В различных технических текстах можно встретить термин «коммутатор». Что это такое? В самом общем смысле - это устройство для переключения электрических цепей (сигналов), которое может быть электронным, электронно-лучевым или электромеханическим.
В узком смысле так обычно называют коммутатор зажигания, которым оснащаются любые транспортные средства с бензиновыми двигателями. Этой разновидности коммутаторов, в основном автомобильных, и посвящена данная статья.
Предыстория систем зажигания
Как известно, в каждом цикле работы бензинового двигателя внутреннего сгорания существует этап приготовления топливно-воздушной горючей смеси и этап ее сгорания. Но чтобы смесь сгорела, ее нужно чем-то поджечь.
Первым решением, применявшимся в самых ранних автомобильных ДВС, было зажигание смеси от калильной трубки, вставленной в цилиндр и разогреваемой предварительно перед запуском двигателя. При его работе температура этой трубки постоянно поддерживалась за счет сгорающей в каждом цикле работы смеси.
Интересно, что система искрового зажигания от магнето применялась параллельно с калильным зажиганием автодвигателей, но поначалу только для промышленных газовых ДВС. Этот принцип был быстро перенят и автопроизводителями, а после изобретения Р. Бошем в 1902 году привычной свечи зажигания искровая система стала общепринятой.
Принцип искрового зажигания
В настоящее время наиболее распространена батарейная система зажигания, содержащая источник тока в виде автомобильного аккумулятора при пуске и автомобильного генератора при работающем двигателе, катушку зажигания, представляющую собой трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой, к которой присоединена искрообразующая свеча зажигания, а также распределитель (коммутатор) зажигания. Работа коммутатора заключается в периодическом прерывании цепи тока первичной обмотки катушки зажигания. При каждом таком прерывании тока его магнитное поле, существующее в точках пространства, занятых проводами вторичной обмотки катушки зажигания, очень быстро уменьшается. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции в тех же точках пространства возникает весьма большое вихревое электрическое поле, напряженность которого создает высокую (до 25 кВ) ЭДС во вторичной обмотке катушки зажигания, разорванной электродами свечи. Напряжение между ними быстро достигает величины, достаточной для пробоя воздушного промежутка, и тогда проскакивает электрическая искра, поджигающая топливно-воздушную смесь.
Что коммутируется в системе зажигания?
Итак, автомобильный коммутатор. Что это такое и зачем он нужен? Коротко говоря, это устройство, задачей которого является разрыв цепи тока в первичной обмотке катушки зажигания в наиболее выгодный для этого момент.
В четырехтактном ДВС этот момент наступает в конце такта сжатия (2-го такта работы ДВС), незадолго до достижения поршнем так называемой верхней мертвой точки (ВМТ), в которой расстояние от любой точки поршня до оси вращения коленвала ДВС является максимальным. Поскольку коленвал совершает круговое вращательное движение, то момент прерывания тока привязывают к некоторому его положению перед достижением им и поршнем положения ВМТ. Угол между этим положением коленвала и вертикальной плоскостью называют углом опережения зажигания. Он варьируется в диапазоне от 1 до 30 градусов.
Учитывая историю, на вопрос: «Автомобильный коммутатор: что это такое?» - следует отвечать, что это сначала механический, а позже, по мере развития техники, электронный прерыватель тока в катушке зажигания.
Механический предшественник коммутатора зажигания
Собственно, коммутатором это устройство стали называть лишь в последние годы, после того как оно стало полностью электронным. А прежде, начиная с 1910 года, когда на автомобилях «кадиллак» впервые появилась автоматическая система зажигания, его функцию наряду с другими задачами выполнял прерыватель-распределитель (трамблер). Такая двойственность наименования возникла из-за двоякой функции его в системе зажигания. С одной стороны, ток в первичной обмотке катушки зажигания нужно прерывать – отсюда возникает «прерыватель». С другой стороны, напряжение высоковольтной обмотки катушки зажигания нужно поочередно распределять по свечам всех цилиндров, причем с нужным углом опережения. Отсюда вторая половина названия – «распределитель».
Как работали трамблеры?
Прерыватель-распределитель имеет приводимый во вращение от коленвала внутренний вал, на котором закреплен диэлектрический ротор-бегунок с вращающейся токоразносной пластиной на его торце. По пластине скользит подпружиненная угольная щетка, соединенная с высоковольтным центральным контактом в крышке распределителя, который, в свою очередь, соединен с вторичной обмоткой катушки зажигания. Токоразносная пластина периодически приближается к расположенным в крышке трамблера контактам высоковольтных проводов, идущих к свечам цилиндров. В этот момент во вторичной обмотке катушки возникает высокое напряжение, которое пробивает два воздушных промежутка: между токоразностной пластиной и контактом провода к данной свече и между электродами свечи.
На том же валу установлены кулачки, число которых равно числу цилиндров, а выступы каждого кулачка размыкают одновременно с подключением конкретной свечи контакты прерывателя тока, включенные в цепь первичной обмотки катушки зажигания.
Чтобы между контактами прерывателя не возникало искры при размыкании, параллельно им подключен конденсатор большой емкости. При размыкании контактов прерывателя ЭДС индукции в первичной обмотке вызывает ток заряда конденсатора, но вследствие его большой емкости напряжение на нем, а следовательно и между разомкнутыми контактами, не достигает величины пробоя воздуха.
А как же с углом опережения?
Как известно, при уменьшении частоты вращения коленвала смесь в цилиндрах нужно поджигать в такте ее сжатия попозже, прямо перед самой ВМТ, т.е. угол опережения зажигания следует уменьшать. Наоборот, при увеличении частоты вращения смесь в такте сжатия нужно поджигать пораньше, т.е. угол опережения увеличивать. В трамблерах эту функцию выполнял центробежный регулятор, механически связанный с кулачками прерывателя тока. Он поворачивал их на валу распределителя таким образом, чтобы они пораньше или попозже в такте сжатия смеси размыкали контакты прерывателя.
Изменять угол опережения необходимо и при неизменной частоте, когда меняется нагрузка на двигатель. Эту работу выполняло специальное устройство – вакуумный регулятор зажигания.
Появление первых коммутаторов
К концу 70-х годов прошлого века стало ясно, что самым слабым узлом трамблера являются контакты прерывателя, через которые протекал полный ток первичной обмотки. Они постоянно подгорали и выходили из строя. Поэтому первым решением стала специальная электронная схема коммутатора для прерывания тока в катушке. В ее входную слаботочную цепь включались провода от выводов традиционного контактного прерывателя трамблера. Однако теперь его контакты прерывали не полный ток катушки зажигания, а небольшой ток во входной цепи коммутатора.
Собственно же электронный коммутатор был конструктивно выполнен в отдельном блоке и подключался (по желанию водителя) к классическому трамблеру. Такая система зажигания получила название контактной электронной. Она была весьма популярной в 80-е годы прошлого века. И в наше время еще можно встретить оснащенные ею автомобили.
Схема коммутатора контактной электронной системы собиралась на транзисторах.
Следующий шаг – отказ от контактного прерывателя
Контактный прерыватель тока даже в слаботочном варианте, применяемом в контактной электронной системе зажигания, оставался весьма ненадежным узлом. Поэтому автомобилестроители предпринимали немалые усилия для его исключения. Эти усилия увенчались успехом после создания бесконтактного датчика-распределителя на основе датчика Холла.
Теперь вместо нескольких кулачков на валу распределителя стали устанавливать цилиндрический полый экран с прорезями и шторками между ними, причем число шторок и прорезей равно числу цилиндров двигателя. Шторки и прорези экрана движутся в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом, мимо миниатюрного датчика Холла. Пока мимо него движется шторка экрана, выходное напряжение датчика Холла отсутствует. Когда же шторка сменяется прорезью, с датчика Холла электронной схемой снимается фронт импульса напряжения, свидетельствующий о необходимости прервать ток в первичной обмотке катушки зажигания. Этот импульс напряжения передается по проводам в блок коммутатора тока в катушке зажигания, где он предварительно усиливается и далее используется для управления основным силовым коммутирующим каскадом.
Другим вариантом бесконтактного датчика-распределителя является узел с оптическим датчиком, у которого вместо датчика Холла используется фототранзистор, а вместо постоянного магнита – светодиод. Оптический датчик имеет такой же вращающийся экран с прорезями и шторками.
Появление коммутатора как такового
Итак, в бесконтактной системе зажигания вместо одного контактного трамблера появились два отдельных узла: бесконтактный (но только по низкому напряжению) датчик-распределитель и электронный коммутатор. Функцию же распределения высоковольтного напряжения по свечам зажигания в датчике-распределителе по-прежнему выполняет механический ротор-бегунок с токоразносной пластиной.
А как же с регулированием угла зажигания? Эти задачи по-прежнему выполняют центробежный и вакуумный регуляторы в составе датчика-распределителя. Первый из них теперь поворачивает на валу не кулачки, а сдвигает шторки экрана, изменяя тем самым угол зажигания. Вакуумный же регулятор имеет возможность сдвигать датчик Холла с его опорной пластиной, также регулируя данный угол.
Учитывая вышеизложенное, на вопрос: «Современный автомобильный коммутатор: что это такое?» – следует давать ответ, что это конструктивно обособленный электронный блок бесконтактной системы зажигания.
Отказ от распределения высокого напряжения
Дольше всего в коммутаторе сохранялся механический распределитель высоковольтного напряжения по свечам цилиндров. Самое интересное, что этот узел был достаточно надежен и не вызывал больших нареканий. Однако время не стоит на месте, и в начале нашего столетия схема подключения коммутатора претерпела очередные крупные изменения.
В современных автомобилях вообще отсутствует распределение высоковольтного напряжения от одной катушки по разным свечам. Наоборот, в них «размножились» сами катушки и стали принадлежностью свечи каждого цилиндра. Теперь вместо контактной коммутации свечей по высокому напряжению выполняется бесконтактная коммутация их катушек по низкому напряжению. Конечно, это усложняет схему коммутатора, но и возможности современной схемотехники гораздо шире.
В современных автомобилях с инжекторными двигателями управление коммутатором осуществляет либо автономный блок управления двигателем, либо бортовой компьютер автомобиля. Эти устройства управления анализируют не только скорость вращения коленвала, но множество других параметров, характеризующих топливо и охлаждающую жидкость, температуру различных узлов и окружающей среды. На основании их анализа в режиме реального времени меняются и настройки угла опережения зажигания.
Неисправности коммутатора
Наиболее часто встречающейся неисправностью механического трамблера является подгорание его контактов: как подвижных, так и высоковольтных контактов свечей. Чтобы этого не случилось (по крайней мере, не слишком быстро), нужно регулярно осматривать их, и если на них образовался нагар, то его следует снять надфилем или мелкой шкуркой.
Если вышел из строя конденсатор, включенный параллельно контактам прерывателя, или резистор в цепи центрального высоковольтного электрода, то их можно заменить.
Неисправности коммутатора электронного, вызванные выходом из строя усилителя импульсов датчика Холла или коммутатора тока катушки, обычно не подлежат устранению, так как такой коммутатор является неразборным. В этом случае, как правило, неисправный блок просто заменяется новым.
Как проверить коммутатор?
Если обороты двигателя на холостом ходу «плавают», или он глохнет на ходу, или вообще не запускается, то следует проверить наличие искры на подключенных к распределителю зажигания с датчиком Холла свечах. Для этого нужно выкрутить их, надеть наконечники бронепроводов, положить свечи на «массу» и «крутануть» коленвал стартером. Если искры нет или она слабая, нужно переходить к коммутатору.
Но как проверить коммутатор? Следует включить зажигание и оценить, как отклоняется стрелка вольтметра. Если коммутатор исправен, то она должна отклоняться в два этапа. Сначала стрелка занимает некоторое промежуточное положение, в котором остается 2-3 секунды, а затем переходит в конечное (штатное) положение. Если стрелка сразу занимает конечное положение, то можно пробовать заменять коммутатор.
Подключение коммутатора
Как подключить коммутатор к бесконтактной системе зажигания? Следует помнить, что его клеммная колодка подключается двумя проводами к клеммам «Б» и «К» катушки зажигания, трехпроводным жгутом с разъемом - к датчику Холла на датчике-распределителе и одним проводом - к «массе». С выводом «+» аккумулятора схема коммутатора соединяется на клемме «Б» катушки.
