Катушка зажигания: источник высоковольтного импульса для свечей

В любом бензиновом двигателе с искровой системой зажигания присутствует одна или несколько деталей, формирующих высоковольтные импульсы для свечей — катушки зажигания. Все о катушках зажигания, их типах, конструкции и принципе действия, а также об их верном выборе и монтаже — читайте в данной статье.

Что такое катушка зажигания?

Катушка зажигания — элемент системы зажигания бензиновых двигателей; повышающий импульсный трансформатор, обеспечивающий преобразование импульсов тока низкого напряжения в импульсы тока высокого напряжения, достаточные для образования искры (электрической дуги) в электрических свечах зажигания.

В бензиновых силовых агрегатах находят применение различные по принципу работы и конструкции системы зажигания — обычные контактные, контактно-транзисторные, бесконтактные и электронные (микропроцессорные). В контактных системах зажигания используются механические прерыватели (обычно объединенные с высоковольтными распределителями), в бесконтактных — прерыватели на основе датчиков Холла или иных устройствах, а в электронных — электронные распределительные и управляющие устройства. Однако во всех системах зажигания, независимо от их типа и схемы, применяется один и тот же элемент, объединяющий низковольтную и высоковольтную части — катушка зажигания.

Катушка зажигания выполняет одну основную функцию — формирование высоковольтного импульса (в пределах 25-35 тысяч вольт) тока, который подается на свечу зажигания. Данный импульс обеспечивает образование искры в искровом зазоре и, как следствие, к воспламенению топливно-воздушной смеси. От состояния и работы катушек зажигания зависит функционирование мотора, неисправные катушки должны без промедления заменяться. Но прежде, чем идти в магазин за новыми деталями, следует разобраться в существующих типах катушек, их устройстве и принципе работы.

Типы, конструкция и принцип работы катушек зажигания

Контактная система зажигания

Бесконтактная система зажигания

Используемые в настоящее время катушки зажигания можно разделить на несколько типов по конструкции и применяемости:

Общие или распределительные катушки — одна катушка на весь двигатель или на один ряд цилиндров;
Общие катушки, объединенные в модули зажигания — одна катушка на весь двигатель или на ряд цилиндров без дополнительных деталей;
Индивидуальные катушки — по одной катушке на каждую свечу;
Катушки с двойной искрой (сдвоенные) — по одной катушке на две свечи.

Независимо от типа, все катушки зажигания имеют принципиально одинаковую конструкцию и принцип работы. Катушка является повышающим импульсным трансформатором, состоящим из двух обмоток — низковольтной и высоковольтной. Низковольтная обмотка имеет относительно небольшое число витков (100-150), выполненных проводником большого сечения, она включена в низковольтный контур системы зажигания, также включающий в себя аккумулятор, генератор и прерыватель тока. Высоковольтная обмотка имеет значительно больше витков (до 30 тысяч) провода малого сечения, она включена в высоковольтный контур системы зажигания, в который входя свечи и дополнительные детали (распределитель и другие).

Работает катушки зажигания следующим образом. Контактным, бесконтактным или электронным прерывателем в соответствии с частотой вращения коленчатого вала формируются импульсы постоянного напряжения, которые подаются на первичную (низковольтную) обмотку катушки. Так как сила тока в импульсе не постоянна, а резко возрастает и падает, то в силу вступает закон электромагнитной индукции — именно поэтому вокруг обмотки на краткий момент создается переменное магнитное поле. Под действием переменного магнитного поля во вторичной обмотке также возникает ток, а так как в этой обмотке содержится в тысячи раз больше витков, то и напряжение в ней значительно выше. В результате протекание низковольтного импульса в первичной обмотке катушки зажигания приводит к возникновению высоковольтного импульса в ее вторичной обмотке.

Конструктивно катушки различных типов несколько отличаются. Классическим вариантом являются общие (распределительные) катушки зажигания, которые применялись на первых ДВС с искровой системой зажигания, и все еще не потеряли своей актуальности. Основу данного устройства составляют две обмотки из изолированного (эмалированного) медного провода, расположенные на общем металлическом сердечнике (магнитопроводе). Катушки заключены в цилиндрический корпус, на одном торце которого располагается крышка с клеммами. Для защиты от электрического пробоя корпус вместе с катушками может заполняться трансформаторным маслом или иным специальным электрическим составом. В средней части крышки располагается клемма высокого напряжения для подключения к распределителю, а по бокам крышки находятся клеммы для подключения первичной обмотки к прерывателю и концов первичной и вторичной обмоток к массе.

Общая катушка зажигания подключается к свечам зажигания через распределитель (трамблер), который обеспечивает подачу высоковольтных импульсов на свечи того цилиндра, в котором в данный момент завершается такт сжатия и необходимо воспламенение горючей смеси. Последовательно первичной обмотке может включаться добавочное сопротивление в виде мощного резистора — это ограничивает ток в данной обмотке на низких оборотах коленвала. Наличие добавочного сопротивления предотвращает чрезмерный нагрев катушки и насыщение ее магнитопровода.

Разновидностью общей катушки является модуль зажигания, который применяется на бесконтактных системах зажигания с электронным управлением. В таком модуле объединены катушка (одна или несколько), прерыватель и распределитель (не всегда), он обеспечивает формирование и распределение высоковольтных импульсов по свечам зажигания, при этом значительно упрощает всю систему и экономит место. Модули зажигания могут быть как общими для всего двигателя или ряда цилиндров, так и раздельными — только для двух цилиндров, что делает их схожими со сдвоенными катушками.

Индивидуальные катушки зажигания имеют более компактный корпус, разделенный на две части: корпус с катушкой и расположенный снизу переходник для монтажа на свечу зажигания. В верхней части устройства располагаются обмотки на общем сердечнике, здесь же находится стандартный электрический разъем для подключения первичной обмотки и массы. В нижней части детали располагается трубчатый переходник со стандартной свечной клеммой, посредством которого катушка устанавливается и подключается к свече.

Как общие, так и индивидуальные катушки могут выполняться в двухискровом варианте (со сдвоенной искрой). Такие катушки имеют одну вторичную обмотку с двумя выводами, соединенными со свечами. Сдвоенные катушки зажигания объединяют в себе преимущества общих и индивидуальных: они позволяют устранить из системы зажигания высоковольтный распределитель, но не слишком увеличивать число катушек. Во время работы двигателя высоковольтные импульсы от одной катушки подаются сразу на две свечи, при этом воспламенение горючей смеси происходит только в одном цилиндре, так как во втором цилиндре в этот момент происходит другой такт.

Читать еще: Электрощетки для двигателей моек высокого давления

Сегодня существуют и другие варианты катушек зажигания (в том числе выполненные в виде модулей — реек зажигания для установки на один ряд цилиндров), однако все они имеют описанное выше устройство, а их работа не отличается от работы других катушек.

Как правильно подобрать и заменить катушку зажигания

Катушка зажигания подвергается воздействию высоких напряжений, значительных механических и тепловых нагрузок, поэтому в ней довольно часто возникают различные неисправности. Наиболее часто приходится сталкиваться с обрывами обмоток и, наоборот, замыканиями их витков. Данные неисправности проявляются сложным запуском двигателя, его неравномерной работой или полным выходит из строя. Если в моторе применяется общая катушка, то при ее неисправности запуск будет полностью невозможен, а при сдвоенных или индивидуальных катушках будет нарушена работа одного или нескольких цилиндров. При появлении подозрений на неисправность катушки, можно произвести простейшую диагностику.

В первую очередь, катушку зажигания следует снять и осмотреть на предмет наличия повреждений. Затем нужно проверить сопротивление ее обмоток. Как правило, сопротивление первичной обмотки невелико — в пределах 0,4-4 Ом, а сопротивление вторичной обмотки намного выше — в пределах 5-15 кОм. Если омметр показывает значительно меньшее сопротивление, то в обмотке наблюдается замыкание витков, а если сопротивление бесконечно, то в обмотке обрыв. В любом из этих случаев катушка не подложит ремонту, а просто меняется на новую.

На замену следует брать катушку зажигания того же типа и модели (и каталожного номера), что были установлены на автомобиле ранее — только так можно гарантировать, что деталь встанет на свое место и создаст высоковольтные импульсы с необходимыми характеристиками. Замена катушки должна выполняться в соответствии с инструкцией по ремонту автомобиля, обычно эта работа сводится к отключению от катушки всех проводов и ее демонтажу с последующей установкой новой детали. При этом необходимо снять клемму с аккумулятора, а в некоторых автомобилях придется убрать и некоторые мешающие детали. При верном выборе катушки и ее замене вся система зажигания будет надежно работать на всех режимах.

Про катушки зажигания!

Симптомы нестабильной работы катушки зажигания:

— Двигатель периодически «троит», со временем провалы появляются все чаще.

— При резком нажатии на педаль акселератора имеет место провал оборотов двигателя.

— На приборной панели срабатывает индикатор «check engine», который при диагностики указывает на неисправность с системе зажигания (см. коды неисправностей согласно производителю автомобиля)

— В дождливую погоду «троения» происходят чаще

— В холодную погоду при запуске «троит» на холодную

Причины выхода из строя катушек зажигания:

— Свечи зажигания низкого качества. Всегда следите за качеством устанавливаемых на ваш автомобиль свечей и не ставьте дешевые подделки — если вы в этом экономите, в итоге можете «влипнуть» на гораздо более кругленькую сумму. Причина — обратные газы, и пробой изолятора, которые пагубно влияют на состояние резинового наконечника катушки зажигания.

— Перегрев катушек зажигания. Конструктивно катушки предусмотрены работать при любых температурных режимах двигателя, но как показала практика, если ваш двигатель горячее чем положено (бедная смесь, неисправная система охлаждения) катушки «умирают» более активно. Мы не хотим сказать что любой нагрев чреват для катушки, но есть определенных ресурс циклов нагрев-остывание. Это также влияет на резиновый наконечник и на электронику катушки.

Чем чревата езда с неработающей катушкой:

— Оплавление каталитического нейтрализатора в системе выпуска.

— Если вы будете ездить с неисправной катушкой то со временем могут износиться подушки крепления двигателя ввиду чрезмерных вибраций.

— Большой расход топлива, связанный с падением мощности и КПД двигателя.

Как проверить неработающую катушку самостоятельно:

— Самый простой способ — во время «троения» поочередно отключать коннекторы (фишки) от каждой катушки по-очереди, таким образом при отключении фишки от работающей катушки вы услышите провал по оборотам и нестабильную работу на оставшихся цилиндрах, а при отключении от неработающей работа двигателя не изменится. Именно эту катушка и необходимо поменять.

— Если имеется возможность снять катушки, то неплохой способ определения — проверить сопротивления первичной и вторичной обмотки (между контактами, между контактами и выходом на свечу) записать и сравнить показания на всех катушках, обычно сопротивление неисправных катушек разительно отличаются. Кроме этого, обратите внимание на состояние электродов свечей, на неисправной катушке свечи обычно влажные и с черным нагаром.

— В некоторых случаях самодиагностика автомобиля может «подсказать» какой цилиндр не воспламеняется (только если горит индикатор «check engine». Ищите коды неисправностей вашего автомобиля.

Как определяют неисправную катушку зажигания профессионалы:

Существуют мотор-тестеры (сканеры) позволяющие анализировать работу электронных компонентов автомобилей, в том числе и катушек. Автор статьи встречал три разных метода профессионального определения неисправной катушки: поочередное отключение цилиндров (отключая инжекторы), поочередное отключение управляющего напряжения и анализ кривых осциллографа, подключенного к катушкам.

Профессиональные диагносты НИКОГДА НЕ ОТКЛЮЧАЮТ КАТУШКИ ВРУЧНУЮ, так как это чревато выходом из строя ЭБУ двигателя.

Что делать с неработающей катушкой?

Самый разумный способ это заменить ее, все импортные катушки зажигания не разборные и залиты полимером чтобы избежать попадания влаги, даже если вы сможете заменить/отремонтировать детали микроэлектроники собрать катушку избежав попадания кислорода внутрь уже невозможно. Замена катушки зажигания — только в таком случае вы можете обеспечить долговечную работу вашему автомобилю!

В случае если производитель вашего автомобиля предусмотрел поставку отдельно резинового наконечника от катушки зажигания вы можете заказать и поменять старый наконечник на новый, но это не будет гарантировать вам что в старой катушке уцелела электронная часть, которая работала под повышенной нагрузкой.

Катушка зажигания

Катушка системы зажигания двигателя — элемент системы зажигания, который служит для преобразования низковольтного напряжения, поступающего от аккумуляторной батареи или генератора, в высоковольтное.

Читать еще: Влияние форсунок инжектора на работу двигателя

Основная функция катушки зажигания — генерация высоковольтного электрического импульса на свече зажигания.

Содержание

1 Устройство
2 Принцип действия
- 2.1 Добавочное сопротивление
3 Рабочие характеристики
- 3.1 Индуктивность
- 3.2 Коэффициент трансформации
- 3.3 Сопротивление
- 3.4 Энергия искры
- 3.5 Напряжение пробоя
- 3.6 Расчет числа искрообразований в системе зажигания
4 См. также
5 Примечания
6 Литература
7 Ссылки

Устройство [ править | править код ]

Катушка зажигания представляет собой высоковольтный импульсный повышающий трансформатор (упрощённая катушка Румкорфа) системы зажигания ДВС, первичная обмотка которого имеет сравнительно небольшое количество витков толстого провода и рассчитана на импульсы низкого напряжения, например 12 вольт (6 вольт на старых автомобилях и мотоциклах), вторичная обмотка выполнена из тонкого провода с большим количеством витков, благодаря чему во вторичной обмотке создаётся высокое импульсное выходное напряжение до 25 000 — 35 000 вольт по формуле: напряжение = индукция в витке × количество витков. Высокое напряжение от катушки зажигания с помощью высоковольтного кабеля подаётся на распределитель (трамблер), от него с помощью высоковольтных кабелей напряжение распределяется по свечам зажигания. Высокое напряжение обеспечивает искру между электродами свечи, тем самым воспламеняя топливо-воздушную смесь.

Раньше катушки зажигания делали с незамкнутым магнитопроводом, в настоящее время появились трансформаторы зажигания с замкнутым магнитопроводом.

Принцип действия [ править | править код ]

Через первичную обмотку катушки зажигания протекает постоянный ток. Когда поршень подходит к верхней мёртвой точке, цепь первичной обмотки разрывается размыканием контактов прерывателя (это происходит или механическим путём, когда контакты размыкаются кулачком на валу, или с помощью электронных (транзисторных или тиристорных) ключей, в которых управляющий импульс формируется электронной схемой (контактной или бесконтактной, положение коленчатого вала определяется с помощью датчика Холла, индуктивного или иного датчика).

Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС, индуцируемая изменением силы тока в соседнем контуре, равна

E = − L 12 d I d t >=-L_<12>

учитывая мгновенное изменение силы тока (одномоментное размыкание), следовательно, большое значение производной, а также взаимную индукцию обмоток L 12 ∝ N 1 N 2 propto N_<1>N_<2>> , где N 2 > очень большое число (десятки тысяч витков), во вторичной обмотке наводится импульс э.д.с. амплитудой в десятки киловольт. Высокий потенциал от катушки передаётся на свечи с помощью высоковольтных проводов (изначально применённых Г. Хонольдом в системе зажигания с магнето), и обеспечивает пробой зазора между электродами свечи зажигания.

На некоторых образцах мото- и автотехники с двухцилиндровыми двигателями (например, мотоциклы «Днепр», мотоциклы «Урал», автомобили «Ока») применяются двухискровые катушки зажигания (искра проскакивает одновременно на двух свечах). Топливо-воздушная смесь воспламеняется только в одном цилиндре, так как в другом проходит такт выпуска и воспламеняться нечему.

В последнее время получили распространение индивидуальные катушки зажигания на каждую свечу (по числу цилиндров).

Добавочное сопротивление [ править | править код ]

В ряде случаев последовательно первичной обмотке катушки зажигания включается добавочное сопротивление (или дополнительный резистор). На низких оборотах контакты прерывателя оказываются бо́льшую часть времени в замкнутом состоянии и через обмотку протекает ток, более чем достаточный для насыщения магнитопровода. Избыточный ток бесполезно нагревает катушку.

Спираль дополнительного резистора изготавливается из стального сплава, имеющего высокий температурный коэффициент электрического сопротивления. При прохождении избыточного тока сопротивление спирали увеличивается и сила тока уменьшается, таким образом происходит автоматическое регулирование. На высоких оборотах, когда контакты бо́льшую часть времени разомкнуты, нагрев резистора менее значителен (сопротивление спирали невелико). При запуске двигателя добавочное сопротивление шунтируется контактами реле стартера, тем самым повышается энергия электрической искры на свече зажигания.

Некоторые неопытные водители пытаются (бесполезно или с большим трудом) запустить пусковой рукояткой двигатель при «севшем» аккумуляторе, не зная, что нужно принудительно временно шунтировать добавочный резистор (какой-нибудь проволочкой).

Рабочие характеристики [ править | править код ]

К рабочим характеристикам катушки зажигания относят:

Индуктивность первичной обмотки;
Сопротивление первичной и вторичной обмотки;
Коэффициент трансформации;
Энергия искры;
Напряжение пробоя;
Количество образующихся искр в минуту.

Индуктивность [ править | править код ]

Индуктивность характеризует способность катушки накапливать энергию. Измеряется в Гн – генри, единицах измерения, названных в честь американского ученого Дж. Генри. Энергия, которая накапливается в первичной обмотке, пропорциональна индуктивности. Чем выше индуктивность, тем больше энергии может накопить катушка.

Коэффициент трансформации [ править | править код ]

Коэффициент трансформации показывает, во сколько раз катушка зажигания увеличивает первичное напряжение. На первичную катушку подается напряжение от аккумулятора в 12 В. Когда первичная цепь разрывается, ток в цепи изменяется — от 6-20 ампер, до 0. Изменение тока в катушке приводит к возникновению ЭДС индукции и образованию напряжения в первичной катушке в 300-400 В. Коэффициент трансформации катушки показывает, во сколько раз увеличивается именно это напряжение. Определяется отношением числа витков вторичной катушки к числу витков первичной катушки, или отношением пробивного напряжения свечи к разнице максимально допустимого напряжение между коллектором и эмиттером транзистора и напряжения бортовой сети питания, которые известны из производственных характеристик катушки зажигания и автомобиля.

Сопротивление [ править | править код ]

В первичной обмотке – 0,25-0,55 Ом. Во вторичной обмотке – 2-25 кОм. Мощность и энергия искры обратно пропорциональны сопротивлению первичной обмотки катушки: чем оно выше, тем ниже мощность и энергия искры.

Энергия искры [ править | править код ]

Полезная энергия искры расходуется в течение 1,2 мс [1] – время, за которое сгорает воздушно-топливная смесь. Энергия искрового разряда составляет 0,05-0,1 Дж. В свече зажигания искра образуется вследствие явления дугового разряда, когда между двумя электродами, находящимися в газе, происходит электрический пробой. Напряжение на электродах зависит от размера диаметра свечи и его материала, зазора между электродами и от состава воздушно-топливной смеси, давления в камере сгорания и температуры. Во время старта двигателя и разгона автомобиля напряжение на электродах – максимальное, так как свеча не разогрета. При постоянной скорости – напряжение минимально. Чтобы свеча работала эффективно и не давала пропусков, напряжение, генерируемое катушкой, должно быть в 1,5 больше, чем напряжение, необходимое для пробоя зазора.

Читать еще: Что прибавляет ресивер на двигатель

Напряжение пробоя [ править | править код ]

В зазоре между электродами свечи зажигания происходит пробой, когда напряжение на электродах становится равным напряжению пробоя. Значение напряжения пробоя зависит от величины зазора между электродами, давления и температуры воздушно-топливной смеси. При первом запуске двигателя напряжение должно быть выше, чтобы произошел пробой и образовалась искра, так как топливо и воздух в камере сгорания холодные.

Расчет числа искрообразований в системе зажигания [ править | править код ]

Чтобы рассчитать, сколько раз образуется искра в минуту в системе зажигания, нужно знать число оборотов в минуту двигателя и количества цилиндров. N – столько раз образуется искра в минуту. Для двухтактного двигателя N= (Обороты/мин)*число цилиндров, для четырехтактного — N=(Обороты/мин)*число цилиндров / 2. Для 6-цилиндрового двигателя при скорости вращения в 4000 об/мин число искрообразований равно: N=4000*6/2=12 000 раз в минуту.

Катушки зажигания для двигателя 168 F

Внешний вид, цветовая гамма, технические характеристики товара и комплектность могут отличаться от реальных, уточняйте сведения на момент покупки и оплаты