Как заводился двигатель? Забытая история свечи зажигания и магнето

Система зажигания - это подсистема, задача которой воспламенять топливно-воздушную смесь в цилиндре двигателя внутреннего сгорания после её герметичного сжатия; без этого механизма, создающего в свече управляемую искру, четырёхтактный цикл не может завершиться. Более чем 150-летний путь - от двигателя Этьена Ленуара 1860 года до современных систем coil-on-plug - это, по сути, история решения одной-единственной задачи: производить искру в нужный момент, с достаточным напряжением и с надёжной стабильностью.

Двигатель, рождённый с проблемой искры: Первые свечи зажигания и Ленуар

Первый образец поршневого двигателя внутреннего сгорания принёс с собой проблему зажигания ещё до своего появления. В 1860 году Этьен Ленуар использовал электрическую свечу в газовом двигателе, носящем его имя, и изобретение свечи зажигания обычно приписывают именно ему. Принцип действия системы удивительно похож на современный: электричество высокого напряжения, проскакивая через воздушный зазор между электродами свечи, создавало искру. Концепция свечи зажигания, то есть воспламенения от искры (spark-ignition), ничуть не изменилась; базовый принцип работы остаётся тем же уже более 150 лет.

На пути к коммерческой зрелости свечи зажигания выделяется второе имя: Фредерик Ричард Симмс. Симмс был владельцем патента GB 24859/1898 на магнето для двигателей внутреннего сгорания и известен как изобретатель первой коммерчески применимой свечи зажигания высокого напряжения. Не случайно в том же году он начал сотрудничество с Bosch; для работы свече требовался надёжный источник высокого напряжения, и этим источником должно было стать магнето.

Приписывание изобретения свечи зажигания остаётся спорным и по сей день. Хотя общепризнанной фигурой считается Ленуар, существуют также записи о том, что электрическую свечу изобрёл Оливер Лодж; упоминается и имя Эдмонда Бергера. Происхождение конденсаторного зажигания (CDI) восходит к 1890-м годам и работам Николы Теслы. Как и в большинстве областей истории инженерии, здесь правильнее говорить не об одном имени, а о нескольких взаимодополняющих вкладах.

Эпоха магнето: искра без батареи и взлёт Bosch

В первые годы существования автомобиля практически не было того, что мы сегодня понимаем под электрической проводкой; возить с собой аккумулятор было тяжело, дорого и ненадёжно. Магнето заполнило этот пробел: поскольку оно вырабатывало электричество за счёт собственного вращения, оно обеспечивало искровой импульс без батареи. Роберт Бош в 1887 году создал первый магнето для стационарных двигателей; В 1897 году магнето-зажигание начало тестироваться на транспортных средствах, а серийное производство началось в 1898 году. С этого момента Bosch стал фактически единственным надёжным производителем, поставлявшим магнето-зажигание для автомобилей.

Критический скачок произошёл в конце 1901 года. Технический директор Bosch Готлоб Хонольд разработал на штутгартском предприятии первое в мире магнето высокого напряжения и сопутствующую свечу зажигания. Эта пара устранила необходимость в аккумуляторе для автомобиля и сделала свечи зажигания по-настоящему практичными. Примерно в 1902 году Bosch представил двухкатушечное магнето с неподвижной свечой зажигания и прерывателем вне цилиндра. В годы до 1914-го магнето Bosch было доминирующим на рынке; научные публикации того времени также подробно рассматривали дискуссии о выборе между магнето и катушечным зажиганием.

Магнето высокого напряжения определяется как комбинация магнето-трансформатора, отправляющая импульсы высокого напряжения на свечу зажигания. Сегодня оно используется главным образом в двигателях без аккумулятора - газонокосилках, бензопилах - а также в современных поршневых самолётах. То, что технология была выведена из автомобилей, но осталась стандартом в авиации, - хороший показатель того, насколько прочный фундамент под ней лежит.

Катушки-тремблеры: Model T и путь, выбранный Benz

Магнето не было единственным путём. Benz Patent-Motorwagen 1886 года и Ford Model T 1908 года использовали систему, называемую катушкой-тремблером (trembler coil). В этой схеме катушка питалась прерывистым током посредством прерывательного механизма, производя дрожащую, прерывистую искру. В Model T для каждого из четырёх цилиндров была отдельная катушка-тремблер; это было простое, легко ремонтируемое решение, способное работать от аккумулятора. Если посмотреть на транспортные средства той эпохи, видны две основные школы: лагерь магнето без аккумулятора и лагерь катушки-тремблера. Ответ на вопрос, какая из них победила, прояснился с развитием, описанным в следующем разделе.

Система Кеттеринга: Почему распределителя хватило на полвека?

Чарльз Ф. Кеттеринг около 1910 года разработал систему зажигания от аккумулятора с катушкой - схему, известную как система Delco. Система состояла из четырёх основных компонентов: катушки зажигания, контактных точек (breaker points), конденсатора и распределителя. Единая катушка повышала низкое напряжение до высокого, а напряжение направлялось к нужной свече зажигания с помощью роторного рычага внутри распределителя. Система была впервые представлена в 1912 году на автомобилях Cadillac; хотя в источниках год разработки указывается по-разному - 1910, 1911 и 1912, - появление на Cadillac в 1912 году является наиболее последовательной версией истории и указывает также на первое использование систем на базе распределителя в 1912 году.

Причиной победы системы Кеттеринга была не инженерная элегантность, а дешевизна и относительная простота. Именно эти два качества сделали её на долгие годы основной системой зажигания автомобильной промышленности. Начиная с Cadillac Model Thirty 1912 года, схемы контактного распределителя оставались основной системой в большинстве автомобилей до середины 1970-х годов.

Предел системы был очевиден с самого начала. Механический механизм мог вырабатывать в свече около 10 000 вольт; гибкость при меняющихся нагрузках и оборотах была ограниченной. Контактные точки подвергались механическому износу, окислению и обгоранию из-за искры, образующейся на контактных поверхностях; они требовали регулярной регулировки и могли приводить к неэффективной искре. Иными словами, система работала, но с инженерной точки зрения её потолок был низким - и именно этот потолок открыл дверь для электронного зажигания.

От контактов к транзисторам: Переход к электронному зажиганию

Переход начался раньше, чем можно было подумать. Первая попытка электронного зажигания в виде устройства с холодным катодом была испытана компанией Delco-Remy в 1948 году. Lucas представила транзисторное зажигание в 1955 году, и эта система использовалась в 1962 году в двигателях Formula 1 команд BRM и Coventry Climax - новая технология, как обычно, сначала просочилась с гоночной трассы. путь к серийному производству развивался так:

• 1963: Pontiac стал первым автопроизводителем, предложившим электронное зажигание (Delcotronic) в качестве опции; в том же году Hyland Electronics выпустила первую коммерческую полностью твердотельную SCR систему зажигания с конденсаторным разрядом.
• 1964–65: Ford провёл испытания в автопарках и начал предлагать электронное зажигание в качестве опции на некоторых моделях; на рынке послепродажных аксессуаров появились Prest-O-Lite CD-65 (с гарантией 50 000 миль) и Delta Mark 10.
• 1967–68: Motorola представила систему CD без контактов; Fiat Dino стал первым серийным автомобилем, поставлявшимся с электронным зажиганием в стандартной комплектации.
• 1971–75: Jaguar XJ Series 1, за которым последовали Chrysler, Ford и GM; система HEI от GM была представлена в конце 1974 года на некоторых автомобилях.

В середине 1970-х годов, когда контактные точки начали заменять транзисторами, напряжение зажигания возросло примерно до 20 кВ - удвоение потолка в 10 000 вольт системы Кеттеринга. Сам распределитель просуществовал ещё некоторое время; он продолжал выполнять функцию распределения, но момент зажигания теперь определяли не механические грузики, а электронные «мозги». В 1980-х и 1990-х годах распределители были в значительной степени заменены системами электронного зажигания; компьютерно-управляемый механизм предлагал более точную установку момента зажигания и гораздо меньшее обслуживание.

Выход распределителя на пенсию: Coil-on-Plug и прямое зажигание

Развитие концепции распределения началось в середине 1980-х годов. GM начала отказываться от распределителя и единой катушки, переходя к блокам с несколькими катушками, каждая из которых обслуживала только два цилиндра; в такой системе напряжение могло достигать 100 000 вольт. Схема с управлением двумя цилиндрами одной катушкой, одна из которых известна как «холостая искра» (wasted spark), стала одним из первых практических вариантов зажигания без распределителя. Система Nissan под названием NDIS (Nissan Direct Ignition System) впервые появилась в 1985 году на двигателях RB20DET NICS и CA18DE NICS.

С 1990-х годов системы coil-on-plug получили широкое распространение: на каждой свече непосредственно расположена катушка, а высоковольтные провода и ротор распределителя полностью исчезают. DENSO, разработавшая в 1996 году первую в автомобильной отрасли компактную стержневую катушку зажигания, определила облик современных головок блоков цилиндров. В современном двигателе ECU управляет различными функциями двигателя, включая зажигание и впрыск топлива, с помощью одного устройства - архитектура, полная противоположность разрозненным системам прежних эпох. Зажигание больше не является независимой подсистемой, а представляет собой часть управления двигателем.

Где находится система зажигания сегодня? Границы и споры

Спор между контактным и электронным зажиганием в мире классических автомобилей сохраняет свою остроту так же, как и вопрос об изобретателе свечи зажигания. Техническая сторона ясна: контактные точки изнашиваются, требуют регулировки и могут давать неэффективную искру. С другой стороны, среди владельцев классических автомобилей распространено мнение, что «хорошо отрегулированные контакты не нуждаются в обычном электронном зажигании», и на практике это бывает оправданно; также верно то, что ремонт электронных компонентов может обходиться дороже. Как и в случае с расхождениями в источниках относительно года разработки системы Kettering, здесь разногласия возникают скорее из контекста использования, чем из определения измерения: повседневная эксплуатация и оригинальность уровня concours - это разные требования.

Что касается будущего, оценки 2013 года предсказывали, что искровое зажигание ещё какое-то время будет оставаться преобладающим по сравнению с воспламенением от сжатия. Двигатели HCCI (гомогенное воспламенение от сжатия) могут работать на бензине, переключаться между двумя режимами зажигания в зависимости от условий движения и приближать эффективность к дизельному уровню; но сегодня это всё ещё во многом теоретическая концепция. На рынке классических автомобилей современные микропроцессорные распределители с Bluetooth, такие как 123ignition, сохраняют внешний вид Kettering, обеспечивая современную надёжность - эстетика прошлого примирена с электроникой настоящего.

Вывод: Та же искра, меняющиеся архитектуры

160-летняя кривая развития технологии зажигания укладывается в три цифры: 10 000 вольт систем Kettering, 20 000 вольт электронного перехода и 100 000 вольт coil-on-plug. Цель нисколько не изменилась; изменилось лишь то, что архитектура создания и синхронизации искры эволюционировала от механики к твердотельным решениям. Путь от магнето к распределителю, а от распределителя к катушке на каждую свечу - это уменьшенная копия общей истории автомобильной инженерии: меньше изнашивающихся деталей, больше контроля, более высокое напряжение.

Источники

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905: от первой мастерской до завода
• Bosch Automotive – история продукции
• Как магнетное зажигание Bosch сделало возможными свечи зажигания
• Эволюция системы зажигания
• DENSO освещает эволюцию катушки зажигания
• От контактов к точности: век систем зажигания
• Электронное зажигание
• Магнетное или батарейное зажигание для автомобилей
• Фредерик Ричард Симмс
• Этьен Ленуар
• Как работают электронные распределители зажигания
• Контакты против электроники в старых автомобилях