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.
Читайте также: Как проверить датчик положения распредвала ДПРВ
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
Современная индивидуальная катушка проще всего проверяется путём замены. Можно установить подменную, заведомо исправную, или поменять катушки между цилиндрами, наблюдая «перенос» проблемы по диагностическому сканеру или путём отключения цилиндров по изменению работы двигателя.
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.
