Устройство катушек зажигания автомобилей

Катушка зажигания автомобиля

Во всех автомобилях с ДВС задачу воспламенения топливной смеси внутри цилиндра решает специальное устройство — свеча зажигания, которая в строго определенные моменты времени должна формировать на своих электродах мощный искровой разряд. От качества и стабильности образования искры зависит работоспособность силовой установки автомобиля в целом. А частота образования искры, с учетом максимальных оборотов двигателей, может достигать нескольких тысяч срабатываний в минуту.

Каждое срабатывание требует наличия в системе высокого напряжения номиналом в несколько десятков киловольт, тогда как существующие автомобильные аккумуляторные батареи (АКБ) способны выдавать стандартные значения 12 или 24 вольт (для тяжелых грузовиков и спецтехники).

Таким образом, в цепи от АКБ до свечи должен присутствовать достаточно компактный трансформатор, преобразующий низкое напряжение постоянного источника в высоковольтные импульсы требуемого номинала. В любом автомобиле таким трансформатором является катушка зажигания (КЗ).

Среди автолюбителей широко распространено и другое, простонародное, название этой детали – «бобина».

Устройство катушки зажигания

Рассмотрим, как устроена классическая катушка (или общего типа).

Основу конструкции составляют две обмотки: низковольтная (другое название — первичная) и высоковольтная (или вторичная). Для первичной обмотки используется изолированная медная проволока с диаметром сердечника 0,5-0,8 мм. Количество витков не превышает 300. Поверхностная изоляция защищает обмотку от перепадов входного напряжения и от возможности короткого замыкания. Выводы обмотки заведены на клеммы, расположенные на защитной крышке. К ним подсоединяются провода бортовой сети 12 В от внешнего источника.

Внутри первичной находится высоковольтная обмотка. Для её изготовления используется более тонкая проволока (диаметр сечения не выше 0,1 мм), но зато число витков может достигать 50 тысяч. «Минусовые» выводы обмоток соединены, а «положительный» вывод второй обмотки выведен на высоковольтный наконечник КЗ, откуда и подается импульс высокого напряжения.

В конструкции КЗ присутствуют и другие важные компоненты:

• корпус устройства, предохраняющий от повреждения внутренние детали катушки;
• защитная крышка, соединенная с корпусом герметичным неразборным соединением;
• железный сердечник, способствующий повышению выходного напряжения и «успокаивающий» вихревые токи;
• наружный магнитопровод;
• каркас высоковольтной обмотки;
• изоляторные элементы;
• клеммные контакты для подключения внешнего источника;
• контактный винт;
• клемма центрального наконечника с контактной пружиной для снятия высокого напряжения;
• крепежная скоба устройства.

Устройство катушек разных видов

Для эффективного охлаждения устройства в процессе его работы внутренняя полость некоторых моделей перед соединением защитной крышки с корпусом при производстве изделия заполняется специальным маслом.

Для решения задачи поддержания стабильного уровня напряжения на входе катушки некоторые модели могут дополнительно оснащаться «навесными» резисторами.

Принцип работы катушки зажигания

Алгоритм работы достаточно прост: на витки первичной обмотки устройства подается постоянное напряжение от внешнего источника, которое вызывает образование магнитного поля. Это поле воздействует также и на вторую обмотку, где в результате встречной индукции формируется импульс высокого напряжения.

Значение индукции магнитного поля на выходе равняется произведению значения индукции первичной обмотки на количество витков высоковольтной обмотки. За счет этого лавинообразного роста индукции во вторичном контуре мы и получаем такой мощный импульс на выходе КЗ.

Типы катушек зажигания

Все существующие на сегодня автомобильные катушки по конструктивным особенностям можно разделить на четыре группы:

• Классические (общего типа);
• Двухвыводные (сдвоенные);
• Комбинированные (модули зажигания);
• Индивидуальные.

Пример различных типов катушек

КЗ общего типа подразделяются на «сухие» и маслонаполненные. «Сухие» появились позже маслонаполненных и постепенно вытеснили их с рынка за счет меньшей стоимости материалов и простоты изготовления. Конструктивно две разновидности классической катушки практически не отличаются друг от друга. В «сухом» изделии отсутствует металлический корпус, а функции защиты от механических повреждений и теплоотвода выполняет толстый слой эпоксидного компаунда, покрывающий всю поверхность устройства.

Основная особенность работы общей катушки заключается в необходимости наличия в цепи зажигания управляющего и распределительного механизма – трамблера, который отвечает за коммутацию низкого напряжения на вход катушки и «раздачу» высокого напряжения по свечам. Именно этот механический коммутатор управляет возникновением искры, а также синхронизирует этот процесс с тактами работы ДВС.

Катушки зажигания сдвоенного типа по своему внутреннему конструктиву аналогичны классическим. Основное отличие заключается в том, что изделие имеет два высоковольтных вывода. Таким образом, каждый сформированный устройством высоковольтный импульс поступает одновременно на две свечи. Но так как алгоритм функционирования двигателя подразумевает максимальное сжатия топливной смеси (время поджига) одномоментно только в одном рабочем цилиндре, то образующийся искровой разряд на свече другого цилиндра «пропадает» впустую. Этот процесс называют также «холостой искрой». Однако на следующем такте работы силовой установки два вывода катушки меняются местами: первый осуществляет «холостой» выстрел, зато второй отрабатывает свой хлеб на все сто.

Сдвоенная катушка зажигания

Двухвыводные катушки имеют два главных преимущества перед классическими:

1. При объединении двух изделий в одном блоке на 4-цилиндровом моторе (трех изделий на 6-цилиндровом и т.д.) распределитель высокого напряжения в цепи зажигания автомобиля становится ненужным, что влечет за собой повышение надежности системы в целом.
2. Такую катушку можно подключать к свечам зажигания разными способами: первый – подавать высоковольтные импульсы на свечи по двум проводам высокого напряжения, второй – использовать для одной свечи наконечник, для второй — провод. Это позволяет конструкторам повысить вариативность размещения и подключения КЗ.

Катушками комбинированного типа оснащать авто начали после широкого распространения инжекторных ДВС.

Сначала модули зажигания представляли собой единый блок, состоящий только из отдельных катушек (по числу использующихся в ДВС цилиндров) и специальных наконечников, закрепленных на выводах КЗ. С помощью этих наконечников вся конструкция надевалась на свечи, вкрученные в колодцы головки блока цилиндров (ГБЦ). Такой модуль зажигания позволял отказаться от высоковольтной части трамблера. А функцию низковольтного коммутатора в первых модулях выполнял блок управления ДВС, который для этой цели оснащался необходимым количеством транзисторов.

Позже транзисторные ключи коммутации низковольтного напряжения также перекочевали из дорогого и сложного блока управления в корпус модуля КЗ, который стал независимо выполнять все функции.

Индивидуальные катушки являются сегодня наиболее востребованными устройствами. Выбранная производителем архитектура сердечника позволяет разделить эти изделия еще на две дополнительных группы: компактные и стержневые. Индивидуальные получили свое название в силу того, что каждая работает только на одну свечу.

Алгоритм функционирования индивидуальной катушки полностью соответствует алгоритму работы КЗ других типов, но её конструктив имеет особенности. Главное отличие – зеркальное расположение двух обмоток по сравнению с конструкцией КЗ общего типа. Также индивидуальная имеет два сердечника: один внутри и один снаружи обмоток.

Высоковольтный вывод катушки подсоединён к наконечнику, состоящему из металлического стержня, упорной пружины и керамического изолятора. С помощью наконечника она надевается на свечу, вкрученную в ГБЦ.

Для предохранения вторичной обмотки КЗ от сверхвысоких нагрузок в её конструкции предусмотрено использование мощного диода, способного выдерживать постоянное воздействие значительных напряжений.

К особенностям индивидуальных можно отнести их компактность и отсутствие в изделии некоторых элементов, присущих КЗ других типов, что положительно сказывается на минимизации потерь энергии в цепи высокого напряжения.

Индивидуальные КЗ некоторых производителей дополнительно оснащаются электронными деталями для поддержки воспламенительного механизма.

Применяемость катушек зажигания

Все современные автомобильные системы зажигания используют те или иные типы катушек зажигания.

Катушки общего типа могут быть установлены на автомобили с любой системой зажигания, но при этом они требуют обязательного наличия трамблера. Тогда как сдвоенного типа применяются исключительно в электронных системах зажигания. Индивидуальные и модульные устанавливаются только на те машины, которые используют современные системы зажигания электронного типа.

Требования, предъявляемые к катушкам зажигания

Современные катушки зажигания должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Компактные размеры, небольшой вес.
2. Стабильность характеристик в течение всего срока эксплуатации устройства, надежность и долговечность изделия.
3. Продуманный дизайн, простота установки/снятия устройства.
4. Повышенная защита от неблагоприятного воздействия агрессивных внешних факторов (экстремальные температуры, влажность, загрязненность и пр.).
5. Точность изготовления и механическая прочность посадочных мест, крепежных элементов и контактов устройства.

Заключение

Несмотря на значительную эволюцию ДВС, а также различных электронных систем и узлов автомобилей, катушки зажигания с момента их первого появления на машинах и до нынешнего времени претерпели не столь значимые конструктивные изменения. Они продолжают решать свою основную задачу – трансформацию постоянного низкого напряжения в мощные высоковольтные импульсы, требуемые для стабильной и надежной работы свечей в цилиндрах двигателя.

В современных ДВС наибольшее распространение и развитие получили катушки индивидуального и модульного типов. Это связано с их эффективностью, малыми габаритами и долговечностью. Этот вывод подтверждается многолетним опытом эксплуатации данных типов на большинстве моделей автомобилей ведущих производителей мира.

Источник статьи: http://autoleek.ru/sistemy-dvigatelja/sistema-zazhiganiya/katushka-zazhiganiya-avtomobilya.html

Виды, устройство и принцип работы катушки зажигания

Главным элементом системы зажигания, то есть воспламенения топливовоздушной смеси, в двигателях внутреннего сгорания является катушка зажигания или трансформатор. С ее помощью подается высокое напряжение на свечи, что приводит к возникновению искры. Если катушка неисправна, нарушается работа всей системы зажигания, двигатель может существенно снизить свою мощность или совсем перестать работать.

Принцип работы катушки зажигания

Основной задачей катушки является преобразование низкого напряжения, подаваемого от аккумулятора автомобиля (порядка 12 вольт), в высокое (до 25-30 тысяч вольт).

Иными словами, устройство типовой катушки зажигания фактически представляет собой аналог импульсного повышающего трансформатора, работа которого осуществляется следующим образом.

Схема работы катушки зажигания в автомобиле

При повороте ключа зажигания сеть замыкается, и низкое напряжение подается на первичную обмотку трансформатора. Она обладает меньшим количеством витков и выполнена из толстого провода. Прохождение тока по первичной обмотке вызывает возникновение магнитного поля, в котором накапливается энергия. При прерывании цепи первичной обмотки (например, механическим прерывателем), магнитное поле создает высокое напряжение во вторичной обмотке. Она, в свою очередь, имеет большее количество витков и выполнена из тонкого провода.

Затем высокое напряжение в виде импульса поступает к распределителю, который разделяет его и подает к электродам свечей зажигания. Между электродами образуется искра, воспламеняющая топливовоздушной смесь.

Расположение катушки зажигания зависит от ее типа и компоновки моторного отсека. В современных автомобилях для каждой свечи зажигания предусмотрена своя катушка, так называемая индивидуальная. Она надевается непосредственно на свечу и устанавливается на клапанной крышке двигателя. Общие или двухвыводные катушки обычно располагаются сбоку от верхней части мотора. Основная идея заключается в том, чтобы сократить длину высоковольтных проводов. Подробнее о типах катушек ниже.

Виды катушек зажигания

Основными параметрами катушек зажигания являются следующие характеристики:

• Индуктивность первичной обмотки – способность накапливать энергию.
• Коэффициент трансформации – во сколько раз увеличивается напряжение, подаваемое от аккумулятора.
• Сопротивление обмоток. Для каждой модели есть свой диапазон, так для обмотки низкого напряжения сопротивление может быть 3-3,5 Ом, а для обмотки высокого – 5000-9000 Ом.
• Энергия образующейся искры.
• Напряжение пробоя – величина высокого напряжения катушки, при котором на электродах свечи происходит пробой воздушного зазора и формируется искра.

Наибольшее распространение получили три вида конструкций катушек зажигания: общая, индивидуальная и двухвыводная.

Классическая конструкция катушки зажигания

Самые простые катушки имеют две медные обмотки до 150 витков в первичной и до 30000 во вторичной. Обе обмотки изолированы, что предотвращает возникновение короткого замыкания.

Корпус представляет собой стакан с крышкой, на которую выведены контакты первичной обмотки. Вторичная обмотка расположена внутри первичной и соединена одним концом с обмоткой низкого напряжения.

Второй конец также выведен на крышку бобины и предназначен для подключения цепи, соединяющей трансформатор со свечой. Внутри обмоток находится железный сердечник, увеличивающий силу формирующегося внутри магнитного поля.

Такие конструкции на сегодняшний день практически не применяются в автомобилестроении. Однако их еще можно встретить при ремонте старых авто и других транспортных средств.

Конструктивные отличия индивидуальных катушек

Этот тип используется преимущественно в электронных системах. Принцип работы индивидуальной катушки зажигания аналогичен классической. Конструктивно она также имеет обмотки высокого и низкого напряжения, но в отличие от классической схемы, первичная находится внутри вторичной. Также, вместо одного сердечника, их два – внешний и внутренний.

Индивидуальные катушки зажигания. Компактная (слева) и стержневая (справа)

Первый находится внутри первичной обмотки, а второй – вокруг вторичной. Обмотка высокого напряжения индивидуальных катушек зажигания оснащается специальным диодом. Он отсекает токи высоких напряжений.

Индивидуальные катушки разделяют на два типа, которые отличаются конструкцией сердечника: компактные и стержневые. Последние могут объединяться в модули по четыре штуки. За один цикл индивидуальная катушка формирует одну искру, что обуславливает необходимость синхронизации всех катушек относительно распредвала двигателя.

Двухвыводные катушки зажигания

Конструкция сдвоенной (двухвыводной) катушки зажигания аналогична классической схеме, но единственным отличием является наличие двух выводов от обмотки высокого напряжения. Такая конструкция позволяет формировать искру одновременно на двух свечах (на два цилиндра двигателя). В первом из них зажигание происходит в конце такта сжатия топливовоздушной смеси, а во втором – на этапе выпуска отработавших газов (вхолостую).

Двухвыводная катушка зажигания

Такие конструкции используются в двигателях с четным числом цилиндров. Они позволяют упростить систему зажигания, а также исключить из схемы распределитель. Подключаются сдвоенные трансформаторы двумя способами:

• оба контакта соединяются со свечами высоковольтной проводкой;
• один контакт соединен наконечником (напрямую со свечой), а второй – высоковольтной проводкой.

Для четырехцилиндровых двигателей могут применяться четырехвыводные катушки, которые фактически являются системой из пары двухвыводных.

Сухие и маслозаполненные катушки

В классической конструкции катушки системы зажигания внутреннее пространство заполнено трансформаторным маслом. Это необходимо для того, чтобы под действием тока ее обмотки не перегревались. Сам корпус такой бобины изготавливается из металла, что не всегда рационально.

Поэтому в большинстве современных автомобилей используется альтернативная конструкция – «сухой» трансформатор. Она не имеет корпуса, а покрыта слоем эпоксидного компаунда, который служит одновременно и корпусом, защищающим от загрязнений и влаги, и системой охлаждения.

Помимо этого, в ряде импортных автомобилей используются комбинированные модели, объединяющие контактный коммутатор и сухую катушку или же предполагающие интеграцию катушки в распределитель.

Срок службы и неисправности катушек зажигания

Теоретически современные катушки зажигания имеют срок эксплуатации 60-80 тысяч километров пробега автомобиля. Однако реальные показатели во многом зависят от условий эксплуатации. Причин возникновения неисправностей может быть множество:

• Короткое замыкание на обмотках.
• Перегрев катушки.
• Износ в результате длительной эксплуатации или повышенной вибрации.
• Превышение времени зарядки. Чаще всего это происходит когда аккумулятор автомобиля не обеспечивает нужного уровня напряжения.
• Разгерметизация основных узлов двигателя и топливной системы.
• Повреждение корпуса.

В современных автомобилях бортовой компьютер сигнализирует о неисправности катушки включением на приборной панели индикатора Check Engine. Помимо этого, признаками нарушения работы являются:

• Отклонение сопротивления обмоток трансформатора от нормативной величины. Диагностируется при помощи тестера.
• Периодический или полный отказ одного или нескольких цилиндров двигателя, что снижает его мощность.
• Ухудшение работы ДВС при холодной (морозной) погоде или при высокой влажности воздуха.
• Отказ в работе двигателя при резком нажатии на педаль газа.
• Слабый разгон автомобиля.

Из-за особенностей конструкции ремонт катушек зажигания невозможен, и при обнаружении неполадок они просто меняются на новые. Проводить диагностику состояния и их замену лучше в сервисных центрах, поскольку от точности работы этого элемента системы зажигания зависит работа двигателя и автомобиля в целом.

Источник статьи: http://techautoport.ru/dvigatel/sistema-zazhiganiya/katushka-zazhiganiya.html