Коллектив авторов - История электротехники

Теоретические основы отечественного электрооборудования автомобилей и тракторов [8.24–8.29] создались трудами B.C. Кулебакина (1891–1970 гг.), Б.П. Апарова (1899–1953 гг.), А.Н. Ларионова (1890–1963 гг.), Ю.М. Галкина (1903–1984 гг.).

Низковольтная магнитоэлектрическая машина, названная впоследствии «магнето низкого напряжения», была впервые применена для зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в 1875 г. От магнето осуществлялось зажигание на отрыв — внутри цилиндра ДВС помещались два электрода, которые механическим путем раздвигались. В дальнейшем система была дополнена индукционной катушкой зажигания (бобиной), получавшей питание от магнето низкого напряжения, и зажигание стало осуществляться электрической искрой высокого напряжения. В первоначальных конструкциях магнето обмотка якоря совершала качательное движение в поле постоянного магнита, затем движение стало вращательным.

Распределение энергии зажигания по цилиндрам первоначально осуществлялось на стороне низкого напряжения. В частности, на первых моделях автомобиля «Форд» устанавливалось по числу цилиндров четыре катушки зажигания, четыре электромагнитных прерывателя и магнето низкого напряжения.

Однако после 1910 г. система с магнето низкого напряжения была вытеснена системой с магнето высокого напряжения. В то же время был осуществлен переход на распределение высокою напряжения по свечам.

Магнето высокого напряжения было изобретено в 1900 г. М. Будевиллем и усовершенствовано в 1901 г. Г. Хонольдом в фирме «Бош» (Германия).

Выпуск отечественных автомобильных магнето был освоен с использованием конструкции магнето фирмы «Сцентилла» (Чехословакия).

В своем окончательно сформированном виде магнето отечественных автомобилей представляло собой однофазную электрическую машину переменного тока с двух- или многополюсным ротором, несущим на себе постоянные магниты с полюсными наконечниками и вращающимся между выступами магнитопровода трансформатора высокого напряжения, ток в первичной обмотке которого коммутировался прерывательным механизмом. При разрыве тока во вторичной обмотке наводилось высокое напряжение (10–17 кВ), подводящееся через распределительный механизм к свечам. Регулировка момента искрообразования (опережения зажигания) производилась либо вручную, либо центробежным автоматом.

Совершенствование конструкции магнето шло в основном в направлении применения постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии.

Недостатком магнето является малое вторичное напряжение при низких частотах вращения и, в частности, при пуске. Поэтому батарейная система зажигания в 20–30-х годах нашего века стала вытеснять магнето сначала в США, потом в Европе.

На легковых автомобилях «Форд-А» и грузовых «Форд-АА», выпуск которых был начат в 1927–1928 гг., уже было установлено батарейное зажигание.

Зажигание от магнето применялось на первых отечественных грузовых автомобилях завода АМО (ЗИЛ) «АМО-Ф-15», выпуск которых начался в 1924 г.

Магнето дожило до наших дней в виде магдино — совокупности электрического генератора и магнето, которое устанавливается на мопеды, мотоциклы легкого класса и применяется в комплекте с вынесенным трансформатором высокого напряжения и полупроводниковым коммутатором.

В батарейном зажигании электрический ток, получаемый от аккумуляторной батареи, превращается в высокое напряжение индукционной катушкой (катушкой зажигания — бобиной). Основными элементами этой системы являются выключатель зажигания, прерыватель-распределитель и катушка зажигания. Число витков вторичной обмотки катушки зажигания в 50–250 раз больше, чем первичной. Поэтому при размыкании тока в первичной обмотке прерывателем исчезающий магнитный поток наводит во вторичной обмотке высокое напряжение, поступающее через бегущий контакт распределителя на свечи.

Первоначально регулировка момента зажигания осуществлялась вручную («Форд-А», «Форд-АА», Г A3-А, ГАЗ-АА и др.), затем появился центробежный регулятор опережения зажигания, изменяющий момент зажигания по скорости (Ml, ЗИС-5, ЗИС-101), а затем и вакуумный регулятор, осуществляющий регулировку по нагрузке (М20 «Победа», ГАЗ-51, ЗИС-150). В окончательном виде прерыватель-распределитель современных автомобилей содержит оба этих регулятора.

Катушка зажигания классической батарейной системы зажигания имеет разомкнутый магнитопровод, т.е. обмотки располагаются на стержневом сердечнике, набранном из листов электротехнической стали.

С изобретением в 1948 г. транзистора, появилась возможность устранить существенный недостаток контактной батарейной системы зажигания — повышенный износ контактов прерывателя. Первоначально возникли контактно-транзисторные системы («Дженерал моторс» — 1962 г., отечественные — 1966 г.), где ток в катушке зажигания коммутировался транзистором, базовая цепь которого управлялась контактами прерывателя. Применение контактно-транзисторной системы позволило увеличить запас энергии в катушке, что благотворно сказалось на зажигании.

С появлением контактно-транзисторного зажигания на автомобилях возникло новое изделие — электронный коммутатор, включающий в себя силовой коммутирующий транзистор, схему его управления и защиты.

Благодаря простоте и дешевизне контактно-транзисторная система более четверти века обеспечивала нормальное зажигание восьмицилиндровых бензиновых двигателей грузовых автомобилей ЗИЛ и ГАЗ.

Однако развитие электроники позволило перейти на бесконтактные электронные системы зажигания (США — 1964 г., СССР — 1973 г.).

В таких системах механический контактный прерыватель заменен датчиком, управляющим электронным коммутатором, — магнитоэлектрическим («Искра») или датчиком Холль («Бош», зажигание ВАЗ-2108).

Применение электронной системы зажигания с регулируемым временем накопления энергии, впервые установленной на автомобилях ВАЗ-2108, позволило избежать снижения вторичного напряжения с ростом частоты вращения ДВС.

Развитие электронной промышленности привело к появлению после 1967 г. на автомобилях интегральных микросхем. В 1973 г. фирма «Дженерал электрик» использовала в системе зажигания интегральную схему на монокристалле кремния.

Электронные системы позволили увеличить энергию воспламенения на свечах, но их развитие обеспечило и решение глобальных задач, связанных с экономией топлива и снижением токсичности отработанных газов. При этом был осуществлен переход на электронное управление углом опережения зажигания.

Аналоговая система управления углом опережения зажигания была установлена на автомобиле «Крайслер» в 1975 г. Однако аналоговые системы не нашли широкого распространения. В 1976 г. фирма «Дженерал моторc» применила цифровую систему управления углом опережения зажигания МИСАР. Центральным узлом системы являлся микропроцессор. Микропроцессор по заданной программе управлял блоком высокого напряжения, содержащим электронный коммутатор, катушку зажигания и переключатель, выполняющий функции распределителя. На отечественных автомобилях микропроцессорные системы появились в конце 80-х годов.