ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Автомобильная электрическая система представляет собой совокупность автомобильных электрических подсистем (коротких электрических цепей), включающих систему зажигания, систему электрического пуска и зарядки, а также системы освещения и сигнализации. Каждая подсистема предназначена для решения определенной задачи, например, воспламенить свежий заряд в цилиндре двигателя посредством свечи зажигания, вращать коленчатый вал двигателя для его запуска, освещать дорогу для обеспечения безопасного движения в темное время суток, и т. д.

ОБЗОР СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ

Основной функцией системы зажигания бензинового двигателя является своевременная поставка высоковольтной электрической энергии к свече зажигания, и обеспечение электрического разряда достаточной мощностью, которая позволит электрической дуге, возникающей между электродами свечи зажигания, поддерживать воспламенение и горение смеси в камере сгорания цилиндра двигателя.

Вся электрическая цепь системы зажигания условно делится на две цепи по уровню напряжения.

Компоненты, получающие напряжение от аккумуляторной батареи, входят в состав первичной цепи системы зажигания, и включают следующее:

·         Батарея

·         Катушка зажигания (первичная обмотка, принимающая низковольтную энергию от батареи)

·         Триггер (механический или электронный прерыватель первичной цепи)

·         Электронное усиление сигнала и предварительный контроль угла опережения зажигания.

Компоненты, использующие высокое напряжение, классифицируются, как вторичная цепь системы зажигания, и включают следующее:

·         Свеча электроискрового зажигания и высоковольтные свечные провода

·         Крышка распределителя и ротор

·         Катушка зажигания (вторичная обмотка, поставляющая высоковольтную энергию к свечам)

Ch1-38

Рисунок 1-38: Схематичное представление первичной и вторичной цепи системы зажигания, и основные её компоненты; источник: Westermann

004РЕМАРКА:

По принятому большинством стран за основу стандарту DIN 72552 (Deutsches Institut fur Normung Deutsches Institut für Normung = Немецкий институт стандартизации), всем проводам в автомобильных электрических схемах присваиваются функциональные номера.

ETN (European Type Number = Европейский типовой номер) был введен, чтобы заменить DIN в ходе европеизации аккумуляторных стандартов. ETN– это усовершенствованная система на основе нумерации DIN, которая призвана облегчить переход, и включает ряд дополнительных технических сведений.

Так номером 30 стандарт рекомендует маркировать непосредственное присоединение потребителей к положительной (плюсовой) клемме аккумуляторной батареи.

Номером 15 принято маркировать провода, в которых напряжение появляется только после включения зажигания.

Номером 1 рекомендуют маркировать провод триггерного узла, или «сигнальный» провод системы зажигания.

31 провод – это провод заземления, или «массы», по которому ток возвращается к минусовой клемме аккумуляторной батареи (АКБ).

Эту нумерация проводов можно прочесть, например, на корпусе электромагнитного реле.

Ch1-39

Рисунок 1-39: Маркировка присоединений, нанесенная на корпус реле (электромагнитных реле).

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Обратимся к схематическому представлению системы зажигания с механическим прерывателем первичной цепи и распределителем зажигания роторного типа. Накопление энергии в системе зажигания производится в катушке зажигания, обладающей высокой индуктивностью. Когда зажигание включено, напряжение аккумуляторной батареи подается на первичную (низковольтную) обмотку катушки зажигания. В первичной обмотке создается сильное магнитное поле. Когда сторона заземления первичной обмотки катушки зажигания разомкнется (посредством механического контакта или электронного прерывателя), магнитное поле, созданное вокруг первичной обмотки, начинает разрушаться, и во вторичной обмотке индуцируется высоковольтное напряжение.

Проще говоря, катушка зажигания является повышающим трансформатором, который включается и выключается с помощью триггерного блока.

Ch1-40

Рисунок 1-40: Устройство классической катушки зажигания; источник: Westermann

Высоковольтное напряжение, возникающее в катушке зажигания, распределяется по свечам в строго определенном порядке посредством вращающегося ротора распределителя зажигания. На электродах свечи зажигания формируется высоковольтный искровой разряд, который создает мощную, высокотемпературную дугу между электродами. В рассматриваемой системе зажигания электрическая энергия течет от центрального электрода к боковому электроду, припаянному к резьбовой части свечи зажигания.

Период времени, при котором первичная обмотка катушки зажигания заземлена (контакты прерывателя замкнуты), называют длительностью замкнутого состояния контактов прерывателя (Dwell). Длительность замкнутого состояния определяет время, при котором в первичной обмотке может формироваться магнитное поле. Чем дольше контакты прерывателя находятся в замкнутом состоянии, тем сильнее магнитное поле. Это способствует формированию высокого напряжения во вторичной цепи (усилению искрового разряда, и увеличении теплоты горения электродугового разряда).

В классической системе зажигания, контакты прерывателя крепятся на подвижном механизме распределителя зажигания, который именуется контактной пластиной прерывателя. Контакты прерывателя замыкаются и размыкаются посредством скользящей по поверхности кулачкового вала опорной ножки рычага, на котором закреплен подвижный контакт прерывателя. Кулачковый вал распределителя зажигания вращается с той же скоростью, что и распределительный вал двигателя (вполовину меньшее количество оборотов по отношению к частоте вращения коленчатого вала).

Конденсатор подключен параллельно контактам прерывателя, и предназначен для предотвращения образования дугового разряда между контактами прерывателя во время их действия.

Самым большим недостатком контактной системы зажигания является неизбежный износ механизма прерывателя, что требует периодического обслуживания прерывателя.

Ch1-41

Рисунок 1-41: Роль угла замкнутого и разомкнутого состояния контактов в системе зажигания: источник: Westermann

Чтобы снизить износ и необходимость обслуживания, была разработана полупроводниковая система зажигания

Заменой контактной группы (Ignition Point) прерывателя на датчик Холла (Hall Sender), была достигнута большая надежность в работе всей системы зажигания.

Рисунок 1-41: Принцип работы триггерного блока в бесконтактной системе зажигания с датчиком Холла; источник: Westermann

Датчик Холла – это твердотельное, полупроводниковое устройство, смонтированное в корпусе распределителя зажигания. Вращающееся триггерное колесо (обтюратор) с прорезями, соответствующими количеству цилиндров в двигателе, проходит между постоянным транзистором и электронным узлом, в состав которого входит датчик Холла-транзистор (см. рисунок). Окна в триггерном колесе позволяют магнитным силовым линиям, сформированным постоянным магнитом, протекать через электронный узел Холл-транзистор, вызывая появление в этом узле сигнального напряжения, именуемого напряжением Холла. Когда лопасть триггерного колеса блокирует магнитное поле, в Холл-транзисторе исчезает сигнальное напряжение.

Напряжение Холла подается к модулю управления зажиганием, или к модулю управления двигателем. Любой из этих модулей управления выключают заземление первичной обмотки катушки зажигания, когда поступает сигнал от датчика Холла, и включают заземление первичной обмотки, когда сигнал от датчика Холла отсутствует.

Преимущества состоят в следующем:

·         высокая скорость переключений

·         отсутствие механического износа

·         отпадает необходимость технического обслуживания

Прилагаемая таблица отражает получаемые применением датчика Холла преимущества.

Таблица 1-4: Сравнительные преимущества системы зажигания с датчиком Холла по отношению к системе зажигания с контактным прерывателем.

Параметры Зажигание с датчиком Холла Зажигание с контактным прерывателем
Доступное напряжение 25 000 вольт 18 000 вольт
Допустимая сила тока в первичной цепи 7,5 ампер 3,5 ампер
Запасаемая энергия во вторичной обмотке 80 мВт*с (милливатт – секунда) 30 мВт*с (милливатт – секунда)
Длительность горения дуги на электродах свечи 3,4 мс (1 миллисекунда = 1/1000 доля секунды) 3,2 мс (1 миллисекунда = 1/1000 доля секунды)

Современные системы управления двигателем повсеместно используют датчики, построенные на эффекте Холла, что позволяет получить ещё более точное управление зажиганием.

Ch1-42

Рисунок 1-42: Устройство прерывателя-распределителя, в котором роль триггера играет кремниевый кристалл с транзисторным усилителем; источник: R. Bosch

Рассмотренные выше системы зажигания распределяют высоковольтную энергию по свечам зажигания посредством вращающегося ротора-распределителя. В технической литературе и в меню диагностического оборудования подобные системы именуются динамическими системами зажигания, или ROV = Rotierende Hohspannungsverteilung (нем.) = распределение высоковольтной энергии вращением.

В более совершенных системах зажигания отказались от динамического распределения в пользу так называемого статического распределения высоковольтной энергии, или RUV = Ruhende Spannungsverteilug (нем.) = Неподвижное распределение высоковольтной энергии.

Первым вариантом применения системы зажигания со статическим распределением высоковольтной энергии является система зажигания, в которой используются 2-выводные катушка зажигания, у которой имеются два высоковольтных вывода. В отличие от обычной катушки зажигания, у которой одна сторона вторичной цепи замкнута на заземление (массу), а вторая сторона соединена со свечей зажигания, у 2-выводной катушки зажигания имеется две высоковольтных клеммы, к каждой из которых подключен свечной провод и свеча зажигания.

Ch1-43

Рисунок 1-43: Устройство 2-выводной катушки зажигания и схема её подключения; источник: Bildungsverlag EINS

Катушка зажигания обслуживает сразу два цилиндра, например 1 и 4, или 2 и 3 в 4-цилиндровом двигателе, то есть, свечные провода от двух высоковольтных клемм 4a и 4b катушки обеспечивают высоким напряжением сразу два цилиндра.

Применение 2-выводной катушки зажигания сопровождается появлением так называемой «холостой» искры, которая появляется в цилиндре двигателя в конце такта выпуска, и изменением полярности искры на одной из свечей.

004РЕМАРКА:

На рисунке 1-44 показана схема внутренней цепи 2-выводной катушки зажигания. К клеммам 4a и 4b, как было сказано выше, подключены высоковольтные провода, обслуживающие сразу два цилиндра. Клемма 15, в соответствии со стандартом DIN/ETN – соединение с «плюсовой» клеммой замка зажигания, а клемма 1 – соединение с триггерным блоком.

Ch1-44

Вторым вариантом применения системы зажигания со статическим распределением высоковольтной энергии является система зажигания с индивидуальными катушками зажигания

На рисунке 1-45 приведено схематическое представление системы зажигания с неподвижным распределением высоковольтной энергии и индивидуальными катушками зажигания.

Ch1-45

Рисунок 1-45: Конструктивная схема статичной системы зажигания с индивидуальными катушками зажигания; источник: Pearson Education, Inc.

ОПЕРЕЖЕНИЕ ЗАЖИГАНИЯ

Теоретический период времени от начала воспламенения до завершения горения топлива в камере сгорания цилиндра составляет примерно 2 миллисекунды (мс), или 0,002 секунды.

004РЕМАРКА:

Несложно подсчитать, что поршень в цилиндре двигателя, работающего на 6000 оборотах в минуту, совершает однонаправленное движение из одной крайней точки в другую на 1/200 долю секунды (0,005 с), то есть за одну секунду коленчатый вал совершает 100 оборотов, и поршень успевает совершить 100 кратное движение вверх и вниз.

Это время остается неизменным на всех скоростях вращения коленчатого вала двигателя, однако время, отведенное на протекание реального процесса сгорания топлива в цилиндре, сокращается с увеличением скорости вращения, поскольку поршень в цилиндре движется быстрее. По этой причине, с увеличением скорости вращения коленчатого вала двигателя, искра должна подаваться на свечу зажигание раньше.

Процесс более раннего начала подачи напряжения на свечу зажигания в рабочем цикле называется опережением зажигания. Опережение зажигания должно быть скорректировано с учетом широких вариаций условий работы двигателя, главными из которых являются нагрузка на двигатель и скорость вращения коленчатого вала двигателя. На холостом ходу начало горения топлива может происходить в самом конце такта сжатия. Это позволяет достичь в цилиндре двигателя максимального давления в тот момент, когда поршень уже начал нисходящее движение на такте рабочего хода.

Ch1-46

Рисунок 1-46: Зависимость полезного давления в цилиндре двигателя от угла опережения зажигания; источник: Bildungsverlag EINS

С увеличение скорости вращения коленчатого вала двигателя, искра на электродах свечи зажигания должна быть сгенерирована раньше, чтобы максимальное давление в цилиндре опять же возникло в тот момент, когда поршень начал движение вниз на такте рабочего хода.

В классической системе зажигания, представленной выше, кулачковый вал распределителя зажигания подключен к центробежному механизму, который позволяет с увеличением скорости вращения переместить начало подачи искры в сторону опережения, причем, чем выше скорость вращения, тем дальше в сторону опережения будет сдвинуто начало зажигания. Это позволяет адаптировать начало подачи искры по скорости вращения коленчатого вала.

Чем быстрее скорость вращения, тем раньше будет происходить воспламенение смеси.

Ch1-47

Рисунок 1-47: Центробежный регулятор опережения зажигания; источник: Bildungsverlag EINS

Подвижная пластина, на которой установлен контактный размыкатель первичной цепи, соединен с диафрагмой вакуумного корректора зажигания.

Ch1-48

Рисунок 1-48: Вакуумный корректор угла опережения зажигания позволяет учесть нагрузку, воспринимаемую двигателем; источник: Bildungsverlag EINS

Это позволяет внести определенную коррекцию в опережение зажигания по нагрузке на двигатель.

Ch1-49

Рисунок 1-49: Оптимальным углом опережения зажигания валяется граничное значение по детонации. Центробежный корректор и вакуумный корректор позволяют приблизить график измерения опережения зажигания к оптимальным значениям, не обеспечивая оптимума; источник: Bildungsverlag EINS

Ch1-50

Рисунок 1-50: Цифровое регулирование опережения зажигания позволяет не только приблизить опережение зажигание по детонации, но и учесть оптимальную мощность двигателя по углу опережения зажигания; источник: Bildungsverlag EINS

Ch1-51

Рисунок 1-51: Параметрическое поле, построенное с учетом оптимальных требований по расходу топлива, приемлемой мощности при минимальной эмиссии вредных веществ (слева). Параметрическое поле, построенное с учетом возможностей вакуумного и центробежного регулирования (справа); источник: VAG

005Подробную информацию о цифровом зажигании и его возможностях Вы узнаете из глав 69…70 этого учебника.

СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ

Свечи зажигания являются конечным компонентом системы зажигания. Они должны выдерживать высокую температуру и давление, которое возникает в камере сгорания во время горения топлива, и безупречно производить зажигание смеси в течение нескольких миллионов циклов.

Важной характеристикой любой свечи зажигания является возможность отведения тепла от электродов во избежание их перегрева, и возникновения калильного зажигания. Вместе с тем, электроды свечи зажигания должны оставаться достаточно горячими, чтобы сжечь отложения углерода, когда двигатель достигает нормальной рабочей температуры, но их температура не должна превышать температуру, при которой электроды свечи начинаются разрушаться.

Свечи классифицируются по называемому калильному числу, и подразделяются на горячие, холодные и промежуточные.

Ch1-52

Рисунок 1-52: Устройство обычной свечи зажигания; источник: Bildungsverlag EINS

Холодная свеча зажигания – это такая свеча, которая способно осуществить быстрый отвод теплоты от электродов через резьбовую часть в головку цилиндра, и далее в систему охлаждения.

Горячей свечой считают такую свечу, которая не способна к быстрому отводу теплоты от электродов в головку цилиндра и далее в систему охлаждения.

Различные типы двигателей предъявляют к свечам зажигания различные физические, а также электрические характеристики, и поставляются различными производителями. Поскольку производитель автомобильного двигателя указывает характеристики применяемых на двигателе свечей зажигания, следует придерживаться рекомендаций производителя двигателя. Для обеспечения надлежащего теплообмена свеча зажигания должна быть ввернута в холодную головку цилиндра с требуемым моментом.

Ch1-53

Рисунок 1-53: Конструктивные отличия «холодной» и «горячей» свечи зажигания; источник: Bildungsverlag EINS

004РЕМАРКА:

Для предотвращения создания препятствий тепловому потоку, никогда не используйте какие-либо противозадирные или иные смазочные материалы для нанесения на резьбовую часть свечи.

СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПУСКА

Система электрического пуска оснащена мощным электрическим мотором, который по команде водителя начинает вращать коленчатый вал двигателя со скоростью, достаточной для преодоления внутреннего сопротивления вращению, достаточной для полноценного сжатия свежего заряда и приведения в действие системы впрыска топлива и системы зажигания. После возникновения устойчивого воспламенения свежего заряда электрическими свечами, двигатель начинает вращаться за счет горения топлива, и электрический мотор системы пуска двигателя можно отключить.

Основные компоненты системы электрического пуска двигателя показаны на рисунке 1-54A.

Ch1-54

Рисунок 1-54: Изучите основные компоненты и их назначение в системе электрического пуска (слева) и системы зарядки (справа); источник: Pearson Education, Inc.

Батарея поставляет электрическую энергию системе электрического пуска двигателя.

Водитель поворачивает ключ в замке зажигания в позицию «START», или нажимает на кнопку «START», активируя систему электрического пуска.

Электрический ток от замка зажигания поступает в цепь пускового реле электрического стартера, активируя электрический мотор стартера.

Электрический мотор стартера через зубчатую пару «шестерня стартера – зубчатый венец маховика» вращает коленчатый вал двигателя.

Как только двигатель запускается, водитель отпускает ключ в замке зажигания, или отпускает кнопку пуска, и двигатель начинает работать самостоятельно, без помощи электрического мотора стартера.

Замок зажигания обладает функцией возврата в исходное положение, поэтому после ослабления воздействия ключ самостоятельно переводится в позицию «IGN» = «Зажигание». В современных системах электрического пуска модуль управление двигателем отключает цепь управления стартером, как только коленчатый вал двигателя достигает установленной частоты вращения.

 005Подробная информация о системах электрического пуска изложена в главах 52…53.

СИСТЕМА ЗАРЯДКИ

Система зарядки необходима для обеспечения электрической энергией электрических подсистем автомобиля, и пополнения электрической энергией аккумуляторной батареи, израсходованной во время пуска двигателя. В 12-вольтовой электрической системе зарядки приводимый в действие приводным ремнем альтернатор (генератор переменного тока) производит электрический ток, который возвращается в аккумуляторную батарею. При работе двигателя приводной ремень постоянно вращает ротор генератора (альтернатора). Смотри рисунок 1-54B.

Мощность генераторной установки подбирается так, что даже на малой скорости вращения коленчатого вала электрической энергии, вырабатываемой генератором, хватает для обеспечения основных потребностей электрических систем автомобиля, и зарядки аккумуляторной батареи.

Регулятор напряжения, как правило, встроен в корпус генераторной установки. Регулятор контролирует силу тока и напряжение, вырабатываемое генераторной установкой, не зависимо от частоты вращения ротора генератора.

Система зарядки гибридного автомобиля, в связи с отсутствием 12-вольтового генератора переменного тока, получает напряжение от мотор-генератора, предназначенного для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи. Для преобразования высоковольтного напряжения в необходимое напряжение зарядки 12-вольтовой батареи используется инвертор (преобразователь напряжения). Кстати, емкость 12-вольтовой аккумуляторной батареи хватает для запуска двигателя гибридного автомобиля при разряженной высоковольтной батарее.

 005Подробная информация о системах зарядки аккумуляторной батареи изложена в главах 54…55.

АВТОМОБИЛЬНАЯ СВЕТОТЕХНИКА

Автомобильная светотехника включает в себя систему внутреннего освещения (освещение интерьера салона, багажного отделения и подкапотного пространства) и систему внешнего освещения, включая приборы освещения, провода, предохранители, реле и прочую электрическую аппаратуру.

Расположение компонентов и построение электрических цепей внутреннего и внешнего освещения претерпевает значительные изменения от одной модели автомобиля к другой.

Внешнее освещение автомобиля содержит: не менее чем две фары головного света, габаритных или парковочных огней, световых сигналы поворота и повторителей указателей поворота, стоп-сигналов, огней заднего хода и ламп освещения номерного знака.

Основной задачей фар головного освещения является оптимальное освещение дорожного полотна, что является решающим фактором в обеспечении безопасности дорожного движения. Кроме того, включенные фары делают автомобиль хорошо заметным объектом, причем, как в темное, так и в светлое время суток.

Ch1-55

Рисунок 1-55: Автомобильная светотехника содержит систему внешнего освещения и систему внутреннего освещения; источник: Delmar/Cengage learning

Автомобильные фары, включая и их источники света, являются важными для безопасности узлами автомобиля, поэтому для установки фар на автомобиль требуется официальное разрешение, и какие-либо манипуляции с фарами считаются недопустимыми. Вид и место установки приборов освещения и сигнализации на автомобиле, а также их конструкция, тип источника света, цвета и светотехнические параметры внешних световых приборов регламентируются законодательством.

Внутреннее освещение содержит осветительную арматуру, провода, переключатели, предохранители и реле салонного плафона, освещения багажного отделения, подкапотного пространства и другие компоненты системы освещения, именуемые «вежливым светом».

005 Подробная информация о системах освещения и сигнализации изложена в главах 56…57.

<<< ВЕРНУТЬСЯ К НАЧАЛУ ГЛАВЫ

ЧИТАТЬ ЭТУ ГЛАВУ ДАЛЬШЕ >>>

Оставить комментарий

Пожалуйста, авторизуйтесь чтобы добавить комментарий.
  Подписаться  
Уведомление о