Směs a její spalování

RNDr. Bohumil Ferenc, leden 2000

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 záľehových motorů je obvyklým palivem automobilový benzin, jehoľ směs se vzduchem se zapálí záľehem od elektrického vývoje přivedeného z vnějąího 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 doąlo, musí být sloľení směsi takové, aby byla zapálitelná.

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

Sloľení směsi je charakterizováno vzduchovým číslem dané poměrem přivedeného mnoľství vzduchu k teoretické potřebě.

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

Záľehové motory pouľívají jako paliva automobilového benzinu. Aby byla jeho směs se vzduchem zápalná, má být její vzduchové číslo v rozmezí . Nejlepąí podmínky zápalnosti jsou u směsi téměř stechiometrické, tj. při . V poslední době se roząiřují záľehové motory pracující s velmi chudými směsemi, u kterých se blíľí aľ ke 2.7. Větąinou vyuľívají vrstvení směsi spolu s řízením jejího pohybu ve válci.

Na sloľení směsi je závislá i termodynamická účinnost přeměny energie obsaľené v palivu na mechanickou práci při jejím shoření. Při bohaté směsi je výkon motoru vyąąí, avąak měrná spotřeba roste. U chudých směsí je výkon niľąí, 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 záľehový motor spalující tekutá uhlovodíková paliva. Chování reálného motoru je vąak odliąné, coľ vyplývá z čárkovaně vyznačeného průběhu závislosti termodynamické účinnosti typického záľehového motoru s kompresním poměrem 6.3:1. Maximum jeho účinnosti je při , zatímco průběhy ideálních motorů maxima nemají. Je to způsobeno tím, ľe u ideálního motoru se směs během pracovního cyklu zapálí a shoří, zatímco u reálného dochází k selhání záľehu, opoľděnému zapálení, prodlouľenému hoření a obvykle ke kombinaci těchto jevů.

Vliv zapalování

Vliv zapalování na termodynamickou účinnost reálného motoru vyjadřuje diagram na obr. 3. Od určité hodnoty , jejíľ velikost je závislá na dokonalosti funkce zapalování, se účinnost při daląím ochuzování směsi začne zhorąovat, motor vlivem selhávání zapalování ztrácí výkon a pracuje nepravidelně, aľ se nakonec zastaví. Jako nedokonalé se hodnotí zapalování, se kterým dochází ke zhorąování termodynamické účinnosti motoru ihned za stechiometrickou směsí (). Za vyhovující lze povaľovat zapalování, které zhorąuje účinnost aľ po ochuzení směsi o 10 % (), a za dobré, se kterým zhorąení nastává aľ při ochuzení o 20 % ().

Pro zapálení stlačené směsi je rozhodující, aby alespoň v jednom místě byla dosaľena 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 vyąąí, neľ tepelná energie produkovaná hořícím objemem. Teplota tedy klesá a po poklesu pod bod hoření plamen zhasne.

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

Orientačně můľeme 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.

Zvětąení mezery mezi elektrodami svíčky významně přispívá k zapálení větąího objemu směsi. Vliv této mezery mezi elektrodami na měrnou spotřebu, emise HC a neklid volnoběľného chodu motoru pro různé sloľení 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, takľe měrná spotřeba (vztahuje se k výkonu) roste. Nedokonalé hoření se projevuje i nerovnoměrným chodem motoru.

Mimo velikost zaľehnutého objemu směsi má na průběh jejího shoření vliv i teplota jiskry, která směs zaľehne. 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 nemůľe být jednoduąe transformováno na vyąąí hodnotu. Proto se provádí jeho přeměna v zapalovací soustavě, přičemľ se pro nahromadění energie vyuľívá buď indukčnost nebo kapacita. Pro elektronické zapalovací soustavy se pouľívá označení zapalování tranzistorové nebo zapalování tyristorové, coľ souvisí se spínacím elektronickým prvkem, kterým je nahrazován mechanický přeruąovač bateriového zapalování. Ten je jedním z dílů omezujících dosaľení dokonalejąího průběhu spalování a tím i zlepąení termodynamické účinnosti motoru a sníľení jeho emisí.

Tranzistorové zapalování

U tranzistorového zapalování, obr. 5, se energie hromadí v zapalovací cívce, stejně jako tomu bylo u dříve pouľívaného 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. Mnoľství energie je závislé na velikosti proudu a indukčnosti cívky (kterou zvyąujeme ľelezovým jádrem), coľ 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 okamľiku přeruąení rozepnutím spínacího prvku (tranzistoru) okamľité hodnoty

. (4)

Protoľe je proud primárním vinutím střídavě zapínán a vypínán, bude jeho okamľitá hodnota závislá nejen na elektrických parametrech v okruhu primárního vinutí cívky, ale i na době od začátku zapnutí proudu do jeho přeruąení. V případě, ľe bude trojnásobkem časové konstanty , tj. , dosáhne proud jiľ asi 95 % své maximální hodnoty. Doba je vąak 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 pouľít 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 okamľiku rozepnutí spínače se v primárním vinutí zapalovací cívky naindukuje napětí, protoľe magnetické pole cívky se snaľí 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, jehoľ 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 rovněľ magnetické pole. Děj se tedy periodicky opakuje a protoľe vlivem ztrát v obvodu klesá velikost samoindukovaného napětí, po určité době zanikne. Obnoven můľe být daląím sepnutím a rozepnutím spínače proudu z baterie.

Z uvedeného je zřejmé, ľe takový obvod je schopen vytvářet tlumené' střídavé kmity. Kmitočet těchto tlumených kmitů je o něco niľąí, neľ 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 okamľiku , b průběh jeho vybíjení, c a e průběhy daląích nabíjení kondenzátoru, d a f pak průběhy jeho vybíjení. Z obrázku je zřejmý i kmitočet [Hz].

Pro lepąí názornost bylo pouľito děje, který probíhá u mechanického přeruąovače. Polovodičový spínací prvek ale odřezává záporná napětí pod nulovou linií. Průběh obdobného děje bude uveden v daląím.

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

, (7)

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

Vzhledem k technickým moľnostem realizace dílů zapalovací soupravy a zdroje elektrické energie v automobilu, nebude samoidukované napětí k vytvoření jiskry postačovat. Protoľe jde ale jiľ o střídavé napětí, můľe být transformováno na potřebnou hodnotu. Jako transformátor slouľí 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 daląích 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 přeruąení proudu

- proud při přeruąení.

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 odruąení, to vąe má vliv na hodnotu kapacity C2. Tabulka 1 podle fy Bosch uvádí srovnání kapacit některých dílů v rozdílných podmínkách.

Název dílu	Díly suché a čisté	Díly vlhké a znečistěné
Palec rozdělovače	10 [pF]	40 [pF]
Izolátor cívky	3 [pF]	10 [pF]
Vn. kabely	30 [pF/m]	180 [pF/m]

Kapacity součástí zapalování

Na sekundárním vinutí L2 zapalovací cívky bude napětí , tedy krát vyąąí neľ . 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 menąí neľ 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 jiľ silně ionizovaným kanálem vytvořeným předchozí kapacitní fází. Doba trvání bývá podstatně deląí neľ předchozí a dosahuje aľ 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, ľe pro dosaľení 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 pouľívaného bateriového zapalování byl omezujícím prvkem mechanický přeruąovač. Jestliľe spínal proudy větąí neľ 3 aľ 4 A, klesala rychle jeho ľivotnost. Tím byla omezena energie, která se hromadila v cívce, protoľe přínos zvýąení indukčnosti není tak výrazný, jako zvětąení proudu. Kromě toho vyąąí indukčnost zvětąuje časovou konstantu plnění cívky, coľ ovlivní nepříznivě dosaľitelný maximální proud při vyąąích otáčkách motoru. Tuto skutečnost osvětluje obrázek 5.

Proto byl mechanický přeruąovač nahrazen spínacím tranzistorem, který spíná bez problémů proudy 10 A i více. To umoľňuje sníľit indukčnost primáru cívky a zkrátit dobu potřebnou k dosaľení maximálního proudu. Tím ale vznikly daląí problémy.

Výkonový spínací tranzistor má určité maximální přípustné napětí mezi svým kolektorem a ostatními elektrodami. To nesmí být překročeno, jinak se součástka zničí. Proto nemůľe být hodnota napětí na primárním vinutí zapalovací cívky, vzniklého přeruąením proudu cívky (viz vztah 8), vyąąí neľ ono maximální přípustné napětí. Ze vztahu (8) vyplývá, ľe napětí lze omezit výběrem kapacity paralelně ke spínacímu tranzistoru, coľ bylo pouľíváno u starąích zapalování.

Protoľe to prodluľuje rychlost náběhu zapalovacího napětí, pouľívá se nyní omezení polovodičovými prvky, které odříznou hodnoty vyąąí neľ přípustné napětí tranzistoru.

Je ľádoucí, aby přípustné napětí tranzistoru bylo co nejvyąąí, protoľe primární napětí se zvyąuje na zapalovací (obvykle nad 20 kV) poměrem počtu sekundárních a primárních závitů, tj. . Ovąem v obráceném poměru, tj. se transformuje sekundární proud, který určuje energii zapalovací jiskry, takľe má být co největąí.

Při nízkých otáčkách se maximálního proudu dosáhne přílią brzy a daląí přívod energie z baterie se mění v tepelné ztráty, protoľe magnetický obvod je nasycen. Dále je problémem to, ľe při vysokých otáčkách dochází opět k poklesu energie vlivem velké časové konstanty. Zmenąit časovou konstantu sníľením indukčnosti není vhodné, protoľe vede k poklesu energie. Proto se sáhlo ke zvětąení odporu primárního vinutí se současným zlepąením odvodu tepla naplněním cívky olejem s dostatečnou elektrickou pevností a tepelnou vodivostí. Současně se pouľilo elektronického řízení doby sepnutí primárního proudu tak, aby v celé oblasti otáček motoru bylo dosahováno pokud moľno stejné hodnoty maximálního primárního proudu. Řízení se provádí posouváním okamľiku zapnutí proudu v závislosti na otáčkách tak, ľe se doba jeho průtoku s rostoucími otáčkami prodluľuje. Protoľe proud je závislý i na napětí baterie, přihlíľí obvod řízení i k němu, takľe úhel sepnutí je řízen podle těchto dvou parametrů (obr. 11).

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

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

U dřívějąích bateriových zapalování s mechanickým přeruąovačem se průběhy , a blíľí tvarům uvedeným v obrázku.

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

U tranzistorového zapalování budou záporné půlvlny tlumených kmitů polovodičem odříznuty, takľe 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 zaľehne. Příklad takového stavu je na obr.

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

To vąak zaľehnutí směsi zpravidla neuąkodí, protoľe má na něj vliv celá doba trvání výboje, takľe směs má dostatek příleľitosti k zaľehnutí. Protoľe se ale na kaľdý 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 aľ 2 uF. Pro dosaľení potřebné energie musí být nabíjecí napětí nejméně 300 V, proto se nemůľe dodávat přímo z palubní sítě vozidla, tedy z alternátoru nebo baterie. Jejich napětí musí být na potřebnou hodnotu zvýąeno v měniči.

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

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

okamľik záľehu

průběh nabíjení kondenzátoru na napětí

doba nabíjení

řídící impuls o délce pro sepnutí tyristoru

Nevýhodou tohoto systému je, ľe pro dobré nabíjení kondenzátoru při nejvyąąích otáčkách musí nabíječ dodávat výkon 25 -- 30 W. Při nízkých otáčkách je ale spotřeba mnohem menąí, výkon střídače vąak zůstává stejný, takľe je zbytečně odebírána energie z vozidlové sítě.

Z tohoto důvodu mají příznivějąí 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 nejvyąąích 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 přeruąovače v rozdělovači. Napětí na kondenzátoru je v cívce transformováno na hodnotu potřebnou k přeskoku ve svíčce. Protoľe se energie nehromadí v indukčnosti, je cívka pouze transformátorem a její indukčnost můľe být podstatně niľąí (aľ 10x) neľ 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 přeruąovači, oblast b pak vzájemnými nárazy kontaktů přeruąovače 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 přeruąovačem, vyplývá z obrázků, ľe tranzistorové zapalování má podstatně pomalejąí náběh zapalovacího napětí neľ tyristorové, zato je schopno toto napětí udrľet po podstatně deląí dobu, tj. jiskra je výrazně deląí.

Důleľitost rychlého náběhu zapalovacího napětí plyne z toho, ľe dnes nejpouľívanějąí motory s vysokým měrným výkonem potřebují zapalovací svíčky s vyąąí tepelnou hodnotou. To má za následek, ľe při častých jízdách na kratąí vzdálenosti se svíčky snadno znečistí sazemi. Tím na nich vznikají vedlejąí elektrické cesty (svody napětí). Tyto sniľují vytvářené napětí, takľe energie jiskry klesá a v krajních případech nemusí dojít k přeskoku. Daląími příčinami těchto svodů bývají usazeniny olova na keramice svíčky a vodní kondenzát na jejich elektrodách.

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

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

Znečiątění a zvlhnutí těchto dílů, dále případné stínění pro odruąení, zvyąuje parazitní kapacity 3 aľ 6-krát. To se můľe projevit potíľemi 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 můľe zapálit jiskra s poměrně krátkým trváním. Chudé a nehomogenní směsi, jaké vznikají zejména při studeném startu nebo při zrychlování z nízkých otáček a při popojíľdění, vyľadují deląí trvání jiskry. Tím se zvyąuje pravděpodobnost, ľe se zapálení schopná část směsi dostane do prostoru jiskry. Dále, ľe bude jádru plamene stále přiváděna energie, takľe toto přetrvá, dokud se teplota směsi vlivem rostoucí komprese nezvýąí natolik, ľe se vytvoří stabilní fronta plamene. U induktivních zapalování obnáąí délka jiskry ms, u kondenzátorových je vąak obvykle do 0.1 ms.

Výąe 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 přeruąení proudu protékajícího tranzistorem tlumené kmity o kmitočtu

. (12)

Dosáhne-li amplituda prvního maxima těchto kmitů (na sekundáru zapalovací cívky) hodnoty vyąąí neľ je průrazné napětí, vznikne oblouk. Trvá tak dlouho, pokud stačí energie nahromaděná v jádře zapalovací cívky prostřednictvím magnetického pole k jeho udrľení. Napětí na oblouku je podstatně niľąí neľ 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 neľ u tranzistorového způsobu:

. (13)

Ve vztahu je rozptylová indukčnost primárního vinutí L1. Hodnota a závisí na konstrukci zapalovací cívky. Vhodným provedením lze rozptylovou indukčnost sníľit a tak dosáhnout aľ o řád vyąąího kmitočtu , neľ při induktivním hromadění energie.

Za dobu dosáhne amplituda prvního kmitu maximální hodnoty

. (14)

Ze vztahů vyplývá, ľe se zvyąujícím se roste sekundární napětí strměji, čímľ se sniľují ztráty energie před vznikem průrazu. Dále vyplývá i menąí vliv kapacity C2 na rychlost nárůstu sekundárního napětí a na jeho maximální hodnotu , tedy i menąí vliv vlhkosti a nečistot ovlivňujících tuto kapacitu.

Výąe uvedené patří k přednostem kapacitního způsobu vůči induktivnímu. U něj je vľdy menąí neľ .

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

Čím vyąąí je ale kmitočet , tím kratąí bude doba trvání výboje na zapalovací svíčce. Je to dáno tím, ľe spínací prvek (obvykle tyristor) vede proud pouze jedním směrem, takľe tlumené kmity rychle zanikají. Aby se výboj prodlouľil 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 daląím výbojům.

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

Zjednoduąená 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 lepąí názornost upravena.

Mimo uvedené úpravy bylo vyvinuto několik daląích způsobů prodlouľení délky hoření výboje při zachování rychlého náběhu napětí. Patří k nim např. pouľití dvou nabíjecích kondenzátorů, jeden s 10x niľąí kapacitou. Ten je nabíjen napětím větąím o 20 aľ 50 %. Mezi kondenzátory je zapojena dioda polarizovaná tak, aby se kondenzátor s vyąąí kapacitou začal vybíjet aľ po poklesu zvýąeného napětí na menąím kondenzátoru. Výboj se tímto prodlouľí aľ na 0.5 ms. Přidáním daląích součástí je moľno výboj prodlouľit aľ k 1 ms. Rychlost náběhu vn přitom zůstává zachována.

V poslední době se začínají znovu uplatňovat záľehové 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 kratąích neľ 1.0 ms.) se opakujících jiskrách. Tím nabyde čelo plamene výhodnějąích jak elektrických, tak fluidických a tepelných vlastností.

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

Přílią krátká perioda mezi jiskrami zase způsobí, ľe 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, ľe časové poměry tohoto procesu vyľadují i speciální zapalovací cívku. U ní je optimalizován výkon sníľením poměru mezi počty závitů primárního a sekundárního vinutí. Také provedení sekundáru a přívody vysokého napětí ke svíčkám musí být řeąeny tak, aby se co nejvíce omezilo ruąivé vf pole, vznikající v zapalovací soustavě.

Vzhledem k vysokým energiím dodávaným takovou soupravou (aľ 10× více neľ u konvenčních soustav.}, jsou mnohem vyąąí nároky na výkon měniče napětí baterie na nabíjecí napětí kondenzátoru. Protoľe opakování jisker probíhá velmi rychle, je jedinou moľností pouľít vysokofrekvenčních spínacích zdrojů.

Předstih a jeho vliv na spalování

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

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

Průběh a, odpovídá záľehu v okamľiku Za, kdy je předstih optimální.

Průběh b, odpovídá přílią časnému záľehu v okamľiku Zb; dochází k detonačnímu hoření a klepání motoru.

Průběh c, odpovídá pozdnímu záľehu v okamľiku Zc; tlak ve spalovacím prostoru je menąí, protoľe se zvětąuje objem, do kterého se zaľehnutá směs rozpíná.

Nastavení předstihu tedy ovlivňuje měrnou spotřebu. Na velikosti předstihu záľehu jsou také závislé emise ąkodlivin ve výfukových plynech. Jak vyplývá z obrázku 20, je vliv předstihu na emise přesně obrácený, neľ je tomu u spotřeby. Aby se dosáhlo vhodného kompromisu mezi spotřebou paliva a hodnotou ąkodlivých emisí, je řízení okamľiku záľehu mnohdy sloľité, má-li být předstih ve vąech provozních podmínkách optimalizován.

Optimální předstih je dán poľadavky maximálního výkonu motoru, minimální spotřeby paliva, minimálních emisí a dobrých jízdních vlastností. Současně je nutné dbát na vedlejąí poľadavek zajistit bezpečný odstup od hranice klepání (detonačního hoření). Ke klepání dochází vlivem samozápalů čerstvé směsi, která jeątě nebyla zapálena čelem plamene vzniklého jiskrou svíčky. Příčinou bývá předevąím velký předstih, nízké oktanové číslo benzinu a také vysoký kompresní poměr válců. Detonační hoření vede k tlakovým oscilacím v kmitočtovém pásmu 5 aľ 10 kHz a ke zvýąení teploty ve spalovacím prostoru. Zvýąené tepelné a mechanické namáhání částí motoru (písty, pístní krouľky, těsnění hlavy, ojnicových loľisek atd.) můľe vést při deląím působení k poąkození motoru.

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

Optimální předstih je také závislý na zatíľení motoru, které je obvykle úměrné otevření ąkrtící klapky. Při plném zatíľení je ąkrtící klapka ąiroce otevřena a směs je obohacena. Přitom je rychlost ąíření čela plamene poměrně vysoká a záľeh má proběhnout později, neľ při částečném zatíľení, kdy je ąkrtící klapka otevřena jen málo. Palivová směs je ochuzena, protoľe vzrůstá obsah spálených, ale nevytlačených zbytků plynu. Ochuzením se zpomalí hoření a předstih se musí zvětąit.

Mechanická regulace předstihu

Jak bylo popsáno v předchozím, dojde k přeskoku jiskry v zapalovací svíčce v okamľiku rozepnutí nebo sepnutí přeruąovače v rozdělovači zapalovacího vysokého napětí. Tento okamľik se musí posouvat vzhledem k natočení klikové hřídele proti horní úvrati válců a to podle otáček motoru. Rozdělovače pouľívané u bateriového zapalování byly vybaveny mechanickými přeruąovači, které rozepínaly během jedné otáčky motoru tolikrát, kolik byl poloviční počet válců motoru. Protoľe rozdělovač vn je spřaľen s vačkovou hřídelí, jejíľ otáčky jsou poloviční neľ klikové, je to tolik rozepnutí (sepnutí) za jednu její otáčku, kolik je válců.

Posouvání okamľiku 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 závaľíčky, která se více nebo méně rozevírají a tím natáčejí přes pruľinky část otočné hřídele, která rozpíná přeruąovač. Předepnutí pruľinek určuje rychlost zvyąování předstihu podle otáček. Maximální hodnota předstihu je obvykle omezena koncovými dorazy závaľíček.

Podtlakový regulátor sestává z podtlakové komory, která předstih zmenąuje a z komory, která jej zvětąuje. Podtlak pro zvětąování předstihu je odebírán ze sacího potrubí motoru, před ąkrtící klapkou. S klesajícím zatíľením roste podtlak působící na membránu komory a táhlo se posouvá vpravo. Nosná destička přeruąovače se natočí proti směru otáčení hřídele rozdělovače a předstih se zvětąí.

Podtlak pro zpoľďovací komoru se v sacím potrubí odebírá za ąkrtící klapkou a prstencová membrána této komory přispívá předevąím ke zlepąení emisí v určitých stavech motoru (volnoběh, popojíľdění apod.). Táhlo natáčí destičku s přeruąovačem ve směru otáčení hřídele rozdělovače a předstih se zmenąí. Zpoľďovací systém pracuje nezávisle na urychlovacím, ale je mu podřízen.

Současný podtlak v obou komorách realizuje potřebné nastavení dílčího zatíľení ve směru větąího předstihu.

Mechanické regulátory předstihu provádějí jeho řízení pouze podle otáček a zatíľení motoru. Avąak předstih pro nejlepąí termodynamickou účinnost, tj. největąí kroutící moment, je závislý aľ na 10-ti proměnných, které ovlivňují jeho optimální hodnotu v celém pracovním rozsahu motoru dosti výrazně. Aby se co nejvíce omezil nepříznivý dopad přehlíľení vlivu některých veličin na optimalizaci předstihu, bývají mechanické regulátory doplňovány o součásti vhodně reagující na tyto veličiny. Bývají větąinou zařazovány mezi podtlakovou komoru zvyąující předstih a otvor v sacím potrubí, ze kterého se podtlak odebírá. Součást pak ovlivňuje jeho velikost a tím se mění výąe popsaným způsobem předstih. Je zřejmé, ľe předstih můľe být pouze zmenąen proti hodnotě odpovídající podtlaku v sacím potrubí.

Jako příklad takovéhoto doplňku můľeme uvést systém fy Toyota zakreslený rovněľ 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 povaľován za teplý. Podtlak ze sacího potrubí je pak přiveden do urychlující komory regulátoru a předstih se zvýąí. Je-li motor "studený", ventil zůstává uzavřen a předstih je regulován pouze podle otáček.

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

Přes vąechny doplňky zůstává mechanickým regulátorům předstihu mnoho nedostatků, které brání jejich pouľívání u novějąích vozidel. Nemohou zabezpečit splnění emisních předpisů, neumoľňují dosáhnout niľąí spotřeby a lepąích jízdních vlastností, které by motor mohl mít při výhodnějąím průběhu předstihových charakteristik.

Např. otáčková regulace s odstředivým regulátorem je nepříznivě ovlivňována jeho setrvačností. Při zvyąování otáček motoru, zejména v oblasti těsně za volnoběhem, je nastavený předstih niľąí, neľ je potřebné pro dosaľení 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 zvýąením emisí ąkodlivin.

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.

Daląí vstupní veličiny, které ovlivňují předstih, jsou jiľ zmíněná teplota motoru (chladící kapaliny) a poloha ąkrtící klapky. Zpoľděním předstihu u "studeného" motoru se dosáhne zvýąení teploty výfukových plynů a tím rychlejąího ohřátí motoru s katalyzátorem (je-li pouľit). Po zahřátí motoru se předstih postupně zvyąuje, aby se dosáhlo optimálního kroutícího momentu motoru.

Pro informaci o ąkrtící 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 přeruąovačem, je-li v zapalovací soustavě pouľit.

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

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

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

Řeąení 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 spřaľen 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 vľdy, kdyľ některý z výstupků míjí zub statorové části.

Snímač s Hallovým prvkem je pro pouľití v rozdělovačích vyráběn jiľ ve formě vhodné pro montáľ na statorovou destičku regulátoru výměnou za mechanické kontakty přeruąovače. Na obr. o214 je označen ąipkou. Clona, která otvírá nebo přeruąuje magnetický tok v mezeře snímače, je spojena s palcem rozdělovače, takľe 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 pouľívané typy. Mimo ně se vyskytují i jiné druhy snímačů. Mohou být zaloľeny na jiných principech, optoelektronický, s vířivými proudy apod. Vąechny 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 slouľí jako informace pro elektronický spínač, podle níľ je řízeno zapínání a vypínání proudu přes primární vinutí zapalovací cívky. Protoľe je to obdoba činnosti mechanického přeruąovače, bývají tyto snímače nazývány někdy "bezkontaktními přeruąovači".

ABS
AISIN
AJUSA
AIRTEX
ATE
BANNER
BEHR
BENDIX
BERU
BILSTEIN
BOGE
BOSAL
BOSCH
BREMBO
BREMI
BRISK
CASTROL
CIFAM
CONTITECH
CLEAN
CORTECO
DELCO REMY
DELPHI
DENSO
DEPO
EBERSPACHER
EIBACH
ELRING
ERNST
FACET
FAG
FEBI
FEDERAL MOGUL
FENNO
FERODO
FIFT
FRAM
FUCHS
GAT EUROCAT
GARRETT
GATES
GERI
GIRLING
GLASER
GOETZE
GKN
GRAF
HAPPICH
HELLA
HENGST
HEPU
IMASAF
JURID
KAYABA
KLOKKERHOLM
KONI
LEMFORDER
LESJOFORS
LOEBRO
LUCAS
LUK
MAGN.MARELLI
MAHLE
MAPCO
METELLI
MEYLE
MONROE
MOBIL
MOOG
NGK
NIPPARTS
NK
NORDGLASS
OPTIMAL
PIERBURG
PURFLUX
QUINTON HAZELL
REINZ
ROSI
RICAMBI
SACHS
SIEMENS
SIDAT
SKF
SPIDAN
SUDEST
SWAG
TRW
VAICO
VALEO
VANHECK
VDO
VENG
VEMO
WAHLER
WALKER
ZARA
ZIMMERMANN