Struktura

Zapalovací systémy

Zapalovací systémy

U všech zážehových motorů je směs paliva a vzduchu zapalována cizím zdrojem. To se provádí elektrickou jiskrou vyrobenou zapalovacím systémem. Provedení zapalovacího systému se liší způsobem získání vysokého napětí, způsobem jeho rozdělení a přenosu, způsobem regulace předstihu. Na základě toho rozlišujeme čtyři hlavní varianty zapalovacích systémů - Konvenční cívkové zapalování (SZ), tranzistorové zapalování (TZ), elektronické zapalování (EZ) a plně elektronické zapalování (VZ). Okamžik zapálení je regulován zejména v závislosti na otáčkách a zatížení motoru. Elektronicky řízené zapalovací systémy při regulaci předstihu zohledňují navíc teplotu motoru a složení směsi. Hodnota předstihu má výrazný vliv na výkon motoru, spotřebu paliva a emise výfukových plynů. Obecně platí, že dřívější zapálení směsi (vetší předstih) způsobí zvýšení výkonu motoru, snížení spotřeby paliva, ale zhoršení některých emisních hodnot, zejména nespálených uhlovodíků HC a oxidů dusíku NOx. Důležitá je také souvislost mezi předstihem a náchylností ke klepání. K tomu dochází, je-li stlačená směs zapálena příliš brzy. Správná funkce zapalovacího systému tedy zásadně ovlivňuje činnost každého zážehového motoru.

 

Konvenční cívkové zapalování (SZ)

  • Konvenční cívkové zapalování je řízeno kontakty, to znamená, že proud, který protéká cívkou, je vypínán a zapínán mechanickým přerušovačem v rozdělovači. Jedná se o nejstarší a nejjednodušší variantu zapalovacího systému, u kterého je vše řízeno a regulováno mechanicky, tedy bez jakéhokoli elektronického zásahu. K hlavním komponentům konvenčního cívkového zapalování patří zapalovací cívka, rozdělovač, vysokonapěťové zapalovací kabely a zapalovací svíčky. Součástí rotačního rozdělovače je mechanický přerušovač s paralelně připojeným kondenzátorem, odstředivý regulátor předstihu, podtlakový regulátor předstihu, rozdělovací palec a víko.

    obrazek

Obr. 1: Konvenční cívkové zapalování

 

  • Rozdělovač bývá poháněný zpravidla od vačkové hřídele, případně od jiné hřídele, ale vždy v poměru 1 : 2 vůči klikové hřídeli. To znamená, že za dvě otáčky klikové hřídele udělá rozdělovač pouze jednu otáčku a během ní rozdělí vysoké napětí postupně do všech válců motoru podle stanoveného pořadí zapalování.

  • Při provozu motoru je napětí akumulátoru vedeno přes spínací skříňku na svorku 15 zapalovací cívky, prochází primárním vinutím zapalovací cívky a ze svorky 1 je vedeno na mechanický přerušovač v rozdělovači. V době sepnutí kontaktů přerušovače protéká proud na kostru. Primární okruh je uzavřen, v primárním vinutí zapalovací cívky vzniká magnetické pole, ve kterém se hromadí potřebná zapalovací energie. V okamžiku rozepnutí kontaktů přerušovače dojde k přerušení toku proudu zapalovací cívkou. Magnetické pole se rychle ztrácí a v obou vinutích cívky, tj. v primárním i sekundárním, se naindukuje vysoké napětí potřebné pro přeskok jiskry. Naindukované vysoké napětí je vedeno ze svorky 4 přes vysokonapěťový kabel do víka rozdělovače a dále přes odpružený uhlík, rozdělovací palec a vysokonapěťový kabel na zapalovací svíčku daného válce. Kondenzátor pohlcuje elektrický oblouk vznikající na kontaktech přerušovače při jejich rozepnutí, tím urychluje přerušení primárního proudu, zvyšuje intenzitu jiskry a výrazně zpomaluje nežádoucí opalování kontaktů. Toto elektrické opotřebení kontaktů přerušovače způsobuje postupně změnu v nastavení odtrhu a spolu s ním i změnu v úhlu sepnutí a předstihu. Obecně platí, že zmenšení odtrhu vlivem elektrického a mechanického opotřebení zvětší hodnotu úhlu sepnutí a zmenší hodnotu předstihu. Z tohoto důvodu by se měla po určitém počtu najetých kilometrů provádět předepsaná údržba a seřízení zapalovacího systému.

    • odtrh: mezera mezi kontakty přerušovače při maximálním rozevření ; měří se spárovými měrkami ; bývá v rozmezí 0,35 ÷ 0,45mm ; seřizuje se posunem pevného kontaktu v oválných otvorech ; údržba přerušovače spočívá v zapilování kontaktů při malém opotřebení a ve výměně za nový díl při velkém opotřebení

    • úhel sepnutí: úhel otočení hřídele rozdělovače, při kterém jsou kontakty přerušovače sepnuty ; uvádí se zpravidla v procentech ; měří se jako poměrná doba sepnutí/rozepnutí ; bývá v rozmezí 50 ÷ 60% ; seřizuje se změnou velikosti odtrhu - zmenšením odtrhu se úhel sepnutí zvětší a naopak

    • předstih: úhel otočení klikové hřídele od okamžiku přeskoku jiskry po dosažení horní úvrati pístu ; uvádí se v úhlových stupních ; měří se stroboskopem ; bývá v rozmezí 0 ÷ 13° při volnoběžných otáčkách ; seřizuje se pootáčením rozdělovače - pootočením ve směru otáčení se předstih zmenší a naopak

  • Odstředivý regulátor předstihu: Reguluje předstih v závislosti na otáčkách motoru - s rostoucími otáčkami natáčí dvojice odstředivých závaží horní část hřídele rozdělovače vpřed, směrem k dřívějšímu rozepnutí kontaktů přerušovače, tedy k většímu předstihu. Jednoduše řečeno, čím výšší otáčky motoru, tím větší předstih. Tímto je zajištěno, že zažehnutá směs paliva a vzduchu má vždy dostatek času k prohoření ještě před dosažením horní úvrati a maximální síla rozpínajících se plynů se využije přesně na začátku expanzního zdvihu.

Obr. 2: Odstředivý regulátor předstihu

obrazek

Obr. 3: Křivka odstředivé regulace předstihu

 

  • Podtlakový regulátor předstihu: Reguluje předstih v závislosti na zatížení motoru. Při částečném zatížení motoru se spaluje chudší směs, která hoří pomaleji než bohatá, proto je nutné zvětšit hodnotu předstihu. Měřítkem zatížení motoru a zároveň ovládací silou je podtlak v sacím potrubí, který působí na membránu podtlakového regulátoru. Prohnutí membrány se táhlem přenáší na základní desku s mechanickým přerušovačem, který se tímto natáčí proti směru otáčení rozdělovače. Čím více se natočí základní deska, tím dříve se rozepnou kontakty přerušovače a dříve se zapálí směs.

Obr. 4: Podtlakový regulátor předstihu

 

  • Zapalovací kabely: Jejich konstrukce je přizpůsobena požadavkům na co nejmenší ztrátu energie při jejím přenosu a na kvalitní ochranu rádiového příjmu před jeho rušením. Jádro zapalovacího kabelu zajišťuje cestu pro elektrický proud a je vyrobeno z různých materiálů - rozlišujeme kabely měděné, odporové a induktivní. Vnitřní izolace s opředením plní funkci elektrické izolace a zlepšuje ohybové vlastnosti. Vnější plášť chrání jádro a izolaci před negativními vlivy pracovního prostředí - zajišťuje odolnost proti olejům, benzinu, vodním parám a teplotě od – 40°C do cca + 220°C, podle typu použitého materiálu (materiál EVA, silikon). Rovněž materiály koncovek a převleček odpovídají teplotnímu namáhání na zapalovacích svíčkách, rozdělovači a zapalovací cívce. U zapalovacích kabelů se v praxi provádí vizuální kontrola případného mechanického poškození a kontrola předepsaného elektrického odporu.

   obrazek                                       

A - jádro ; B - vnitřní izolace ; C - opředení ; D - vnější plášť ; E - kontakt ; F - převlečka, koncovka

Obr. 5: Řez zapalovacím kabelem

 

  • Zapalovací svíčka: Zapaluje stlačenou směs ve válci a tím iniciuje expanzi plynů, která uvádí píst do pohybu. Zapalovací svíčka je v podstatě jiskřiště pro zapalovací proud, které je tvořeno střední a vnější elektrodou. Střední elektroda se vyrábí z různých materiálů, je obklopena izolátorem. Závit pro montáž zapalovací svíčky do hlavy válců bývá krátký, nebo dlouhý. Svíčka je těsněna podložkou, nebo bez podložky - pouze kuželovou plochou. Zapalovací svíčky se vyměňují v předepsaných intervalech. Vyžaduje-li to situace (např. při opravách nebo diagnostice), provádí se v praxi vizuální kontrola opotřebení elektrod, kontrola a nastavení vzdálenosti elektrod a případné vyčištění zapalovacích svíček vhodnou metodou.

obrazek

Obr. 6: Řez zapalovací svíčkou

 

obrazek

Obr. 7: Motor s kontaktním zapalováním

 

Tranzistorové zapalování (TZ)

  • Tranzistorové zapalování je řízeno indukčním nebo Hallovým snímačem, umístěným v rozdělovači. To znamená, že v systému odpadá mechanický přerušovač a s ním spojená údržba a seřizování. Výkonným prvkem, který zde vypíná a zapíná proud tekoucí primárním vinutím zapalovací cívky, je tranzistor v tranzistorové spínací jednotce. Tranzistorové zapalování se skládá, podobně jako konvenční cívkové, ze zapalovací cívky, rozdělovače, vysokonapěťových zapalovacích kabelů a zapalovacích svíček, navíc má pouze tranzistorovou spínací jednotku. Regulaci předstihu zajišťuje stále ještě odstředivý a podtlakový regulátor v rozdělovači. U tranzistorového zapalování se v praxi kontroluje a seřizuje pouze předstih.

  • Indukční snímač: Skládá se z rotoru umístěného na hřídeli rozdělovače a statoru, který je tvořen trvalým magnetem, a indukčním vinutím s jádrem. Indukční snímač je generátor. Při otáčení rotoru se periodicky mění šířka vzduchové mezery mezi nástavci rotoru a statoru, tím se periodicky mění magnetické pole v indukčním vinutí a indukuje se v něm střídavé napětí.

  • Hallův snímač: Skládá se z magnetické závory (trvalý magnet), clonového rotoru a integrovaného obvodu. Počet clon odpovídá počtu válců motoru. Otáčí-li se hřídel rozdělovače, pohybuje se clonový rotor ve vzduchové mezeře magnetické závory. Pokud je vzduchová mezera volná, dosahuje Hallovo napětí maxima. Naopak, vběhne-li některá clonka do vzduchové mezery, je Hallovo napětí nulové. Výsledným signálem z Hallova snímače je stejnosměrné obdélníkové napětí.

obrazek

Obr. 8: Tranzistorové zapalování

 

         

Obr. 9: Tranzistorová spínací jednotka

 

Elektronické zapalování (EZ)

  • Elektronické zapalování je již kompletně řízeno elektronicky, to znamená, že odpadá i mechanická regulace předstihu odstředivým a podtlakovým regulátorem. Tuto funkci přebírá elektronická řídicí jednotka zapalování (u systémů Jetronic) nebo řídicí jednotka motoru (u systémů Motronic). Elektronické zapalování se skládá z rozdělovače, indukčního nebo Hallova snímače, tzv. zapalovacího trafa s koncovým stupněm, vysokonapěťových zapalovacích kabelů a zapalovacích svíček. Některé elektronické systémy umožňují ještě kontrolu a seřízení předstihu v provázanosti se sériovou diagnostikou (komunikace s řídicí jednotkou motoru příslušnou čtečkou). Obecně ale platí, že postačuje správné základní nastavení rozdělovače při jeho montáži – píst 1. válce v HÚ kompresního zdvihu a rozdělovací palec v rozdělovači směřující na rysku označující pálení 1. válce. Indukční nebo Hallův snímač může být umístěn v rozdělovači nebo na motoru a snímat otáčky a polohu klikové hřídele. Vypínání a zapínání primárního proudu zajišťuje koncový stupeň, který je součástí zapalovacího trafa. Ovládá ho elektronická řídicí jednotka zapalování, respektive řídicí jednotka motoru.

Obr. 10: Zapalovací trafo s koncovým stupněm

 

Plně elektronické zapalování (VZ)

  • U plně elektronického zapalování již odpadá rotační rozdělovač a vysoké napětí je rozdělováno na jednotlivé válce motoru staticky – zapalovacími cívkami. V praxi se používají zapalovací cívky dvoujiskrové (zkratka DFS) nebo jednojiskrové (zkratka EFS). Například standardní 4válcový motor může mít zapalovací systém buď se dvěma DFS cívkami, nebo čtyřmi EFS cívkami. U provedení s DFS cívkami slouží jedna cívka vždy pro dva válce motoru - pravidlem bývá spojení 1./4. válce a 2./3. válce. Při použití EFS cívek má každý válec motoru svou zapalovací cívku.

  • U plně elektronického zapalování s DFS cívkami může být použit pouze snímač otáček a polohy klikové hřídele, zatímco zapalovací systém s EFS cívkami vyžaduje ještě navíc snímač polohy vačkové hřídele.

  • Zapalovací modul s DFS cívkami bývá umístěn buď na hlavě motoru, spojen se zapalovacími svíčkami standardně pomocí zapalovacích kabelů, nebo je tzv. zapalovací lišta s DFS cívkami posazena přímo na zapalovací svíčky. Zapalovací kabely tímto odpadají. Samostatné EFS cívky bývají posazeny zpravidla vždy přímo na zapalovacích svíčkách a vysoké napětí je rovněž přenášeno bez použití zapalovacích kabelů.

  • Zapalovací systémy bez rotačního rozdělovače neumožňují v praxi žádné seřizování. V případě potřeby se v rámci opravy nebo diagnostiky provádí pouze kontrola zapalovacích kabelů a údržba nebo výměna zapalovacích svíček. 

         

Obr. 11: Zapalovací modul s DFS cívkami

 

         

Obr. 12: Zapalovací lišta s DFS cívkami

 

         

Obr. 13: EFS cívka

 

Zapalovací systémy s regulací klepání

  • Klepání nebo zvonění je nekontrolovaná forma hoření směsi, která pokud nastává příliš často nebo příliš prudce, může vést až k poškození motoru. Z tohoto důvodu je hodnota předstihu udržována vždy v bezpečné vzdálenosti od hranice klepání. Hranice klepání je závislá na kvalitě paliva, stavu motoru a na podmínkách okolí. Bezpečná vzdálenost, díky které se nastavuje menší hodnota předstihu, způsobuje zvýšení spotřeby paliva a snížení výkonu motoru. Tato nevýhoda se může minimalizovat, pokud je hranice klepání zjišťována během provozu a hodnota předstihu je regulována těsně pod tuto hranici. K tomuto monitorování slouží tzv. snímač klepání, který snímá typické vibrace vzniklé při klepání. Převádí je na elektrický signál a ten potom předává jako informaci do elektronické řídicí jednotky zapalování, respektive řídicí jednotky motoru. Snímač klepání je umístěn na bloku motoru a místo montáže je zvoleno tak, aby bylo za všech okolností zajištěno rozpoznání klepání kteréhokoliv válce.

 

Zdroje

  • GSCHEIDLE, Rolf.  Příručka pro automechanika. 3. vyd. Praha: Sobotáles, 2007, 688 s. ISBN: 978-80-86706-17-7.
  • Zapalování, BOSCH, 1998/1999.

Obrázky:

 

Praktická ukázka

1. Diagnostika pomocí kompresiometru (ukázka zde).

2. Údržba a dobíjení baterie (ukázka zde).

3. Test baterie přístrojem BOSCH BAT 131 (ukázka zde).

Otestuj se

Test zde.

Logolink