• Vliv zapalování
• Tranzistorové zapalování
• Kapacity součástí zapalování
• Tyristorové zapalování
• Předstih a jeho vliv na spalování
• Mechanická regulace předstihu

   Spalovací motory automobilů přeměňují energii chemicky vázanou v palivu na mechanickou práci. Výkon vytvářený motorem vzniká přeměnou chemické energie z paliva na teplo a přeměnou tohoto tepla na mechanickou práci. Přeměna chemické energie na teplo probíhá spalováním uhlovodíkového paliva. Je k tomu nezbytný kyslík, obvykle přiváděný se vzduchem nasávaným do spalovacího prostoru motoru.

   U zážehových motorů je obvyklým palivem automobilový benzin, jehož směs se vzduchem se zapálí zážehem od elektrického vývoje přivedeného z vnějšího zdroje.

   Má-li se co nejvíce energie vázané v palivu přeměnit na teplo, je třeba, aby palivo co nejdokonaleji shořelo. Spalování směsi paliva se vzduchem začíná zapálením. Aby k tomu došlo, musí být složení směsi takové, aby byla zapálitelná.

   Množství vzduchu ve směsi potřebné k úplnému spálení paliva bylo stanoveno výpočtem a činí 14.7 kg vzduchu na 1 kg paliva. Směs takového složení se nazývá stechiometrická; neobsahuje ani přebytek paliva, ani přebytek kyslíku.

   Složení směsi je charakterizováno vzduchovým číslem dané poměrem přivedeného množství vzduchu k teoretické potřebě.

   Pro stechiometrickou směs tedy platí . Bude-li směs obsahovat více vzduchu než je potřebné, nazývá se chudou a její . Bude-li naopak vzduchu méně, směs bude bohatá, tj. s přebytkem paliva a .

   Zážehové motory používají jako paliva automobilového benzinu. Aby byla jeho směs se vzduchem zápalná, má být její vzduchové číslo v rozmezí . Nejlepší podmínky zápalnosti jsou u směsi téměř stechiometrické, tj. při . V poslední době se rozšiřují zážehové motory pracující s velmi chudými směsemi, u kterých se blíží až ke 2.7. Většinou využívají vrstvení směsi spolu s řízením jejího pohybu ve válci.

   Na složení směsi je závislá i termodynamická účinnost přeměny energie obsažené v palivu na mechanickou práci při jejím shoření. Při bohaté směsi je výkon motoru vyšší, avšak měrná spotřeba roste. U chudých směsí je výkon nižší, ale měrná spotřeba klesá. Tyto skutečnosti postihuje graf na obr. 2, ve kterém je pro různé kompresní poměry uvedena závislost termodynamické účinnosti na součiniteli . Účinnost roste strmě do a dále pak pozvolně, ale trvale. Závislost platí pro ideální zážehový motor spalující tekutá uhlovodíková paliva. Chování reálného motoru je však odlišné, což vyplývá z čárkovaně vyznačeného průběhu závislosti termodynamické účinnosti typického zážehového motoru s kompresním poměrem 6.3:1. Maximum jeho účinnosti je při , zatímco průběhy ideálních motorů maxima nemají. Je to způsobeno tím, že u ideálního motoru se směs během pracovního cyklu zapálí a shoří, zatímco u reálného dochází k selhání zážehu, opožděnému zapálení, prodlouženému hoření a obvykle ke kombinaci těchto jevů.

Vliv zapalování

   Vliv zapalování na termodynamickou účinnost reálného motoru vyjadřuje diagram na obr. 3. Od určité hodnoty , jejíž velikost je závislá na dokonalosti funkce zapalování, se účinnost při dalším ochuzování směsi začne zhoršovat, motor vlivem selhávání zapalování ztrácí výkon a pracuje nepravidelně, až se nakonec zastaví. Jako nedokonalé se hodnotí zapalování, se kterým dochází ke zhoršování termodynamické účinnosti motoru ihned za stechiometrickou směsí (). Za vyhovující lze považovat zapalování, které zhoršuje účinnost až po ochuzení směsi o 10 % (), a za dobré, se kterým zhoršení nastává až při ochuzení o 20 % ().

   Pro zapálení stlačené směsi je rozhodující, aby alespoň v jednom místě byla dosažena nebo překročena zápalná teplota. Kromě toho je nutné, aby se zapálil dostatečný objem směsi. Hoří-li její malý objem, jsou tepelné ztráty na ohřev okolní nezapálené směsi na zápalnou teplotu vyšší, než tepelná energie produkovaná hořícím objemem. Teplota tedy klesá a po poklesu pod bod hoření plamen zhasne.

   Zážehové zapalování vyžaduje cizí zdroj energie, který dodá potřebné teplo a teplotu. Tato energie se přivádí do směsi elektrickou jiskrou vznikající přeskokem napětí mezi elektrodami zapalovací svíčky. Svíčka je vhodně umístěna ve spalovacím prostoru, kde je směs stlačována.

   Jiskra mezi elektrodami může přeskočit pouze tehdy, je-li na ně přivedeno dostatečně vysoké napětí. Napětí se tedy z nuly rychle zvýší na průrazné a po přeskoku jiskry klesne na napětí oblouku. Během trvání oblouku mezi elektrodami zapalovací svíčky má směs příležitost vzplanout. Průrazné napětí směsi je závislé na vzdálenosti elektrod svíčky, kompresním tlaku ve válci při stlačení směsi a na jejím složení i teplotě.

   Orientačně můžeme velikost tohoto napětí vypočítat z Paschenova vzorce, který je obvykle uváděn ve tvaru:

, (1)

kde d je mezielektrodová mezera v mm a epsilon kompresní poměr válců motoru

Vz zdvihový objem; Vk kompresní objem.

   Zvětšení mezery mezi elektrodami svíčky významně přispívá k zapálení většího objemu směsi. Vliv této mezery mezi elektrodami na měrnou spotřebu, emise HC a neklid volnoběžného chodu motoru pro různé složení směsi je na obrázcích.

   Není-li zapálen dostatečně velký objem, klesá teplota spalování a dochází k nedokonalému nebo neúplnému shoření paliva a následným růstem emisí HC. Výkon motoru klesá, takže měrná spotřeba (vztahuje se k výkonu) roste. Nedokonalé hoření se projevuje i nerovnoměrným chodem motoru.

   Mimo velikost zažehnutého objemu směsi má na průběh jejího shoření vliv i teplota jiskry, která směs zažehne. Teplota je závislá na elektrické energii uvolněné do výboje. Zdrojem elektrické energie u automobilů a jiných dvoustopých vozidel je obvykle akumulátorová baterie. Je to zdroj nízkého stejnosměrného napětí. Jeho velikost nepostačuju pro přeskok jiskry a ani nemůže být jednoduše transformováno na vyšší hodnotu. Proto se provádí jeho přeměna v zapalovací soustavě, přičemž se pro nahromadění energie využívá buď indukčnost nebo kapacita. Pro elektronické zapalovací soustavy se používá označení zapalování tranzistorové nebo zapalování tyristorové, což souvisí se spínacím elektronickým prvkem, kterým je nahrazován mechanický přerušovač bateriového zapalování. Ten je jedním z dílů omezujících dosažení dokonalejšího průběhu spalování a tím i zlepšení termodynamické účinnosti motoru a snížení jeho emisí.

Tranzistorové zapalování

   U tranzistorového zapalování, obr. 5, se energie hromadí v zapalovací cívce, stejně jako tomu bylo u dříve používaného bateriového. Je dodávána z vozidlové baterie nebo z alternátoru. Při průtoku elektrického proudu z tohoto zdroje vinutím cívky vzniká v jejím jádře magnetické pole, které akumuluje určitou energii. Množství energie je závislé na velikosti proudu a indukčnosti cívky (kterou zvyšujeme železovým jádrem), což lze popsat vztahem

. (2)

   Proud I závisí na velikosti napětí baterie , saturačního napětí spínacího tranzistoru a na odporu R1 primárního vinutí zapalovací cívky. Poměr mezi indukčností L1 primárního vinutí a jeho ohmickým odporem R1 určuje rychlost nárůstu primárního proudu, tj. časovou konstantu

. (3)

   Primární proud dosáhne v okamžiku přerušení rozepnutím spínacího prvku (tranzistoru) okamžité hodnoty

. (4)

   Protože je proud primárním vinutím střídavě zapínán a vypínán, bude jeho okamžitá hodnota závislá nejen na elektrických parametrech v okruhu primárního vinutí cívky, ale i na době od začátku zapnutí proudu do jeho přerušení. V případě, že bude trojnásobkem časové konstanty , tj. , dosáhne proud již asi 95 % své maximální hodnoty. Doba je však závislá na otáčkách n motoru a na počtu z jeho válců. Při zanedbání doby potřebné pro sepnutí a rozepnutí spínacího prvku lze pro výpočet doby použít vztahu

, (5)

ve kterém jsou otáčky n v [min-1].

   Bude-li nebude dosahovat 95 % maximální hodnoty dané poměrem jak je zřejmé z obrázku.

   Podle hodnoty v okamžiku rozepnutí spínače se v primárním vinutí zapalovací cívky naindukuje napětí, protože magnetické pole cívky se snaží zachovat původní proudové poměry. Tímto tzv. samoindukovaným napětím se nabije kondenzátor připojený paralelně ke spínacímu prvku. Po jeho nabití, tedy po zániku magnetického pole cívky, jehož magnetická energie se přemění na elektrostatickou v kondenzátoru a na ztráty na ohmických odporech v obvodu, se kondenzátor začne vybíjet zpět do cívky. Cívkou přitom protéká proud opačným směrem, vytvářeje rovněž magnetické pole. Děj se tedy periodicky opakuje a protože vlivem ztrát v obvodu klesá velikost samoindukovaného napětí, po určité době zanikne. Obnoven může být dalším sepnutím a rozepnutím spínače proudu z baterie.

    Z uvedeného je zřejmé, že takový obvod je schopen vytvářet tlumené' střídavé kmity. Kmitočet těchto tlumených kmitů je o něco nižší, než rezonanční kmitočet uvedeného obvodu, který je dán vztahem

, (6)

ve kterém L je indukčnost cívky v Henry [H]

C kapacita kondenzátoru ve Faradech [F].

   Popsaný děj je patrný z obrázku, ve kterém je a průběh prvního nabíjení kondenzátoru po rozepnutí spínacího prvku v okamžiku , b průběh jeho vybíjení, c a e průběhy dalších nabíjení kondenzátoru, d a f pak průběhy jeho vybíjení. Z obrázku je zřejmý i kmitočet [Hz].

   Pro lepší názornost bylo použito děje, který probíhá u mechanického přerušovače. Polovodičový spínací prvek ale odřezává záporná napětí pod nulovou linií. Průběh obdobného děje bude uveden v dalším.

   Parametry indukčnosti a kapacity mají vliv i na velikost samoindukovaného napětí v okamžiku rozepnutí spínače. Pro toto napětí platí přibližný vztah

, (7)

kde je proud protékající vinutím v okamžiku bezprostředně před rozepnutím spínacího prvku.

   Vzhledem k technickým možnostem realizace dílů zapalovací soupravy a zdroje elektrické energie v automobilu, nebude samoidukované napětí k vytvoření jiskry postačovat. Protože jde ale již o střídavé napětí, může být transformováno na potřebnou hodnotu. Jako transformátor slouží zapalovací cívka. Skládá se z primárního vinutí L1 a sekundárního L2. Na primárním vinutí se vytvoří samoindukované napětí U1 a to je transformováno nahoru v poměru rovném podílu počtu závitů sekundárního a primárního vinutí. Tento podíl bývá nazýván převodem cívky označovaném p.

   Parazitní kapacita sekundárního vinutí, spolu s kapacitami dalších dílů zapalovací soupravy, zapojených v tomto vinutí tvoří kapacitu C2. Tato se přetransformuje na primární stranu cívky v poměru a přičítá se ke kapacitě kondenzátoru C1 v obvodu primárního vinutí.

   Vztahy 3.3 upravený pro tyto podmínky pak je

(8)

- napětí na primárním vinutím zapalovací cívky při přerušení proudu

- proud při přerušení.

   Kapacitu C2 tvoří kapacity vn kabelů ke svíčkám, rozdělovači a cívce; dále pak parazitní kapacity svíček, rozdělovače a zapalovací cívky. Znečistění a zvlhnutí těchto dílů, dále případné stínění pro odrušení, to vše má  vliv na hodnotu kapacity C2. Tabulka 1 podle fy Bosch uvádí srovnání kapacit některých dílů v rozdílných podmínkách.

Kapacity součástí zapalování

   Na sekundárním vinutí L2 zapalovací cívky bude napětí , tedy krát vyšší než . K sekundárnímu vinutí je připojena zapalovací svíčka s průrazným napětím (viz vztah 1). Současně s růstem napětí na kondenzátoru C1 při jeho nabíjení, poroste i napětí na kapacitách C2.

   Pro velikost energie elektrického pole v kapacitě C2 platí vztah:

(9)

   Pokud ale dojde k průrazu a vytvoření oblouku (viz obr.).

   V něm se spotřebuje elektrostatická energie z kapacity C2 dle vztahu

(10)

kde je napětí na oblouku svíčky.

   Tato energie je menší než celková  magnetická  energie nahromaděná  v jádře cívky. Tato fáze výboje se nazývá  kapacitní. Je zdrojem tepla a značné ionizace. Proběhne během velmi krátké doby (řádově v us).

   Ve druhé fázi výboje se spotřebovává energie magnetického pole jádra. Fáze se nazývá  induktivní. Výboj probíhá již silně ionizovaným kanálem vytvořeným předchozí kapacitní fází. Doba trvání bývá podstatně delší než předchozí a dosahuje až několika ms. Trvá prakticky do úplného vyčerpání magnetické energie. Rychlost úbytku energie je určována podobnou časovou konstantou jako na primární straně, tj. poměrem indukčnosti sekundárního vinutí L2 k součtu jeho ohmického odporu R2 s statickým odporem oblouku (poměr Uob / Iob).

   Elektrická energie uvolněná do výboje v induktivní fázi je dána součinem proudu I tohoto výboje a času t jeho hoření. Jak tyto veličiny ovlivňují spalování směsi s různým lambda vyplývá z diagramů na obr. 10a, kde je závislost měrné spotřeby, emisí HC a emisí NOx na součiniteli lambda pro různé proudy výboje při konstantní době jeho hoření t = 2.0 ms. Na obr. 10b je závislost stejných parametrů při konstantním proudu I = 100 mA a různých dobách t hoření výboje.

   Z grafů je zřejmé, že pro dosažení vhodných poměrů je nutné volit kompromis mezi délkou hoření a proudem výboje.

   Ze vztahů v předchozím uvedených je zřejmý vliv jednotlivých parametrů zapalovací soustavy na průběh spalovacího procesu.

   U dříve používaného bateriového zapalování byl omezujícím prvkem mechanický přerušovač. Jestliže spínal proudy větší než 3 až 4 A, klesala rychle jeho životnost. Tím byla omezena energie, která se hromadila v cívce, protože přínos zvýšení indukčnosti není tak výrazný, jako zvětšení proudu. Kromě toho vyšší indukčnost zvětšuje časovou konstantu plnění cívky, což ovlivní nepříznivě dosažitelný maximální proud při vyšších otáčkách motoru. Tuto skutečnost osvětluje obrázek 5.

   Proto byl mechanický přerušovač nahrazen spínacím tranzistorem, který spíná bez problémů proudy 10 A i více. To umožňuje snížit indukčnost primáru cívky a zkrátit dobu potřebnou k dosažení maximálního proudu. Tím ale vznikly další problémy.

   Výkonový spínací tranzistor má určité maximální přípustné napětí mezi svým kolektorem a ostatními elektrodami. To nesmí být překročeno, jinak se součástka zničí. Proto nemůže být hodnota napětí na primárním vinutí zapalovací cívky, vzniklého přerušením proudu cívky (viz vztah 8), vyšší než ono maximální přípustné napětí. Ze vztahu (8) vyplývá, že napětí lze omezit výběrem kapacity paralelně ke spínacímu tranzistoru, což bylo používáno u starších zapalování.

   Protože to prodlužuje rychlost náběhu zapalovacího napětí, používá se nyní omezení polovodičovými prvky, které odříznou hodnoty vyšší než přípustné napětí tranzistoru.

   Je žádoucí, aby přípustné napětí tranzistoru bylo co nejvyšší, protože primární napětí se zvyšuje na zapalovací (obvykle nad 20 kV) poměrem počtu sekundárních a primárních závitů, tj. . Ovšem v obráceném poměru, tj. se transformuje sekundární proud, který určuje energii zapalovací jiskry, takže má být co největší.

   Při nízkých otáčkách se maximálního proudu dosáhne příliš brzy a další přívod energie z baterie se mění v tepelné ztráty, protože magnetický obvod je nasycen. Dále je problémem to, že při vysokých otáčkách dochází opět k poklesu energie vlivem velké časové konstanty. Zmenšit časovou konstantu snížením indukčnosti není vhodné, protože vede k poklesu energie. Proto se sáhlo ke zvětšení odporu primárního vinutí se současným zlepšením odvodu tepla naplněním cívky olejem s dostatečnou elektrickou pevností a tepelnou vodivostí. Současně se použilo elektronického řízení doby sepnutí primárního proudu tak, aby v celé oblasti otáček motoru bylo dosahováno pokud možno stejné hodnoty maximálního primárního proudu. Řízení se provádí posouváním okamžiku zapnutí proudu v závislosti na otáčkách tak, že se doba jeho průtoku s rostoucími otáčkami prodlužuje. Protože proud je závislý i na napětí baterie, přihlíží obvod řízení i k němu, takže úhel sepnutí je řízen podle těchto dvou parametrů (obr. 11).

   Moderní soustavy jsou řešeny nejen s řízením úhlu sepnutí, ale i s omezováním primárního proudu. Omezování se reguluje tak, že výkonový spínací tranzistor působí jako elektronicky řízený předřadný odpor. Tím se mění jeho saturační napětí a tedy i hodnota maximálního proudu. Proud se zvýší, je-li pro dosažení potřebné energie k dispozici krátká doba, tj. při vysokých otáčkách motoru.

   Jestliže nedosáhne napětí přiváděné k elektrodám svíčky průrazného napětí, oblouk nevznikne a jak primární tak sekundární napětí zapalovací cívky zůstanou ve tvaru tlumených kmitů.

    U dřívějších bateriových zapalování s mechanickým přerušovačem se průběhy , a blíží tvarům uvedeným v obrázku.

   Po zániku tlumených kmitů zůstává primární vinutí cívky na napětí baterie až do sepnutí přerušovače, kdy klesá na nulovou hodnotu, protože je spojeno s kostrou vozidla.

   U tranzistorového zapalování budou záporné půlvlny tlumených kmitů polovodičem odříznuty, takže zůstává prakticky jen první kladná půlvlna samoindukovaného napětí při rozepnutí spínacího tranzistoru (viz obr. 12b). Po sepnutí tranzistoru klesne primární napětí z napětí baterie na hodnotu jeho saturačního napětí.

   Délka hoření nezávisí pouze na velikosti přivedené energie, ale také na tom, zda je směs paliva a vzduchu klidná nebo se pohybuje. Při nízkých otáčkách motoru, tj. malém počtu jisker, se směs pohybuje poměrně málo. Doba trvání oblouku je dosti velká a směs se snadno zažehne. Příklad takového stavu je na obr.

   Naopak při vysokých otáčkách nebo vyšším kompresním poměru je směs rozvířena. Ve výboji se několikrát opakuje kapacitní fáze, kdy za první jiskrou následují další. Mezi nimi může vzniknout induktivní část (průběh výboje je na obr.).

   To však zažehnutí směsi zpravidla neuškodí, protože má na něj vliv celá doba trvání výboje, takže směs má dostatek příležitosti k zažehnutí. Protože se ale na každý takový výboj spotřebuje jistá část energie, dochází ke zkrácení oblouku.

Tyristorové zapalování

   U zapalování tohoto typu (obr. 14) se elektrická energie hromadí v kondenzátoru 4. Platí pro ni vztah

, (11)

ve kterém je C kapacita tohoto kondenzátoru ve faradech a U napětí, kterým je kondenzátor nabíjen.

   Aby byly rozměry tohoto kondenzátoru přijatelné, volí se jeho kapacita do 1 až 2 uF. Pro dosažení potřebné energie musí být nabíjecí napětí nejméně 300 V, proto se nemůže dodávat přímo z palubní sítě vozidla, tedy z alternátoru nebo baterie. Jejich napětí musí být na potřebnou hodnotu zvýšeno v měniči.

   V měniči se stejnosměrné napětí baterie přemění na impulsní, které se transformuje na vyšší hodnotu potřebnou k nabití kondenzátoru a poté se usměrní. Kondenzátor se nabíjí napěťovými impulsy, buď jedním nebo vícenásobným.

   Nabíjení s více impulsy používá střídačů s vlastním buzením, které pracují s kmitočtem impulsů v jednotkách kHz. Ten je zřetelně slyšet a indikuje tak správnou funkci obvodu. Průběh nabíjení je znázorněn na obr.

okamžik zážehu

průběh nabíjení kondenzátoru na napětí

doba nabíjení

řídící impuls o délce pro sepnutí tyristoru

   Nevýhodou tohoto systému je, že pro dobré nabíjení kondenzátoru při nejvyšších otáčkách musí nabíječ dodávat výkon 25 -- 30 W. Při nízkých otáčkách je ale spotřeba mnohem menší, výkon střídače však zůstává stejný, takže je zbytečně odebírána energie z vozidlové sítě.

   Z tohoto důvodu mají příznivější poměry střídače s cizím řízením a přídavným oscilátorem. Nabíjení kondenzátoru probíhá jednotlivými impulsy, které jsou dimenzovány v desetinách ms. Jejich délka je limitována podmínkou, aby ani při nejvyšších otáčkách neklesala nahromaděná energie. Nabíjení kondenzátoru na provozní napětí proběhne mnohem rychleji, viz jeho průběh na obr. Legenda k obrázku je shodná s předchozím.

    K elektrickému výboji na zapalovací svíčce dojde při vybití kondenzátoru přes primární vinutí zapalovací cívky a spínací tyristor. Tyristor je otevírán impulsem, který časově odpovídá rozepnutí přerušovače v rozdělovači. Napětí na kondenzátoru je v cívce transformováno na hodnotu potřebnou k přeskoku ve svíčce. Protože se energie nehromadí v indukčnosti, je cívka pouze transformátorem a její indukčnost může být podstatně nižší (až 10x) než u tranzistorového zapalování.

   Porovnání vlastností bateriového (BZ), tranzistorového cívkového (TCZ) a tyristorového kondenzátorového (VKZ) zapalování je uvedeno obrázky 17a a 17b. Na prvním je uveden časový průběh sekundárního napětí (v % maximální hodnoty), ve druhém pak průběh obvykle dosahovaného maximálního napětí v závislosti na počtu jisker za minutu.

   Ve druhém obrázku je oblast a tvořena poklesem napětí vlivem silného jiskření na přerušovači, oblast b pak vzájemnými nárazy kontaktů přerušovače a jejich odskakováním.

   U kondenzátorového zapalování (VKZ) jsou uvedeny průběhy dva. Průběh označený a platí pro jednoimpulsové nabíjení, b pro víceimpulsové. Pod označením c je uveden průběh pro elektronické induktivní zapalování s řízením doby sepnutí primárního proudu podle otáček motoru. Průběh příkonu bateriového zapalování není uveden.

   Pomineme-li bateriové zapalování s mechanickým přerušovačem, vyplývá z obrázků, že tranzistorové zapalování má podstatně pomalejší náběh zapalovacího napětí než tyristorové, zato je schopno toto napětí udržet po podstatně delší dobu, tj. jiskra je výrazně delší.

   Důležitost rychlého náběhu zapalovacího napětí plyne z toho, že dnes nejpoužívanější motory s vysokým měrným výkonem potřebují zapalovací svíčky s vyšší tepelnou hodnotou. To má za následek, že při častých jízdách na kratší vzdálenosti se svíčky snadno znečistí sazemi. Tím na nich vznikají vedlejší elektrické cesty (svody napětí). Tyto snižují vytvářené napětí, takže energie jiskry klesá a v krajních případech nemusí dojít k přeskoku. Dalšími příčinami těchto svodů bývají usazeniny olova na keramice svíčky a vodní kondenzát na jejich elektrodách.

   Zapalování se strmým náběhem jsou na tyto vedlejší svody poměrně necitlivé. Citlivost vůči nim je také charakterizována dynamickým vnitřním odporem zapalovací soupravy. Čím je jeho hodnota nižší, tím méně klesá napětí dodávané ze zapalovací soupravy, dojde-li ke vzniku svodů.

   Rychlost náběhu zapalovacího napětí také snižují kapacity vn kabelů rozvádějících napětí z cívek ke svíčkám (případně přes rozdělovač, pak i jeho) a kapacity svíček. Na tyto parazitní kapacity se váže elektrický náboj, což nepříznivě působí na zmíněný náběh napětí.

   Znečištění a zvlhnutí těchto dílů, dále případné stínění pro odrušení, zvyšuje parazitní kapacity 3 až 6-krát. To se může projevit potížemi při startování i chodu motoru.

   Délka jiskry ovlivňuje vzplanutí směsi ve válci a tím má nepřímý vliv na průběh spalování. Homogenní stechiometrické nebo mírně bohaté směsi může zapálit jiskra s poměrně krátkým trváním. Chudé a nehomogenní směsi, jaké vznikají zejména při studeném startu nebo při zrychlování z nízkých otáček a při popojíždění, vyžadují delší trvání jiskry. Tím se zvyšuje pravděpodobnost, že se zapálení schopná část směsi dostane do prostoru jiskry. Dále, že bude jádru plamene stále přiváděna energie, takže toto přetrvá, dokud se teplota směsi vlivem rostoucí komprese nezvýší natolik, že se vytvoří stabilní fronta plamene. U induktivních zapalování obnáší délka jiskry ms, u kondenzátorových je však obvykle do 0.1 ms.

   Výše uvedené rozdíly souvisí s růzností principů vytváření vysokého napětí u obou druhů zapalování. Jak je zřejmé z obrázku a textu k tranzistorovému zapalování, tvoří primární vinutí L1 zapalovací cívky s paralelně připojenou kapacitou (tj. ) rezonanční obvod. Na něm vznikají při přerušení proudu protékajícího tranzistorem tlumené kmity o kmitočtu

. (12)

   Dosáhne-li amplituda prvního maxima těchto kmitů (na sekundáru zapalovací cívky) hodnoty vyšší než je průrazné napětí, vznikne oblouk. Trvá tak dlouho, pokud stačí energie nahromaděná v jádře zapalovací cívky prostřednictvím magnetického pole k jeho udržení. Napětí na oblouku je podstatně nižší než průrazné.

   U tyristorového zapalování (viz obr. 14) dochází při sepnutí tyristoru k vybití kondenzátoru přes primární vinutí zapalovací cívky L1. Pro kmitočet tlumených kmitů obvodu ale platí jiný vztah než u tranzistorového způsobu:

. (13)

   Ve vztahu je rozptylová indukčnost primárního vinutí L1. Hodnota a závisí na konstrukci zapalovací cívky. Vhodným provedením lze rozptylovou indukčnost snížit a tak dosáhnout až o řád vyššího kmitočtu , než při induktivním hromadění energie.

   Za dobu dosáhne amplituda prvního kmitu maximální hodnoty

. (14)

   Ze vztahů vyplývá, že se zvyšujícím se roste sekundární napětí strměji, čímž se snižují ztráty energie před vznikem průrazu. Dále vyplývá i menší vliv kapacity C2 na rychlost nárůstu sekundárního napětí a na jeho maximální hodnotu , tedy i menší vliv vlhkosti a nečistot ovlivňujících tuto kapacitu.

   Výše uvedené patří k přednostem kapacitního způsobu vůči induktivnímu. U něj je vždy menší než .

   Průběh vysokého napětí v závislosti na počtu jisker je proto zcela jednoznačně nejlepší u kondenzátorových souprav. Ty bývají nejčastěji používány u vysoce výkonných motorů sportovních automobilů nebo u motorů s krouživým pohybem pístu (Wankel). Takové motory mají v oblasti nízkých otáček sklon snadno zanášet svíčky sazemi. Vedlejší svody, vytvořené na svíčkách sazemi a usazeninami, ovlivňují funkce kondenzátorového zapalování mnohem méně než induktivního.

   Čím vyšší je ale kmitočet , tím kratší bude doba trvání výboje na zapalovací svíčce. Je to dáno tím, že spínací prvek (obvykle tyristor) vede proud pouze jedním směrem, takže tlumené kmity rychle zanikají. Aby se výboj prodloužil nebo se několikrát opakoval, musí být obvod zdokonalen.

   Opakovaného výboje se dosáhne připojením polovodičové diody paralelně ke spínacímu prvku. Dioda pak vede záporné půlvlny tlumených kmitů, jejich amplituda pak klesá mnohem pomaleji. Na sekundární straně tedy přesáhne průrazné napětí a dochází k dalším výbojům.

   Prodloužení délky trvání oblouku nastane připojením diody paralelně k primárnímu vinutí zapalovací cívky. Při vybíjení kondenzátoru Cn proud nevede. V okamžiku, kdy tento proud dosáhne maxima, dochází ke změně směru jeho toku a v primárním vinutí se indukuje napětí s opačnou polaritou. Dioda může vést a všechna energie nahromaděná v magnetickém poli cívky se může přenést do sekundárního obvodu.

   Zjednodušená schémata jednotlivých průběhů jsou na obr. 18 spolu s grafy průběhů napětí na nabíjecím kondenzátoru Cn (horní grafy), proudu tyristorem (střední grafy) a proudu primárním vinutím zapalovací cívky (dolní grafy). Časová měřítka u grafů prvního způsobu jsou pro lepší názornost upravena.

   Mimo uvedené úpravy bylo vyvinuto několik dalších způsobů prodloužení délky hoření výboje při zachování rychlého náběhu napětí. Patří k nim např. použití dvou nabíjecích kondenzátorů, jeden s 10x nižší kapacitou. Ten je nabíjen napětím větším o 20 až 50 %. Mezi kondenzátory je zapojena dioda polarizovaná tak, aby se kondenzátor s vyšší kapacitou začal vybíjet až po poklesu zvýšeného napětí na menším kondenzátoru. Výboj se tímto prodlouží až na 0.5 ms. Přidáním dalších součástí je možno výboj prodloužit až k 1 ms. Rychlost náběhu vn přitom zůstává zachována.

   V poslední době se začínají znovu uplatňovat zážehové motory spalující chudé směsi, které se na rozdíl od stechiometrických mnohem hůře zapalují. Účinným způsobem jejich zapálení se ukazuje přivádění zapalovací energie skrze čelo plamene, v rychle (v intervalech kratších než 1.0 ms.) se opakujících jiskrách. Tím nabyde čelo plamene výhodnějších jak elektrických, tak fluidických a tepelných vlastností.

   Zápalnost chudých směsí se vystupňuje velikostí, tvarem, kmitočtem a trváním jednotlivých jader jiskry. Jestliže je perioda mezi jiskrami příliš dlouhá, následující jiskry přijdou za čelem plamene ve "vyčerpaných zónách". Zlepšení účinnosti spalování pak bude pouze náhodné, vlivem turbulence "čerstvé náplně" kolem svíčky. Avšak energie přidávaná do původní jiskry bude ztracena.

   Příliš krátká perioda mezi jiskrami zase způsobí, že se oblouk chová jako elektrický zkrat a minimalizuje účinek energie do něj přidávané. Pečlivá volba kmitočtu opakování jisker (obvykle pulsují v několika stovkách us), dále jejich velikosti a uspořádání elektrod svíčky dovolují, aby následná energie vnikala do počátečního čela plamene, kde bude "elektricky katalyzovat" spalovací proces a ukládat se do plasmy.

   Je přirozené, že časové poměry tohoto procesu vyžadují i speciální zapalovací cívku. U ní je optimalizován výkon snížením poměru mezi počty závitů primárního a sekundárního vinutí. Také provedení sekundáru a přívody vysokého napětí ke svíčkám musí být řešeny tak, aby se co nejvíce omezilo rušivé vf pole, vznikající v zapalovací soustavě.

   Vzhledem k vysokým energiím dodávaným takovou soupravou (až 10× více než u konvenčních soustav.}, jsou mnohem vyšší nároky na výkon měniče napětí baterie na nabíjecí napětí kondenzátoru. Protože opakování jisker probíhá velmi rychle, je jedinou možností použít vysokofrekvenčních spínacích zdrojů.

Předstih a jeho vliv na spalování

   Termodynamickou účinnost zážehového motoru ovlivňuje i okamžik zážehu, ve vztahu ke vzdálenosti pístu od jeho horní úvrati (HÚ - měřeno v úhlových stupních).

   Průběh tlaku ve spalovacím prostoru při různých okamžicích (bodech) zážehu je uveden na obr. 19.

   Průběh a, odpovídá zážehu v okamžiku Za, kdy je předstih optimální.

   Průběh b, odpovídá příliš časnému zážehu v okamžiku Zb; dochází k detonačnímu hoření a klepání motoru.

   Průběh c, odpovídá pozdnímu zážehu v okamžiku Zc; tlak ve spalovacím prostoru je menší, protože se zvětšuje objem, do kterého se zažehnutá směs rozpíná.

   Nastavení předstihu tedy ovlivňuje měrnou spotřebu. Na velikosti předstihu zážehu jsou také závislé emise škodlivin ve výfukových plynech. Jak vyplývá z obrázku 20, je vliv předstihu na emise přesně obrácený, než je tomu u spotřeby. Aby se dosáhlo vhodného kompromisu mezi spotřebou paliva a hodnotou škodlivých emisí, je řízení okamžiku zážehu mnohdy složité, má-li být předstih ve všech provozních podmínkách optimalizován.

   Optimální předstih je dán požadavky maximálního výkonu motoru, minimální spotřeby paliva, minimálních emisí a dobrých jízdních vlastností. Současně je nutné dbát na vedlejší požadavek zajistit bezpečný odstup od hranice klepání (detonačního hoření). Ke klepání dochází vlivem samozápalů čerstvé směsi, která ještě nebyla zapálena čelem plamene vzniklého jiskrou svíčky. Příčinou bývá především velký předstih, nízké oktanové číslo benzinu a také vysoký kompresní poměr válců. Detonační hoření vede k tlakovým oscilacím v kmitočtovém pásmu 5 až 10 kHz a ke zvýšení teploty ve spalovacím prostoru. Zvýšené tepelné a mechanické namáhání částí motoru (písty, pístní kroužky, těsnění hlavy, ojnicových ložisek atd.) může vést při delším působení k poškození motoru.

   Doba, která proběhne od přeskoku jiskry k úplnému hoření se sice zkracuje s rostoucími otáčkami motoru, aby však spalovací tlak, vztažený na výkon motoru, zůstal s rostoucími otáčkami optimální, musí být předstih stále větší.

   Optimální předstih je také závislý na zatížení motoru, které je obvykle úměrné otevření škrtící klapky. Při plném zatížení je škrtící klapka široce otevřena a směs je obohacena. Přitom je rychlost šíření čela plamene poměrně vysoká a zážeh má proběhnout později, než při částečném zatížení, kdy je škrtící klapka otevřena jen málo. Palivová směs je ochuzena, protože vzrůstá obsah spálených, ale nevytlačených zbytků plynu. Ochuzením se zpomalí hoření a předstih se musí zvětšit.

Mechanická regulace předstihu

   Jak bylo popsáno v předchozím, dojde k přeskoku jiskry v zapalovací svíčce v okamžiku rozepnutí nebo sepnutí přerušovače v rozdělovači zapalovacího vysokého napětí. Tento okamžik se musí posouvat vzhledem k natočení klikové hřídele proti horní úvrati válců a to podle otáček motoru. Rozdělovače používané u bateriového zapalování byly vybaveny mechanickými přerušovači, které rozepínaly během jedné otáčky motoru tolikrát, kolik byl poloviční počet válců motoru. Protože rozdělovač vn je spřažen s vačkovou hřídelí, jejíž otáčky jsou poloviční než klikové, je to tolik rozepnutí (sepnutí) za jednu její otáčku, kolik je válců.

   Posouvání okamžiku ve stupních natočení hřídele proti horní úvrati podle otáček motoru lze měnit odstředivým regulátorem, který je zobrazen, spolu s mechanickým podtlakovým regulátorem, na obr. 21.

   Odstředivý regulátor je tvořen závažíčky, která se více nebo méně rozevírají a tím natáčejí přes pružinky část otočné hřídele, která rozpíná přerušovač. Předepnutí pružinek určuje rychlost zvyšování předstihu podle otáček. Maximální hodnota předstihu je obvykle omezena koncovými dorazy závažíček.

   Podtlakový regulátor sestává z podtlakové komory, která předstih zmenšuje a z komory, která jej zvětšuje. Podtlak pro zvětšování předstihu je odebírán ze sacího potrubí motoru, před škrtící klapkou. S klesajícím zatížením roste podtlak působící na membránu komory a táhlo se posouvá vpravo. Nosná destička přerušovače se natočí proti směru otáčení hřídele rozdělovače a předstih se zvětší.

   Podtlak pro zpožďovací komoru se v sacím potrubí odebírá za škrtící klapkou a prstencová membrána této komory přispívá především ke zlepšení emisí v určitých stavech motoru (volnoběh, popojíždění apod.). Táhlo natáčí destičku s přerušovačem ve směru otáčení hřídele rozdělovače a předstih se zmenší. Zpožďovací systém pracuje nezávisle na urychlovacím, ale je mu podřízen.

   Současný podtlak v obou komorách realizuje potřebné nastavení dílčího zatížení ve směru většího předstihu.

   Mechanické regulátory předstihu provádějí jeho řízení pouze podle otáček a zatížení motoru. Avšak předstih pro nejlepší termodynamickou účinnost, tj. největší kroutící moment, je závislý až na 10-ti proměnných, které ovlivňují jeho optimální hodnotu v celém pracovním rozsahu motoru dosti výrazně. Aby se co nejvíce omezil nepříznivý dopad přehlížení vlivu některých veličin na optimalizaci předstihu, bývají mechanické regulátory doplňovány o součásti vhodně reagující na tyto veličiny. Bývají většinou zařazovány mezi podtlakovou komoru zvyšující předstih a otvor v sacím potrubí, ze kterého se podtlak odebírá. Součást pak ovlivňuje jeho velikost a tím se mění výše popsaným způsobem předstih. Je zřejmé, že předstih může být pouze zmenšen proti hodnotě odpovídající podtlaku v sacím potrubí.

   Jako příklad takovéhoto doplňku můžeme uvést systém fy Toyota zakreslený rovněž v obr. 21. Jeho hlavní částí je bimetalovým článkem ovládaný ventil, který je ve styku s chladící kapalinou motoru. Ventil se otevře, jakmile přesáhne teplota kapaliny hodnotu, nad kterou je motor považován za teplý. Podtlak ze sacího potrubí je pak přiveden do urychlující komory regulátoru a předstih se zvýší. Je-li motor "studený", ventil zůstává uzavřen a předstih je regulován pouze podle otáček.

   Obdobných systémů, i podstatně složitějších a reagujících na více proměnných, existuje celá řada. Protože jde převážně o mechanické způsoby, vymyká se jejich popis zaměření tohoto článku na elektronické systémy a nebude zde detailněji uváděn.

   Přes všechny doplňky zůstává mechanickým regulátorům předstihu mnoho nedostatků, které brání jejich používání u novějších vozidel. Nemohou zabezpečit splnění emisních předpisů, neumožňují dosáhnout nižší spotřeby a lepších jízdních vlastností, které by motor mohl mít při výhodnějším průběhu předstihových charakteristik.

   Např. otáčková regulace s odstředivým regulátorem je nepříznivě ovlivňována jeho setrvačností. Při zvyšování otáček motoru, zejména v oblasti těsně za volnoběhem, je nastavený předstih nižší, než je potřebné pro dosažení maximálního kroutícího momentu. Motor se "vleče za plynem" a vozidlo hůře zrychluje.

   Při deceleraci, tj. při brzdění motorem, otáčky klesají a setrvačnost odstředivého regulátoru zpomaluje pokles předstihu. To se nepříznivě projeví zvýšením emisí škodlivin.

   Tato hystereze otáčkové regulace není jediným nedostatkem mechanických regulátorů. Předstihové charakteristiky motoru mají být v různých provozních podmínkách optimalizovány podle rozdílných kritérií. Takovými kritérii jsou emise, spotřeba, kroutící moment, výkon, tichost chodu, případně kompromis mezi těmito veličinami.

   Další vstupní veličiny, které ovlivňují předstih, jsou již zmíněná teplota motoru (chladící kapaliny) a poloha škrtící klapky. Zpožděním předstihu u "studeného" motoru se dosáhne zvýšení teploty výfukových plynů a tím rychlejšího ohřátí motoru s katalyzátorem (je-li použit). Po zahřátí motoru se předstih postupně zvyšuje, aby se dosáhlo optimálního kroutícího momentu motoru.

   Pro informaci o škrtící klapce je postačující znát dobu, kdy je minimálně nebo maximálně otevřena. Tím je dáno, zda jde o volnoběh nebo maximální akceleraci a dle toho se mění průběh regulace předstihu podle otáček.

   Přesnost regulace předstihu a stálost nastavení v čase je ovlivňována i mechanickým přerušovačem, je-li v zapalovací soustavě použit.

   Mechanické (kontaktní) přerušovače, i když řídí elektronická zapalování, podléhají opotřebení kontaktů a změnám jejich nastavení. Nejsou tedy pro novější systémy, určené ke splnění zpřísňovaných emisních předpisů, vhodné. Jejich nedostatky odstraňují bezkontaktní přerušovače. Pro řízení elektronického spínače je použito snímače některého z typů dále popsaných. Jejich uspořádání v rozdělovači s mechanickou regulací předstihu vyplývá z následujících obrázků. Na obr. 212 je příklad řešení s induktivním snímačem rotačně symetrického typu používaného firmou Bosch.

   Indukčnost, ze které je sváděn signál pro elektronickou část zapalování, je uložena spolu s permanentním magnetem (feritovým kroužkem) a jeho pólovými nástavci, jejichž počet je roven počtu válců, na statorové destičce regulátoru předstihu. Statorová destička je ovládána podtlakovou komorou.

   Rotační část snímače je tvořena kroužkem z měkkého železa, který je opatřen výstupky, jejichž počet je roven počtu válců motoru. Kroužek je spojen s částí osy rozdělovače ovládanou odstředivým regulátorem. Snímač generuje signál, míjí-li výstupky rotoru pólové nástavce na statoru.

   Řešení s induktivním snímačem jednozubového typu je na obr. 213. Indukčnost navinutá kolem permanentního magnetu tvoří jádro snímače. Jsou upevněny na statorové destičce regulátoru ovládané podtlakovou komorou. Rotor snímače je spřažen s částí hřídele rozdělovače ovládané odstředivým regulátorem. Rotor je z magneticky vodivého materiálu a má tolik zubových výstupků, kolik má motor válců. Snímač generuje signál vždy, když některý z výstupků míjí zub statorové části.

   Snímač s Hallovým prvkem je pro použití v rozdělovačích vyráběn již ve formě vhodné pro montáž na statorovou destičku regulátoru výměnou za mechanické kontakty přerušovače. Na obr. o214 je označen šipkou. Clona, která otvírá nebo přerušuje magnetický tok v mezeře snímače, je spojena s palcem rozdělovače, takže je spolu s ním natáčena odstředivým regulátorem ovládajícím natáčivou část hřídele. Při otevření magnetického toku (výřez v cloně prochází mezerou snímače) je generován signál.

   Uvedené příklady zahrnují nejčastěji používané typy. Mimo ně se vyskytují i jiné druhy snímačů. Mohou být založeny na jiných principech, optoelektronický, s vířivými proudy apod. Všechny jsou tvořeny statorovou částí umístěnou na destičce, která je ovládaná podtlakovým regulátorem. Druhou částí je rotor spojený s natáčivou částí hřídele rozdělovače, která je ovládaná odstředivým regulátorem. Pracují bezdotykově a výstupní signál je odebírán ze statorové části.

   Signál z kteréhokoliv typu snímače slouží jako informace pro elektronický spínač, podle níž je řízeno zapínání a vypínání proudu přes primární vinutí zapalovací cívky. Protože je to obdoba činnosti mechanického přerušovače, bývají tyto snímače nazývány někdy "bezkontaktními přerušovači".