Зажигание от магнето высокого напряжения (часть 1)

Эволюция систем зажигания первых двигателей внутреннего сгорания

Заказчиком выступил английский инженер, член наблюдательного совета компании Daimler Фредерик Ричард Симмс (Frederick Richard Simms 1863–1944 гг.). Ф.Р. Симмс родился в Гамбурге, где его дед, родом из Бирмингема, основал бизнес. В Германии Ф.Р. Симмс получил образование. В 1889 г. 26-летний Симмс встретился и подружился с Готтлибом Даймлером, у которого в 1890 г. приобрел права на использование и производство его бензинового двигателя. В мае 1891 г. Симмс основал фирму Daimler Motor Syndicate Limited, чтобы выпускать бензиновые двигатели для лодок («Закон о красном флаге», ограничивающий скорость автомобилей до 3,2 км/ч в городе и 6,4 км/ч за городом, в то время сдерживал развитие автомобилей). 20 декабря 1894 г. Симмс ушел с поста управляющего директора, вернувшись в Гамбург. В начале 1896 г. фирма Lawson's British Motor Syndicate Ltd. купила Daimler Motor Syndicate Limited. В 1896 г. Ф.Р. Симмс был назначен директором компании Daimler Motoren Gesellschaft (DMG) в Штутгарте. Он остался инженером-консультантом компании Lawson's The Daimler Motor Company Ltd. В 1897 г. Ф.Р. Симмс стал организатором Королевского автомобильного клуба Великобритании – Royal Automobile Club (RAC).

Ф.Р. Симмс попросил Р. Боша установить его магнето на мотор трицикла De Dion-Bouton. Однако частота вращения двигателя De Dion-Bouton была слишком высокой – свыше 1800 об/мин, что требовало от магнето создания 900 искр в минуту, а выпускаемая на тот момент система зажигания Bosch давала до 200 искр в минуту. Механик компании Bosch Арнольд Церингер нашел решение: вместо качания тяжелого якоря он предложил использовать маятниковую втулку из немагнитного материала, расположенную между якорем и полюсными наконечниками. [1] Также система с фиксированным якорем позволяла отводить генерируемый ток непосредственно от якоря без использования щеток т.п. устройств. В 1897 г. фирма Bosch начала производство такого магнето: тип М.

Ф.Р. Симмс основал с Р. Бошем в 1899 г. совместное предприятие Compagnie des Magnetos Simms-Bosch. Фирма Simms Mfg. Co. предлагала одноцилиндровые двигатели мощностью 23/4 л.с. с магнето Simms-Bosch [2]. В 1900  г. появилось магнето с вращающимся якорем (тип ARh), а в 1901 г. с вращающейся втулкой (CR, SR, MR). При каждом обороте вращающейся втулки образовались четыре пика тока.

В 1940 г. магистр механики, член-корреспондент Института механики и электротехники Ф.Р. Симмс издал брошюру «История магнето» (The History of the Magneto). В ней он утверждал, что именно благодаря ему Роберт Бош впервые построил магнито­электрические машины разумных размеров. Это были машины типа низкого напряжения (LT) с качающимися втулками между непо­движным якорем и полюсными наконечниками. Однако они оказались не очень удачными, и после ряда экспериментов и дорожных испытаний Симмс во время своей следующей поездки в Штутгарт разработал практически стандартный тип магнето с вертикальными U-образными магнитами, количество которых подходящего размера для различных нужд крепится к полюсным наконечникам, привинченным к основанию. Между Симмсом и Бошем было заключено соглашение, по которому эта машина должна была называться магнето Simms-Bosch, и все дальнейшие патенты, связанные с зажиганием от магнето, полученные каждой из них, должны были быть получены под их совместными именами во всех странах. Компания Bosch также обязалась поставлять эти магнето в Великобританию исключительно компании Simms Manufacturing Co., Ltd, в то время как Симмс оставил за собой право выкупить за наличные половину доли Bosch в британских патентах. В течение 1899 г. он проводил эксперименты с низковольтовым магнето, имеющим вращающийся якорь, в сочетании с высоковольтной катушкой, тем самым исключив из конструкции низковольтную свечу с ее механизмом разрыва. Затем инженер компании Bosch усовершенствовал систему, объединив обмотки низковольтной и высоковольтной катушек на одном якоре вместе с конденсатором для предотвращения искрения на прерывателе контактов. Эта машина появилась в 1900 г., и с тех пор зажигание от высоковольтного магнето стало быстро развиваться. Поскольку патент на этот тип магнето получить не удалось, появилось множество конкурентов.

Позднее, после определенных разногласий с Bosch, в октябре 1907 г. компания Simms Manufacturing Co., Ltd была преобразована в Simms Magneto Co., Ltd, и результатом стало появление британского магнето Simms. До войны 1914–1918 гг. было выпущено около 43 000 таких аппаратов. Однако снижение цен компанией Bosch вынудило концерн Simms закрыть свои предприятия за 18 месяцев до начала войны, и завод вместе с частью персонала перешел во владение британской компании Thomson Houston Co., Ltd. Эти усилия по поддержке индустрии магнето в Великобритании обошлись Симмсу более чем в 31 000 фунтов стерлингов. В начале 1913 г. он основал компанию Simms Motor Units, Ltd, которая благодаря американскому партнеру смогла во время войны удовлетворить острую потребность в магнето, импортируя большие партии американских машин Simms, а также возобновив производство в Великобритании. Американские заводы впоследствии перешли в руки Bendix Aviation Corporation [3].

Магнето низкого напряжения фирма Bosch серийно производила до 1925 г. Электрическая дуга, образующаяся при разрыве тока, произведенного магнето низкого напряжения, считалась значительно превосходящей по эффективности проскакивающую искру высокого напряжения. Прибиваемого искрой воздушного промежутка в 5–6 мм, по первоначальному мнению, было достаточно только для средних давлений в цилиндре (6–8 кгс/cм²), а незначительная толщина и бледно-голубой цвет искры якобы указывали на ее невысокую температуру и интенсивность. Поэтому утверждалось, что такая искра может воспламенить только самым тщательным образом подготовленную топливную смесь.

Действительно, при зажигании низкого напряжения путем размыкания контактов в камере сгорания двигателя образовывалась вольтова дуга, обладающая столь высокой температурой, что при этом происходило окисление азота. Но поскольку дуга протекала при невысоком напряжении, вокруг электрода возникало незначительное электрическое поле. Напротив, при зажигании высокого напряжения проскакивающей электрической искрой, под влиянием электрического поля и разряда происходило превращение кислорода О₂ в расщепленный ионизированный кислород О1, который является активным катализатором воспламенения и ускоряет процесс горения. Вследствие этого зажигание электрической искрой высокого напряжения оказалось более эффективным, и эта эффективность увеличивается с повышением напряжения искрового разряда.

К недостаткам магнето относили невозможность получить для каждой вспышки несколько искр (для этого использовалось устройство, называемое Trambler), т.к. считалось, что зажигание от серии искр до 15% улучшает работу двигателя, и то, что опережение зажигания приводит к уменьшению напряжения и силы тока, так как индукция максимальна в момент разрыва магнитных линий.

Принято считать, что электрическое зажигание впервые разработал Ф. Лебон (1767–1804 гг.) и использовал его в экспериментах с двухтактным двигателем в 1801 г. В 1854 г. Барсанти (Barsanti) и Маттеучи (Matteuci) использовали электрическую искру в своем двигател. Если на Парижском автомобильном салоне в 1902 г. не было автомобилей с искровым зажиганием от магнето (22% автомобилей имели магнето с зажиганием отрывом и 74% – батарейное зажигание), то в 1905 г. 39% автомобилей-экспонатов имели зажигание отрывом, 50% – искровое зажигание от магнето и только 11% – батарейное зажигание. В 1906 г. на автомобильной выставке в Берлине аккумуляторное зажигание имели только 2,5% автомобилей, отрывом – 23,5; искровое – 37,5%, двойное – 36,5% [3].

Для искрового зажигания тогда применяли четырехвольтовые аккумуляторы. Обеспечить герметичность их полюсных выводов являлось сложной задачей, а утечки электролита приводили не только к коррозии, но и к замыканию. Некоторые производители экспериментировали с желатинообразными электролитами (гелями) или впитывающими материалами (стеклянная вата), но такие аккумуляторные батареи обладали худшими характеристиками. Их звездный час наступил через 100 лет, как ноу-хау XXI века. Аккумулятор имел запас энергии примерно на 1000 км [4]. Зарядку аккумуляторной батареи, состоящей из двух аккумуляторов, дающих напряжение 4,2 В, требовалась производить при падении напряжения до 3,6 В, чтобы избежать сульфатации пластин.

Первой фирмой, предложившей зажигание искрой от магнето, стала в 1901 г. фирма Ernst Eisemann Werke AG. Основанная в 1890 г. в Штутгарте, она занималась изготовлением проигрывателей виниловых пластинок. К производству магнето и свечей зажигания фирма приступила в 1900 г. Eisemann создала систему искрового зажигания на базе своего магнето низкого зажигания, применив располагающуюся отдельно индукционную катушку. Несмотря на преимущество моноблочного агрегата зажигания такая система позволяла использовать одну катушку зажигания при установке батарейной системы зажигания. Спаривание систем зажигания давало выигрыш не сколько в надежности, сколько облегчало пуск – с увеличением литража двигателей провернуть их с достаточной скоростью, чтобы магнето индуцировало достаточную искру, становилось сложнее. Поэтому батарейное зажигание использовалось для пуска.

В 1906 г. фирма Eisemann предложила двойное зажигание, для которого требовался специальный низковольтный распределитель, замыкающий первичный ток индукционного устройства в момент зажигания. Применялся более сложный вариант с двойной катушкой «Карпенье» или сложная система с индукционными устройствами для каждого цилиндра.

Зажигание от высоковольтного магнето Bosch разработал в январе 1902 г. Готтлоб Хонольд (Gottlob Honold, 1876–1923 гг.) путем переработки низковольтного магнитоэлектрического аппарата с вращающейся втулкой: последовательным присоединением второй обмотки из тонкого изолированного провода с большим количеством витков к толстой обмотке якоря [5]. Такое магнето позволяло избавиться от сложного механизма образования искры, повысить ее эффективность за счет увеличения напряжения тока с менее 100 В до 8000 В.

Магнитоэлектрический аппарат высокого напряжения впервые сконструировал во Франции в 1900 г. М. Будевил [6], который, однако, забыл включить в свою систему конденсатор для предотвращения образования искр на контактах прерывателя. Столь важную часть устройства зажигания, как подключение конденсатора к прерывателю катушки Румкорфа для предотвращения чрезмерного искрения на контактах, его великий соотечественник Арман Ипполит Луи Физо (Armand-Hippolyte-Louis Fizeau, 1819–1860 гг.) предусмотрел еще в 1853 г. [7].

24 сентября 1902 г. фирма Bosch поставила первое зажигание с магнето высокого напряжения под заводским номером 14417 для компании DMG. Работу над его конструкцией Готтлоб Хонольд начал летом 1901 г. [8]. В 1902 г. Bosch изготовил первые 300 свечей зажигания, также разработанных Г. Хональдом. В 1903 г. началось производство магнето высокого напряжения Bosch типа DA c вращающимся якорем, выполненного по классической схеме, с магнитной системой в виде постоянного магнита дугообразной формы, в котором вращается якорь с двумя обмотками: первичной и вторичной. Один конец первичной обмотки (играющей ту же роль, что и трансформаторная катушка зажигания, но также служащая источником тока) присоединялся к телу сердечника якоря, а последний посредством трущегося о поверхность тела якоря контакта связывался электрически с массой корпуса. К концам первичной обмотки присоединялся прерыватель и конденсатор, служащий для устранения искрения контактов прерывателя. Прерыватель устанавливали на задней части вала ротора. Разрыв тока в первичной обмотке происходил при каждом максимуме силы тока. Вторичная обмотка, окружающая первичную, одним своим концом заканчивалась изолированным металлическим кольцом. С кольца ток высокого напряжения передавался прижимаемому пружинкой коллектору, попадал на механизм распределения и направлялся к свечам. При вращении якоря во вторичной обмотке возникал индуктированный ток высокого напряжения.

Источники и литература

1. Патент GB15411, GB189715411A от 31.07.1897.
2. Bottone S.P. Ignition Device for Motors. New Edition. Fhiladelphia David McKAY. 1911. P. 64.
3. How the Magneto Was Developed// Commercial Motor 20th February 1942, Page 19.
4. Löwy J. Die Zündung bei Automobilen u. Motorfahrrädern. Richard Carl Schmidt & Co. Leipzig 1906. S. 5–7.
5. Писаренко Г. Автомобиль. Общедоступное руководство для владельцев и шоферов. 1915. Петроград. С. 178.
6. Honold G. Improved Magneto-electric Ignition Apparatus for Gas Engines. Patent GB190202736A.
7. Патент Франции 263119 от 16 января 1897 г. и дополнительный патент от марта 1900 г.
8. Kulebakin V. Elektrische Hochspannungszündapparate. Verlag von Julius Springer. Berlin. 1924. S. 1.