Системы зажигания применяют в двигателях с принудительным воспламенением горючей смеси в цилиндрах. Горючая смесь воспламеняется искрой при электрическом разряде между электродами свечи зажигания.
Для получения искрового разряда требуется напряжение до 12 тыс. вольт и более. Пробивное напряжение и интенсивность искрового разряда зависят от искрового промежутка (расстояния между электродами свечи), формы электродов, температуры, давления, состава рабочей смеси и других факторов. Увеличение искрового промежутка вызывает необходимость повышения напряжения.
Лучшему истечению электрического заряда способствует заостренная форма электрода, а не закругленная. Повышение температуры в цилиндре двигателя вызывает ионизацию газов, что в свою очередь требует меньшего напряжения. С повышением давления смеси в искровом промежутке величина пробивного напряжения возрастает.
Приборы системы зажигания двигателей для большей надежности воспламенения рабочей смеси дают напряжение 14—20 тыс. вольт. Искровой промежуток между электродами свечи устанавливают 0,6—0,8 мм с учетом степени сжатия двигателя, применяемого сорта топлива и способа зажигания. Нарушение этого зазора ведет к снижению надежности работы системы зажигания.
В системах зажигания ток высокого напряжения получают с помощью магнето или системы батарейного зажигания. В первом случае система зажигания включает магнето с вращающимся магнитом, свечи зажигания, провода и выключатель.
Действие магнето основано на том, что при пересечении магнитных силовых линий проводником в последнем возникает (индуктируется) электродвижущая сила (ЭДС). Электродвижущая сила в проводнике будет тем больше, чем быстрее изменяется магнитный поток, пересекающий этот проводник.
Магнето (рис. 55) представляет собой магнитоэлектрический аппарат, состоящий из генератора переменного тока низкого напряжения с прерывателем и трансформатора тока высокого напряжения с распределителем.
Генератор переменного тока включает магнитную систему, обмотку 3 и прерыватель с конденсатором. Магнитная система, пред назначенная для получения переменного магнитного поля, состоит из двухполюсного постоянного магнита — ротора 2 и боковых стоек 1 с сердечником 4. Первичная обмотка 3, выполненная из 150— 250 витков медной проволоки диаметром 0,8—1 мм, и прерыватель с конденсатором 16 служат для получения резко переменного тока низкого напряжения. Один конец обмотки 3, намотанный на сердечник 4, соединен с массой непосредственно, а другой конец — через контакты молоточка 12 и наковальни 13 прерывателя. Эти контакты размыкаются кулачком 15, закрепленным на валике магнита — ротора 2. Конденсатор 16 включен параллельно контактам прерывателя.
Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток. Первичной обмоткой служит обмотка 3 генератора переменного тока.
Вторичная обмотка 6 состоит из 9—13 тыс. витков медной проволоки диаметром 0,05—0,08 мм, которая намотана на первичную обмотку 3. Один конец обмотки 6 соединен с обмоткой 3 и через нее с массой; второй конец через скользящий угольный контакт 10, электроды 9 барабана-распределителя 11 и провода 8 высокого напряжения соединен с центральными электродами свечи 7.
Ротор 2 и барабан 11 приводятся во вращение от вала двигателя.
При вращении ротора 2 его полюсы поочередно подходят к башмакам стоек 1, вследствие чего в сердечнике 4 появляется и исчезает магнитный поток. Так, при расположении северного полюса ротора 2 у левой боковой стойки магнитный поток пройдет по стойкам 1 и сердечнику 4 от северного полюса к южному, т. е. слева направо.
Когда же северный полюс расположится у правой стойки, то магнитный поток будет проходить по стойкам и сердечнику справа налево. За каждый оборот ротора 2 магнитный поток в сердечнике 4 непрерывно изменяется по величине и два раза по направлению. Поскольку магнитный поток пересекает витки первичной обмотки 3, то в ней индуктируется переменная ЭДС, максимальная величина которой достигает 12—15 В.
Так как магнитный поток пересекает также и витки вторичной обмотки 6, то и в ней индуктируется ЭДС по рядка 1000—1500 В. Но та кая величина ЭДС недостаточна для создания искрового разряда между электродами свечи. Для создания сильной искры между электродами свечи, к которым подводится ток от вторичной обмотки, необходимо первичную цепь разомкнуть в тот момент, когда величина тока в первичной обмотке достигнет максимума.
Это осуществляется следующим образом. Ток низкого напряжения, протекающий по первичной обмотке, создает вокруг сердечника 4 магнитные поля. Когда ток в первичной обмотке достигает наибольшего значения (2—3 А), кулачок 15 прерывателя набегает на выступ рычажка 14, поворачивает его вокруг оси, быстро оттягивает закрепленный на нем контакт молоточка 12 от контакта наковальни 13, вызывая резкое прекращение тока и исчезновение созданного им магнитного поля. В результате резкого уменьшения магнитного потока во вторичной обмотке индуктируется ЭДС большой величины (до 24 тыс. вольт) и между электродами свечи 7 происходит искровой разряд, способный воспламенить рабочую смесь в цилиндре двигателя.
В момент размыкания контактов прерывателя исчезающее магнитное поле возбуждает в первичной обмотке ток самоиндукции напряжением 300—500 В. Для поглощения тока самоиндукции и уменьшения искрения и обгорания контактов в первичную цепь параллельно подключен конденсатор 16, который также увеличивает напряжение во вторичной обмотке. Как уже отмечалось, контакты прерывателя разъединяются кулачком 15, вращающимся вместе с якорем. Так как кулачок 15 имеет два выступа, то он размыкает контакты прерывателя два раза за один оборот якоря.
Барабан 11 распределителя, приводимый через пару шестерен, вращается в два раза медленнее ротора магнето и подает ток высокого напряжения к каждой свече один раз за каждые два оборота коленчатого вала. Приемные контакты в крышке распределителя расположены таким образом, что ток подводится к свечам в порядке работы цилиндров двигателя. Экстренный останов двигателя производится кнопочным выключателем 17, накоротко замыкающим первичную обмотку на массу.
Для предохранения вторичной обмотки от повреждения изоляции в случае появления неисправности во вторичной цепи предусмотрен предохранительный искровой промежуток 5.
Система батарейного зажигания состоит из источника тока низкого напряжения (аккумуляторной батареи), генератора постоянного тока с реле-регулятором, катушки зажигания, прерывателя-распределителя и свечей зажигания. Получение тока высокого напряжения в этой системе основано на трансформации (преобразовании) тока низкого напряжения в ток высокого напряжения с помощью катушки зажигания и прерывателя (с конденсатором). Распределитель осуществляет соединение системы на свечи зажигания в порядке работы цилиндров. Система батарейного зажигания не нашла еще широкого применения на двигателях, используемых на дорожных и строительных машинах, поэтому здесь она подробно не описывается.
Свечи зажигания работают в очень тяжелых условиях, так как они испытывают механические, тепловые и электрические нагрузки, а также подвергаются вредному воздействию продуктов сгорания топлива. На свечи воздействуют переменные давления — от 0,02—4,5 МПа и температура газов от 30 до 2500 °C. Электрические разряды вызывают оплавление концов электродов, а продукты сгорания топлива — их коррозию. Все это предъявляет высокие требования к качеству материалов, из которых изготовляют свечи.
По своей конструкции свечи бывают двух типов: разборные и неразборные (рис. 56). Их различие заключается в способе крепления изолятора 5. В разборной свече изолятор закрепляют в корпусе накидной гайкой, а в неразборной свече — путем завальцовки верхней кромки корпуса 2. Разборные свечи в настоящее время не применяют.
Центральный электрод 8 соединяют путем электросварки с токопроводящим стержнем 7, а боковой электрод 1 укрепляют в корпусе Электроды изготовляют из жаропрочных и химически стойких материалов (97 % никеля и 3 % марганца).
Изолятор 5 — наиболее ответственная деталь свечи. Его изготавливают из керамических материалов, обладающих высокими жаростойкими и электроизоляционными свойствами.
Корпус 2 свечи изготовляют из малоуглеродистой стали. Верхняя часть его выполнена в форме шестигранника, а нижняя имеет резьбу для ввертывания в головку цилиндра. Во избежание пропуска газа из цилиндра между его головкой и корпусом свечи устанавливают медноасбестовую кольцевую прокладку 3.
Для надежной работы свечей необходимо, чтобы температура нижней части изолятора была в пределах 560—850 °C. Если не выдержать нижний предел, то масло, попадающее на свечу, не будет сгорать, на изоляторе отложится нагар, что приведет к замыканию центрального электрода на массу. Ток пойдет через нагар (кокс), минуя зазор между электродами, и двигатель работать не будет.
Если превзойти верхний предел (850 °C), то боковые электроды быстро выходят из строя и создаются условия для так называемого калильного зажигания, т. е. для преждевременного воспламенения рабочей смеси, приводящего не редко к выходу двигателя из строя.
Каждому типу двигателя должны соответствовать свечи зажигания определенной тепловой характеристики, выражаемой так называемыми калильными числами.
Провод высокого напряжения присоединяют к свече зажимной гайкой 6. Провода зажигания — многожильные медные сечением 1,3 мм2, покрыты резиновой оболочкой и заключены в защитную трубку. Каждый провод снабжен двумя наконечниками для крепления к свече и установки в отверстие крышки распределителя.