Дело в бобине: как устроена и как работает катушка зажигания

Дело в бобине: как устроена и как работает катушка зажигания

Катушка зажигания – «потомственный немец». В 1851 году механик из Германии Генрих Румкорф (проживавший, правда, в Париже) изобрел катушку с прерывателем, вырабатывающую импульсы высокого напряжения, а в 1925 году компания Роберта Боша начала массово применять её как элемент батарейной системы зажигания бензинового автомобильного мотора. Давайте посмотрим, в каком виде катушка зажигания дошла до наших дней, и каковы особенности ее работы.

Маслонаполненная бобина

Б олее чем полвека эволюции карбюраторных бензиновых моторов с контактной системой зажигания катушка (или как ее часто называли шоферы прошлых лет – «бобина») практически не меняла конструкцию и облик, представляя собой высоковольтный трансформатор в металлическом герметичном стакане, заполненном трансформаторным маслом для улучшения изоляции между витками обмоток и охлаждения.

Неотъемлемым партнером катушки был трамблер – механический коммутатор низкого напряжения и распределитель высокого. Искра должна была появляться в соответствующих цилиндрах в конце такта сжатия топливовоздушной смеси – строго в определенный момент. Трамблер осуществлял и зарождение искры, и синхронизацию ее с тактами работы мотора, и распределение по свечам.

Классическая маслонаполненная катушка зажигания — «бобина» (что по-французски и означало «катушка») — была чрезвычайно надежна. От механических воздействий ее защищал стальной стакан корпуса, от перегрева – эффективный теплоотвод через заполняющее стакан масло. Однако согласно малоцензурному в оригинальном варианте стишку «Дело было не в бобине – идиот сидел в кабине…», получается, что надежная бобина таки порой подводила, даже если даже водитель не такой уж идиот…

Если посмотреть на схему контактной системы зажигания, то можно обнаружить, что заглушенный мотор мог останавливаться в любом положении коленвала, как с замкнутыми контактами прерывателя низкого напряжения в трамблере, так и с разомкнутыми. Если при предыдущем глушении мотор остановился в положении коленвала, в котором кулачок трамблера замыкал контакты прерывателя, подающего низкое напряжение на первичную обмотку катушки зажигания, то когда водитель по какой-то причине включал зажигание, не запуская мотор, и оставлял ключ в таком положении надолго, первичная обмотка катушки могла перегреться и сгореть… Ибо через нее начинал проходить постоянный ток в 8-10 ампер вместо прерывистого импульсного.

Официально катушка классического маслонаполненного типа неремонтопригодна: после сгорания обмотки она отправлялась в утиль. Однако когда-то давно на автобазах электрики умудрялись ремонтировать бобины – развальцовывали корпус, сливали масло, перематывали обмотки и собирали заново… Да, были времена!

И лишь после массового внедрения бесконтактного зажигания, при котором контакты трамблера сменились на электронные коммутаторы, проблема сгорания катушек почти исчезла. В большинстве коммутаторов было предусмотрено автоматическое отключение тока через катушку зажигания на включённом зажигании, но не запущенном двигателе. Иными словами, после включения зажигания начинался отсчет небольшого временного интервала, и если водитель за это время не заводил мотор, коммутатор автоматически выключался, защищая и катушку, и самого себя от перегрева.

Сухие катушки

Следующим этапом развития классической катушки зажигания стал отказ от маслонаполненного корпуса. «Мокрые» катушки сменились на «сухие». Конструктивно это была практически та же самая катушка, но без металлического корпуса и масла, покрытая сверху слоем эпоксидного компаунда для защиты от пыли и влаги. Работала она совместно с тем же самым трамблером, и часто в продаже можно было встретить и старые «мокрые» катушки, и новые «сухие» на одну и ту же модель авто. Они были полностью взаимозаменяемыми, соответствовали даже «уши» креплений.

Для рядового автовладельца в изменении технологии с «мокрой» на «сухую» не было, по сути, никаких преимуществ или недостатков. Если последняя, конечно, была изготовлена качественно. «Профит» получали только производители, поскольку изготовить «сухую» катушку несколько проще и дешевле. Однако если «сухие» катушки иностранных производителей автомобилей изначально продумывались и изготавливались достаточно тщательно и служили почти столько же, сколько и «мокрые», советские и российские «сухие» бобины снискали дурную славу, поскольку имели массу проблем с качеством и выходили из строя достаточно часто без каких-либо причин.

Так или иначе, сегодня «мокрые» катушки зажигания полностью уступили место «сухим», а качество последних даже отечественного производства практически не вызывает нареканий.

Были и катушки-гибриды: обычную «сухую» катушку и обычный коммутатор бесконтактного зажигания иногда объединяли в единый модуль. Такие конструкции встречались, к примеру, на моновпрысковых Фордах, Ауди и ряде других. С одной стороны, это выглядело в некоторой степени технологично, с другой – снижалась надежность и увеличивалась цена. Ведь два изрядно нагревающихся узла объединили в один, тогда как по отдельности они и охлаждались лучше, и при выходе из строя того или иного замена обходилась дешевле…

Ах да, еще в копилку специфических гибридов: на стареньких Тойотах нередко встречался вариант катушки, интегрированной прямо в распределитель трамблера! Интегрировалась она, конечно, не намертво, и при выходе из строя «бобину» можно было без труда снять и приобрести отдельно.

Модуль зажигания – отказ от трамблера

Заметная эволюция в катушечном мире произошла в период развития инжекторных моторов. Первые инжекторы имели в своем составе «частичный трамблер» – низковольтную цепь катушки уже коммутировал электронный блок управления двигателем, а вот искру по цилиндрам по-прежнему раздавал классический бегунковый распределитель, приводимый во вращение от распредвала. От этого механического узла стало возможным полностью отказаться, применив комбинированную катушку, в общем корпусе которой скрывались отдельные катушки в количестве, соответствующем числу цилиндров. Такие узлы стали называть «модулями зажигания».

Электронный блок управления двигателем (ЭБУ) содержал в себе 4 транзисторных ключа, которые поочередно подавали 12 вольт на первичные обмотки всех четырех катушек модуля зажигания, а те в свою очередь отправляли искровой импульс высокого напряжения каждая на свою свечу. Еще чаще встречаются упрощенные варианты комбинированных катушек, более технологичные и дешевые в производстве. В них в одном корпусе модуля зажигания четырёхцилиндрового мотора помещается не четыре катушки, а две, но работающие, тем не менее, на четыре свечи. В такой схеме искра на свечи подается попарно – то есть, на одну свечу из пары она приходит в нужный для воспламенения смеси момент, а на другую – вхолостую, в момент выпуска отработавших газов из этого цилиндра.

Следующим этапом развития комбинированных катушек стал перенос электронных коммутирующих ключей (транзисторов) из блока управления двигателем в корпус модуля зажигания. Вынос мощных и греющихся при работе транзисторов «на волю» улучшил температурный режим ЭБУ, а при выходе из строя какого-либо электронного ключа-коммутатора достаточно было заменить катушку, а не менять или паять сложный и дорогущий блок управления. В котором ещё часто прописаны индивидуальные для каждого авто пароли иммобилайзера и тому подобная информация.

Каждому цилиндру – по катушке!

Еще одно типичное для современных бензиновых автомобилей решение в сфере зажигания, существующее параллельно с модульными катушками, – это индивидуальные катушки для каждого цилиндра, которые устанавливаются в свечной колодец и контактируют со свечой непосредственно, без высоковольтного провода.

Первые «персональные катушки» были именно катушками, но потом в них переехала и коммутационная электроника – так же, как это произошло и с модулями зажигания. Из плюсов такого форм-фактора – отказ от высоковольтных проводов, а также возможность замены при выходе из строя только одной катушки, а не целого модуля.

Правда, стоит сказать, что в этом формате (катушки без высоковольтных проводов, монтируемые на свечу) существуют и катушки в виде единого блока, объединенные общим основанием. Такие, к примеру, любят использовать GM и PSA. Вот это воистину кошмарное техническое решение: катушки вроде бы отдельные, но при выходе из строя одной «бобины» приходится менять в сборе крупный и очень дорогой блок…

К чему мы пришли?

Классическая маслонаполненная бобина была одним из самых надежных и неубиваемых узлов в карбюраторном и ранних инжекторных автомобилях. Внезапный выход ее из строя считался редкостью. Правда, ее надежность, к сожалению, «компенсировал» неотъемлемый напарник – трамблер, а позже – и электронный коммутатор (последнее, правда, относилось только к отечественным изделиям). Пришедшие на смену «масляным» «сухие» катушки по надежности были сопоставимы, но все же несколько чаще выходили из строя без видимых причин.

Инжекторная эволюция заставила избавиться от трамблера. Так появились разнообразные конструкции, не нуждавшиеся в механическом высоковольтном распределителе – модули и отдельные катушки по числу цилиндров. Надежность таких конструкций еще более снизилась в связи с усложнением и миниатюризацией их “потрохов”, а также крайне тяжелыми условиями их работы. Через несколько лет работы с постоянным нагревом от двигателя, на котором катушки были смонтированы, на защитном слое компаунда образовывались трещины, через них влага и масло попадали на высоковольтную обмотку, вызывая пробои внутри обмоток и пропуски зажигания. У отдельных катушек, которые установлены в свечных колодцах, условия работы еще более адские. Также не любят нежные современные катушки мойку моторного отсека и увеличенный зазор в электродах свечей зажигания, образующийся в результате длительной работы последних. Искра всегда ищет наиболее короткий путь, и нередко находит его внутри обмотки бобины.

В итоге на сегодняшний день наиболее надежной и правильной конструкцией из существующих и применяемых можно назвать модуль зажигания со встроенной коммутирующей электроникой, установленный на двигателе с воздушным зазором и соединенный со свечами высоковольтными проводами. Менее надежны раздельные катушки, установленные в свечных колодцах головки блока, и совсем неудачно, с моей точки зрения, решение в виде объединенных катушек на единой рампе.

Типы катушек зажигания

Катушки зажигания обеспечивают искрообразование для всех свечей по очереди при помощи распределительных устройств. К коммутируемым устройствам относится катушка зажигания Б-116 и ее разновидности:

• Б-114;
• Б-115;
• Б-117.

Внешне, устройства похожи, но имеют разные сопротивления и индуктивность первичных и вторичных обмоток и предназначены для использования в различных системах зажигания. Например, Б-114 используется в контактных системах, а Б-116 с бесконтактными транзисторными распределителями. Обе катушки будут работать в непредназначенных для них схемах, но со сбоями и недолго.

Б-114 и Б-117 похожи по строению, но имеют разные обозначения клемм и намоточные данные. В некоторых случаях их взаимная замена может дать положительный результат, но настройка зажигания стандартным методом не подойдет. Придется действовать по наитию.

Катушка Б-114 имеет втрое больший коэффициент трансформации, чем у остальных. Поэтому Б-114 целесообразно использовать в мощных двигателях, работающих на низкооктановом топливе, например:

• ЗИЛ 130, 131;
• ГАЗ- 53, 66, 3102;
• ПАЗ;
• КаВЗ.

Сайт о внедорожниках УАЗ, ГАЗ, SUV, CUV, кроссоверах, вездеходах

Катушки зажигания систем зажигания автомобилей являются повышающим автотрансформатором напряжения и служат для преобразования прерывистого тока низкого напряжения (12 В) в ток высокого напряжения (11-25 кВ), для пробоя воздушного зазора между электродами свечи зажигания.

Катушки зажигания контактных, контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания автомобилей, типы, конструкция, устройство, принцип работы.

По конструкции магнитной цепи катушки зажигания разделяются на два типа:

— С разомкнутой магнитной цепью.
— С замкнутой магнитной цепью.

В катушках с разомкнутой магнитной цепью значительную часть пути магнитный поток проходит по воздуху, поэтому в воздушном пространстве сосредотачивается основная часть электромагнитной энергии. В катушках с замкнутой магнитной цепью основную часть пути магнитный поток проходит через стальной магнитопровод и только лишь незначительную часть пути — через воздушные зазоры величиной порядка нескольких десятых миллиметра каждый.

Общее устройство катушки зажигания.

Электромагнитная энергия запасается как в воздушных зазорах, так и в стали. В катушках с замкнутой магнитной цепью затраты меди меньше, чем в катушках с разомкнутой цепью. В отношении затрат стали имеет место обратное явление.

По выполнению обмоток катушки зажигания с разомкнутой магнитной цепью разделяются на два типа: с внутренней и наружной первичной обмоткой. Последние имеют ряд преимуществ:

— Лучшие условия охлаждения.
— Масса привода вторичной обмотки меньше, что удешевляет их изготовление.
— Меньше сопротивление вторичной обмотки.

Поэтому многие катушки зажигания выполняются с наружной первичной обмоткой. По типу изоляции катушки зажигания делятся на маслонаполненные и “сухие”. Трансформаторное масло нужно в катушке для изоляции проводов обмоток и теплоотвода. В “сухих” катушках зажигания роль изолятора выполняет компаунд.

Катушки зажигания контактных систем зажигания, устройство.

Типовая автомобильная катушка зажигания представляет собой электрический автотрансформатор с разомкнутой магнитной цепью. Сердечник катушки зажигания набран из пластин трансформаторной стали, толщиной 0,35 мм, изолированных друг от друга окалиной для снижения вихревых токов Фуко. На сердечник надета изолирующая трубка, на которую намотана вторичная обмотка.

Каждый слой этой обмотки изолирован конденсаторной бумагой, а последние слои намотаны с зазором между витками 2-3 мм, чтобы уменьшить опасность пробоя изоляции. Первичная обмотка намотана поверх вторичной обмотки, что облегчает отвод от нее тепла. Корпус катушки зажигания штампован из листовой стали. Внутри корпуса установлен наружный магнитоотвод из трансформаторной стали.

Фарфоровый изолятор (снизу) и карболитовая крышка (сверху) предотвращают возможность пробоя между сердечником и корпусом катушки. Крышка имеет четыре выходные клеммы: центральную — высоковольтную и три низковольтных — безымянную и клеммы “ВК” (включение) и “ВК-Б” (включение от батареи). Один конец вторичной обмотки выводится к клемме высокого напряжения через контактную пластину и пружину.

Высоковольтная клемма с помощью наконечника соединяется через высоковольтный провод с центральным электродом крышки распределителя. Другой конец вторичной обмотки и конец первичной обмотки соединены между собой (автотрансформаторная связь обмоток) и подведены к безымянной клемме на крышке. Эта клемма соединяется с клеммой “Р” распределителя. Другой конец первичной обмотки соединен с клеммой “ВК”.

Общее устройство катушки зажигания с четырьмя выводными клеммами.

Число витков обмоток катушки зажигания зависит от ее типа и находится в пределах 180-330 — для первичной и 18 000-22 000 — для вторичной. Соответственно, диаметр провода первичной обмотки 0,52-0,86 мм, а вторичной обмотки 0,07-0,09 мм. Коэффициент трансформации (Ктр) равен отношению числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки — W2/W1.

Пространство между обмотками и корпусом катушки зажигания заполнено изолирующим наполнителем — трансформаторным маслом. Герметичность карболитовой крышки в кожухе обеспечивается прокладкой.

К клеммам “ВК-Б” подсоединен добавочный резистор, установленный в керамическом изоляторе. Добавочный резистор может крепиться как на самой катушке, так и отдельно от нее. Сопротивление резистора в зависимости от типа катушки 1,0-1,9 Ом. При пуске двигателя катушка зажигания питается от аккумуляторной батареи, напряжение которой понижено (до 6-8 В) из-за потребления стартером большего тока, что приводит к снижению тока в первичной обмотке и развитию катушкой вторичного напряжения.

С учетом этого обстоятельства первичная обмотка катушки зажигания рассчитывается на напряжение 6-8 В, а остальное напряжение источника гасится в добавочном резисторе. Последний, при пуске двигателя закорачивается, и первичный ток возрастает, что обеспечивает достаточную величину вторичного напряжения для пробоя искрового промежутка свечи зажигания.

Общее устройство катушки зажигания с тремя выводными клеммами.

Дополнительное сопротивление является также вариатором, то есть в зависимости от нагрева изменяет сопротивление. При малых оборотах двигателя, ток, протекающий через первичную обмотку катушки зажигания, достигает большой величины, что нежелательно, т. к. начинают усиленно обгорать контакты прерывателя и возрастает возможное вторичное напряжение, которое при увеличении (например, с увеличением зазора между электродами свечи) может привести к пробою бегунка или в другом “слабом месте”.

С нагревом же, вариатор увеличивает сопротивление и уменьшает первичный ток. В некоторых системах зажигания (например автомобилей ВАЗ) добавочный резистор отсутствует, что обусловлено высокими характеристиками электропусковой системы. Благодаря чему напряжение аккумуляторной батареи при пуске снижается незначительно.

Характеристики и параметры катушек зажигания контактных, контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания автомобилей.

Особенности катушек зажигания Б117, Б117-А и Б115-В.

Особенностью катушек зажигания Б117 (А) и Б115-В, имеющих большое сопротивление первичной обмотки, является то, что, если случайно оставить включенным зажигание, катушка не выйдет из строя, а произойдет полный разряд аккумуляторной батареи.

Вместо катушки зажигания Б115-В, которую устанавливают на автомобили Москвич и ИЖ, можно применять катушку Б117-А без добавочного резистора. Причем эта замена не только возможна, но и желательна.

Катушки зажигания контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания.

Конструкция катушек зажигания для контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания аналогична конструкции катушки зажигания классической батарейной системы зажигания. Различие в основном состоит в намоточных данных. Катушки зажигания Б114 и Б118 — маслонаполненные.

Особенности устройства катушек зажигания Б114 и Б118 с тремя выводными клеммами.

Один конец вторичной обмотки соединен с высоковольтным выводом, а второй с корпусом катушки зажигания, на массу. При таком выводе вторичной обмотки исключается воздействие высокого напряжения на выходной (силовой) транзистор коммутатора. При установке на автомобиль корпус этих катушек зажигания должен быть хорошо соединен с массой.

Катушка зажигания Б118 применяется с коммутатором ТК-200, использование других катушек с этим коммутатором невозможно. Маслонаполненная катушка Б116 взаимозаменяема с “сухой” 31.3705. Однако Б116 обладает более высокой живучестью при перегревах и прочих неприятностях.

По материалам книги «Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей».
Ходасевич А. Г., Ходасевич Т. И.

Срок службы и неисправности катушек зажигания

Теоретически современные катушки зажигания имеют срок эксплуатации 60-80 тысяч километров пробега автомобиля. Однако реальные показатели во многом зависят от условий эксплуатации. Причин возникновения неисправностей может быть множество:

• Короткое замыкание на обмотках.
• Перегрев катушки.
• Износ в результате длительной эксплуатации или повышенной вибрации.
• Превышение времени зарядки. Чаще всего это происходит когда аккумулятор автомобиля не обеспечивает нужного уровня напряжения.
• Разгерметизация основных узлов двигателя и топливной системы.
• Повреждение корпуса.

В современных автомобилях бортовой компьютер сигнализирует о неисправности катушки включением на приборной панели индикатора Check Engine. Помимо этого, признаками нарушения работы являются:

• Отклонение сопротивления обмоток трансформатора от нормативной величины. Диагностируется при помощи тестера.
• Периодический или полный отказ одного или нескольких цилиндров двигателя, что снижает его мощность.
• Ухудшение работы ДВС при холодной (морозной) погоде или при высокой влажности воздуха.
• Отказ в работе двигателя при резком нажатии на педаль газа.
• Слабый разгон автомобиля.

Из-за особенностей конструкции ремонт катушек зажигания невозможен, и при обнаружении неполадок они просто меняются на новые. Проводить диагностику состояния и их замену лучше в сервисных центрах, поскольку от точности работы этого элемента системы зажигания зависит работа двигателя и автомобиля в целом.

Сначала нужно проверить блок управления двигателя на наличие кодов неисправностей. Это можно сделать с помощью диагностического сканера или адаптера ELM327 с программой Torque.

Код неисправности может указывать на то, в каком цилиндре или на какой катушке произошел сбой. Например, код P0301 означает, что пропуски зажигания в первом цилиндре. Код P0351 говорит о неисправности в цепи катушки зажигания «A» (цилиндр 1).

После считывания кодов неисправности необходимо проверить соответствующую катушку зажигания, следуя инструкции по обслуживанию.

Обычно проверка катушки включает в себя измерение сопротивления между конкретными клеммами. Если сопротивление не соответствует техническим характеристикам, катушку зажигания нужно заменить.

Иногда, чтобы определить неисправную катушку зажигания, можно попытаться заменить её на заведомо исправную с другого цилиндра, чтобы проверить, перемещаются ли пропуски зажигания вместе с катушкой или остаются в том же цилиндре.

Например, с кодом P0302 (пропуски в цилиндре 2) можно поменять местами катушки зажигания цилиндра 2 и цилиндра 3 и запустить двигатель на короткое время. Если код неисправности изменяется с P0302 на P0303 (пропуски зажигания в цилиндре 3), катушка зажигания, которая изначально находилась в цилиндре № 2, неисправна.

Катушки зажигания также рекомендуется заменять, если на них есть трещины, следы искрения или другие повреждения, которые могут вызывать замыкание.

Основная неисправность обрыв первичной или вторичной обмоток. Иногда от перегрева срабатывает аварийный клапан давления масла. После слива масла катушка выходит из строя. Некоторые катушки продолжают работать даже при обрыве вторичной обмотки, при этом при дросселировании наблюдаются пропуски искрообразования.

При длительной эксплуатации ам изоляционные свойства материалов, применяемых в катушках зажигания теряют свойства и случаются высоковольтные прогары, позволяющие «уходить» части заряда на массу. При осмотре катушки зажигания такую неисправность легко обнаружить по серому следу на поверхности изолятора катушки (похож на след от простого карандаша) или чернота прогара с частично обугленной поверхностью.

Необходимо осмотреть разъем высоковольтного (ВВ) провода, выходящего из катушки зажигания. В 70% случаев там окисленная поверхность или ржавчина. В таком случае обязательно проверьте центральный высоковольтный провод. Сопротивление его должно быть не более 20 кОм. Нередкая ситуация: высоковольтный провод прозванивается, сопротивление до 20 кОм, а осциллограмма горения на всех цилиндрах одинаково неправильная. При резком дросселировании осциллограмма горения ещё сильнее искажается, наблюдается хаотичное искрообразование и только замена центрального ВВ провода приносит положительный результат.