Неисправности катушки зажигания: основные симптомы

Неисправности катушки зажигания: основные симптомы

Большинство современных автомобилей работают с двигателями внутреннего сгорания. За воспламенение топлива в них отвечает система зажигания, основной элемент которой — катушка зажигания (КЗ). Данная деталь предназначена для генерации высоковольтного импульса, который при прохождении между электродами автомобильных свечей образует искру.

Любая неисправность катушки зажигания чревата отказом авто. Знание признаков неадекватной работы КЗ и умение тестировать ее исправность поможет избежать неприятностей в дороге.

Как это работает

Катушка зажигания работает как обратный трансформатор. Ее функционал – преобразовать низкое напряжение, поступающее от аккумуляторной батареи или генератора, в высокое.

Конструктивно устройство состоит из двух катушек и железного сердечника. Катушка представляет собой обмотку из медной проволоки. Обе катушки вложены друг в друга, внутри находится железное ядро. Одна катушка называется первичной, она имеет относительно мало витков. При включении зажигания напряжение составляет 12 вольт, что соответствует напряжению бортовой сети автомобиля. Ток проходит через катушку, образуется магнитное поле. Для запуска искры происходит следующее: ток резко отключается, что вызывает разрушение магнитного поля. Это вызывает напряжение во второй, или вторичной бобине. Она имеет значительно большее количество витков, чем первичная, и напряжение колеблется от 15000 до 30000 вольт.

За включение и выключение первичного тока первоначально отвечал механический контакт, контакт прерывания. Его настройка была сложной, необходимо было найти оптимальное расстояние до контакта, чтобы время создания магнитного поля – и значит, время зажигания – не было слишком коротким. К тому же срок службы такого контакта был сравнительно небольшим – не более 15 000 километров.

Начиная с середины 1970-х годов, производители начали использовать электронику. В середине 1980-х инженеры связали воспламенитель с системой впрыска и контролировали процесс через «цифру». Однако микроэлектроника работает только с небольшими потоками, а катушка зажигания нуждается в 5 амперах. Так появился новый компонент: усилитель мощности. Он функционирует примерно так же, как усилитель в стереосистеме.

Через несколько лет стал лишним распределитель зажигания, и каждая свеча получила свою собственную катушку зажигания. В этом был ряд преимуществ. Напряжение зажигания генерируется там, где необходимо, отсутствует высоковольтный кабель. Кроме того, увеличилось время зарядки и, несмотря на меньший размер, искра получалась более сильной. Такие одиночные катушки зажигания обычно также включают усилитель мощности. Для двигателей с тремя или четырьмя цилиндрами они часто объединяются в один корпус, в противном случае они устанавливаются отдельно над свечой зажигания.

Виды катушек зажигания

Основными параметрами катушек зажигания являются следующие характеристики:

• Индуктивность первичной обмотки – способность накапливать энергию.
• Коэффициент трансформации – во сколько раз увеличивается напряжение, подаваемое от аккумулятора.
• Сопротивление обмоток. Для каждой модели есть свой диапазон, так для обмотки низкого напряжения сопротивление может быть 3-3,5 Ом, а для обмотки высокого – 5000-9000 Ом.
• Энергия образующейся искры.
• Напряжение пробоя – величина высокого напряжения катушки, при котором на электродах свечи происходит пробой воздушного зазора и формируется искра.

Наибольшее распространение получили три вида конструкций катушек зажигания: общая, индивидуальная и двухвыводная.

Классическая конструкция катушки зажигания

Самые простые катушки имеют две медные обмотки до 150 витков в первичной и до 30000 во вторичной. Обе обмотки изолированы, что предотвращает возникновение короткого замыкания.

Корпус представляет собой стакан с крышкой, на которую выведены контакты первичной обмотки. Вторичная обмотка расположена внутри первичной и соединена одним концом с обмоткой низкого напряжения.

Второй конец также выведен на крышку бобины и предназначен для подключения цепи, соединяющей трансформатор со свечой. Внутри обмоток находится железный сердечник, увеличивающий силу формирующегося внутри магнитного поля.

Такие конструкции на сегодняшний день практически не применяются в автомобилестроении. Однако их еще можно встретить при ремонте старых авто и других транспортных средств.

Конструктивные отличия индивидуальных катушек

Этот тип используется преимущественно в электронных системах. Принцип работы индивидуальной катушки зажигания аналогичен классической. Конструктивно она также имеет обмотки высокого и низкого напряжения, но в отличие от классической схемы, первичная находится внутри вторичной. Также, вместо одного сердечника, их два – внешний и внутренний.

Индивидуальные катушки зажигания. Компактная (слева) и стержневая (справа)

Первый находится внутри первичной обмотки, а второй – вокруг вторичной. Обмотка высокого напряжения индивидуальных катушек зажигания оснащается специальным диодом. Он отсекает токи высоких напряжений.

Индивидуальные катушки разделяют на два типа, которые отличаются конструкцией сердечника: компактные и стержневые. Последние могут объединяться в модули по четыре штуки. За один цикл индивидуальная катушка формирует одну искру, что обуславливает необходимость синхронизации всех катушек относительно распредвала двигателя.

Двухвыводные катушки зажигания

Конструкция сдвоенной (двухвыводной) катушки зажигания аналогична классической схеме, но единственным отличием является наличие двух выводов от обмотки высокого напряжения. Такая конструкция позволяет формировать искру одновременно на двух свечах (на два цилиндра двигателя). В первом из них зажигание происходит в конце такта сжатия топливовоздушной смеси, а во втором – на этапе выпуска отработавших газов (вхолостую).

Двухвыводная катушка зажигания

Такие конструкции используются в двигателях с четным числом цилиндров. Они позволяют упростить систему зажигания, а также исключить из схемы распределитель. Подключаются сдвоенные трансформаторы двумя способами:

• оба контакта соединяются со свечами высоковольтной проводкой;
• один контакт соединен наконечником (напрямую со свечой), а второй – высоковольтной проводкой.

Для четырехцилиндровых двигателей могут применяться четырехвыводные катушки, которые фактически являются системой из пары двухвыводных.

Сухие и маслозаполненные катушки

В классической конструкции катушки системы зажигания внутреннее пространство заполнено трансформаторным маслом. Это необходимо для того, чтобы под действием тока ее обмотки не перегревались. Сам корпус такой бобины изготавливается из металла, что не всегда рационально.

Поэтому в большинстве современных автомобилей используется альтернативная конструкция – «сухой» трансформатор. Она не имеет корпуса, а покрыта слоем эпоксидного компаунда, который служит одновременно и корпусом, защищающим от загрязнений и влаги, и системой охлаждения.

Помимо этого, в ряде импортных автомобилей используются комбинированные модели, объединяющие контактный коммутатор и сухую катушку или же предполагающие интеграцию катушки в распределитель.

Электронная система зажигания инжекторного двигателя

Устройство электронной системы зажигания

В электронной системе зажигания инжектора используется принцип статического распределения высокого напряжения, то есть в системе отсутствуют подвижные детали. На инжекторных авто высокое напряжение с катушки зажигания подается в два цилиндра, поршни которых в данный момент движутся к верхней мертвой точке. В одном из цилиндров происходит такт сжатия смеси, во втором — такт выпуска.

Такой принцип распределения высокого напряжения называется «методом холостой искры». На современных инжекторных двигателях устанавливают индивидуальные катушки зажигания на каждый из цилиндров.

Управление углом опережения зажигания

Состав системы зажигания инжекторного двигателя

Модуль зажигания

Катушка зажигания служит для накопления энергии, достаточной для воспламенения топливовоздушной смеси, в ее вторичной цепи формируется высокое напряжение, которое далее подается на свечи зажигания. Катушка зажигания состоит из двух индуктивно связанных обмоток (первичной и вторичной).

Коммутатор служит для включения и выключения тока в первичной обмотке катушки зажигания. Контроллер рассчитывает необходимое время включенного состояния в зависимости от текущих оборотов коленвала и напряжения бортсети и подает на коммутатор управляющий сигнал. В течение времени включенного состояния (времени накопления) ток в первичной обмотке катушки зажигания возрастает до заданного оптимального значения, при котором величина запасаемой энергии достигает максимума. Если время накопления слишком велико, то катушка зажигания будет работать с насыщением, что приведет к ее перегреву и снижению КПД.

Высоковольтные провода зажигания

С помощью высоковольтных проводов высокое напряжение с катушки зажигания подается на свечи зажигания. Высоковольтный провод представляет собой токопроводящую жилу в силиконовой изоляции, на концах которой и находятся высоковольтные контактные наконечники. Высоковольтный провод обладает сопротивлением 6—15 кОм. Это делается специально для снижения уровня электромагнитных помех, которые возникают в момент искрообразования.

Свечи зажигания

Свеча зажигания: 1 — контакт; 2 — изолятор; 3 — корпус; 4 — электропроводное стекло; 5 — уплотнение; 6 — центральный электрод; 7 — боковой электрод

Свечи зажигания служат для воспламенения топливовоздушной смеси. При увеличении напряжения вторичной цепи до величины пробоя искровой промежуток между центральным и боковым электродами свечи зажигания становится токопроводящим, запасенная энергия катушки зажигания преобразуется в искру, воспламеняющую топливовоздушную смесь.

Величина напряжения пробоя искрового промежутка зависит от зазора между электродами, от геометрии электродов, от давления в камере сгорания и от коэффициента избытка воздуха смеси в момент воспламенения. С ростом давления в камере сгорания напряжение пробоя увеличивается.

Длина искрового промежутка влияет на качество сгорания топливовоздушной смеси. Чем больше искровой промежуток, тем увереннее происходит ее воспламенение. Но максимальное значение межэлектродного расстояния ограничивается максимально допустимым значением вторичного напряжения катушки зажигания, скоростью нарастания вторичного напряжения, которое, в свою очередь, определяется конструктивными особенностями катушки зажигания, высоковольтных проводов и свечей зажигания.

Датчик положения коленвала (ДПКВ)

Чтобы обеспечить оптимальное управление двигателем, контроллер системы управления должен всегда знать точное положение поршней в цилиндрах двигателя относительно ВМТ. Для этой цели шкив привода генератора дополнили зубчатым венцом. Расчетное количество зубьев на венце 60, при этом два из них отсутствуют. Угловое расстояние между зубьями составляет 6°.

В паре с зубчатым шкивом работает ДПКВ. Воздушный зазор между ДПКВ и зубчатым венцом составляет 0,7—1,1 мм.

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.

Двухвыводная катушка

Существует еще два типа катушек – двухвыводные и индивидуальные. Двухвыводные катушки применяются в электронной системе зажигания с прямой подачей искры на свечу.

Двухвыводная катушка. Очень часто применяется на мотоциклах с электронной системой зажигания. Особенностью является наличие двух высоковольтных выводов. Они могут синхронно получать искру от двух цилиндров.

Внутренняя конструкция ее практически не отличается от катушки общего типа. Но выводов для подачи импульса у такой катушки – два. То есть, при работе катушки импульс подается сразу на две свечи. Поскольку при работе силовой установки одновременно конец такта сжатия в двух цилиндрах не может быть, а только в одном цилиндре, то во втором искровой разряд, который проскочит между электродами свечи не будет нести никакой полезной функции – холостая искра. Но при дальнейшей работе мотора ситуация поменяется – во втором цилиндре будет конец такта сжатия и искра необходима, а в первом цилиндре она будет холостой.

Двухвыводная катушка может иметь разные способы подключения к свечам накаливания. Один из способов – подача импульсов посредством двух высоковольтных проводов. Второй – использование одного наконечника и одного высоковольтного провода.

Такая катушка позволяет обойтись без распределителя, но подавать искру она может только на два цилиндра. А обычно у авто используется по 4 цилиндра. Для таких авто используется четырехвыводная катушка, которая сама по себе представляет две двухвыводные катушки, объединенные в один блок.

Устройство

Катушка зажигания представляет собой трансформатор с двумя обмотками — первичной и вторичной. Внутри обмоток находится стальной сердечник, а снаружи — изолированный корпус.

На первичную обмотку подаётся 12 вольт. Она намотана толстым медным проводом и насчитывает 100–150 витков. Вторичная обмотка располагается снаружи первичной. Она имеет 15000–30000 витков тонкой медной проволоки.

Во вторичной обмотке наводится импульсное напряжение до 45 000 вольт, которое подаётся на свечи зажигания.

Такое устройство характерно как для модуля зажигания, для катушки зажигания сдвоенного типа, так и для индивидуальной катушки.

Устройство катушки зажигания на ВАЗ 2108

У катушек зажигания для каждой отдельно взятой модели автомобиля есть свои нюансы. На ВАЗах ее помещают в моторном отсеке, прямо под капотом. Внешне она представляет собой металлический цилиндр (его еще называют бобиной), внутри которого спрятана простая система: трансформатор со стальным сердечником внутри, расположенный между двумя обмотками. Сама бобина закреплена с левой стороны брызговика с помощью длинных шпилек.

Отдельно стоит сказать про обмотку. На ВАЗах первоначальное напряжение, которое дается на катушку зажигания, составляет всего 12 вольт. Первоначально в дело включается первичная обмотка (выглядит как медный провод на 130-140 витков). Вторичная обмотка наложена поверх первой и устроена она уже солиднее — это более тонкий медный проводок, в котором можно насчитать до 25 тысяч витков.

Отметим, что схема подключения на ВАЗах — одна из самых сложных, если сравнивать с другими автомобилями. Но как раз это, во многом, и гарантирует надежность и хорошую работу ВАЗов.

О неисправностях и способах устранения

Модули зажигания можно смело отнести к деталям длительного использования. При правильной эксплуатации минимальный ресурс элемента составляет 100 тыс. км пробега машины. Нередко повышающий трансформатор работает в течение всего срока службы транспортного средства.

В процессе эксплуатации катушки необходимо помнить о следующих моментах:

1. Причиной преждевременной поломки элемента часто становится длительный перегрев.
2. С годами свойства изоляционных материалов внутри обмоток ухудшаются. Повышается вероятность межвиткового замыкания, ведущего к перегреву и перегоранию проводников.
3. В силу особенностей конструкции высоковольтная катушка не подлежит ремонту и восстановлению. Некоторые модели можно разобрать и попытаться устранить обрыв или замыкание, но практика показывает, что надежнее и дешевле поставить новую запчасть.
4. Для нормальной работы элемента и стабильного искрообразования нужно обеспечить минимальное напряжение бортовой сети 11,5 вольт. Если из-за неисправности генератора либо разрядки аккумуляторной батареи вольтаж не достигает нормы, износ трансформатора ускоряется.
5. По той же причине уменьшается мощность искрового разряда на электродах свечей, рабочая смесь воспламеняется и сгорает хуже.
6. Пробой изоляции или обрыв высоковольтных проводов, вызывающий искрение на кузов машины, сокращает срок службы катушки. Если игнорировать неполадку в течение длительного времени, она придет в негодность.
7. Мини-катушки индивидуального типа иногда выходят из строя из-за вибрации силового агрегата. Причина – внутренний обрыв проводников.

За модулем зажигания необходимо следить, чтобы из-за неисправностей двигателя на корпус устройства не попадало горячее масло либо охлаждающая жидкость. Не держите долго включенное зажигание – при этом греется обмотка катушки и разряжается аккумулятор.