Какое явление положено в основу работы катушки зажигания

Обновлено: 03.05.2024

Мало какой узел из набора навесного оборудования бензинового двигателя внутреннего сгорания настолько же популярен у автомобилистов, как катушка зажигания, старыми водителями называемая ещё бобиной. Связано это с неполным пониманием её принципа действия, функций и особенностей конструкции, основанных на взаимодействии электрического тока и магнитного поля.

Но разобраться в этом можно и без высшего профильного образования, получив минимум знаний, необходимых для самостоятельного обслуживания системы искрового зажигания.

Предназначение катушки зажигания

Катушка выполняет несколько базовых функций:

преобразование энергии тока, направляемого в неё через бесконтактный или на старых моторах механический ключ (контактную пару), управляемый непосредственно датчиком или через электронный контроллер двигателя (ЭБУ);
накопление магнитной энергии до заданного уровня;
обратное преобразование накопленного в электрический ток выходной цепи;
повышение напряжения (трансформация) с низкого в первичной цепи до десятков киловольт на выходе;
изоляция высоковольтного выхода от пробоев и утечек на массу двигателя.

Катушка работает в импульсном режиме, то есть обеспечивает нарастание выходного напряжения до величины, обеспечивающей пробой искрового промежутка свечи в условиях высокого давления конца такта сжатия в цилиндре.

При этом энергия разряда должна быть достаточной для формирования мощной искры, способной поджечь даже бедную смесь, то есть не оптимальную с точки зрения инициации горения, а чтобы предотвратить растрату энергии на утечки, напряжение должно нарастать быстро, в электронике это принято называть крутым передним фронтом.

Стадия нарастания напряжения до начала пробоя делается возможно более короткой, а затем идёт период горения, который тем больше, чем выше запасённая энергия. Мощность разряда определяется током и временем его поддержания.

Образующаяся в искровом промежутке плазма, то есть ионизированный газ, обладает нужными для поджигания смеси бензина с воздухом температурой и энергией. Чем экономичней двигатель, тем больше её должна накапливать катушка в виде магнитного поля. Причём делать это достаточно быстро, двигатели требуют сотен искр в секунду.

Виды и устройство

По принципу действия все катушки одинаковы – это обычный с точки зрения электротехники высоковольтный повышающий трансформатор. Но требования надёжности, быстродействия и постоянного повышения мощности заставляют часто менять конструктивное исполнение.

Классическая

Много лет применявшиеся в классических батарейных системах зажигания бобины имели все типичные составляющие двухобмоточного трансформатора, у которого приняты меры к усилению изоляции вторичной повышающей обмотки:

первичная обмотка из толстого медного провода с относительно небольшим количеством витков;
вторичная, где провод более тонкий, обмотка секционирована, витков гораздо больше;
сердечник из трансформаторной стали;
изолирующая заливка из трансформаторного масла или твёрдого компаунда;
герметичный корпус с изоляцией высоковольтного вывода толстым слоем пластмассы типа бакелита или иной, влагоустойчивой и термостойкой;
низковольтные клеммы, иногда с отдельным выводом вариатора – добавочного сопротивления первичной обмотки, замыкаемого в пусковом режиме для усиления искры при пониженном напряжении.

При замыкании контактов прерывателя по первичной обмотке начинал протекать ток в несколько ампер, постепенно увеличиваясь и накапливая энергию магнитного поля.

После размыкания катушка разряжалась на конденсатор трамблёра, напряжение на первичной обмотке резко возрастало, что вызывало скачок высоковольтного импульса на вторичной до величины, определяемой коэффициентом трансформации. Это примерно равно отношению количества витков обмоток.

Высокое напряжение вызывало пробой искрового промежутка свечи и поджигание смеси. Если зазор увеличивался по разным причинам или отсутствовал (обрыв высоковольтного провода), напряжение возрастало, что могло пробить изоляцию в любом другом месте, это иногда вызывало отказ катушки. Неисправность могла возникнуть и из-за перегрева после долгого нахождения первичной обмотки под напряжением.

Позже контакты были заменены на транзисторный ключ, что решало проблему их обгорания и частых регулировок, но принцип работы остался тот же. Такие системы называли бесконтактными электронными. Катушки в них имели увеличенную мощность и уменьшенное сопротивление первичной обмотки.

Сдвоенная

Появление сдвоенной катушки было вызвано стремлением отказаться от ненадёжного высоковольтного распределителя искры по цилиндрам.

В них вторичная обмотка имела оба изолированных выхода, вместо массы ток разряда шёл на свечу второго цилиндра, где в это время был такт выпуска. Лишняя искра при низком давлении не мешала выделять всю мощность на работающую свечу.

В случае четырёхцилиндрового мотора было достаточно иметь две катушки на весь двигатель или один четырёхвыводный модуль с двумя трансформаторами. Иногда в них же размещались и силовые коммутирующие полупроводниковые ключи (транзисторы).

Индивидуальная (Coil on Plug)

Дальнейшим развитием стал отказ от ненадёжных и портящих характеристики импульса высоковольтных проводов. На каждую свечу надевалась персональная катушка зажигания.

Коммутация низковольтных импульсов проводами в обычной изоляции работает куда надёжней и не создаёт лишних помех. Так сейчас устроены практически все системы зажигания.

Рейка зажигания (секционные)

Иногда индивидуальные катушки объединяются в модули при помощи пластиковой рейки с низковольтной проводкой. Решение спорное и не везде используемое. Низкая ремонтопригодность, при отказе одной катушки приходится менять весь модуль.

Признаки неисправностей

При отказе катушки искра пропадает или сильно ослабевает. Двигатель в лучшем случае работает с перебоями, с трудом запускается, теряет мощность. При открытии дросселя следует глубокий провал. ЭБУ фиксирует множественные пропуски зажигания или отказ одного из цилиндров в случае использования индивидуальных катушек.

Случаются и более сложные в диагностике варианты. Частично пробитая катушка даёт сбои зажигания, но не во всех режимах или периодически. Иногда это даже проходит незаметно, наблюдается только повышенный расход топлива.

Как проверить катушку зажигания

В сложных случаях снимается осциллограмма вторичного напряжения, признаки пробоя видны по пику импульса и характеру фазы горения искры.

Важно отделить неисправность катушки от проблем с силовыми драйверами ЭБУ. Это также проще вычислить путём замены деталей между цилиндрами.

Для оценки мощности искры используются разрядники. Применять для этого вывернутую свечу бессмысленно, на воздухе при низком давлении её малый промежуток пробьёт даже совершенно непригодная искра. Так можно оценить лишь само наличие низковольтных сигналов.

Основной задачей катушки зажигания в автомобильном двигателе является преобразование тока низкого напряжения в ток высокого напряжения. Катушка представляет собой трансформатор с высоким коэффициентом трансформации, причем с повышением коэффициента трансформации увеличивается напряжение во вторичной обмотке. В то же время увеличение коэффициента трансформации приводит к увеличению габаритных размеров. Вторичная обмотка катушки должна иметь такие характеристики, которые обеспечивали б требуемые пиковое напряжение, силу тока и продолжительность искрового разряда. Катушки зажигания (схема): a – катушка зажигания для одной свечи (система без распределителя зажигания); b – катушка зажигания одно-искрового типа; c – катушка зажигания для двух свечей.

Контакты прерывателя, используемые в системе батарейного зажигания с катушкой (система CI), могут обеспечивать только прерывание тока силой приблизительно до 5 А. Системы зажигания TI, EI и DLI могут работать практически на токе любой силы. В системе CI используются дополнительные сопротивления (они служат в качестве шунта, отключаемого для увеличения тока во время пуска холодного двигателя). В системах электронного зажигания в их использовании нет необходимости, так как посредством электронной схемы момент срабатывания катушки зажигания можно определить на основе напряжения аккумуляторной батареи и частоты вращения коленчатого вала, что обеспечивает получение максимальной энергии зажигания.

Одним из требований к катушке зажигания является то, что она должна быстро заряжаться для последующей отдачи напряжения на свечи зажигания. Это требование становится особенно важным при высоких частотах вращения коленчатого вала. Главным в этом вопросе является малая индуктивность первичной обмотки и повышенный прерываемый ток.

Устройство и работа катушки зажигания

Катушки зажигания с масляной или битумной изоляцией в металлическом корпусе все больше заменяются катушками с заполнителями на основе эпоксидной смолы. Эти катушки обеспечивают большую свободу в выборе геометрических размеров (могут иметь меньшие размеры), типов и числа электрических клемм, а также лучше сопротивляются вибрациям и имеют малую массу. Первичная обмотка катушки, являющаяся основным источником теплоты, располагается как можно ближе к сердечнику в целях получения лучшей теплопередачи и экономии меди.

Синтетические материалы, применяемые в катушке зажигания, обеспечивают получение хорошего сцепления между всеми высоковольтными компонентами и заливаемой эпоксидной смолой.

Равномерное распределение нагрузки между изолирующими элементами вместе с высоким диэлектрическим сопротивлением позволяет получить компактные размеры катушки с размещением изолирующих слоев фольги и бумаги между проволочными слоями. При этом собственная емкость обмотки также уменьшается.

Катушки зажигания на одну и две свечи применяются как альтернатива общепринятым системам с распределителем зажигания; эти катушки используются в системах без распределителя зажигания.

Когда катушка работает на одну свечу зажигания, изменяющийся ток в первичной обмотке позволяет получить импульс зажигания на отдельной свече в точно установленный момент времени. Дополнительные разрядники или высоковольтные диоды применяются для предотвращения положительных высоковольтных импульсов тока (1…2 кВ), которые могут привести к преждевременному искровому разряду.

Катушка зажигания для одной свечи 1 – внешняя клемма подачи низкого напряжения; 2 – пластинчатый сердечник; 3 – первичная обмотка; 4 – вторичная обмотка; 5 – высоковольтное соединение через пружинный контакт; 6 - свеча

На катушке, обслуживающей две свечи зажигания, вторичная обмотка электрически изолирована от первичной обмотки. Каждый из двух выводов высокого напряжения соединен со свечой зажигания для выработки искровых разрядов на обеих свечах при отсечке тока в первичной обмотке. Как в случае обычного распределения высокого напряжения по отдельным свечам зажигания, данная система, как правило, не требует применения особых мер для предотвращения появления разряда во время выключения зажигания.

Двухискровая катушка зажигания ( в системах зажигания без распределителя) 1 – клемма низкого напряжения; 2 – пластинчатый железный сердечник; 3 – первичная обмотка; 4 – вторичная обмотка; 5 – выводы высокого напряжения

Такие катушки зажигания легче устанавливать за счет их блочной конструкции, имеющей общий корпус, и объединении в блоке нескольких катушек. Но даже в таком конструктивном исполнении отдельные катушки работают как независимые приборы. Сочетание катушек зажигания и задающих каскадов дает возможность использовать укороченные проводники, ведущие к первичной обмотке (т.е. обеспечивается падение напряжения).

Как работает и отчего ломается катушка зажигания

Вероятно, все знают, что в тепловых двигателях есть свечи, которые воспламеняют топливно-воздушную смесь. А что делает катушка зажигания? Для чего она нужна?

Известно, что для того чтобы выработать искру, через свечу проходит мощный электрический разряд, для которого требуется напряжение более 15 000 вольт. Его как раз и обеспечивает катушка зажигания, или просто катушка.

Принцип ее действия изобрел в XIX веке немецкий инженер Генрих Румкорф. Исторически это одна из самых старых деталей в двигателе. В начале ХХ века ею заменили магнето.

Как это работает

Катушка зажигания работает как обратный трансформатор. Ее функционал – преобразовать низкое напряжение, поступающее от аккумуляторной батареи или генератора, в высокое.

Конструктивно устройство состоит из двух катушек и железного сердечника. Катушка представляет собой обмотку из медной проволоки. Обе катушки вложены друг в друга, внутри находится железное ядро. Одна катушка называется первичной, она имеет относительно мало витков. При включении зажигания напряжение составляет 12 вольт, что соответствует напряжению бортовой сети автомобиля. Ток проходит через катушку, образуется магнитное поле. Для запуска искры происходит следующее: ток резко отключается, что вызывает разрушение магнитного поля. Это вызывает напряжение во второй, или вторичной бобине. Она имеет значительно большее количество витков, чем первичная, и напряжение колеблется от 15000 до 30000 вольт.

За включение и выключение первичного тока первоначально отвечал механический контакт, контакт прерывания. Его настройка была сложной, необходимо было найти оптимальное расстояние до контакта, чтобы время создания магнитного поля – и значит, время зажигания – не было слишком коротким. К тому же срок службы такого контакта был сравнительно небольшим – не более 15 000 километров.

Через несколько лет стал лишним распределитель зажигания, и каждая свеча получила свою собственную катушку зажигания. В этом был ряд преимуществ. Напряжение зажигания генерируется там, где необходимо, отсутствует высоковольтный кабель. Кроме того, увеличилось время зарядки и, несмотря на меньший размер, искра получалась более сильной. Такие одиночные катушки зажигания обычно также включают усилитель мощности. Для двигателей с тремя или четырьмя цилиндрами они часто объединяются в один корпус, в противном случае они устанавливаются отдельно над свечой зажигания.

Отчего они ломаются

Прежде всего из-за жары и/или вибрации. Кроме того, в старых автомобилях с одной катушкой достаточно было забыть выключить зажигание. В то же время, когда контакт прерывания был закрыт, ток постоянно протекал через первичную катушку и вызывал нагревание. Настолько, что могло случиться возгорание. Нынешние одиночные катушки установлены непосредственно на свечах зажигания, то есть на двигателе. Это означает, что они также постоянно нагреваются и подвергаются сильной вибрации.

Поначалу разработчики в недостаточной степени оценили негативные возможности этой нагрузки. И в ряде моделей автомобилей дефектной оказалась вся система зажигания. Проблемы вызывали выгоревшие концевые выключатели, а также моторное масло. Плохие уплотнители оставляют масло в колодце свечи зажигания, где оно разрушает изоляцию катушки. Еще одной проблемой может стать вода, во время мойки например. Попав под высоким давлением на катушку, она может вызвать короткое замыкание.

Как определить, что катушка неисправна?

Можно ли починить катушку зажигания?

В принципе, можно. Раньше существовали даже специальные мастерские, где бобины заново перематывались. Однако сегодня это скорее экзотика. Проще и надежнее купить и поставить новую. Это не слишком дорого.

Если вы не сильны в электротехнике, вернее всего доверить установку новой катушки специалисту сервисного центра. Особенно если вы владелец нового авто с индивидуальной системой зажигания. Пусть это стоит денег, но зато вы будете уверены в том, что все сделано правильно и с гарантией.

Система зажигания используется в бензиновых и газовых двигателях, так что свечи, катушки и высоковольтные провода стали неотъемлемой частью современного автопрома. Как и многие другие системы, зажигание претерпело множество перемен в ходе своей эволюции, но принцип его работы остался тем же (еще бы, ведь законы физики пока никто не отменял). И, пожалуй, сильней всего изменилась именно катушка зажигания, пройдя путь от массивного устройства до небольшого девайса, почти не занимающего места, но добросовестно выполняющего свою работу. В этой статье мы с Вами вскроем несколько тайн по поводу этого устройства.

Что такое катушка зажигания и для чего она нужна?

Схема системы зажигания

В общей схеме системы зажигания катушка располагается между АКБ и распределителем зажигания, за которым дальше стоят свечи. Параллельно с катушкой подсоединен прерыватель (в старых автомобилях) или ЭБУ для регулировки подачи заряда – в новых. Постоянный низковольтный ток от батареи (или генератора) поступает на катушку. Прерыватель отрабатывает периодические разрывы в цепи (об этом чуть дальше, в описании принципа работы). Катушка генерирует высоковольтный ток, который через трамблер поступает на нужную свечу. Независимо от того, какая система управления используется в автомобиле (механическая или электронная), схема зажигания не меняется по принципу, а только совершенствуется по форме.

Если любой из элементов системы дает сбой, это сразу отражается на режиме работы двигателя. Поэтому катушка так важна.

Устройство катушки зажигания

Принципиальная схема устройства катушки остается одинаковой на все модификации и конструктивные особенности.

Виды и устройство катушек зажигания

В процессе своего развития катушка зажигания серьезно преобразилась внешне, хоть и не изменилась принципиально. Конструктивно выделяют четыре типа катушек.

Классическая или общая – самый старый тип конструкции, который, тем не менее, еще можно встретить в автомобилях. Конструктивно это одна катушка, которая подает разряд на каждую свечу по очереди. Очередность подачи тока определяет трамблер.

Принцип работы катушек зажигания

Принцип работы катушки зажигания основан на физическом законе самоиндукции. Ниже, на видео наглядно показан принцип работы.

Постоянный, низковольтный ток поступает на первичную обмотку.
Когда срабатывает прерыватель, напряжение начинает падать, образовывая вокруг первичной обмотки переменное магнитное поле.
Далее электромагнитное поле, пересекая стальной сердечник, усиливается, и пересекает вторичную обмотку.
При пересечении вторичной обмотки магнитным полем, в ней индуктируется ток с электродвижущей силой гораздо большей, чем в первичной обмотке. Происходит это как раз иза разности количества витков в катушках.
Этого напряжения уже достаточно чтобы на свече образовалась искра, и произошло воспламенения топливной смеси.

Частые неисправности

Время от времени катушки зажигания выходят из строя, иногда отработав свои законные тысячи километров, а иногда вскоре после покупки. Регламентного срока замены у них нет, так что чем выше качество этой детали, тем дольше не придется о ней вспоминать. Частые причины поломок катушки разные.

Любая неисправность моментально сказывается на работе двигателя: он либо вообще не запускается (если проблема с образцом старого типа, одной на все цилиндры), либо работает с перебоями: троит, теряет динамику. В довершение ко всему загорается значок Check Engine, и приходится ехать в сервис на диагностику.

Катушки зажигания не ремонтируются, только меняются на новую. Это относится и новейшим индивидуальным устройствам с компьютерным управлением, и к старым классическим.

Советы по эксплуатации и проверке

Чтобы катушки зажигания проработали как можно дольше, рекомендуем такие несложные правила эксплуатации.

Заключение

Нормальная качественная катушка зажигания служит долго, если ей не мешать. Но ее поломка – всегда неожиданность, расходы и переживания. Поэтому лучше позаботиться о том, чтобы поддерживать электрику автомобиля в порядке, не перегревать двигатель, не заливать его водой, а при замене свечей зажигания аккуратно обращаться с катушками. Конечно, никакие предосторожности не сделают ее вечной, но помогут снизить затраты на диагностику, поиск и покупку новых, а еще сэкономить время и нервы.

Читайте также: