Klasifikace zapalovacích systémů benzínových motorů | Pikabu

U benzínového motoru je zapálení palivové směsi dosaženo jiskrovým výbojem, který vzniká mezi elektrodami zapalovací svíčky pod vlivem vysokého napětí.

Na zapalovací systémy jsou kladeny následující požadavky:

– napětí v sekundárním okruhu musí být dostatečné k proražení mezery mezi svíčkami a zároveň zajistit nepřerušovanou tvorbu jisker (nejméně 16 kV při startování studeného motoru a 12 kV při běhu teplého motoru);

– jiskra vzniklá mezi elektrodami zapalovací svíčky musí mít dostatečnou energii a dobu trvání k zapálení pracovní směsi (v závislosti na jejím složení, hustotě a teplotě);

– časování zapalování musí být přesně definováno a odpovídat provoznímu režimu motoru;

– provoz všech prvků zapalovacího systému musí být spolehlivý při vysokých teplotách a mechanickém zatížení;

– nízká úroveň rádiového rušení během provozu systému.

Na základě těchto požadavků je jakýkoli zapalovací systém charakterizován následujícími hlavními parametry:

Doba akumulace energie cívkou (úhel sepnutého stavu kontaktů) – doba od okamžiku začátku akumulace energie (konkrétně v kontaktním systému – okamžik sepnutí kontaktů vypínače; v jiných systémech – okamžik sepnutí výkonového tranzistoru) do okamžiku vzniku jiskry (konkrétně v kontaktním systému – okamžik rozepnutí kontaktů vypínače nebo odpojení proudu tranzistorem). Tato hodnota charakterizuje množství energie akumulované cívkou.

Poruchové napětí — napětí v sekundárním okruhu v okamžiku vzniku jiskry, ve skutečnosti maximální napětí v sekundárním okruhu. Zapalovací systémy jsou navrženy s ohledem na bezpečnostní faktor sekundárního napětí, což znamená, že maximální napětí vyvinuté cívkou vždy překračuje průrazné napětí za nejhorších provozních podmínek motoru a může dosáhnout 20 kV.

Hořící napětí – napětí hořícího oblouku vytvořené v sekundárním okruhu po proražení elektrodové mezery. Tato hodnota je podstatně menší než průrazné napětí a činí jednotky kV.

Doba hoření — trvání elektrického oblouku. K zapálení palivové směsi dochází při hoření oblouku, takže stanovení jeho charakteristik poskytuje velmi důležité informace při posuzování provozuschopnosti systému.

Časování zapalování (IDA) — úhel, o který má klikový hřídel čas otočit se od okamžiku, kdy dojde k jiskře, do okamžiku, kdy příslušný válec dosáhne horní úvrati (TDC). Optimální je zapálit směs dříve, než se píst při kompresním zdvihu přiblíží k horní úvrati, aby po dosažení TDC pístu měly plyny čas získat maximální tlak a odvést maximální užitečnou práci v silovém zdvihu.

Jakýkoli zapalovací systém je jasně rozdělen na dvě části:

— nízkonapěťový (primární) obvod — zahrnuje primární vinutí zapalovací cívky a obvody jističe, spínače a dalších s ním přímo spojených komponentů v závislosti na konstrukci konkrétního systému.

— vysokonapěťový (sekundární) obvod – zahrnuje sekundární vinutí zapalovací cívky, vysokonapěťový systém distribuce energie, vysokonapěťové vodiče a zapalovací svíčky.

Schéma nejjednoduššího zapalovacího systému

1. Zdroj energie – baterie nebo generátor;

2. Měnič napětí – převádí stejnosměrné napětí palubní sítě vozidla na vysokonapěťový impuls;

3. Zařízení pro řízení akumulace energie – určuje okamžik zahájení akumulace energie a okamžik zážehu;

4. Rozdělovač zapalování – spíná zapalovací cívku jednou ze svíček v souladu s pořadím chodu válce;

5. Zapalovací svíčky – jsou nezbytné pro vytvoření jiskrového výboje a zapálení palivové směsi ve spalovacím prostoru motoru.

Zapalovací svíčky jsou instalovány v hlavě válců. Při přivedení vysokonapěťového impulsu na zapalovací svíčku mezi jejími elektrodami přeskočí jiskra, která zapálí pracovní směs. Na válec je zpravidla instalována jedna zapalovací svíčka. Existují však i složitější systémy se dvěma zapalovacími svíčkami na válec.

Systémy s mechanickým rozdělovačem energie

Classic (distributor) zapalovací systém, zcela běžný u starších vozů.

Schematické schéma klasického zapalovacího systému

1. Spínač zapalování;

2. Zdroj energie;

4. zapalovací cívka;

5. Mechanický jistič;

6. Hřídel přerušovače;

7. Zapalovací svíčky;

Rozdělovač zapalování, rozdělovač – rozvádí vysoké napětí z cívky na zapalovací svíčky válců motoru. V kontaktních zapalovacích systémech je zpravidla kombinován s přerušovačem, v bezkontaktních systémech – s pulzním snímačem, v modernějších buď chybí, nebo je kombinován se zapalovací cívkou (v tomto případě může chybět centrální vodič), spínačem a snímači.

Distributor funguje následovně. Vysoké napětí generované v sekundárním vinutí zapalovací cívky je přiváděno na centrální svorku rozdělovače zapalování. Rotující rotor rozdělovače (běžce) tvoří komutaci této centrální svorky a vnějších elektrod v takovém sledu, že vysoké napětí je nasměrováno na zapalovací svíčku válce, ve kterém je píst na konci kompresního zdvihu, a tam se vytvoří jiskra. Typicky je u čtyřválcových motorů sled zapalování válců 1-3-4-2. Toto pořadí činnosti válců je stanoveno pro rovnoměrné rozložení zatížení na klikový hřídel motoru. Synchronizace s klikovým hřídelem je dosaženo pomocí trvalého mechanického spojení mezi rozdělovačem zapalování a vačkovým hřídelem nebo jakýmkoli jiným hřídelem spojeným s klikovým hřídelem s převodovým poměrem mezi nimi rovným 2:1.

Mechanický přerušovač – ovládací zařízení akumulace energie, zavírá a otevírá napájení primárního vinutí zapalovací cívky v závislosti na úhlu natočení vačkového hřídele. Kontakty vypínače jsou umístěny pod krytem rozdělovače.

Paralelně ke kontaktům je připojen kondenzátor. Je nutné zajistit, aby se kontakty při otevření nespálily. Při přerušení kontaktů mezi nimi vzniká vysoké napětí, které vede ke vzniku jiskry, ale kondenzátor většinu energie pohltí a jiskření se sníží na nevýznamné úrovně. Pokud kondenzátor selže, kontakty přerušovače budou silně spáleny.

Tento systém také zahrnuje mechanismy nastavení časování zapalování: odstředivé a vakuové regulátory.

Popsaný systém se vyznačuje jednoduchým designem. Nevýhodou je přítomnost nespolehlivých mechanických prvků, jistič spíná velké proudy, což časem vede k jeho selhání, jiskření v jističi a rozdělovači vede k rádiovému rušení.

Jednou z odrůd klasického systému, částečně bez nedostatků zhášedla, je klasický systém s tranzistorovým spínačem.

Přepnout — je tranzistorový spínač, který v závislosti na řídicím signálu zapíná nebo vypíná napájení primárního vinutí zapalovací cívky. V závislosti na konstrukci konkrétního zapalovacího systému může být jeden nebo více spínačů (pokud zapalovací systém používá několik cívek).

V tomto případě mechanické zhášedlo ovládá pouze tranzistorový spínač, který zase ovládá cívku. Tato konstrukce má podstatnou výhodu oproti jističi bez tranzistorového spínače – spočívá v tom, že jistič kontaktů spíná výrazně menší proud. Tím je prakticky eliminováno spálení kontaktů vypínače při vypínání a není potřeba kondenzátor. Jinak je systém zcela analogický klasickému systému. Oba popsané zapalovací systémy s mechanickým přerušovačem mají společný název – kontaktní zapalovací systémy.

Bezkontaktní zapalovací systémy (CIS). V tomto případě je místo mechanického zhášedla použito čidlo – pulzní generátor s převodníkem signálu, který ovládá pouze tranzistorový spínač, který zase ovládá zapalovací cívku.

V zapalovacích systémech s tranzistorovým spínačem se používají tři typy snímačů:

Postupem času se dalším úkolem spínače zapalování stalo nabíjení cívky potřebnou energií, to znamená, že před okamžikem zapálení musí spínač předvídat, kdy má cívku začít nabíjet, aby získal maximální energii jiskry a zabránil přehřátí cívky. Navíc to musí udělat tak, aby doba nabíjení cívky byla přibližně konstantní.

K tomu spínač vypočítá otáčky motoru a v závislosti na nich vypočítá okamžik sepnutí cívky k zemi. Jinými slovy, čím vyšší jsou otáčky motoru, tím dříve začne komutátor uzavírat cívku k zemi, ale doba sepnutého stavu bude stejná.

Zapalovací soustavy se statickým rozvodem energie

Tyto systémy se od výše popsaných zásadně liší. V zapalovacích systémech se statickou distribucí energie DLI (DistributorLess Ignition) není mechanický rozdělovač. Zapalovací cívky jsou přímo napojeny na zapalovací svíčky a rozvod napětí je proveden na primární straně zapalovacích cívek. Rovněž je vyloučeno použití prvků, které v nich podléhají energetickým ztrátám, jakož i opotřebení. Tento způsob distribuce napětí se používá ve dvou verzích: s jedno- a dvoujiskrovými zapalovacími cívkami.

Systémy s jednojiskrovými zapalovacími cívkami

V systému s jednou jiskrou má každá zapalovací svíčka svou vlastní individuální zapalovací cívku. Řídicí jednotka motoru spíná zapalovací cívky v souladu se stanoveným pořadím chodu válců. Protože v rozdělovači nedochází k žádným ztrátám energie, mohou být tyto zapalovací cívky velmi kompaktní. Obvykle jsou umístěny přímo nad zapalovacími svíčkami.

Pevný rozvod napětí s jednojiskrovými zapalovacími cívkami je univerzálně použitelný pro libovolný počet válců. Neexistují žádná omezení pro rozsahy nastavení časování zapalování. Další výhodou je, že pokud cívka selže, přestane fungovat pouze jeden válec a systém jako celek zůstane funkční. Zde je však nutné použít snímač otáčení klikového hřídele, aby se synchronizoval chod celého systému s frekvencí otáčení tohoto hřídele.

Spínač v takových systémech může být jeden blok pro všechny zapalovací cívky nebo samostatné bloky pro každou zapalovací cívku, navíc může být integrován do elektronické řídicí jednotky a může být také instalován samostatně. Zapalovací cívky lze také instalovat samostatně nebo jako jeden celek (v každém případě však odděleně od ECU) a lze je také kombinovat se spínači.

Obecné schéma nezávislých zapalovacích systémů

1. Vysokonapěťové dráty;

2. Zapalovací svíčky;

ECU – elektronická řídicí jednotka motoru;

KZ – zapalovací cívka.

Jednou z nejoblíbenějších variant takových systémů je systém COP (Coil on Plug), ve kterém je zapalovací cívka umístěna přímo na zapalovací svíčce. Bylo tak možné zcela se zbavit další nespolehlivé součásti zapalovacího systému – vysokonapěťových vodičů.

Obecné schéma systému COP

V systémech se dvěma zapalovacími cívkami (DIS) je jedna zapalovací cívka na každé dva válce. Konce sekundárního vinutí jsou připojeny k zapalovacím svíčkám v různých válcích. Válce jsou voleny tak, že při kompresním zdvihu v jednom válci dojde ke zdvihu výfuku ve druhém (při sudém počtu válců). V okamžiku zážehu se na obou svíčkách vytvoří jiskra, první cívka vytváří „pracovní jiskru“ a druhá „jiskru naprázdno“.

Například u klasického 4válcového motoru zaujímají písty ve válcích 1 a 4 stejnou polohu (oba jsou v horní nebo dolní úvrati současně) a pohybují se synchronně, ale mají různé zdvihy. Když je válec 1 na kompresním zdvihu, válec 4 je na výfukovém zdvihu a naopak.

Obecné schéma systému DIS

Zapalovací cívky v systému DIS mohou být instalovány buď odděleně od zapalovacích svíček a připojeny k nim vysokonapěťovými vodiči, nebo přímo na zapalovacích svíčkách (jako v systému COP, ale v tomto případě se stále používají vysokonapěťové vodiče pro přenos výboje na zapalovací svíčky sousedních válců).

Obecné schéma systému DIS-COP

Poruchy v zapalovacím systému vedou k vynechávání palivové směsi ve válcích, v důsledku čehož motor nevyvíjí výkon, pracuje nestabilně, „troits“, zvyšuje se zatížení pracovních válců, což vede ke zkrácení jejich provozní doby a zvýšení spotřeby paliva.

Zapalovací systém je nedílnou součástí každého benzínového nebo plynového motoru. Navzdory různým technickým nuancím v této věci lze všechny zapalovací systémy s dynamickým rozložením dodávaného napětí rozdělit na kontaktní a bezkontaktní. Jejich hlavním rysům a také důvodům vzniku systémů se statickým rozložením napětí (elektronické zapalování) je věnován následující článek.

Provoz moderních spalovacích motorů je založen na spalování paliva. U vznětových motorů se vznítí kompresí, u benzínových a plynových pohonných jednotek, a právě o nich bude řeč později, přivedením vysokonapěťové jiskry do směsi paliva se vzduchem přes zapalovací svíčky.

Palivo se může vznítit pouze tehdy, když mezerou zapalovací svíčky projde dostatečně vysoké napětí (od 2 do 30 kV). Pro zajištění proudu s tak vysokým napětím se používá zapalovací cívka, která je v podstatě zvyšovacím transformátorem.

Hlavními prvky zapalovací cívky jsou jádro a dvě vinutí – primární a sekundární. Primární vinutí je napájeno z 12V palubní sítě a je určeno k vytváření magnetického pole. V okamžiku, kdy přestane téct proud do primárního vinutí, magnetické pole zmizí, a to tak rychle, že když toto magnetické pole protne závity sekundárního vinutí, indukuje se v něm proud o velmi vysokém napětí.

Jakmile se vytvoří napětí potřebné k zapálení paliva, musí být přivedeno do válců. Pro zajištění vysoké účinnosti a hospodárnosti se navíc palivo musí v určitém okamžiku vznítit, což znamená, že jiskra nesmí být dodávána do všech válců současně. Právě při zajištění tohoto základního principu se odhalí rozdíly mezi kontaktním a bezkontaktním zapalovacím systémem.

Kontaktní zapalovací systém

Kontaktní zapalovací systém obsahuje následující součásti:

— zapalovací svíčky;
— Zdroj energie: když je vůz zapnutý – baterie, v normálním provozním režimu – generátor;
— zapalovací cívka;
— dráty vysokého a nízkého napětí;
— Přerušovač;
— Rozdělovač zapalování.

Přerušovač zapalování a rozdělovač jsou sloučeny v těle jediného zařízení, kterému se lidově říká „rozdělovač“.

Klíčovou vlastností kontaktního systému je rozdělovač zapalování. Toto mechanické zařízení určuje, která zapalovací svíčka bude v daném okamžiku pod napětím.

Tento typ organizace distribuce napětí je extrémně jednoduchý, a proto docela spolehlivý, ale zároveň má řadu významných nevýhod. Mechanické rozložení napětí klade dosti významná omezení na výkon jiskry, protože se zvýšením tohoto parametru se tepelné opotřebení kontaktů rychle zrychluje. Kromě toho, když motor běží ve vysokých otáčkách, kontaktní skupina začíná „chrastit“, což výrazně snižuje účinnost spínání.

Bezkontaktní zapalovací systém

Bezkontaktní zapalovací systémy se staly logickým pokračováním klasických systémů distribuce jisker. Jejich klíčovou vlastností bylo nahrazení mechanického rozdělovače elektronickým spínačem. Zpočátku měly takové jednotky extrémně nízkou spolehlivost (někdy i méně než 10 tisíc km), ale v procesu konstrukčních vylepšení byl tento parametr přiveden na víceméně přijatelnou úroveň.

Bezkontaktní zapalovací systémy snížily spotřebu paliva, zjednodušily startování vozu v chladném počasí, zvýšily točivý moment motoru v nízkých otáčkách a jeho výkon ve vysokých otáčkách a také poněkud snížily škodlivost výfukových plynů díky zvýšené síle jiskry a dokonalejšímu spalování směsi paliva a vzduchu. Časování zapalování však bylo řízeno pomocí fyzických senzorů obsažených v rozdělovači.

Breaker-distributor (“distributor”)

Rozdělovač zapalování, motoristům známý také jako „rozdělovač“, je nedílnou součástí kontaktních i bezkontaktních zapalovacích systémů, i když v druhém případě je jeho konstrukce poněkud odlišná. Mimořádně důležitými součástmi přerušovače-rozdělovače jsou podtlakové a odstředivé regulátory časování zapalování – určují okamžik zážehu paliva (a mělo by se zapálit dříve, než píst dosáhne TDC), což znamená, že tato zařízení mají nejpřímější vliv na chod motoru. Zvažme jejich provoz na příkladu kontaktního zapalovacího systému.

Odstředivý regulátor časování zapalování

Toto zařízení je zodpovědné za korelaci okamžiku vzniku jiskry s rychlostí otáčení klikového hřídele. Odstředivý regulátor se skládá ze dvou plochých kovových závaží připevněných k hřídeli rozdělovače, která je zase v přímém kontaktu s klikovou hřídelí motoru. Se zvyšujícími se otáčkami klikového hřídele se hřídel rozdělovače otáčí rychleji, což způsobí, že se závaží působením odstředivé síly oddálí a přicházející vačka se posune ve směru otáčení ke kontaktnímu kladivu. V důsledku toho se kontakty otevřou dříve a úhel předstihu zážehu se zvětší. Při poklesu velikosti odstředivé síly se závaží působením pružin vrací zpět – úhel předstihu zážehu se zmenšuje.

Vakuový oktanový korektor

Vakuový oktanový korektor mění úhel časování zážehu v závislosti na aktuálním zatížení spalovacího motoru. Zařízení je připevněno k tělu rozdělovače a skládá se ze dvou vzájemně propojených dutin oddělených citlivou membránou. Jeden z nich je v přímém kontaktu s okolní atmosférou, druhý s dutinou pod škrticí klapkou. S rostoucím zatížením motoru se podtlak pod škrticí klapkou snižuje. V důsledku toho dvojice membrána-tah mírně posune destičku s kontakty směrem od kontaktní vačky, která se k ní přibližuje – úhel předstihu zážehu se zmenšuje. A naopak, když se přívod plynu sníží, podtlak pod škrticí klapkou se zvýší, načež membrána posune desku s kontakty jiným směrem.

Obě zařízení pracují podobným způsobem v bezkontaktním zapalovacím systému, ale místo vačky se otáčí obrazovka bezkontaktního snímače časování jiskry.

Společné nevýhody kontaktních a bezkontaktních zapalovacích systémů

I po odstranění sady problémů spojených s mechanickými kontakty rozdělovače kontaktního systému zapalování zůstal proces přesného nastavení úhlu časování zapalování nevyřešen. Oba systémy k tomuto účelu využívaly mechanické zařízení, které neposkytovalo potřebnou přesnost. Tím klesá výkon motoru a při provozu se dost citelně přehřívá. Právě k vyřešení tohoto problému byly později použity mikrokontroléry, které znamenaly vznik elektronického zapalovacího systému.

Další články

#Promývací kapaliny
29.09.2023 | Články o náhradních dílech

Zima a léto, dva póly, mezi kterými se mění celý náš svět. A v tomto světě existují kapaliny do ostřikovačů – asistenti, kteří zajišťují naši bezpečnost na silnici. V tomto článku se vrhneme do světa kapalin do ostřikovačů a zjistíme, co to je, na čem závisí jejich bod tuhnutí a jak je správně vybrat.

#Vysoušedlo ventilů
21.06.2023 | Články o náhradních dílech

Výměna ventilů spalovacího motoru je ztížena nutností odstranit crackery – pro tuto operaci se používají speciální ventilové crackery. Vše o tomto nástroji, jeho stávajících typech, konstrukci a principu fungování, jakož i jeho výběru a použití, si přečtěte v tomto článku.

# Světelný spínač s nastavením stupnice
14.06.2023 | Články o náhradních dílech

V mnoha raných domácích automobilech byly široce používány centrální spínače světel s reostatem, které umožňovaly nastavení jasu osvětlení přístrojů. Vše o těchto zařízeních, jejich stávajících typech, konstrukci, provozu, ale i jejich správném výběru a výměně si přečtěte v článku.

# Rozdělovací deska zapalování
07.06.2023 | Články o náhradních dílech

Jednou z hlavních částí rozdělovače zapalování je základní deska, která je zodpovědná za činnost zhášedla. Vše o deskách jističe, jejich stávajících typech a konstrukčních prvcích, jakož i o výběru, výměně a seřízení těchto součástí je podrobně popsáno v tomto článku.