Ток по жилам

Требования

Одна из важнейших задач, стоящих перед производителями современных автомобилей, состоит в том, чтобы совместить повышение эффективности двигателя и снижение расхода топлива. Современная битва за экологию, выраженная во введении евростандартов, также оказала колоссальное влияние на развитие новых технологий в автомобиле, в том числе конструкции зажигания. Внедрение электронного управления зажиганием привело к увеличению мощности электрического импульса, что улучшает сгорание топлива и необходимо для контроля за выбросом СО₂ в выхлопных газах.

Применение новых подходов в производстве высоковольтных проводов обусловлено целым рядом требований. Высоковольтные провода должны сохранять рабочие характеристики в условиях увеличения средней температуры подкапотного пространства из-за установки все большего количества оборудования. С установкой турбин и каталитических нейтрализаторов эти показатели стали еще более значительными. Провода должны обладать безупречной влагонепроницаемостью, стойкостью к  воздействию химических веществ (тормозная жидкость, электролит, масло, топливо, антифриз), обладать достаточной механической прочностью (для растяжения при снятии и вибрации во время работы), быть эластичными (для правильной укладки, исходя из геометрии двигателя).

Основной функцией высоковольтных проводов (ВВП) в системе зажигания является  передача необходимого тока к свече зажигания с минимальными потерями. Однако параллельно с увеличением количества бортового электрооборудования во избежание помех при его работе стало необходимым учитывать также электромагнитную совместимость (ЭМС).

Сначала борьба с помехами велась в пользу радио- и телеаппаратуры. И закон, предусматривающий оснащение высоковольтных проводов механизмом подавления помех, был принят в Европе еще в 1957 г. Сегодня электромагнитные помехи – опасное явление: помехи могут вмешаться в работу блока управления подушками безопасности или ABS. 

Исходя из критериев ЭМС, нулевое сопротивление проводов больше не является идеальным, так как создает помехи для работы электрооборудования. ВВП рекомендуются для определенной системы зажигания с позиции мощности искрообразования, так как значительное увеличение сопротивления означает потери в силе разряда. Непредусмотренное чрезмерное сопротивление ВВП влечет за собой ухудшение сгорания и повышенное потребление топлива, позднее зажигание и «тупость» мотора. При неблагоприятных условиях двигатель может даже не завестись. Поэтому ВВП с высоким распределенным сопротивлением не рекомендуется использовать, например, для систем зажигания ВАЗ.

Европейские стандарты к производству высоковольтных проводов регулируются в ISO 3808 и ISO 6856 (для экранированных проводов). Также производственные стандарты описаны в  спецификации J2031 Сообщества автомобильных инженеров (SAE). Требования европейских стандартов (переутверждены в 2002 г.) являются более прогрессивными, чем ГОСТ 14867-79, принятый еще в советские времена. Поэтому рассмотрим требования к ВВП на основах евронорм.

ВВП должны сохранять свои токопроводящие свойства в условиях агрессивной подкапотной среды (влияние паров топлива, ГСМ), а также озонирования и перепада температур. Высоковольтные провода подразделяются на шесть классов, в зависимости от предельных рабочих температур (табл. 1). Требования к минимальным значениям изначально рассчитываются, исходя из умеренного европейского климата. Стандартные испытания большинства европейских производителей подразумевают диапазон рабочих температур от –30 до +105/120°С. Считается, что пуск и работа двигателя при более низкой температуре являются пагубными для двигателя в целом. Так как условия российской эксплуатации нередко значительно более суровы, рекомендуются классы с подходящими характеристиками.

Таблица 1. Классы проводов по DIN-ISO 3808

Устройство проводов

Основными элементами высоковольтных проводов являются токопроводящая жила,  защитные слои изоляции, контакты и защитные колпачки.

Тип проводов различают, исходя из материала, исполнения токопроводящей жилы (сердечника) и его сопротивления (табл. 2). Приведем более расширенную, нежели в прошлом номере, классификацию проводов в соответствии с международной практикой. Обычно выделяют четыре основных типа современных высоковольтных проводов: 1 – с медным сердечником, 2 – с другим металлическим сердечником, 3А и 3В – с неметаллическим сердечником и распределенным сопротивлением (А – низким, В – высоким), 4 – с неметаллическим сердечником и индуктивным реактивным сопротивлением.

Таблица 2. Типы проводов и сопротивление

1, 2 – ВВП с медным сердечником (или из других металлов)

Как правило, многожильные. Были повсеместно распространены в системах зажигания «классического» образца. Применяются в качестве первичного оснащения во многих отечественных автомобилях. Для увеличения коррозионной стойкости медные провода зачастую обрабатывают оловом (путем лужения).

Медные провода имеют так называемое «нулевое» сопротивление (порядка 0,02 Ом/м), что обеспечивает передачу энергии практически без потерь. Однако для стабильной работы автомобильной электроники такие провода нуждаются в дополнительных помехоподавляющих резисторах, которые размещают в наконечниках. Сопротивление провода с резистором имеет величину от 1 до 6,5 кОм.

3А, 3В – ВВП с неметаллическим сердечником и распределенным сопротивлением

Благодаря распределенному сопротивлению по всей длине провода не требуют установки резисторов. Различают ВВП типа 3А – с малым распределенным сопротивлением, от 3 до 9 кОм/м (для отечественных автомобилей может быть и меньше 3 кОм), и типа 3В – с большим распределенным сопротивлением, от 9 до 40 кОм/м, для автомобилей с повышенными требованиями ЭМС. 

Токопроводящая жила может изготавливаться из различных материалов: хлопчатобумажной пряжи, пропитанной сажевым раствором, различных полимерных материалов, стекловолокна с графитовой пропиткой. Пропитка применяется для улучшения токопроводимости. Для придания большей прочности на растяжение армируется углеродной или  другой оплеткой.

4 – ВВП с неметаллическим сердечником и индуктивным реактивным сопротивлением

Сердечник изготовлен из стекловолокна, пропитанного графитом, льняной нити или кевлара (сверхпрочное синтетическое волокно). Поверх токопроводящей жилы находится проводящий слой из ферропласта (металлонаполненная электропроводящая пластмасса), вокруг которого намотана проволока из нержавеющей стали.

Так же как в катушке, здесь возникает индуктивное напряжение (электромагнетизм). В таких проводах при изменении тока образуется изменяющееся магнитное поле. Возникает явление самоиндукции, препятствующее изменению тока. Это явление обозначается как «реактивная энергия», а индуктивное сопротивление – как «реактанс». Сопротивление таких проводов колеблется в зависимости от частоты вращения двигателя. Один метр такого кабеля, как правило, имеет помехоподавляющий резистор от 1,8 до 2,2 кОм.

Неисправности: нарушение проводимости тока может происходить из-за обрыва сердечника или в местах плохого соединения контактов. Обрыв сердечника наступает вследствие механического повреждения или из-за потери эксплуатационных свойств. Работа системы зажигания с такой неисправностью может привести к пробою высоковольтной изоляции, а также к выходу из строя коммутатора.

Медная токопроводящая жила может быть подвержена окислению. Углеродная токопроводящая жила, исчерпав свой ресурс, выгорает внутри изоляции, продолжая проводить ток через пути наименьшего сопротивления – оплетку, пропитку или слой поверхностных загрязнений.

Диагностика: важно учитывать, что сопротивление провода возрастает с выработкой ресурса, старением, загрязнением силиконового проводника, окислением контактов или установкой слишком длинного провода. Увеличение сопротивления или повреждение провода одного из цилиндров влияет на искрообразование только этого цилиндра, неисправность центрального провода – отражается на всех цилиндрах.

 Сопоставить значение сопротивления можно с помощью измерения мультиметра. Так же обнаруживается возможный обрыв сердечника. Для этого необходимо настроить его на 20 кОм. Допустимые значения проводов: медного – от 1 до 6,5 кОм, с распределенным сопротивлением – из-за разной длины проводов следует умножать на коэффициент. Отличия показателей от сопротивления, указанного на изоляции, должны быть небольшими.

Для проводов с обвивкой токопроводящей жилы этот способ некорректен, так как при работе на разных режимах двигателя величина их сопротивления меняется. Это обусловлено конструктивными особенностями.

Изоляция проводов

Изоляция препятствует утечкам тока и обеспечивает сохранность сердечника от механических повреждений, воздействия агрессивной среды в подкапотном пространстве. Одним из наиболее важных критериев ВВП является значение пробивного тока – максимальная величина, при которой провода сохраняют токопроводимость. Эти значения по ISO 3808 составляют: для 5-мм провода – 25 кВ, для 7-мм и 8-мм провода – 35 кВ.

Изоляция должна обладать стойкостью к таким условиям: атмосферным явлениям и озону, влаге, ГСМ, испарениям топлива, высоким и низким температурам.
Из-за двойной функции изоляции покрытие диэлектрическими материалами зачастую делают многослойным: внутренний слой препятствует утечкам тока, внешний обеспечивает защиту от агрессивной среды. В условиях больших температурных колебаний немаловажным фактором является также пластичность изоляционных материалов. Это имеет существенное значение для правильной укладки проводов в случае переустановки. Бывалые автолюбители наверняка помнят ВВП советского автопрома, которые со временем буквально «застывали» в одном положении. Во избежание подобных явлений в современной изоляции применяются стойкие к температурным амплитудам комбинированные слои эластичных пластиков и резины. Для увеличения механической прочности изоляции применяются армирующие оплетки, выполненные из ткани, стеклоткани, хлопчатобумажных волокон, капрона или полимеров.
В зависимости от качеств изоляционных материалов провода классифицируются по соответствующим категориям DIN-ISO 3808 (табл. 1). Выбор изоляции производителем неслучаен и зависит от условий работы в моторном отсеке. На это влияют компоновка двигателя, наличие турбины, каталитического нейтрализатора (температура которого может достигать порядка 500–600°С) и величина энергии, посылаемой от катушки к свече. Наиболее распространенными изоляционными материалами являются:

1. PCV (ПВХ) – полихлорвинил или подобные сочетания. Применяется в основном в бюджетных версиях ВВП. Относится к классам A и B (табл. 1).
2.  EPDM – этилен-пропиленовый каучук. Также могут использоваться другие вариации эластомеров, резины. Обладает отличной устойчивостью  к агрессивным средам и хорошими диэлектрическими свойствами. Рабочие характеристики превосходят ПВХ, относится к  классам С и D (табл. 1). 
3. Силикон. Впервые в высоковольтных проводах был применен в авиации. Обладает непревзойденными свойствами изоляции проводов от утечки тока и внешних воздействий. Плюсом силикона является также сохранение эластичности даже при низких температурах. Рекомендован производителями для работы в самых сложных условиях (в т.ч. на сжиженном газе). Понятие «полностью силиконовые провода» означает применение силикона (или неметаллических синтетических материалов) как в качестве изоляции, так и для токопроводящего сердечника. Относится к классам E и F (табл. 1).

Неисправности: нарушение целостности оболочки. Ухудшение изоляции становится причиной возникновения искры за пределами камеры сгорания. В результате мощность искры свечи падает, двигатель троит. Под действием неблагоприятных условий эксплуатации изоляция стареет – пластификаторы улетучиваются из пластика, в результате чего он становится хрупким. Растрескивание изоляции приводит к утечке напряжения зажигания на массу. Это означает пропуски зажигания, нестабильную работу двигателя (при наличии катализатора – в него попадает несгоревшее топливо и преждевременно выводит его из строя).

Важно: догорание топлива в катализаторе приводит к увеличению его температуры. Это не просто уменьшает его ресурс, но и крайне огнеопасно. «Забитый» катализатор раскаляется докрасна, что нередко приводит к возгоранию автомобиля. Поэтому рекомендуется менять провода незамедлительно, если они обесцветились или эксплуатируются очень долго (даже если их сопротивление в норме).

Причины. Ускоряет преждевременный износ изоляции постоянный контакт с агрессивными веществами (ГСМ, тормозная жидкость, антифриз и т.д.). Слой загрязнения на элементах систем зажигания является токопроводящим и увеличивает утечки тока во влажную погоду и при микротрещинах. Кроме того, износ изоляции значительно ускоряется. Рекомендуется следить за чистотой и пользоваться водоотталкивающими спреями для ВВП и других элементов системы зажигания. Повреждение оболочки может быть также следствием неправильного монтажа (острыми предметами, например отверткой), соприкосновения с горячими поверхностями (выхлопным патрубком), трения от вибрации о другие детали.

При работе двигателя на холостом ходу, малых нагрузках многие повреждения изоляции не проявляются, так как для искры на свече достаточно около 10 кВ, а для пробоя изоляции требуется в несколько раз больше. Потому режим испытания должен быть максимальным: пуск двигателя, резкое открытие дроссельной заслонки, работа двигателя на низких оборотах под максимальной нагрузкой. Симптомы пробоя высоковольтной изоляции иногда могут быть похожи с симптомами загрязнения изолятора свечи со стороны камеры сгорания.

Наконечники и колпачки

Наконечники (контакты) изготавливаются из металла и для придания коррозионной стойкости зачастую обрабатываются лужением. Предназначены для соединения токопроводящей жилы с выводами на свече, катушке зажигания и крышке распределителя.

Защитные колпачки призваны обезопасить места соединений токопроводящей жилы от утечек тока и воздействия внешней среды. Требования к материалам для производства наконечников также изменились со временем. Применение в моторостроении свечных колодцев до 20 см глубиной усиливает негативное влияние масляных, топливных паров, влаги и постоянной высокой температуры двигателя на ВВП. На смену более хрупкому карболиту в производстве защитных колпачков пришли различные сплавы эластичной и более стойкой к агрессивной среде резины.

Неисправности: чрезмерное окисление контактов из латуни или нержавеющей стали может происходить из-за постоянных высоких нагрузок и быть признаком старения. Это ведет к увеличению сопротивления провода и, как следствие, риску выхода из строя катушек зажигания.

Причины. Плохое качество/неплотность колпачков. Помимо естественного окисления из-за исчерпания ресурса, может быть спровоцировано попаданием влаги вследствие неплотного прижимания защитного колпачка. Зачастую вызвано небрежностью при установке или плохим качеством материала.

Также проблемным участком для токопроводимости могут быть места соединения металлических контактов проводов с соответствующими выводами деталей системы зажигания. Плохое соединение контактов зачастую связано с невниманием при монтаже. Это может спровоцировать нагрев и искрение, пробой искры и разрушение контактов, сердечника. При снятии/установке провода следует тщательно проверять места соединения.

Места соединений расшатываются из-за постоянной вибрации работы двигателя, что ухудшает контакт у ВВП из  слишком жестких материалов. Разница температур особенно сильно влияет на свечные колпачки: из-за нагретых деталей двигателя могут прикипать, из-за  слишком низких температур –  терять пластичность и становиться ломкими. Увеличивается вероятность повреждения колпачка при снятии. Следует уделять внимание качеству изоляции провода и защитных колпачков при выборе ВВП.

Диагностика неисправностей

Времена ремонта ВВП безвозвратно канули в Лету, если не брать в расчет отдельных «кулибиных». Это оставалось актуальным до тех пор, пока энергоемкость и мощность систем зажигания были невысоки, а формы колпачков и контактов автомобилей были типичны. В те времена большинство производителей выпускало провода метражом в бухтах и отдельно к ним карболитовые защитные колпачки.

Важно понять, что большинство неисправностей современных ВВП не поддаются ремонту. Исключение составляют окисленные контакты, которые можно попробовать очистить. При остальных неисправностях провода подлежат замене. Попытки замотать провода скотчем, изолентой не помогут ни при микротрещинах, ни при явном повреждении изоляции. Подобные средства изолирования токопроводящей жилы – лишь оправдание для автовладельца, на самом же деле усугубляют общую картину работы двигателя. ВВП поставляются полным комплектом, так как при повреждении одного провода остальные чаще всего также близки к исчерпанию своего ресурса.

Многие неисправности элементов зажигания можно выявить аудиовизуальным способом. Об этом свидетельствуют следующие симптомы: плохой запуск (особенно утром  в холодную сырую погоду), перебои в зажигании под нагрузкой, двигатель глохнет (при повреждении центрального провода), неравномерная работа на холостом ходу, потеря мощности, увеличение расхода топлива, радиопомехи. Неисправности наступают вследствие разрыва электроцепи или повреждения изоляции и зачастую сопровождаются загоранием на приборной панели значка check engine. Основные из них были перечислены выше и могут быть определены путем визуального осмотра. В случае, когда повреждения не удается обнаружить визуально, необходима диагностика.

Самый простой способ обнаружить нарушение изоляции – открыть моторный отсек при работающем двигателе в темное время суток или в темном помещении. В месте «пробоя» будет видна проскакивающая искра. В случае негерметичности уплотнений, микротрещин изоляции, а также при влажности воздуха может наблюдаться свечение вокруг ВВП или других приборов системы зажигания.

Также можно «прозвонить» утечку тока, подсоединив подходящий по длине провод к массе. Для этого необходимо зачистить провод с обоих концов, подсоединить одну сторону к массе, другой стороной провести вокруг элементов системы зажигания. В месте утечки тока будут проскакивать искры.

Также можно провести диагностику с помощью разрядника, предварительно отключив подачу топлива у автомобилей, оснащенных катализатором. Для диагностики нужно подсоединить разрядник к проводу и проворачивать коленвал с помощью стартера. При утечке тока или большом сопротивлении во вторичной цепи искра будет бледной и тонкой. Можно сымитировать работу разрядника, закрепив наконечник провода на небольшом расстоянии от металлической детали двигателя. Более точные результаты можно получить с помощью мотор-тестера.

Последствия работы на неисправных ВВП

Резервы высокого напряжения и энергии зажигания должны быть достаточны для того, чтобы компенсировать все электрические потери. Неправильное обслуживание системы зажигания, эксплуатация неисправных ВВП ведут к уменьшению этих резервов и нарушениям в процессах воспламенения и сгорания.

При утечке тока становится невозможным создать достаточную разность потенциалов на электродах свечи. Как следствие, не происходит полноценного фронта горения топливовоздушной смеси из-за пропусков в работе зажигания. Это вызывает тряску двигателя, повышенный расход топлива и снижает динамические характеристики автомобиля. Остатки горения, с повышенным количеством углеводородов догорая в каталитическом нейтрализаторе, выводят его из строя вместе с датчиками отработавших газов («отравление» кислородного датчика).

Эксплуатация неисправных ВВП напрямую отражается также на элементах системы зажигания. Это может привести к пробою изоляции свечей или окислению их контактов, выводу из строя катушек зажигания, распределителя, коммутатора. Утерянный разряд из неисправного провода может привести к возгоранию в моторном отсеке. Также  неисправность ВВП не просто создает электромагнитные помехи в работе бортовой электроники, но реально отражается на его работоспособности. Работы разных систем автомобиля тесно взаимосвязаны, и неисправность системы зажигания нельзя игнорировать. В отдельных случаях поломки в высоковольтных проводах приводят к разжижению масла, смыванию масляной пленки с цилиндров, снижению давления и, как следствие, к механическим повреждениям двигателя и трансмиссии.

Как избежать неисправностей

Производители рекомендуют заменять высоковольтные провода, не дожидаясь их выхода из строя. Регламент замены колеблется от 70 до 90 тыс. км или ограничен тремя годами эксплуатации.  В любом случае ВВП нуждаются в регулярном осмотре и периодической диагностике. 

Для того чтобы избежать банальных неисправностей и преждевременного выхода из строя, не следует пренебрегать простыми правилами при монтаже:

– чтобы избежать обрыва при снятии, необходимо тянуть не за сам провод, а за его защитный колпачок. Для облегчения снятия рекомендуется предварительно повернуть наконечник на четверть оборота;

– при снятии наконечник следует извлекать прямо, не перекручивая. В противном случае можно повредить керамический изолятор свечи;

– при укладке провода необходимо следить, чтобы он не деформировался и не касался горячих частей;

– для оптимальной работы необходимо следить за правильностью установки проводов в соответствии с их длиной.