Воспламенение топливно-воздушной смеси в камере сгорания бензинового двигателя производится с помощью искры, проскакивающей между электродами свечи. Электрический импульс, необходимый для возникновения искры, создается с помощью довольно простого устройства — катушки зажигания. Об этом компоненте системы зажигания пойдет речь в данной статье.
Назначение катушки зажигания
Воспламенение топливно-воздушной смеси в камере сгорания бензинового двигателя производится с помощью электрической искры, генерируемой свечой зажигания. Однако создать искру достаточной силы довольно трудно, ведь бензин в смеси с воздухом — это неплохой диэлектрик, и даже короткому искровому пробою в нем возникнуть нелегко. Решить задачу можно только подачей на свечу мощного электрического импульса с напряжением в десятки тысяч вольт. А где в автомобиле взять такое напряжение, пусть даже и на короткие доли секунды?
Эта проблема решается с помощью специального устройства — катушки зажигания, или бобины. Катушка зажигания — это компонент системы зажигания автомобиля, преобразующий постоянный ток низкого напряжения (6, 12 или 24 вольта в зависимости от типа транспортного средства) от аккумулятора или генератора в короткий электрический импульс с напряжением до 35 000 вольт. Импульс от катушки подается на свечу зажигания, в ее искровом промежутке возникает искра, чем достигается поставленная цель — воспламенение топливно-воздушной смеси.
На сегодняшний день катушки зажигания применяются практически на всех автомобилях с бензиновыми двигателями или с моторами, работающими на газе. Бобины с одинаковым успехом используются как в системах зажигания традиционных схем (контактных с трамблёром, бесконтактных на тиристорах), так и в современных электронных системах зажигания. Потому что более простого, надежного и эффективного способа создать высоковольтный электрический импульс не существует.
Устройство и принцип действия катушки зажигания
Катушка имеет довольно простое устройство. В ней имеется две цилиндрических обмотки: первичная, содержащая 100-150 витков провода большого сечения, и вторичная, содержащая несколько тысяч витков (до 30 000) провода малого сечения. Причем витки первичной обмотки расположены поверх витков вторичной обмотки. Внутри обмоток находится металлический сердечник.
Вся эта конструкция помещена в цилиндрический корпус из диэлектрика, крышка корпуса выполнена несъемной, а внутренний объем обычно заполнен трансформаторным маслом (оно обеспечивает охлаждение катушек во время работы). На крышке находится несколько контактов (обычно три): центральная клемма, с которой снимается высокое напряжение, и две боковых клеммы, на которые подается ток низкого напряжения.
В основе работы катушки зажигания лежит явление электромагнитной индукции. В сущности, катушка — это повышающий трансформатор, на первичную обмотку которого подается ток низкого напряжения, а со вторичной снимается ток высокого напряжения. Но в катушке, в отличие от обычных трансформаторов, производится преобразование коротких импульсов электрического тока, и на выходе, соответственно, также получаются электрические импульсы.
Однако, как известно, трансформатор может работать только с переменным током, а в автомобилях используется ток постоянный. Мало того, через первичную обмотку катушки также протекает постоянный ток, а значит, во вторичной обмотке ток возникнуть не может. Нет ли здесь противоречия? На самом деле все просто: катушка зажигания работает совместно с прерывателем — устройством, которое обеспечивает пульсацию постоянного тока, и подает на первичную обмотку достаточно короткие электрические импульсы. Импульс, проходя по первичной обмотке, за счет электромагнитной индукции также возбуждает во вторичной обмотке импульс. Причем пиковое напряжение электрического импульса во вторичной обмотке будет во столько же раз больше напряжения в первичной обмотке, во сколько больше витков во вторичной обмотке по отношению к первичной.
Важно отметить, что преобразование тока происходит именно в момент размыкания прерывателя, то есть — в момент отсоединения первичной обмотки катушки от аккумулятора или генератора. Напряжение в этот момент падает не моментально, а в течение некоторого (очень короткого) промежутка времени, и за это время во вторичной обмотке, за счет изменения тока в первичной обмотке, индуцируется ток высокого напряжения — этот импульс и подается на свечу зажигания.
Так как в катушке действует закон сохранения, то мощность тока во вторичной обмотке почти равна (на деле — чуть меньше) мощности тока в первичной обмотке. Это значит, что электрический импульс на выходе имеет высокое напряжение, но малый ток, а в первичной обмотке все ровно наоборот. Именно поэтому первичная обмотка выполняется из провода большого сечения (так как по ней протекают токи в десятки ампер), а вторичная обмотка — из очень тонкого провода (токи во вторичной обмотке не превышают единицы микроампер).
Часто в катушках зажигания предусмотрено добавочное сопротивление (резистор), включенное последовательно с первичной обмоткой. Этот резистор изготавливается из сплава, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры: при нагревании сопротивление увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Добавочное сопротивление необходимо для защиты катушки на малых оборотах двигателя.
Дело в том, что при малых оборотах через первичную обмотку катушки постоянный ток проходит на протяжении довольно длительного времени, а это приводит к усиленному нагреву провода и негативно сказывается на сердечнике. Поэтому на малых оборотах резистор нагревается, его сопротивление повышается, а это приводит к снижению тока в первичной обмотке — так исключается перегрев. При повышении оборотов температура падает, сопротивление резистора снижается, и через первичную обмотку проходит более высокий ток. Во время запуска двигателя сопротивление шунтируется (то есть, замыкается проводом), и не оказывает влияния на систему зажигания.
Классификация и схемы подключения катушек зажигания
Все катушки зажигания устроены одинаково, однако существует несколько схем включения катушек в систему зажигания, и катушки, используемые в каждой схеме, имеют свои особенности. Всего можно выделить три типа катушек зажигания:
- Общая;
- Индивидуальная;
- Сдвоенная (двухвыводная или двухискровая), и ее вариант — четырехвыводная катушка.
Общая катушка зажигания. Это наиболее простой и исторически первый вариант. При такой схеме в автомобиле есть только одна катушка зажигания, вырабатываемые ею высоковольтные импульсы распределяются по свечам зажигания с помощью трамблёра или иного распределительного устройства. Данная схема широко применяется в контактной, бесконтактной и электронной системах зажигания.
Индивидуальная катушка зажигания. Это современный вариант, который находит все большее применение. В данной схеме в паре с каждой свечой зажигания работает своя катушка, чем достигается наилучшее согласование фаз газораспределения и воспламенения горючей смеси. Индивидуальные катушки конструктивно отличаются от общих, но принцип действия их одинаков. Данные катушки применяются в электронной системе зажигания. Часто такие катушки называют катушками карандашного типа (COP).
Сдвоенные (двухискровые) катушки зажигания. Как понятно из названия, эти катушки сдвоены, они позволяют получить сразу две искры в двух цилиндрах. Данные катушки иногда используются в двухтактных мотоциклетных и двухцилиндровых двигателях, такое решение позволяет избавиться от трамблёра и значительно упросить систему зажигания. Существует вариант сдвоенной катушки — счетверенная, она позволяет получить сразу четыре искры. В системах зажигания со сдвоенными (и с четверенными) катушками искры синхронно образуются в обоих цилиндрах, однако воспламенение горючей смеси происходит только в одном из них, так как второй в этот момент находится в НМТ, и воспламеняться там просто нечему.
Признаки неисправности катушки зажигания
Катушка является одним из основных компонентов системы зажигания, поэтому ее выход из строя сразу сказывается на работе двигателя. Наиболее часто поломка катушек проявляется следующим образом:
- В двигателях с общей катушкой — сложный запуск двигателя, нестабильная работа двигателя (пропуски зажигания);
- В двигателях с индивидуальными катушками — «троение» двигателя, пропуски зажигания в каком-либо из цилиндров;
- В двигателях со сдвоенными катушками — «троение», пропуски зажигания сразу в двух цилиндрах, работающих от одной катушки.
В современных двигателях, оснащенных системой самодиагностики, при неисправности катушки зажигания на приборной панели загорается индикатор «Check engine». В этом случае сканером можно легко определить код неисправности, и выяснить, какая именно катушка вышла из строя.
Однако данные признаки могут говорить о неисправности любых других компонентов системы зажигания, топливной системы и цилиндропоршневой группы. В частности, пропуски зажигания могут возникать из-за неисправностей свечей зажигания, высоковольтных проводов и трамблёра, а также из-за отсутствия необходимой степени компрессии в цилиндре. В инжекторных двигателях проблемы могут возникать из-за загрязнения или выхода из строя топливных форсунок.
Поэтому при возникновении неполадок в работе двигателя необходимо произвести диагностику катушек зажигания. В двигателях, не оснащенных системой самодиагностики, можно выполнить несколько простых действий:
- Выявить неисправную катушку — на работающем двигателе попеременно отсоединять высоковольтные провода от свечей зажигания. Если после снятия колпачка со свечи двигатель начинает работать хуже, то катушка данной свечи исправна, если же после снятия колпачка работа мотора не изменилась проблема в катушке данной свечи;
- Проверить сопротивление обмоток катушки. В рабочей катушке сопротивление первичной обмотки лежит в пределах 3-3,5 Ом, вторичной обмотки — в пределах 5-9 кОм. Слишком низкое сопротивление обмотки, особенно вторичной, свидетельствует о коротком замыкании внутри катушки. Имеет смысл проверять сопротивление всех катушек, так выявить неисправную катушку проще всего;
- Проверить свечу зажигания и высоковольтный провод, чтобы убедиться, что проблема заключается именно в катушке зажигания.
Неисправную катушку зажигания необходимо заменить, так как длительная работа двигателя с такой катушкой чревата различными проблемами, в том числе повышенным расходом топлива, повышенными вибрациями и даже повреждением каталитического нейтрализатора. Заменить катушку в большинстве моторов, особенно на российских автомобилях, несложно и не составит труда автомобилисту.
