Принцип дії контактної системи запалювання

Контактна (класична) система батарейного запалювання складається з таких основних елементів: джерела енергії, котушки запалювання, переривача-розподільника запалювання. 

Електроживлення системи здійснюється від автомобільної акумуляторної батареї, а коли двигун працює - електроенергію виробляє автомобільний генератор, підключений паралельно акумулятору. Послідовно джерелам струму підключений вимикач запалювання, переривач та первинна обмотка котушки запалювання.

Котушка запалювання є імпульсним трансформатором. Основна функція котушки запалювання - трансформування (перетворення) низької (12 В) напруги у високовольтний (десятки тисяч вольт) імпульс, здатний «пробити» іскровий проміжок на свічці.

Переривач-розподільник запалювання (трамблер) має низьковольтний переривач і розподільник імпульсів високої напруги. До роторного вала, розташованого всередині корпусу переривача-розподільника, прикріплено ряд виступів кулачків (по одному для кожного циліндра). Роторний вал з'єднаний з колінчастим валом і обертається з частотою, що дорівнює половині частоти його обертання. Виступи кулачків, що обертаються, розмикають переривач контактів у належний момент часу, негайно припиняючи протікання струму через первинну обмотку котушки.

У первинний ланцюг входять вимикач запалювання, додатковий опір (для зменшення нагрівання індукційної котушки при роботі двигуна на малих оборотах), первинна обмотка котушки запалювання, переривач ланцюга низької напруги і конденсатор (для зменшення обгорання контактів).

У вторинний ланцюг входять вторинна обмотка котушки запалювання (з числом витків у 100...200 разів більше, ніж у первинної), розподільник струму високої напруги та свічки запалювання. 

При включеному запалюванні та замкнутих контактах переривача струму низької напруги первинного ланцюга проходить струм від акумуляторної батареї або генератора. Проходячи по первинній обмотці котушки запалювання, струм створює сильне магнітне поле, що перетинає вторинну обмотку котушки. 

При розмиканні контактів переривача (кулачок набігає виступом на важіль з контактом) переривається струм ланцюга низької напруги і створене магнітне поле зникає. При цьому зникаюче магнітне поле, що перетинає вторинну обмотку котушки запалювання, індукує в ній у цей момент струм високої напруги. Цей струм підводиться до ротора розподільника запалювання, який обертається разом з кулачком. У момент розмикання контактів переривача струм високої напруги надходить до одного з контактів розподільника запалювання, які з'єднані зі свічками запалення. Іскровий розряд між електродами свічки відбувається в тому циліндрі, в якому на цей час завершується такт стиснення робочої суміші.

Коли переривач контактів розмикається, згасаюче магнітне поле здатне наводити у первинній обмотці електричний струм з напругою приблизно 150...200 В. Цей струм спробує перейти через розімкнений переривач контактів і створить електричну дугу, яка швидко призведе до ерозії поверхонь контактів вимикача. Проте цей наведений струм також утримує магнітне поле навколо первинної та вторинної обмоток, не дозволяючи магнітному полю швидко згаснути, а отже, запобігає наведенню високої напруги у вторинній обмотці.

Тому до первинного ланцюга під'єднується конденсатор, щоб наведена напруга ефективно поглиналася і зберігалася у конденсаторі. Коли переривач напруги знову замикається (і струм знову може протікати через первинну обмотку), конденсатор може розрядити накопичену електроенергію назад у первинний ланцюг: це допоможе створити наступне магнітне поле.

У механічних системах запалювання випередження запалювання при збільшенні частоти обертання двигуна відбувається за допомогою відцентрового регулятора випередження запалювання - за допомогою шарнірних тягарців та пружин. Тягарці змонтовані на пластині, що прикріплена до роторного вала у зборі, тож тягарці та пластина обертаються разом з валом. Зі збільшенням частоти обертання двигуна відцентрова сила штовхає тягарці назовні, протидіючи натягу пружин. Рух тягаріцв, у свою чергу, прискорює обертання виступів кулачків на роторному валу, а це також прискорює розмикання переривача контактів, тож момент запалювання настає з випередженням.

Для зміни моменту запалювання у разі зміни навантаження двигуна використовується другий механізм - вакуумний регулятор випередження запалювання. Переривач контактів змонтований на опорній пластині, яка може трохи повертатися. Опорна пластина, у свою чергу, з'єднана з мембранною коробкою, яка сприймає тиск у впускному колекторі через трубку. 

Коли тиск у впускному колекторі змінюється при зміні навантаження двигуна, мембрана переміщається, і під її впливом опорна пластина та переривач контактів трохи повертаються. Поворот опорної пластини та вимикача, у свою чергу, змінює момент запалювання при зміні навантаження двигуна.

Точність регулювання моменту запалювання механічними системами запалювання обмежена можливостями апаратного обладнання. Точне налаштування, регулювання та заміну компонентів часто необхідно виконувати у рамках графіку регламентного технічного обслуговування. У якості прикладу таких обмежень на рисунку нажче зображено типовий графік випередження моменту запалювання залежно від частоти обертання двигуна для механічної системи запалювання у порівнянні з вимогами до ідеального моменту запалювання.

Завдяки використанню поворотних пружин з різною жорсткістю випередження моменту запалювання, що встановлюється відцентровою системою, відбувається у два лінійні кроки. Проте ідеальне випередження моменту запалювання змінюється нелінійно. Аби гарантувати, що момент запалювання ніколи не настане з надто великим випередженням, відцентрове регулювання моменту запалювання необхідно виконувати таким чином, щоб момент запалювання завжди дещо запізнювався відносно ідеального значення.

Період накопичення енергії / кут замкненого стану контактів

У механічній системі запалювання період накопичення енергії починається, коли виступи кулачків, що обертаються, дозволяють переривачу контактів замкнутися, після чого струм починає текти через первинну обмотку котушки. Період накопичення енергії закінчується, коли під дією одного з виступів кулачків переривач контактів знову розмикається, припиняючи протікання струму у первинну обмотку. Таким чином, період накопичення енергії можна визначити як кут повороту виступів кулачків, за якого переривач контактів перебуває у замкненому положенні.

На рисунку показано 4 виступи кулачків (для 4-циліндрового двигуна): це означає, що однакові точки суміжних виступів кулачків віддалені одна від одної на кут 90°. Форма виступів кулачків, показаних у прикладі, дозволяє переривачу контактів залишатися замкненим протягом повороту на 60°. Тому, коли контакти переривача замкнені, кут замкненого стану контактів становить 60° повороту розподільника, а через первинну обмотку котушки протікає струм.

Якщо, як показано у прикладі, колінчатий вал обертається з частотою 1000 об/хв, ротор розподільника (який обертається вдвічі повільніше) буде обертатися з частотою 500 об/хв. За цієї частоти вал розподільника повернеться на кут замкненого стану контактів – 60° – за 20 мілісекунд, проте, оскільки необхідний час накопичення енергії котушкою запалювання становить приблизно 4 мілісекунди, цього часу накопичення енергії більш ніж достатньо для утворення магнітного поля у котушці.

Якщо двигун обертається з частотою 5000 об/хв, поворот вала розподільника на ті ж 60° займе всього 4 мілісекунди – це точно дорівнює проміжку часу, необхідному для заряджання котушки за максимальної напруженості магнітного поля. Проте якщо двигун повинен обертатися ще швидше, цього часу буде недостатньо для повного заряджання котушки запалювання, а отже, енергія магнітного поля буде зменшена, і на свічки запалювання буде подаватися знижена напруга.

Проблема скорочення часу накопичення енергії при збільшенні частоти обертання двигуна більш суттєва для двигунів з більшою кількістю циліндрів. Наприклад, у 6-циліндровому двигуні буде 6 виступів кулачків, з відстанню між кожною парою кулачків усього 60° і з кутом замкненого стану контактів усього 40°. У результаті, коли двигун обертається з частотою 5 000 об/хв, кут замкненого стану контактів у 40° буде пройдений всього за 2,6 мілісекунди.

Якщо для повного заряджання котушки потрібно 4 мілісекунди, тобто час накопичення енергії буде аж надто коротким, напруга буде нижчою, і можуть виникати пропуски запалювання.

Таким чином, контактна система запалювання не забезпечує надійної роботи двигунів автомобілів, особливо при збільшенні у них числа циліндрів, ступеня стиснення та максимальної частоти обертання колінчастого валу. Для забезпечення надійної роботи таких двигунів необхідно збільшувати силу струму в первинному ланцюзі системи запалювання (ланцюги низької напруги), що небажано через зниження терміну служби контактів переривача, внаслідок їх обгорання і зношування.

Для подолання проблеми зі скороченням часу накопичення енергії у механічних системах запалювання застосовувалися різні рішення. Одне з рішень полягало у тому, щоб використовувати потужнішу котушку запалювання. Інше крайнє рішення, що використовувалося для двигунів з підвищеним числом обертів та 8 або 12 циліндрами полягало у тому, щоб обладнати двигун двома окремим розподільниками з власними котушками запалювання. Таким чином, ці двигуни успішно працювали з двома окремими системами запалювання, кожна з яких подавала високу напругу на свічки запалювання для половини циліндрів двигуна.