Так сто лет назад звучало приветствие, принятое среди первых автомобилистов. Эти слова очень много говорят и о важности, и о капризности ранних систем зажигания. Наш сегодняшний рассказ о самых интересных этапах их удивительной эволюции - от пожароопасных калильных трубок до безотказных многоискровых электронных систем.
Как-то так получилось, что авторство двигателя внутреннего сгорания (ДВС) приписывают кёльнскому купцу Отто. Однако, если быть справедливым, следует вспомнить, что задолго до 1862 года было создано множество удачных конструкций ДВС, некоторые из них даже ставились на самобеглые экипажи... По принципу действия первые двигатели мало отличались от привычных нам поршневых моторов. Они тоже работали на смеси горючего с воздухом, а следовательно, обязаны были иметь систему зажигания или, как тогда было принято говорить - запала.
Известно, что в 1801 году, в своём двигателе двустороннего действия, работавшем на светильном газе, Лебон впервые применил для воспламенения электрическую искру. К сожалению, конструктивные особенности этого мотора нам неведомы.
Первые ДВС работали без такта сжатия. Запал рабочей смеси происходил на 1/3 хода поршня от верхней мертвой точки, после засасывания небольшого количества горючей смеси. В1833 году Вельман Райт предложил производить поджиг в крайнем положении, сжав, предварительно, смесь компрессором. Некоторые изобретатели, например Гюгон, использовали для воспламенения смеси газовое пламя. Говорить об оптимизации момента сгорания не приходилось - самые быстроходные моторы делали 130 об/мин. Вышеупомянутому Отто пришло в голову сжимать поршнем смесь перед запалом. Это существенно повысило КПД двигателей и послужило поводом для установки их на различные средства транспорта. Собственно, изобретение автомобилей и мотоциклов привело к созданию компактных и мощных ДВС, немыслимых без надёжных систем зажигания. Их роднит электроискровой способ поджигания горючей смеси. На заре автомобилестроения способов получения искры было несколько больше, чем сейчас.
Низковольтные системы зажигания.
Довольно забавным, с современной точки зрения, было зажигание "на отрыв". В камере сгорания размещалась пара контактов, из коих один был подвижным и приводился извне (чер. 1). Эта конструкция долгое время конкурировала с высоковольтным зажиганием, пока, наконец, не уступила последнему. У низковольтной схемы был ряд недостатков. Наличие кинематики в цилиндре и утечки давления через втулки снижали степень сжатия; расход тока был велик; из-за сложности привода и неравномерного износа его деталей не удавалось обеспечить равномерность вспышек в многоцилиндровых моторах. Необходимые 50-100 V снимались с аккумуляторной батареи, но её надолго не хватало, до подзарядки на ходу ещё не додумались, поэтому было изобретено магнето низкого напряжения (Robert Bosch, pat. N99399). (чер. 2) Генераторы существовали и до этого, но все они имели скользящие контакты для токосъёма. Немецким конструкторам удалось избавиться от них, закрепив ротор, относительно полюсов постоянного магнита, неподвижно. Линии магнитного потока отклонялись цилиндром из мягкого железа с широкими прорезями, вращавшимся между этими двумя деталями.
Появление магнето привело к созданию электромагнитных свечей, (чер.З) в которых функции сложного механизма привода подвижных контактов взял на себя электромагнит. Частота срабатывания соответствовала частоте возникновения индукционных токов.
Высоковольтные системы зажигания.
Изначально источником тока служила аккумуляторная батарея или сухие гальванические элементы а. (чер.4) Катушка зажигания запитывалась через вибратор b, прерыватель с и замок зажигания d. Вибратор формировал пакет искр, почти как современные электронные системы, а поворотом прерывателя можно было регулировать момент зажигания. На рисунке представлена одна из самых сложных схем. В простейших случаях обходились и без вибратора.
Стабильность и надежность работы двигателя, его максимальные обороты - всё это напрямую зависело от конструкции прерывателя. Далее приводятся различные его конструкции, достаточно понятные и без описания. (чер.5,6,7)
Чертежъ 8 изображаетъ такой прерыватель, построенный фирмой "Бригсъ и Страттонъ" въ Мильвоки, Coed. Шт. Сев. Ам. Цилиндрическая коробка, которая насаживается непосредственно на двигатель и присоединяется къ вертикальному распределительному валу, заключаетъ вращающуюся индукционную катушку, но без магнитнаго прерывателя. Катушку окружаетъ эбонитовый чехолъ а, ме-талическое нижнее днище которого, продолженное внизъ, служитъ нижнимъ концомъ оси, верхний конецъ которой залитъ въ верхнее днище чехла. Обе обмотки сделаны изъ проволоки съ эмалевой изолировкой. Первичная обмотка 6 присоединена своими концами къ обоимъ концамъ оси и получаетъ токъ изъ батареи черезъ прерыватель/ одинъ контактъ с которого соединёнъ съ однимъ полюсомъ батареи; другой полюсъ батареи соединёнъ съ массой двигателя и съ первичной обмоткой черезъ другой конецъ оси. Вторичная обмотка i соединена однимъ концомъ посредствомъ щётокъ f съ распределителемъ е; другой ея конецъ соединёнъ также съ массой двигателя. Самъ прерыватель представляетъ изъ себя храповичный механизмъ с передвигающимся четыре раза за одинъ оборотъ на 1 зубъ храповикомъ, который свободно вращается вокругъ верхняго конца оси., чемъ вызывается каждый разъ на непродолжительное время замыкание тока у с и ft. На оси заклиненъ четырёхзубый храповикъ i, который посредствомъ собачки fe заставляетъ отклоняться угловой рычагь i, и этимъ при посредстве собачки n передвигаетъ каждый разъ храповшсъ на одинъ зубъ. Пружина о приводитъ угловой рычагъ С и собачку n въ их прежнее положение, чемъ производитъ перескакивание рычага р и замыкание контакта.
Изменение момента зажигания происходитъ такимъ образомъ, что поворачиваютъ, насколько это допускается прорезомъ съ установительнои шпилькой, весь дискъ, несущий механизмъ прерывателя. Индукционная катушка находится въ чехле, вытянутомъ изъ алюминия и окружена конденсаторомъ r.
Изобретателям долго не удавалось создать быстродействующий механический прерыватель, в связи с чем были придуманы электромагнитные конструкции.
Прерыватель Арну Герръ (ArnouxffiGuerre) (чер.9) даётъ до 436 прерывовъ, стало быть, значительно больше, чемъ требуется для любого автомобильного двигателя. Он помимо якорной пружины а толщиною отъ 0,2 mm. до 0,3 mm, сделанной изъ сильно магнитной стали, снабжёнъ ещё второй более мягкой. пружиной b, которая съ некоторымъ начальнымъ давлениеимъ опирается на пружину а. Когда токъ, идущий черезъ обе пружины, распределителемъ замкнутъ, пружина b следуетъ за притягиваемой сердечникомъ пружиной а до техъ поръ, пока она не задержится выступомъ с, чемъ токъ и замыкается.
Въ прерыватели типа Горонъ (Gawron) (чер.10) якорь а имеетъ видь двуплечаго рычага, вращающегося около ребра призмы и нагруженнаго на одномъ плече давлениемъ пружины. На пружине а прикреплена собственно контактная пружина 6. Когда якорь притягивается сердечникомъ катушки d, то пружина 6 отрывается отъ контакта винтом с , и этимъ размыкаетъ токъ.
Аккумуляторные системы зажигания со временем себя изжили. Ток от 2 до 3 А при рабочем напряжении (дело было в начале XX века!) от 4 до 5 V опустошал батарею за 5000 км. С одной стороны это вполне приличный пробег, с другой было непонятно, когда источник иссякнет. Приходилось возить дорогой и громоздкий запасной аккумулятор, что было очень неудобно. Панацеей стало изобретение высоковольтных магнето.
Магнето позволили сделать узел автономным и компактным, совместив функции источника тока, высоковольтной катушки, прерывателя и распределителя Принцип работы простейшего устройства таков:
Въ такъ называемомъ зажигании вольтовой дугой Р. Боша в Штуттгарте (чер.11) вторичная обмотка является только продолжениемъ первичной; а именно, часть простой обмотки 6 вращающегося якоря а, заключённая между проводами g и h, является первичной. Провода g и h в общемъ замкнуты на короткую, но могутъ и временно размыкаться с помощью вращающегося прерывателя k и l. Во время вращения якоря а въ короткозамкнутой части обмотки появляется сильный токъ, который вызываетъ въ якоре магнитное поле, противоположное полю постоянных магнитовъ, и поэтому въ значительной мере его ослабляющее. Въ моментъ, когда должно произойти зажигание, прерыватель k и l размыкаетъ первичную цепь. Магнитное поле якоря вдругъ пропадаетъ, и такъ же резко усиливается поле постоянных магнитовъ. Во всей обмотке въ силу этого возбуждается токъ, который посредствомъ проводовъ в и с передагтъ на свечу, где благодаря высокому его напряжению черезъ промежутокъ е и f перескакиваетъ искра. Несмотря на более низкое уже напряжение, токъ, возбуждаемый во вторичной обмотке, несколько мгновений ещё продолжаетъ на подобие вольтовой дуги проходить черезъ искровой промежутокъ, подогретый первоначальной искрой. Якорь магнето долженъ быть установленъ такъ, чтобы въ моментъ прекращения короткого замыкания проводовъ а, и ft сила тока въ обмотке была максимальной. При этомъ наибольшей будетъ какъ сила исчезающего якорного поля, такъ и получаемое благодаря этому усиление постоянного поля. Параллельно контактамъ для короткого замыкания въ цепи введёнъ конденсаторъ i, который уничтожаете искры, образующияся между контактами прерывателя при резкомъ размыкании тока, и кроме того придаётъ разряду въ свечах сильно колебательный характеръ.
Обилие вариантов исполнения не позволяет подробно останавливаться на каждом, журнала не хватит. Скажем, лишь, что магнето многоцилиндровых ДВС отличались от одноискровых магнето наличием распределителей искры разных типов, (чер.12) Сложность в том, что требовалось синхронизировать момент возникновения искры в каждом цилиндре с моментом усиления постоянного магнитного поля. За каждый оборот якоря подобное явление происходит всего два раза. Поэтому между якорем магнето и распределителем искры ввели шестерёнчатый редуктор, рассчитанный так, чтоб число оборотов распределителя совпало с числом оборотов распредвала. Магнето для одно- и двухцилиндровых моторов, естественно, редукторов не имели (чер.13).
Недостаток всех магнето в том, что наиболее сильная искра возможна только в определенном положении ротора, которое выбиралось с учётом некоторого опережения, соответствовавшего рабочему. В положении запуска при смещении этого момента происходило сильное ослабление искры.
Это привело к созданию конструкций, названных:
Системы двойного зажигания.
Сначала, не мудрствуя лукаво, размещали рядом магнето и батарейную систему, а двигатель имел два ряда свечей. Запуск производился от аккумулятора, потом шофёр переключался на магнето. Предполагалось, также, что при выходе из строя одной цепи или при каких-либо сбоях можно будет переключиться на другую. Затем догадались обе системы объединить. Далее предоставим слово древнему манускрипту.
Схема соединения (чер.14) двойного зажигания Бошъ показываетъ способъ работы этого устройства. Вращающийся распределитель а магнето, къ которому уже известнымъ читателю образомъ присоединены провода къ свечамъ, общий для обеихъ системъ зажигания. Къ нему подводится токъ высокаго напряжения проводомъ 6, присоединённымъ къ переключателю с , который прикрепленъ къ переднему щиту. Пока работаетъ магнето, проводъ а питается изъ приёмника магнето i токомъ высокаго напряжения черезъ проводъ е и переключатель с. При переходе на батарейное зажигание въ проводъ 6 направляется токъ высокаго напряжения изъ индукционной катушки f, первичная обмотка которой присоединена проводомъ о к механическому прерывателю магнето; далее первичный токъ идётъ черезъ проводъ h отъ корпуса двигателя къ корпусу индукционной катушки. Аккумуляторъ же проводами i и k соединенъ, съ одной стороны, съ среднимъ, зажимомъ переключателя и далее съ массой двигателя; съ другой стороны, черезъ переключатель, съ первичной обмоткой катушки.
Это были самые распространенные в начале прошлого столетия конструкции. Неуёмная же человеческая фантазия придумала массу других приспособлений на ту же тему. Многие из них уж забыты, но кое-что мы можем продемонстрировать. Например:
Машина для зажигания "Witherbee Igniter Co", (чер. 15)
Она не имела вращающегося якоря, вместо него на валу стоял эксцентрик, связанный через толкатель с якорем е. Сердечники b и с, окружённые катушками, замыкали силовой магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом а. В момент зажигания якорь опускался, замыкая магнитную цепь, и в катушках возникал электрический импульс. Момент опережения регулировался перемещением эксцентрика вдоль вала.
Это был краткий обзор систем зажигания, созданных до эпохи "социалистического материализма". В следующем номере мы продолжим повествование.
Используемая литература
"HUTTE". Справочная книга для инженеровъ, архитек-торовъ, механниковъ и студентовъ. Подъ редакцей инженера ГЛ. Зандберга, девятое издание, часть 2. Т-во Скоропечатни А.А Левенсонъ Москва, 1916 г.
А. Геллер. "Постройка автомобиля и его двигателя для жидкого горючего". Петроград, 1918 г. "Техническая Энциклопедия". Томъ первый. Книгоиздательское Товарищество "Просвященiе" Санкт-Петербургъ.
Универсальный автомобиль "Фордъ". Для владельцевъ и операторовъ автомобилей и моторныхъ ломовыхъ дрогъ Форда. Публиковано Моторной Компажей Форда Detroit, Michigan, С.Ш.А.
