Как работает катушка зажигания

Катушка зажигания – устройство и принцип работы

Катушка зажигания (или модуль зажигания) – элемент системы зажигания автомобиля, который преобразует низковольтное напряжение бортовой сети в высоковольтный импульс. Высокое напряжение, возникающее в катушке зажигания, вызывает образование искры между электродами свечи зажигания и обеспечивает воспламенение топливно-воздушной смеси.

Устройство катушки зажигания
Катушка зажигания представляет собой трансформатор с двумя обмотками: первичной и вторичной, внутри которых находится стальной сердечник, а снаружи – изолированный корпус.
Первичная обмотка состоит из толстого медного изолированного провода и насчитывает от 100 до 150 витков. Обмотка имеет выводы 12 вольт.
Вторичная обмотка, как правило, располагается снаружи первичной. Она состоит из 15000-30000 витков тонкой медной проволоки. Такая система характерна как для модуля зажигания, для катушки зажигания сдвоенного типа, так и для индивидуальной катушки. Во вторичной обмотке создается импульсное напряжение до 35 000 вольт, которое и подается к свечам зажигания.
Катушка зажигания автомобиля масляного типа заполняется трансформаторным маслом, которое предохраняет ее от нагрева.

Принцип действия катушки зажигания
В первичную обмотку катушки подается низковольтное напряжение, которое создает магнитное поле. Время от времени это напряжение отсекается прерывателем, вызывая резкое сокращение магнитного поля и образования в витках катушек электродвижущей силы (ЭДС).
Согласно физическому закону электромагнитной индукции, величина образующейся таким образом ЭДС прямо пропорциональна количеству витков обмотки контура. Поэтому во вторичной катушке с большим количеством витков образуется импульс высокого напряжения, который по высоковольтным проводам (не применимо к индивидуальной катушке зажигания, установленной прямо на свечу) подается к свече зажигания. Благодаря импульсу, передаваемому катушкой, между электродами свечи зажигания образуется искра, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь.
В устаревших моделях автомобилей напряжение от катушки зажигания подавалось ко всем свечам с помощью распределителя зажигания. Такая схема оказалась недостаточно надежной, поэтому катушки зажигания (их ещё называют свечными) современного автомобиля объединены в систему и распределены по одной на каждую свечу.

Виды катушек зажигания автомобиля
• Общая катушка зажигания используется в системах зажигания с распределителем или без него. Ее конструкция описана выше: первичная обмотка располагается снаружи вторичной, внутри которой находится сердечник. Катушки с сердечником заключены в стальной корпус. Импульс от вторичной обмотки подается на свечи зажигания.

• Индивидуальная катушка зажигания используется в системах прямого электронного зажигания. В отличие от общей конструкции, в индивидуальных катушках первичная обмотка находится внутри вторичной. Индивидуальная катушка устанавливается непосредственно на свечу зажигания, поэтому высоковольтный импульс передается практически без потери мощности.

Рекомендации по эксплуатации модулей зажигания
1. Не оставляйте включенным зажигание без запуска двигателя на долгое время. Это существенно сокращает срок службы катушек зажигания.
2. Найдите время для очистки и проверки состояния катушки. Убедитесь в том, что крепления проводов в порядке, особенно важно проверить высоковольтный провод. Убедитесь также, что на корпус или внутрь его не попадает вода.
3. Не отсоединяйте высоковольтный провод от катушки голыми руками при включенном зажигании.

Как работает катушка зажигания в автомобиле?

Подаваемая в цилиндры двигателя горючая смесь воспламеняется искрой, проскакивающей в нужный момент между электродами свечи. Столь мощный искровой разряд создается электрическим импульсом высокого напряжения. Чтобы понять, как это реализовано в автомобиле, стоит изучить конструкцию и принцип работы катушки зажигания, играющей в данном процессе главную роль.

Зачем нужна катушка?

Для своевременного и полного сжигания топливовоздушной смеси в цилиндре необходимо выдержать ряд условий:

мощность электрического разряда порядка 20 тыс. вольт;
подача импульса на свечу при достижении поршнем верхней точки с опережением 5° оборота коленчатого вала;
зазор между электродами – 0,8–1,0 мм.

За выполнение первого условия отвечает именно высоковольтная катушка. Общеизвестно, что напряжение бортовой сети транспортных средств составляет 12 В, на некоторых грузовиках (например, КаМАЗ) – 24 В. Подобные характеристики не подходят для уверенного искрообразования.

Чтобы создать мощную искру, пробивающую воздушную прослойку шириной 1 мм, низкое напряжение необходимо преобразовать и создать более высокий потенциал – около 20 кВ. Для этого служит высоковольтная катушка зажигания, которая работает в составе системы следующим образом:

Когда поршень в одном из цилиндров приближается к верхней мертвой точке (ВМТ), завершается такт сжатия.
Электронный блок управления, получающий информацию от датчика положения коленчатого вала, дает команду на искрообразование, отправляя сигнал размыкающему реле.
В режиме ожидания катушка постоянно находится под напряжением бортовой сети – 12 В. Реле по команде контроллера размыкает данную цепь и питание обмотки прекращается.
В момент разрыва элемент вырабатывает высоковольтный импульс, отправляемый по изолированным проводам к электродам соответствующей свечи.

Справка. Описанный алгоритм применяется на автомобилях с прошлого века. Тогда разрыв цепи питания обеспечивал кулачковый вал распределителя зажигания, размыкающий контакты механическим способом.

Отсюда становится понятно назначение катушки зажигания – образование кратковременного высоковольтного импульса, пользуясь низким напряжением от аккумуляторной батареи. Как это происходит внутри элемента, читайте в следующем разделе.

Конструкция и принцип действия

Устройство рассматриваемого элемента системы зажигания выглядит так:

металлический сердечник подключен к основному контакту, соединяемому с центральным электродом свечи зажигания посредством высоковольтного провода;
вокруг сердечника выполнена вторичная обмотка, состоящая из большого числа витков тонкого медного проводника с изоляцией;
поверх вторичной обмотки предусмотрен слой диэлектрика и небольшое количество витков толстой медной проволоки – первичная обмотка;
сердечник с обмотками помещен внутрь герметичного пластикового корпуса, наполненного трансформаторным маслом;
обмотки подключены по последовательной схеме, 2 соединенных конца выведены на одну внешнюю клемму, два других – на отдельные контакты.

Примечание. Характеристики обмоток – толщина провода и количество витков отличаются в зависимости от марки и модели авто. Число витков первичной обмотки редко превышает 150, вторичной – 30 тыс.

К центральной клемме катушки присоединен высоковольтный провод, идущий к распределителю зажигания либо прямо на свечу. Оставшиеся контакты подключаются к минусовой клемме аккумулятора (массе) и плюсовому проводу цепи низкого напряжения.

Принцип действия повышающей катушки основан на эффекте электромагнитной индукции – создании постоянного поля вокруг сердечника. Как искрообразование реализовано на практике:

К первичной обмотке после включения зажигания подводится напряжение 12 В от аккумулятора. Возникает электромагнитное поле, усиливаемое железным сердечником.
Когда стартер проворачивает коленчатый вал и какой-либо поршень доходит до ВМТ, электроника посредством реле разрывает низковольтную цепь питания.
Разрыв цепи провоцирует образование кратковременного импульса внутри второй многовитковой обмотки. В этот момент напряжение на катушке зажигания достигает 20 тыс. вольт и более.
Ток передается на свечу, проскакивает искровой разряд и топливная смесь поджигается. Двигатель заводится.

После запуска двигателя первая обмотка питается от генератора, а вторичная непрерывно вырабатывает новые импульсы, поочередно направляемые распределителем к свечам всех цилиндров.

Виды высоковольтных элементов

Выше представлено описание простой конструкции повышающего напряжение трансформатора, обеспечивающего разрядами все цилиндры двигателя. Куда направить каждую последующую искру, определяет трамблер, он же – главный распределитель зажигания.

В современных моторах, управляемых электроникой, трамблеры не ставятся и применяются другие разновидности катушек:

с двумя контактами высокого напряжения;
индивидуальные.

Первый тип внешне напоминает обычный трансформатор со стальным сердечником, собранном из Ш-образных пластин. Функциональное отличие – подача импульса одновременно на 2 клеммы, подключенные к свечам двух цилиндров. Поскольку такты сжатия в них происходят в разные моменты, устройство создает искру на электродах обеих свечей. В одной камере происходит воспламенение, в другой разряд проскакивает вхолостую.

На четырехцилиндровый силовой агрегат ставится 2 двухвыводных трансформатора, образующих так называемый модуль зажигания. На многих марках автомобилей он представляет собой единую деталь, куда подключены все провода низкого и высокого напряжения.

Справка. Существует и другая схема подключения – на каждую свечу отдельный двухвыводной трансформатор, присоединенный одним изолированным проводом.

Устройство катушки зажигания индивидуального типа в корне отличается от предыдущих конструкций:

первичная и вторичная обмотка поменялись местами – вторая находится сверху;
габариты устройства существенно уменьшились;
мини-катушка устанавливается прямо на центральный контакт свечи;
высоковольтные провода отсутствуют.

Количество индивидуальных трансформаторов зависит от числа цилиндров силового агрегата – на каждую свечу ставится отдельная катушка. Преимущество данного устройства – отсутствие потерь и пробоев на участке от источника импульсов до свечных электродов, то бишь, – на бронепроводе. Второе достоинство – снижение стоимости ремонта: заменить один малый трансформатор дешевле и проще, чем весь модуль зажигания.

Принцип работы индивидуальных элементов остается неизменным – разрыв низковольтной цепи создает в многовитковой обмотке скачок напряжения, сразу передаваемый на электроды свечи зажигания. Для защиты от перегрузок в цепь включен полупроводниковый диод.

О неисправностях и способах устранения

Модули зажигания можно смело отнести к деталям длительного использования. При правильной эксплуатации минимальный ресурс элемента составляет 100 тыс. км пробега машины. Нередко повышающий трансформатор работает в течение всего срока службы транспортного средства.

В процессе эксплуатации катушки необходимо помнить о следующих моментах:

Причиной преждевременной поломки элемента часто становится длительный перегрев.
С годами свойства изоляционных материалов внутри обмоток ухудшаются. Повышается вероятность межвиткового замыкания, ведущего к перегреву и перегоранию проводников.
В силу особенностей конструкции высоковольтная катушка не подлежит ремонту и восстановлению. Некоторые модели можно разобрать и попытаться устранить обрыв или замыкание, но практика показывает, что надежнее и дешевле поставить новую запчасть.
Для нормальной работы элемента и стабильного искрообразования нужно обеспечить минимальное напряжение бортовой сети 11,5 вольт. Если из-за неисправности генератора либо разрядки аккумуляторной батареи вольтаж не достигает нормы, износ трансформатора ускоряется.
По той же причине уменьшается мощность искрового разряда на электродах свечей, рабочая смесь воспламеняется и сгорает хуже.
Пробой изоляции или обрыв высоковольтных проводов, вызывающий искрение на кузов машины, сокращает срок службы катушки. Если игнорировать неполадку в течение длительного времени, она придет в негодность.
Мини-катушки индивидуального типа иногда выходят из строя из-за вибрации силового агрегата. Причина – внутренний обрыв проводников.

За модулем зажигания необходимо следить, чтобы из-за неисправностей двигателя на корпус устройства не попадало горячее масло либо охлаждающая жидкость. Не держите долго включенное зажигание – при этом греется обмотка катушки и разряжается аккумулятор.

Системы зажигания с одной катушкой на два цилиндра

Одной из разновидностей системы зажигания с индивидуальными катушками является система с одной катушкой зажигания на 2 цилиндра, которая применяется для двигателей с четным числом цилиндров.

Рис. Соединение свечей зажигания с двухвыводной катушкой:
1 – свеча зажигания; 2 – первичная обмотка; 3 – вторичная обмотка; А – направление потока электронов; Б – направление потока электронов, формирующих искру; Г – переход электронов с бокового электрода на центральный; Д – переход электронов с центрального электрода на боковой

В этой системе каждый раз, когда вторичная обмотка катушки зажигания выдает высокое напряжение, искра на свечи зажигания подается сразу на две свечи. Разряд одной свечи происходит в цилиндре, где заканчивается такт сжатия, второй свечи – в цилиндре, где заканчивается такт выпуска. При этом одна искра является высоковольтной (12…20 кВ) и воспламеняет топливовоздушную смесь, а другая низковольтной (5…7 кВ) – холостой. В конце такта сжатия незадолго до появления рабочей искры температура топливовоздушного заряда еще недостаточно высокая (200° С), а давление наоборот – значительное (10…12 атм). При этих условиях пробивное напряжение становится максимальным. В конце такта выпуска, когда происходит разряд другой свечи, пробивное напряжение значительно уменьшается вследствие высокой температуры отработавших газов (800…1000° С) и низкого давления (2…3) атм.

Недостатком системы зажигания с двухвыводными катушками является то, что в одной свече электроны переходят от центрального электрода к массовому (боковому), а во второй свече в обратном направлении. Так как центральный электрод заострен и всегда значительно горячее бокового, истечение электронов с его острия при искрообразовании требует затраты меньшего количества энергии, чем при истечении с бокового электрода (на центральном электроде начинает проявляться термоэлектронная эмиссия). Это приводит к тому, что пробивное напряжение на свече, работающей в прямом направлении, становится несколько ниже (на 1,5…2,0 кВ), чем на свече с обратным включением полярности, т.е имеется небольшой разброс пробивного напряжения по цилиндрам. Для устранения разброса напряжения по цилиндрам и поддержания нормального искрообразования двухвыводная катушка должна иметь достаточно высокое напряжение вторичной обмотки порядка 35…40 кВ.

Если двигатель имеет четыре цилиндра, потребуются две двухвыводные катушки зажигания и два раздельных канала высокого напряжения.

В настоящее время разработан ряд автомобильных систем зажигания, в которых две двухвыводные катушки зажигания собираются на общем Ш-образном магнитопроводе и тем самым образуется одна 4-х выводная катушка зажигания. Такая катушка имеет две первичные и две вторичные обмотки и управляется от двухканального коммутатора. 4-х выводная катушка зажигания может иметь и одну вторичную двухвыводную обмотку при двух первичных. Вторичная обмотка такой катушки дооборудована четырьмя высоковольтными диодами – по два на каждый высоковольтный провод.

Рис. Четырехвыводная катушка зажигания с двумя воздушными зазорами в магнитопроводе:
VT1,VT2 – транзисторы двухканального коммутатора; W1,W2 – первичная и вторичная обмотки; FV1-FV4 – свечи зажигания; М – Ш-образный магнитопровод; N – соединительное ярмо магнитопровода; δ – воздушный зазор

В такой конструкции общим элементом является средний стержень магнитопровода, а взаимное влияние двух катушек исключается с помощью двух воздушных зазоров δ. Величина этих зазоров может достигать 1…2 мм, чем увеличивается магнитное сопротивление в магнитопроводе и достигается развязка каналов.

Система зажигания с одной катушкой на два цилиндра используется на некоторых моделях двигателей вследствие ее меньшей стоимости. Вследствие двойной искры на свечах зажигания необходимость их замены сокращается примерно в полтора раза.

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:

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.
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:

Компактные размеры, небольшой вес.
Стабильность характеристик в течение всего срока эксплуатации устройства, надежность и долговечность изделия.
Продуманный дизайн, простота установки/снятия устройства.
Повышенная защита от неблагоприятного воздействия агрессивных внешних факторов (экстремальные температуры, влажность, загрязненность и пр.).
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.

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.

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.

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).

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.

Катушки зажигания — виды, устройство и принцип работы

Катушка зажигания накапливает энергию и вырабатывает высокое напряжение для образования искрового разряда на электроде свечи зажигания.

Функция катушки зажигания основывается на законе индукции: катушка зажигания состоит из магнитомягкого железного сердечника, первичной обмотки из медной проволоки с малым количеством витков (сечением примерно 0,75 мм 2 ) и вторичной обмотки из медной проволоки с большим количеством витков (сечением примерно 0,63 мм 2 ). Соотношение витков составляет примерно 1:200.

Поставляемая от аккумулятора энергия в требуемый момент зажигания отключается от конечной ступени управления. Магнитное поле первичной обмотки переносится на вторичную обмотку. Возникающее во вторичной обмотке напряжение зависят от количества витков. Это высокое напряжение используется для искрообразования на электроде свечи.

При оптимальном составе смеси энергия зажигания должна составлять примерно 0,2 мДж, при более бедной или богатой смеси — примерно 3 мДж. Однако в практике расход энергии гораздо выше.

Вырабатываемая энергия в современных системах зажигания достигает от 60 до 200 мДж. Это означает, что при контакте с проводящими высокое напряжение частями может возникнуть угроза жизни!

Термины в системе зажигания

Аккумулирование энергии: во время цикла заряда катушка накапливает энергию в магнитопроводе. Ток подается — катушка заряжается (цепь первичной обмотки закрыта, цепь вторичной обмотки открыта). В заданный момент зажигания первичная цепь размыкается.

Индуцированное напряжение: любое изменение тока в индуктивности (катушке) изменяет напряжение. Вторично генерируется высокое напряжение.

Высокое напряжение: так же как и в трансформаторе вырабатываемое высокое напряжение зависит от числа витков катушки первично/вто-рично. После достижения необходимого напряжения пробоя происходит разряд катушки с образованием искры (пробой).

Искра зажигания: после поступления высокого напряжения на свечу зажигания накопленная энергия разряжается в искровой канал (цепь первичного тока открыта, вторичного-закрыта).

Время замыкания (заряда катушки)

В контактно-распределительной системе зажигания определяется продолжительность времени, в период которого контакт прерывателя замкнут.

В электронной системе зажигания предписывается продолжительность времени, в период которого первичный ток протекает. Первичная обмотка катушки подключена.

Система зажигания с контактным прерывателем

Электронная система зажигания

РАЗНОВИДНОСТИ КАТУШЕК

На практике в основном встречаются 3 вида: система зажигания с вращающимся распределителем, двухискровая катушка зажигания и одноискровая катушка зажигания.

Стандартная катушка зажигания для двигателей с вращающимся распределением высокого напряжения (ROV)

Управление током заряда через контакт прерывателя. Тут высокое напряжение генерируется центрально от одной катушки зажигания и распределителем зажигания механически распределяется на отдельные свечи зажигания. В современных системах управления двигателем этот вид распределения напряжения уже не актуален.

Двухискровая катушка зажигания (в двигателях с четным числом цилиндров)

Оба соединения высокого напряжения последовательно подключены к двум свечам зажигания, порядок зажигания которых на 360° оборота коленчатого вала смещены друг от друга. Катушка зажигания генерирует искру зажигания одновременно на две свечи зажигания: одна находится в цилиндре, в котором как раз и сжимается воздушно-топливная смесь, а вторая — в цилиндре, который в это время находится в такте выпуска. В цилиндре с высоким давлением (с тактом сжатия) возникает рабочая основная искра зажигания, в менее сжатом (с тактом продувки) — холостая искра зажигания. После 360° оборота коленчатого вала все становится наоборот. В другой паре цилиндров импульс зажигания происходит точно так же, только смещен на 180° оборота коленвала.

Благодаря последовательному включению одна из обеих свечей работает с положительным высоким напряжением пробоя, а другая — с отрицательным напряжением. Из-за разного направления напряжения электроды свечей зажигания показывают неодинаковые картины обгорания.

На каждый оборот коленвала -2 искры зажигания (основная/ рабочая искра и поддерживаю-щая/холостая искра)

1. Помехоподавляющий штекер 2. Кабели зажигания
3. Соединительный штекер 4. Двухискровая катушка зажигания 2×2

Статическое распределение высокого напряжения с двух-искровой катушкой зажигания

Одноискровая катушка зажигания в полностью электронной системе зажигания

В этом исполнении каждая свеча зажигания приписана к конкретной катушке зажигания, которая «сидит» прямо на изоляторе свечи зажигания. Конструкция делает возможным более филигранное исполнение и размеры. Одноискровые катушки зажигания устанавливаются как на четное, так и на нечетное количество цилиндров: система зажигания все равно синхронизируется сенсором распредвала.

Схема включения одноискровой катушки зажигания

Устройство одноискровой катушки

Одноискровая катушка зажигания вырабатывает в каждый такт по искре зажигания, потому необходима синхронизация с распределительным валом.

Преимущества одноискровой катушки зажигания в полностью электронной системе зажигания

Благодаря прямой передаче напряжения от катушки зажигания на свечу зажигания одноискровая катушка зажигания имеет меньшие потери напряжения и позволяет использовать самый широкий из возможных диапазонов углов опережения зажигания. Кроме того, в такой системе возможен контроль первичной и вторичной цепей системы зажигания и определение перебоев в искрообразовании.