Fot. Denso

Wraz z rozwojem układów zapłonowych powszechne wcześniej elementy mechaniczne coraz częściej wypierane są przez rozwiązania cyfrowe. Ekspert firmy Denso, jednego z największych na świecie producentów tych systemów, prezentuje ich kolejne generacje i omawia zasady działania.

Mechaniczne układy zapłonowe

Mechaniczne przełączanie obwodu pierwotnego

Na rys. 1 przedstawiono główne elementy mechanicznego układu zapłonowego bazującego na zasadach układu zapłonowego Ketteringa.

Rys. 1. Główne elementy mechanicznego układu zapłonowego

Pierwszy etap działania: ładowanie cewki / okres spoczynku

Rys. 2 przedstawia pierwszą fazę pracy systemu sterowanego mechanicznie (dla lepszej czytelności pokazano uzwojenie cewki obok uzwojenia pierwotnego, jednak w rzeczywistości oba uzwojenia są owinięte wokół żelaznego rdzenia).

Rys. 2. Działanie podstawowego mechanicznego układu zapłonowego. Etap 1 – okres spoczynku wytwarzający pole magnetyczne

Akumulator dostarcza prąd o napięciu 12 V do cewki zapłonowej poprzez wyłącznik zapłonu (stacyjkę). Prąd płynie przez uzwojenie pierwotne cewki, a następnie do masy uziemienia poprzez przerywacz. Sprężyna stanowiąca część zespołu przerywacza utrzymuje styki w pozycji zamkniętej, co umożliwia przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki. Następnie przepływ prądu wytwarza pole magnetyczne wokół uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

Drugi etap działania: rozładowanie wysokiego napięcia

 Zestaw krzywek (po jednej na każdy cylinder) jest przytwierdzony do wału wirnika umiejscowionego wewnątrz korpusu rozdzielacza (rys. 3). Wał wirnika łączy się z wałkiem rozrządu i obraca z prędkością równą połowie prędkości obrotowej silnika. Obracające się krzywki wymuszają we właściwym czasie otwarcie przerywacza, który natychmiast odcina przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki. Następuje bardzo szybki zanik pola magnetycznego zarówno w uzwojeniu pierwotnym, jak i wtórnym, co wywołuje indukcję wysokiego napięcia do uzwojenia wtórnego.

Rys. 3. Działanie podstawowego mechanicznego układu zapłonowego. Etap 2 – rozładowanie wysokiego napięcia w celu wytworzenia iskry

Wysokie napięcie płynie izolowanym przewodem do palca rozdzielacza umieszczonego wewnątrz kopułki rozdzielacza. Ponieważ palec obraca się również na wale wirnika, może on przekazywać sekwencyjnie wysokie napięcie do czterech gniazd w kopułce. Następnie wysokie napięcie izolowanymi przewodami dociera do świec zapłonowych.

Kondensator w obwodzie pierwotnym

Po otwarciu styków przerywacza zanikające pole magnetyczne może indukować prąd elektryczny o napięciu rzędu 150–200 V na uzwojenie pierwotne. Prąd będzie usiłował przeskoczyć przez otwarte styki przerywacza, tworząc łuk elektryczny i powodując szybką erozję powierzchni styków. Ten indukowany prąd skutkowałby również utrzymaniem pola magnetycznego wokół uzwojenia pierwotnego i wtórnego, uniemożliwiając szybki zanik pola i indukcję wysokiego napięcia na uzwojeniu wtórnym.

Z tego powodu do uzwojenia pierwotnego podłączony jest kondensator, który skutecznie pochłania i przechowuje indukowane napięcie. Po ponownym zamknięciu styków przerywacza kondensator rozładowuje przechowywaną energię do uzwojenia pierwotnego, co pozwala wytworzyć kolejne pole magnetyczne.

Mechanizmy przyspieszenia i opóźnienia zapłonu

Kąt wyprzedzenia zapłonu musi ulegać zmianie wraz ze zmianami prędkości obrotowej i obciążenia silnika. W mechanicznych układach zapłonowych przyspieszenie zapłonu wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika osiągnięto dzięki zastosowaniu obrotowych bezwładników (ciężarków) i sprężyn (rys. 4).

Rys. 4. Mechanizm mechanicznego przyspieszenia zapłonu związanego z prędkością obrotową silnika

Bezwładniki są zamontowane na płytce przymocowanej do zespołu wału wirnika, a zatem obracają się one wraz z wałem. Przy wzroście prędkości obrotowej silnika działanie siły odśrodkowej wypycha naprężone za pomocą sprężyn bezwładniki na zewnątrz. Ruch bezwładników powoduje opóźnienie obrotu krzywek na wale wirnika, co skutkuje opóźnieniem otwarcia styków przerywacza, a tym samym – opóźnieniem zapłonu.

Inny mechanizm służy do zmiany wyprzedzenia zapłonu wraz ze zmianami obciążenia silnika (rys. 5). Przerywacz jest zamontowany na płycie podstawy, która ma możliwość lekkiego obrotu przeciwnie lub zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Podłączona do kapsuły membranowej płytka regulatora odbiera ciśnienie z kolektora dolotowego poprzez rurę.

Rys. 5. Mechaniczne przyspieszenie zapłonu związane z obciążeniem silnika

Gdy ciśnienie w kolektorze dolotowym ulega zmianie wraz ze zmianami obciążenia silnika, membrana porusza się, powodując lekki obrót płytki regulatora i styków przerywacza. Wraz ze zmianami obciążenia silnika obrót płytki regulatora i styków koryguje następnie wyprzedzenie zapłonu.

Ograniczenia mechanicznych układów regulacji wyprzedzenia zapłonu

Dokładność wyprzedzenia zapłonu w mechanicznych układach zapłonowych jest ograniczona możliwościami sprzętu. Często w ramach rutynowych przeglądów niezbędne było precyzyjne dostrajanie, regulacja i wymiana części. Przykładem takich ograniczeń jest przedstawiony na rys. 6 wykres typowego przyspieszenia zapłonu związanego z prędkością obrotową silnika w mechanicznym układzie zapłonowym zestawiony z wymaganym wyprzedzeniem idealnym.

Rys. 6. Ograniczenia mechanizmu odśrodkowego

Ze względu na zastosowanie progresywnych sprężyn powrotnych (rys. 4) wyprzedzenie zapłonu zapewniane przez układ odśrodkowy zwiększa się w dwóch liniowych krokach. Tymczasem idealne wyprzedzenie zmienia się nieliniowo. Aby zapobiec zbytniemu przyspieszeniu zapłonu, wyprzedzenie zapewniane przez układ odśrodkowy jest zawsze lekko opóźnione względem idealnej wartości.

Okres spoczynku / kąt spoczynku

W mechanicznym układzie zapłonu faza spoczynku rozpoczyna się w momencie, gdy obracające się krzywki umożliwią zamknięcie styków przerywacza, tak aby prąd przepływał przez uzwojenie pierwotne cewki. Okres ten kończy się w chwili, gdy krzywki wymuszą ponowne otwarcie styków przerywacza, co odetnie dopływ prądu do uzwojenia pierwotnego. Okres spoczynku można zatem zdefiniować jako kąt, o jaki obracają się krzywki w czasie, gdy styki przerywacza znajdują się w pozycji zamkniętej.

Rys. 7a prezentuje 4 krzywki (w silniku 4-cylindrowym), co oznacza, że różnica kąta pomiędzy tym samym punktem sąsiednich krzywek wynosi 90°. Kształt krzywek w przykładzie pozwala na utrzymanie styków przerywacza w stanie zamkniętym podczas obrotu o 60°. A zatem kąt spoczynku wynosi 60 stopni obrotu rozdzielacza, podczas którego styki przerywacza są zamknięte, a przez uzwojenie pierwotne płynie prąd.

Rys. 7. Kąt spoczynku (styki przerywacza zamknięte) przedstawiony jako kąt obrotu wału rozdzielacza o 60° (z lewej) i o 40° w silniku 6-cylidrowym (z prawej)

Jeśli przykładowo wał korbowy obraca się z prędkością 1000 obr./min, wirnik rozdzielacza (który wiruje z prędkością równą połowie prędkości obrotowej silnika) będzie obracał się z prędkością 500 obr./min. Przy takiej prędkości obrót wału rozdzielacza o kąt spoczynku 60° trwa 20 milisekund, tymczasem czas naładowania cewki zapłonowej wynosi jedynie ok. 4 milisekund, a zatem czas spoczynku potrzebny do wytworzenia pola magnetycznego w cewce jest więcej niż wystarczający.

Kiedy silnik obraca się z prędkością 5000 obr./min, obrót wału rozdzielacza o ten sam kąt 60° będzie trwał tylko 4 milisekundy, czyli dokładnie tyle, ile potrzeba do wytworzenia w cewce pola magnetycznego o maksymalnej mocy. Jednak gdyby silnik kręcił się szybciej, zabrakłoby czasu na pełne naładowanie cewki zapłonowej, co skutkowałoby zmniejszeniem energii w polu magnetycznym i obniżeniem wartości napięcia podawanego do świec zapłonowych.

Problem skrócenia czasu spoczynku przy wzroście prędkości obrotowej silnika będzie miał większe znaczenie w przypadku silników o dużej liczbie cylindrów. Na przykład w silniku sześciocylindrowym jest 6 krzywek, z kątem różnicy pomiędzy nimi wynoszącym tylko 60° (rys. 7b) i kątem spoczynku tylko 40°. W rezultacie przy prędkości obrotowej silnika 5000 obr./min obrót o kąt spoczynku 40° będzie trwał tylko 2,6 milisekundy.

Jeśli pełne naładowanie cewki wymaga 4 milisekund, to czas spoczynku będzie zdecydowanie za krótki, co spowoduje obniżenie napięcia i może prowadzić do przerw w zapłonie.

W mechanicznych układach zapłonowych stosowano różne rozwiązania problemu skrócenia czasu spoczynku. Jednym z nich było zastosowanie mocniejszej cewki zapłonowej. Innym ekstremalnym rozwiązaniem stosowanym w silnikach wysokoobrotowych z 8 lub 12 cylindrami było wyposażenie ich w dwa oddzielne rozdzielacze, każdy z własną cewką zapłonową. Silniki te miały więc w rzeczywistości dwa oddzielne układy zapłonowe, które dostarczały wysokie napięcie do świec zapłonowych dla połowy cylindrów silnika.

Elektroniczne układy zapłonowe wczesnego typu

Elektroniczne przełączanie obwodu uzwojenia pierwotnego

 Wczesne generacje elektronicznych układów zapłonowych były w rzeczywistości ewolucyjną wersją układów mechanicznych. Rys. 8 przedstawia główne elementy układu elektronicznego wczesnej generacji, w którym zachowano rozwiązanie mechanicznego opóźniania i przyspieszania zapłonu, jak również palec rozdzielacza stosowany w układach w pełni mechanicznych. Jedną z głównych zmian w układach elektronicznych było zastosowanie elektroniki do włączania i wyłączania przepływu prądu przez uzwojenie pierwotne zamiast mechanicznego, niedokładnego i wymagającego regularnej konserwacji wyłącznika stykowego.

Rys. 8. Podstawowy elektroniczny układ zapłonowy

W funkcji przełącznika elektronicznego dla obwodu pierwotnego zastosowano tranzystor stanowiący część stosunkowo prostego wzmacniacza, nazywanego często modułem zapłonowym. Moduł ten reagował na sygnał wyzwalający lub sygnał pomiaru czasu dostarczany przez czujnik lub generator impulsu, który zazwyczaj znajdował się w korpusie rozdzielacza zapłonu.

Stosowano dwa główne typy czujników: indukcyjne i hallotronowe. Przykład przedstawia czujnik typu indukcyjnego, wykorzystujący punkty odniesienia (po jednym dla każdego cylindra) umieszczone na wale wirnika rozdzielacza. Kiedy wirnik obracał się, punkty odniesienia przesuwały się obok małej cewki z drutu owiniętej wokół magnesu stałego. Gdy punkt odniesienia przesuwał się obok magnesu i cewki, pole magnetyczne zmieniało się lub ulegało wahaniom, co następnie indukowało niewielki prąd elektryczny lub impuls elektryczny w cewce z drutu. Impulsy elektryczne dostarczały sygnał odniesienia dla modułu zapłonowego, który następnie wyłączał dopływ prądu do uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej.

Stały czas spoczynku i stała energia

Pomimo licznych różnic we wczesnych układach w większości wariantów moduł zapłonowy sterował również włączaniem i wyłączaniem dopływu prądu do uzwojenia pierwotnego. W efekcie moduł zapłonowy wyznaczał czas przepływu prądu elektrycznego przez uzwojenie pierwotne, czyli czas spoczynku.

W przeciwieństwie do mechanicznych układów zapłonowych, w których czas spoczynku zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika, w układach elektronicznych jest on utrzymywany na stosunkowo niezmiennym poziomie niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Ponadto, aby umożliwić stosowanie cewek zapłonowych o dużej mocy, które pracują przy wyższych przepływach prądu przez uzwojenie pierwotne, zapalniki zawierały również elektroniczne urządzenie ograniczające prąd. Ograniczniki prądu początkowo pozwalają na przepływ wysokiego prądu przez uzwojenie pierwotne, ale gdy osiągnie on określony maksymalny poziom, jest ograniczany, aby zapobiec przegrzaniu obwodu.

Zastosowanie stosunkowo stałego czasu spoczynku w połączeniu z ograniczeniem prądu pozwala, aby energia pola magnetycznego w cewce zapłonowej była prawie niezmienna niezależnie od prędkości obrotowej silnika i normalnych zmian napięcia akumulatora. Te elektroniczne układy zapłonowe były zatem określane mianem układów zapłonowych o stałej energii.

Współczesne elektroniczne układy zapłonowe

Elektroniczne sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu

Choć elektroniczne układy zapłonowe wczesnego typu zapewniały elektroniczne sterowanie czasem spoczynku i niezawodne elektroniczne przełączanie prądu przepływającego przez uzwojenie pierwotne cewki, nadal wykorzystywały mechanizmy mechanicznego przyspieszania i opóźniania zapłonu. Układy te nie były w stanie zapewnić optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu przy wszystkich prędkościach obrotowych i obciążeniach silnika. Wskutek coraz bardziej restrykcyjnych przepisów dotyczących emisji spalin, konieczna stała się bardziej precyzyjna i niezawodna regulacja kąta wyprzedzenia zapłonu. Doprowadziło to do wprowadzenia sterowania elektronicznego, które konsekwentnie zapewniało optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu w szerokim zakresie warunków eksploatacyjnych.

Układ sterowania i integracja z innymi modułami silnika

Elektroniczne układy zapłonu przeszły stopniową ewolucję w latach 80. i 90., otrzymując dodatkowe funkcje i możliwości. Bardziej zaawansowane elektroniczne systemy zapłonu wykorzystywały zaawansowane komputery lub jednostki sterujące silnika (ECU), jednak zapłon, wtrysk paliwa, emisje i inne funkcje związane z silnikiem wciąż stanowiły osobne układy. Ponieważ wszystkie te układy były sterowane komputerowo i wymagały tych samych lub podobnych informacji o pracy silnika, zostały wkrótce zintegrowane, tworząc jeden system sterowania silnikiem wykorzystujący jeden komputer lub jednostkę sterującą silnika do kompleksowej obsługi wszystkich układów.

Jednostka sterująca silnika umożliwia wykorzystanie dodatkowych i szczegółowych informacji o pracy jednostki napędowej, dostarczanych przez różne czujniki (rys. 9). Czujniki są wykorzystywane do wykrywania takich warunków eksploatacyjnych silnika, jak prędkość i pozycja wału korbowego, pozycja wałka rozrządu, przepływ masowy powietrza, pozycja przepustnicy i temperatura płynu chłodzącego. Informacja z czujników jest przekazywana do jednostki sterującej silnika, która następnie wylicza optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu na podstawie wstępnie zaprogramowanej mapy. W dalszej kolejności jednostka sterująca silnika przekazuje sygnał do modułu zapłonowego. Włącza on i odłącza dopływ prądu do uzwojenia pierwotnego. W wielu układach zapłonowych moduł zapłonowy jest również zintegrowany z jednostką sterującą silnika.

Punkty odniesienia dla kąta opóźnienia zapłonu i czujniki prędkości obrotowej

Przykładowy układ zapłonowy przedstawiony na rys. 9 posiada czujnik indukcyjny zlokalizowany obok wału korbowego. W przykładzie tarcza wirnika ma 60 punktów odniesienia, z których każdy odpowiada obrotowi wału korbowego o 6°. Gdy wał korbowy i tarcza obracają się, każdy z punktów odniesienia przesuwa się obok czujnika indukcyjnego, co powoduje indukcję niewielkiego impulsu elektrycznego do cewki zlokalizowanej w korpusie czujnika.

Rys. 9. Bezrozdzielaczowy elektroniczny układ zapłonowy sterowany przez jednostkę sterującą silnika

Do jednostki sterującej zapłonu przekazywana jest seria impulsów, dzięki którym otrzymuje ona informację o prędkości i pozycji wału korbowego. Brakujący ząbek na tarczy wirnika powoduje powstanie unikalnego impulsu (jak pokazano na oscyloskopie na rys. 9). Dostarcza on nadrzędne odniesienie dla pozycji wału korbowego, wskazujące jego konkretną pozycję (zazwyczaj GMP dla cylindra 1). Wykorzystując informacje podawane przez czujnik, jednostka sterująca jest w stanie obliczyć dokładną pozycję kątową wału korbowego, a następnie wyznaczyć bardzo precyzyjny kąt wyprzedzenia zapłonu.

W różnych układach zapłonowych stosowane są tarcze wirnika, stanowiące często część przedniego koła pasowego silnika lub koła zamachowego. Tarcze mogą mieć od 2 aż do 360 punktów odniesienia.

Układ zapłonowy bezrozdzielaczowy  z wieloma cewkami zapłonowymi (DLI)

Wcześniej podkreślono, że jedną z głównych wad stosowania pojedynczej cewki zapłonowej jest to, że przy wysokich prędkościach obrotowych silnika czas spoczynku potrzebny do wytworzenia w cewce zapłonowej pola magnetycznego o pełnej mocy jest skrócony. Problem ten dotyczy w szczególności silników o dużej prędkości obrotowej, sześciocylindrowych i o większej liczbie cylindrów. Czas spoczynku stał się obecnie jeszcze bardziej krytyczny, ponieważ współczesne cewki zapłonowe muszą dostarczać wyższe napięcia niż w przeszłości, aby zapewnić lepszy zapłon i wyższą sprawność spalania.

Oczywistym rozwiązaniem jest wykorzystanie po jednej cewce dla każdej świecy zapłonowej, co pokazano na rys. 10. Dzięki temu każda cewka potrzebuje ładować się tylko raz w jednym pełnym cyklu silnika. W silniku 12-cylindrowym z pojedynczą cewką konieczne byłoby 12-krotne ładowanie cewki na każde 2 obroty wału korbowego. Indywidualne cewki dla każdej świecy zapłonowej wymagają zastosowania dla wszystkich cewek osobnego modułu zapłonowego. Moduły te mogą być zintegrowane z jednostką sterującą silnika lub umieszczone oddzielnie. Jednak obecnie używa się cewek zapłonowych z modułem zapłonowym umieszczonym w zespole cewki (np. cewki „prętowe” Denso).

Rys. 10. Bezrozdzielaczowy elektroniczny układ zapłonowy sterowany przez jednostkę sterującą silnika

Kolejną zaletą stosowania indywidualnych cewek zapłonowych jest to, że palec i kopułka rozdzielacza nie są już potrzebne, co eliminuje możliwość wystąpienia łuku elektrycznego na stykach kopułki, ogranicza konieczność konserwacji i poprawia niezawodność.

Niektóre rodzaje bezrozdzielaczowych układów do połączenia cewek zapłonowych ze świecami nadal wykorzystywały izolowane przewody zapłonowe. W większości współczesnych układów sterowania silnikiem cewki zapłonowe są umieszczone bezpośrednio w świecach zapłonowych, co eliminuje konieczność stosowania przewodów. Dzięki nowym technologiom zwiększyły się możliwości komputerów. Jeden komputer potrafi wykonać pracę, która dawniej wymagała kilku urządzeń. Podobnie jest w przypadku jednostek sterujących silnikiem. Współcześnie większość pojazdów jest wyposażona w tylko jedną jednostkę, która steruje całością pracy silnika, w tym układem zapłonowym, wtryskiem paliwa, układem recyrkulacji spalin itd. Do jednostki sterującej silnika docierają informacje z różnych czujników.

Możliwość sterowania indywidualnymi cewkami zapłonowymi pozwala jednostce sterującej silnika całkowicie wyłączyć którąkolwiek z cewek (oraz powiązany wtryskiwacz paliwa) w razie wystąpienia przerwy w zapłonie w cylindrze. Przerwa w zapłonie zwiększa poziom szkodliwych emisji, jednak niespalone lub częściowo spalone paliwo i nadmiar tlenu przejdą następnie do konwertera katalitycznego. Konwerter katalityczny stanie się wówczas nieefektywny, a długotrwała ekspozycja na nadmiar tlenu i niespalone paliwo (które w rzeczywistości może się zapalić w konwerterze) spowoduje jego uszkodzenie.

Tweet

Krzysztof Puławski
Ekspert techniczny Denso Aftermarket