Akumulatorowe układy zapłonowe 1 Akumulatorowe układy zapłonowe Układy zapłonowe silników spalinowych w silnikach ZI służą do wytworzenia wyładowania iskrowego wewnątrz komory spalania silnika. Stosowane są następujące odmiany układów zapłonowych: - akumulatorowe; - iskrownikowe; - niskiego napięcia; - akumulatorowe elektroniczne. Najczęściej stosowane są układy akumulatorowe oraz iskrownikowe. Porównanie własności tych układów można przeprowadzić na podstawie oceny długości iskry w funkcji prędkości obrotowej dla obu układów (rysunek 1). W przypadku układu akumulatorowego przebieg ten jest prawie stały dla małych prędkości obrotowych, jednak w zakresie wyższych prędkości obrotowych, wskutek skracanie się czasu zwarcia styków przerywacza, długość iskry maleje. W celu zachowania stałej długości w całym zakresie prędkości obrotowej stosuje się specjalne cewki zapłonowe z oporami. Rys. 1. Długość iskry w funkcji prędkości obrotowej: 1 - konwencjonalny układ zapłonowy; 2 - zapłon iskrownikowy Przebieg napięcia wtórnego podczas pracy układu zapłonowego przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Przebieg napięcia wtórnego podczas pracy układu zapłonowego
Akumulatorowe układy zapłonowe 2 W skład klasycznego akumulatorowego układu zapłonowego wchodzą: - akumulator; - wyłącznik zapłonu; - cewka stała; - rozdzielacz zapłonu; - kondensator; - przerywacz; - świece. Schemat takiego układu przedstawia rysunek 3. Rys. 3. Schemat układu zapłonowego z mechanicznym przerywaczem: 1 - schemat układu; 2 - przerywacz. W układzie tym prąd pierwotny płynie z akumulatora przez cewkę, przerywacz, do masy i dalej do akumulatora. Z chwila przerwania obwodu pierwotnego w przerywaczu, w obwodzie wtórnym indukuje się prąd wysokiego napięcia, który przez rozdzielacz zostaje doprowadzony do odpowiedniej świecy zapłonowej. Zadaniem cewki zapłonowej jest przetwarzanie niskiego napięcia, dostarczonego z akumulatora lub innego źródła, na wysokie napięcie celem wymuszenia przeskoku iskry miedzy elektrodami świecy zapłonowej. Cewka zapłonowa składa się z dwóch uzwojeń: pierwotnego o liczbie zwojów 250...400 o średnicy 0,2...0,8 mm oraz wtórnego o liczbie zwojów 19 000...26 000 o średnicy 0,1...0,2 mm. Uzwojenia osadzone są na wspólnym rdzeniu, uzwojenie pierwotne nawinięte jest na zewnątrz uzwojenia wtórnego. Przekrój cewki zapłonowej przedstawia rysunek 4. W układach zapłonowych klasycznych opór wewnętrzny uzwojenia pierwotnego cewki wynosi 3,17...3,43 Ω, wtórnego - 5,75...8,25 kω. W układach tranzystorowych opór wewnętrzny uzwojenia pierwotnego ma mniejsze wartości, rzędu 0,8 Ω, uzwojenia wtórnego zaś 8,4...11,55 kω. Kolejnym elementem układu zapłonowego jest aparat zapłonowy, w skład którego wchodzi rozdzielacz wysokiego napięcia (powoduje przepływ wysokiego napięcia do odpowiednich świec zapłonowych), przerywacz (element odpowiedzialny za przerwanie w odpowiednich chwili czasu obwodu niskiego napięcia), regulatory kąta wyprzedzenia zapłonu (powodują zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu mieszanki palnej w cylindrze silnika), kondensator (chroni styki przerywacza przed iskrzeniem). W trakcie pracy silnika ze zmienną prędkością obrotową oraz zmiennym obciążeniem, w celu zapewnienia czasu wymaganego do spalenia określonej dawki mieszanki palnej stosuje się regulatory kąta wyprzedzenia zapłonu. Wyróżniamy następujące typy regulatorów: odśrodkowe (rysunek 5) i podciśnieniowe (rysunek 6).
Akumulatorowe układy zapłonowe 3 Rys. 4. Przekrój cewki zapłonowej: 1 - zacisk wysokiego napięcia; 2 - zacisk niskiego napięcia; 3 - korpus cewki; 4 - uzwojenie pierwotne; 5 - uzwojenie wtórne; 6 - pierścień uszczelniający; 7 - olej; 8 - rdzeń spakietowany z blach magnetycznych; 9 - izolacja uzwojeń Rys. 5. Regulator odśrodkowy kąta wyprzedzenia zapłonu
Akumulatorowe układy zapłonowe 4 Rys. 6. Regulator podciśnieniowy kąta wyprzedzenia zapłonu Regulatory te najczęściej stosowane są jednocześnie. Regulator odśrodkowy działa na zasadzie bezwładności elementów (ciężarków) osadzonych na płytce górnej części wałka rozdzielacza zapłonu. W miarę wzrostu prędkości kątowej ciężarki odchylają się na zewnątrz pod wpływem siły odśrodkowej, pokonując działanie sprężyn i powodując przesunięcie wałka krzywki w kierunku wirowania przyspieszając zapłon. Przy spadku prędkości obrotowej ciężarki powracają do położenia wyjściowego. Przykładową charakterystykę regulatora odśrodkowego przedstawia rysunku 7a. Regulator podciśnieniowy składa się ze wspornika z puszka oraz membrany w puszce z trzonkiem. Membrana jest połączona za pomocą trzonka z płytką przerywacza, puszka łączy się elastycznym przewodem z kanałem doprowadzającym podciśnienie z gaźnika. Maksymalne podciśnienie powstaje w chwili, gdy półotwarta przepustnica znajduje się naprzeciw otworka doprowadzającego podciśnienie. Podciśnienie maleje przy dalszym otwieraniu przepustnicy. Przy pełnym otwarciu przepustnicy regulator podciśnieniowy nie pracuje. Przykładową charakterystykę regulatora podciśnieniowego przedstawia rysunek 7b. a) b) Rys. 7. Charakterystyki regulatorów kąta wyprzedzenia zapłonu; a - regulator odśrodkowy; b - regulator podciśnieniowy Elementem układu zapłonowego pracującym w najcięższych warunkach jest świeca zapłonowa. Wywołują one zapłon mieszanki palnej poprzez wyładowanie elektryczne pomiędzy elektrodami. Świece zapłonowe dobierane są ze względu na rodzaj silnika, prędkość obrotową jego pracy, paliwo, stopień sprężania i inne wymagania stawiane świecom. Przekrój świecy zapłonowej przedstawia rysunek 8.
Akumulatorowe układy zapłonowe 5 Rys. 8. Przekrój świecy zapłonowej 1 - końcówka profilowana; 2 - końcówka gwintowana; 3 - ogranicznik upływu prądu; 4 - izolator; 5 - elektrycznie przewodzący stop szklany; 6 - rdzeń świecy; 7 - strefa skurczu zapewniająca szczelność kadłuba i izolatora świecy; 8 - podkładka uszczelniająca; 9 - stożek izolatora; 10 - elektroda środkowa; 11 - elektroda boczna (masowa) Układy klasyczne, ze względu na mechaniczny przerywacz, mają ograniczoną zdolność przenoszenia energii. Tranzystorowe układy zapłonowe wykonywane w odmianie bezkontaktowej zamiast przerywacza mechanicznego posiadają nadajnik impulsów zapłonowych. Nadajniki te wyzwalają impulsy napięciowe lub prądowe, które z kolei wyzwalają wysokonapięciowe impulsy kierowane do świec zapłonowych. Schemat typowego układu tranzystorowego przedstawia rysunek 9. Rys. 9. Schemat ogólny tranzystorowego układu zapłonowego 1 akumulator; 2 wyłącznik zapłonu; 3 cewka zapłonowa; 4 elektroniczny wyłącznik; 5 rozdzielacz z regulatorami odśrodkowymi i podciśnieniowymi; 6a indukcyjny nadajnik impulsów; 6b nadajnik impulsów Halla; 7 świece zapłonowe Na rysunku 9 pokazano dwie metody generowania sterujących impulsów napięciowych za pomocą: - nadajników indukcyjnych (rysunek 10); - nadajników hallotronowych (rysunek 11).
Akumulatorowe układy zapłonowe 6 Rys. 10. Rozdzielacz z indukcyjnym nadajnikiem impulsów 1 - magnes trwały; 2 - uzwojenie indukcyjne z rdzeniem; 3 - szczelina o zmiennej szerokości; 4 - krzyżak obrotowy nadajnika impulsów Rys. 11. Rozdzielacz z czujnikiem hallotronowym 1 - tarcza rozdzielcza o szerokości h; 2 - magnes trwały; 3 - element Halla; 4 - szczelina powietrzna; U G - napięcie nadajnika Nadajnik indukcyjny jest generatorem prądu zmiennego składającym się z wirnika i stojana. Liczba zębów wirującej tarczy odpowiada liczbie cylindrów. Częstość i amplituda zmiennego napięcia zależą od prędkości obrotowej. Napięcie zmienne wykorzystywane jest do sterowania wysokonapięciowych impulsów zapłonowych kierowanych do świec zapłonowych. Nadajnik hallotronowy wykorzystuje zjawisko Halla. Polega ono na generowaniu impulsów napięciowych w elemencie Halla (jest to element półprzewodnikowy) przez obracające się przesłony zmieniające natężenie pola magnetycznego. Impulsy te wykorzystuje się do sterowania włączania i wyłączania prądu pierwotnego w cewce zapłonowej. W obu powyższych przypadkach można w łatwy sposób sterować kątem wyprzedzenia zapłonu. Literatura 1. Wajand A. J., Wajand T. J.: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe, WNT, Warszawa 1997 2. Ocioszyński J.: Elektrotechnika ogólna i samochodowa, WSiP, Warszawa 1979