Zapalovací obvody v elektrickém příslušenství motorových vozidel U spalovacích motorů se prakticky používají dva způsoby zapalování paliva v pracovním prostoru. U vznětových motorů je to zapalování kompresním teplem a u zážehových motorů se jedná o zapalování vysokonapěťovou jiskrou. Zapalování elektrickou jiskrou je velice výhodné, zejména proto, že lze velmi přesně nastavit okamžik zapálení směsi v pracovním prostoru a tím dosáhnout maximálního výkonu spalovacího motoru. Také lze umístit středisko zapálení směsi do vhodné polohy ve spalovacím prostoru se zřetelem na rychlosti hoření směsi i na způsob šíření plamene.
Hlavní části zapalovací soustavy 1. Spínací skříňka - zapnutí či vypnutí, klíček v zapalování 2. Zdroj elektrické energie - akumulátor (dodání energie pro start motoru) a alternátor (dodávání energie, je-li motor v chodu) 3. Zařízení pro úpravu elektrické energie - cívka zajišťuje přeměnu napětí používaného vozidla na napětí potřebné pro zapálení směsi ve válcích 4. Zařízení pro rozdělení elektrické energie - rozdělovače k jednotlivým válcům motoru 5. Vysokonapěťové kabely - elektrické vedení ke svíčkám jednotlivých válců 6. Elektrické zapalovací svíčky - přeskočení elektrické jiskry, zažehnutí palivové směsi Údržba spočívá v pravidelné výměně zapalovacích svíček a seřízení zapalovací soustavy Zanedbání stavu zapalovací soustavy vede ke snížení výkonu motoru a zvýšení spotřeby benzinu
Zapalovací svíčka Vysokonapěťová zapalovací svíčka musí splňovat stále náročnější požadavky, neboť se zvyšují měrné výkony a rozšiřuje pracovní rozsah motorů a zvětšují se nároky na dobu života při menší údržbě. Náročnou částí je svíčka proto, že zasahuje do spalovacího prostoru, kde pracuje v těžkých podmínkách, v nichž se v rychlém sledu střídají teploty 2 000 až 2 500 °C a tlaky až 6 MPa při hoření, s teplotami okolo 60 °C a s podtlakem při sání motoru. Materiály svíčky musí snášet velké teplotní spády, odolávat chemicky velmi agresivnímu prostředí a izolátor svíčky musí bez poškození a bez velkých energetických ztrát snášet napěťové rázy až 25 kV.
Zapalovací svíčka se skládá ze střední elektrody, keramického izolačního tělesa a z kovového pouzdra nesoucího elektrodu, šroubení, kterým se svíčka zašroubuje do hlavy válce tak, aby svým spodním koncem zasahovala do spalovacího prostoru. Do koncovky ústí kabel vysokého napětí, přiváděného z rozdělovače. Zápalná směs se zapálí, přeskočí-li jiskra mezi elektrodami. Pro velmi namáhavý provoz se na konce elektrod navářejí slitiny wolframu, platiny nebo iridia. Střední elektroda je někdy i stříbrná. Střední elektroda bývá nejčastěji v izolátoru uchycena polovodivým křemíkovým zátavem. Toto řešení je technicky výhodné. Při vysoké teplotě zátav sline s materiálem izolátoru, takže zajišťuje dokonalé utěsnění. Střední elektroda je v zátavu lépe mechanicky uchycena, což zajišťuje její polohu vůči izolátoru, která je důležitá pro správnou činnost svíčky.
Bateriové zapalování Vysoké napětí pro zapalovací jiskru vzniká postupnou transformací energie z akumulátoru na elektrody zapalovací svíčky. Při sepnutí kontaktů přerušovače prochází primárním vinutím cívky proud, který vytváří magnetický tok a předává tím energii do magnetického obvodu cívky. Při přerušení styku kontaktů se proud v primárním obvodu rychle zmenšuje a změnou magnetického toku se indukuje do primárního i sekundárního vinutí cívky napětí. Paralelně ke kontaktům přerušovače je připojen kondenzátor C, který se v okamžiku rozpojení kontaktů přerušovače zapojí do primárního obvodu. Účelem kondenzátoru je potlačit, nebo alespoň značně omezit elektrický výboj na kontaktech při přerušování proudu. Kdyby nebyl kondenzátor zapojen paralelně ke kontaktům, způsobilo by i poměrně malé indukované napětí při malé vzdálenosti kontaktů na začátku zdvihu mezi nimi vznik výboje. Při dalším vzdalování kontaktů by se oblouk jen prodloužil a nezhasl, dokud by se v něm nespotřebovala téměř celá energie, akumulovaná do magnetického pole zapalovací cívky. Napětí na sekundární straně by bylo malé a jiskra na svíčce by nemohla přeskočit.
Zapalovací cívka Zapalovací cívka funguje jako transformátor. Je schopna akumulovat energii do vlastního magnetického pole a předat ji do obvodu s vysokým
napětím.
Uspořádání
primárního
vinutí
vně
a sekundárního vinutí pod ním má tyto výhody: Primární vinutí se dobře chladí. Má dobrou vazbu se sekundárním vinutím, protože jeho vrstvy sahají až za prodloužené izolace sekundárního vinutí. Primární vinutí má větší odpor, než kdyby bylo uspořádáno u jádra. Větší odpor zkracuje časovou konstantu. Časová konstanta τ = L/R, L je indukčnost a R odpor primárního vinutí. Sekundární vinutí má menší rozměry a tudíž i menší vnitřní kapacitu. Snadno se vyvede vysoké napětí přímo pomocí odizolovaného železného jádra. Po sepnutí kontaktů přerušovače začíná nabíjecí pochod až do okamžiku rozpojení kontaktů přerušovače.
Přerušovač Spínáním a rozpínáním kontaktů určuje přerušovač dobu, kterou je primární obvod spojen. Přerušovač se skládá z pevného nastavitelného kontaktu a z pohyblivého kontaktu ovládaného vačkou, jejíž tvar určuje počet jisker v jedné otáčce a podmínky pohybu přerušovače. Přerušovač je pracovně i konstrukčně velmi náročná část, protože je značně namáhán mechanicky i elektricky. Musí zajišťovat spolehlivý kontakt bez velkého úbytku napětí, rozpojovat obvod s indukčností v přesném čase a s velkým počtem přerušení za sekundu a na spolehlivosti jeho činnosti závisí práce motoru. Opotřebení kontaktů v provozu je mechanické a elektrické. Za běžných pracovních podmínek je mechanické opotřebení poměrně malé. Elektrické zatěžování způsobuje, jednak opal kontaktů, jednak přenos materiálu z jednoho kontaktu na druhý, projevující se tím, že se na prvním kontaktu vytváří kráter a na druhém kontaktu špička.
Rozdělovač Přerušovač s kondenzátorem a zařízením pro automatické nastavování předstihu tvoří obvykle jeden konstrukční celek s rozdělovačem. V soupravách, u nichž zapalovací cívka pracuje pro několik válců, slouží rozdělovač k přepínání zdroje vysokého napětí ke svíčce, která má právě zapalovat. Rozdělovač se skládá z hlavice rozdělovače, která je zpravidla z hmoty s dobrými izolačními vlastnostmi a ve které jsou zalisovány vložky pro přívody k jednotlivým svíčkám, z
rozdělovacího
rozdělovači
rotoru,
rameno
a
který ze
nese
sběracího
kartáče, jímž se přivádí vysoké napětí z přívodu
od
zapalovací
cívky
na
rozdělovači rameno. Proud z otáčejícího se rotoru se přivádí na vložky hlavice rozdělovače a tedy k jednotlivým válcům motoru výbojem přes vzduchovou mezeru 0,3 až 0,5 mm.
Elektronické zapalování Hlavní výhodou elektronických zapalování je, že mohou být použita pro výkony a podmínky, v nichž spolehlivá činnost klasické zapalovací soustavy je již vlivem mechanických i elektrických mezí přerušovače s mechanickými kontakty mimo technické možnosti. Za mez pro kontaktový přerušovač se pokládá zpravidla 400 zážehů za sekundu. Elektronickým
bezkontaktovým zapalováním pro závodní vozy se již dosahuje 1 000 zážehů za sekundu. Jinou výhodou, velmi ceněnou u užitkových i závodních vozidel, je prodloužení období údržby nebo seřizování, které u klasických soustav rovněž závisí na přerušovači. Elektronické zapalování je možné rozdělit do těchto skupin: •
Zapalování s elektronickým odlehčením kontaktů přerušovače.
•
Elektronické zapalování s použitím klasického přerušovače.
•
Elektronické zapalování bezkontaktní.
•
Plně elektronické zapalování bez mechanických prvků
Plně elektronické zapalování Tradiční rozdělovače tranzistorových zapalovacích systémů s odstředivou a podtlakovou regulací předstihu realizují jen jednoduché regulační charakteristiky. Tyto charakteristiky proto převážně odpovídají jen požadavkům optimálního provozu motoru. U těchto elektronických zapalování odpadá mechanické přestavení předstihu
v rozdělovači
a u modernějších typů i mechanický rozdělovač vysokého napětí. Každý válec se pak zapaluje přímo svou vlastní cívkou. K tomu však řídicí jednotka potřebuje ještě další vstupní informaci, a to od snímače na vačkové hřídeli. Pomocí tohoto snímače řídicí jednotka rozpoznává pracovní takt válců a podle toho ovládá pořadí zapalování na jednotlivých cívkách. Výhody plně elektronického zapalování: •
přestavení předstihu může být lépe přizpůsobeno individuálním a rozmanitým požadavkům, které jsou na motor kladeny;
•
je možné zahrnout další řídicí parametry (např. teplotu motoru);
•
dobré chování při startu, lepší řízení volnoběžných otáček a nižší spotřeba paliva;
•
rozšířené získávání provozních dat,
•
realizovat regulaci klepání,
•
zapalování je zcela bezúdržbové
Základní sestava měřících přístrojů pro diagnostiku zapalování Základní sestava by měla obsahovat multimetr, stroboskopickou pistoli a přístroj pro měření a vytváření podtlaku. Při vhodném výběru umožní změřit základní parametry soustavy a najít příčiny podstatného počtu případných závad. Avšak vzhledem k omezeným možnostem těchto přístrojů bývá pracnost zjištění mnoha příčin a vyhledání místa a původce závady značná. Bude třeba přistupovat i ke zkusmé záměně podezřelých dílů za vědomě dobré a provádět opakovaná srovnávací měření. Také pro vyhodnocení provedených zkoušek a utvoření správných závěrů je potřebná podstatně větší zkušenost, než je tomu při použití "chytřejších" přístrojů (osciloskop, motortester apod.). Diagnostika bateriového cívkového zapalování V případě, že motor vozidla nejde nastartovat a provedené zkoušky prokázaly vyhovující stav baterie, je třeba ověřit, zda nedochází k úbytkům napětí v primárním proudovém obvodu. Ty mohou být způsobeny špatnými kabelovými svorkami, zoxidovanými kontakty, zkratem na kostru karosérie, závadami izolace, zlomením kabelu apod. Mezi baterií a zapalovací cívkou je přípustný úbytek napětí při zapnutí spínače zapalování 0.4 V u 6 V soupravy a 0.8 V u 12 V soupravy. Jestliže bude úbytek větší, připojí se voltmetr jedním přívodem ke kladné svorce baterie a druhým postupně přes spouštěč, spínací skříňku až k zapalovací cívce. Tím se proměří celý primární obvod a zjistí příčina nadměrného úbytku napětí. Předřadný odpor zapalovací cívky a jeho zkratovací obvod, tj. spínací kontakt ve spouštěči se nejsnáze ověří změřením napětí na svorce 15 zapalovací cívky, tj. za předřadným odporem a to při zapnutí spouštěče. Měření se provede i při odpojeném přívodu 15a ze spouštěče k předřadnému odporu, tj. ke svorce zapalovací cívky, ke které je odpor připojen. V tomto případě musí být naměřená hodnota menší o úbytek napětí na odporu, zatímco s připojeným přívodem je to napětí baterie, nepatrně snížené o úbytek napětí na kabeláži mezi baterií, spínačem spouštěče a svorkou 15 cívky. Primární vinutí zapalovací cívky se kontroluje změřením jeho odporu ohmetrem připojeným ke svorkám 15 cívky. Během měření nesmí být k cívce přivedeno napětí baterie, tj. spínač zapalování je vypnut. Naměřená hodnota je závislá na typu zapalovací cívky a měla
by být v souladu s údajem výrobce. Pokud tento není k dispozici, lze vycházet z praxe, tj. hodnota by měla být v rozmezí od 0,5 do 6 Ohm. Ohmetrem lze změřit za obdobných podmínek i hodnotu odporu sekundárního vinutí zapalovací cívky a to mezi svorkou 1 (připojení rozdělovače) a 4, tj. vn koncovkou. Hodnota jeho odporu by měla ležet v rozmezí 4 až 20 kOhm. I zde platí především údaj výrobce. Uváděné hodnoty se zpravidla vztahují k teplotě zapalovací cívky rovné +20 °C, pro každý stupeň nad tuto hodnotu se může hodnota odporu zvýšit asi o 0,5 %. Tato měření jsou pouze informativní a nemohou sloužit pro hodnocení zapalovací cívky, protože výrobní tolerance jsou u mnoha typů dosti velké. Kontakty přerušovače a jejich nastavení mají velký vliv na vytvoření vysokého napětí. Stav kontaktů se ověřuje jednak prohlídkou a poté zjištěním přechodového odporu při jejich sepnutí. Prohlídka se má zaměřit především na opálení kontaktů. Menší opálení je bezvýznamné, při větším opálení je vhodné kontakty nahradit novými. Dříve běžné odstranění opálení kontaktů pilníkem na kontakty se dnes nepoužívá. Při bezvadném stavu jsou plochy kontaktů ledově modré. Silné zbarvení kontaktů do hněda svědčí o jejich nízkém tlaku, zřetelně zmodralé kontakty ukazují na závadu zapalovací cívky nebo kondenzátoru zapalování. Plochy kontaktů musí být vzájemně postaveny tak, aby vznikla co největší styčná plocha. Plochy musí být prosty tuku, oleje a jakýchkoliv cizích částic. Po vizuální prohlídce kontaktů přerušovače se ověří jejich přechodový odpor. Měří se prostřednictvím úbytku napětí na kontaktech vzniklého jejich opáleními, nečistotami, mastnotami a zaolejováním, ale i jejich zešikmením, dále špatným vnitřním propojením mezi přerušovačem a kostrou, jakož i vyběhaným ložiskem a opotřebovanou rozdělovačovou vačkou. Přitom se odhalí, co nemůže být zjištěno vizuální prohlídkou. Při zkoušce se připojí stejnosměrný voltmetr mezi svorku 1 rozdělovače a kostru vozidla. Při sepnutých kontaktech přerušovače se zapne spínač zapalování (spínací skříňka bez zapnutí spouštěče). Není-li úbytek napětí větší než 0.15 V, je stav kontaktů vyhovující. Je-li vyšší, je třeba kontakty očistit, a pokud nadále nebude stav vyhovující, kontakty vyměnit. Nebude-li ani potom dosaženo úbytku napětí pod 0.15 V, musí být vyměněn celý rozdělovač.
