Зажигаем свечи. Любопытный технический отчет о свечах зажигания автомобиля

Пламя, искры, высокая температура камеры сгорания, вот они, нелегкие условия труда автомобильной свечи зажигания

Благодаря системе внутреннего сгорания наш автомобиль везет нас из пункта А в пункт Б, и эта система будет нашим верным помощником еще длительное время пока существуют двигатели внутреннего сгорания. Конечно, сейчас все то и дело говорят об альтернативных видах топлива и об их замене классическому пониманию работы двигателя, но мы знаем твердо, что то, что никогда не перестанет развиваться, так это технология воспламенения. Она занимает свое почетное место в истории автомобилестроения и сегодня мы хотели бы поговорить именно о ней. 

Сгорание происходит само по себе или с помощью огня? Немного историикупить свечи зажигания на автомобиль дешево

Если поместить топливо и воздух в камеру сгорания, можно представить себе два сценария возникновения огня. Первым является определенный выбор топлива, которое воспламеняется само по себе из-за экстремально высоких температур. Конечно же, сейчас мы говорим о сгорании дизельного топлива еще известном как зажигание от сжатия, но это уже совсем другая история.

В данной статье мы сфокусируем свое внимание на втором сценарии возникновения огня в камере сгорания, а именно вовлечение в этот процесс искры. Вот уже в течение долгого времени эта миссия возложена на электрическую искру, но так было не всегда. Первые двигатели внутреннего сгорания, которые появились более столетия тому назад, использовали для этого процесса натуральный огонь. Разрешите остановиться на этом немного подробнее.

Скользящий клапан камеры сгорания двигался от места подачи топлива через запальник к отверстию в головке цилиндра. Вместе с топливом в резервуар поступал и газ (в старые времена это был «бытовой» газ), который, при встрече с запальником, воспламенялся. Затем этот резервуар выравнивался с отверстием в головке цилиндра, воспламеняя, таким образом, воздушно-топливную смесь в цилиндре. И наконец, он скользил обратно для нового цикла воспламенения.

Недостатком такого зажигание было то, что смесь топлива и воздуха едва сжималась, и, должны признать, то, что происходило возгорание, было само по себе большим достижением.

Индуктор или аккумулятор?

Череда экспериментов в автомобилестроении не заставила себя ждать. Инженеры начали разрабатывать новые технологии, чтобы усовершенствовать систему зажигания, заменив ее чем-то более надежным и относительно безопасным. Так в системе зажигания появилась электрическая искра. Тут возник новый вопрос: чему отдать предпочтение – индуктору или аккумулятору для авто. Это была действительно интересная битва.

Например, Ford использовал индуктор для зажигания во всей своей продукции очень длительный период, с 1909 по 1927 гг. На самом деле, такая форма зажигания существует по сей день. Индукторы продолжают быть практически незаменимыми в поршневой авиации из-за их надежности и компактности.  Их использование также распространено в двигателях маленького объема, т.к. они могут работать без аккумулятора.

Оба типа зажигания, как индукторное, так и от автомобильного аккумулятора, используют принцип электрической индукции. Пропустите зачищенный провод через индуктор, и в нем появится электрический ток. Чем быстрее провод проходит через индуктор, тем больше электроэнергии генерируется. Хм, это могло бы быть неплохим названием для нового изобретения – «генератор». На самом деле, базовый индуктор и является одним из видов генератора.

Во все тех же моделях Ford индуктор был единым целым с его маховиком и производил относительно низкое напряжение, не более 24 В, слишком мало для того, чтобы перейти зазор автомобильной свечи зажигания даже в относительно спокойной камере сгорания двигателя с низким уровнем сжатия. Для того чтобы повысить электромагнитную силу, появились катушки «прерыватели» низкого тока напряжения, по одному на каждую свечу зажигания.

Как и современные катушки, «прерыватели» использовали принцип электрической индукции. Помните об электрическом токе, который возникал при пропускании провода через индуктор? Иначе говоря, этот ток является результатом изменений в магнитном поле. Здесь действует закон Фарадея, который гласит, что для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. Конечно же, лучшим средством изменения магнитного поля является полное его устранение. Такова основная идея аккумуляторного зажигания, которое является основой системы искрового зажигания от автомобильных свечей в каждом современном двигателе.

Устранение магнитного поля с расширением технических возможностей катушки

Расположите сравнительно небольшое количество «первичных» спиралей обмотки так, чтобы они вплотную прилегали к гораздо большему количеству «вторичных» спиралей. Затем пропустите ток низкого напряжения через «первичные» спирали. В силу закона Ампера, этот ток создаст магнитное поле.

Затем прервите ток в первичной цепи контактным прерывателем, разрушая, таким образом, магнитное поле, и посмотрите, что произойдет во вторичной обмотке. В соответствии с законом Фарадея, там возникнет индуцированное напряжение. И, из-за большой разницы в количестве спиралей первичной и вторичной обмоток, возникшее напряжение во вторичной цепи будет пропорционально выше напряжения цепи первичной.

Вернемся к первым дням автомобилестроения, времени мастерства Роберта Боша и Чарльза Ф. Кеттеринга. Уже к 1902 году он изобрел индуктор со встроенными катушками, контактным выключателем и высоковольтными свечами зажигания. В 1910 году Кеттеринг представил миру альтернативу в виде аккумуляторного зажигания. В отличие от редуктора, первичная цепь и набор выключателей работали при низком напряжении, которое поступало от автомобильного аккумулятора. Накопительная емкость, «конденсатор», увеличивала выносливость первичной цепи. Одна катушка преобразовывала низкое напряжение первичной цепи в высокое. Так же как и в индукторе, распределитель направлял напряжение на соответствующую автомобильную свечу зажигания.

Такая система зажигания предоставляла мощную искру даже при низких оборотах, что было явным недостатком индукторов. Эта же система послужила прекрасным стартом для Кеттеринга и его значимой инновации 1912 года: электрическое зажигание.

От успеха автоматической свечи зажигания к зажиганию транзисторному

Первые системы полагались на ручной контроль возникновения искры. К 1930-м гг. появились новые достижения в сфере зажигания. Мы говорим об автоматических центрифугах, которые реагировали на обороты двигателя и о вакуумных устройствах, которые отвечали на нагрузку двигателя.

Интуитивно вы можете догадаться, что более высокие обороты двигателя требуют большей подачи искр, а при большей нагрузке на двигатель подача должна быть несколько меньше. Кроме того, обедненные воздушно-топливные смеси требуют большего времени на выполнение одного цикла, а также существует очень большое количество других параметров оптимизации потребления топлива, выбросов отработанного топлива и контроля детонационного стука. Сегодня все они определены на испытательном стенде двигателя и хранятся в многомерных картах электронных систем управления двигателем.

Электроника не торопилась вторгаться в систему зажигания автомобилей. Делко предложил автоматическое устройство для зажигания еще в 1948 году. Но вплоть до 1955 года не появлялось никаких новых идей, пока Лукас не представил миру транзисторное зажигание. Мало-помалу, автопроизводители начали предлагать транзисторные устройства как альтернативную, но более дорогую комплектацию автомобиля. Постепенно автомобильный мир практически отказался от ручного контроля возникновения искры, и в 1970-х гг. транзисторное зажигание автомобиля стало стандартным.

Современное интегрирование системы зажигания. Насколько дорого можно будет купить свечу зажигания автомобиля будущего?

В настоящее время функция зажигания в автомобиле полностью возложена на систему управления двигателем – EMS (Engine Management System). Эта система отслеживает, оптимизирует и контролирует все, начиная с количества воздуха и топлива, поступающих в двигатель, и заканчивая выхлопными газами, которые из него выходят. Она принимает во внимание температуру, ее повышение и понижение, холодный запуск и другие условия эксплуатации. Также система контролирует плавность переключения передач. В настоящее время она даже взаимодействует с рулем, тормозной системой и автомобильной подвеской в силу работы электронного контроля устойчивости автомобиля.

Конечно, до сих пор присутствуют элементы базового аккумуляторного зажигания. Однако теперь, каждая свеча зажигания часто имеет индивидуальные, плотно прилегающие к ней катушки. Таким образом, достигается эффективность и долговечность использования за счет минимизации высоковольтных путей. Несколько сотен вольт на первичной стороне каждой катушки при выходе дают 30 000 В. Это «напряжения зажигания» создает дугу между электродами свечи зажигания автомобиля. Было установлено, что для возникновения искры зажигания достаточно напряжения в 2000 В на протяжении 1,5 миллисекунды. Такая продолжительность искры стабилизирует процесс зажигания.

Прошли уже многие годы с тех пор, когда продолжительность возникновения искры и распределительные функции регулировались вручную. Датчики Холла распознают частоту вращения коленчатого вала, другие определяют соотношение воздуха к топливу и обороты двигателя, два из основных определяющих факторов зажигания. Сенсоры детонационного стука прислушиваются к зарождению взрыва, их сигналы синхронизируют работу цилиндров и возникновение искр зажигания. Если взять современный автомобиль с двигателем V-6, который едет на 2500 оборотах в минуту, все вышеперечисленные процессы происходят в нем с частотой 125 раз в секунду.

В настоящее время разрабатывается другая концепция, где зажигание инициируется лучом лазера. Потенциал этой идеи состоит в том, что пламенные ядра возникают лишь в необходимом месте.  На данный момент осталось решить проблемы с упаковкой, стоимостью и долговечностью.

С проблемой нехватки энергии от воспламенения сейчас сталкиваются все новые и новые концепции системы зажигания. С увеличением использования двигателей с наддувом и турбонаддувом, источники зажигания требуют больше высокого напряжения. Последнее Женевское автошоу, показало, что тренд в создании автомобилей с мощным двигателем не иссяк, а это накладывает на производителей дополнительную ответственность в бесперебойной работе всех систем, в том числе и системы зажигания! Вдобавок ко всему, новая система зажигания, конечно же, должна быть более компактной, прочной и менее дорогостоящей.

И наконец, многие автопроизводители, как, к примеру, любитель инноваций компания Audi, проводят исследования идеи однородного воспламенения от сжатия заряда, смыслом которой является «скрещивание» искры и дизельной концепции. В некоторых режимах горению по-прежнему будет способствовать искра. Приживется ли эта модель в будущем покажет время.

Итак, как вы сами видите, система зажигания прошла большую эволюцию и по праву занимает отдельную нишу в истории автомобилестроения.

А теперь предлагаем ознакомиться с системой зажигания в картинках...

Рейтинг: 
5

© Все права защищены

Комментарии

Добавить комментарий (появится после одобрения администратора)