Система зажигания карта: угол опережения, аналоговые и цифровые системы, настройка по классам

Двигатель внутреннего сгорания — как следует из названия — устройство, в котором смесь воздуха и топлива сгорает при определённых условиях, в результате чего химическая энергия топлива превращается в механическую. Слово «внутреннего» в названии означает, что процесс происходит в замкнутом объёме цилиндра двигателя, а «сгорание» — то есть горение топливовоздушной смеси (ТВС) — и есть сам процесс. Разберём его подробнее.

Угол опережения зажигания: зачем искра приходит раньше ВМТ

В двухтактном картинговом двигателе топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр через перепускные каналы (transfer ports), сжимается поднимающимся поршнем, потому что все остальные каналы (впускной и выпускной) в этот момент перекрыты поршнем. Затем, в строго определённый момент, система зажигания подаёт высокое напряжение на электрод свечи зажигания. Этому высокому напряжению нужно куда-то «уйти» — оно пробивает воздушный зазор между концом центрального электрода и боковым электродом (массой) свечи, образуя искру. Эта искра запускает процесс горения.

Важно отметить, что расстояние между центральным и боковым электродом (зазор свечи) играет решающую роль в образовании искры. Зазор должен быть подобран правильно, чтобы искра была достаточно мощной для воспламенения ТВС. Если зазор слишком мал, искра, скорее всего, будет слишком слабой, и двигатель будет работать плохо или с пониженной эффективностью. Если же зазор свечи слишком большой, искра, вероятно, не сможет стабильно «пробивать» большое расстояние между электродами, что приведёт к нестабильной работе двигателя или к тому, что он вообще не заведётся.

Поднимающийся поршень сжимает ТВС, искра поджигает её, и происходит постепенное сгорание смеси по мере распространения фронта пламени. Расширение продуктов сгорания вызывает резкий рост давления в цилиндре, и максимум этого давления должен приходиться на определённую точку уже после верхней мёртвой точки (ВМТ), чтобы извлечь максимальное усилие на такте рабочего хода. Поскольку процесс горения не происходит мгновенно и требует конечного времени, искра должна проскакивать с определённым «опережением», измеряемым в градусах угла коленвала до верхней мёртвой точки (BTDC — before top dead centre), как показано на схеме ниже.

Для наглядности предположим, что время в миллисекундах, необходимое для достижения максимального усилия в одной и той же точке после ВМТ, остаётся постоянным во всём диапазоне оборотов двигателя. Строго говоря, это не совсем так — это зависит от ряда других факторов: турбулентности в цилиндре, нагрузки на двигатель, состава ТВС и так далее.

Чем быстрее вращается двигатель, тем на больший угол успевает провернуться коленвал за то же самое время. Поэтому, чтобы максимум давления по-прежнему приходился на ту же точку после ВМТ, угол опережения зажигания нужно увеличивать по мере роста оборотов двигателя — то есть требуется больше опережения (см. схему справа). То же самое справедливо и для четырёхтактного двигателя: те, кто постарше, помнят, что раньше это достигалось вакуумным или центробежным регулятором опережения внутри трамблёра, а сегодня это делается электронно — через блок управления двигателем (ЭБУ), который опирается на показания ряда датчиков.

Статическое опережение зажигания

Момент, в который на свечу подаётся высоковольтный импульс при неподвижном двигателе, называется статическим опережением (static advance). На двухтактном картинговом двигателе его обычно измеряют не в градусах угла коленвала, а в миллиметрах — насколько поршень не доходит до ВМТ. Между этими двумя величинами есть прямая математическая связь, поэтому любую из них можно вычислить по соответствующей формуле. Для тех, кто подзабыл математику: cosθ — косинус угла θ, sinθ — синус угла θ, а acos — обратный косинус (арккосинус) угла.

Итак, как мы увидели выше, чтобы получить от двигателя максимальную отдачу, опережение зажигания нужно увеличивать относительно статической настройки по мере роста оборотов. Логично было бы ожидать, что все производители картинговых двигателей закладывают это в конструкцию, но, к сожалению, это не всегда так, как мы увидим дальше.

Как измерить или выставить статическое опережение

Прежде чем идти дальше, нужно понимать, какой инструмент нужен, чтобы измерить или изменить статическое опережение на твоём двигателе. Самый распространённый способ для двухтактника — использовать часовой индикатор (dial test indicator, DTI), который устанавливается в отверстие свечи зажигания через переходник, как показано на схеме справа.

В большинстве случаев статическое опережение зажигания измеряется по совмещению метки на роторе, закреплённом на одном конце коленвала, с соответствующей меткой на статоре. Если нужно внести изменения, обычно ослабляют болты крепления статора к картеру двигателя и поворачивают его до совмещения обеих меток.

Чтобы начать процесс, проворачивай двигатель, подводя поршень к ВМТ, — это видно по показаниям DTI. ВМТ — это момент, когда стрелка индикатора меняет направление движения с по часовой стрелки на против часовой (или наоборот). Затем обнули индикатор. Теперь, зная, сколько миллиметров опережения нужно выставить, медленно проворачивай двигатель в направлении, противоположном его обычному вращению, пока на индикаторе не появится нужное значение. Наконец, не сдвигая коленвал ни на миллиметр, совмести метку на роторе, закреплённом на коленвалу, с соответствующей меткой на статоре (см. типовую схему справа) и зафиксируй статор в этом положении. Из-за возможных ошибок параллакса всегда полезно перепроверить сделанное, повторно измерив выставленное опережение, чтобы убедиться, что метки по-прежнему совпадают.

Аналоговые и цифровые системы зажигания

Те, кто помнит системы зажигания с контактной группой (прерывателем), — эти времена давно прошли, и сегодня на картинговых двигателях используются исключительно электронные системы. Они делятся на две категории — аналоговые и цифровые. Аналоговые системы зажигания по сути выполняют ту же функцию, что и простой контактный прерыватель, и угол опережения остаётся постоянным во всём диапазоне оборотов. Цифровые системы зажигания подают высоковольтный импульс на свечу в момент времени, зависящий от оборотов двигателя, — то есть величина опережения меняется в зависимости от оборотов.

Разберём несколько картинговых двигателей, чтобы лучше понять нюансы процедуры настройки, а также то, во что переводятся миллиметры опережения в градусы угла коленвала на разных оборотах.

Comer C50 и C52

Система зажигания на этом двигателе использует набор вращающихся магнитов (часть маховика), которые проходят мимо катушки и создают высоковольтный импульс для свечи. Это простая аналоговая система, и статическая настройка опережения — это и есть угол опережения во всём диапазоне оборотов.

Величина опережения измеряется в момент, когда передняя кромка второго (заднего) из двух магнитов совмещается с левым краем длинной ламели катушки, которая служит меткой отсчёта. Регулировка опережения выполняется смещением катушки в предусмотренных для этого продолговатых отверстиях.

Что касается величины опережения для C50 — действующий регламент допускает максимум 3,8 мм, но если ты захочешь использовать меньшее значение, ниже приведена таблица соответствия «мм опережения = градусы BTDC». Обрати внимание: значения ниже применимы только к двигателю C50.

Comer C50 — соответствие миллиметров опережения и градусов BTDC

Действующий регламент для C52 допускает максимум 4,2 мм опережения. Ниже показано, во что это переводится в градусах опережения на двигателе C52.

Comer C52 — соответствие миллиметров опережения и градусов BTDC

Kid Rok и Mini Rok

Эти два двигателя по сути идентичны, за исключением того, что величина допустимого опережения на Kid Rok раньше была жёстко зафиксирована на уровне 3,0 мм, но по действующему регламенту стала «свободной» (то есть как на Mini Rok). Тип зажигания — аналоговый, поэтому статическая настройка и есть настройка на весь диапазон оборотов.

Здесь так же совмещаются метки на статоре и роторе (см. раздел выше), чтобы выставить угол опережения. Для справки, соответствие между миллиметрами и градусами BTDC для этого двигателя приведено ниже.

Kid Rok / Mini Rok — соответствие миллиметров опережения и градусов BTDC

OK Junior

На этом двигателе применяется гомологированная цифровая система зажигания PVL модель 684 (см. схему). Она отличается от всех рассмотренных выше тем, что величина опережения на старте (статическое опережение) увеличивается более чем вдвое к моменту достижения оборотов 2 750 об/мин, а затем остаётся постоянной вплоть до 13 500 об/мин. После этого она резко падает при приближении к отметке 14 000 об/мин, как показано на графике ниже.

Среди веских причин применения именно этой цифровой системы зажигания — облегчить запуск карта с толчка, пока опережение ещё небольшое, а также установить верхний предел оборотов для двигателя класса Junior на уровне 14 000 об/мин. Процедура настройки опережения на этом двигателе также немного отличается от описанной ранее.

В данном случае, по данным производителя, метки на статоре и роторе фактически показывают величину опережения, присутствующую на 5 000 об/мин. Если ты выберешь совместить их, когда поршень находится в ВМТ (то есть «нулевое» показание на DTI), то, согласно графику выше, на 5 000 об/мин опережение зажигания составит 33° BTDC, а соответствующее статическое опережение будет около 15° BTDC.

Однако действующий регламент гласит, что настройка зажигания «свободная». Это значит, что помимо опережения, которое обеспечивает сама система PVL 684, ты можешь дополнительно сдвинуть всю кривую вперёд или назад, совместив метки при положении поршня на определённом расстоянии до или после ВМТ соответственно. Для справки, соответствие между миллиметрами и градусами для этого двигателя приведено ниже.

OK Junior (PVL 684) — соответствие миллиметров смещения меток и градусов

Если формулировка выше немного запутала — разберём на примере. Если выставить метки со смещением 0,15 мм BTDC, опережение начиная с 2 750 об/мин составит 33 + 5,4 = 38,4°, а если выставить их со смещением 0,15 мм ATDC — это будет эквивалентно 33 − 5,4 = 27,6°. Всё зависит от того, что ты сочтёшь оптимальным для своего пилота и конкретной трассы.

Rotax

Вся линейка двигателей Rotax использует цифровой ЭБУ (ECU), модель которого должна строго соответствовать указанной в регламенте для конкретного класса двигателя. ЭБУ — это, по сути, полностью цифровая система зажигания, которая меняет угол опережения в зависимости от оборотов двигателя, получаемых с датчика положения (ignition pickup sensor, см. фото ниже слева). Внутренняя электронная карта (mapping) внутри ЭБУ определяет оптимальную величину опережения, при которой на свечу подаётся высоковольтный импульс.

Никакая регулировка угла опережения зажигания невозможна и не разрешена регламентом. Двигатели Senior и DD2 оснащены клапаном возможностей (power valve, PV) с соленоидным приводом (подробнее рассмотрен в отдельной статье), который даёт дополнительный прирост мощности при достижении определённых оборотов. На двигателе EVO предусмотрены два порога срабатывания по оборотам — переключение между ними выполняется простым подключением провода массы. Для конфигурации Senior Max порог составляет 7 600 или 7 900 об/мин, а для DD2 — 8 800 или 9 100 об/мин. В обоих случаях более низкое значение оборотов активируется замыканием на массу дополнительного провода в жгуте проводки карта, как показано на фотографиях ниже.

Давление внутри картера подаётся на электромагнитный клапан через неопреновый шланг с обратным клапаном, поэтому электромагнитный клапан «видит» только положительные импульсы давления. Открытием и закрытием электромагнитного клапана управляет ЭБУ. Если клапан установлен не той стороной, power valve окажется постоянно закрыт — а этого точно не хочется. На заданных оборотах, запрограммированных в ЭБУ, ЭБУ активирует электромагнитный клапан, позволяя ему передать давление под мембрану (bellows) через другой неопреновый шланг, и в результате PV открывается.

Разные версии ЭБУ откалиброваны так, чтобы обеспечивать лёгкий запуск и оптимальное опережение по всему диапазону оборотов, но в них заложены и другие нюансы. Например, для классов Junior и Senior Max в карту зашит «скачок» опережения зажигания (ignition jump), расширяющий пиковую мощность на верхах, а также встроен ограничитель оборотов. В ЭБУ для DD2 компания Rotax реализовала отсечку зажигания (ignition cut-out), которая обеспечивает переключение передач без сброса газа (flat shifting), и заложенная там карта позволяет этому двигателю оставаться довольно быстрым, несмотря на то что у него всего две передачи.

Что важно помнить, если решишь поэкспериментировать с зажиганием

Коротко — вот на что стоит обратить внимание, если ты решишь поэкспериментировать с системой зажигания своего карта:

• На аналоговых системах увеличение опережения относительно заводской настройки немного усиливает тягу в среднем диапазоне оборотов, но отдача на верхах при этом проседает.
• И слишком богатая, и слишком бедная смесь горят медленнее, поэтому в обоих случаях требуется больше опережения зажигания.
• Слишком большое опережение зажигания, однако, может вызвать слышимый звон в двигателе (детонацию, также известную как «knocking»), из-за которой двигатель легко повредить.
• На двигателях без коробки передач (нешифтерных) может возникать детонация при выходе из медленных поворотов, если передаточное число выбрано под максимальную скорость. В этом случае помогает уменьшение опережения зажигания и/или переход на чуть более богатую жиклировку.
• На быстрых трассах, где полная нагрузка может держаться подолгу, детонация тоже может возникать — из-за слегка обеднённой смеси.
• На некоторых медленных трассах может понадобиться немного уменьшить опережение, чтобы избежать детонации при выходе из медленных поворотов под полной нагрузкой. Если ты идёшь ниже верхнего лимита по весу, это обычно не проблема, но более тяжёлые пилоты легко создают дополнительную нагрузку на двигатель — особенно при разгоне из крутых поворотов на подъёме.
• Если ты собираешься экспериментировать с углом опережения зажигания, делай это изолированно — то есть не меняй одновременно жиклёры, передаточное число или положение клипсы иглы, пока играешь с опережением. Только так можно точно понять, на какое именно изменение отреагировал двигатель.