятельно.
6.3.4. Отчет должен содержать принципиальную электрическую схему
системы зажигания (п. 5.2.1.) составленную согласно общей
схеме
электрооборудования
автомобиля,
выданной
преподавателем.
6.3.5. В отчете следует привести принципиальную электрическую
схему исследования работы классической системы зажигания и
виды осциллограмм, полученных при выполнении п. 6.2.2.
6.3.6. Начертить принципиальную электрическую схему проверки
датчика Холла и диаграмму его работы по результатам,
полученным при выполнении п. 6.2.3.
6.3.7. Начертить принципиальную электрическую схему проверки
коммутатора и изобразить вид осциллограмм полученных в
результате выполнения п.п. 6.2.4.
6.3.8. Сделать вывод о техническом состоянии проверяемых
устройств.
Примечание:
Принципиальные
электрические
схемы,
приведенные в отчете, должны быть выполнены
чертежным инструментом в соответствии с ГОСТ
(основные
условные
графические
обозначения
в
приведены в конце методических указаний п.5.6.).
6.4. Контрольные вопросы.
6.4.1. Начертить структурную схему системы зажигания и пояснить
назначение ее элементов.
6.4.2. Объяснить принцип работы и назначение основных узлов
классической (контактной) системы зажигания.
6.4.3. Объяснить принцип работы и назначение основных узлов
контактно-транзисторной системы зажигания.
6.4.4. Объяснить принцип работы и назначение основных узлов
бесконтактной системы зажигания.
6.4.5. Каково устройство и назначение свечей зажигания?
6.4.6. Дать классификацию свечей зажигания.
6.4.7. Каково устройство и назначение катушек зажигания?
6.4.8. Дать классификацию автомобильных катушек зажигания.
6.4.9. Пояснить необходимость изменения корректировки угла
опережения зажигания в зависимости от оборотов коленчатого вала
ДВС.
6.4.10. Пояснить необходимость изменения корректировки угла
опережения зажигания в зависимости от нагрузки.
6.4.11. Какие параметры и каким образом можно регулировать в
системе зажигания?
6.4.12. Какие датчики используются в бесконтактных автомобильных
системах зажигания для определения положения и частоты
вращения коленчатого вала?
6.4.13. Пояснить устройство и принцип действия датчика Холла.
6.4.14. Дать сравнительную оценку классической, контактнотранзисторной и бесконтактной систем зажигания.
6.5. Условные графические изображения электротехнических элементов и устройств согласно
ГОСТа ЕСКД.
6.6. Информационно-методическое обеспечение.
6.6.1. Акимов С.В. и др. Электрическое и электронное
оборудование автомобилей //С.В. Акимов, Ю.И. Боровских, Ю.П.
Чижов. М.: Машиностроение, 1988.
6.6.2. Акимов
С.В.,
Чижов
Ю.П.
Электрооборудование
автомобилей. Учебник для вузов. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2001.
6.6.3. Соснин Д.А. Автотроника. Электрооборудование и системы
бортовой автоматики современных легковых автомобилей:
Учебное пособие. М.; СОЛОН-Р, 2001.
6.6.4. Справочник по электрооборудованию автомобилей./ С.В.
Акимов,
А.А.
Здановский,
А.,М.
Корец
и
др.
М.:
Машиностроение,1994.
6.6.7. Тимофеев Ю.Л., Ильин Н.М. Электрооборудование
автомобилей: устранение и предупреждение неисправностей. М.:
Транспорт, 1987.
6.6.8. Электрооборудование автомобилей: Справочник / А.В.
Акимов, О.А. Акимов и др.; Под ред. Ю.П. Чижова. М.:
Транспорт,1993.
6.6.9. Юрковский
И.М.
Возможные
неисправности
электрооборудования легкового автомобиля. М.: Патриот,1996.
6.6.10. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учеб. Для
студентов вузов. 3-е изд., перераб. И доп. М.: Транспорт, 2000.кин
Д.Э. и др. Электрические машины. Ч.2.:-М.:Высшая школа,1979.