Automobilová diagnostika - zapalování zážehových spalovacích motorů

Zážehový spalovací motor potřebuje pro svou funkci zažehnout směs ve válcích. Zážeh směsi se provádí pomocí zapalovací svíčky a zdroje vysokého napětí. A právě zapalovacímu procesu se věnuje tento článek.

Proces vytvoření jiskry

Proces zapálení jiskry u bateriového zapalování se dá rozdělit na několik částí. V první části si popíšeme ideální průběh zapalovací fáze a v následující části popíšeme parazitní prvky a následky okolních vlivů.

Ideální průběh

Přibližný ideální průběh snímaný kleštěma HVC95 je na obrázku 1.

Obr. 1. Ideální průběh zapalování snímaný na sekundáru kapacitníma kleštěma

Nultá fáze – ustálený stav

Indukční cívka je odpojena od napájení a proud i napětí na cívce jsou nulové.

První fáze – akumulace energie do indukční cívky

V první fázi spínač (kladívko, elektronický spínač) ukostří vývod 1 na indukční cívce a proud cívkou roste exponenciálně. Tímto se v cívce akumuluje energie W.

[J;H,A]

Proud je buď dán odporem vinutí cívky (u kladivkového zapalování), dobou sycení nebo proud omezí elektronický spínač(u elektronického zapalování). Většinou je ustálená hodnota proudu v rozmezí 2 až 8A.

Druhá fáze – přeskok jiskry

Jiskra mezi elektrodami zapalovací svíčky přeskočí pouze dosáhne-li napětí na elektrodách hodnotu odpovídající zápalnému napětí. Hodnota napětí závisí na složení směsi, teplotě, tlaku a také tvaru a znečištění elektrod. Vysoké zápalné napětí se dosáhne rozpojením obvodu(rozepnutím kontaktu nebo el. spínače) indukováním napětí na sekundárním vinutí.

[V;H,A/s]

Indukované napětí U_ind je hodnota na primárním vinutí. Napětí na sekundárním vinutí je p-krát větší než hodnota na primárním vinutí přičemž sekundární vinutí má p-krát více závitů než primární. Indukované napětí tedy závisí na indukčnosti cívky a derivaci proudu při rozepnutí spínače. Derivace(neboli velikost změny) proudu je závislá na rozpínacích poměrech spínače. Mechanický spínač(kladivko) nedokáže skokově rozepnout aniž by se „vytáhl“ oblouk na kontaktech spínače, proto se paralelně ke kladívku dává kondenzátor většinou 250nF/250V. Kondenzátor zabrání rychlému nárustu indukovaného napětí a tím zamezí k přeskoku jiskry na kladívku do doby než je kladívko zcela rozevřené(na hodnotu zvanou odtrh). U elektronických spínačů nehrozí přeskok jiskry na kontaktech(tzv. bezkontaktní spínání), tak elektronické zapalování dosahuje vyšších zápalných napětí a zároveň větší životnosti.

Indukované napětí zvětšené ještě p-krát je vedeno vysokonapěťovým kabelem na elektrody zapalovací svíčky a tam zažehne oblouk. Převod p je poměr počtu závitů sekundární cívky vůči přimární a u moderních zapalování býva 150:1 až 200:1. Je-li zapalování s indukční cívkou s jedním VN vývodem, tak k indukovanému napětí se ještě přičte napětí akumulátoru (u bateriového zapalování) a celý VN obvod se uzavře: sekundární vinutí zapal. cívky - VN kabely, (rozdělovač), fajfka zapal. svíčky, zapalovací svíčka, kostra motoru, akumulátor a zpět svorkou 15 (přas primární vinutí do sekundárního) do indukční cívky. U cívky s dvěmi VN vývody je obvod uzavřen: sekundární vinutí, VN kabel, fajfka jední svíčky, první zapal. svíčka, kostra motoru, druhá zapal. svíčka, fajfka, VN kabel a zpět druhý konec sekundárního vinutí.

Třetí fáze - hoření jiskry

Zažehnutý oblouk vyžaduje již mnohem menší napětí než zapálení jiskry, ale vyžaduje udržovací proud. Velikost napětí mezi elektrodami zapal. svíčky je nyní na hodnotě desítek voltů a oblouk hoří dokud je dodáván proud. Proud je dodáván díky energii W akumulované v jádru indukční cívky. Velikost napětí na oblouku je po dobu hoření téměř konstantní stejně tak proud, doba hoření je tedy závislá na velikosti energie akumulované v cívce.

Čtvrtá fáze – zhášení jiskry

Pokud energie v cívce dochází, tak se zmenšuje i proud v oblouku až oblouk zhasne. Zhasnutí oblouku vyvolá prudký pokles proudu, který je kompenzován opětovným nárustem napětí(indukované napětí). Většinou již k opětovnému přeskoku jiskry nedojde, protože cívka již nemá takovou energii. Touto fází končí ideální zapalovací proces.

Reálný průběh

Jelikož indukční cívka není ideální induktor/transformátor, spínací prvek spínač, dráty vodiče s nulovým odporem a indukčností, a hlavně ve spalovacím prostoru není inertní plyn, tak ani zapalovací proces není ideální. Ovšem právě odchylky od požadované hodnoty nám mnoho mnoho napovědět co se ve skutečnosti kde děje.

Například hned v první fázi sycení cívky může docházet k přesycení magnetického obvodu nadměrným proudem při nesprávném buzení nebo mezizávitovým zkratem. V druhé fázi rozepnutí a zapálení jiskry dochází k oscilacím-zakmitávání vlivem nezanedbatelných parazitních indukčností a kapacit v obvodu. Dalším parazitním jevem může být průraz na sekundárním vinutí nebo vysokonapěťovém vedení, dále nezanedbatelné podmínky ve spalovacím prostoru a hlavně v prostoru jiskřiště zapalovací cívky. Třetí fáze udržuje hoření jiskry a zde opět záleží jak probíhala první fáze, která akumulovala energii. Samozřejmě i složení plynů ve spalovacím prostoru ovlivňuje průběh hoření jiskry.

Článek bude dále doplňován a bude pokračovat praktickými příklady...
Máte-li zájem dostávat emailem informace o pokračování článku napište prosím vzkaz v sekci kontakty

Pokračování: Druhy zapalování zážehových spalovacích motorů

15.10.2010 Jiří Blecha