Typen, samenstelling en kenmerken van de werking van verschillende ontstekingsschema's voor benzinemotoren

Het mengsel van lucht en brandstof in een benzine-verbrandingsmotor (ICE) moet op een strikt gedefinieerd moment ontbranden, afhankelijk van de bedrijfsmodus van de motor. Hiervoor wordt de verbranding in gang gezet door een vonk tussen de elektroden van de bougie. Het vermogen is hier beperkt, maar de ontlading, die een plasmastructuur heeft, heeft een extreem hoge temperatuur. De duur van de vonk is ook van belang. Dit is belangrijk voor de ononderbroken ontsteking, evenals de volledigheid van de verbranding, die het vermogen van de motor bepaalt en het brandstofverbruik minimaliseert.

Hoe werkt een vonkontstekingssysteem en waar is het structureel van gemaakt?

De benodigde energie wordt onttrokken aan het boordnet van het voertuig, waarna het wordt verzameld en in de vorm van een korte puls wordt afgegeven. Dit levert een hoog vermogen op, dat wil zeggen het werk dat per tijdseenheid wordt gedaan. Deze taak bepaalt de schematische samenstelling van het systeem:

• een gelijkstroombron, tijdens het opstarten van de motor is het een batterij en later een generator die wordt aangedreven door de krukas;
• stroomschakelapparatuur, bedrading, schakelaar, extra relais en zekeringen worden meestal niet gebruikt om de betrouwbaarheid te garanderen;
• een energieaccumulator, meestal het magnetische veld van de bobine (hoogspanningstransformator);
• een stroomschakelaar die op het juiste moment de stroom in de primaire wikkeling van de spoel verbreekt;
• belangrijke besturingselementen, in de rol waarvan apparaten van verschillende organisaties kunnen optreden;
• knooppunten en details van aansluiting van de hoogspanningswikkeling van de transformator met kaarsen;
• bougies die direct een vonkontlading in de verbrandingskamer creëren.

De specifieke implementatie van het systeem hangt af van de mate van perfectie van het ontwerp, dat wil zeggen de datum van ontwikkeling van de motor. Er werd vooruitgang geboekt in de richting van de introductie van de modernste, maar reeds bewezen en betrouwbare elektronische componenten in de automobieltechnologie.

Verschillende organisatieprincipes van verouderd tot modern

Zoals in veel andere autosystemen, werden mechanica en eenvoudige elektrotechniek geleidelijk vervangen door solid-state elektronica en digitale computerapparatuur. Er zijn verschillende stadia in de ontwikkeling van ontstekingssystemen, waartussen een kwalitatief verschil bestaat. Op elk van hen waren er kwantitatieve veranderingen, toegenomen kracht, nauwkeurigheid en betrouwbaarheid.

Eenvoudig batterijontstekingssysteem

Het systeem bestond lange tijd uit een bobine, een stroomonderbreker (verdeler) en hoogspanningsdraden met kaarsen. Ondanks zijn eenvoud werkte deze techniek betrouwbaar, hoewel regelmatig onderhoud nodig was.

De primaire wikkeling van de spoel was via de contacten van de stroomonderbreker verbonden met het boordnet. De nokkenrol, mechanisch verbonden met de krukas, sloot en opende het beweegbare contact op nauwkeurig gespecificeerde momenten, waardoor de spoel ofwel energie verzamelde als gevolg van een toename van de stroom die door de primaire wikkeling vloeide, of deze scherp naar de hoogspannings secundair contact in de vorm van een spanningspuls in de orde van tien kilovolt en meer. Dit contact was verbonden met de ontstekingsverdeler, waarvan de schuif naar de gewenste cilinder wees.

Bovendien werd parallel met de contacten een condensator geïnstalleerd, die verbranding voorkomt en dient om de ontlaadstroompuls door te geven aan de behuizing, evenals aan ontstekingstimingregelaars. Meestal waren er twee, vacuüm en centrifugaal. De eerste bewaakte het vacuüm in het inlaatspruitstuk, dat wil zeggen de mate van gasklepopening door de bestuurder, en de tweede - het motortoerental. Beide zijn zo opgesteld dat het moment van vonktoevoer zo dicht mogelijk bij het optimale moment voor deze modus komt. Maar vanwege hun eenvoud deden ze het nogal grof, de motoren gaven niet het theoretisch mogelijke vermogen af, soms vond er ontploffing plaats en werd overtollige brandstof verbruikt.

Andere nadelen zijn:

• slechte prestaties van inerte mechanische contacten bij hoge snelheden;
• verbranding en slijtage van contactoppervlakken, ondanks speciale materialen;
• de noodzaak van frequente aanpassing van het initiële ontstekingsmoment;
• lage betrouwbaarheid van het hoogspanningsgedeelte van de distributeur, storingen van de schuifregelaar, draden en tips;
• moeilijkheden bij het leveren van een hoog vonkvermogen als gevolg van beperkingen op het vermogen van contacten.

De knelpunten van het klassieke systeem vroegen om fundamentele veranderingen.

Stroomontlasting van contacten door een vermogenstransistor

Het werd mogelijk om het leven van de onderbreker gemakkelijker te maken met de komst van de eerste krachtige en voldoende hoogspanningstransistoren, in feite solid-state en hogesnelheidsrelais. Contacten veranderden van een voedingselement alleen in een besturingselement, ze gaven een zwakstroomsignaal om een ​​halfgeleiderapparaat te openen of te sluiten. Sinds enige tijd werden dergelijke systemen geproduceerd, maar in ons land alleen in de vorm van amateurradio-ontwerpen. Soms werd de transistorsleutel vervangen door een thyristorconverter, waardoor de spanning op de primaire wikkeling kan worden verhoogd. Maar de contacten, zelfs bij lage stromen (met een dergelijk schema konden ze worden gesmeerd en afgedicht), beperkten nog steeds de groei van kenmerken.

Volledig vermijden van contacten

Het logische gevolg was de vervanging van contacten door een solid-state sensor. Dergelijke apparaten zijn verstoken van traagheid, verslijten niet en stellen u in staat om het moment van gebruik zeer nauwkeurig in te stellen. Aanvankelijk gebruikten de sensoren verschillende werkingsprincipes, magnetische inductie, optisch of gebaseerd op het Hall-effect. Geleidelijk aan begon de laatste op bijna alle auto's te worden gebruikt.

De Hall-sensor kan reageren op magnetische flux door het elektrische uitgangssignaal te veranderen. Het is voldoende om een ​​ferromagnetische sluiter met sleuven in de gleuf tussen de magneet en het Hall-kristal te plaatsen, en de output is een gepulseerde spanning die duidelijk is gesynchroniseerd met de rotatie van de as. Daarna ging het signaal naar een versterker, vaak een schakelaar genoemd, die eindigde in dezelfde transistorschakelaar.

Contactloze transistorontsteking elimineerde bijna alle tekortkomingen van de oude ontwerpen. Voorbij zijn de problemen met vonkvermogen, snelheid, betrouwbaarheid en onderhoud. Alles werd alleen bepaald door de kwaliteit van de gebruikte elektronische apparaten. Maar een verdere toename van de eisen voor motoren vereiste een nauwkeurigere controle van het ontstekingstijdstip en het elimineren van enkele nieuwe nadelen die verband houden met efficiëntie en ecologie.

Ontstekingscontrole door sensoren en microprocessor

Elke motor heeft zijn eigen multidimensionale model voor het optimaliseren van het moment van vonken, dat wordt geselecteerd in de loop van theoretische en experimentele studies op testbanken. Het is onmogelijk geworden om het te implementeren zonder computertechnologie.

De structuur van het modernste ontstekingssysteem begon op een klassieke regelcomputer te lijken:

• talrijke sensoren die in realtime de momentane toestand van de motor, de bedrijfsmodi, temperatuur en brandstofmengseltoevoer registreren;
• een informatieverwerkingseenheid die sensorsignalen ontvangt en met behulp van geheugenkaarten en formules het moment van vonktoevoer naar elke cilinder afzonderlijk berekent;
• losse bobines direct aangesloten op de bougies zonder hoogspanningskabels;
• bougies met elektroden van edelmetaal, waardoor een lange levensduur met grote openingen, hoge druk en een zeer krachtige vonk mogelijk is.

Soms werden er nog distributeurs gebruikt, maar die werden al snel verlaten. Individuele spoelen zorgden voor het nodige vermogen, steile spanningsstijgingsfronten en een lange ontladingsduur, waardoor er gewerkt kon worden aan arme, slecht ontstoken mengsels. Tegelijkertijd hebben ze een laag niveau van radiostoring, wat erg belangrijk is met het groeiende gebruik van elektronica in auto's.

Omdat de mengseltoevoer, de samenstelling en de snelle reactie op een modusverandering nauw verband houden met het ontstekingstijdstip, werd het systeem geïntegreerd in een gemeenschappelijke motorregeleenheid. Zo wordt de reactie op het optreden van detonatie nu op een complexe manier uitgevoerd, door zowel de hoeveelheid brandstof als het moment waarop de vonk wordt aangebracht te regelen. Een snelle processor en een continu verbeterd programma van zijn werk nemen de volledige motor, en vaak ook andere voertuigsystemen, volledig onder controle.

Het pad van ontwikkeling van ontstekingssystemen van de eerste microprocessor tot het geïntegreerde elektronische motormanagementsysteem (ECM) was zeer snel gepasseerd. De theoretische noodzaak van een dergelijke oplossing was meteen duidelijk, en vooruitgang in de circuits liet niet lang op zich wachten. Zelfs een krachtige en massieve vermogenstransistor, die niet altijd betrouwbaar is, is een kleine driver geworden op een gewoon ECM-bord.

Bij de ontwikkeling van ontstekingssystemen waren er verschillende doodlopende wegen. Plasmasystemen, zuigerkopontlading, voorkamerontsteking en nog meer exotische projecten. Ze zijn allemaal vervangen door de moderne standaardoplossing, hoewel het mogelijk is dat als verbrandingsmotoren niet volledig worden vergeten met de komst van elektrische voertuigen, er iets nieuws en nog onbekends wordt geboren in vonkontsteking.