Směs a její spalování

end-logo
Sdílejte:

RNDr. Bohumil Ferenc, leden 2000

 



   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.

Měrná spotřeba

Emise HC

Neklid chodu motoru

   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.

Primární proudy při různých otáčkách

   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].

Primární napětí

   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

. &#9(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.

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 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.).

Průběh sekundárního napětí

   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.


Vliv oblouku na el. veličiny

   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.

Výboj při nízkých otáčkách

   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.).

Výboj při vysokých  otáčkách

   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.

Víceimpulsové nabíjení

. 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.

Víceimpulsové nabíjení

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“.

Směs a její spalování 4.00/5 (80.00%) 2 votes


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: