На большинстве современных автомобилей, которые оборудованы системой впрыска топлива, используется система зажигания с низковольтным распределением энергии. Часто проблемы в этой системе возникают из-за катушек зажигания необычной конструкции. Об этом рассказывает Антон УТКИН.
Автолюбитель, не обладающий глубокими техническими знаниями, может считать систему зажигания без традиционного распределителя новшеством электроники. Однако еще в 1961 году на мотоцикле М-62 с двухцилиндровым оппозитным двигателем была впервые применена двухискровая катушка Б-201, работающая на шести вольтах (см. фото 1). В отличие от ранее известных моделей, она имела два высоковольтных вывода, которые были подключены к первому и последнему виткам вторичной обмотки, полностью изолированной от ‘массы’ (см. рис. 1). Это новаторское решение стало возможным благодаря четырехтактному циклу двигателя и чередованию вспышек в цилиндрах при каждом полном обороте коленвала. Высоковольтная цепь проходила через ‘массу’ и искровые промежутки обеих свечей, каждая из которых либо воспламеняла топливную смесь в конце такта сжатия, либо срабатывала вхолостую в конце такта выпуска.
Однако в то время о применении двухискровых катушек на четырехцилиндровых моторах не шло и речи — электронное распределение низкого напряжения по двум каналам еще не было разработано. Тем не менее, идея обойтись без ‘бегунка’ уже привлекала внимание. На фото 2 представлен один из вариантов самодельного двухканального трамблера для ‘Москвича’, который был рассчитан на работу с двумя двухискровыми или четырьмя обычными шестивольтовыми катушками. Его два прерывателя, расположенные под углом 90°, и кулачок с двумя гранями вместо четырех обеспечивали одновременное искрообразование на свечах каждой пары цилиндров дважды за один оборот коленвала.
Серийное использование двухискровой схемы на отечественных автомобилях началось в 1986 году с модели VAZ 21083-02, оснащенной микропроцессорным зажиганием. Специально для этой модели НИИАвтоприборов (ныне ‘Автоэлектроника’) совместно с московским заводом АТЭ-2 разработал сухую, запрессованную в полипропилен двухискровую катушку высокой энергии с индексом 29.3705. Система включала две такие катушки, каждая из которых обслуживала свою пару цилиндров, а энергия между ними распределялась статически с помощью контроллера и двухканального коммутатора. В сочетании с карбюратором эта система не предоставляла значительных преимуществ по сравнению с обычным трамблером, уступая последнему в простоте, надежности и стоимости, поэтому в 1990 году производство VAZ 21083-02 было прекращено. Однако в 1989 году начался серийный выпуск ‘Оки’, для двухцилиндрового мотора которой как раз подошла двухискровая катушка 29.3705 в комплекте с обычным коммутатором и датчиком Холла.
К тому времени все недостатки этой катушки и причины ее частых отказов были хорошо известны конструкторам. Поэтому в 1992 году на конвейере АТЭ-2 появилась новая катушка 3009.3705, разработанная по лицензии французской компании ‘Дюселье’ (ныне ‘Валео’). Ее главное отличие от предшественницы заключалось в замкнутом магнитопроводе, что позволило значительно сократить магнитный поток рассеяния, повысить КПД и более чем вдвое уменьшить количество витков обмоток, а значит, существенно сократить расход обмоточной меди. Многослойный каркас и новый изоляционный материал снизили вероятность внутренних пробоев, характерных для катушки 29.3705. Последний вариант двухискровой катушки от АТЭ-2 — модель 3012.3705, освоенная в 1994 году. При сохранении энергетических параметров и надежности 3009.3705 она стала значительно меньше и легче. Именно 3012.3705 устанавливают на ‘Оку’, а также на автомобили ГАЗ с двигателем ЗМЗ-406 (по две штуки). Ее копию в малых сериях производит уфимское ОНПП ‘Молния’ для модификации ‘Москвича-2141’ с микропроцессорным зажиганием. Она отличается нестандартной маркировкой (8Г4768049), материалом корпуса и цветом (коричневый, в отличие от серого у АТЭ-2).
Наиболее интегрированным (многофункциональным) устройством системы зажигания является четырехискровой высоковольтный модуль 42.3705, который выпускается на заводе АТЭ-2 для ‘самар’ с впрыском топлива. Он включает в себя две двухискровые катушки и силовую часть двухканального коммутатора, залитые в единый компактный блок. Такое решение оправдано лишь при достаточной надежности каждого элемента, иначе при отказе одного из них придется заменять весь дорогостоящий модуль. Вероятно, это одна из причин, по которой большинство компаний в мире предпочитают использовать раздельные устройства системы зажигания.
Условия искрообразования в системах с двухвыводными катушками практически не отличаются от тех, где присутствует распределитель, несмотря на наличие второго искрового промежутка. Дело в том, что падение напряжения в цепи вторичной обмотки распределяется по свечам неравномерно. В цилиндре, где искра пробивает сжатую топливно-воздушную смесь, напряжение пробоя достигает 10 кВ, а в цилиндре, где она является ‘паразитной’ (срабатывает вхолостую в конце такта выпуска), достаточно 1-2 кВ. Таким образом, потери составляют около 15% — не больше, чем в обычной системе, где ‘паразитная’ искра проходит между ‘бегунком’ и контактом крышки трамблера.
Практически единственной причиной выхода из строя двухискровых катушек является внутренний пробой. Его симптомы иногда ставят в тупик даже опытных автолюбителей. Например, может ли быть так, что на одной свече, подключенной к выводу двухискровой катушки, искра есть, а на другой, подключенной к другому выводу этой же катушки, — нет? На первый взгляд, при исправных свечах и высоковольтных проводах это невозможно. В цепи последовательно соединенных потребителей работает либо все, либо ничего. Но не спешите с выводами! Подобные случаи были описаны владельцами ‘Оки’, которые жаловались на ‘троение’ мотора, и только замена катушки зажигания решала проблему. И вот, наконец, такая неисправная катушка попала к нам в руки.
Катушку 8Г4768049 принес в редакцию читатель — владелец ‘Москвича’ с микропроцессорным зажиганием. Двигатель ‘троил’, а при проверке ‘на искру’ любая свеча, подключенная к выводу одной из катушек для второго цилиндра, упорно не работала. Однако свеча третьего цилиндра, подключенная к ней последовательно, искрила без проблем! После замены катушки мотор ‘заработал’ на все четыре цилиндра.
Для проверки катушки мы собрали схему с блоком аварийного зажигания климовского завода, который представляет собой транзисторный вибратор, размыкающий цепь первичной обмотки катушки с частотой 150 раз в секунду (см. рис. 2). Подключенные к высоковольтным выводам свечи положили на медную пластину, соединенную проводом с ‘минусом’ аккумулятора, что позволило имитировать штатную схему автомобиля. Включив питание, мы услышали треск непрерывного искрового разряда, но работала только одна свеча (см. фото 4). Поменяв свечи местами, мы убедились, что они исправны: не работал один из выводов катушки. Но ток, выходя с одного конца вторичной обмотки и проходя через искровой промежуток одной свечи, должен как-то попасть на другой конец обмотки?! Путь ему остается только один — ‘масса’ — ‘минусовый’ провод — аккумулятор — замок зажигания — первичная обмотка катушки. То есть ему главное попасть поближе к виткам вторичной обмотки, и там, возможно, произойдет пробой. Поэтому мы решили отключить ‘минусовый’ провод от медной пластинки. Как и ожидалось, обе свечи заработали синхронно (см. фото 5).
Таким образом, можно сделать вывод, что в катушке пробита межобмоточная изоляция, и для высокого напряжения обе обмотки теперь не изолированы друг от друга. В обычных одноискровых катушках подобное практически не встречается, так как там есть возможность разнести первичную обмотку и крайние витки вторичной, на которых напряжение максимальное. А в компактных двухискровых, наоборот, между любой частью вторичной обмотки и витками первичной, разделенными иногда слоем пластмассы толщиной 3-5 мм, может возникать разность потенциалов в десятки киловольт, особенно когда один из высоковольтных проводов отсоединен от свечи и его наконечник удален от ‘массы’.
Тем не менее, серьезные производители обязательно проводят выборочные тесты катушек на пробой. Например, на АТЭ-2 их испытывают в течение 5 минут непрерывной коммутации первичной обмотки с определенной частотой при полностью отключенных высоковольтных проводах. И все же рисковать не стоит, поэтому, проверяя систему зажигания ‘на искру’, следует принимать все меры, чтобы при проворачивании коленвала наконечник высоковольтного провода не отходил от ‘массы’ дальше чем на 5-7 мм.
Стоит ли выбрасывать пробитую катушку или она еще может быть полезной? Ответ: может, но только на автомобиле с распределителем. Высоковольтный провод с неработающего вывода подключаем к ‘массе’, а с работающего — к центральному гнезду крышки трамблера. Теперь она будет работать ‘вечно’.
В завершение хочется обратить внимание на один неприятный аспект систем с двухискровыми катушками, о котором производители зачастую умалчивают. Речь идет о возможности взрыва гасящего устройства, который случается нечасто, но все же представляет опасность для автомобилей, оснащенных такими системами. Обычно это происходит после ряда неудачных попыток запустить двигатель, когда водитель продолжает долго крутить стартером вместо того, чтобы открыть капот и разобраться в причинах неполадки. Если же запуск затруднен из-за плохого контакта в каком-либо штекерном соединении, то при вращении стартером в систему выпуска попадает значительный объем топливно-воздушной смеси. Под вибрациями, возникающими при работе стартера, контакт может восстановиться, и в свечах одной пары цилиндров могут зажечься искры. В конфигурации с распределителем двигатель начинает работать, а выхлопные газы быстро обеспечивают продувку глушителя. Однако при системе с двухискровыми катушками происходит иное: в цилиндре, где возникает «паразитная» искра, выпускной клапан еще остается открытым, и фронт пламени, распространяясь по выпускным трубам со скоростью до 50 м/с, вызывает сильный взрыв. Мгновенное сгорание скопившейся смеси внутри глушителя приобретает взрывообразный характер, и в отличие от обычных «выстрелов» при позднем зажигании или неправильных фазах, последствия могут оказаться куда более серьезными — глушитель буквально разрывется на части. Посторонние слышат при этом довольно резкий и громкий звук, создающий ощущение, будто машина подпрыгивает, а уши закладывает на некоторое время.
Можно предположить, что наличие близко расположенного к бензобаку глушителя увеличивает риск возникновения более опасных последствий. Пока таких случаев публично не зафиксировано, и надеемся, что и в будущем ситуация не усугубится. Верится, что со временем двухискровые катушки станут более надежными, а их использование — более оправданным и безопасным.
Дополнительная информация для безопасной эксплуатации: для предотвращения пробоя и повреждения катушек, рекомендуется регулярно проверять высоковольтные провода и их соединения. Также важно следить за состоянием изоляции и избегать кратковременного высокого напряжения, вызванного повторными попытками запуска двигателя без необходимости. При подозрениях на пробой или неисправность системы зажигания, лучше заменить катушки и провода своевременно, чтобы избежать опасных ситуаций и возможных повреждений двигателя или системы выхлопа.
Фото 1. Бескорпусная двухискровая катушка Б-201.
Фото 2. Двухканальный контактный трамблер собственного изготовления.
Фото 3. Четырехискровой модуль 42.3705.
Рисунок 1. Схема системы зажигания с прерывателем и двухискровой катушкой для двухцилиндрового двигателя: 1 — катушка Б-201; 2 — замок зажигания; 3 — батарея; 4 — конденсатор; 5 — прерыватель; 6 — первичная обмотка; 7 — вторичная обмотка; 8 — свеча.
Рисунок 2. Схема проверки двухискровой катушки:
1 — батарея; 2 — транзисторный вибратор; 3 — катушка зажигания; 4 — свеча; 5 — соединительная пластина; 6 — зажим «крокодил»; 7 — искра с вывода, удаленного от места пробоя; 8 — межобмоточный пробой.
Обычно внутренний пробой характеризуется тем, что искра появляется лишь в одной свечи.
Катушка с пробоем может сохранять работоспособность, но только в лабораторных условиях, где перемычка между свечами изолирована от «массы» и не создает опасных ситуаций.
Применение синхронных искр в науке и технике
В медицине эти разряды применяются в устройствах для диагностики и лечения. Например, в кардиостимуляторах используются электрические импульсы для регулирования сердечного ритма. Это позволяет значительно улучшить качество жизни пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
В области материаловедения одновременные разряды применяются для создания новых сплавов и композитов. Процесс синхронизации разрядов позволяет контролировать структуру материалов на наноуровне, что приводит к улучшению их механических свойств и устойчивости к внешним воздействиям.
Энергетический сектор также активно использует технологии, основанные на одновременных разрядах. В частности, они применяются в системах генерации и распределения электроэнергии, где требуется высокая степень надежности и быстродействия. Такие системы способны быстро реагировать на изменения нагрузки, что способствует повышению общей эффективности энергетических сетей.
В области телекоммуникаций одновременные разряды используются для улучшения качества связи. Они позволяют минимизировать задержки и повысить скорость передачи данных, что особенно актуально в условиях растущих объемов информации.
Таким образом, технологии, основанные на одновременных электрических разрядах, находят применение в самых различных сферах, от медицины до энергетики, обеспечивая значительные преимущества в производительности и надежности.
Эксперименты с синхронными искрами
В рамках исследований, связанных с электрическими разрядами, проводятся эксперименты, направленные на изучение взаимодействия двух разрядов. Эти опыты позволяют наблюдать за эффектами, возникающими при одновременном возникновении электрических разрядов в различных условиях.
Одним из интересных экспериментов является использование различных газов в качестве среды для разрядов. Например, при проведении опытов в аргоновой среде можно заметить, как изменяется цвет и форма разряда по сравнению с воздухом. Это связано с различиями в ионизации и рекомбинации частиц.
Рекомендуется использовать высокочастотные генераторы для создания разрядов. Они обеспечивают стабильность и предсказуемость условий, что позволяет более точно анализировать полученные результаты. Важно также контролировать давление газа, так как оно влияет на характеристики разряда.
Для визуализации процессов можно применять фотокамеры с высокой скоростью съемки. Это позволяет зафиксировать динамику разрядов и изучить их поведение в реальном времени. Анализ полученных кадров дает возможность выявить закономерности и аномалии в поведении электрических разрядов.
Необходимо учитывать влияние внешних факторов, таких как температура и влажность, на результаты экспериментов. Эти параметры могут существенно изменить характеристики разрядов, что важно учитывать при интерпретации данных.
Будущее исследований синхронных искр
Исследования в области взаимодействия электрических разрядов открывают новые горизонты для науки и технологий. В ближайшие годы можно ожидать значительный прогресс в нескольких ключевых направлениях.
Во-первых, развитие методов визуализации позволит более детально изучать процессы, происходящие в момент разряда. Использование высокоскоростных камер и специализированных датчиков поможет фиксировать изменения в реальном времени, что даст возможность глубже понять физику явления.
Во-вторых, применение компьютерного моделирования станет важным инструментом для прогнозирования поведения электрических разрядов в различных условиях. Это позволит оптимизировать процессы и повысить безопасность в промышленных приложениях.
В-третьих, интеграция новых материалов, таких как графен и наноструктуры, может привести к созданию более эффективных систем, использующих электрические разряды. Эти материалы обладают уникальными свойствами, которые могут улучшить характеристики устройств.
Рекомендации для будущих исследований:
- Сосредоточиться на междисциплинарных подходах, объединяющих физику, химию и инженерные науки.
- Развивать сотрудничество между академическими учреждениями и промышленностью для практического применения результатов.
- Инвестировать в обучение и подготовку специалистов, способных работать с новыми технологиями и методами.
Таким образом, будущее исследований в этой области обещает быть многообещающим, открывая новые возможности для научных открытий и практических приложений.
