Automobil

RNDr. Bohumil Ferenc, 1999

Úvod

Zhruba do přelomu ąedesátých a sedmdesátých let tohoto století byl automobil větąinou mechanickým systémem. Od té doby je automobilový průmysl neustále konfrontován s novými poľadavky na:
  • niľąí emise ąkodlivých látek,
  • niľąí spotřebu pohonných hmot,
  • vyąąí standardy bezpečnosti provozu,
  • dobré jízdní vlastnosti vozidel a
  • vysokou spolehlivost celého vozidla i jeho agregátů.
Ukázalo se, ľe tyto náročné problémy mohou být vyřeąeny pouze zavedením elektronických řídících funkcí, a tím zlepąení výkonnosti systému. Tak je moľno optimalizovat vozidlové systémy jako celek, a to s přihlédnutím k míře jejich účinnosti a cenové relaci.

Aplikace elektroniky do motorových vozidel navíc vytváří výhodné odbytové moľnosti elektronickému průmyslu, které jsou velice významné vzhledem k velkosériové výrobě, běľné v automobilovém průmyslu. Tak jak probíhal vývoj elektronických součástí a technologií jejich montáľe, tak se měnila i sloľitost autoelektronických systémů a roząiřovaly jejich funkce. Současně klesaly výrobní náklady na jednu funkci a rozměry potřebné pro realizaci obvodu, který ji vykonává. Podle údajů firmy Siemens jsou relace jednotlivých druhů elektronických součástí přibliľně následující:

Stavební díl Počet funkcí Plocha funkce Cena funkce
[mm2] [DM]
Diskrétní 1 200 0.6
Nízká int. 4 133 0.13
Střední int. 20 27 0.08
Velká int. 4000 0.3 0.0025

Diskrétní jednotka v naąí tabulce obsahuje tranzistor, 2 diody a 2 odpory, integrovaný obvod nízké integrace do 100 součástek, střední do 1000 a velké integrace aľ 100 000 součástek. Elektronický průmysl vyrábí i obvody velmi velké integrace s jeątě větąím počtem součástek, které se vąak v autoelektronice pouľívají jen výjimečně. Předevąím z cenových důvodů, a» pro cenu vlastního obvodu nebo i pro nákladnost technologie jejich montáľe do přístrojů pracujících v náročných podmínkách automobilového prostředí.

Nezanedbatelnou stránkou pro volbu součástkové základny výrobcem je i opravitelnost elektronických přístrojů. Jde o porovnání nákladů na vyhledání a výměnu vadné součásti s cenou celé vyměněné sestavy, která vadnou součást obsahuje.

Celou historii vývoje autoelektroniky i problémů souvisejících s její diagnostikou a opravitelností lze nejlépe ukázat na systémech řízení chodu automobilových motorů. Tyto systémy patřily mezi první, které byly na vozidlech aplikovány a navíc jejich sloľitost neustále rostla v návaznosti na zpřísňování předpisů o úrovni emisí ąkodlivin ve výfukových plynech.

Procesy ve spalovacích motorech

Spalovací motory automobilů a jiných motorových vozidel přeměňují energii chemicky vázanou v palivu na mechanickou práci. Výkon, který motory vytvářejí, vzniká přetvořením chemické energie vázané v palivu na teplo a přeměnou tohoto tepla na mechanickou práci. Přeměna chemické energie na teplo probíhá spalováním, přeměna tepelné energie v mechanickou práci jejím přenesením na pracovní medium, jehoľ tlak proto stoupne a při návazném rozpínání (expanzi) vykonává práci.

Jako pracovní media přicházejí v úvahu buď kapaliny, které dosahují vzrůstu pracovního tlaku fázovou přeměnou (vypařováním), nebo plyny, které toho dosahují svojí stlačitelností.

Palivo sestává větąinou z uhlovodíků a k jeho spalování je nezbytný kyslík, obvykle přiváděný s nasávaným vzduchem. Palivem můľe být buď automobilový benzin, jehoľ směs se vzduchem se zapálí záľehem, obvykle elektrickým výbojem přivedeným z vnějąího zdroje, nebo motorová nafta, která se vznítí, kdyľ je vzduch potřebný k jejímu zapálení stlačen natolik, ľe jeho teplota dosáhne zápalné teploty paliva (nafty). Podle způsobu zapálení tady dělíme motory na záľehové a vznětové.

Pro zajiątění trvalého chodu motoru musí být zajiątěno pohlcování tepla pracovního media tak, aby mohl probíhat kruhový děj. Tedy obnovení počátečních tepelných, tlakových a objemových podmínek.

Jestliľe se pracovní medium při pohlcování tepla změní, např. pouľitím části svých sloľek jako oxidačního prostředku, je jeho návrat do výchozího stavu moľný jen výměnou. Tedy shořelé plyny jsou vytlačeny a do pracovního prostoru se přivede nová náplň. U pístových motorů (na rozdíl od turbín) tento děj probíhá cyklicky.

Proces, podle kterého v pístovém motoru probíhá přeměna energie přiváděné palivem, se nazývá pracovním oběhem. Rozeznáváme dvoutaktní a čtyřtaktní pracovní oběh.

Spalovací motory mohou být zkonstruovány s přímočarým vratným pohybem pístu nebo s krouľivým pohybem (Wankel).

Přímočarý vratný pohyb pístu

Kinematické schema 4-taktu U těchto motorů se píst pohybuje mezi horní a dolní úvratí. Jejich vzdálenost se nazývá zdvih. Dobu pohybu mezi úvratěmi nazýváme takt. Přeměna tlakové energie vzniklé při hoření směsi paliva se vzduąným kyslíkem na mechanickou práci se uskutečňuje tlakem na horní plochu pístu. Výsledná síla, která při tom vzniká se přenáąí ojnicí na klikovou hřídel - ojnice transformuje sílu na kroutící moment. Vodící dráhou pístu je přitom pracovní válec.

Čtyřtaktní proces

ČTYŘTAKT Čtyřtaktní proces se skládá ze čtyřech zdvihů, tedy dvou otáček klikové hřídele. Během jednotlivých taktů probíhají v motoru následující děje:

4-taktní oběh

1. takt, sání (I)
Sací ventil a je otevřený, výfukový b je zavřený. Píst se pohybuje z horní úvrati do dolní a nasává do válce čerstvou náplň. Ve válci je podtlak několik desítek kPa.
2. takt, komprese (II)
Ventily jsou uzavřené, píst se pohybuje z dolní úvrati do horní a stlačuje náplň. Tlak a teplota stoupají. Jejich konečné hodnoty jsou přibliľně pro motor:
vznětový
3 aľ 5 MPa a 550 aľ 700°C,
záľehový
1 aľ 1.6 MPa a 350 aľ 450°C.
3. takt, pracovní - expanze (III)
Ventily jsou uzavřené. Spalování paliva začíná přibliľně při poloze pístu v horní úvrati. Spalováním stoupá teplota a tlak, dosahují se tyto maximální hodnoty pro motor:
vznětový
6 aľ 10 MPa a 2000°C,
záľehový
4 aľ 7 MPa a 2500°C.
4. takt, výfuk (IV)
Výfukový ventil je otevřený, sací ventil je uzavřen. Píst vytlačuje spálenou náplň ven z válce. Ve válci je mírný přetlak.

Dvoutaktní proces

Pracovní cyklus trvá jen dva zdvihy, proběhne tedy za jednu otáčku klikové hřídele. Jeho průběh je následující:

2-taktní oběh

1. takt, vyplachování a komprese (I)
Píst se pohybuje od dolní úvrati do horní. Pokud píst jeątě nezakrývá přepouątěcí a výfukové otvory, čerstvá náplň vyplachuje vyuľitou ven z válce. Po uzavření otvorů pístem se náplň stlačuje. Přitom vzniká tlak a teplota s podobnými hodnotami jako u čtyřtaktního motoru.
2. takt, pracovní (II)
Začátek spalování je podobně jako u čtyřtaktního motoru asi při poloze pístu v horní úvrati. Tlak a teplota dosahují rovněľ přibliľně podobných hodnot. Píst se pohybuje dolů a jakmile uvolní výfukový otvor, spaliny odcházejí do výfukové soustavy. Krátce nato se otevřou i přepouątěcí otvory a čerstvá náplň vyplachuje výfukové plyny ven z válce.
Sání a výfuk tedy probíhají během obou taktů. Výměna náplně se uskutečňuje při poloze pístu v oblasti dolní úvrati. Píst slouľí k ovládání přepouątěcího a výfukového kanálu. Během krátké doby se musí stará směs ve válci nahradit čerstvou. Průběh výměny se dělí na dvě doby.

2-taktní oběh

Ke konci pracovního cyklu píst nejdříve uvolní horní část výfukového otvoru 1. Plyn s doposud vysokým tlakem vyfukuje z válce. Tlak rychle klesá a na konci uvolňování výfuku musí dosáhnout úrovně vyplachovacího tlaku. Jakmile se otevře i přepouątěcí otvor 2, vytlačuje čerstvá náplň spaliny z válce. Válec se naplní čerstvou směsí.

Dmychadlo

Výkon motoru je přímo úměrný stupni vyplachování. Ten je dán poměrem hmotnosti čerstvé náplně ku hmotnosti této čerstvé náplně spolu se zbytkovou hmotností výfukových plynů, které jeątě zůstaly ve válci. Aby byl stupeň vyplachování co nejvyąąí, musí být čerstvá náplň přiváděna do válce s určitým přetlakem, jehoľ velikost závisí na druhu motoru. U vznětových motorů, které potřebují více vzduchu, se k tomu pouľívá rotačního dmychadla, které přivádí vzduch nasávaný do nasávacího prostoru 2 ze svého výtlačného prostoru 1 do přepouątěcího otvoru válce.

U záľehových motorů se jako vyplachovacího dmychadla vyuľívá spodní části pístu. Při pohybu pístu do dolní úvrati se vzduch (nebo směs) nasávaný sacím kanálem 8 stlačuje v klikové skříni, pokud se neotevře přepouątěcí kanál otvorem 7. Plyn z klikové skříně pak proudí do válce, kde vyplachuje zbytky výfukových plynů a po uzavření přepouątěcího a výfukového otvoru je pístem stlačován.
Vyplachování pístem

Krouľivý pohyb pístu

U těchto motorů je suvný klikový mechanismus nahrazen výstředníkovým převodem uvnitř skříně motoru 2 a běľcem. Ten vytváří pracovní objemy tím, ľe se pohybuje po trochoidní dráze. Tímto běľcem je píst motoru 1 a přeměna tlakové energie na mechanickou práci se uskutečňuje na jeho třech čelních plochách.

Wankel

Vzniklá síla je přenáąena vnitřním ozubením pístu na malé ozubené kolo 4, se kterým je v záběru. Kolo je pevně spojeno s hřídelí 3 uloľenou ve středu skříně 6. Prostřednictvím dvou ozubených kol je vynucován odvalovací pohyb, při kterém hrany pístu opisují uvnitř skříně zmíněnou oválnou, ve středu lehce zúľenou křivku.

Při otáčení pístu tak vznikají tři proti sobě uzavřené pracovní prostory. Ty jsou vzájemně přesazeny po 120 stupních a periodicky se zvětąují a zmenąují. Během jedné otáčky pístu proběhne úplný čtyřtaktní pracovní oběh. Sací kanál 1 i výfukový 5 pro výměnu náplně jsou ovládány pístem. Píst má v řezu tvar trojúhelníku s vypouklými stranami. Průběh pracovního oběhu je následující:

Wanklův oběh

1. takt, sání (I)
Sací kanál 1 je otevřen, výfukový kanál 5 je uzavřen pístem. Píst se otáčí ve směru ąipky a nasává do prostoru 2 čerstvou náplň.
2. takt, komprese (II)
Oba kanály jsou pístem uzavřeny, a v prostoru 6 probíhá stlačování náplně. Píst pokračuje v otáčení ve směru ąipky.
3. takt, pracovní - expanze (III)
Píst odděluje stlačenou náplň v prostoru 7, kde je zaľehnuta, od sacího i výfukového kanálu. Náplň po zaľehnutí expanduje a vzniklá síla působí na přísluąnou stranu pístu. Tím jej pohání ve směru ąipky.
4. takt, výfuk (IV)
Při daląím natočení pístu uvolní přední hrana pracovní části výfukový kanál a píst vytlačuje shořelou náplň z prostoru 8.
Obdobný proces ale probíhá i v daląích dvou pracovních prostorách. Je to zřejmé z výąe uvedeného obrázku. Při nasávání čerstvé náplně do prostoru 2 probíhá v prostoru natočeném o 120° ve směru ąipky stlačování náplně, která byla před tím nasávána. V prostoru natočeném o daląích 120° (celkem 240°) pak expanze zaľehnuté náplně, která se nachází v tomto třetím prostoru.

Jednotlivé fáze pracovního oběhu jsou označeny následovně:

  • sání krouľky,
  • stlačování obdélníčky,
  • expanze ąirokými ąipkami,
  • výfuk prázdným polem s tenkými ąipkami ukazujícími směr proudění vytlačovaných výfukových plynů.
Je zřejmé, ľe za jednu otáčku pístu proběhne třikrát úplný čtyřtaktní cyklus a tři otáčky výstředníkového hřídele.

Oběhové diagramy

Demonstrační p-V diagram

Při kruhovém ději, probíhajícím během popsaných pracovních oběhů, jsou pro mechanickou práci motoru zajímavé jen tlakové změny a k nim náleľející změny objemové. Ty mohou být znázorněny tak zvaným p, V diagramem. Přívod tepla a stavové změny pracovního media musí být prováděny, jak vyplývá z obrázku, tak, aby při průběhu procesu z 1 do 2 byla vykonaná práce větąí neľ vratná práce z 2 do 1, čímľ vzniká plocha, která odpovídá dosaľitelné práci.

Pro srovnání pracovních oběhů z hlediska jejich hospodárnosti se pouľívá tzv. porovnávacích oběhů, coľ jsou myąlené kruhové děje, podle kterých by pracoval ideální stroj. Pro záľehový motor se jako porovnávací volí oběh s přívodem tepla při stálém objemu a pro vznětový motor oběh smíąený. Jejich tvary jsou uvedeny na obrázku.

Teoretické p-V diagramy

V levé části je oběh s přívodem tepla při stálém objemu. Mezi 1 a 2 probíhá adiabatické stlačování směsi nasáté zdvihem válce do pracovního prostoru Vz + Vc na objem spalovacího prostoru Vc. Mezi 2 a 3 probíhá přenos tepla Qp, vzniklého spálením směsi zaľehnuté uměle, předevąím elektrickým výbojem, přivedeným v bodě 2.

Ve spalovacím prostoru roste teplota a tlak (z p2 na p3). Křivka 3 do 4 vyjadřuje průběh adiabatické expanze, během které objem roste z Vc na Vz + Vc a tlak klesá z p3 na p4. V části 4 do 1 probíhá návrat pracovního media do výchozího stavu, coľ se provádí odvodem zbytkového tepla Qo. Bez odvodu tohoto tepla by motor nepracoval.

Práce potřebná ke stlačení směsi z objemu Vz + Vc na Vc je dána plochou pod křivkou 1 - 2. Práce vykonaná při expanzi z objemu Vc na Vz + Vc pak plochou pod křivkou 3 - 4. Uľitečná práce motoru je tedy dána rozdílem ploch pod zmíněnými křivkami.

V pravé části je smíąený porovnávací oběh. V části 1 aľ 2 probíhá adiabatické stlačování čistého vzduchu na tlak a teplotu tak vysoko, aby teplota přesáhla zápalný bod tekutého paliva. To se po ukončení stlačování (bod 2) rozpráąí do ľhavého vzduchu a samo se v něm vzněcuje. Část paliva shoří naráz při stálém objemu (přímka 2 do 3, přičemľ se přenese teplo Qpv a tlak se zvýąí z p2 na p3. Zbytek spalování probíhá při konstantním tlaku (přímka 3 do 4) a přenáąí se teplo Qpp. Zbytek pracovního oběhu, tj. části 4 do 5 a 5 do 1 jsou obdobné jako v předcházejícím případě. Stejně tak je práce při kompresi dána plochou pod křivkou 1 do 2, ale práce při expanzi pak plochou pod průběhem 3 do 4 a 4 do 5. Je tedy zřejmé, ľe termodynamická účinnost vznětového motoru je lepąí.

V obou případech se výchozím tlakem, označeným P1, rozumí tlak, kterým je dopravována směs nebo vzduch při sání do objemu Vz + Vc. U motorů s atmosférickým plněním je to atmosférický tlak.

Na dokonalý motor je kladena řada poľadavků. Splnění některých z nich je odvislé od mechanické konstrukce motoru. U jiných to závisí na dokonalosti procesu, kterým je přísluąná část pracovního oběhu realizována. Ty lze shrnout do následujících bodů.

  • Aby se z určitého činného obsahu válce dostal co největąí výkon, tj. co nejvyąąí indikovaný tlak pi, musí být do válce vpraveno co nejvíce čistého vzduchu.
  • Mnoľství paliva musí odpovídat nasátému vzduchu, přičemľ musí být sloľení směsi takové, aby byl správný přebytek vzduchu, coľ je podmínkou dokonalého spálení.
  • Spalování směsi má proběhnout co nejrychleji a její zapálení musí nastat s vhodným předstihem.
  • Zbytek výfukových plynů ve válci má být co nejmenąí, aby nezhorąoval spalovací proces.
  • Při nasávání a výfuku plynů mají být co nejmenąí ztráty prouděním.
Protoľe u skutečného motoru není splnění těchto poľadavků dokonalé, bude průběh skutečného pracovního oběhu odliąný od porovnávacího.

Průběh skutečného pracovního oběhu se snímá indikátorem, který kreslí tlak ve válci v závislosti na dráze pístu nebo na čase. Na obrázku je uveden indikátorový diagram čtyřtaktního záľehového motoru spolu s porovnávacím diagramem s přívodem tepla při stálém objemu. V obrázku jsou patrny následující odliąnosti oběhu skutečného motoru.

Ideální a reálný p-V diagram

  1. V diagramu je klička představující ztráty prouděním při sání a výfuku. Vytlačování výfukových plynů z válce probíhá totiľ při malém přetlaku ve válci vůči tlaku atmosférickému. Při nasávání čerstvé náplně naproti tomu nastává ve válci podtlak vůči atmosférickému tlaku. Vzniklá klička značí negativní práci, která sniľuje mechanickou účinnost motoru.
  2. Následkem přívodu, resp. odvodu tepla je průběh křivky stlačování z počátku strmějąí, potom ploąąí, neľ by odpovídalo adiabatickému ději.
  3. Protoľe není moľné okamľité shoření stlačené směsi, je místo svislice 2 aľ 3 ąikmá křivka a u bodu 3 je oblouk místo ąpičky.
  4. Expanzní křivka je následkem odvodu tepla strmějąí neľ při adiabatickém ději.
Indikátorové diagramy čtyřtaktních a dvoutaktních motorů jsou rozdílné, coľ vyplývá z rozdílů v jejich činnostech. Podobně jsou rozdíly mezi diagramy záľehových a vznětových motorů, vzhledem k dříve popsaným rozdílným způsobům přívodu tepla.

V částech a aľ d jsou uvedeny jednotlivé druhy indikátorových diagramů pro obvyklé typy automobilových motorů. Průběhy jsou doplněny některými údaji, uvádějícími informace jako je teplota stlačení, nebo zaľehnutí směsi, teplota výfukových plynů a nasávaného vzduchu. Dále jsou to údaje o předstihu zapálení směsi nebo vstřiku paliva a předstihu výfukovém, které jsou důleľité proto, aby se nezmenąovala plocha diagramu charakterizující uľitečnou práci motoru.

Spalování nenastává bezprostředně v okamľiku zapálení směsi, respektive začátku vstřikování paliva, ale aľ za krátký čas. Začátkem spalování začne prudce stoupat tlak, vzhledem k jeho průběhu bez spalování. Časový interval mezi okamľikem zapálení, resp. vstřiku a začátkem spalování se nazývá zpoľděním záľehu, či vznícení. V průběhu tohoto času se palivo připravuje na spalování.

Průběh spalovacího tlaku

V okamľiku zápalu je spalovací prostor záľehového motoru vyplněn předem připravenou směsí paliva a vzduchu. Směs se následkem stlačování ohřívá a odpařuje, takľe během zpoľdění záľehu probíhají v palivu uľ jen přípravné chemické reakce. Palivo pouľívané v těchto motorech má mít velké zpoľdění záľehu (12a), aby nedoąlo k jeho předčasnému samozápalu a tím k detonačnímu spalování.

Ve spalovacím prostoru vznětového motoru se palivo během zpoľdění záľehu ohřívá, částečně odpařuje a probíhají v něm přípravné chemické reakce. U těchto motorů je ľádoucí malé zpoľdění vznícení (12b). Palivo má totiľ shořet ihned po vstupu do válce, aby se dal v průběhu vstřikování ovlivnit spalovací tlak dávkováním mnoľství paliva. Kdyby bylo zpoľdění vznícení velké, vznítilo by se vąechno vstříknuté palivo naráz, při prudkém nárůstu tlaku.

Výfukový předstih spočívá u čtyřtaktních motorů v dřívějąím otevření sacího ventilu (bod A v diagramech. Vzhledem k nadkritickým tlakovým poměrům ve válci, odejde z něj během tohoto předstihu asi 50 % spálených plynů. Při vlastním výfukovém zdvihu se pak musí vytlačit podstatně menąí mnoľství vyuľité náplně. Výměna náplně je tak mnohem lepąí, i kdyľ za cenu malého sníľení uľitečné práce.

U dvoutaktních motorů začíná výfuk spálené směsi okamľikem otevření výfukového otvoru (bod A v části b a d). Přívod čerstvé náplně do spalovacího prostoru začíná po otevření přepouątěcího otvoru (bod B). Protoľe píst se pohybuje k dolní úvrati, vytváří zvýąení tlaku čerstvé náplně v klikové skříni a ta vyplachuje shořelé zbytky.

Diagramy různých motorů

Při pracovním tlaku je jiľ čerstvá náplň přes přepouątěcí otvor nasávána, aľ do jeho uzavření. Výfuk zbytků shořelé náplně pak pokračuje do uzavření výfukového otvoru, avąak jiľ tlakem od pístu při jeho posuvu k HÚ. Z toho je zřejmé, výfukový předstih u dvoutaktních motorů je doba mezi otevřením výfukového a otevřením přepouątěcího otvoru (viz poloľka 3).

Realizace pracovního oběhu

Kaľdý pracovní oběh spalovacího motoru popsaných typů začíná stlačováním čerstvé náplně. Náplní můľe být buď směs paliva se vzduchem, jak je tomu u záľehových motorů, nebo čistý vzduch, do kterého se palivo po náleľitém stlačení vstřikuje. Druhý případ je příznačný předevąím pro vznětové motory. Avąak vstřikování paliva do spalovacího prostoru zaplněného vzduchem, který byl jiľ zčásti stlačen, se pouľívá i u záľehových motorů. Vstřik paliva pak proběhne vľdy před zápalem, protoľe palivo musí nejdříve vytvořit se vzduchem zapálitelnou směs.

Způsoby tvorby směsi

Chod motoru je závislý na celé řadě parametrů, které můľeme nastavovat a nebo přímo za chodu měnit. Jedním z hlavních je mnoľství paliva, které se během pracovního oběhu ve válcích motoru spálí. Objem válců stanoví spolu s plnicím tlakem nasávaného vzduchu jeho hmotnostní mnoľství, které bude ve válcích před začátkem stlačování. Do tohoto mnoľství vzduchu je palivo buď přimíseno před stlačováním náplně, nebo se vstřikuje na závěr jejího stlačování.

Aby se palivo co nejdokonaleji spálilo, musí být dodrľen vhodný poměr mezi mnoľstvím vzduchu a paliva v okamľiku, kdy se tato směs zaľehne nebo vznítí a začne její přeměna v teplo. Pro dosaľení poľadovaného chodu motoru se do jeho válců musí přivést odpovídající mnoľství paliva. Regulace můľe být prováděna dvěma způsoby:

  1. Mnoľství čerstvé náplně je stálé, ale podíl paliva se mění, při menąím zatíľení se jeho mnoľství sniľuje. Protoľe přebytek vzduchu tím roste, zvyąuje se výhodně termodynamická účinnost motoru.
  2. Poměr mezi mnoľstvím paliva a mnoľstvím vzduchu je stálý a mění se hmotnost čerstvé náplně změnou plnicího tlaku válců.
Častým případem bývá i kombinace obou způsobů, tj. mění se jak mnoľství čerstvé náplně, tak její sloľení, čili poměr paliva a vzduchu.

Čtyřtaktní záľehové motory

U nich se pouľívá ponejvíce druhého způsobu, nebo v případě motorů pracujících s přebytkem vzduchu, i kombinace obou.

Aby byla směs záľehových motorů dobře zápalná, měla by být homogenní. Proto se musí vąechno palivo potřebné k vytvoření takové směsi odpařit. Pokud nemůľe k úplnému odpaření paliva dojít, např. vzhledem k nízkým teplotám u studeného motoru, musí se mnoľství paliva zvýąit, aby odpařený podíl postačil k vytvoření zápalné směsi.

Mnoľství směsi ve válci před jejím zaľehnutím je řízeno otevíráním nebo uzavíráním ąkrticí klapky umístěné v potrubí, kterým do motoru proudí nasávaný vzduch. Mnoľství, přesněji hmotnost nasávaného vzduchu, je potřebné vhodným způsobem měřit. Dle jeho hodnoty je pak určeno mnoľství paliva přidávaného do nasávaného nebo stlačovaného vzduchu.

Palivo se do vzduchu přimísí buď pro vąechny válce motoru společně, nebo pro kaľdý válec samostatně. Při společné tvorbě směsi se palivo přidává mezi ąkrticí klapkou a tou částí sacího potrubí, kde se nasávaná směs rozděluje k jednotlivým válcům. Při individuální tvorbě směsi je palivo přidáváno přímo do sacího kanálu kaľdého válce.

Tvorba směsi má probíhat tak, aby rozdíly jejího sloľení byly mezi jednotlivými válci co nejmenąí.} Rozdíly jsou závislé zejména na otáčkách a zatíľení motoru. Jak je patrno z obrázku, převzatého z příručky fy Bosch, je přesnost splnění tohoto poľadavku u výąe uvedených způsobů tvorby směsi značně rozdílná. U společné tvorby směsi (levý obrázek) jsou rozdíly nejmenąí v oblasti malého zatíľení motoru. Protoľe ąkrticí klapka je téměř uzavřena, dochází se sniľováním zatíľení k poklesu tlaku v sacím potrubí, coľ se projeví příznivě v účasti na odpařování paliva, takľe nerovnoměrnost rozdělení nasávané směsi a tedy plnění jednotlivých válců bude zanedbatelná. Při rostoucím zatíľení motoru roste i tlak v sacím potrubí, a také nerovnoměrnost rozdělení směsi.

Rozptyl sloľení směsi

Při individuální tvorbě směsi, téměř výhradně vstřikováním paliva do vzduchu, je rozptyl mnoľství mezi válci nejnepříznivějąí při malých zatíľeních motoru (pravý obrázek). Protoľe je zde rozdělení vzduchu k jednotlivým válcům nerovnoměrné, vznikají na válcích větąí rozdíly v poměru vzduch/palivo. S rostoucím zatíľením motoru je i rozdělení vzduchu rovnoměrnějąí a tím i rozptyl sloľení směsi niľąí.

Vznětové motory

U vznětových motorů se pouľívá prvního z uvedených způsobů, tj. regulace změnou mnoľství paliva. Palivo se vstřikuje do jednotlivých válců krátce před koncem kompresního zdvihu, v okamľiku vhodném pro jeho vznícení. Průběh následného spalování, jakoľ i vyuľití nasátého spalovacího vzduchu, a tím i dosaľený střední tlak, jsou závislé hlavně na tvorbě směsi.

Vznětové motory nasávají pouze vzduch, do kterého se vstřikuje palivo v kapalném skupenství. Pro dokonalé spálení se musí převést do skupenství plynného. Protoľe motorová nafta má vysokou teplotu varu, mají molekuly jejích uhlovodíků při teplotách a tlacích v motoru sklon ke krakování.
Rozpadu molekul na zlomky.
Následkem krakování vznikají saze, které se úplně nespálí a zbarvují výfukové plyny do tmava.

Vznětové motory pracující na dvoutaktním principu se zatím u motorových vozidel nevyuľívají.

Pracovní oběh čtyřtaktního vznětového motoru je obdobný oběhu motoru záľehového. Při pohybu pístu k dolní úvrati je do válce nasáván vzduch. Protoľe výkon motoru je řízen změnou podílu paliva v pracovní směsi, je mnoľství nasávaného vzduchu omezováno pouze objemem válce a ztrátami proudění v sacím potrubí.

Během daląího taktu, při pohybu pístu k horní úvrati, je nasátý vzduch stlačován a ohřívá se. Má se ohřát natolik, aby se palivo, které je do válce na konci kompresního zdvihu vstříknuto, vznítilo. Na rozdíl od záľehového motoru, se před vznícením paliva nesmí ve válci vytvořit homogenní směs. Doąlo by k jejímu okamľitému vzplanutí a v celém spalovacím prostoru by vznikly nepřípustné tlaky.

V bodě vstřiku je palivo vstříknuto velkou rychlostí do spalovacího prostoru, jemně se rozpráąí ve stlačeném vzduchu a vytvoří heterogenní (nerovnoměrnou) směs. V blízkosti vstřikového paprsku paliva je nedostatek kyslíku, ve větąí vzdálenosti od paprsku je kyslíku přebytek. Náplň ve válci je ale v průměru s přebytkem kyslíku.

Při dobrém rozpráąení paliva vznikají malé kapičky o průměru několika mikrometrů. Ty se začnou v horkém vzduchu odpařovat a hořet. Odpařování a spalování začíná tam, kde mají teplo a kyslík přístup k povrchu nejdříve. Molekuly na povrchu paliva tedy reagují ihned a spálení jeho vnějąí vrstvy proběhne velmi rychle. Při velké povrchové ploąe vąech kapiček paliva shoří mnoho paliva naráz a změna tlaku na stupeň otočení klikové hřídele i maximální tlak pmax ve válci jsou velké. Aby motor nebyl mechanicky velmi namáhán a neměl velmi tvrdý a hlučný chod, neměla by změna tlaku na úhel otočení klikové hřídele překročit určitou hodnotu.

Zatím co vnějąí obal kapiček shoří, jejich vnitřní teplota stoupá. Vysoká teplota a velký tlak při nedostatku kyslíku podporují ątěpení molekul, nazývané krakováním. Velké molekuly se rozpadají na zlomky, málo schopné reakce. Po spálení povrchové vrstvy zachvátí plamen vrstvu pod ní. V této vrstvě ale jiľ vznikly zlomky molekul a spalování probíhá pomaleji. Tím se velká počáteční rychlost hoření ke konci spalování zpomaluje. Krakování můľe pokročit tak dalece, ľe na konci zůstává uľ jen velmi málo reakce schopného aktivního uhlíku. Jestliľe se nepodaří dostat uhlík dostatečně do styku s kyslíkem, obvykle silným prouděním vzduchu, uľ neshoří a ve formě sazí zabarví výfukové plyny do tmava.

Průběh uvolnění tepla při spalování je závislý na okamľiku zahájení vstřikování paliva a na průběh jeho vstřikovacího tlaku. Lze jej vyjádřit graficky jako závislost mnoľství tepla dQ, které se uvolní během pootočení klikové hřídele o úhel delta alfa, na úhlu jejího natočení alfa. V obrázku jsou uvedeny příklady nepříznivého průběhu vývinu tepla (průběh 1) a příznivého (průběh 2).

Průběhy spalování

Při průběhu 1 shoří velmi mnoho paliva jiľ před horní úvratí, nárůst tlaku a maximální tlak ve válci jsou velké a chod motoru je nepříjemně hlučný. Ke konci spalování se uvolňování tepla v důsledku krakování velmi sníľí a vzniká nebezpečí tvoření sazí. Podstatně příznivějąí je průběh 2. Spalování začíná pomalu, ale zvyąuje svoji rychlost tak, ľe přes stejné celkové mnoľství tepla jako při průběhu 1, spalování dříve skončí.

Tvorba směsi u automobilových vznětových motorů probíhá větąinou tak, ľe více či méně rozpráąené palivo se vstříkne do vzduchu ve spalovacím prostoru. Palivo se vstřikuje tak, aby se před spalováním, nebo během něj, podle moľnosti rozdělilo do celkového objemu vzduchu. To se provádí dvěma způsoby:

  • Přímým vstřikováním, při kterém je spalovací prostor větąinou v pístu, jako prohloubení vhodně tvarované, aby se vzduch při vstupu do tohoto prostoru dostal do vířivého pohybu. Vstřikovací tryska je umístěna ve středu hlavy válce a vstřikuje palivo přibliľně kolmo na rovinu víru vzduchu. To vede k odpařování kapiček paliva vstřikovaného víceotvorovou tryskou, přičemľ kapičky malých rozměrů tvoří kuľel. Vír vzduchu podporuje také rovnoměrné rozdělení paliva v celém spalovacím prostoru.
  • Nepřímým vstřikováním paliva do oddělené části spalovacího prostoru, tzv. komůrky, jejíľ objem je asi 25 aľ 60 % objemu spalovacího prostoru. Palivo se vstřikuje niľąím tlakem a méně rozpráąené neľ u přímého vstřikování. U moderních vznětových motorů automobilů se pouľívá vírové komůrky, ve které je rozdělení paliva podporováno víření vzduchu. Ten vzniká v průběhu kompresního zdvihu, kdy se vzduch protlačuje tangenciálním průtokovým kanálem komůrky.
Jak v komůrce, tak ve spalovacím prostoru jsou vysoké teploty, které zkracují zpoľdění vznícení. Vysoké teploty a nedostatek kyslíku způsobují mnoho krakovacích reakcí. Krakování spolu s nedostatkem kyslíku jsou příčinami pomalého spalování v komůrce. Stoupnutím tlaku v komůrce se její celý obsah vytlačí velkou rychlostí do hlavního spalovacího prostoru, kde se spalování dokončí. V hlavním spalovacím prostoru vznikají silné víry a krakované palivo shoří bez vytváření sazí.

Přímé vstřikování

Na obrázku je přímé vstřikování. Při vstupu do spalovacího prostoru 1 se vzduch dostává do krouľivého pohybu vhodně uspořádaným sacím kanálem. Sací kanály musí být tvarovány tak, aby jiľ při nízkých otáčkách motoru vznikal silný vzduąný vír. To můľe vést ke zhorąení plnění válců při vysokých otáčkách.

Protoľe zpoľdění vznícení musí být malé, je motor s tímto druhem vstřikování citlivý na vlastnosti paliva. Naproti tomu se spouątí bez přídavného zařízení při teplotách do -15°C. Při niľąích teplotách se normálního spalování dosahuje jen dlouhým spouątěním, přičemľ motor vyfukuje bílý dým, který vzniká při teplotách ve spalovacím prostoru pod 250°C vynecháním nebo úplným selháním vznícení. Výfukové plyny obsahují velmi malé kapičky zkondenzovaného paliva vstřikovaného tryskou 2. Při teplotách těsně nad 250°C je dým modrý, protoľe při tomto tepelném reľimu jsou kapičky jeątě menąí.

Nepřímé vstřikování

U nepřímého vstřikování se palivo vstřikuje do komůrky 3, ve které je vysoká teplota, takľe zpoľdění vznícení je krátké i při velmi rozdílném sloľení směsi. Vznícená směs prochází průchodem 4 do hlavního spalovacího prostoru. Motor není citlivý na kvalitu paliva a jeho chod je tiąąí, neľ při přímém vstřikování. Je to dáno i tím, ľe nárůst tlaku a jeho maximální hodnota jsou nízké, protoľe spalování má v důsledku krakování měkký průběh.

Plnění válců je lepąí i při ąirokém rozmezí otáček, protoľe se při vstupu do válce nemusí vytvářet vír vzduchu.

Vstřikovací tlak je niľąí neľ u přímého vstřikování, takľe vstřikovací čerpadlo a trysky jsou méně namáhané.

Naproti tomu má nepřímé vstřikování vyąąí měrnou spotřebu paliva, protoľe při proudění náplně do komůrky vznikají velké ztráty prouděním a následkem větąího povrchu spalovacího prostoru jsou tepelné ztráty při spalování značné. Pro spouątění motoru při niľąích teplotách je potřebné pomocné zařízení - ľhavicí svíčka.

Kombinace způsobů regulace výkonu

Kombinace obou způsobů regulace výkonu se pouľívá zejména u dvoutaktních motorů, čtyřtaktních záľehových spalujících chudé směsi a v některých případech i u vznětových. Přitom se mění jak objem čerstvé náplně, tak podíl paliva v nasávaném vzduchu. Čerstvou náplní, jejíľ objem se mění, zpravidla bývá nasávaný vzduch. Do něj se vstřikuje vhodné mnoľství paliva, buď během během kompresního zdvihu, ale v některých případech i během sání.

Vhodným návrhem lze spojit přednosti obou způsobů regulace a tak dosáhnout vyąąí termodynamické účinnosti, neľ při jejich individuálním pouľití.

Zhorąení termodynamické účinnosti je u záľehových motorů způsobováno předevąím neúplným spálením paliva. Tím se energie, která je v něm chemicky vázaná, nemůľe zcela přeměnit v mechanickou práci. Navíc zbytky nespáleného paliva odcházejí ve výfukových plynech jako ąkodlivé emise uhlovodíků.

K těmto ztrátám paliva dochází zejména u studeného motoru. Ztráty jsou tím větąí, čím je deląí cesta z místa tvorby směsi do spalovacího prostoru. Jsou-li stěny potrubí chladné, dochází ke kondenzaci odpařeného paliva, které na stěnách zůstává, dokud se jejich teplota nezvýąí natolik, aby se znovu odpařilo. Kondenzát ale můľe být za určitých podmínek rovněľ strháván proudem nasávaného vzduchu. Nestačí se vąak znovu odpařit a smísit se vzduchem, takľe neshoří.

Výrazného sníľení těchto ztrát paliva se dosáhne jeho přímým vstřikováním do spalovacího prostoru. Tím se vylučuje nestálý kondenzát a dávkování paliva pro poľadované sloľení směsi můľe být mnohem přesněji řízeno. Protoľe je doba potřebná pro odpaření paliva a vytvoření zapálitelné směsi kratąí neľ při vstřikování do sacího kanálu, musí být kapičky vstřikovaného paliva mnohem menąí. Rozpraąování kapiček ve spalovacím prostoru můľe být zvýąeno vírem nasávaného vzduchu. Tím se dosáhne určité homogenizace směsi a zlepąení jejího spalování.

Zlepąení homogenizace směsi se také dosáhne časným vstřikováním paliva, někdy i při otevřeném sacím ventilu. Homogenní směs se snáze zapálí a obvykle shoří s nejmenąím obsahem neľádoucích zplodin hoření ve výfukových plynech. Při časném vstřikování ale roste nebezpečí detonačního hoření při provozu motoru s vyąąím zatíľením, coľ je způsobeno samozápaly stlačované směsi.

Zmíněná potíľ odpadá při opoľděném vstřikování paliva do stlačované směsi. Při něm dochází k vrstvení směsi tak, ľe tato je rozloľena ve vrstvách s různým poměrem vzduchu a paliva. Je třeba řídit okamľik zapálení směsi výbojem v zapalovací svíčce i pohyb směsi ve válci. Vąe musí proběhnout tak, aby v okamľiku výboje byla v okolí elektrod svíčky směs co nejlépe zápalná. V ostatním prostoru bude směs s větąím přebytkem vzduchu. Taková směs má ale prodlouľenou fázi vznícení, coľ ovlivňuje neľádoucím způsobem průběh přeměny energie. Zlepąení poměrů se dosáhne zrychlením pohybu směsi, tzv. překlápěním, při kterém se hořící jádro s dostatečnou tepelnou energií dostává včas tam, kde je větąí přebytek vzduchu, takľe se zapálí i ostatní palivo a shoří.

Reguluje-li se výkon motoru mnoľstvím čerstvé náplně, musí v něm být ovládán i poměr paliva a vzduchu. Zároveň je potřeba i dosáhnout zvýąeného pohybu náplně ve válci. Pouľívá se víření, překlápění případně kombinace obojího. Rozdíly v ąíření náplně ve válci při jednotlivých typech jejího pohybu jsou zřejmé z obrázku. V levé části je neřízený pohyb, uprostřed víření a v pravé části překlápění.

©íření náplně

Takto vybavené motory pracují převáľně s větąím či menąím přebytkem vzduchu, přičemľ se jeho poměr k palivu mění mnoľstvím paliva v závislosti na poľadovaném výkonu motoru. Mnoľství vzduchu v čerstvé náplni je řízeno jen jako doplňující činitel v některých oblastech chodu motoru. Takové motory mají tím vyąąí termodynamickou účinnost, čím vyąąí je mnoľství vzduchu v spalované směsi. Předpokladem ale je takový výkon motoru, jaký je v daných podmínkách postačující, a to bez vynechávání spalování směsi.

Jiný přístup vyľadují dnes ponejvíce pouľívané záľehové motory spalujících tzv. stechiometrickou směs, ve které není ani přebytek vzduchu, ani přebytek paliva. Takové sloľení je potřebné pro dosaľení optimální účinnosti systému úpravy výfukových plynů katalyzátory. Proto je dávkování paliva řízeno tak, aby bylo v rovnováze s mnoľstvím vzduchu nasátého do válce.

Mnoľství nasávaného vzduchu je ale závislé na zatíľení motoru, takľe musí být podle něj řízeno. Často pouľívaný způsob změnou průřezu sacího potrubí ąkrticí klapkou není přílią vhodný, protoľe zvyąuje ztráty vlivem aerodynamického odporu v potrubí. Proto se roząiřuje pouľití regulace mnoľství nasávaného vzduchu jinými způsoby, které jsou prosty tohoto nedostatku.

U čtyřtaktních motorů je to proměnné časování ventilů, zejména je-li pouľito více neľ jednoho sacího. Regulace časování ventilů bývá doplňována zpětným vedením (recirkulací) určitého mnoľství výfukových plynů do sacího potrubí. Tyto plyny jsou v podstatě inertní, neobsahují kyslík, takľe nemění sloľení směsi paliva s nasátým vzduchem. Pouze doplňují mnoľství plynu ve válci. Přívod výfukových plynů i jejich pohyb ve válci, stejně jako je tomu u nasávaného vzduchu, musí být řízen, aby nebylo naruąeno shoření paliva a tak sníľena termodynamická účinnost motoru a zhorąeny emise uhlovodíků ve výfukových plynech.

Zcela jiný přístup tvorby směsi je u nových dvoutaktních záľehových motorů. Je to dáno rozdílností v jejich konstrukci i principu činnosti proti čtyřtaktním motorům.

Dvoutaktní motory vyuľívají k provádění pracovního oběhu komor nad i pod pístem. Při pohybu pístu k horní úvrati je čerstvá náplň (nebo vzduch) nasávána do dolní komory a to přes jazýčkový ventil, který vzduchu dovoluje vtékat, ale nikoliv vytékat. Náplň nad pístem je současně stlačována a v blízkosti horní úvrati zaľehnuta. Po zaľehnutí se spalované plyny nad pístem rozpínají a předávají přes píst výkonový impuls klikové hřídeli.

Píst se přitom pohybuje k dolní úvrati a stlačuje čerstvou náplň v dolní komoře, která je tak připravována na daląí cyklus. Na rozdíl od čtyřtaktního motoru, kde je k řízení dodávky čerstvé náplně do válce a odvodu spalin z něj pouľito sacího a výfukového ventilu (u motorů s přímočarým pohybem pístu), pouľívá se k tomuto u dvoutaktních motorů výąe uvedeného jazýčkového ventilu a pístem ovládaných kanálů, umístěných ve stěně válce.

Jeden je výfukový a je odkrýván při pohybu pístu k dolní úvrati. Jakmile se otevře, odcházejí spaliny z válce do výfukového systému. Daląí otvory ve stěnách válce jsou přepouątěcí a spojují komoru nad pístem s komorou pod ním. Jakmile se při daląím pohybu pístu k dolní úvrati tyto otvory odkryjí, proudí čerstvá náplň, která je v dolní komoře pístem stlačována, do horní (spalovací) komory a z ní do výfukového kanálu.

Tím se nadále vyplachuje válec od spálených plynů. Uspořádání vąech otvorů ve válci musí být takové, aby vyplachovací proud byl veden v blízkosti stěny válce, protoľe volné proudění se v prostoru dá lehce odklonit ze směru. Dále se má proud pohybovat tak, aby nevznikaly mrtvé prostory, to znamená nevypláchnuté kouty. Také se musí zabránit tomu, aby čerstvá náplň neunikala přímo nejkratąí cestou do výfuku.

Pokud by se jako čerstvé náplně, která je nasávána do klikové skříně, pouľilo přímo směsi paliva se vzduchem, dojde při vyplachování nevyhnutelně k určitému úniku čerstvé náplně bez spálení do výfukového systému. To jednak sniľuje termodynamickou účinnost motoru a dále zvyąuje emise nespálených uhlovodíků ve výfukových plynech.

Tento problém řeąí spalovací pochod vyvinutý australskou společností Orbital Engine. V něm je pouľito k vyplachování vzduchu, ve kterém není obsaľeno palivo. To je vstřikováno do spalovacího prostoru spolu s přetlakovaným vzduchem, který doplňuje vyplachovací vzduch, zbylý ve válci po uzavření výfukového kanálu. V sacím potrubí není pouľito regulace ąkrticí klapkou, a to i proto, ľe je ľádoucí, aby vyplachování bylo co nejúčinnějąí a tedy aerodynamický odpor kanálu sání byl co nejmenąí.

Výkon motoru se reguluje jak sloľením palivové směsi, tj. poměrem paliva ke vzduchu, tak i mnoľstvím této směsi. Směs se vytváří tak, ľe jak palivo, tak přetlakovaný vzduch se vstřikují společnou tryskou do spalovacího prostoru (komory) prstencovitého tvaru. Palivo je k trysce dopravováno z čerpadla, které řídí jeho tlak v závislosti na poľadovaném výkonu motoru a na jeho zatíľení. Informace o zatíľení se získá z tlaku nasávaného vzduchu stlačovaného pístem v klikové skříni, poľadovaný výkon z polohy ovladače plynu. Palivo se vstřikuje do proudícího vzduchu, jehoľ tlak se mění během kaľdého cyklu motoru podle jeho rychlosti (otáček) a zatíľení. Společná tryska, umístěná ve spodní části spalovací komory, vytváří dynamickou tlakovou vlnu, který rozpráąí tekuté palivo, vstupující do spalovací komory, na velmi malé kapičky. Drobné kapičky se velmi snadno odpaří a tak je zajiątěno dobré spalování směsi paliva se vzduchem.

Přímým vstřikováním paliva se spoluúčastí vzduchu dochází k účinnému vrstvení náplně. Při otevření přívodu paliva je u trysky směs velmi bohatá a snadno zápalná. Ve větąí vzdálenosti od trysky je směs postupně chudąí, protoľe vąechno palivo je zaváděno v jednom místě a ve zbytku spalovací komory je "tekutinou" čistý vzduch. Jeho pohyb je směrován tak, aby směs ve válci vytvářela vír, který urychluje hoření chudých směsí. Pro dosaľení optimálního spalování je v kaľdém bodě zátěľe a rychlosti motoru nastavován počátek vstřikování vzduchu. Časování zapálení směsi je pak polohováno vzhledem k němu tak, aby k přeskoku jiskry v zapalovací svíčce doąlo, kdyľ je u ní vytvořen dobře zapálitelný poměr paliva ke vzduchu. Okamľik zastavení vstřikování vzduchu je kalibrován na optimální účinnost spalovací soustavy.

Vzhledem ke přímému vstřikování paliva do spalovacího prostoru, nemůľe být pouľito způsobu mazání motoru obvyklého u dvoutaktních motorů dřívějąího provedení. Při něm se mazací olej přimísil do paliva, které pak vytvářelo směs s nasávaným vzduchem. Tato směs pak procházela celým motorem, protoľe byla nasávána do jeho klikové skříně. U nového způsobu se vyuľívá vstřikování olejové mlhy do nasávaného čistého vzduchu slouľícího k vyplachování motoru. Olej je vstřikován do sacího vzduchového kanálu, aniľ je mísen s palivem. Protoľe předběľné smísení oleje s palivem odpadá, můľe být uchováván v nádrľce, ze které je čerpán samostatným čerpadlem. To řídí jeho odebírané mnoľství podle stejných parametrů, podle kterých je řízeno mnoľství paliva.

Nasávaný proud vyplachovacího vzduchu, spolu s olejovou mlhou prochází klikovou skříní, maľe ji i ojniční loľiska a stěny válce. Pak přichází do spalovacího prostoru, kde shoří.

U vznětových motorů je výkon regulován změnou mnoľství paliva vstřikovaného do mnoľství vzduchu stlačeného ve válci při kompresním zdvihu pístu. Mnoľství tohoto vzduchu je ovlivněno ztrátami vznikajícími v sacím potrubí během přívodu vzduchu v sacím zdvihu. Podle provedení sacího potrubí jsou u jednotlivých válců rozdíly ve velikosti těchto ztrát. Pokud je mnoľství paliva vstřikovaného do vąech válců stejné, je výkon kaľdého válce závislý na velikosti těchto ztrát. Rozdíly jsou největąí při malých zatíľeních motoru a jeho nízkých otáčkách, kdy je rozdělení vzduchu k jednotlivým válcům nejnerovnoměrnějąí. S rostoucím zatíľením motoru se nerovnoměrnost rozdělení vzduchu sniľuje a tím klesá i rozdíl v kvalitě směsi jednotlivých válců.

Tato situace je nejčastějąí u vznětových motorů s nepřímým vstřikováním paliva, které větąinou pouľívají vstřikovacích čerpadel, a» řadových nebo rotačních s rozdělovačem. U obou typů je mnoľství vstřikovaného paliva i začátek jeho vstřiku regulován pro vąechny válce společně. Proto je u motorů některých výrobců (např. Toyota) pouľito přídavné regulace mnoľství vzduchu, kterou se vyrovnávají rozdíly ve výkonu jednotlivých válců způsobené rozptylem sloľení směsi. Tato regulace musí být dostatečně rychlá, aby kompenzovala rychle probíhající změny mnoľství dopravovaného vzduchu.

Obvykle je to prováděno klapkami A v sacím potrubí ovládanými elektropneumatickými ventily B. Systém je ve funkci pouze ve volnoběľné oblasti chodu motoru a potlačuje případné nerovnoměrnosti otáčení a s ním související vibrace.

Klapky v sacím potrubí

Zapálení směsi

Má-li se co nejvíce energie chemicky vázané v palivu přeměnit na teplo, je ľádoucí, aby palivo co nejdokonaleji shořelo. Za předpokladu, ľe tvorba směsi proběhla v daných podmínkách optimálně, je nutné zabezpečit její zaľehnutí nebo vznícení tak, aby shoření paliva proběhlo co nejlépe.

Přeměna chemické energie paliva v teplo je ale pouze jednou částí procesu chodu motoru. Druhou nezbytnou částí je přeměna tepla v mechanickou práci na klikové hřídeli motoru.

Oba děje probíhají v potřebném sledu a musí být proto časově sladěny tak, aby výsledek, tj. přeměna energie z paliva na mechanickou práci proběhla s maximální účinností.

Spalování směsi paliva a vzduchu se začíná zapálením. Aby se směs rozhořela, musí být splněny následující podmínky.

  1. Směs musí být zapálitelná, tj. její sloľení musí být v hranicích zápalnosti.
  2. Alespoň v jednom místě musí být dosaľena nebo překročena zápalná teplota.
  3. Musí se zapálit dostatečný objem směsi.
    Hoří-li malý objem směsi, je její povrch relativně velký vůči jejímu objemu. Tepelné ztráty povrchem - tedy ohřev okolní směsi nutný pro její zapálení, jsou vyąąí neľ tepelná energie produkovaná hořícím objemem. Teplota tedy klesá a po poklesu pod bod hoření plamen zhasne.
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 lambda dané poměrem přivedeného mnoľství vzduchu k teoretické potřebě.

Pro stechiometrickou směs tedy bude lambda = 1.0. Bude-li směs obsahovat více vzduchu neľ je potřebné, nazývá se chudou a její lambda > 1.0. Bude-li naopak vzduchu méně, směs bude bohatá, tj. s přebytkem paliva a lambda < 1.0.

Záľehové motory pouľívají jako paliva automobilového benzinu. Aby byla jeho směs se vzduchem zápalná, má být její vzduchové číslo v rozmezí 0.5 < lambda < 1.3. V poslední době se roząiřují záľehové motory pracující s velmi chudými směsmi, u kterých se lambda blíľí aľ 2.7. Větąinou vyuľívají vrstvení směsi spolu s řízením jejího pohybu ve válci.

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:

Upr = 4700 * (delta epsilon)exp 0.718 .

d
mezielektrodová mezera v mm
delta epsilon
kompresní poměr válců motoru
delta epsilon = (Vz + Vk) / Vk.
Vz
zdvihový objem
Vk
kompresní objem
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. Rozeznáváme dva druhy zapalování, induktivní a kapacitní.

Induktivní zapalování

Zapalování vyuľívá samoindukce. Při průtoku elektrického proudu vinutím cívky vzniká v jejím jádře magnetické pole, které akumuluje určitou energii. Mnoľství energie závisí na velikosti proudu a indukčnosti cívky (kterou zvyąujeme ľelezovým jádrem). Při změně velikosti proudu vytváří magnetická energie napětí, které se snaľí zachovat původní proudové poměry. Např. při rozpojení obvodu spínačem se toto samoindukované napětí objeví na jeho kontaktech a jeho velikost snadno přesáhne původní napětí baterie. Na kontaktech pak vznikne oblouk, který aľ do vyčerpání magnetické energie udrľuje původní proud.

Jestliľe se připojí paralelně ke spínači kondenzátor, nabije se samoindukovaným napětím a podle parametrů obvodu nemusí oblouk vzniknout. Po nabití kondenzátoru, tedy po zániku magnetického pole,
Magnetická energie z cívky se přemění na elektrostatickou v kondenzátoru a tepelné ztráty na ohmických odporech v obvodu.
se kondenzátor začne vybíjet zpět do cívky. Protéká jí tedy 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 fo netlumených kmitů (s konstantní amplitudou) je dán následujícím vzorcem, kmitočet tlumených kmitů je o něco niľąí.

fo = 1 / [2 * pi * odmoc(L * C)].

L
indukčnost cívky v Henry, [H]
C
kapacita kondenzátoru ve Faradech, [F]

Průběh primárního napětí

Výąe popsaný děj je patrný z obrázku, ve kterém je a průběh prvního nabíjení kondenzátoru po rozepnutí spínače v okamľiku to, b průběh jeho prvního vybíjení, c a e průběhy daląích nabíjení kondenzátoru, d a f pak průběhy jeho vybíjení. Z obrázku je zřejmý i kmitočet fo = 1 / t = 2500 [Hz].

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

Uems = Ito * odmoc(L / C).

Ito
proud protékající vinutím v okamľiku bezprostředně před rozepnutím spínače
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 označovaným 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 p * p a přičítá se ke kapacitě kondenzátoru C1 v obvodu primárního vinutí.

Vztah upravený pro tyto podmínky pak je

U1 = i1 * odmoc[L1 / (C1 + p * p * C2].

U1
napětí na primárním vinutím zapalovací cívky při přeruąení proudu
i1
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 podle fy Bosch uvádí srovnání kapacit některých dílů v rozdílných podmínkách.

Kapacity součástí zapalování
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]

Protoľe je proud primárním vinutím střídavě zapínán a vypínán, bude i jeho okamľitá hodnota i1 závislá nejen na napětí baterie UB a ohmickém odporu R1 primárního vinutí, ale i na době tZ od začátku sepnutí a na indukčnosti L1. Časová konstanta cívky
Je to doba za kterou proud vzroste z 0 na (1 - 1 / e) z ustálené hodnoty (tj. asi 3/4 z této hodnoty).
tau je dána tímto vztahem

tau1 = L1 / R1.

Okamľitá hodnota i1 primárního proudu je pak

i1 = (UB / R1) * (1 - exp{- tz / tau1).

Pro případ, ľe tau = 3 tau1 dosáhne proud jiľ asi 95 % své maximální hodnoty. Doba tz je vąak závislá na otáčkách n motoru a na počtu z jeho válců. Při zanedbání doby potřebné k sepnutí a rozepnutí spínače lze pro výpočet tz pouľít vztahu (u čtyřtaktních motorů)

tz = 120 / (n * z),

ve kterém jsou otáčky n v [1/min].

Bude-li tz / tau1 < 3, nebude i1 dosahovat 95 % maximální hodnoty dané poměrem UB / R1, jak je zřejmé z obrázku. Podle hodnoty i1 pak bude velikost samoindukovaného primárního napětí U1 zapalovací cívky. Jeho velikost bude ovąem závislá i na parametrech indukčnosti L1, kapacit C1, C2 a převodu zapalovací cívky p.

Primární proudy při různých otáčkách

Na sekundárním vinutí L2 zapalovací cívky bude napětí U2 = U1 * p, tedy p * vyąąí neľ U1. V okamľiku, kdy jeho hodnota dosáhne průrazného napětí, vznikne oblouk a sekundární napětí U2 klesne na obloukové napětí. Protoľe oblouk má stabilizační účinky, bude průběh sekundárního napětí téměř konstantní, pouze s mírným zvlněním. Jakmile klesne energie nahromaděná v zapalovací cívce natolik, ľe dojde ke zhasnutí oblouku, zbytková energie vyvolá tlumené dokmitávání obvodu, tzv. dokmit.

Průběh sekundárního napětí

Jestliľe nedosáhne napětí přiváděné k elektrodám svíčky průrazného napětí, oblouk nevznikne a jak primární tak sekundární napětí zapalovací cívky zůstanou ve tvaru tlumených kmitů. Na obrázku jsou průběhy primárního proudu I1 cívky a primárního napětí U1 i sekundárního U2 pro oba případy. V levé části je případ bez oblouku, v pravé dojde-li k jeho vytvoření.

Vliv oblouku na el. veličiny

Při rozepnutí kontaktů přeruąovače vznikne tedy v obou vzájemně induktivně vázaných obvodech, tj. primárním vinutí L1 cívky spolu s kapacitami C1 a sekundárním vinutí L2 spolu s kapacitami C2, přechodový děj. V okamľiku přeruąení proudu primárním vinutím se přemění magnetická energie nahromaděná v jádře cívky (prostřednictvím proudu v primárním vinutí) na energii elektrického pole kondenzátorů C1, C2 a částečně na ztrátové teplo v parazitních odporech.

Primární vinutí vytvoří v jádře magnetickou energii:

WL1 = (1 / 2) * L1 * I1 * I1.

V tomto vztahu se za I1 dosadí proud. V daląím popisu je pro zjednoduąení zanedbána energie ztrát v cívce.

Magnetická energie vytváří na primárním vinutí při rozpojení přeruąovače samoindukované napětí U1 . Napětím se nabíjí kondenzátor C1; magnetická energie se mění na elektrostatickou.

Cívka funguje jako transformátor s převodem p, poměr napětí na primární a sekundární kapacitě je mu tedy roven. K sekundárnímu vinutí je připojena zapalovací svíčka s průrazným napětím Upr. Pokud je okamľitá hodnota napětí u2 = p * u1 menąí neľ Upr, bude jeho velikost narůstat aľ po ąpičkovou hodnotu U2 = p * U1. Ke vzniku oblouku na svíčce nedojde a děj bude probíhat obdobně jako v primárním obvodu (viz levá část). Pro velikost energie elektrického pole v kapacitě C2 platí:

WC1 = (1 / 2) * C2 * u2 * u2.

Pokud ale u2 > Upr dojde k průrazu a vytvoření oblouku. V něm se spotřebuje elektrostatická energie z kapacity C2
Jelikoľ je cívkou jako transformátorem vázán sekundární obvod s primárním, do kapacity C2 bychom měli zahrnout i kapacitu C1 přepočtenou na sekundár.
dle vztahu

W2pr = (1 / 2) * C2 * (Upr - Uob) * (Upr - Uob),

kde

Uob 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 mikrosekundách).

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). Po zániku oblouku v důsledku poklesu napětí se zbytek energie spotřebuje v dokmitech tlumených kmitů.

Doba trvání 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.

Výboj při nízkých otáčkách

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. 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 k následujícímu zkrácení trvání daląího oblouku.

Výboj při vysokých otáčkách

Kapacitní zapalování

U tohoto způsobu je energie získávána z elektrického pole kondenzátoru. Velikost nahromaděné energie je je dána kapacitou kondenzátoru a jeho napětím. Z konstrukčních a funkčních důvodů
Hodnota kapacity přímo úměrně určuje geometrický objem a hmotnost kondenzátoru. Kapacita spolu s vnitřním odporem kondenzátoru definuje rovněľ časovou konstantu nabíjení.
nelze pouľít přílią velké kapacity, takľe je potřebné napětí několika set voltů, které je třeba vyrobit z napětí vozidlové baterie. K tomu slouľí nabíjecí díl napájející kondenzátor.

Funkce kapacitního zapalování

V okamľiku záľehu se elektrostatická energie nahromaděná v kondenzátoru vybíjí přes sepnutý spínač. Jeho sepnutí určuje okamľik záľehu. Levá část obrázku znázorňuje stav s rozepnutým spínačem Sp a kondenzátor C se nabíjí napětím z měniče M (ten zvyąuje napětí vozidlové baterie na potřebnou hodnotu). Nabíjecí okruh, ve kterém je i primární vinutí zapalovací cívky, je vyznačen tučnými čarami.

V pravém obrázku je stav se sepnutým spínačem. Kondenzátor se přes něj vybíjí do primárního vinutí zapalovací cívky. Dioda D brání průtoku proudu z kondenzátoru do měniče.

Kondenzátor i primární vinutí zapalovací cívky tvoří obdobný kmitavý obvod jako u indukčního způsobu. V obvodu tedy vznikají rovněľ tlumené kmity. Energie se ale nehromadí v jádře cívky prostřednictvím magnetického pole; cívka slouľí pouze jako transformátor zvyąující p * napětí kondenzátoru na napětí potřebné pro průraz zapalovací svíčky. Indukčnost primárního vinutí tak můľe být mnohem niľąí. Pro kmitočet tlumených kmitů obvodu pak platí jiný vztah neľ u induktivního způsobu a to:

fo = (1 / 2) * (C1 * p * p * C2) / (sigma * L1 * C1 * C2 * p * p.

Ve vztahu je sigma * L1 rozptylová indukčnost primárního vinutí L1. Hodnota sigma * L1 = L1 závisí na konstrukci zapalovací cívky. Vhodným provedením lze její velikost omezit a tak výrazně zvýąit kmitočet fo. Můľe být asi o řád vyąąí neľ u induktivního hromadění energie.

Napětí na kondenzátoru se transformuje nahoru p *, tedy v poměru počtu závitů n2 sekundárního vinutí zapalovací cívky k počtu závitů n1 jejího primárního vinutí. Okamľitá hodnota sekundárního napětí u2 je tady dána vztahem

u2 = p * Un * Cn / (Cn + C'2 * (1 - cos(2 * pi * fot)).

Un
nabíjecí napětí kondenzátoru Cn.
C'
parazitní kapacita C2 v sekundárním obvodu přepočítaná podle C'2 = p * p * C2.
Okamľitá hodnota dostoupí své maximální hodnoty U2max v čase t = (1 / 2) * fo, protoľe cos(2 * pi * fot) = -1 a vztah nabyde tvar

U2max = 2 * p * Un * Cn / (Cn + C'2).

čím tedy bude fo vyąąí, tím rychlejąí bude nárůst sekundárního napětí a tedy i niľąí ztráty energie před vznikem výboje.

Ze vztahů vyplývá i menąí vliv změny kapacity C2 na rychlost nárůstu sekundárního napětí a na jeho maximální hodnotu U2max, coľ je předností tohoto způsobu oproti induktivnímu. U něj je C1 vľdy menąí neľ p * p * C2.

Vzhledem k velmi rychlým průběhům dějů musí být pouľito jako spínače elektronického prvku. Ten vąak obvykle vede proud pouze jedním směrem a tudíľ tlumené kmity rychle zanikají. Doba trvání oblouku na zapalovací svíčce je proto krátká. Zvýąením sloľitosti zapojení obvodu
Připojením polovodičové diody paralelně k tyristoru, nebo paralelně k primárnímu vinutí cívky, případně dvou diod k oběma dílům.
lze vąak dosáhnout několikerého opakování výboje, případně jeho prodlouľení.

Napájecím zdrojem pro nabíjení kondenzátoru je elektronický měnič napětí. V měniči se stejnosměrné napětí baterie přemění na impulsní, které se transformuje na vyąąí hodnotu potřebnou k nabití kondenzátoru a dále se usměrní. Kondenzátor je tedy nabíjen napě»ovými impulsy a to dvěma způsoby: jedním nebo více impulsy.

U napájecích dílů soustav nabíjení s více impulsy se pouľívá střídačů s vlastním buzením. Pracují s kmitočtem impulsů v jednotkách kHz, který je zřetelně slyąet, čímľ je indikována správná funkce obvodu. Průběh nabíjení mezi jednotlivými záľehy je zřejmý z obrázku. V něm je

t2
okamľik záľehu,
a
průběh nabíjení kondenzátoru na napětí UC,
Tn
doba nabíjení a
b
řídící impuls o délce TI pro sepnutí tyristoru.

Víceimpulsové nabíjení

Nevýhodou tohoto způsobu je, ľe pro dobré nabíjení kondenzátoru při nejvyąąích otáčkách motoru musí napájecí díl dodávat výkon 25 aľ 30 W. Při nízkých otáčkách je ale spotřeba mnohem menąí, výkon střídače zůstává stejný, coľ vede ke zbytečnému odběru elektrické energie z vozidlové sítě.

Z tohoto pohledu mají lepąí vlastnosti nabíjecí soustavy se střídači s cizím řízením a přídavným oscilátorem. Jsou součástí napájecích dílů nabíjení jednotlivým impulsem. Nabíjecí impuls je dimenzován v desetinách ms. Je tak krátký, aby ani při nejvyąąích otáčkách motoru neklesala hromaděná energie. Nabíjení kondenzátoru na provozní napětí proběhne značně rychleji. Označení v obrázku jsou totoľná s předchozím.

Jednoimpulsové nabíjení

Porovnání příkonu obou typů nabíjení a vysokého napětí U2 v závislosti na počtu jisker (tj. otáčkách motoru * polovina počtu válců pro čtyřtaktní motory) jsou uvedeny na obrázku.

Porovnání různých typů nabíjení

V levé části jsou průběhy příkonů, a platí pro jednoimpulsové nabíjení, b pro víceimpulsové. Pro srovnání je pod označením c uveden průběh příkonu elektronického induktivního zapalování s řízením doby sepnutí tZ primárního proudu podle otáček motoru. V pravé části jsou průběhy U2 pro stejně označené případy.

Zapalovací svíčky

Přeskokem jiskry začíná vzplanutí směsi paliva se vzduchem. K přeskoku dochází mezi elektrodami zapalovací svíčky. Energie výboje musí nejen zapálit směs. Musí zároveň zapálit takový objem směsi, aby se při jeho shoření uvolnilo postačující mnoľství tepla pro ohřátí sousedních částic směsi na zápalnou teplotu, tedy aby hoření pokračovalo. Z toho vyplývají následující poľadavky na zapalovací svíčku:
  • Aktivovaný objem má být co největąí.
  • Směs má mít co nejlepąí přístup k dráze výboje.
  • Tepelné ztráty aktivovaného objemu mají být minimální.
Samotná zapalovací svíčka ovlivňuje svým konstrukčním řeąením a svými parametry předevąím první dva poľadavky, poslední poľadavek i svojí polohou ve spalovacím prostoru.

Zapalovací svíčka

Nejčastěji pouľívaným typem zapalovacích svíček jsou svíčky se vzduchovým jiskřiątěm. Svíčka sestává z izolátoru, tělesa svíčky, střední a vnějąí elektrody. Pro hermetizaci střední elektrody svíčky se pouľívá elektricky vodivé skelné taveniny. Hermetičnost mezi izolátorem a tělesem svíčky zabezpečuje vnitřní těsnící krouľek a téľ zaválcování části tělesa na vlastní izolátor.

Hrot izolátoru zapalovací svíčky má být tak horký, aby na něm shořely částečky paliva a oleje. V opačném případě se vytvoří vodivé můstky a svíčka nezapaluje. Spodní tepelná hranice pro samočistění je asi 400°C. Horní hranice teploty hrotu izolátoru nesmí překročit 900°C, jinak dochází k předčasnému vzplanutí směsi během jejího stlačování, dříve neľ dojde k výboji. Tento jev, nazývaný samozápalem, je způsobován rozľhavením hrotu izolátoru. Výkon motoru klesá a zapalovací svíčka se můľe přehřátím zničit.

Protoľe se teplotní podmínky zapalovacích svíček u různých motorů mohou značně liąit, pouľívá se svíček s různým číslem tepelné hodnoty. Ty se od sebe liąí délkou izolátorové patky. Svíčky s kratąí patkou mají niľąí tepelné číslo. Tepelné číslo můľe být sníľeno i volbou materiálu střední elektrody s vyąąí tepelnou vodivostí.

Svíčky s různou tepelnou hodnotou

Obecně platí následující pravidla:

  • Čím niľąí je tepelná hodnota, tím vyąąí je odolnost proti samozápalům.
  • Čím vyąąí je tepelná hodnota, tím vyąąí je odolnost proti znečistění, ale klesá odolnost proti samozápalům.
Výběr svíčky podle horní tepelné hranice se provádí při maximálním výkonu motoru na jmenovitých otáčkách jeho klikového hřídele. Přitom se nastaví předstih záľehu vyąąí o 5° neľ optimální. V tomto pracovním reľimu nesmí dojít k samozápalům.
Zvýąení předstihu záľehu je příčinou samozápalů. Ty vedou k výskytu detonačního hoření (klepání motoru).

Výběr podle dolní tepelné hranice se provádí při volnoběľném chodu motoru a při nízkých otáčkách. Na svíčce přitom nesmí vznikat svodové odpory paralelní k mezielektrodové mezeře, které jsou tvořeny spečeným uhlíkem.

Popsaný výběr provádí zpravidla výrobce motoru a na jeho základě doporučuje vhodný typ zapalovací svíčky zabezpečující jeho spolehlivý chod při vąech moľných provozních podmínkách. Jestliľe ale převládá provoz s vyąąím zatíľením a dochází k detonačnímu hoření, je třeba osadit svíčky s niľąím tepelným číslem ("studenějąí"). Naopak při převládajícím malém zatíľení s častým volnoběľným chodem
Coľ se projeví začazením svíček s pokrytím elektrod a jejich okolí sazemi.
se pouľívá svíček s vyąąím číslem ("teplejąích").

Daleko nejúčinnějąím parametrem zapalovací svíčky z hlediska započetí vzplanutí směsi je mezielektrodová vzdálenost. Zlepąením začátku spalování se ovlivní mimo neklidu motoru i úroveň emisí uhlovodíků (HC) a spotřeba. Na těchto grafech, převzatých z příručky fy Bosch, jsou uvedeny průběhy zmíněných parametrů motoru pro různé mezielektrodové vzdálenosti v závislosti na sloľení směsi. Otáčky jsou 2000 [1/min] při částečném zatíľení. Z obrázku je zřejmé zlepąení dosaľené zvětąováním mezielektrodové vzdálenosti. Při větąí mezeře se totiľ zaľehne větąí objem směsi mezi elektrodami. Zvětąováním vzdálenosti ale roste velikost průrazného napětí a tím stoupají nároky na zapalovací soupravu. Proto se hledají cesty, jak zapálit větąí objem směsi i při menąích mezielektrodových vzdálenostech, zejména u motorů s vyąąím kompresním poměrem.

Měrná spotřeba

Emise HC

Neklid chodu motoru

Firma Ford provedla řadu výzkumných prací zkoumajících vliv parametrů zapalovací soupravy na zaľehnutí směsi a rozvoj jejího spalování. Ke zkoumaným parametrům náleľely mimo energii a dobu oblouku také orientace a počet elektrod zapalovací svíčky, poloha jiskřiątě, konstrukce ąpičky svíčky a počet svíček ve válci motoru.

Orientace elektrod se vztahuje ke směru proudění směsi ve spalovacím prostoru. U zapalovacích svíček obvyklé konstrukce, tj. se vzduchovým jiskřiątěm a jednou vnějąí elektrodou, jsou moľné tři mezní případy orientace této elektrody. Vnějąí elektroda můľe být orientována tak, ľe stíní střední elektrodu, nebo se naopak nachází aľ za ní ve směru proudění, případně mohou být elektrody kolmo na směr proudu.

Je-li vnějąí elektroda v poloze "proti proudu", můľe vytvářet v okolí jiskřiątě oblast recirkulací a směs se zde zdrľuje deląí dobu. To je příznivé pro vytvoření stabilního jádra plamene.

V poloze "po proudu" můľe naopak proudění posouvat elektrický výboj s počátečním jádrem plamene do blízkosti vnějąí elektrody. Jí můľe být z jádra plamene odváděno více tepla a tak zpoľděn počátek vzplanutí.

V poloze "napříč" dochází k protaľení oblouku vlivem proudění, čímľ se můľe vytvořit fyzikálně větąí aktivační objem a tedy větąí počáteční jádro plamene. Jeho odsunutím z mezielektrodové oblasti se sníľí odvod tepla a urychlí vzplanutí.

Aby se omezil moľný nepříznivý vliv náhodné orientace vnějąí elektrody zapalovací svíčky na průběh spalování, roząiřují se typy svíček s větąím počtem vnějąích elektrod (obvykle dvě aľ čtyři). Elektrody jsou rozloľeny souměrně po obvodu mezikruľí kovového tělesa.

Protoľe velikost průrazného napětí je závislá nejen na mezielektrodové mezeře, ale i na sloľení směsi v prostoru jiskřiątě, roste s počtem vnějąích elektrod pravděpodobnost vzniku průrazu i při nehomogenní směsi. K výboji dojde v té mezeře (nebo mezerách), kde je směs nejbohatąí. Tím se sníľí i potřeba zvyąování napětí pro bezpečný průraz i v nepříznivých podmínkách.

Polohy jiskřiątě

Poloha jiskřiątě je dána jednak konstrukcí motoru a jednak druhem svíčky. Z daląího hlediska se zapalovací svíčky dělí na typy se standardním a s vyčnívajícím jiskřiątěm. Obě jsou znázorněny. V levé části je standardní provedení (nevyčnívající) a v pravé s vyčnívajícím jiskřiątěm. Z provozního měření vyplynulo, ľe zvětąením vystoupení se sníľila spotřeba a také velikost optimálního předstihu. Je to zřejmě způsobeno rychlejąím průběhem spalování objemu směsi a zvýąením spolehlivosti zaľehnutí.

Výrobci svíček vycházejí z potřeb konstruktérů motorů a nabízejí řadu typů s různou polohou jiskřiątě. Např. fa Bosch nabízí mimo "standardní" provedení typy s vystoupením 3, 5, a 7 mm. Ve firemním katalogu pak uvádí typy svíček pouľívaných u různých automobilů. Uvedená doporučení je nutno respektovat, jinak můľe dojít ke zhorąení parametrů motoru.

Mimo svíčky se vzduchovým jiskřiątěm se pouľívají svíčky s jiskřiątěm povrchovým. U nich oblouk mezi vnitřní a vnějąí elektrodou "klouľe" po povrchu izolátoru. Konstrukce má tu výhodu, ľe oblouk opaluje zbytky benzinových spalin a tak čistí izolátor. Svíčka mívá více vnějąích elektrod aby se očistil celý obvod izolátoru.

Povrchové jiskřiątě

Daląím zdokonalením je zapalovací svíčka s kombinovaným jiskřiątěm. Je konstruována tak, ľe za studena probíhá oblouk mezi vnitřní a vnějąími elektrodami. S rostoucí teplotou velikost průrazného napětí klesá a výboj přilne k povrchu izolátoru. Jelikoľ je dráha výboje proměnlivá, elektrody se málo opotřebovávají a ľivotnost svíčky je velká. Výboj má rovněľ deląí dráhu, coľ usnadňuje zapálení hůře zápalných (tj. chudých a bohatých) směsí.

Příkladem takové zapalovací svíčky je typ Bosch Super 4. Jiskřiątě a ąpička jejího izolátoru je znázorněna v řezu. Písmeno A označuje "klouzavý" výboj, B oblouk probíhající vzduchem. Svíčka má čtyři vnějąí elektrody C, které jsou tenké, takľe odvádí minimum tepla z jádra plamene. Střední elektroda D je vhodně tvarovaná pro dosaľení minimálního opotřebení elektrod, takľe při výrobě nastavenou mezeru E není nutno seřizovat ani po deląí době pouľívání svíčky.

Svíčka Bosch Super 4

Výrazného zlepąení spalovacího průběhu se dosáhne pouľitím dvou zapalovacích svíček. Ty jsou vhodně umístěny ve spalovacím prostoru dle cíle, kterého má být tímto řeąením dosaľeno. Na obrázku je několik příkladů motorů různých konstrukcí.

V levé části je motor Ford Proco určený pro spalování chudých směsí. Spalovací prostor v hlavě pístu je proveden tak, aby vyvýąení v jeho středu vytvářelo víření směsi. Okamľik záľehu na jednotlivých svíčkách se mění podle provozních podmínek motoru. Tím je dosaľeno optimálního spalování ochuzených směsí, jejichľ sloľení se různí podle zatíľení motoru.

Uprostřed je znázorněno provedení motoru Alfa Twin Spark. Motor má vyąąí kompresní poměr a tudíľ je náchylnějąí na vznik samozápalů. Tomu má předejít zapálení stlačené směsi současně na dvou místech, čímľ se urychlí její řízené spalování. Svíčky jsou ve válci umístěny co nejblíľe jeho stěn, coľ přispívá k lepąímu spalování uhlovodíků ve vrstvě směsi s nízkou teplotou.

Na pravé části obrázku je Wanklův motor z vozu Mazda RX-7. Jak vyplývá z popisu funkce motoru, je pohyb směsi určován otáčením pístu. Obě zapalovací svíčky jsou umístěny za sebou ve směru otáčení pístu. Nejprve zaľehne horní svíčka a směs zapálí. Zapálená směs je pístem dopravena k druhé svíčce. Jejím výbojem je jiľ hořící směsi dodána daląí energie, která urychlí její spálení.

VN části

Jiným činitelem ovlivňujícím spalování jsou charakteristiky oblouku. Zapalovací energie potřebná k záľehu směsi se různí podle jejího sloľení a turbulence. Samotná velikost energie vąak pro určení spalovacích podmínek nestačí. Je třeba brát v úvahu dvě daląí veličiny - dobu trvání oblouku a jeho proud.
Součin doby trvání, proudu a napětí oblouku udává jeho celkovou energie.
Vliv těchto veličin na kvalitu spalovacího procesu pro různé směsi je znázorněn na grafech.

Levá část ukazuje závislosti měrné spotřeby, emisí HC a NOX pro různou dobu trvání oblouku při konstantním proudu. V pravé je naopak závislost stejných parametrů motoru na proudu oblouku při jeho konstantní době.

Měření se provádí při konstantním výkonu motoru, takľe růst měrné spotřeby
Měrná spotřeba je dána podílem spotřeby k výkonu motoru.
svědčí o nedokonalé přeměně chemické energie paliva v teplo (tedy zhorąené spalování). V oblasti chudých směsí (s dostatkem kyslíku) je hlavní příčinou nedostatečná energie pro záľeh. V idealizovaných podmínkách, kdy se mezi elektrodami nachází homogenní směs se stechiometrickým sloľením (lambda = 1.0), postačí k zapálení energie 0.1 aľ 1 mJ trvající do 10 mikrosekund, tedy energie kapacitní části výboje.

U obvyklého spalovacího motoru se naopak ve válcích nachází nehomogenní, často i ąpatně rozpráąená směs zředěná zbylými spalinami. Zde je pro záľeh potřebná značně větąí energie - minimálně 30 mJ.

Ve skutečných podmínkách, zejména pro chudé směsi (lambda = 1.2 aľ 1.5) je patrný příznivý vliv prodlouľení induktivní fáze (doby trvání) oblouku na chod motoru. Vyąąí energie dodávaná deląí dobu urychluje chemické reakce při iniciaci spalování. Zmenąí se takto nerovnoměrnost pracovních cyklů motoru. Experimentálně bylo potvrzeno, ľe při velkých hodnotách doby hoření prakticky nedochází k vynechání záľehů (pokud je zapalovací souprava přizpůsobena danému typu motoru).

Prodlouľení induktivní části výboje rovněľ usnadňuje odpaření zkondenzovaného paliva, čímľ se podstatně zlepąí start studeného motoru a zkrátí doba pro jeho zahřátí při nízkých okolních teplotách okolí.

Obdobně je tomu s emisemi HC (uhlovodíků). V oblasti příměsí s přebytkem paliva dochází k jeho neúplnému spalování a tím i zvýąení hodnoty emisí nespálených a částečně spálených uhlovodíků. Zvýąení jejich emisí v oblasti s přebytkem vzduchu je způsobeno nedokonalým spalováním, které je příčinou vynechávání zapalování.

Jiná je situace u emisí kysličníků dusíku (NOX. Ty vznikají při vysokých teplotách a tlaku ve spalovacím prostoru je-li k dispozici kyslík, tj. při přebytku vzduchu. Protoľe měření probíhala při stejném výkonu motoru, tedy při témľe tlaku, je úroveň emisí NOX závislá na teplotě hoření. Ta je, jak plyne z obrázků, tím vyąąí, čím vyąąí je energie jiskry. Téměř přitom nezávisí na tom, zda je zvětąení způsobeno vyąąím proudem výboje či jeho deląím trváním. Výhodnějąí vąak je prodlouľení jeho doby, coľ je zřejmé z obrázku a aľ c. V obrázku a, který je víceméně totoľný s obrázkem, jsou průběhy měrné spotřeby, emisí HC a neklidu chodu motoru v závislosti na sloľení směsi a to pro různé mezielektrodové vzdálenosti při době trvání výboje kolem 1.5 ms. V obrázku je doba rovná 4 ms. Z obrázků vyplývá, ľe deląí doba umoľní sníľit mezielektrodovou vzdálenost čímľ se zmenąí hodnota průrazného napětí, zejména u motorů spalujících stechiometrickou směs.

Výhodnost je dokreslena obrázkem c, který uvádí průběhy spotřeby, emisí HC a neklidu chodu při různém sloľení směsi v závislosti na poloze jiskřiątě svíčky. Její mezielektrodová mezera je 1.2 mm. Při měření se svíčkou s vysunutím 15 mm byla v horní úvrati mezera mezi hlavou pístu a vnějąí elektrodou svíčky jen 1 mm.

Prodlouľením doby oblouku se zintenzivní zaľehnutí a hoření směsi tím, ľe se omezí zháąecí účinek stěn válce. Zároveň se zvýąí hmota aktivované směsi.

Pro udrľení oblouku je podstatné mnoľství nahromaděné energie a účinnost jejího přenosu z primárního do sekundárního obvodu zapalovací cívky.

Při hromadění energie v indukčnosti primárního vinutí zapalovací cívky, je její mnoľství do značné míry ovlivněno časovými průběhy primárního proudu I1 a samoindukovaného napětí U2 při přeruąení tohoto proudu. I kdyľ budou parametry ovlivňující zmíněné děje z časového hlediska optimalizovány, zůstává omezujícím faktorem počet výbojů, které musí zapalovací cívka vytvořit. Počet závisí nejen na otáčkách n motoru (v 1/min) a na počtu válců, ale i na způsobu rozdělování vysokého napětí ze sekundárního vinutí ke svíčkám. Existuje mechanické provedení s rotujícím vysokonapě»ovým rozdělovačem nebo bezkontaktní, pomocí elektronicky řízených spínačů. Tyto dodávají vn impulsy buď dvěma svíčkám současně nebo pouze jedné přísluąející válci kde má být směs zaľehnuta.

Mechanický rozdělovač

Rozděluje vn impulsy na jednotlivé zapalovací svíčky ve správném sledu a okamľiku. Na kaľdou otáčku jeho hřídele připadá tolik impulsů, kolik má motor válců.
Mají-li válce po dvou svíčkách, můľe být počet impulsů dvojnásobný.

Soustava s rozdělovačem je jednoduchá, ve větąině případů postačuje jedna cívka s kondenzátorem a přeruąovačem. Pokud je pouľito dvou svíček ve válci, pak je celá soustava zdvojena, i kdyľ rozdělovač můľe být konstrukčně spojen v jeden celek.

Spolehlivé rozdělování vn je zajiątěno jen v určitém rozsahu předstihu a s rostoucím počtem válců se zhorąuje. U ąestiválcových motorů s mechanickou regulací předstihu záľehu je moľno rozsah roząířit dostatečně, avąak u osmiválcových motorů je mnohdy pouľito dvou rozdělovačů kaľdý pro čtyři válce.

Součástmi rozdělovače jsou:

Víčko
z vysoce kvalitního izolačního materiálu, na němľ se v komínkovitých nástavcích nacházejí objímky pro přívod vn ze zapalovací cívky (uprostřed víčka) a pro odvod vn ke svíčkám jednotlivých válců.
Palec rozdělovače
jehoľ elektroda má třecí spojení s odpruľeným uhlíkem nasazeným v objímce ve víčku pro přívod vn ze zapalovací cívky.
Palec je upevněn na hřídeli rozdělovače, která je mechanicky spojena s vačkovou nebo klikovou hřídelí motoru. Při otáčení hřídele rozdělovače se elektroda palce pohybuje v nepatrné vzdálenosti (přibliľně 0.5 mm) od výstupků z objímek víčka pro odvod vn ke svíčkám. Přiblíľí-li se elektroda palce pevné elektrodě objímky víčka, můľe dojít k přenosu vn energie z cívky ke svíčce, která je spojena s touto elektrodou. Přenos se uskuteční výbojem na krátkou vzdálenost, čímľ vzniká silné vf ruąení a dochází k erozi elektrod.

Pro omezení těchto neľádoucích jevů je součástí palce odruąovací odpor zařazený mezi střední část jeho elektrod (která je ve styku s uhlíkem ve víčku) a mezi část pohybující se v blízkosti pevných elektrod víčka. Kromě toho bývají vn kabely spojující rozdělovač se svíčkami zakončeny koncovkami s odruąovacími odpory. Někdy jsou i samotné kabely vyrobeny s nekovovým vnitřním vodičem (ľilou) s velkým vlastním odporem. ®íla můľe být zhotovena např. z jádra tvořeného bavlněnou přízí napuątěnou roztokem sazí, které je opleteno bavlněnou nebo konopnou vloľkou. Vąe je izolováno polyvinylchloridovým plastem, případně jedno nebo dvouvrstvou pryľí. Jinou moľností můľe být vodič, jehoľ vnitřní jádro tvoří lněná nit na které je nanesena vrstva feroplastu.
Feroplast je tvořen 80 % práąkového feritu a 20 % polyvinylchloridu.
Povrch feroplastu je ovinut drátkem o průměru asi 0.1 mm z vodivé kovové slitiny. Vąe je opět izolováno plastem. Ruąení je pak stíněno jak feroplastem tak drátkovou spirálou.

Izolační víčko

z umělé hmoty, nebo plechové, oddělující prostor kde se rozděluje vn od přeruąovače nebo snímače polohy a otáček hřídele. Zabraňuje usazování prachu a zbytků uhlíku v prostoru přeruąovače a vlhkosti ve vn části.

Na obrázku je řez částí rozdělovače, ze kterého je zřejmé uspořádání výąe popsaných částí. Na obrázku pak příklady konstrukčního provedení několika z velkého počtu reálných variant.

Mechanické rozdělování vysokého napětí k zapalovacím svíčkám tedy omezuje dobu trvání oblouku u induktivního způsobu hromadění energie časovými konstantami v obvodu zapalovací cívky, takľe energie s otáčkami klesá. K tomu přistupují ztráty energie způsobené nezbytným omezováním vf ruąení pomocí odporů nebo odporových kabelů a dále jiskřením v mezeře vn částí rozdělovače. Podle měření fy Bosch činí ztráty v odruąovacích obvodech kolem 30 % energie nahromaděné v zapalovací cívce a kolem 15 % připadá na rozdělovač.

K těmto ztrátám přistupuje daląích 20 % vznikajících v zapalovací cívce provedené s tzv. otevřeným magnetickým obvodem. Princip takové cívky vyplývá z obrázku, na kterém je její konstrukční provedení v řezu. Magnetický obvod sestává z jádra 1 tvořeného sloupkem transformátorových plechů tvaru I tlouą»ky kolem 0.35 mm, které jsou vzájemně elektricky izolovány. Na jádře je navléknuta izolační trubka, na které je navinuto sekundární vinutí 2 zapalovací cívky (L2) a to z měděného drátu o průměru 0.06 - 0.08 mm s počtem závitů od 17 000 do 26 000. Jednotlivé vrstvy vinutí se izolují kondenzátorovým papírem. Na povrchu sekundárního vinutí je navinuto primární 3 z drátu o průměru 0.7 aľ 1 mm a s počtem závitů 150 aľ 350. Na povrchu je navinuto z důvodu lepąího odvodu ztrátového tepla.

Obě vinutí spolu s jádrem magnetického obvodu jsou uloľeny v nádobce 4 vylisované z hliníku nebo oceli. K uchycení ve dnu slouľí keramický izolátor 5, seshora je vinutí jiątěno víčkem zapalovací cívky 6 z izolující pryskyřice.

Vnějąí část magnetického obvodu 7 je tvořena několika závity izolovaného transformátorového plechu leľícími na stěně nádobky. Prostor mezi vinutími a vnitřními stěnami nádobky je vyplněn izolační náplní a to buď asfaltem s bodem tání kolem 150°C, nebo transformátorovým olejem. Olejová náplň je výhodnějąí jak z hlediska vyąąí elektrické pevnosti, tak pro lepąí odvod ztrátového tepla z vinutí cívky ke stěnám nádobky, takľe se cívka lépe chladí.

Otevřený magnetický obvod má sníľenou magnetickou vodivost, coľ se projevuje zmenąením indukčnosti ve vztahu k počtu závitů; takľe rozměry vinutí rostou. Také způsob vinutí vyplývající z konstrukce cívek tohoto typu není výhodný. Zejména parazitní kapacity sekundárního vinutí jsou velké a to sníľí rychlost nárůstu napětí pro průraz, případně i velikost samoindukovaného napětí při přeruąení proudu.

Z uvedených důvodů se roząířily zapalovací cívky s jádrem z transformátorových plechů tvaru EI, které mají magnetický obvod téměř uzavřen, pouze s malou vzduchovou mezerou. Na prostředním sloupku jádra E je umístěno vinutí cívky zalité v izolační hmotě, která vinutí současně impregnuje.

Sekundární vinutí bývá navinuto v sekcích, čímľ je dosahováno značně niľąích parazitních kapacit i vyąąí odolnosti proti průrazu. Menąí potřebný počet závitů sniľuje ztrátový odpor vinutí a dovoluje i zmenąit rozměry zapalovací cívky. Často natolik, ľe můľe být umístěna přímo ve víčku rozdělovače. Tím odpadá vn kabel mezi cívkou a palcem rozdělovače, coľ vede ke sníľení vf ruąení a odruąovací odpor v palci rozdělovače můľe být vypuątěn. Mnohdy bývá v rozdělovači umístěn i elektronický spínač zapalování, takľe celá sestava soupravy je velmi kompaktní.

Statické rozdělení vn

Rozvojem elektronických technologií je umoľněn rozvod vn ke svíčkám bez rotujícího mechanického rozdělovače. Pro bezrozdělovačové zapalování se pouľívá dvou způsobů rozdělení vn a to s dvoujiskrovými a jednojiskrovými cívkami.

U dvoujiskrových zapalovacích soustav jsou k jedné zapalovací cívce ovládané vlastním spínačem přiřazeny dva válce motoru. Sekundární vinutí cívky je odděleno od primárního a jak jeho začátek, tak jeho konec jsou vyvedeny na samostatnou koncovku. Ke kaľdé koncovce sekundárního vinutí je připojena zapalovací svíčka jiného válce motoru. Válce jsou zvoleny tak, aby byly současně v horní úvrati a to jeden v kompresním a druhý výfukovém zdvihu.

Vlivem ionizovaného plynu s tlakem blízkým atmosférickému je při výfukovém zdvihu podstatně niľąí přeskokové napětí neľ v kompresním. K tomu přispívá i to, ľe svíčka výfukového cyklu zapaluje o 5 aľ 10 mikrosekund dříve, takľe pro ni postačí napětí 500 - 1 000 V. Zbylé je k dispozici pro přeskok ve svíčce kompresního cyklu.

Při přeruąení primárního proudu bude na koncovkách vn napětí opačné polarity, coľ se projeví stejně jako chybné pólování zapalovací cívky. Při něm mohou vzniknout problémy se startováním nebo výpadky zapalování. Aby se tomu předeąlo, je ľádoucí dodrľovat předepsanou periodu výměny svíček.

Jistou nevýhodou je také nutnost pouľít obvyklých vn kabelů mezi koncovkami cívky a svíčkami válců se vąemi s tím souvisejícími problémy.
Moľnost vzniku svodů, elektromagnetické ruąení.
Musí být rovněľ zajiątěno, aby vlivem výboje ve výfukovém cyklu nedoąlo k zapálení zbytku paliva nebo nasáté směsi. Proto musí být poněkud omezen rozsah regulace předstihu záľehu.

Uvedené nedostatky odpadají u jednojiskrových cívek, které se obvykle umís»ují přímo na zapalovací svíčku kaľdého válce. Protoľe odpadají ztráty v rozdělovači i odruąovacích odporech, mohou být rozměry zapalovacích cívek velmi malé. Kaľdá cívka má vlastní spínač ovládaný v pořadí zapalování válců motoru.

U tohoto způsobu musí být provedeno opatření pro zabránění vzniku napě»ové ąpičky při zapnutí primárního proudu do cívky. Toto neľádoucí napětí transformací v sekundárním vinutí dosáhne výąky 1 aľ 2 kV s opačnou polaritou, neľ je vysoké napětí pro zapálení. Do obvodu se zařazují diody blokující zpětný proud a tím i vznik uvedeného napětí.

U dvoujiskrových cívek není takové opatření nutné díky vysokému přeskokovému napětí dvou zapalovacích svíček. Obdobně je tomu i u soustav s rozdělovačem, kde je spínací napětí účinně potlačeno elektrickou pevností vzduchové mezery mezi palcem a elektrodami víčka (palec je právě v mezipoloze).

Mimo výąe popsané přednosti statického rozdělování vn je jejich společnou výhodou deląí přípustná doba plnění cívky. Proti jedné zapalovací cívce u soustav s rozdělovačem je počet cívek větąí a tím je k dispozici i větąí doba mezi jednotlivými záľehy pro nahromadění energie i prodlouľení doby oblouku.

Kondenzátorové zapalování

Hromadí-li se energie v kondenzátoru je doba oblouku málo ovlivňována časovými konstantami v obvodech zapalovací cívky a téměř vůbec způsobem rozdělení vn. Také velikost vn je nezávislá na indukčnosti zapalovací cívky. Vliv kapacit v primárním obvodu (tj. Cn - nabíjecí kondenzátor) i v sekundárním (C2 - parazitní kapacity rozdělovače, vn kabelů a sekundárního vinutí) je menąí neľ u induktivního způsobu. Navíc se kapacity projeví pouze na velikosti sekundárního napětí U2. Velikost napětí je vąak na časových konstantách obvodů nezávislá, coľ znamená, ľe se se změnou otáček motoru prakticky nemění.

U prvních kapacitních zapalovacích souprav byla doba trvání oblouku kolem 0.1 aľ 0.2 ms, takľe mechanický rozdělovač vn neomezoval počet válců ani maximální otáčky.

Při spalování stechiometrické nebo mírně bohaté směsi krátká doba oblouku nevadila. Postačilo zvětąit mezielektrodové vzdálenosti svíček a tím kratąí dobu kompenzovat.

Těchto zapalovacích soustav se větąinou pouľívalo u motorů s velmi vysokým výkonem. Tyto motory při provozu na krátkých vzdálenostech zřídkakdy dosáhnou své nejvhodnějąí teploty, takľe není umoľněno samočistění povrchu izolátoru svíček.

Moderní motory vąak spalují spíąe ochuzené směsi (alespoň v přechodných reľimech), takľe je potřebné zvětąit zapálený objem směsi, aby nedoąlo ke zhasnutí jiľ zapálené části a tedy k poklesu výkonu motoru a zvýąení emisí ąkodlivin ve výfukových plynech.

Zvětąit zapálený objem směsi je moľno buď pouľitím větąí mezery mezi elektrodami zapalovací svíčky nebo prodlouľením doby oblouku, případně kombinací obého.

Zvětąení mezielektrodové vzdálenosti je spojeno s nutným zvýąením průrazného napětí a současně s potřebou vyąąí elektrické pevnosti izolátorů. Z těchto důvodů se přechází na výhradně statické rozdělování vn ke svíčkám, tedy bez mechanického rozdělovače.

Nejvhodnějąí jsou jednojiskrové cívky umístěné přímo na jednotlivých zapalovacích svíčkách. Protoľe u kapacitního zapalování je cívka pouze transformátorem, je počet jejích závitů menąí i při otevřeném magnetickém obvodu (není potřeba velké primární indukčnosti pro hromadění energie). Konstrukce takové cívky je tedy odliąná a její rozměry jsou menąí nebo» odpadá rozměrné ľelezové jádro. Sekundární vinutí je provedeno v sekcích, coľ přispívá ke zmenąení parazitní kapacity C2. Vypuątěním rozdělovače a vn kabelů se tato kapacita dále sníľí, coľ vede k růstu maximální hodnoty sekundárního napětí U2max i k jeho rychlejąímu nárůstu.

Prodlouľení doby oblouku je moľno provést pouze elektronickou cestou, tj. pouľitím vhodného obvodového řeąení. Elektronické obvody jsou dvojího typu: s prodlouľením délky induktivní části výboje a s vícenásobným výbojem.

Obvodu s prodlouľenou induktivní částí vyuľívají polovodičové diody zapojené paralelně k primárnímu vinutí zapalovací cívky. Při sepnutí tyristoru (spínače) pak protéká proud pouze primárním vinutím. Po dosaľení maximální hodnoty začne primární proud klesat a ve vinutí se vytvoří samoindukované napětí opačné polarity. Proud začne protékat přes diodu a energie nahromaděná v magnetickém poli cívky se přenese do sekundárního obvodu.

U obvodů s vícenásobnou jiskrou je polovodičová dioda zapojena paralelně k tyristoru, ale opačně pólovaná, takľe vede proud v opačném směru, neľ prochází tyristorem při vybíjení kondenzátoru. V obvodě dochází k tlumeným kmitům, které sice postupně zaniknou, ale amplituda několika následujících postačí k vytvoření průrazného napětí na svíčce a tedy dojde ke vzniku několika oblouků.

Oba děje jsou zřejmé ze zjednoduąených schémat.

Kaľdý z uvedených způsobů má své přednosti i nedostatky.

U obvodu s prodlouľenou indukční částí výboje je dosaľená délka závislá na velikosti energie nahromaděné v primárním vinutí. Je-li potřeba dosáhnout doby kolem 0.5 ms i více, nestačí jiľ pouhé připojení paralelní diody, ale musí přibýt daląí součásti a sloľitost obvodu roste. Je moľno např. pouľít dvou nabíjecích kondenzátorů s rozdílnou kapacitou nabíjených dvěma různými napětími (liąícími se o 20 aľ 50 %). Kondenzátory jsou odděleny diodou nebo daląí indukčností atd.

Pokud prodlouľení nepostačí, zvětąí se mezera mezi elektrodami ve svíčce. Nevýhodou je, ľe při vysokém zapalovacím napětí se musí zvětąit dielektrická pevnost izolátoru svíčky. Tedy buď zvětąit jeho rozměry nebo pouľít kvalitnějąího (a tím i draľąího) izolantu. Při vysokém zapalovacím napětí a deląím trvání oblouku rovněľ klesá ľivotnost svíček.

U vícejiskrového způsobu jsou energetické nároky podstatně niľąí, takľe dochází k menąímu opotřebení svíček. Průrazné napětí nemusí být vyąąí, takľe nároky na izolant svíčky jsou obdobné jako u induktivního způsobu. Vícejiskrové zapalování je navíc vhodné pro motory s přímým vstřikováním, protoľe nedochází k výpadku při dopadu vstříknutého paliva přímo na zapalovací svíčku.

Čím "chudąí" je spalovaná směs, tím větąí jsou nároky na frekvenci, trvání a intenzitu jednotlivých jisker. Časový interval mezi jednotlivými jiskrami nemůľe být přílią, pak by se následující jiskry vytvořily aľ za čelem plamene, ve "spotřebované" oblasti. Ke zlepąení účinnosti spalování dochází pouze nahodile, vlivem turbulence čerstvé náplně kolem zapalovací svíčky. Tento interval nemůľe být ani přílią krátký, protoľe oblouk působí jako zkrat pro energii daląího výboje.

Vhodným výběrem frekvence vícenásobných jisker jejich velikostí a také uspořádáním elektrod zapalovací svíčky se můľe přizpůsobit jádro oblouku a nasměrovat tak energii následného výboje do čela plamene, kde bude "elektricky katalyzovat" spalovací proces.

Vznícení směsi

Vznětové motory pouľívají jako paliva motorové nafty vstřikované do stlačeného vzduchu ve spalovacím prostoru válců motoru. Velkou kompresí vzroste teplota vzduchové náplně válce výąe, neľ je zápalná teplota motorové nafty (obvykle 330 aľ 360°C). Nafta se tedy po vstříknutí do válce ihned vznítí. Jestliľe ale bude motor přílią studený, nebo teplota vzduchu před stlačením přílią nízká, nemusí se kompresí zápalné teploty dosáhnout. Vstříknuté palivo se pak neodpaří a nevznítí.

Spouątění studeného vznětového motoru, případně takového motoru se zmenąenou kompresí vlivem zhorąení těsnění válce, není snadné (pokud je vůbec moľné). Proto bývají vznětové motory vybavovány soupravami pro předehřívání směsi. Teplotní hranice jejich působení je závislá na konstrukci motoru. Motory s děleným spalovacím prostorem (s vírovou komůrkou) pouľívají ľhavicích svíček, které jsou umístěny ve vedlejąím spalovacím prostoru (nepřímé vstřikování). Motory s neděleným spalovacím prostorem (s přímým vstřikem) pracují s předehříváním nasávaného vzduchu nebo s vysoce vznětlivým zvláątním palivem, které je vstřikováno do nasávacího potrubí.

U vznětovým motorů s vyąąím obsahem (pro uľitková vozidla) je někdy pouľíváno i předehřívání paliva před jeho vstupem do palivového filtru. Po spuątění motoru je nafta krátkodobě ohřívána ve výměníku tepla, který je v blízkosti palivového filtru, aby přívodní potrubí bylo co nejkratąí. Ohřátím se zabrání vylučování parafinu ve filtru.

®havící svíčky

K předehřívání směsi u vznětových motorů s nepřímým vstřikováním slouľí ľhavicí svíčky. Bývají umístěny ve spalovacím prostoru tak, aby vstřikované palivo nedopadalo bezprostředně na jejich rozehřátou část. Tam můľe přijít pouze malá část paliva, která se na horkém povrchu svíčky odpaří a vznítí se. Uvolňující se teplo přispívá k zahájení spalování.

V současné době se pouľívá téměř výhradně ľhavicích svíček s vyhřívaným kolíkem. Hlavní částí svíčky je vyhřívaná trubka, ve které je plynotěsně zalisována topná spirála. Je od kovové trubky elektricky izolována keramickou práąkovou náplní. Sestává ze dvou částí odporového drátu, jedna má kladný a druhá záporný teplotní součinitel měrného odporu. Část se záporným součinitelm se nachází ve ąpičce trubkového kolíku a slouľí jako topné tělísko. Na ní navazující část s kladným součinitelem působí jako regulační díl. Vhodnou kombinací obou dílů se dosáhne rychlého ohřátí svíčky na teplotu potřebnou ke spuątění motoru aniľ by doąlo k překročení přípustné teploty svíčky, není-li např. včas odpojena.

Teplo z topné spirály, vyhřívané elektrickým proudem, se přenáąí práąkovou náplní rovnoměrně na vyhřívanou trubku svíčky.

Tento typ svíčky můľe být pouľit i u motorů s neděleným spalovacím prostorem, za předpokladu, ľe vstřikované palivo zasáhne hrot svíčky jen velmi malou částí, podobně jako u děleného spalovacího prostoru s nepřímým vstřikem.

Dříve byly pouľívány i ľhavicí svíčky s odkrytou spirálou. Svíčka byla určena pouze pro motory s nepřímým vstřikováním a umís»ovala se v komůrce v určité vzdálenosti od hranice rozstřiku paliva. Jestliľe by se proud paliva dotknul ľhavicí spirály, doąlo by k lepąímu zapálení za cenu zkrácení ľivotnosti svíčky.

Předehřívání plnicího vzduchu

U vznětových motorů s přímým vstřikováním se vzduch přiváděný do válce předehřívá buď elektricky ľhaveným topným tělískem, nebo spalováním zvláątního paliva v sacím potrubí motoru.

Elektrické předehřívání

Provádí se zejména u menąích motorů nahřívacími svíčkami nebo topnými přírubami.

Topným tělískem nahřívací svíčky je spirála 1 z odporového drátu, která je nesena dříkem 2. Ten zároveň tvoří elektrickou izolaci jednoho vývodu spirály, druhý její vývod je spojen s tělesem svíčky 4. (Poloľka 3 je těsnění, 5 je přívod napětí baterie.) Svíčka se umís»uje na začátku vzduchového potrubí, v místě jeho rozvětvení k jednotlivým válcům. Spirála svíčky se během 40 aľ 50 s po připojení k baterii vozidla vyhřeje na 900 aľ 950°C.

Lepąího prohřátí plnicího vzduchu se dosáhne topnou přírubou. Umís»uje se rovněľ v místě rozdělení vzduchového potrubí a pouľívá se u motorů s větąím obsahem. (Označení poloľek je stejné jako u předchozího.)

Výąe uvedeným elektrickým předehříváním se teplota plnicího vzduchu zvýąí pouze o 20 aľ 30°C, coľ pro velmi nízké okolní teploty nepostačuje. Rovněľ tak pro výkonnějąí motory (s obsahem nad 5 000 ccm) se pouľívá účinnějąí metody; předehřívání plamenem.

Předehřívání palivem

K ohřevu vzduchu slouľí plamen pocházející od zapáleného paliva, např. motorové nafty nebo oleje s nízkou viskozitou. Palivo se přivádí přes elektrohydraulický ventil přítokem 2 a filtr 3 k dávkovači 1. Ten reguluje průtok paliva dle potřeb přísluąného motoru.

Palivo dále prochází válcovou dutinou mezi odpařovacím sítkem 7 a ľhavicím kolíkem 8. Na sítku se odpaří, smísí se s nasávaným vzduchem a zapálí, nebo» teplota kolíku dosahuje aľ 1 000°C. Odpařovací sítko má velkou plochu kvůli dobrému odpařování. Sítko je obklopeno krytem 9 s otvory pro průchod vzduchu. Kryt brání zhasnutí plamene při zvýąení rychlosti proudu vzduchu v sacím potrubí po nastartování motoru.

Jelikoľ se vzduch ohřívá teplem produkovaným plamenem, je elektrický příkon spirály ľhavicího kolíku malý. Slouľí pouze pro odpaření a zapálení paliva.

Předehřátý plnicí vzduch je rozváděn ke vąem válcům motoru. Souprava je v činnosti tak dlouho, dokud teplota chladící kapaliny nedosáhne stanovené hodnoty. Chod motoru je tak i při nízkých teplotách tichý a s minimem emisí. A to i v případě, ľe není ihned po startu plně zatíľen.

Řízení délky vyhřívání

Činnost systémů usnadňujících spuątění studeného vznětového motoru musí být řízena s přihlédnutím k daným provozním podmínkám. Motor nemůľe být startován bezprostředně po zapnutí spínací skříňky, ale je nutno vyčkat, aľ se ľhavicí svíčky zahřejí na potřebnou teplotu. Jejich předľhavení trvá aľ 10 s a připravenost ke startu se vhodným způsobem signalizuje.

Sestava takového systému pro řízení funkce ľhavicích svíček je na obrázku. Napětí potřebné k činnosti se přivádí z baterie 1 přes spínací skříňku 2 do řídící jednotky 3. Tato jednotka řídí dobu předľhavení svíček 4 podle okolní teploty. Po jejím uplynutí se rozsvítí signálka 5 a je moľno startovat. Během startu zůstávají ľhavicí svíčky pod napětím jehoľ velikost udrľuje řídící jednotka tak, aby teplota ve spalovacím prostoru neklesla pod hodnotu potřebnou k iniciaci spalování.

Po nastartování je po určitou dobu (závislou na teplotě) přiváděn proud ke ľhavicím svíčkám přes omezovací odpor. Tím se udrľuje teplota v komůrce spalovacího prostoru na takové výąi, aby nedocházelo k poklesu otáček motoru a jeho ąkubání.

Jestliľe ale nedojde k nastartování motoru, řídící jednotka odpojí asi po 25 sekundách celou soupravu, aby se svíčky zbytečně neľhavily a nevybíjela se baterie.

Průběh startování při předehřívání plnicího vzduchu plamenem je obdobný. Moľná sestava takové soustavy je uvedena na obrázku Napětí z baterie 1 je přiváděno k řídící jednotce 4 přes spínací skříňku 2. Proud zápalné svíčky 7 je omezován během jejího předehřevu odporovým drátem ve výkonovém relé 5. Předehřátí zápalné svíčky signalizuje kontrolka 6. Poté je moľno zapnout přívod paliva přes magnetický ventil 8. Současně se zapnutím přívodu paliva se zkratuje odpor ve výkonovém relé, takľe teplota ľhavicí části zápalné svíčky se zvýąí a palivo se zapálí. Protoľe soustava se uvádí do činnosti pouze při nízkých teplotách, je její spouątění odděleno od startování a je ovládáno vlastním spínačem 3.


Autodíly MJauto, náhradní díly Brno, Vančurova 5, Židenice tel: 548 533 193, 603 812 458

Alfa Romeo -Audi- Austin- BMW- Citroen- Daewoo- Daf- Daihatsu- Dodge- Ferrari- Fiat- Ford- Honda- Hyundai- Isuzu- Jaguar- Iveco- Jaguar- Jeep- Kia- Lancia- Land Rover- Lexus- Maserati- Mazda- Mercedes- Mini- Mitsubishi- Nissan- Opel- Peugeot- Porsche- Renault- Rover- Saab- Seat- Skoda- Smart- Skoda- Subaru- Suzuki- Toyota- Vauxhal- Volkswagen- Volvo.

Copyright© 1998 - 2012 Autodíly MJauto, všechna práva vyhrazena