ZAPALOVÁNÍ 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.
TEORIE ZAPALOVÁNÍ Plyn se skládá z volně pohyblivých molekul, které jsou při normálním tlaku tak vzdáleny, že se plyn chová jako izolant. Výboj mezi elektrodami znamená průchod elektrického proudu, což je pohyb nosičů elektrických nábojů, které se tedy musí do prostoru mezi elektrody dostat z okolního prostoru, z elektrod, nebo musí vzniknout v plynu. Nosiče elektrických nábojů neboli ionty vznikají působením ionizačních činidel. Tím může být radioaktivní záření, vysoká teplota, fotony nebo elektrické pole. V elektrickém poli se pohybují kladné ionty ke katodě a záporné k anodě. Výboj v plynech závisí na napětí mezi elektrodami, na druhu a tlaku plynu, na teplotě a na tvaru a materiálu elektrod. Přiložíme-li napětí určité velikosti na elektrody, začne mezi nimi protékat nepatrný proud, který je podmíněn působením vnějšího ionizačního činidla. Jedná se o nesamostatný výboj, který bez působení ionizačního činidla zaniká. Zvýšením napětí dochází k nárazové ionizaci. Urychlené elektrony narážejí na atomy a vytvářejí z nich kladné a záporné ionty. To je začátek doutnavého výboje, který přechází při dostatečném zdroji energie v oblouk. Oblouk je intenzívně svítící a zřetelně ohraničený výboj. Velká proudová hustota způsobuje na povrchu teplotu až 3 000 °C. Velikost napětí UZ, při kterém nastává výboj, nazýváme napětí přeskokové nebo průrazné, závisí na: 1. tvaru, materiálu a vzdálenosti elektrod, 2. plynu v prostoru mezi elektrodami, 3. tlaku, teplotě a způsobu proudění plynu, 4. průběhu přiloženého napětí. Obr. 1 Průběh výboje v plynu v závislosti na napětí mezi elektrodami Na obrázku 2a je příklad vlivu tvaru a vzdálenosti elektrod na přeskokové napětí. S rostoucí teplotou hustota plynu klesá, čímž se zvyšují ionizační účinky a pro přeskok jiskry pak stačí menší napětí Tlak plynu má opačný účinek. Se stoupajícím tlakem stoupá hustota plynu. Účinek tlaku a teploty na přeskokové napětí je znázorněn na obr. 2b. Vliv směšovacího poměru vzduchu a benzínových par na přeskokové napětí je celkem malý. Výrazný vliv na velikost přeskokového napětí má průběh přiloženého napětí, zejména rychlost jeho zvyšování du/dt. Při velké strmosti růstu napětí je menší pravděpodobnost výskytu volných iontů mezi elektrodami a k přeskoku dochází při vyšším napětí. Na obrázku 2c je znázorněn průběh 1 – pomalý nárůst napětí, kde dochází k přeskoku při napětí U1 a průběh 2 – rychlý nárůst napětí, kde dochází k přeskoku až při napětí U2 .
Obr. 2 Vliv vnějších činitelů na přeskokové napětí a) vliv tvaru a vzdálenosti elektrod b) vliv teploty a tlaku c) vliv rychlosti zvyšování napětí
Výboj mezi elektrodami zapalovací svíčky Výboj na elektrodách zapalovací svíčky ve spalovacím prostoru motoru je velmi složitý fyzikální pochod. Jako každý elektrický výboj závisí na vlastnostech zdroje napětí a na podmínkách v prostoru jiskřiště. Složitost je o to větší, že pochody ve spalovacím prostoru zpětně působí na jiskřiště. Typický průběh napětí na elektrodách zapalovací svíčky spalovacího motoru je na obr. 3. Po přerušení proudu v primárním obvodu zapalovací cívky stoupá sekundární napětí z bodu A do bodu B, kde nastává průraz. Napětí velmi rychle poklesne a výboj trvá až do okamžiku C, kde po odčerpání větší části energie zhasíná. Další průběh napětí představuje dokmitávání systému bez výboje. Měřením na mnoha motorech bylo prokázáno, že nejdůležitější pro zapálení směsi ve válci je krátký první průraz na začátku výboje a energie, která se jím vybije. Tento rozhodující výboj je způsoben vybitím kapacity zapalovací svíčky
Obr. 3 Průběh napětí na elektrodách zapalovací svíčky Zážeh směsi nastává rozpadem labilních molekul, když na ně narazí jiné molekuly nebo ionty. Úlomky labilních molekul zase nárazem štěpí další molekuly. Zapálení směsi je tedy způsobeno nejen tepelným účinkem jiskry, ale i nárazovou ionizací. Vzdálenost mezi elektrodami zapalovací svíčky neboli doskok má na zapalování dvojí vliv. Při zvětšování vzájemné vzdálenosti elektrod se zvyšuje průrazné napětí a tím i energie kapacitní části výboje. Větší vzdálenosti jsou kromě toho méně citlivé na znečištění
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.
Obr. 4 Řez zapalovací svíčkou Zapalovací svíčka, (obr. 4), 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. Podle nároků na materiál i na zpracování je izolátor nejdůležitější částí svíčky. Nyní se používají převážně materiály, jejichž hlavní složkou je velmi čistý kysličník hlinitý, jako minerál známý pod
názvem korund, s různými přísadami. Hlavní význam má tepelná vodivost materiálu a její závislost na teplotě. Na části izolátoru ve spalovacím prostoru se mohou usazovat pohonné látky a zplodiny hoření, které je někdy přechodně velmi nedokonalé, a z izolátoru se musí při provozu tyto úsady samočinně odstraňovat. Provozní teplota špičky izolátoru má být proto v rozmezí 500 až 800 °C. Hranice 500 °C je spodní mez tzv. samočisticí teploty, při níž shoří na izolátoru úsady, které by zvětšovaly elektrickou vodivost povrchu. Teplota 800 °C je spodní mez teplot, při nichž se již vznítí palivová směs, přijde-li do styku s teplým povrchem. Pro obvyklá paliva je tato hodnota v rozmezí 820 až 1 000 °C. Se svíčkou, která má teplotu nižší, než je samočisticí teplota, může motor přechodně pracovat, je-li v dobrém stavu a jestliže se úsady na svíčce nevytvářejí příliš rychle. Teplota 800 °C se nemá překračovat, protože samozápaly mohou způsobit přehřátí motoru a zmenšují jeho výkon. Schopnost svíčky snášet bez samozápalu určité tepelné zatížení se udává jako její tepelná hodnota (obr. 5, 6 a 7) Svíčka s vyšší tepelnou hodnotou, v běžném názvosloví označována jako studenější, je bezpečnější proti samozápalům, ale náchylnější k úsadám na izolátoru. Vyznačuje se tím, že přístup tepla je omezován a odvod zlepšen, špička izolátoru je krátká a zpravidla více zakryta pouzdrem. Svíčka s nižší tepelnou hodnotou má naopak plochu vystavenou působení tepla větší a odvod tepla je ztížen, špička izolátoru je delší a někdy vyčnívá až do spalovacího prostoru. Čím je svíčka teplejší, s menší tepelnou hodnotou, tím je méně odolná proti samozápalům, ale méně citlivá na úsady.
Obr. 5 Provedení izolátoru pro různé tepelné hodnoty
Obr. 6 Tepelné pracovní podmínky
Obr. 7 Provedení svíček s různými tepelnými hodnotami
Vzhled zapalovací svíčky v provozu
Normální vzhled bílošedé zabarvení izolátoru, minimum úsad – správná tepelná hodnota svíčky
Usazeniny způsobené nejčastěji mechanickým poškozením motoru
Natavení elektrod způsobené velkým předstihem nebo nízkou tepelnou hodnotou svíčky
Zanesení karbonem způsobeno příliš studenou svíčkou
Normální hnědé zabarvení izolátoru způsobené elektricky nabitými částečkami oleje. Neznamená špatnou funkci ani netěsnost.
BATERIOVÉ ZAPALOVÁNÍ Bateriové zapalování, které je označováno jako klasické nebo konvenční, je na obr. 8.
Obr. 8 Schéma zapojení bateriového zapalování BA — akumulátorová baterie s napětím U, V — spínač zapalování, P - přerušovač, K — rozdělovač, ZC — zapalovací cívka, C1 — kondenzátor, S — zapalovací svíčky 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 Cl, 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. Na obr. 9 je totéž zapalování nakresleno jiným způsobem.
Obr. 9. Schéma zapojení zapalovací soustavy s konvenčním cívkovým zapalováním (Bosch): 1 akumulátor, 2 spínací skříňka, 3 zapalovací cívka, 4 rozdělovač, 5 kondenzátor, 6 přerušovač, 7 zapalovací svíčky, Rv předřadný odpor
Zapalovací cívka Zapalovací cívka (obr. 10) funguje jako transformátor. Je schopna akumulovat energii do vlastního magnetického pole a předat ji do obvodu s vysokým napětím. Obr. 10 Zapalovací cívka v řezu (Bosch): 1 - vysokonapěťový vývod 2 - svitek plechů s izolačním papírem 3 - izolační víko 4 - interní vysokonapěťový vývod s pružinovým kontaktem 5 - pouzdro 6 - upevňovací objímka 7 - magnetické plechové opláštění 8 - primární vinutí 9 - sekundární vinutí 10 - zalévací hmotal 11 - izolační vložka 12 - železné jádro 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.
Obr. 11 Průběh primárního proudu zapalovací cívkou Typický průběh proudu znázorňuje křivka na obr. 11. Proud se asymptoticky blíží k proudu, který by obvodem procházel, kdyby v něm byl jen činný odpor. Nabíjecí pochod je ukončen v okamžiku, kdy se rozpojí kontakty přerušovače. Primární proud dosáhne maximální ustálené hodnoty za dobu přibližně 3τ. Proto by bylo ideální, aby za všech provozních podmínek spalovacího motoru byly kontakty přerušovače sepnuty nejméně po dobu 3τ. To u běžné zapalovací soustavy při vysokých otáčkách motoru z technických důvodů nelze splnit. Na obrázku 12 je průběh primárního proudu při vyšších otáčkách motoru, kdy je doba sepnutí kontaktů přerušovače kratší než 3τ. Primární proud nemůže narůst na ustálenou maximální hodnotu. Z uvedeného je zřejmá jedna ze základních vlastností bateriového zapalování, totiž dobrý výkon při malých otáčkách motoru, ale ubývání energie při vysokých otáčkách.
Obr. 12 Průběh primárního proudu při době sepnutí kratší než 3τ Na obrázku 13 je typický průběh primárního proudu i1, sekundárního napětí u2 a sekundárního proudu i2 v závislosti na čase t. Prvá fáze vybíjecího pochodu je těsně po přerušení primárního proudu v čase A až do okamžiku, kdy přeskočí jiskra B. Další průběh napětí záleží na průběhu výboje mezi elektrodami svíčky. Nastává tzv. kapacitní fáze výboje. Vybije se tu sice poměrně malé množství energie, ale ve velmi krátké době, tedy velikým výkonem - doba mezi B a C. Část mezi body Ca D je tzv. indukční část výboje, do něhož je převedena poměrně velká část energie nashromážděná v soustavě. Je to celá řada rychle po sobě následujících průrazů a zhasnutí. Část mezi body D a E jsou vlastně tlumené kmity. Na zapalování samotné nemá tato část již vliv. Má však úplně doznít dříve než dojde k novému zápalu, aby zbytkové proudy neovlivňovaly další zapalovací pochod.
Obr. 13 Průběh primárního proudu, sekundárního napětí a proudu při sepnutí a rozpojení kontaktů
Přerušovač Spínáním a rozpínáním kontaktů určuje přerušovač dobu, kterou je primáru 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.
Různé konstrukce přerušovačů se od sebe příliš neliší. Princip velmi často používaného přerušovače pro čtyřdobý čtyřválcový motor je na obr. 14. Pohyblivé raménko 6 s kontaktem 3 je izolovaně nasazeno na čepu 7. Na raménku je fíbrová narážka 5, která sleduje vačku 10. Když zub vačky nadzvedne narážku 5, raménko se pootočí okolo čepu 7 a rozpojí se kontakty 3 a 4. Kontakt 4 je pevný, avšak pomocí výstředného šroubu 1 a upevňovacího šroubu 2 lze nastavit zdvih kontaktů. Pružina 8 přitlačuje kontakt 4 ke kontaktu 5 a zajišťuje i přívod proudu. Zdvih kontaktů bývá 0,3 až 0,5 mm. Při příliš velkém zdvihu se kontakty vytloukají, při příliš malém zdvihu je nebezpečí, že vůbec nedojde k přerušení.
Obr. 14 Přerušovač pro čtyřdobý, čtyřválcový motor Doby sepnutí a rozpojení kontaktů můžeme měnit tím, že odsunutím kontaktu 4 zvětšíme nebo zmenšíme zdvih kontaktů. Daleko přesnější je nastavovat zdvih kontaktů přerušovače měřením úhlu sepnutí kontaktů. Je-li αs úhel, kdy jsou kontakty přerušovače spojeny a αo úhel, kdy jsou rozpojeny, má čtyřdobý motor s počtem válců V k dispozici pro sepnutí a rozepnutí kontaktů úhel
αs + αo =
360 V
Poměr sepnutí a rozpojení kontaktů přerušovače bývá u přerušovačů pro čtyřválcový motor 50° : 40°, pro šestiválcový motor 35° : 25°.
Obr. 15 Vačka přerušovače pro čtyřdobý čtyřválcový motor αs — úhel sepnutí kontaktů, αo — úhel rozepnutí kontaktů
Rozdělovač Přerušovač s kondenzátorem a zařízením pro automatické nastavování předstihu tvoří obvykle jeden konstrukční celek s rozdělovačem, který je znázorněn na obr. 16. 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 1, která je zpravidla z hmoty s dobrými izolačními vlastnostmi a ve které jsou zalisovány vložky 2 pro přívody k jednotlivým svíčkám, z rozdělovacího rotoru 4, který nese rozdělovači rameno 5 a ze sběracího kartáče 6, jímž se přivádí vysoké napětí z přívodu 3 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.
Obr. 16 Rozdělovač s přerušovačem a odstředivým regulátorem
ŘÍZENÍ BODU ZÁŽEHU Okamžik zapálení směsi ve válci se volí zpravidla tak, aby plocha tlakového diagramu byla co největší. Okamžik zapálení musí tedy být přizpůsoben rychlosti hoření. Předčasné nebo opožděné zapálení má za následek snížení výkonu, horší využití paliva a větší spotřebu. Vliv nastavení ukazují tlakové diagramy na obr. 17. Při správném okamžiku zapálení směsi (1) dosahují tlak a teplota maxima v malém úhlu za úvratí na začátku expanzního zdvihu. Zážeh musí nastat dříve o dobu, kterou potřebuje směs ke shoření. Je-li směs zapálena předčasně (2), vzroste předčasně i tlak před úvratí v kompresním zdvihu, takže působí proti pohybu pístu a celý děj probíhá s většími mechanickými i tepelnými ztrátami. Protože se zvětší kompresní práce, vznikají větší tlaky a zpravidla dochází k náhlému samovznícení paliva, vzniká tlakový ráz a dochází ke klepání motoru. Při opožděném zapálení (3) dohoří směs až pozdě v expanzním zdvihu, celý děj probíhá při menším tlaku a s menší účinností využití tepla pro mechanickou práci, teplota odcházejících plynů je vyšší a motor se více zahřívá. Zmenšením tlaku se zmenšuje rychlost hoření a může docházet k dohořívání směsi až ve výfuku. Tepelně je příliš namáhán hlavně výfukový ventil.
Obr. 17 Tlakový diagram ve válci motoru
Poloha klikového hřídele před úvratí v okamžiku zážehu udává tzv. předstih. Nejvýhodnější předstih záleží na: a) otáčkách motoru. Se vzrůstajícími otáčkami se musí předstih zvětšovat, b) množství vzduchu ve směsi. Chudší směs musí být zapálena dříve, než směs bohatá, protože hoří pomaleji. Největší rychlost hoření bývá asi při 1,1 až 1,2 násobku přebytku paliva, c) oktanovém čísle paliva. Toto číslo je mírou odolnosti proti „klepání". Čím více je směs náchylná ke klepání, tím menší musí být předstih, d) kompresním poměru. Rychlost hoření vzrůstá s tlakem, e) teplotě směsi a i motoru samotného. Je-li motor studený, má být předstih větší Uspokojivých výsledků, alespoň z hlediska běžné praxe, je možno dosáhnout regulací v závislosti na otáčkách a podtlaku v sacím potrubí. Samočinná regulace předstihu v závislosti na otáčkách motoru se většinou dociluje odstředivým regulátorem, jehož schéma je na obr. 16. Vačka 12 je otočně uložena na hřídeli rozdělovače 13. S hřídelem je pevně spojena deska 7, na které jsou na čepech 8 otočně uložena závaží 9. V klidové poloze jsou závaží držena pružinami 10. Při určitých otáčkách hřídele přemůže odstředivá síla tah pružin a závaží se vychýlí. Tím se pootočí kulisa 11, na které je připevněna vačka 12. Na obrázku 16 je základní deska přerušovače 14, avšak přerušovač není nakreslen. U některých konstrukcí je umístěn odstředivý regulátor do horní části rozdělovače, kde tvoří jeden celek s rotorem (palcem) rozdělovače. Na obrázku 18 je znázorněna charakteristika jednoduchého odstředivého regulátoru. Vidíme, že odstředivý regulátor začíná působit až od určitých otáček, většinou vyšších než jsou otáčky naprázdno. Až do těchto otáček je stálý „základní předstih".
Obr. 18 Charakteristika odstředivého regulátoru Činitelé, na nichž závisí rychlost hoření, např. složení směsi, rychlost jejího víření ve válci, teplota apod., jsou zpravidla vždy v nějaké souvislosti s tlaky v sání. Podtlak u hrdla sacího potrubí závisí na otáčkách motoru a na poloze škrticí klapky. Při otevřené škrticí klapce je podtlak v potrubí nižší, směs je bohatší a v motoru jsou podmínky pro rychlé hoření a je potřeba menší předstih. Při částečně otevřené klapce se podtlak v sacím potrubí zvětší, ale do válce přichází méně paliva a je třeba předstih zvětšit. Společné působení regulace podle otáček a podtlakové regulace je znázorněno na obr. 19. Obojí regulace se používá u většiny automobilových čtyřdobých motorů, je nutná se zřetelem na hospodárnost provozu zejména tam, kde motor pracuje často jen s částečnou zátěží.
Obr. 19 Společné působení podtlakového a odstředivého regulátoru Podtlaková regulace se zpravidla řeší membránovým mechanismem, jehož princip je na obr. 20. V pouzdře 6 je pryžová membrána 5, jejíž pohyb se táhlem 4 přenáší na základní desku 1, která je v rozdělovači otočně uložena a s níž je prostřednictvím stavitelné podložky spojen čep raménka přerušovače 3. Prostor za membránou je spojen trubicí 7 s vhodným místem sacího potrubí. Při podtlaku v sacím potrubí se prohne membrána 5 směrem vpravo, stlačí pružinu 8 a natočí základní desku 1 v opačném smyslu než se otáčí vačka 2 přerušovače. Narážka raménka přerušovače se tedy zvedne dříve, takže předstih se zvětší.
Obr. 20 Princip podtlakového regulátoru předstihu
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: 1. Zapalování s elektronickým odlehčením kontaktů přerušovače. 2. Elektronické zapalování s použitím klasického přerušovače. 3. Elektronické zapalování bezkontaktní. 4. Plně elektronické zapalování bez mechanických prvků
Elektronické odlehčení kontaktů přerušovače Hlavními nevýhodami obyčejného bateriového zapalování je velké elektrické namáhání kontaktů přerušovače, z čehož vzniká jejich opotřebení, nežádoucí změna předstihu a pokles výkonu jiskry při
velkých rychlostech. Při odlehčení kontaktů tranzistorem můžeme volit zapalovací cívku s menší indukčností a s menším odporem a větším primárním proudem. Nashromáždění energie v magnetickém poli se pak dosáhne již za kratší dobu, tedy i při vysokých otáčkách motoru. Kontakty přerušovače prochází jen malý řídicí proud báze tranzistoru, zpravidla nejméně desetkrát menší než primární proud cívky. Kromě toho není v řídicím obvodu indukčnost. Nepoužívá se proto obvykle ani kondenzátor zapojený paralelně ke kontaktům. Schéma jednoho z prvních elektronických zapalování tohoto druhu, typické pro soustavy s jedním tranzistorem, je na obr. 20. Jsou-li kontakty přerušovače P spojeny, je tranzistor T ve vodivém stavu a cívkou protéká proud. Rozpojením kontaktů se tranzistor skokem uvede do nevodivého stavu a proud do zapalovací cívky ZC se bezkontaktně přeruší.
Obr. 21 Elektronické zapalování — odlehčení kontaktů přerušovače
Kondenzátorové zapalování Tento typ zapalování patří do kategorie elektronických zapalování s použitím klasického přerušovače. Princip kondenzátorového zapalování spočívá, na rozdíl od indukčního zapalování, u něhož se energie shromažďuje v indukčnosti a do vysokonapěťového obvodu se převádí při rozpojení primárního obvodu, v tom, že energie se nahromadí do kapacity kondenzátoru a odtud se odvádí k primárnímu vinutí zapalovací cívky. Kondenzátor nabitý na několik set voltů se vybíjí napěťovou vlnou se strmým čelem. Napětí na svíčce rychle vzroste a tím se sníží ztráty svodem na svíčkách a zapalování pracuje dobře, i když jsou svíčky silně znečištěny. Pomocí tranzistorového měniče se zvýší stejnosměrné napětí akumulátoru na napětí několika set voltů. Na toto napětí se nabije kondenzátor a ten se polovodičovým spínačem — tyristorem ve vhodný okamžik vybije do zapalovací cívky. Proto se tomuto typu zapalovacích soustav také říká tyristorové zapalování. Při vyšších otáčkách je doba mezi jednotlivými jiskrami tak krátká, že se kondenzátor nestačí nabít na plnou hodnotu a akumulovaná energie tak klesá. Existují však také složitější kondenzátorová zapalování se samočinnou regulací konstantního napětí na vybíjecím kondenzátoru. Toto napětí je pak konstantní v celém rozsahu otáček a nezávisí ani na poklesu napětí akumulátoru.
Bezkontaktní zapalování Dalším pokrokem jsou zapalovací soustavy, u nichž jsou přerušovací kontakty nahrazeny bezkontaktními snímači. Bezkontaktní přerušovače jsou vlastně snímače, které pomocí impulsů uvádějí do činnosti elektronické zapalování. K tomuto účelu se nejvíce používají elektromagnetické snímače, snímače na principu Hallova jevu, fotoelektrické snímače, apod. Při konstrukci bezkontaktních přerušovačů s elektronickým zapalováním se zpočátku se využívalo „klasických“ rozdělovačů včetně odstředivého a podtlakového regulátoru, kde namísto kontaktů mechanického přerušovače s vačkou je umístěn bezkontaktní snímač.
Princip typického elektromagnetického snímače je na obr. 22. S hřídelem rozdělovače 4 se otáčí hvězdice 5 z magneticky vodivého materiálu. (Má tolik ramen, kolik má motor válců.) Magnetický tok, který vytváří permanentní prstencový magnet 3, se uzavírá přes pólové nástavce 1 a hvězdici 5. Pootočením hvězdice se magnetický tok přeruší a v cívce 2 se indukuje napěťový impuls, který se odvádí kabelem 6 do elektronického zapalování. Na obrázku 22 je také závislost napětí elektromagnetického snímače na čase. Se vzrůstající rychlostí také vzrůstá amplituda impulsu a naopak. Snímač musí být navržen tak, aby i při nízkých otáčkách motoru dával snímač impulsy s dostatečně velkou amplitudou. Tento problém odpadá u snímačů fotoelektrických nebo u snímačů s Hallovou sondou. U těchto snímačů amplituda signálu nezávisí na rychlosti otáčení motoru. Na obrázku 23 je naznačen snímač pracující na principu Hallova jevu. Vlastní snímač obsahuje klopný obvod, který je řízen Hallovým generátorem. Ten má tu vlastnost, že působením magnetického pole v něm vzniká napětí. Toto napětí způsobuje překlápění elektronického
Obr. 22 Elektromagnetický snímač zapalování pro čtyřválcový motor a průběh výstupního napětí klopného obvodu. Celý snímač je proveden jako integrovaný obvod. Bubínek 2 z magneticky vodivého materiálu je spojen s hřídelem rozdělovače. V bubínku jsou po obvodě výřezy. Uvnitř bubínku je permanentní magnet 3. Magnetický tok se uzavírá přes vzduchovou mezeru, snímač 4 a jho 5. Je-li ve vzduchové mezeře plná část bubínku, sníží se magnetický odpor a magnetický tok vzroste natolik, že dojde k překlopení klopného obvodu. Pootočí-li se bubínek tak, že mezi snímačem a magnetem je výřez, magnetický odpor vzroste a klopný obvod se vrátí do původního stavu.
Obr. 23 Snímač zapalování s Hallovým generátorem
Princip optoelektrického snímače je podobný snímači s Hallovým generátorem. Na jedné straně rotujícího bubínku (nebo clony) je umístěna svítivá dioda a na druhé straně fototranzistor ve funkci snímače. Otáčením bubínku se přerušuje paprsek diody, což vyvolá impulzy na přijímacím tranzistoru. Těmito impulzy je pak řízeno elektronické zapalování.
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, - lze realizovat regulaci klepání. - zapalování je zcela bezúdržbové
Obr. 24 Zpracování signálů v elektronické řídicí jednotce zapalování (Bosch): 1-otáčky motoru, 2-signály spínače škrtící klapky, 3-CAN (sériový BUS), 4-tlak v sání, 5-teplota motoru, 6-teplota nasávaného vzduchu, 7-napětí akumulátoru, 8-analogově-digitální převodník, 9-mikropočílač, 10-koncový stupeň zapalování
Schéma zapojení plně elektronické jednotky je na obr. 24. Je zřejmé, že do něj vstupuje mnohem více informací, než do zapalování konvenčního. Jsou to informace o: • rychlosti otáčení motoru a o poloze klikového hřídele • nastavení škrticí klapky (sešlápnutí plynového pedálu) • tlaku v sání • teplotě motoru • teplotě (a někdy i množství) nasávaného vzduchu • napětí akumulátoru Všechny tyto údaje jsou zpracovány v mikropočítači, který vybere pro každý stav motoru optimální nastavení předstihu. Optimální hodnoty jsou vybírány z tzv. datových polí, umístěných v paměti mikropočítače (obr. 25).
Obr. 25 Optimalizované datové (elektronické) pole charakteristik předstihu (vlevo) ve srovnání s polem charakteristik předstihu mechanického systému (vpravo) (Bosch) Podle optimalizačních kritérií má jedno nebo druhé hledisko větší váhu. Proto vypadá pole charakteristik předstihu u elektronického zapalování, ve srovnání s polem charakteristik mechanicky odstředivě a podtlakově řízeného systému, často velmi rozpolceně. Pokud by měl být pro lepší názornost dodatečně znázorněn vliv teploty nebo jiných korekčních funkcí, bylo by zapotřebí nezobrazitelné čtyřrozměrné pole charakteristik. Plně elektronická jednotka musí „umět“ rozdělit vysoké napětí na svíčky jiným než mechanickým způsobem. Tento způsob je znázorněn na obr. 26.
Obr. 26 Statické rozdělování vysokého napětí prostřednictvím samostatných cívek Každá svíčka má svou zapalovací cívku, která je spínána přímo z řídicí jednotky. Tyto zapalovací cívky bývají nasazeny přímo na svíčkách. Odpadá tedy vysokonapěťový rozvod. Nárůst napětí trvá asi 1 mikrosekundu, což je dvacetkrát rychleji, než u klasického induktivního zapalování. To znamená, že ztráty, které vznikají na svodových odporech zapalovací svíčky, jsou minimální. Při tak velkých napětích může být vzdálenost mezi elektrodami zapalovací svíčky až 1,5 mm, což výrazně zvyšuje energii jiskry a zajišťuje bezpečné zapálení směsi za všech provozních podmínek motoru.
Obr. 27 Jednotlivá zapalovací cívka násuvná přímo na svíčku
