Измерение высокого напряжения в системах зажигания автомобилей

Измерение высокого напряжения
в системах зажигания автомобилей

Основой любого современного мотортестера является цифровой осциллограф. Мотортестер – это устройство, способное отображать осциллограмму высокого напряжения системы зажигания, кроме того, в реальном времени отображающее параметры импульса зажигания, такие как пробивное напряжение, время и напряжение горения искры.

Любая неисправность в системе зажигания, как в первичной, так и во вторичной цепи, определённым образом влияет на форму и параметры импульса высокого напряжения во вторичной цепи системы зажигания. Таким образом, наблюдая осциллограмму высокого напряжения, можно комплексно продиагностировать систему зажигания. Зная нормальные параметры импульса зажигания, а также осциллограммы типовых неисправностей и видя при этом осциллограмму высокого напряжения исследуемой системы зажигания, можно быстро и однозначно выявить неисправности системы зажигания.
 

Осциллограмма высокого напряжения системы зажигания.

1.Начало накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания (момент открытия силового транзистора коммутатора системы зажигания).
2.Момент перехода коммутатора системы зажигания в режим удержания энергии в магнитном поле (по достижении тока в первичной обмотке катушки зажигания равного около 8А, коммутатор переходит в режим стабилизации тока на этом уровне).
3.Пробой искрового промежутка и начало горения искры (момент закрытия силового транзистора коммутатора).
4.Участок горения искры.
5.Конец горения искры и начало затухающих колебаний.


Рассмотрим, как можно проверить систему зажигания двигателя с помощью мотортестера.

Для просмотра осциллограммы системы зажигания с механическим распределением высокого напряжения по цилиндрам, понадобится один ёмкостной датчик и один индуктивный. С помощью ёмкостного датчика мы снимаем осциллограмму высокого напряжения системы зажигания. Индуктивный датчик служит для синхронизации сигнала – чтобы знать, к какому именно цилиндру относится каждый отдельный импульс зажигания. Ёмкостной датчик должен быть установлен на высоковольтный провод катушки зажигания, индуктивный – на высоковольтный провод свечи зажигания первого цилиндра.

Для просмотра осциллограммы вторичного напряжения DIS системы зажигания (Double Ignition System) с электронным распределением высокого напряжения по цилиндрам, понадобится один индуктивный датчик и столько ёмкостных датчиков, сколько цилиндров на двигателе подключённых к специальному DI/DIS адаптеру. DIS системой называется такая система зажигания, где применяется по одной катушке зажигания на каждые два цилиндра, работающие с взаимным опозданием фаз газораспределения на 360° по положению коленчатого вала.

Ёмкостные датчики должны быть установлены на высоковольтные провода в строгом порядке согласно инструкции.


Для работы с системами зажигания, в которых каждую свечу зажигания обслуживает отдельная катушка зажигания, адаптер DI/DIS должен быть последовательно установлен на каждую катушку зажигания.

Высоковольтные датчики

Рассмотрим конструкции и принципы действия высоковольтных датчиков.

Индуктивный датчик

Индуктивный датчик служит для синхронизации сигнала – чтобы знать к какому именно цилиндру относится каждый отдельный импульс зажигания.
Принцип действия индуктивного датчика подобен работе трансформатора. В качестве сердечника “трансформатора” применяются два ферритовых полукольца, вторичной обмоткой “трансформатора” является катушка, намотанная поверх сердечника, а первичной – центральная жила высоковольтного провода.

Конструкция индуктивного датчика.

Таким образом, любые изменения тока в высоковольтном проводе, трансформируются в напряжение на обмотке датчика. Так как выходное напряжение датчика напрямую зависит от скорости нарастания тока, то выходной сигнал совпадает по времени с моментом пробоя искры.
Кроме того, проявляются и ёмкостные свойства индуктивного датчика в связи с непосредственной близостью катушки датчика и центральной жилы высоковольтного провода. Это свойство датчика, даёт возможность различать рабочую искру от холостой в DIS системах зажигания.

Ёмкостной датчик

Наиболее просто и безопасно снять осциллограмму вторичного напряжения системы зажигания, можно применив ёмкостной датчик. Снятие сигнала происходит за счёт ёмкости, образующейся между экранированными изолированными обкладками датчика и центральной токопроводящей жилой высоковольтного провода исследуемой системы зажигания. Именно такого типа датчики применяются в мотортестерах для работы с вторичными цепями систем зажигания.

Конструкция ёмкостных датчиков фирмы BOSCH.

Наблюдая за диагностикой электрооборудования на СТО, многие хотят знать, что показывает та или иная картинка на экране мотортестера.

Продолжаем знакомить с методами диагностики автомобиля любительскими и профессиональными измерительными приборами (см. ЗР, 1998, № 10). Как по величине высокого напряжения судить о работе зажигания, расскажут разработчики известных минских мотортестеров. Более 1000 приборов, созданных этим предприятием, успешно эксплуатируются на предприятиях автосервиса России, Белоруссии, Украины, стран Балтии.

В основе работы всех бензиновых двигателей лежат одни и те же физические процессы, поэтому многие внешние параметры очень схожи.

Чтобы не нарушать работу системы зажигания, врезаясь в нее при измерении высокого напряжения, в мотортестерах применяют специальный накладной датчик емкостного типа. Его можно представить как вторую обкладку конденсатора, первой обкладкой которого служит центральная жила высоковольтного провода, а диэлектриком между пластинами выступает изоляция этого же провода. Образованная таким образом емкость достаточна, чтобы зафиксировать величину напряжения, которое пропорционально высокому. Эта картина представлена на рис. 1, где столбики изображают величину напряжения в высоковольтной цепи каждого из четырех цилиндров. Здесь оно одинаково на всех свечах.

Напомним суть процессов в системе зажигания. Воспламеняет смесь в двигателе искра, которая возникает между электродами свечи. При оптимальном зазоре между ними (0,6–0,8 мм) и нормальном составе топливно-воздушной смеси в цилиндре искровой разряд начинается, когда разность потенциалов между электродами достигает около десяти киловольт (рис. 2, желтая зона). Искра пробивает пространство между электродами, среда между ними ионизируется, а затем смесь воспламеняется.

Электрическое сопротивление среды и напряжение между электродами в последний момент резко падает до 1–2 кВ (рис. 2, красная зона). Через некоторое время (0,7–1,5 миллисекунды) по окончании процесса горения смеси становится все меньше ионизированных частиц вблизи электродов, поэтому сопротивление среды возрастает и напряжение между электродами растет до 3–5 кВ (рис. 2, синяя зона). Этого для пробоя недостаточно, и высокое напряжение, колеблясь в соответствии с затухающими переходными процессами в катушке зажигания, опускается к нулю – до следующего импульса (рис. 2, зеленая зона).

Когда зазор между электродами свечи меньше, то и пробой происходит при меньшем напряжении. Это не самый лучший вариант. Энергия искры меньше, хуже условия для поджига смеси, а в конечном итоге снижаются мощностные и экономические характеристики двигателя.

Если же в свече зазор больше нормы, то пробой происходит, наоборот, при более высоком напряжении. В энергетическом отношении это вроде бы неплохо, но при этом растет вероятность пробоя диэлектрических деталей (крышки распределителя, ”бегунка”, изолятора свечи и т. д.) и утечек тока. Это может в самый неподходящий момент привести к перебоям в работе двигателя, невозможности его пустить, особенно во влажную погоду и т. п.

Если при нормальном зазоре в свечах напряжение ниже нормы (всего 4–6 кВ), то, возможно, переобогащена смесь, поступающая в цилиндры. Ведь чем она богаче, тем лучше проводит ток, – и, следовательно, при меньшем напряжении будет происходить пробой между электродами. Значит, надо заняться карбюратором или системой впрыска.

Если же, наоборот, высокое напряжение выше нормы (например, 13–15 кВ) – смесь слишком бедная. Двигатель может останавливаться на холостых оборотах, не развивать полной мощности и т. д. Другие причины кроме смеси: обрыв или отсутствие полного контакта в центральном проводе высокого напряжения, трещина в крышке распределителя, пробой ”бегунка”.

Если высокое напряжение больше нормы в одном из цилиндров, то в число возможных причин можно включить и подсос воздуха в этот цилиндр.

Для полной диагностики системы зажигания важны еще два параметра – напряжение и длительность искры. В идеальном случае напряжение составляет около 10 кВ, а длительность – 0,7–1,5 миллисекунды. Эти два параметра тесно связаны между собой, так как определяют энергию искры. Поскольку энергия, накапливаемая катушкой, – величина постоянная, то чем больше напряжение искры, тем меньше становится ее длительность, и наоборот. Чтобы детально проанализировать эти параметры, увеличивают масштаб на экране мотортестера.

Если напряжения пробоя и искры значительно выше, а длительность больше 1,5 мс (осциллограмма выглядит, как на рис. 3, а), причину можно найти, последовательно проверяя свечи, ”бегунок”, крышку распределителя и катушку зажигания.

Если на экране мы видим, что участок горения вообще отсутствует (рис. 3, б), амплитуда напряжения пробоя выше нормы и идет высоковольтный колебательный процесс (как зеркало повторяющий колебания в первичной обмотке катушки зажигания) – значит, оборван провод, идущий к свече этого цилиндра.

Если процесс горения наблюдается, но напряжение пробоя и искры раза в два выше нормы, а на осциллограмме виден колебательный процесс на всем участке горения, значит, надо искать трещину в корпусе свечи.

Если же, наоборот, эти напряжения значительно ниже нормы, длительность искры больше 2,5–3 мс, скорее всего пробивает на ”массу” (закорочен) высоковольтный провод (рис. 3, в).

Конечно, мы расшифровали только самые основные, наиболее часто встречающиеся варианты показаний и осциллограммы высоких напряжений. Другие, более сложные описаны в руководствах по эксплуатации мотортестеров.

Рис. 1. Нормальные величины напряжения на свечах четырехцилиндрового двигателя.

Рис. 2. Осциллограмма напряжения в свечных проводах.

Рис. 3. Участки ”ненормальной” осциллограммы: а – напряжение пробоя и длительность искры слишком велики; б – напряжение пробоя слишком велико и отсутствует участок горения; в – напряжения пробоя и искры ниже, а длительность искры выше нормы.

В системе зажигания не используется традиционный распределитель. В ней применяются две двухвыводные катушки зажигания, установленные на крышке головки блока цилиндров. Управление током в первичных обмотках катушек зажигания осуществляет контроллер, получающий информацию от датчиков и использующий два мощных транзисторных вентиля.

В системе зажигания нет подвижных деталей, поэтому она не требует обслуживания и не нуждается в регулировках.

В системе зажигания применяется метод распределения искры, называемый методом холостой искры. Цилиндры двигателя объединены в пары 1–4 и 2–3, искрообразование происходит одновременно в двух цилиндрах: в цилиндре, в котором заканчивается такт сжатия (рабочая искра), и в цилиндре, в котором происходит такт выпуска (холостая искра).

В связи с постоянным направлением тока в обмотках катушек зажигания ток искрообразования у одной свечи всегда протекает с центрального электрода на боковой, а у второй — с бокового электрода на центральный.

В системе зажигания применяют свечи типа А17ДВР или их зарубежные аналоги.

Управляет зажиганием в системе контроллер. Датчик положения коленчатого вала подает в контроллер опорный сигнал, на основе которого контроллер рассчитывает последовательность срабатывания катушек в модуле зажигания. Для точного управления зажиганием контроллер использует следующую информацию:

– частота вращения коленчатого вала;

– нагрузка двигателя (массовый расход воздуха);

– температура охлаждающей жидкости;

– положение коленчатого вала;

– наличие детонации.