Системы зажигания импортной мототехники
21 апреля 2008
ОТ ВОЛЬТ ДО КИЛОВОЛЬТ
И «чайник» знает: топливо в цилиндре поджигается электрической дугой в 20-40 кВ, пробегающей между электродами свечи. Но откуда берется высоковольтный разряд? В первую голову, за него отвечает знакомое всем, хотя бы по названию, устройство -катушка зажигания. Конечно, в составе системы зажигания она не одинока, но, познав принцип ее работы, без труда разберетесь в назначении и действии остальных элементов. Вспомните, как на уроке школьной физики изучали эффект электромагнитной индукции. В проволочной катушке перемещали магнит, и присоединенная к ее выводам лампочка начинала светиться. Сменив лампу на батарейку, обычный стальной стержень, помещенный внутрь катушки, превращали в магнит. Так вот, оба эти процесса используются для получения искры на свече зажигания. Если через первичную обмотку катушки зажигания пропустить ток, сердечник, на котором она намотана, намагнитится. Стоит отключить питание - и исчезающее магнитное поле сердечника индуцирует напряжение во вторичной обмотке катушки. Витков провода в ней в сотни раз больше, чем в первичной, значит, и на «выходе» уже не десятки, а тысячи вольт.
Откуда «берет» напряжение генератор? Уверен, теперь поймете с ходу: на роторе (маховике) укреплены постоянные магниты, сам маховик установлен на цапфу ко-ленвала и вращается вместе с ней. Под ротором на неподвижном основании (статоре) на стальных сердечниках смонтированы катушки систем освещения и зажигания. Достаточно топнуть по кику - магниты двинутся относительно катушек, периодически намагничивая сердечники и... да будет свет и искра! По сути, это простейший из возможных способов получения электричества, он удобен еще и тем, что не требует аккумуляторной батареи (АКБ).
НЕ БЕЗ ИЗЬЯНА
Система зажигания без дополнительного источника тока называется Capacitor Discharge Ignition (CDI). В переводе: зажигание, использующее разряд конденсатора. Как он формируется? На статоре генератора имеются две катушки (помимо питающих осветительную сеть). Одна, когда мимо нее пробегает магнит ротора, вырабатывает электрический ток (около 160 В), заряжающий конденсатор. Вторая - управляющая, она играет роль датчика, запускающего искрообразование. Стоит магниту пройти мимо ее сердечника, в обмотке появляется электрический импульс, «отпира ющий» тиристор блока управления. Он сродни обычному выключателю, только без контактов - на их месте управляемый электрическим током полупроводник. Накопившийся в емкости заряд «выстреливается» в первичную обмотку катушки зажигания. Та, благодаря эффекту электромагнитной индукции, возбуждает ток во вторичной обмотке, и свеча получает положенные ей 20-40 кВ.
Надо отметить, что по пути от заряжающей катушки к конденсатору ток выпрямляется диодом. Маховичный генератор вырабатывает переменное напряжение: раз мимо катушки поочередно проходят то «север», то «юг» магнита, то и ток синхронно им меняет свою полярность. Конденсатор же накапливает заряд только при подаче постоянного напряжения.
Описанная система гениально проста и достаточно надежна. Минуло четверть века со времени ее возникновения, а она и поныне используется в технике, кроссовых мотоциклах, гидроциклах, снегоходах, ATV, мопедах и легких скутерах.
Однако «гений» не без изъяна. Напряжение на конденсаторе (значит, и «вторичный» разряд) заметно падает при низкой скорости прохождения магнита мимо заряжающей катушки. При малых оборотах ко-ленвала появляется нестабильность искро-образования и, как следствие, «сбивчивость» в работе мотора.
ЛОМАННЫЙ УГОЛ
Чтобы от нее избавиться, на многих современных машинах используется модифицированная система CDI. Она называется DC-CDI, что означает: зажигание, использующее разряд конденсатора и работающее от постоянного тока (Direct Current). В этой системе емкость заряжается током, поступающим не от собственной катушки генератора, а от АКБ. Это позволяет стабилизировать напряжение питания и при любых оборотах коленвала поддерживать искру одинаково мощной.
Такие системы сложнее CDI и, соответственно, подороже. Дело в том, что напряжение, которое выдает бортовая сеть машины (12-14 В), слабо для полноценного заряда конденсатора. Поэтому напряжение поднимает особый электронный модуль - инвертор.
В двух словах о принципе его действия. Постоянный ток преобразуется в переменный, затем трансформируется (увеличивается до 300 В), опять выпрямляется и только тогда поступает к конденсатору. Более высокое «первичное» напряжение позволило уменьшить в размерах катушку зажигания. Поясню: чем выше напряжение в первичной обмотке, тем меньшим сердечником (в сечении) можно оснащать катушку. Она умещается даже в свечном колпачке, что, кстати сказать, позволяет исключить из цепи зажигания весьма проблемный элемент - высоковольтный провод.
Еще более совершенна система DC-CDI с электронной регулировкой опережения зажигания относительно оборотов коленвала - она обеспечивает прирост мощности двигателя процентов на десять. Вот почему. Есть постулат: мотор выдает максимум «лошадок», если пик давления продуктов горения совпадет с положением поршня, едва-едва миновавшего ВМТ. Но по мере роста оборотов коленвала время, за которое должна сгореть смесь, становится все короче и короче. Сама же смесь не взрывается моментально, а горит со стабильной скоростью - 30-40 м/с. Поэтому при высоких оборотах коленвала воспламенение должно происходить не в одной
фиксированной точке (заданной начальным углом опережения зажигания), а несколько раньше. Для моторов с «чистым» CDI или DC-CDI разработчики опытным путем находят тот угол, при котором двигатель достаточно устойчиво работает во всем диапазоне оборотов. В давние времена характеристику опережения зажигания подгоняли к оптимуму механическим способом - центробежным регулятором. Но он ненадежен: то грузики заклинит, то пружины растянутся... Электроника несравнимо совершеннее (разбалтываться нечему), а процесс регулировки протекает так. В составе блока управления есть микросхема, распознающая обороты ко-ленвала по форме сигнала, поступающего с управляющего датчика (форма зависит от скорости перемещения магнита относительно катушки). Далее микросхема выбирает оптимальный угол опережения зажигания, соответствующий данным оборотам, и в нужный момент открывает тиристор. Вы уже знаете, это соответствует моменту образования искры на электродах свечи.
Во второй половине прошлого века описанные системы зажигания почти монопольно «захватили» моторы. Но совершенствование процессоров (иначе говоря, микрокомпьютеров) ознаменовано внедрением в машины еще более «разумных» зажиганий цифрового типа. О них постараюсь рассказать уже вскоре, сейчас же остановлю ваше внимание на диагностике отказов элементов «конденсаторных» схем.
ЧАЩЕ - ПОЛЬЗА, ПОРОЮ - ВРЕД
Сперва о системе блокировки зажигания. Ее задача - «запретить» пуск мотора в ситуации, когда движение грозит травмой пилоту. К примеру: мотоцикл стоит на боковой подставке с включенной передачей. Забыв об этом, водитель нажимает на кнопку стартера. Следует неожиданный бросок экипажа вперед и... результат ясен. Другой случай: едете, а боковая подставка теряет возвратную пружину и открывается. От последствий таких ситуаций пилота обычно «страхуют» датчики положения
подставки и нейтрали. Если техника «к полету» не готова, они не дадут сработать ни стартеру, ни зажиганию. Как правило, еще один датчик внедрен под рычаг сцепления - он разрешает завести мотор при включенной передаче, но только тогда, когда рычаг выжат, а подставка поднята. Эти устройства неоспоримо повышают безопасность пилота, но вместе с тем снижают общую надежность электрических цепей зажигания. Проявились сбои в работе мотора? Обязательно проверьте состояние АКБ (12-13 В) и обратите внимание на состояние описанных датчиков. Судите сами: сгоряча вынесли ошибочный приговор блоку управления зажиганием и купили новый (а стоит он от $300 до 800!), а затем выяснится, что отказ сидел в копеечном концевом выключателе или разъеме проводки. Элементы зажигания проверяйте так, как показано на фото.
КОРОТКИЙ И ДЛИННЫЙ
Кроме зажиганий CDI и DC-CDI, существуют еще и батарейные системы. Возникает вопрос: если конденсаторные схемы прославились надежностью, то зачем применять еще что-то? А вот зачем.
Один из факторов, от которых зависят мощность и другие показатели двигателя, -длительность разряда на свече. Поясню почему. Электрическая дуга, или искра, как мы ее привыкли называть, стабильно воспламеняет смесь, если в той на 14,5 кг воздуха содержится один килограмм топлива. Такую смесь называют нормальной. Но сами подумайте, в смеси, поступающей в цилиндр, есть зоны с большим или меньшим содержанием топлива в воздухе. Окажись такой состав подле свечи в момент образования искры - и смесь в цилиндре будет гореть вяло. Последствия понятны: мощность двигателя в этот конкретный момент снизится, может возникнуть и пропуск в воспламенении. Так вот, CDI вырабатывают искру супермалой длительности -0,1-0,3 миллисекунды: в системе такой конденсатор, что большей длительности искры дать и не способен. Батарейное же зажигание выдает искру на порядок «длиннее» - до 1-1,5 миллисекунды. Она, понятное дело, скорее воспламенит смесь с отклонениями от нормального состава. Такое зажигание как большая и толстая охотничья спичка: в сравнении с обычной она пылает долго, от нее костер разгорится быстрее. Иными словами, батарейная система менее требовательна к точности настройки карбюратора, чем CDI.
Секрет же «длинной» искры в том, что ее создает не короткий «выстрел» энергии конденсатора, а накопленная катушкой зажигания солидная «порция» электромагнитной индукции.
МОЗГИ-ТО ЖЕЛЕЗНЫЕ...
Работу системы поясню на примере схемы с механическим прерывателем - она не сложна. В цепи катушки зажигания, ведущей к «минусу», два контакта - подвижный и неподвижный. Когда они замкнуты, ток протекает через катушку, и электрическое поле первичной обмотки намагничивает сердечник. Стоит кулачку вала разомкнуть контакты, ток в первичной обмотке прервется, и сердечник начнет размагничиваться. По законам физики, появление и исчезновение магнита, помещенного в катушку, создает (индуцирует) в ее обмотках импульс напряжения. Во вторичной цепи это пара десятков тысяч Вольт, образующих искру между электродами свечи. А так как магнитная индукция сердечника катушки сохраняется несколько миллисекунд, то и время горения искры почти такое же.
Однако простота контактной схемы скрывает кучу недостатков. Мотоциклисты, поездившие на старых мотоциклах, помнят, что «железные мозги» вечно приходилось чинить: очищать окислившиеся контакты, регулировать зазор между ними и сбивающееся опережение зажигания. Это не просто занудство, оно еще требует и опытного настройщика.
ТРАНЗИСТОР НЕ КИСНЕТ
Транзисторное батарейное зажигание TCI избавило пилота от этих забот - из системы исчезли подвижные детали. «Transistor Controlled Ignition» дословно означает: зажигание, контролируемое транзистором. Место механики занял электромагнитный датчик - катушка на магнитном сердечнике. Появление сигнала в ней вызывает прохождение выступа на вращаемой коленвалом
стальной пластине-модуляторе. Он и датчик расположены так, что импульс в обмотке возникает в момент, когда пора воспламенять смесь в цилиндре.
Но датчик - лишь «командующий» зажиганием, а основные исполнители -транзисторы, катушка зажигания и, естественно, свеча.
Происходит это так. При включенном зажигании электрический ток, вырабатываемый АКБ (после пуска мотора генератором) через открытый силовой транзистор, проходит через первичную обмотку катушки и сердечник намагничивается. Когда датчик дает «команду» к искрообразованию, импульс напряжения поступает на управляющий электрод (базу) управляющего транзистора и он, транзистор, открывается. Теперь ток потечет на массу через него, а силовой транзистор закроется - его база обесточится. Катушка лишится питания, сердечник начнет размагничиваться, и на свече появится разряд. Затем управляющий транзистор вернется в закрытое состояние (до получения следующего сигнала от датчика) и его силовой «собрат» снова откроется и начнет заряжать катушку. Конечно, это упрощенное объяснение, но вполне отражает основы работы транзисторной системы.
ДАТЧИК, ПРОЦЕССОР И ПАМЯТЬ
Зажигание должно выдавать разряд в момент, «согласованный» с режимом работы мотора. Напомню характер его изменения: запуску мотора и холостому ходу соответствует наименьший угол, по мере роста оборотов или снижения нагрузки на двигатель (дроссель карбюратора прикрыт) угол увеличивается. Естественно, что в батарейных системах есть устройства коррекции опережения. Помимо транзисторов, «руководящих» катушками, в блоке управления встроены память (ПЗУ - постоянное запоминающее устройство) и микропроцессор, схожие с теми, что работают в портативных компьютерах. В память записана информация о том, при каких оборотах и нагрузках мотора, в какой момент надо подать искру. Процессор, получив от датчиков данные о режиме работы мотора, сравнивает показания с записями в ПЗУ и выбирает нужное значение угла опережения.
Параметры работы мотора могут считываться разными способами. В некоторых системах используется только индуктивный датчик («командующий» зажиганием). В этом случае его модулятор имеет несколько выступов. По скорости перемещения одних процессор распознает обороты коленвала, по другим определяет цилиндр, на свечу которого пора подать разряд.
Более продвинутые системы снабжены датчиком положения дроссельной заслонки TPS (Throttle Position Sensor). Он информирует процессор о нагрузке на мотор.
Иногда считывается и скорость открытия заслонки. Зачем? Разгон и детонация часто идут «рука об руку». Например: резко открыв газ, вы, оказалось, требуете от мотора невозможного - динамики, неизбежно вызывающей детонацию (взрывное горение топлива). TPS передает эту информацию процессору (скорость открытия дросселя), тот сравнит ее с записями в ПЗУ, «поймет», что ситуация близка к аварийной, и сдвинет угол опережения в сторону запаздывания. Взрывов в цилиндре и повреждений поршневой группы не произойдет.
Помимо ПЗУ, в которых корректировать записанные данные невозможно, ряд фирм (например, Ducati и Harley-Davidson) используют «гибкую» память. Ее называют «оперативное запоминающее устройство» (сокращенно - ОЗУ). Она перепрограммируется с помощью специального электронного блока. Однако на практике лишь немногие специалисты способны улучшить заводскую настройку зажигания. Еще меньше пилотов почувствуют положительный эффект при движении экипажа. Зато расход топлива и количество вредных компонентов в выхлопных газах значительно возрастут.
Процессорные зажигания часто именуют «цифровыми», так как в них есть специальный блок, преобразующий сигналы датчиков в цифровой ряд. Другой информации компьютер не распознает.
ЧЕМ СТРАДАЕМ?
Батарейные системы несут те же недостатки, что и DC-CDI: пуск двигателя зависим от степени заряженности аккумулятора. Будь батарея подсевшая, стартер, может, и раскрутит коленвал, но не откажется ли при заниженном питании работать блок управления - это еще какой вопрос. То же случится, если в проводке присутствует утечка тока или возникло паразитное сопротивление.
И главное: похоже, батарейное зажигание начинает отходить на второй план как неперспективное. Сегодняшняя всеобщая тяга производителей к наращиванию мощности мотора влечет задачу, как увеличить обороты коленвала. Искра, горящая миллисекунды, подразумевает и сопоставимое время накопления катушкой полного «заряда» индукции. Несложный расчет покажет, что обороты коленвала до 10 тысяч еще позволят системе накапливать полную энергию разряда, но будь обороты выше -мощность искры снизится.
И тогда на авансцену вновь выходят зажигания CD-CDI. Мизерно малое время зарядки конденсатора - в микросекунды -обеспечит полноценную искру и при 17-20 тыс. об/мин. А надежность воспламенения смеси коротким разрядом достигается в современных моторах за счет усовершенствованных систем питания и впуска. При том, что «интеллект» блоков управления зажигания CD-CDI ничуть не хуже, чем у батарейных систем.
Владимир ЧАЙКОВСКИЙ, менеджер компании «БМВ Русланд Трейдинг 000» Мото 09.2003