Зажигательный отрыв

Совершенствование зажигания способом разрыва контактов

Зажигание трубкой накаливания, довольно часто применявшееся на первых автомобилях, вскоре было заменено электрическим. Огромный шаг вперед был сделан, когда в зажигании автомобилей стали использовать магнето – источник электрической энергии, не причиняющий больших хлопот автомобилисту, долговечный и надежный.

Еще в 1832 г. французский производитель приборов Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) по указаниям Андре-Мари Ампера (1775–1836) [1] в Париже сконструировал первую магнитно-электрическую вращающуюся машину, в которой вертикальный подковообразный магнит был помещен рядом с двумя железными сердечниками двух проволочных катушек и с помощью рукоятки быстро вращался вокруг своей вертикальной оси. Это вращение создавало серию индукционных токов в проволочных катушках, которые передавались на две латунные клеммы [2].

В 1857 г. знаменитому немецкому инженеру Эрнсту Варнеру Сименсу (1816–1892) в Берлине удалось сконструировать компактную и мощную индукционную машину. Индуктор Сименса представлял собой вращающийся в магнитном поле якорь в виде намотанной в большие двусторонние пазы стержня проволоки. Его сечение стало позже элементом фирменного знака фирмы Bosch. Индуктор Сименса лег в основу машины, которую англичанин Уайльд представил публике в 1860 г. Машина состояла из двух частей, стоящих одна над другой, из которых меньшая часть, стоящая сверху, представляет собой обычную машину Сименса [3].

В 1884 г. Н.А. Отто применил низковольтное зажигание от магнето для своих стационарных двигателей, выпускаемых акционерным обществом Gasmotorenfabrik Deutz. Величины генерируемого напряжения такого магнето было недостаточно для получения искры, проскакивающей между контактами свечи зажигания, как это достигалось при использовании индукционной катушки Румкорфа. Поэтому магнето низкого напряжения использовалось в зажигании разрывом тока – искрой в цилиндре, возникающей при отрыве подвижного контакта от неподвижного в момент прохождения тока. Такую систему зажигания обычно называют зажиганием отрыва (нем. Аbreißzündung), а контактное устройство отрывателем. Система может работать от батарей или аккумулятора, но получила распространение при использовании магнето низкого напряжения (нем. Magnetoabreißzündung). Напряжение тока в такой системе не превышало 100 В, а в обмотке магнето возникал ток самоиндукции, и между контактами отрывателя возникала электрическая дуга [4].

В 1887 г. к Роберту Бошу (1861–1942), владевшему в Штутгарте маленькой мастерской Werkstatte fur Feinmechanik und Elektrotechnik («Мастерская точной механики и электротехники»), обратился сотрудник завода газовых двигателей Gasmotorenfabrik Deutz с просьбой изготовить магнето для их двигателей. Уточнив у Deutz, что устройство не запатентовано, Р. Бош и Церингер (Arnold Zähringer) построили такое магнето, а затем Бош усовершенствовал его: вместо стержневых магнитов он использовал магниты U-образной формы, развивающие значительно бóльшую магнитную силу.

В 1888 г. небольшая мастерская изготовила 9 магнето низкого напряжения для зажигания разрывом тока, в 1891 г. уже 100. Как говорил сам Бош, это был продукт, который «имеет значительный потенциал продаж».

Роберт Бош нанял новых работников, переехал в более крупное помещение и приобрел первый автомобиль компании, на котором можно было посещать клиентов вместо велосипеда. Однако в 1892 г. из 24 служащих и одного ученика Р. Бошу пришлось уволить 22 человека: стремление молодого предпринимателя к быстрому росту сыграло с ним злую шутку. Р. Бош попал в экономический кризис из-за крупных инвестиций в технику.

Он остался один вместе с А. Церингером, механиком Р. Шайлем (Richard Schyle) и учеником Г. Хонольдом, пятнадцатилетним подростком, сыном его друга. Г. Хонольд в 1892 г. окончил инженерный факультет Штутгартского университета и продемонстрировал свои необыкновенные способности, работая в Bosch.

В зажигании разрывом тока использовали магнето с качающимся индуктором – «качающиеся». Затем индуктор сделали вращающимися – магнето стали «вращающимися».

Мощность искры в низковольтном магнитном зажигании зависела от силы тока и от быстроты отрыва. Длительность возникающей дуги в рабочих условиях обычно составляла от 0,0008 до 0,005 с. Для хорошего зажигания требовалось растянуть дугу примерно до 1,6 мм, прежде чем она погаснет – это требовало очень резкого размыкания контактов [5]. Такое размыкание достигалось применением пружины, размыкающей контакты с одинаковой скоростью независимо от оборотов двигателя.

В целом быстродействие системы зажигания разрывом тока ограничивалось инерционными свойствами ее частей. Снижение массы помещенного в камеру сгорания отрывателя ограничивалось теплопроводностью его деталей, не позволяющей им нагреться до возникновения калильного зажигания. Поэтому система зажигания разрывом тока не подходила для двигателей с большим количеством цилиндров и высокими оборотами. Инертность движущихся частей зажигания отрывом для тихоходных стационарных двигателей была незаметна. Однако даже при частоте вращения свыше 400 об/мин соединяющие шарниры подвергались сильному износу [6].

Следует отметить, что пока два электрода находятся в контакте, по ним может течь ток. При применении постоянного источника тока возникает необходимость доработать механизм так, чтобы по электродам ток шел лишь короткое время перед разрывом, так как в противном случае система будет очень расточительно расходовать электрический ток, или использовать такой источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается только на мгновение, непосредственно перед разрывом.

Постоянное прерывание цепи с сопутствующей дугой вызывало эрозию и сжигание контактных поверхностей. Чрезвычайно мелкие частицы металла контактов отрывались и оказывались в потоке между ними. Это обеспечивало довольно хороший проводящий путь, по которому ток продолжал течь, но поскольку токопроводящая способность этого потока частиц мала, ток нагревал его и частично сжигал частицы, как это произошло бы с тонким проводом. Окружающий газ добавлял топливо к этому горящему потоку частиц и таким образом воспламенялся. Металлические частицы, которые не сгорали, либо терялись, либо осаждались на отрицательном контакте. Это объясняет точечную эрозию положительного и наращивание отрицательного контакта. По этой причине контакты воспламенителя следовало изготавливать из металла, который не будет легко распадаться и гореть.

Платина или иридий являются лучшими металлами для изготовления контактов. Однако контакты из чистой платины недостаточно тверды, чтобы выдерживать ударные нагрузки, а чистый иридий настолько тверд, что контакт из него можно было сформировать только из расплавленного металла и затем припаивать. Контакт, сделанный из сплава платины с добавлением 15–20% иридия, можно было приклепать к рычагу. Для контактов также использовали сплав никеля и стали. Такие контакты были в несколько раз дешевле, но не настолько хороши.

Преимущество зажигания отрыва состоит в том, что для него требуется только низкое напряжение, которое легко изолировать в сравнении с током высокого напряжения. Магнето, т.е. магнитоэлектрическую машину, генерирующую импульсный ток, в телефонии принято называть индуктором.

Первые двигатели с зажиганием разрывом тока имели отрыватель, приводимый в действие шипом на поршне [7]. Затем привод механизма отрыва обычно совмещался с газораспределительным механизмом: на эксцентриковый вал впускных клапанов насаживались эксцентрики зажигания. На эксцентрик опирался ролик штанги. Разомкнутая цепь якоря внутри цилиндра замыкалась непосредственно перед рабочим ходом. Когда в момент наибольшей силы тока от магнето ролик попадал в вырез эксцентрика, сильная пружина оттягивала шток вниз, который вызывал отрыв молоточка от запала [8].

Механизм отрывателя размещали, как правило, в пробке, ввинчивающейся в стенку цилиндра двигателя. Стержень запала (А) устанавливался на двух фарфоровых втулках (С и В). Втулки вместе с прокладками (Н) стягивались гайкой (D). Герметичность оси молоточка (Р) обеспечивалось конусной посадкой. Притертый конус прижимался давлением в цилиндре.

В 1897 г. Готтлиб Даймлер и Вельгельм Майбах, основатели фирмы Daimler-Mator-Gesellschaft (DMG), построили автомобиль Daimler Phönix с расположенным спереди двухцилиндровым двигателем, развивающим 720 об/мин. В 1898 г. на двигателе было протестировано зажигание магнето низкого напряжения Bosch с установленным вместо калильной трубки зажиганием отрыва, разработанным инженером Готтлобом Хонольдом (Gottlob Honold 1876–1923) [9] и запатентованным Даймлером еще в 1883 г. Даймлер также установил магнето на один из своих автомобилей с ременным приводом и испытывал его в течение пяти дней в австрийских Альпах – Тироле в июле 1898 г. Фирма DMG также установила электрическое зажигание на несколько грузовиков для тестирования.

Результаты испытаний были убедительными, в связи с чем Даймлер принял решение заменить трубку накаливания как можно быстрее. В результате двухцилиндровые двигатели мощностью 4 л.с. (2,9 кВт) и четырехцилиндровые мощностью 6 л.с. (4,4 кВт) компании DMG продавались с осени 1898 г. с зажиганием от низковольтного магнето.

Применение механизма отрыва вызывало неудобство – его установку следовало предусмотреть при конструировании двигателя, а при эксплуатации тщательно регулировать. В 1905 г. упоминавшийся инженер Г. Хонольд, проживающий в Штутгарте и работающий на фирме Bosch, разработал электромагнитные свечи для разрыва тока [10]. Электромагнитный привод для контактных устройств получения дуги разрыва (воспламенителей) для двигателей автомобилей предлагался еще в конце XIX века [11].

В свече находился электромагнит (2), по которому проходил ток, производящий искру. При этом хвостовик отрывного рычага (6) притягивался к сердечнику (3), и в этот момент получалась искра между отрывателем рычага (6) и корпусом свечи (5). Отрывной рычаг качался на призматической опоре.

Cвечи Bosch для зажигания разрывом тока использовались в двигателях новых автомобилей Mercedes. Начиная с первой серии автомобилей этой марки, вышедшей в 1900/1901 гг. (Mercedes 35 PS), они оснащались низковольтным магнето. На автомобильной выставке 1910 г. в Санкт-Петербурге был представлен только один автомобиль с магнето на отрыв – Mercedes с отрывными свечами Bosch [12]. Автомобили с такими двигателями производились до 1915 г. В 1910 г. Готтлоб Хонольд изменил конструкцию свечи зажигания дугой отрыва, отказавшись от U-образной пружины. Теперь полюсный наконечник действовал вертикально, как одно целое с сердечником электромагнита [13].

Зажигание с отрывом тока использовалось на первом автомобиле Генри Форда, построенном в 1896 г. и названном им Quardricycle из-за велосипедных колес. Генри Форд первый раз испытал свой «квадрицикл» с двухцилиндровым рядным верхнеклапанным двигателем мощностью около 4 л.с., работающим на этаноле, 4 июня. Работать над своим двухцилиндровым двигателем Генри Форд начал в 1890 г. Созданный двигатель основывался на конструкции Кейна-Пенниргтона, описанной в выпуске журнала Amerikan Machinist от 9 января 1896 г. Г. Форд ввел для двигателя жидкостное охлаждение вместо воздушного и разработал собственную систему зажигания. В США способ зажигания с отрывом тока назывался «make and break» («сделай и сломай»). В системе Г. Форда использовалась практиковавшаяся схема, когда подвижный контакт взаимодействовал с находившимся на поршне. Такая система в отличие от систем с внешним приводом никак не могла регулироваться. В том же 1896 г. Г. Форд продал свой первый Ford Quardricycle за $200. Позже он его выкупит за $65. В настоящее время Quardricycle является экспонатом Henry Ford Museum (Henry Ford Museum of American Innovatioy).

Источники и литература

1. Нагель А. П. Ежегодник автомобилизма 1910. С. 104.
2. Jansen K. Gasmotoren und lichtmaschine. Realschule zu Dussldorf. 1881. P. 19.
3. Jansen K. Gasmotoren und lichtmaschine. Realschule zu Dussldorf. 1881. P. 21.
4. Кузнецов Н. Г. Курс автомобилизма. С.-Петербург. 1909. С. 34.
5. Pfanstiehl C. A. Ignition. Penton Publisching Co Cleveland. 1913. Р. 38.
6. Lieckfeld G. Die Petroleum- und Benzinmotoren, ihre Entwicklung, Konstruktion, Verwendung und Behandlung. München und Berlin Druck und Verlag von R. Oldenbourg 1908. S. 101.
7. Lehmbeck T. Der Automobil-Motor. Leipzig. Richard Carl Schmidt & Co. S. 122.
8. Renaud D. Cours completvd'automobilisme (6e édition). Paris. Librairie Chapelot. 1916. S. 92.
9. Villebrequin. Зажигание двумя искрами// Автомобилист. 1910. № 20. С. 23.
10. Honold G. Electrical Ignition Apparatus for Internal Combustion Engines. Patent US1041477A.
11.  Cotton W. H. Electric Igniter for Gas Engines. US Patent No 647, 946.
12. А. Н. Выставка и пробег// Автомобиль. 1910. № 9.
13. Honold G. Sparking Device for Combustion Engines aplication. Patent US57442010A.