ЭКСПЕРИМЕНТ — ЭНЕРГИЯ «ИЗ НИЧЕГО»
Берем батарейку АА с напряжением 1,5 В и пытаемся зажечь от нее светодиод — нет, не горит. Ему нужно напряжение побольше. А теперь подсоединяем параллельно светодиоду первичную обмотку любой катушки a. Опять не горит? Барабанная дробь — убираем батарейку! И в этот момент светодиод вспыхивает. Без батарейки! Энергию ему подарила самоиндукция катушки.
А откуда под капотом возникают киловольты, поджигающие рабочую смесь в цилиндрах, если напряжение аккумуляторной батареи едва превышает 12 В? Их порождает та же самоиндукция.
Бьет ли ток от клаксона?
За клеммы аккумуляторной батареи можно спокойно браться хоть обеими руками: неприятностей от 12 В не будет. А вот трогать пальцем выводы кричащего звукового сигнала, питающегося от тех же 12 В, не стоит — крепко стукнет! Автомобильные реле тоже частенько «огрызаются» при выключении.
Но описанный в этих примерах эффект — скажем так, паразитный. А вот в системе зажигания именно он применяется с пользой.
Дело в том, что внутри звуковых сигналов, реле и катушек зажигания есть намотанный на сердечник провод. В электротехнике такую конструкцию называют катушкой индуктивности. В реле и звуковом сигнале это главный элемент электромагнитов, а в катушке зажигания — основа трансформатора с двумя обмотками.
Модуль зажигания. При пробое одной обмотки приходится менять дорогой узел целиком. Во избежание пробоя меняйте свечи вовремя!
Как течет ток? По инерции!
Когда через катушку индуктивности течет постоянный ток, ее поведение ничем не отличается от лампочки или нитей обогрева стекла. Но в момент отключения нагрузки ток уменьшается до нуля и, следовательно, изменяет свое значение, становится переменным. А еще пару сотен лет назад ученые заметили, что ток в катушке индуктивности невозможно изменить резко — только плавно. При замыкании цепи он нарастает с задержкой, а при размыкании прекращается не сразу — полная аналогия с телом, движущимся по инерции!
Устройство индивидуальной катушки зажигания с коммутационным ключом. 1 — вывод к свече; 2 — первичная обмотка; 3 — контакты; 4 — электронный блок; 5 — вторичная обмотка; 6 — сердечник.
Явление назвали самоиндукцией. Известно, что любое изменение магнитного поля порождает электрический ток: именно так работают генераторы. Но это правило справедливо для любых полей, в том числе и собственного поля упомянутых выше реле или катушки! При отключении источника питания от таких нагрузок исчезающее магнитное поле порождает всплеск напряжения, в десятки раз превышающий бортовые 12 В — именно он помогает току в проводе исчезнуть не мгновенно, а плавно.
На первичной обмотке катушек зажигания величина этого всплеска составляет сотни вольт. При этом вторичная обмотка, число витков в которой на пару порядков больше, чем в первичной, ощутив изменение поля, выдает напряжение в десятки тысяч вольт. Именно это явление до сих пор используется в системах зажигания.
Структурная схема индивидуальной катушки зажигания. 1 — управляющий вход; 2 — формирователь; 3 — защита от перегрева; 4 — защита по току; 5 — управляющий каскад; 6 — защита по напряжению; 7 — питание; 8 — первичная обмотка; 9 — вторичная обмотка; 10 — выход к свече; 11 — формирователь сигнала обратной связи; 12 — выход сигнала обратной связи; 13 — «земля».
Жюль Верн, Румкорф и велосипед
Катушка зажигания в чем-то похожа на… велосипед: в обоих случаях изначальная конструкция по сути не меняется веками. Впервые ее прообраз появился в середине XIX века в мастерской немецкого механика Румкорфа — в романах Жюля Верна несколько раз упоминается так называемый «аппарат Румкорфа».
Обладателям Москвичей и Жигулей хорошо знакома цилиндрическая бобина, из центра которой высоковольтный провод тянется к распределителю зажигания. Маслонаполненная герметичная конструкция представляла собой повышающий трансформатор с двумя обмотками. Прерывание тока в первичной обмотке осуществлял механический прерыватель — при каждом его размыкании во вторичной обмотке появлялся высоковольтный импульс тока, поступающий через вращающийся распределитель зажигания на свечу одного из цилиндров. Масло улучшало изоляцию и охлаждало катушку.
Осциллограммы напряжения в первичной (сверху) и вторичной (снизу) цепях системы зажигания. В момент прерывания тока первичной обмотки возникают высоковольтные импульсы напряжения.
Наступление транзисторов
Первые в СССР системы электронного зажигания на ВАЗ‑2108 и ГАЗ‑24–10 использовали вместо механического прерывателя соответственно датчик Холла и магнитоэлектрический датчик — при этом между ними и катушкой появился электронный коммутатор. Параметры катушки несколько изменились, но, по сути, она оставалась той же. Позже появились катушки сухого типа с пластиковым корпусом.
Для «микропроцессорной „восьмерки“» — ВАЗ‑21083–02 — разработали катушку, часто не очень корректно называемую двухискровой. Такая катушка не нуждалась в механическом распределителе высоковольтной энергии, поскольку ее вторичная обмотка подключалась своими выводами сразу к двум цилиндрам — под капотом четырехцилиндрового мотора стояли две такие катушки. При каждом прерывании тока один и тот же высоковольтный разряд (а вовсе не два!) шел сразу в два цилиндра: в одном он поджигал рабочую смесь, находящуюся под давлением, а в другом просто очищал свечу в конце такта выпуска. Поскольку под давлением всякий раз был только один цилиндр из двух, двойное увеличение мощности не требовалось. А из пяти высоковольтных проводов остались только четыре.
Катушка зажигания с обратной связью, применяемая на двигателях Toyota/Lexus. Обращает на себя внимание массивная цилиндрическая часть с обмотками и сердечником, а также компактная «голова» с электронной начинкой и четырьмя выводами.
Каждому — по катушке!
Позднее появились различные модули зажигания — катушки зажигания и коммутатор объединились в едином блоке. Но полный отказ от высоковольтной проводки обеспечили только индивидуальные катушки зажигания, надеваемые непосредственно на каждую свечу.
Венцом такого подхода стали индивидуальные катушки со встроенными коммутаторами. У них четыре вывода. Зачем?
Обычной катушке достаточно двух проводов — постоянного плюса и управляемого минуса. В более продвинутой четырехвыводной катушке электронный блок коммутации установлен в верхней части катушки, а трансформатор намотан на длинный сердечник, идущий вдоль катушки. Блоку нужны постоянные плюс и минус. Из оставшихся двух выводов один обеспечивает управление — дает сигнал «пора искрить», а второй — обратную связь: произошло ли искрообразование.
***
Понятно, что большинство автовладельцев, заглядывающих под капот, может даже не подозревать о наличии свечей, катушек и прочих «зажигательных» атрибутов. А они есть. И еще долгое время будут. Разговоры о каких-то лазерно-плазменных свечах, поджигающих смесь мощным лучом, пока так и остаются разговорами.
Фото: фирмы-производители и «За рулем»
