Automobil

end-logo
Sdílejte:

RNDr. Bohumil Ferenc, 1999

 


 


 

 

Úvod

Zhruba do přelomu šedesátých a sedmdesátých let tohoto století
byl automobil většinou mechanickým systémem. Od té doby je
automobilový průmysl neustále konfrontován s novými požadavky na:

 

Ukázalo se, že tyto náročné problémy mohou být vyřešeny pouze
zavedením elektronických řídících funkcí, a tím zlepšení
výkonnosti systému. Tak je možno 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 možnosti elektronickému průmyslu, které jsou velice
významné vzhledem k velkosériové výrobě, běžné v automobilovém
průmyslu. Tak jak probíhal vývoj elektronických součástí a
technologií jejich montáže, tak se měnila i složitost
autoelektronických systémů a rozšiřovaly 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 přibližně
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 naší tabulce obsahuje tranzistor, 2 diody a
2 odpory, integrovaný obvod nízké integrace do 100 součástek,
střední do 1000 a velké integrace až 100 000 součástek.
Elektronický průmysl vyrábí i obvody velmi velké integrace s
ještě větším počtem součástek, které se však v autoelektronice
používají jen výjimečně. Především z cenových důvodů, ať pro cenu
vlastního obvodu nebo i pro nákladnost technologie jejich montáže
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 složitost neustále rostla v návaznosti na zpřísňování
předpisů o úrovni emisí škodlivin 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, jehož 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 většinou z uhlovodíků a k jeho spalování je
nezbytný kyslík, obvykle přiváděný s nasávaným vzduchem. Palivem
může být buď automobilový benzin, jehož směs se vzduchem se
zapálí zážehem, obvykle elektrickým výbojem přivedeným z vnějšího
zdroje, nebo motorová nafta, která se vznítí, když je vzduch
potřebný k jejímu zapálení stlačen natolik, že jeho teplota
dosáhne zápalné teploty paliva (nafty). Podle způsobu zapálení
tady dělíme motory na zážehové a vznětové.
Pro zajištění trvalého chodu motoru musí být zajištěno pohlcování
tepla pracovního media tak, aby mohl probíhat kruhový děj. Tedy
obnovení počátečních tepelných, tlakových a objemových podmínek.
Jestliže se pracovní medium při pohlcování tepla změní, např.
použitím části svých složek jako oxidačního prostředku, je jeho
návrat do výchozího stavu možný 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 krouživým 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 vzdušným kyslíkem na mechanickou práci se uskutečňuje
tlakem na horní plochu pístu. Výsledná síla, která při tom vzniká
se přenáší 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 přibližně pro motor:
vznětový
3 až 5 MPa a 550 až 700°C,
zážehový
1 až 1.6 MPa a 350 až 450°C.
3. takt, pracovní – expanze (III)
Ventily jsou uzavřené.
Spalování paliva začíná přibližně při poloze pístu v horní
úvrati. Spalováním stoupá teplota a tlak, dosahují se tyto
maximální hodnoty pro motor:
vznětový
6 až 10 MPa a 2000°C,
zážehový
4 až 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 ještě nezakrývá přepouštěcí a výfukové otvory,
čerstvá náplň vyplachuje využitou 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 rovněž přibližně podobných hodnot. Píst se
pohybuje dolů a jakmile uvolní výfukový otvor, spaliny odcházejí
do výfukové soustavy. Krátce nato se otevřou i přepouštěcí 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 slouží
k ovládání přepouštěcího 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
přepouštěcí otvor 2, vytlačuje čerstvá náplň spaliny z
válce. Válec se naplní čerstvou směsí.
Dmychadlo WIDTH=’426′ HEIGHT=’418′ ALIGN=RIGHT>
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 ještě
zůstaly ve válci. Aby byl stupeň vyplachování co nejvyšší, musí
být čerstvá náplň přiváděna do válce s určitým přetlakem, jehož
velikost závisí na druhu motoru. U vznětových motorů, které
potřebují více vzduchu, se k tomu používá
rotačního dmychadla,
které přivádí vzduch nasávaný do nasávacího prostoru
2 ze svého výtlačného prostoru 1 do přepouštěcího
otvoru válce.
U zážehových motorů se jako
vyplachovacího dmychadla využívá
spodní části pístu. Při
pohybu pístu do dolní úvrati se vzduch (nebo směs) nasávaný sacím
kanálem 8 stlačuje v klikové skříni, pokud se neotevře
přepouštěcí kanál otvorem 7. Plyn z klikové skříně pak
proudí do válce, kde vyplachuje zbytky výfukových plynů a po
uzavření přepouštěcího a výfukového otvoru je pístem stlačován.


Vyplachování pístem

Krouživý pohyb pístu

U těchto motorů je suvný klikový mechanismus nahrazen
výstředníkovým převodem uvnitř skříně motoru 2 a běžcem.
Ten vytváří pracovní objemy tím, že se pohybuje po
trochoidní dráze. Tímto běžcem je píst
motoru 1 a přeměna
tlakové energie na mechanickou práci se uskutečňuje na jeho třech
čelních plochách.
Wankel
Vzniklá síla je přenášena vnitřním ozubením pístu na malé ozubené
kolo 4, se kterým je v záběru. Kolo je pevně spojeno s
hřídelí 3 uloženou ve středu skříně 6.
Prostřednictvím dvou ozubených kol je vynucován odvalovací pohyb,
při kterém hrany pístu opisují uvnitř skříně zmíněnou oválnou, ve
středu lehce zúženou křivku.
Při otáčení pístu tak vznikají tři
proti sobě uzavřené pracovní prostory. Ty jsou vzájemně přesazeny
po 120 stupních a periodicky se zvětšují a zmenšují. 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
šipky 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 šipky.
3. takt, pracovní – expanze (III)
Píst odděluje stlačenou
náplň v prostoru 7, kde je zažehnuta, od sacího i
výfukového kanálu. Náplň po zažehnutí expanduje a vzniklá síla
působí na příslušnou stranu pístu. Tím jej pohání ve směru šipky.
4. takt, výfuk (IV)
Při dalším natočení pístu uvolní
přední hrana pracovní části výfukový kanál a píst vytlačuje
shořelou náplň z prostoru 8.

Obdobný proces ale probíhá i v dalších dvou pracovních
prostorách. Je to zřejmé z výše uvedeného obrázku. Při nasávání
čerstvé náplně do prostoru 2 probíhá v prostoru natočeném o
120° ve směru šipky stlačování náplně, která byla před tím
nasávána. V prostoru natočeném o dalších 120° (celkem
240°) pak expanze zažehnuté náplně, která se nachází v
tomto třetím prostoru.
Jednotlivé
fáze pracovního oběhu jsou označeny
následovně:

 

Je zřejmé, že 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 náležející 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 větší než
vratná práce z 2 do 1, čímž vzniká plocha, která
odpovídá dosažitelné práci.
Pro srovnání pracovních oběhů z hlediska jejich hospodárnosti se
používá tzv. porovnávacích oběhů, což jsou myšlené kruhové děje,
podle kterých by pracoval ideální stroj. Pro zážehový motor se
jako porovnávací volí oběh s přívodem tepla při stálém objemu a
pro vznětový motor oběh smíšený. 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 zažehnuté uměle, především 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, což 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. Užitečná práce
motoru je tedy dána rozdílem ploch pod zmíněnými křivkami.
V pravé části je smíšený porovnávací oběh. V části
1 až 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) rozpráší do
žhavého vzduchu a samo se v něm vzněcuje. Část paliva shoří naráz
při stálém objemu (přímka 2 do 3, přičemž se přenese
teplo Qpv a tlak se zvýší z
p2 na p3. Zbytek spalování
probíhá při konstantním tlaku (přímka 3 do 4) a
přenáší 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,
že termodynamická účinnost vznětového motoru je lepší.
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 požadavků. Splnění některých z
nich je odvislé od mechanické konstrukce motoru. U jiných to
závisí na dokonalosti procesu, kterým je příslušná část
pracovního oběhu realizována. Ty lze shrnout do následujících
bodů.

 

Protože u skutečného motoru není splnění těchto požadavků
dokonalé, bude průběh skutečného pracovního oběhu odlišný 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
zážehového motoru spolu s porovnávacím diagramem s přívodem tepla
při stálém objemu. V obrázku jsou patrny následující odlišnosti
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 totiž
    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 snižuje mechanickou účinnost motoru.
  2. Následkem přívodu, resp. odvodu tepla je průběh křivky
    stlačování z počátku strmější, potom plošší, než by odpovídalo
    adiabatickému ději.
  3. Protože není možné okamžité shoření stlačené směsi, je
    místo svislice 2 až 3 šikmá křivka a u bodu 3 je
    oblouk místo špičky.
  4. Expanzní křivka je následkem odvodu tepla strmější než při
    adiabatickém ději.

Indikátorové diagramy čtyřtaktních a dvoutaktních motorů jsou
rozdílné, což vyplývá z rozdílů v jejich
činnostech. Podobně jsou rozdíly mezi diagramy
zážehových a vznětových motorů, vzhledem k dříve popsaným
rozdílným způsobům přívodu tepla.
V částech a až d jsou uvedeny jednotlivé druhy
indikátorových diagramů pro obvyklé typy automobilových motorů.
Průběhy jsou doplněny některými údaji, uvádějícími informace jako
je teplota stlačení, nebo zažehnutí směsi, teplota výfukových
plynů a nasávaného vzduchu. Dále jsou to údaje o předstihu
zapálení směsi nebo vstřiku paliva a předstihu výfukovém, které
jsou důležité proto, aby se nezmenšovala plocha diagramu
charakterizující užitečnou práci motoru.
Spalování nenastává bezprostředně v okamžiku zapálení směsi,
respektive začátku vstřikování paliva, ale až za
krátký čas. Začátkem spalování začne
prudce stoupat tlak, vzhledem
k jeho průběhu bez spalování. Časový interval mezi okamžikem
zapálení, resp. vstřiku a začátkem spalování se nazývá zpožděním
zážehu, či vznícení. V průběhu tohoto času se palivo připravuje
na spalování.
Průběh spalovacího tlaku
V okamžiku zápalu je spalovací prostor zážehového motoru vyplněn
předem připravenou směsí paliva a vzduchu. Směs se následkem
stlačování ohřívá a odpařuje, takže během zpoždění zážehu
probíhají v palivu už jen přípravné chemické reakce. Palivo
používané v těchto motorech má mít velké zpoždění zážehu (12a),
aby nedošlo k jeho předčasnému samozápalu a tím k detonačnímu
spalování.
Ve spalovacím prostoru vznětového motoru se palivo během zpoždění
zážehu ohřívá, částečně odpařuje a probíhají v něm přípravné
chemické reakce. U těchto motorů je žádoucí malé zpoždění
vznícení (12b). Palivo má totiž shořet ihned po vstupu do válce,
aby se dal v průběhu vstřikování ovlivnit spalovací tlak
dávkováním množství paliva. Kdyby bylo zpoždění vznícení velké,
vznítilo by se všechno vstříknuté palivo naráz, při prudkém
nárůstu tlaku.
Výfukový předstih spočívá u čtyřtaktních motorů v dřívějším
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 menší množství
využité náplně. Výměna náplně je tak mnohem lepší, i když za cenu
malého snížení užitečné práce.
U dvoutaktních motorů začíná výfuk spálené směsi okamžikem
otevření výfukového otvoru (bod A v části b a d).
Přívod čerstvé náplně do spalovacího prostoru začíná po otevření
přepouštěcího otvoru (bod B). Protože píst se pohybuje k dolní
úvrati, vytváří zvýšení tlaku čerstvé náplně v klikové skříni a
ta vyplachuje shořelé zbytky.
Diagramy různých motorů
Při pracovním tlaku je již čerstvá náplň přes přepouštěcí otvor
nasávána, až do jeho uzavření. Výfuk zbytků shořelé náplně pak
pokračuje do uzavření výfukového otvoru, avšak již tlakem od
pístu při jeho posuvu k HÚ. Z toho je zřejmé, výfukový předstih u
dvoutaktních motorů je doba mezi otevřením výfukového a otevřením
přepouštěcího otvoru (viz položka 3).

Realizace pracovního oběhu

Každý pracovní oběh spalovacího motoru popsaných typů začíná
stlačováním čerstvé náplně. Náplní může být buď směs paliva se
vzduchem, jak je tomu u zážehových motorů, nebo čistý vzduch, do
kterého se palivo po náležitém stlačení vstřikuje. Druhý případ
je příznačný především pro vznětové motory. Avšak vstřikování
paliva do spalovacího prostoru zaplněného vzduchem, který byl již
zčásti stlačen, se používá i u zážehových motorů. Vstřik paliva
pak proběhne vždy před zápalem, protože palivo musí nejdříve
vytvořit se vzduchem zapálitelnou směs.

Způsoby tvorby směsi

Chod motoru je závislý na celé řadě parametrů, které můžeme
nastavovat a nebo přímo za chodu měnit.
Jedním z hlavních je
množství paliva, které se během
pracovního oběhu ve válcích motoru spálí. Objem válců stanoví
spolu s plnicím tlakem nasávaného vzduchu jeho hmotnostní
množství, které
bude ve válcích před začátkem stlačování. Do tohoto množství
vzduchu je palivo buď přimíseno před stlačováním náplně, nebo se
vstřikuje na závěr jejího stlačování.
Aby se
palivo co nejdokonaleji spálilo, musí být dodržen vhodný poměr
mezi množstvím vzduchu a paliva
v okamžiku, kdy se tato směs zažehne nebo vznítí a začne
její přeměna v teplo. Pro dosažení požadovaného chodu motoru
se do jeho válců musí přivést odpovídající množství
paliva. Regulace může být prováděna dvěma
způsoby:

 

  1. Množství čerstvé náplně je stálé, ale podíl paliva se mění,
    při menším zatížení se jeho množství snižuje. Protože přebytek
    vzduchu tím roste, zvyšuje se výhodně termodynamická účinnost
    motoru.
  2. Poměr mezi množstvím paliva a množstvím vzduchu je stálý a
    mění se hmotnost čerstvé náplně změnou
    plnicího tlaku válců.

Častým případem bývá i kombinace obou způsobů, tj. mění se jak
množství čerstvé náplně, tak její složení, čili poměr paliva a
vzduchu.

Čtyřtaktní zážehové motory

U nich se používá ponejvíce druhého
způsobu, nebo v případě motorů pracujících s přebytkem vzduchu, i
kombinace obou.
Aby byla směs zážehových motorů dobře zápalná, měla by být
homogenní. Proto se musí všechno palivo potřebné k vytvoření
takové směsi odpařit.
Pokud nemůže k úplnému odpaření paliva
dojít, např. vzhledem k nízkým teplotám u studeného motoru, musí
se množství paliva zvýšit, aby odpařený podíl postačil k
vytvoření zápalné směsi.
Množství směsi ve válci před jejím zažehnutím je řízeno
otevíráním nebo uzavíráním škrticí klapky umístěné v potrubí,
kterým do motoru proudí nasávaný vzduch. Množství, přesněji
hmotnost nasávaného vzduchu, je potřebné vhodným způsobem měřit.
Dle jeho hodnoty je pak určeno množství paliva přidávaného do
nasávaného nebo stlačovaného vzduchu.
Palivo se do vzduchu přimísí buď pro všechny válce motoru
společně, nebo pro každý válec samostatně. Při společné tvorbě
směsi se palivo přidává mezi škrticí 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 každého válce.


Tvorba směsi má probíhat tak, aby rozdíly jejího složení byly
mezi jednotlivými válci co nejmenší.}
Rozdíly jsou závislé zejména
na otáčkách a zatížení motoru. Jak je patrno z
obrázku, převzatého
z příručky fy Bosch, je přesnost splnění tohoto požadavku u výše
uvedených způsobů tvorby směsi značně rozdílná. U společné tvorby
směsi (levý obrázek) jsou rozdíly nejmenší v oblasti malého
zatížení motoru. Protože škrticí klapka je téměř uzavřena,
dochází se snižováním zatížení k poklesu tlaku v sacím potrubí,
což se projeví příznivě v účasti na odpařování paliva, takže
nerovnoměrnost rozdělení nasávané směsi a tedy plnění
jednotlivých válců bude zanedbatelná. Při rostoucím zatížení
motoru roste i tlak v sacím potrubí, a také nerovnoměrnost
rozdělení směsi.
Rozptyl složení směsi
Při individuální tvorbě směsi, téměř výhradně vstřikováním paliva
do vzduchu, je rozptyl množství mezi válci nejnepříznivější při
malých zatíženích motoru (pravý obrázek). Protože je zde
rozdělení vzduchu k jednotlivým válcům nerovnoměrné, vznikají na
válcích větší rozdíly v poměru vzduch/palivo. S rostoucím
zatížením motoru je i rozdělení vzduchu rovnoměrnější a tím i
rozptyl složení směsi nižší.

Vznětové motory

U vznětových motorů se používá prvního z uvedených způsobů, tj.
regulace změnou množství paliva. Palivo se vstřikuje do
jednotlivých válců krátce před koncem kompresního zdvihu, v
okamžiku vhodném pro jeho vznícení. Průběh následného spalování,
jakož i využití nasátého spalovacího vzduchu, a tím i dosažený
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. Protože 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 nevyužívají.
Pracovní oběh čtyřtaktního
vznětového motoru je obdobný oběhu motoru zážehového. Při pohybu
pístu k dolní úvrati je do válce nasáván vzduch. Protože výkon
motoru je řízen změnou podílu paliva v pracovní směsi, je
množství nasávaného vzduchu omezováno pouze objemem válce a
ztrátami proudění v sacím potrubí.
Během dalšího 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
zážehového motoru,
se před vznícením paliva nesmí ve válci vytvořit homogenní směs.
Došlo by k jejímu okamžitému vzplanutí a v celém spalovacím
prostoru by vznikly nepřípustné tlaky.
V bodě vstřiku je palivo vstříknuto velkou rychlostí do
spalovacího prostoru, jemně se rozpráší ve stlačeném vzduchu a
vytvoří heterogenní (nerovnoměrnou) směs. V blízkosti vstřikového
paprsku paliva je nedostatek kyslíku, ve větší vzdálenosti od
paprsku je kyslíku přebytek. Náplň ve válci je ale v průměru s
přebytkem kyslíku.
Při dobrém rozprášení 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 vnější vrstvy proběhne velmi rychle.
Při velké povrchové ploše všech 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 vnější obal kapiček shoří, jejich vnitřní teplota
stoupá. Vysoká teplota a velký tlak při nedostatku kyslíku
podporují štěpení 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 již
vznikly zlomky molekul a spalování probíhá pomaleji. Tím se velká
počáteční rychlost hoření ke konci spalování zpomaluje. Krakování
může pokročit tak dalece, že na konci zůstává už jen velmi málo
reakce schopného aktivního uhlíku. Jestliže se nepodaří
dostat uhlík dostatečně do styku s kyslíkem, obvykle silným
prouděním vzduchu, už neshoří a ve formě sazí zabarví výfukové
plyny do tmava.
Průběh uvolnění tepla při spalování je závislý na okamžiku
zahájení vstřikování paliva a na průběh jeho vstřikovacího tlaku.
Lze jej vyjádřit graficky jako závislost množství 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 již 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 sníží a vzniká nebezpečí tvoření
sazí. Podstatně příznivější je průběh 2. Spalování začíná
pomalu, ale zvyšuje svoji rychlost tak, že přes stejné celkové
množství tepla jako při průběhu 1, spalování dříve skončí.
Tvorba směsi u automobilových vznětových motorů probíhá většinou
tak, že více či méně rozprášené palivo se vstříkne do vzduchu ve
spalovacím prostoru. Palivo se vstřikuje tak, aby se před
spalováním, nebo během něj, podle možnosti rozdělilo do celkového
objemu vzduchu. To se provádí dvěma způsoby:

 

 

 

Jak v komůrce, tak ve spalovacím prostoru jsou vysoké teploty,
které zkracují zpoždění 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 krouživého pohybu vhodně
uspořádaným sacím kanálem. Sací kanály musí být tvarovány tak,
aby již při nízkých otáčkách motoru vznikal silný vzdušný vír.
To může vést ke zhoršení plnění válců při vysokých
otáčkách.
Protože zpoždění vznícení musí být malé, je motor s tímto druhem
vstřikování citlivý na vlastnosti paliva. Naproti tomu se spouští
bez přídavného zařízení při teplotách do -15°C. Při nižších
teplotách se normálního spalování dosahuje jen dlouhým
spouštěním, přičemž 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, protože při tomto
tepelném režimu jsou kapičky ještě menší.
Nepřímé vstřikování
U nepřímého vstřikování se palivo vstřikuje do
komůrky 3, ve které je vysoká teplota, takže zpoždění
vznícení je krátké i při velmi rozdílném složení směsi. Vznícená
směs prochází průchodem 4 do hlavního spalovacího prostoru. Motor
není citlivý na kvalitu paliva a jeho chod je tišší, než při
přímém vstřikování. Je to dáno i tím, že nárůst tlaku a jeho
maximální hodnota jsou nízké, protože spalování má v důsledku
krakování měkký průběh.
Plnění válců je lepší i při širokém rozmezí otáček, protože se
při vstupu do válce nemusí vytvářet vír vzduchu.
Vstřikovací tlak je nižší než u přímého vstřikování, takže
vstřikovací čerpadlo a trysky jsou méně namáhané.
Naproti tomu má nepřímé vstřikování vyšší měrnou spotřebu paliva,
protože při proudění náplně do komůrky vznikají velké ztráty
prouděním a následkem většího povrchu spalovacího prostoru jsou
tepelné ztráty při spalování značné. Pro spouštění motoru při
nižších teplotách je potřebné pomocné zařízení – žhavicí svíčka.

Kombinace způsobů regulace výkonu

Kombinace obou způsobů regulace výkonu se používá zejména u dvoutaktních
motorů, čtyřtaktních zážehových 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, jejíž objem se mění, zpravidla bývá nasávaný vzduch. Do něj se
vstřikuje vhodné množství paliva, buď během během kompresního
zdvihu, ale v některých případech i během sání.
Vhodným návrhem lze spojit přednosti obou způsobů regulace a tak
dosáhnout vyšší termodynamické účinnosti, než při jejich
individuálním použití.
Zhoršení termodynamické účinnosti je u zážehových motorů
způsobováno především neúplným spálením paliva. Tím se energie,
která je v něm chemicky vázaná, nemůže zcela přeměnit v
mechanickou práci. Navíc zbytky nespáleného paliva odcházejí ve
výfukových plynech jako škodlivé emise uhlovodíků.
K těmto ztrátám paliva dochází zejména u studeného motoru. Ztráty
jsou tím větší, čím je delší 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 nezvýší natolik, aby se znovu odpařilo. Kondenzát
ale může být za určitých podmínek rovněž strháván proudem
nasávaného vzduchu. Nestačí se však znovu odpařit a smísit se
vzduchem, takže neshoří.
Výrazného snížení těchto ztrát paliva se dosáhne jeho přímým
vstřikováním do spalovacího prostoru. Tím se vylučuje nestálý
kondenzát a dávkování paliva pro požadované složení směsi může
být mnohem přesněji řízeno. Protože je doba potřebná pro odpaření
paliva a vytvoření zapálitelné směsi kratší než při vstřikování
do sacího kanálu, musí být kapičky vstřikovaného paliva mnohem
menší. Rozprašování kapiček ve spalovacím prostoru může být
zvýšeno vírem nasávaného vzduchu. Tím se dosáhne určité
homogenizace směsi a zlepšení jejího spalování.
Zlepšení homogenizace směsi se také dosáhne časným vstřikováním
paliva, někdy i při otevřeném sacím ventilu. Homogenní směs se
snáze zapálí a obvykle shoří s nejmenším obsahem nežádoucích
zplodin hoření ve výfukových plynech. Při časném vstřikování ale
roste nebezpečí detonačního hoření při provozu motoru s vyšším
zatížením, což je způsobeno samozápaly stlačované směsi.
Zmíněná potíž odpadá při opožděném vstřikování paliva do
stlačované směsi. Při něm dochází k vrstvení směsi tak, že tato
je rozložena ve vrstvách s různým poměrem vzduchu a paliva. Je
třeba řídit okamžik zapálení směsi výbojem v zapalovací svíčce i
pohyb směsi ve válci. Vše musí proběhnout tak, aby v okamžiku výboje
byla v okolí elektrod svíčky směs co nejlépe zápalná. V ostatním
prostoru bude směs s větším přebytkem vzduchu. Taková směs má ale
prodlouženou fázi vznícení, což ovlivňuje nežádoucím způsobem
průběh přeměny energie. Zlepšení poměrů se dosáhne zrychlením
pohybu směsi, tzv. překlápěním, při kterém se hořící jádro s
dostatečnou tepelnou energií dostává včas tam, kde je větší
přebytek vzduchu, takže se zapálí i ostatní palivo a shoří.
Reguluje-li se výkon motoru množstvím čerstvé náplně, musí v něm
být ovládán i poměr paliva a vzduchu. Zároveň je potřeba i
dosáhnout zvýšeného pohybu náplně ve válci. Používá se víření,
překlápění případně kombinace obojího.
Rozdíly v šíření 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.
šíření náplně
Takto vybavené motory pracují převážně s větším či menším
přebytkem vzduchu, přičemž se jeho poměr k palivu mění množstvím
paliva v závislosti na požadovaném výkonu motoru. Množství
vzduchu v
čerstvé náplni je řízeno jen jako doplňující činitel v některých
oblastech chodu motoru. Takové motory mají tím vyšší
termodynamickou účinnost, čím vyšší je množství vzduchu v
spalované směsi. Předpokladem ale je takový výkon motoru, jaký je
v daných podmínkách postačující, a to bez vynechávání spalování
směsi.
Jiný přístup vyžadují dnes ponejvíce používané zážehové motory
spalujících tzv. stechiometrickou směs, ve které není ani
přebytek vzduchu, ani přebytek paliva. Takové složení je potřebné
pro dosažení optimální účinnosti systému úpravy výfukových plynů
katalyzátory. Proto je dávkování paliva řízeno tak, aby bylo v
rovnováze s množstvím vzduchu nasátého do válce.
Množství nasávaného vzduchu je ale závislé na zatížení motoru, takže
musí být podle něj řízeno. Často používaný způsob změnou průřezu
sacího potrubí škrticí klapkou není příliš vhodný, protože
zvyšuje ztráty vlivem aerodynamického odporu v potrubí. Proto se
rozšiřuje použití regulace množství nasávaného vzduchu jinými
způsoby, které jsou prosty tohoto nedostatku.
U čtyřtaktních motorů je to proměnné časování ventilů, zejména
je-li použito více než jednoho sacího. Regulace časování ventilů
bývá doplňována zpětným vedením (recirkulací)
určitého množství výfukových plynů do sacího potrubí. Tyto plyny
jsou v podstatě inertní, neobsahují kyslík, takže nemění složení
směsi paliva s nasátým vzduchem. Pouze doplňují množství plynu ve
válci. Přívod výfukových plynů i jejich pohyb ve válci, stejně
jako je tomu u nasávaného vzduchu, musí být řízen, aby nebylo
narušeno shoření paliva a tak snížena termodynamická účinnost
motoru a zhoršeny emise uhlovodíků ve výfukových plynech.
Zcela jiný přístup tvorby směsi je u nových dvoutaktních
zážehových motorů. Je to dáno rozdílností
v jejich konstrukci i
principu činnosti proti čtyřtaktním motorům.
Dvoutaktní motory využívají 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
zažehnuta. Po zažehnutí 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 další cyklus. Na
rozdíl od čtyřtaktního motoru, kde je k řízení dodávky čerstvé
náplně do válce a odvodu spalin z něj použito sacího a výfukového
ventilu (u motorů s přímočarým pohybem pístu), používá se k
tomuto u dvoutaktních motorů výše 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. Další otvory ve stěnách válce jsou přepouštěcí a spojují
komoru nad pístem s komorou pod ním. Jakmile se při dalším 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
všech otvorů ve válci musí být takové, aby vyplachovací proud byl
veden v blízkosti stěny válce, protože 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 nejkratší cestou do výfuku.
Pokud by se jako čerstvé náplně, která je nasávána do klikové
skříně, použilo přímo směsi paliva se vzduchem, dojde při
vyplachování nevyhnutelně k určitému úniku čerstvé náplně bez
spálení do výfukového systému. To jednak snižuje termodynamickou
účinnost motoru a dále zvyšuje emise nespálených uhlovodíků ve
výfukových plynech.
Tento problém řeší spalovací pochod vyvinutý australskou
společností Orbital Engine. V něm je použito k vyplachování
vzduchu, ve kterém není obsaženo 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 použito regulace škrticí
klapkou, a to i proto, že je žádoucí, aby vyplachování bylo co
nejúčinnější a tedy aerodynamický odpor kanálu sání byl co
nejmenší.
Výkon motoru se reguluje jak složením palivové směsi, tj. poměrem
paliva ke vzduchu, tak i množstvím této směsi. Směs se vytváří
tak, že 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 požadovaném výkonu motoru a na jeho
zatížení. Informace o zatížení se získá z tlaku nasávaného
vzduchu stlačovaného pístem v klikové skříni, požadovaný výkon z
polohy ovladače plynu. Palivo se vstřikuje do proudícího vzduchu,
jehož tlak se mění během každého cyklu motoru podle jeho
rychlosti (otáček) a zatížení. Společná tryska, umístěná ve
spodní části spalovací komory, vytváří dynamickou tlakovou vlnu,
který rozpráší tekuté palivo, vstupující do spalovací komory, na
velmi malé kapičky. Drobné kapičky se velmi snadno odpaří a tak
je zajištěno 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 větší vzdálenosti od
trysky je směs postupně chudší, protože všechno 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
dosažení optimálního spalování je v každém bodě zátěže a
rychlosti motoru nastavován počátek vstřikování vzduchu. Časování
zapálení směsi je pak polohováno vzhledem k němu tak, aby k
přeskoku jiskry v zapalovací svíčce došlo, když je u ní vytvořen
dobře zapálitelný poměr paliva ke vzduchu. Okamžik zastavení
vstřikování vzduchu je kalibrován na optimální účinnost spalovací
soustavy.
Vzhledem ke přímému vstřikování paliva do spalovacího prostoru,
nemůže být použito způsobu mazání motoru obvyklého u dvoutaktních
motorů dřívějšího provedení. Při něm se mazací olej přimísil do
paliva, které pak vytvářelo směs s nasávaným vzduchem. Tato směs
pak procházela celým motorem, protože byla nasávána do jeho
klikové skříně. U nového způsobu se využívá vstřikování olejové
mlhy do nasávaného čistého vzduchu sloužícího k vyplachování
motoru. Olej je vstřikován do sacího vzduchového kanálu, aniž je
mísen s palivem. Protože předběžné smísení oleje s palivem
odpadá, může být uchováván v nádržce, ze které je čerpán
samostatným čerpadlem. To řídí jeho odebírané množství podle
stejných parametrů, podle kterých je řízeno množství paliva.
Nasávaný proud vyplachovacího vzduchu, spolu s olejovou mlhou
prochází klikovou skříní, maže ji i ojniční ložiska a stěny
válce. Pak přichází do spalovacího prostoru, kde shoří.
U vznětových motorů je výkon regulován změnou množství paliva
vstřikovaného do množství vzduchu stlačeného ve válci při
kompresním zdvihu pístu. Množství 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 množství paliva
vstřikovaného do všech válců stejné, je výkon každého válce
závislý na velikosti těchto ztrát.
Rozdíly jsou
největší při
malých zatíženích motoru a jeho nízkých otáčkách, kdy je
rozdělení vzduchu k jednotlivým válcům nejnerovnoměrnější. S
rostoucím zatížením motoru se nerovnoměrnost rozdělení vzduchu
snižuje a tím klesá i rozdíl v kvalitě směsi jednotlivých válců.
Tato situace je nejčastější u vznětových motorů s nepřímým
vstřikováním paliva, které většinou používají vstřikovacích
čerpadel, ať řadových nebo rotačních s rozdělovačem. U obou typů
je množství vstřikovaného paliva i začátek jeho vstřiku regulován
pro všechny válce společně. Proto je u motorů některých výrobců
(např. Toyota) použito přídavné regulace množství vzduchu, kterou
se vyrovnávají rozdíly ve výkonu jednotlivých válců způsobené
rozptylem složení směsi. Tato regulace musí být dostatečně
rychlá, aby kompenzovala rychle probíhající změny množství
dopravovaného vzduchu.
Obvykle je to prováděno klapkami A v sacím potrubí ovládanými
elektropneumatickými ventily B.
Systém je ve funkci
pouze ve volnoběžné 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 žádoucí, aby palivo co nejdokonaleji shořelo. Za
předpokladu, že tvorba směsi proběhla v daných podmínkách
optimálně, je nutné zabezpečit její zažehnutí 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 složení musí být v
    hranicích zápalnosti.
  2. Alespoň v jednom místě musí být dosažena 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
    vyšší než tepelná energie produkovaná hořícím objemem. Teplota
    tedy klesá a po poklesu pod bod hoření plamen zhasne.

Množství vzduchu ve směsi potřebné k úplnému spálení paliva bylo
stanoveno výpočtem a činí 14.7 kg vzduchu na 1 kg paliva. Směs
takového složení se nazývá stechiometrická; neobsahuje ani
přebytek paliva, ani přebytek kyslíku.
Složení směsi je charakterizováno vzduchovým číslem lambda
dané poměrem přivedeného množství vzduchu k teoretické potřebě.
Pro stechiometrickou směs tedy bude lambda = 1.0. Bude-li směs
obsahovat více vzduchu než 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.
Zážehové motory používají 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 rozšiřují
zážehové motory pracující s velmi chudými směsmi, u kterých se
lambda blíží až 2.7. Většinou využívají vrstvení směsi spolu
s řízením jejího pohybu ve válci.
Zážehové zapalování vyžaduje cizí zdroj energie, který dodá
potřebné teplo a teplotu. Tato energie se přivádí do směsi
elektrickou jiskrou vznikající přeskokem napětí mezi elektrodami
zapalovací svíčky. Svíčka je vhodně umístěna ve spalovacím
prostoru, kde je směs stlačována.
Jiskra mezi elektrodami může přeskočit pouze tehdy, je-li na ně
přivedeno dostatečně vysoké napětí. Napětí se tedy z nuly rychle
zvýší na průrazné
a po přeskoku jiskry klesne na napětí oblouku. Během trvání
oblouku mezi elektrodami zapalovací svíčky má směs příležitost
vzplanout.
Průrazné napětí směsi je závislé na vzdálenosti
elektrod svíčky, kompresním tlaku ve válci při stlačení směsi a
na jejím složení i teplotě.
Orientačně můžeme velikost tohoto napětí vypočítat z Paschenova
vzorce, který je obvykle uváděn ve tvaru:
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 nemůže být jednoduše transformováno na vyšší
hodnotu. Proto se provádí jeho přeměna v zapalovací soustavě.
Rozeznáváme dva druhy zapalování, induktivní a kapacitní.

Induktivní zapalování

Zapalování využívá samoindukce. Při průtoku elektrického proudu
vinutím cívky vzniká v jejím jádře magnetické pole, které
akumuluje určitou energii. Množství energie závisí na velikosti
proudu a indukčnosti cívky (kterou zvyšujeme železovým jádrem).
Při změně velikosti proudu vytváří magnetická energie napětí,
které se snaží 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 až do vyčerpání
magnetické energie udržuje původní proud.
Jestliže 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 rovněž magnetické
pole.
Děj se tedy periodicky opakuje a protože vlivem ztrát v
obvodu klesá velikost samoindukovaného napětí, po určité době
zanikne. Obnoven může být dalším sepnutím a rozepnutím spínače
proudu z baterie.
Z uvedeného je zřejmé, že takový obvod je schopen vytvářet
tlumené střídavé kmity. Kmitočet fo
netlumených kmitů (s konstantní
amplitudou) je dán následujícím vzorcem,
kmitočet tlumených kmitů je o něco nižší.
fo = 1 / [2 * pi * odmoc(L * C)].

 

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

Průběh primárního napětí WIDTH=’691′ HEIGHT=’546′>
Výše popsaný děj je patrný z obrázku,
ve kterém je a
průběh prvního nabíjení kondenzátoru po rozepnutí spínače v
okamžiku to,
b průběh jeho prvního vybíjení, c a
e průběhy dalších 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 okamžiku rozepnutí spínače. Pro toto
napětí platí přibližný vztah
Uems = Ito *
odmoc(L / C).

 

Ito
proud protékající vinutím v okamžiku
bezprostředně před rozepnutím spínače

Vzhledem k technickým možnostem realizace dílů zapalovací
soupravy a zdroje elektrické energie v automobilu, nebude
samoidukované napětí k vytvoření jiskry postačovat. Protože jde
ale již o střídavé napětí, může být transformováno na potřebnou
hodnotu. Jako transformátor slouží zapalovací cívka. Skládá se z
primárního vinutí L1 a sekundárního
L2.
Na primárním vinutí
se vytvoří samoindukované napětí U1
a to je transformováno
nahoru v poměru rovném podílu počtu závitů sekundárního a
primárního vinutí. Tento podíl bývá nazýván převodem cívky
označovaným p.
Parazitní kapacita sekundárního vinutí, spolu s kapacitami
dalších dílů zapalovací soupravy, zapojených v tomto vinutí tvoří
kapacitu C2. Tato se přetransformuje na
primární stranu cívky
v poměru 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 přerušení proudu
i1
proud při přerušení

Kapacitu C2 tvoří kapacity vn kabelů
ke svíčkám, rozdělovači a
cívce; dále pak parazitní kapacity svíček, rozdělovače a
zapalovací cívky. Znečistění a zvlhnutí těchto dílů, dále
případné stínění pro odrušení, to vše má vliv na hodnotu kapacity
C2.
Tabulka 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]

Protože je proud primárním vinutím střídavě zapínán a vypínán,
bude i jeho okamžitá 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.
Okamžitá hodnota i1 primárního proudu je pak
i1 = (UB /
R1) *
(1 – exp{- tz / tau1).
Pro případ, že tau = 3 tau1 dosáhne proud
již asi 95 % své
maximální hodnoty. Doba tz je však
závislá na otáčkách n motoru
a na počtu z jeho válců. Při zanedbání doby potřebné k sepnutí
a rozepnutí spínače lze pro výpočet tz
použít 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 ovšem 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 * vyšší než U1. V
okamžiku, kdy jeho hodnota dosáhne průrazného napětí, vznikne
oblouk a sekundární napětí U2
klesne na obloukové napětí. Protože oblouk
má stabilizační účinky, bude průběh
sekundárního napětí téměř konstantní, pouze s mírným zvlněním.
Jakmile klesne energie nahromaděná v zapalovací cívce natolik, že
dojde ke zhasnutí oblouku, zbytková energie vyvolá tlumené
dokmitávání obvodu, tzv.
dokmit.
Průběh sekundárního napětí
Jestliže 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 přerušovače 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 okamžiku přerušení 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 dalším popisu je pro
zjednodušení zanedbána energie ztrát v cívce.
Magnetická energie vytváří na primárním vinutí při rozpojení
přerušovače 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 okamžitá hodnota napětí u2 = p *
u1 menší než Upr,
bude jeho velikost narůstat až po
špičkovou 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

Jelikož 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 menší než celková magnetická energie nahromaděná
v jádře cívky. Tato fáze
výboje se nazývá kapacitní. Je zdrojem tepla a značné
ionizace. Proběhne během velmi krátké doby (řádově v mikrosekundách).
Ve druhé fázi výboje se spotřebovává energie magnetického pole
jádra. Fáze se nazývá induktivní. Výboj probíhá již silně
ionizovaným kanálem vytvořeným předchozí kapacitní fází. Doba
trvání bývá podstatně delší než předchozí a dosahuje až několika
ms. Trvá prakticky do úplného vyčerpání magnetické energie.
Rychlost úbytku energie je určována podobnou časovou konstantou
jako na primární straně, tj. poměrem indukčnosti sekundárního
vinutí L2 k součtu jeho ohmického odporu R2 s
statickým odporem oblouku (poměr Uob
/ Iob). 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 zažehne.
Výboj při nízkých otáčkách
Naopak při vysokých otáčkách nebo vyšším kompresním poměru je
směs rozvířena. Ve výboji se několikrát opakuje kapacitní fáze,
kdy za první jiskrou následují další. Mezi nimi může vzniknout
induktivní část. To však
zažehnutí směsi zpravidla neuškodí, protože má na něj vliv celá
doba trvání výboje, takže směs má dostatek příležitosti k
zažehnutí. Protože se ale na každý takový výboj spotřebuje jistá
část energie, dochází k následujícímu zkrácení trvání dalšího
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 rovněž časovou
konstantu nabíjení.

nelze použít příliš velké
kapacity, takže je potřebné napětí několika set voltů, které je
třeba vyrobit z napětí vozidlové baterie. K tomu slouží
nabíjecí díl napájející kondenzátor.
Funkce kapacitního zapalování
V okamžiku zážehu se elektrostatická energie nahromaděná v kondenzátoru
vybíjí přes sepnutý spínač. Jeho sepnutí určuje okamžik zážehu.
Levá část
obrázku znázorňuje
stav s rozepnutým spínačem Sp a kondenzátor C se
nabíjí napětím z měniče M (ten zvyšuje 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
rovněž tlumené kmity. Energie se ale nehromadí v jádře cívky
prostřednictvím magnetického pole; cívka slouží pouze jako
transformátor
zvyšující p * napětí kondenzátoru
na napětí potřebné pro průraz
zapalovací svíčky. Indukčnost primárního vinutí tak může být
mnohem nižší. Pro kmitočet tlumených kmitů obvodu pak platí jiný
vztah než 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 zvýšit kmitočet fo. Může být
asi o řád vyšší než 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. Okamžitá 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.

Okamžitá hodnota dostoupí své maximální hodnoty
U2max v čase
t = (1 / 2) * fo, protože
cos(2 * pi * fot) = -1 a
vztah nabyde tvar


U2max = 2 * p *
Un * Cn /
(Cn + C‘2).

 

čím tedy bude fo vyšší, tím rychlejší
bude nárůst sekundárního
napětí a tedy i nižší ztráty energie před vznikem výboje.
Ze vztahů vyplývá i menší vliv změny kapacity C2 na
rychlost nárůstu sekundárního napětí a na jeho maximální hodnotu
U2max, což je předností tohoto
způsobu oproti induktivnímu.
U něj je C1 vždy menší než p * p *
C2.
Vzhledem k velmi rychlým
průběhům dějů musí být použito jako spínače elektronického prvku.
Ten však obvykle vede proud pouze jedním směrem a tudíž tlumené
kmity rychle zanikají. Doba trvání oblouku na zapalovací svíčce
je proto krátká. Zvýšením složitosti zapojení
obvodu

Připojením polovodičové diody paralelně k
tyristoru, nebo paralelně k primárnímu vinutí cívky, případně
dvou diod k oběma dílům.

lze však dosáhnout několikerého
opakování výboje, případně jeho prodloužení.
Napájecím zdrojem pro nabíjení kondenzátoru je elektronický
měnič napětí.
V měniči se stejnosměrné napětí baterie
přemění na impulsní, které se transformuje na vyšší hodnotu
potřebnou k nabití kondenzátoru a dále se usměrní.
Kondenzátor je tedy nabíjen napěťovými impulsy a to dvěma
způsoby: jedním nebo více impulsy.
U napájecích dílů soustav nabíjení s více impulsy se používá
střídačů s vlastním buzením. Pracují s kmitočtem impulsů v
jednotkách kHz, který je zřetelně slyšet, čímž je indikována
správná funkce obvodu. Průběh nabíjení mezi jednotlivými zážehy
je zřejmý z obrázku. V něm je

 

t2
okamžik zážehu,
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, že pro dobré nabíjení kondenzátoru
při nejvyšších otáčkách motoru musí napájecí díl dodávat výkon
25 až 30 W. Při nízkých otáčkách je ale spotřeba mnohem
menší, výkon střídače zůstává stejný, což vede ke zbytečnému
odběru elektrické energie z vozidlové sítě.
Z tohoto pohledu mají lepší 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 nejvyšších
otáčkách motoru neklesala hromaděná energie. Nabíjení
kondenzátoru na provozní napětí proběhne značně rychleji. Označení
v obrázku jsou totožná 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 množství tepla
pro ohřátí sousedních částic směsi na zápalnou teplotu, tedy aby
hoření pokračovalo. Z toho vyplývají následující požadavky na
zapalovací svíčku:

 

Samotná zapalovací svíčka ovlivňuje svým konstrukčním řešením a
svými parametry především první dva požadavky, poslední požadavek
i svojí polohou ve spalovacím prostoru.
Zapalovací svíčka
Nejčastěji používaným typem zapalovacích svíček jsou svíčky se
vzduchovým jiskřištěm.
Svíčka sestává z izolátoru, tělesa svíčky,
střední a vnější elektrody. Pro hermetizaci střední elektrody
svíčky se používá elektricky vodivé skelné taveniny. Hermetičnost
mezi izolátorem a tělesem svíčky zabezpečuje vnitřní těsnící
kroužek a též 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 než dojde k
výboji. Tento jev, nazývaný samozápalem, je způsobován
rozžhavením hrotu izolátoru. Výkon motoru klesá a zapalovací
svíčka se může přehřátím zničit.
Protože se teplotní podmínky zapalovacích svíček u různých motorů
mohou značně lišit, používá se svíček s různým číslem tepelné
hodnoty. Ty se od sebe liší
délkou izolátorové patky.
Svíčky s kratší patkou mají nižší tepelné číslo.
Tepelné číslo může být sníženo i volbou materiálu střední
elektrody s vyšší tepelnou vodivostí.
Svíčky s různou tepelnou hodnotou
Obecně platí následující pravidla:

 

Výběr svíčky podle horní tepelné hranice se provádí při
maximálním výkonu motoru na jmenovitých otáčkách jeho klikového
hřídele. Přitom se nastaví předstih zážehu vyšší o 5° než
optimální. V tomto pracovním režimu nesmí dojít k
samozápalům.

Zvýšení
předstihu zážehu je příčinou samozápalů. Ty vedou k výskytu
detonačního hoření (klepání motoru).

Výběr podle dolní tepelné hranice se provádí při volnoběžném
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 všech možných provozních podmínkách. Jestliže ale
převládá provoz s vyšším zatížením a dochází k detonačnímu
hoření, je třeba osadit svíčky s nižším tepelným číslem
(„studenější“). Naopak při převládajícím malém zatížení s
častým volnoběžným chodem

Což se projeví začazením
svíček s pokrytím elektrod a jejich okolí sazemi.

se používá
svíček s vyšším číslem („teplejších“).
Daleko nejúčinnějším parametrem zapalovací svíčky z hlediska
započetí vzplanutí směsi je mezielektrodová vzdálenost. Zlepšením
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 složení směsi. Otáčky
jsou 2000 [1/min] při částečném zatížení. Z obrázku je zřejmé
zlepšení dosažené zvětšováním mezielektrodové vzdálenosti. Při
větší mezeře se totiž zažehne větší objem směsi mezi elektrodami.
Zvětšováním vzdálenosti ale roste
velikost průrazného napětí
a tím stoupají nároky na zapalovací
soupravu. Proto se hledají cesty, jak zapálit větší objem směsi i
při menších mezielektrodových vzdálenostech, zejména u motorů s
vyšším kompresním poměrem.
Měrná spotřeba WIDTH=’600′ HEIGHT=’402′>

 

Emise HC

 

Neklid chodu motoru WIDTH=’550′ HEIGHT=’300′>

 

Firma Ford provedla řadu výzkumných prací zkoumajících vliv
parametrů zapalovací soupravy na zažehnutí směsi a rozvoj jejího
spalování. Ke zkoumaným parametrům náležely mimo energii a dobu
oblouku také orientace a počet elektrod zapalovací svíčky, poloha
jiskřiště, konstrukce špičky 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 jiskřištěm a jednou vnější elektrodou, jsou
možné tři mezní případy orientace této elektrody. Vnější
elektroda může být orientována tak, že stíní střední elektrodu,
nebo se naopak nachází až za ní ve směru proudění, případně mohou
být elektrody kolmo na směr proudu.
Je-li vnější elektroda v poloze „proti proudu“, může vytvářet
v okolí jiskřiště oblast recirkulací a směs se zde zdržuje delší
dobu. To je příznivé pro vytvoření stabilního jádra plamene.
V poloze „po proudu“ může naopak proudění posouvat elektrický
výboj s počátečním jádrem plamene do blízkosti vnější elektrody.
Jí může být z jádra plamene odváděno více tepla a tak zpožděn
počátek vzplanutí.
V poloze „napříč“ dochází k protažení oblouku vlivem proudění,
čímž se může vytvořit fyzikálně větší aktivační objem a tedy
větší počáteční jádro plamene. Jeho odsunutím z mezielektrodové
oblasti se sníží odvod tepla a urychlí vzplanutí.
Aby se omezil možný nepříznivý vliv náhodné orientace vnější
elektrody zapalovací svíčky na průběh spalování, rozšiřují se
typy svíček s větším počtem vnějších elektrod (obvykle dvě až
čtyři). Elektrody jsou rozloženy souměrně po obvodu mezikruží
kovového tělesa.
Protože velikost průrazného napětí je závislá nejen na
mezielektrodové mezeře, ale i na složení směsi v prostoru
jiskřiště, roste s počtem vnějších elektrod pravděpodobnost
vzniku průrazu i při nehomogenní směsi. K výboji dojde v té
mezeře (nebo mezerách), kde je směs nejbohatší. Tím se sníží i
potřeba zvyšování napětí pro bezpečný průraz i v nepříznivých
podmínkách.
Polohy jiskřiště
Poloha jiskřiště je dána jednak konstrukcí motoru a jednak druhem
svíčky. Z dalšího hlediska se zapalovací svíčky dělí na
typy se standardním a s vyčnívajícím jiskřištěm. Obě jsou
znázorněny. V levé části je
standardní provedení (nevyčnívající)
a v pravé s vyčnívajícím jiskřištěm. Z provozního měření
vyplynulo, že zvětšením vystoupení se snížila spotřeba a také
velikost optimálního předstihu.
Je to zřejmě způsobeno rychlejším průběhem spalování objemu směsi
a zvýšením spolehlivosti zažehnutí.
Výrobci svíček vycházejí z potřeb konstruktérů motorů a nabízejí
řadu typů s různou polohou jiskřiště. Např. fa Bosch nabízí mimo
„standardní“ provedení typy s vystoupením 3, 5, a 7 mm. Ve
firemním katalogu pak uvádí typy svíček používaných u různých
automobilů. Uvedená doporučení je nutno respektovat, jinak může
dojít ke zhoršení parametrů motoru.
Mimo svíčky se vzduchovým jiskřištěm se používají svíčky s
jiskřištěm
povrchovým. U nich oblouk mezi vnitřní a vnější
elektrodou „klouže“ po povrchu izolátoru. Konstrukce
má tu výhodu, že oblouk opaluje zbytky benzinových
spalin a tak čistí izolátor. Svíčka mívá více vnějších elektrod
aby se očistil celý obvod izolátoru.
Povrchové jiskřiště
Dalším zdokonalením je zapalovací svíčka s kombinovaným
jiskřištěm. Je konstruována tak, že za studena probíhá oblouk
mezi vnitřní a vnějšími elektrodami. S rostoucí teplotou velikost
průrazného napětí klesá a výboj přilne k povrchu izolátoru.
Jelikož je dráha výboje proměnlivá, elektrody se málo
opotřebovávají a životnost svíčky je velká. Výboj má rovněž delší
dráhu, což usnadňuje zapálení hůře zápalných (tj. chudých a
bohatých) směsí.
Příkladem takové zapalovací svíčky je typ Bosch Super 4.
Jiskřiště a špička jejího izolátoru je
znázorněna v řezu. Písmeno
A označuje „klouzavý“ výboj,
B oblouk probíhající vzduchem. Svíčka má čtyři vnější elektrody
C, které jsou tenké, takže odvádí minimum tepla z jádra
plamene. Střední elektroda D je vhodně tvarovaná pro
dosažení minimálního opotřebení elektrod, takže při výrobě
nastavenou mezeru E není nutno seřizovat ani po delší době
používání svíčky.
Svíčka Bosch Super 4
Výrazného zlepšení spalovacího průběhu se dosáhne použitím dvou
zapalovacích svíček. Ty jsou vhodně umístěny ve spalovacím
prostoru dle cíle, kterého má být tímto řešením dosaženo. 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
vyvýšení v jeho středu vytvářelo víření směsi. Okamžik zážehu na
jednotlivých svíčkách se mění podle provozních podmínek motoru.
Tím je dosaženo optimálního spalování ochuzených směsí, jejichž
složení se
různí podle zatížení motoru.
Uprostřed je znázorněno provedení motoru Alfa Twin Spark. Motor
má vyšší kompresní poměr a tudíž je náchylnější na vznik
samozápalů. Tomu má předejít zapálení stlačené směsi současně na
dvou místech, čímž se urychlí její řízené spalování. Svíčky jsou
ve válci umístěny co nejblíže jeho stěn, což přispívá k lepšímu
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 zažehne horní
svíčka a směs zapálí. Zapálená směs je pístem dopravena k druhé
svíčce. Jejím výbojem je již hořící směsi dodána další energie,
která urychlí její spálení.

VN části

Jiným činitelem ovlivňujícím spalování jsou charakteristiky
oblouku. Zapalovací energie potřebná k zážehu směsi se různí
podle jejího složení a turbulence. Samotná velikost energie však
pro určení spalovacích podmínek nestačí. Je třeba brát v úvahu
dvě další 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, takže růst měrné
spotřeby

Měrná spotřeba je dána podílem
spotřeby k výkonu motoru.

svědčí o nedokonalé přeměně chemické
energie paliva v teplo (tedy zhoršené spalování). V oblasti
chudých směsí (s dostatkem kyslíku) je hlavní příčinou
nedostatečná energie pro zážeh. V idealizovaných podmínkách, kdy
se mezi elektrodami nachází homogenní směs se stechiometrickým
složením (lambda = 1.0), postačí k zapálení energie 0.1 až
1 mJ trvající do 10 mikrosekund, tedy
energie kapacitní části výboje.
U obvyklého spalovacího motoru se naopak ve válcích nachází
nehomogenní, často i špatně rozprášená směs zředěná zbylými
spalinami. Zde je pro zážeh potřebná značně větší energie -
minimálně 30 mJ.
Ve skutečných podmínkách, zejména pro chudé směsi (lambda = 1.2
až 1.5) je patrný příznivý vliv prodloužení induktivní fáze
(doby trvání) oblouku na chod motoru. Vyšší energie dodávaná
delší dobu urychluje chemické reakce při iniciaci spalování.
Zmenší se takto nerovnoměrnost pracovních cyklů motoru.
Experimentálně bylo potvrzeno, že při velkých hodnotách doby
hoření prakticky nedochází k vynechání zážehů (pokud je
zapalovací souprava přizpůsobena danému typu motoru).
Prodloužení
induktivní části výboje rovněž usnadňuje odpaření zkondenzovaného
paliva, čímž se podstatně zlepší 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
zvýšení hodnoty emisí nespálených a částečně spálených
uhlovodíků. Zvýšení 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. Protože měření
probíhala při stejném výkonu motoru, tedy při témže tlaku, je
úroveň emisí NOX závislá na
teplotě hoření. Ta je, jak plyne z
obrázků, tím vyšší, čím vyšší je energie jiskry. Téměř přitom
nezávisí na tom, zda je zvětšení způsobeno vyšším proudem výboje
či jeho delším trváním. Výhodnější však je
prodloužení jeho doby,
což je zřejmé z obrázku ac. V obrázku
a, který je víceméně totožný s obrázkem, jsou průběhy
měrné spotřeby, emisí HC a neklidu chodu motoru v závislosti na
složení 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, že delší doba umožní snížit
mezielektrodovou vzdálenost čímž se zmenší 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 složení
směsi v závislosti na poloze jiskřiště 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
vnější elektrodou svíčky jen 1 mm.
Prodloužením doby oblouku se zintenzivní zažehnutí a hoření směsi
tím, že se omezí zhášecí účinek stěn válce. Zároveň se zvýší
hmota aktivované směsi.
Pro udržení oblouku je podstatné množství nahromaděné energie a
účinnost jejího přenosu z primárního do sekundárního obvodu
zapalovací cívky.
Při hromadění energie v
indukčnosti primárního vinutí zapalovací
cívky, je její množství do
značné míry ovlivněno časovými průběhy primárního
proudu I1 a
samoindukovaného napětí U2 při
přerušení tohoto proudu. I když
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 vysokonapěťovým
rozdělovačem nebo bezkontaktní, pomocí elektronicky řízených
spínačů. Tyto dodávají vn impulsy buď dvěma svíčkám současně nebo
pouze jedné příslušející válci kde má být směs zažehnuta.

Mechanický rozdělovač

Rozděluje vn impulsy na jednotlivé zapalovací svíčky ve správném
sledu a okamžiku. Na každou otáčku jeho hřídele připadá tolik
impulsů, kolik má motor válců.

Mají-li válce po dvou svíčkách,
může být počet impulsů dvojnásobný.

Soustava s rozdělovačem je jednoduchá, ve většině případů
postačuje jedna cívka s kondenzátorem a přerušovačem. Pokud je
použito dvou svíček ve válci, pak je celá soustava zdvojena, i
když rozdělovač může být konstrukčně spojen v jeden celek.
Spolehlivé rozdělování vn je zajištěno jen v určitém rozsahu
předstihu a s rostoucím počtem válců se zhoršuje. U
šestiválcových motorů s mechanickou regulací předstihu zážehu
je možno rozsah rozšířit dostatečně, avšak u
osmiválcových motorů je mnohdy použito dvou rozdělovačů každý pro
čtyři válce.
Součástmi rozdělovače jsou:

 

Víčko
z vysoce kvalitního izolačního materiálu, na němž se
v komínkovitých nástavcích nacházejí objímky pro přívod vn ze
zapalovací cívky (uprostřed víčka) a pro odvod vn ke svíčkám
jednotlivých válců.
Palec rozdělovače
jehož elektroda má třecí spojení s
odpruženým 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 (přibližně 0.5 mm) od výstupků z objímek víčka pro odvod
vn ke svíčkám. Přiblíží-li se elektroda palce pevné elektrodě
objímky víčka, může dojít k přenosu vn energie z cívky ke svíčce,
která je spojena s touto elektrodou. Přenos se uskuteční výbojem
na krátkou vzdálenost, čímž vzniká silné vf rušení a dochází k
erozi elektrod.
Pro omezení těchto nežádoucích jevů je součástí palce odrušovací
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 odrušovacími odpory. Někdy
jsou i samotné kabely vyrobeny s nekovovým vnitřním vodičem
(žilou) s velkým vlastním odporem. ®íla může být zhotovena např.
z jádra tvořeného bavlněnou přízí napuštěnou roztokem sazí, které
je opleteno bavlněnou nebo konopnou vložkou. Vše je izolováno
polyvinylchloridovým plastem, případně jedno nebo dvouvrstvou
pryží. Jinou možností může být vodič, jehož vnitřní jádro tvoří
lněná nit na které je nanesena vrstva
feroplastu.

Feroplast je tvořen 80 % práškového feritu a
20 % polyvinylchloridu.

Povrch feroplastu je ovinut drátkem o
průměru asi 0.1 mm z vodivé kovové slitiny. Vše je opět izolováno
plastem. Rušení je pak stíněno jak feroplastem tak drátkovou
spirálou.

Izolační víčko

z umělé hmoty, nebo plechové, oddělující prostor kde se rozděluje
vn od přerušovače nebo snímače polohy a otáček hřídele. Zabraňuje
usazování prachu a zbytků uhlíku v prostoru přerušovače a
vlhkosti ve vn části.
Na obrázku je řez částí rozdělovače, ze kterého je zřejmé
uspořádání výše 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,
takže energie s otáčkami klesá. K tomu přistupují ztráty energie
způsobené nezbytným omezováním vf rušení pomocí odporů nebo
odporových kabelů a dále jiskřením v mezeře vn částí rozdělovače.
Podle měření fy Bosch činí ztráty v odrušovacích obvodech kolem
30 % energie nahromaděné v zapalovací cívce a kolem 15 %
připadá na rozdělovač.
K těmto ztrátám přistupuje dalších 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
tloušťky 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 až 1 mm a s počtem
závitů 150 až 350. Na
povrchu je navinuto z důvodu lepšího odvodu ztrátového tepla.
Obě vinutí spolu s jádrem magnetického obvodu jsou uloženy v
nádobce 4 vylisované z hliníku nebo oceli. K uchycení ve
dnu slouží keramický izolátor 5, seshora je vinutí jištěno
víčkem zapalovací cívky 6 z izolující pryskyřice.
Vnější část magnetického obvodu 7 je tvořena několika
závity izolovaného transformátorového plechu ležícími 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
výhodnější jak z hlediska vyšší elektrické pevnosti, tak pro
lepší odvod ztrátového tepla z vinutí cívky ke stěnám nádobky,
takže se cívka lépe chladí.
Otevřený magnetický obvod má sníženou magnetickou vodivost, což
se projevuje zmenšením indukčnosti ve vztahu k počtu závitů;
takže rozměry vinutí rostou. Také způsob vinutí vyplývající z
konstrukce cívek tohoto typu není výhodný. Zejména parazitní
kapacity sekundárního vinutí jsou velké a to sníží rychlost
nárůstu napětí pro průraz, případně i velikost samoindukovaného
napětí při přerušení proudu.
Z uvedených důvodů se rozšířily 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, čímž je dosahováno
značně nižších parazitních kapacit i vyšší odolnosti proti
průrazu. Menší potřebný počet závitů snižuje ztrátový odpor
vinutí a dovoluje i zmenšit rozměry zapalovací cívky. Často
natolik, že může být umístěna přímo ve víčku rozdělovače.
Tím odpadá vn kabel mezi cívkou a palcem
rozdělovače, což vede ke snížení vf rušení a odrušovací odpor v
palci rozdělovače může být vypuštěn. Mnohdy bývá v rozdělovači
umístěn i elektronický spínač zapalování, takže celá sestava
soupravy je velmi kompaktní.

Statické rozdělení vn

Rozvojem elektronických technologií je umožněn rozvod vn ke
svíčkám bez rotujícího mechanického rozdělovače. Pro
bezrozdělovačové zapalování se používá 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 každé 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 nižší přeskokové napětí než v
kompresním. K tomu přispívá i to, že svíčka výfukového cyklu
zapaluje o 5 až 10 mikrosekund dříve, takže pro ni postačí napětí
500 – 1 000 V. Zbylé je k dispozici pro přeskok ve svíčce
kompresního cyklu.
Při přerušení primárního proudu bude na koncovkách vn napětí
opačné polarity, což se projeví stejně jako chybné pólování
zapalovací cívky. Při něm mohou vzniknout problémy se startováním
nebo výpadky zapalování. Aby se tomu předešlo, je žádoucí
dodržovat předepsanou periodu výměny svíček.
Jistou nevýhodou je také nutnost použít obvyklých vn kabelů mezi
koncovkami cívky a svíčkami válců se všemi s tím souvisejícími
problémy.

Možnost vzniku svodů, elektromagnetické
rušení.

Musí být rovněž zajištěno, aby vlivem výboje ve
výfukovém cyklu nedošlo k zapálení zbytku paliva nebo nasáté
směsi. Proto musí být poněkud omezen rozsah regulace předstihu
zážehu.
Uvedené nedostatky odpadají u jednojiskrových cívek, které se
obvykle umísťují přímo na zapalovací svíčku každého válce.
Protože odpadají ztráty v rozdělovači i
odrušovacích odporech, mohou být rozměry zapalovacích cívek velmi
malé. Každá cívka má vlastní spínač ovládaný v pořadí zapalování
válců motoru.
U tohoto způsobu musí být provedeno opatření pro zabránění
vzniku napěťové špičky při zapnutí primárního proudu do cívky.
Toto nežádoucí napětí transformací v sekundárním vinutí dosáhne
výšky 1 až 2 kV s opačnou polaritou, než 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 výše popsané přednosti statického rozdělování vn je jejich
společnou výhodou delší přípustná doba plnění cívky. Proti jedné
zapalovací cívce u soustav s rozdělovačem je počet cívek větší a
tím je k dispozici i větší doba mezi jednotlivými zážehy pro
nahromadění energie i prodloužení 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 menší
než u induktivního způsobu.
Navíc se kapacity projeví pouze na velikosti sekundárního napětí
U2. Velikost napětí je
však na časových konstantách obvodů
nezávislá, což znamená, že se se změnou otáček motoru prakticky
nemění.
U prvních kapacitních zapalovacích souprav byla doba trvání oblouku
kolem 0.1 až 0.2 ms, takže mechanický rozdělovač vn neomezoval
počet válců ani maximální otáčky.
Při spalování stechiometrické nebo mírně bohaté směsi krátká doba
oblouku nevadila. Postačilo zvětšit mezielektrodové vzdálenosti
svíček a tím kratší dobu kompenzovat.
Těchto zapalovacích soustav se většinou používalo u motorů s
velmi vysokým výkonem. Tyto motory při provozu na krátkých
vzdálenostech zřídkakdy dosáhnou své nejvhodnější teploty, takže
není umožněno samočistění povrchu izolátoru svíček.
Moderní motory však spalují spíše ochuzené směsi (alespoň v
přechodných režimech), takže je potřebné zvětšit zapálený objem
směsi, aby nedošlo ke zhasnutí již zapálené části a tedy k
poklesu výkonu motoru a zvýšení emisí škodlivin ve výfukových
plynech.
Zvětšit zapálený objem směsi je možno buď použitím větší mezery
mezi elektrodami zapalovací svíčky nebo prodloužením doby
oblouku, případně kombinací obého.
Zvětšení mezielektrodové vzdálenosti je spojeno s nutným zvýšením
průrazného napětí a současně s potřebou vyšší
elektrické pevnosti izolátorů. Z těchto důvodů se přechází na
výhradně statické rozdělování vn ke svíčkám, tedy bez
mechanického rozdělovače.
Nejvhodnější jsou jednojiskrové cívky umístěné přímo na
jednotlivých zapalovacích svíčkách. Protože u kapacitního
zapalování je cívka pouze transformátorem, je počet jejích závitů
menší i při otevřeném magnetickém obvodu (není potřeba velké
primární indukčnosti pro hromadění energie). Konstrukce takové
cívky je tedy odlišná a její rozměry jsou menší neboť odpadá
rozměrné železové jádro. Sekundární vinutí je
provedeno v sekcích, což přispívá ke zmenšení parazitní kapacity
C2. Vypuštěním rozdělovače a vn kabelů se tato kapacita dále
sníží, což vede k růstu maximální hodnoty sekundárního napětí
U2max i k jeho rychlejšímu nárůstu.
Prodloužení doby oblouku je možno provést pouze elektronickou
cestou, tj. použitím vhodného obvodového řešení. Elektronické
obvody jsou dvojího typu: s prodloužením délky induktivní části
výboje a s vícenásobným výbojem.
Obvodu s prodlouženou induktivní částí využívají polovodičové
diody zapojené paralelně k primárnímu vinutí zapalovací cívky.
Při sepnutí tyristoru (spínače) pak protéká proud
pouze primárním vinutím. Po dosažení 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, takže vede proud v
opačném směru, než 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 zjednodušených schémat.
Každý z uvedených způsobů má své přednosti i nedostatky.
U obvodu s prodlouženou indukční částí výboje je dosažená délka
závislá na velikosti energie nahromaděné v primárním vinutí.
Je-li potřeba dosáhnout doby kolem 0.5 ms i více, nestačí již
pouhé připojení paralelní diody, ale musí přibýt další součásti a
složitost obvodu roste. Je možno např. použít dvou nabíjecích
kondenzátorů s rozdílnou kapacitou nabíjených dvěma různými
napětími (lišícími se o 20 až 50 %). Kondenzátory jsou odděleny
diodou nebo další indukčností atd.
Pokud prodloužení nepostačí, zvětší se mezera mezi elektrodami ve
svíčce. Nevýhodou je, že při vysokém zapalovacím napětí se musí
zvětšit dielektrická pevnost izolátoru svíčky. Tedy buď zvětšit
jeho rozměry nebo použít kvalitnějšího (a tím i dražšího)
izolantu. Při vysokém zapalovacím napětí a delším trvání oblouku
rovněž klesá životnost svíček.
U vícejiskrového způsobu jsou energetické nároky podstatně nižší,
takže dochází k menšímu opotřebení svíček. Průrazné napětí nemusí
být vyšší, takže nároky na izolant svíčky jsou obdobné jako u
induktivního způsobu. Vícejiskrové zapalování je navíc vhodné pro
motory s přímým vstřikováním, protože nedochází k výpadku
při dopadu vstříknutého paliva přímo na zapalovací svíčku.
Čím „chudší“ je spalovaná směs, tím větší jsou nároky na
frekvenci, trvání a intenzitu jednotlivých jisker. Časový
interval mezi jednotlivými jiskrami nemůže být příliš, pak by se
následující jiskry vytvořily až za čelem plamene, ve
„spotřebované“ oblasti. Ke zlepšení účinnosti spalování
dochází pouze nahodile, vlivem turbulence čerstvé náplně kolem
zapalovací svíčky. Tento interval nemůže být ani příliš krátký,
protože oblouk působí jako zkrat pro energii dalšího výboje.
Vhodným výběrem frekvence vícenásobných jisker jejich velikostí a
také uspořádáním elektrod zapalovací svíčky se může přizpůsobit
jádro oblouku a nasměrovat tak energii následného výboje do čela
plamene, kde bude „elektricky katalyzovat“ spalovací proces.

Vznícení směsi

Vznětové motory používají jako paliva motorové nafty vstřikované
do stlačeného vzduchu ve spalovacím prostoru válců motoru. Velkou
kompresí vzroste teplota vzduchové náplně válce výše, než je
zápalná teplota motorové nafty (obvykle 330 až 360°C).
Nafta se tedy po vstříknutí do válce ihned vznítí. Jestliže ale
bude motor příliš studený, nebo teplota vzduchu před stlačením
příliš nízká, nemusí se kompresí zápalné teploty dosáhnout.
Vstříknuté palivo se pak neodpaří a nevznítí.
Spouštění studeného vznětového motoru, případně takového motoru
se zmenšenou kompresí vlivem zhoršení těsnění válce, není snadné
(pokud je vůbec možné). 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) používají žhavicích
svíček, které jsou umístěny ve vedlejším spalovacím prostoru
(nepřímé vstřikování). Motory s neděleným spalovacím prostorem (s
přímým vstřikem) pracují s předehříváním nasávaného vzduchu nebo
s vysoce vznětlivým zvláštním palivem, které je vstřikováno do
nasávacího potrubí.
U vznětovým motorů s vyšším obsahem (pro užitková vozidla) je
někdy používáno i předehřívání paliva před jeho vstupem do
palivového filtru. Po spuštění motoru je nafta krátkodobě
ohřívána ve výměníku tepla, který je v blízkosti palivového
filtru, aby přívodní potrubí bylo co nejkratší. Ohřátím se
zabrání vylučování parafinu ve filtru.

®havící svíčky

K předehřívání směsi u vznětových motorů s nepřímým vstřikováním
slouží žhavicí svíčky. Bývají umístěny ve spalovacím prostoru
tak, aby vstřikované palivo nedopadalo bezprostředně na jejich
rozehřátou část. Tam může 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 používá téměř výhradně žhavicích svíček s
vyhřívaným kolíkem. Hlavní částí svíčky je
vyhřívaná trubka, ve které je plynotěsně zalisována topná
spirála. Je od kovové trubky elektricky izolována keramickou
práškovou náplní. Sestává ze dvou částí odporového drátu, jedna
má kladný a druhá záporný teplotní součinitel měrného odporu.
Část se záporným součinitelm se nachází ve špičce trubkového
kolíku a slouží 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 spuštění motoru aniž by došlo k překročení přípustné teploty
svíčky, není-li např. včas odpojena.
Teplo z topné spirály, vyhřívané elektrickým proudem, se přenáší
práškovou náplní rovnoměrně na vyhřívanou trubku svíčky.
Tento typ svíčky může být použit i u motorů s neděleným
spalovacím prostorem, za předpokladu, že vstřikované palivo
zasáhne hrot svíčky jen velmi malou částí, podobně jako u
děleného spalovacího prostoru s nepřímým vstřikem.
Dříve byly používány i žhavicí svíčky s odkrytou spirálou.
Svíčka byla určena pouze pro motory s nepřímým
vstřikováním a umísťovala se v komůrce v určité vzdálenosti od
hranice rozstřiku paliva. Jestliže by se proud paliva dotknul
žhavicí spirály, došlo by k lepšímu zapálení za cenu zkrácení
životnosti svíčky.

Předehřívání plnicího vzduchu

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

Elektrické předehřívání

Provádí se zejména u menších 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. (Položka 3 je těsnění,
5 je přívod napětí baterie.) Svíčka se umísťuje na začátku
vzduchového potrubí, v místě jeho rozvětvení k jednotlivým
válcům. Spirála svíčky se během 40 až 50 s po připojení k
baterii vozidla vyhřeje na 900 až 950°C.
Lepšího prohřátí plnicího vzduchu se dosáhne topnou přírubou.
Umísťuje se rovněž v místě rozdělení vzduchového potrubí a
používá se u motorů s větším obsahem. (Označení položek je stejné
jako u předchozího.)
Výše uvedeným elektrickým předehříváním se teplota plnicího
vzduchu zvýší pouze o 20 až 30°C, což pro velmi nízké
okolní teploty nepostačuje. Rovněž tak pro výkonnější motory (s
obsahem nad 5 000 ccm) se používá účinnější metody;
předehřívání plamenem.

Předehřívání palivem

K ohřevu vzduchu slouží 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 příslušného motoru.
Palivo dále prochází válcovou dutinou mezi odpařovacím sítkem
7 a žhavicím kolíkem 8. Na sítku se odpaří, smísí
se s nasávaným vzduchem a zapálí, neboť teplota kolíku dosahuje
až 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 zvýšení
rychlosti proudu vzduchu v sacím potrubí po nastartování motoru.
Jelikož se vzduch ohřívá teplem produkovaným plamenem, je
elektrický příkon spirály žhavicího kolíku malý. Slouží pouze pro
odpaření a zapálení paliva.
Předehřátý plnicí vzduch je rozváděn ke všem 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, že
není ihned po startu plně zatížen.

Řízení délky vyhřívání

Činnost systémů usnadňujících spuštění studeného vznětového
motoru musí být řízena s přihlédnutím k daným provozním
podmínkám. Motor nemůže být startován bezprostředně po zapnutí
spínací skříňky, ale je nutno vyčkat, až se žhavicí svíčky
zahřejí na potřebnou teplotu. Jejich předžhavení trvá až 10 s a
připravenost ke startu se vhodným způsobem signalizuje.
Sestava takového systému pro řízení funkce žhavicích 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 předžhavení svíček 4 podle okolní
teploty. Po jejím uplynutí se rozsvítí signálka 5 a je
možno startovat. Během startu zůstávají žhavicí svíčky pod
napětím jehož velikost udržuje 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 žhavicím svíčkám přes omezovací odpor.
Tím se udržuje teplota v komůrce spalovacího prostoru na takové
výši, aby nedocházelo k poklesu otáček motoru a jeho škubání.
Jestliže ale nedojde k nastartování motoru, řídící jednotka
odpojí asi po 25 sekundách celou soupravu, aby se svíčky zbytečně
nežhavily a nevybíjela se baterie.
Průběh startování při předehřívání plnicího vzduchu plamenem je
obdobný. Možná 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 možno zapnout přívod paliva přes magnetický
ventil 8. Současně se zapnutím přívodu paliva se zkratuje
odpor ve výkonovém relé, takže teplota žhavicí části zápalné
svíčky se zvýší a palivo se zapálí. Protože soustava se uvádí do
činnosti pouze při nízkých teplotách, je její spouštění odděleno
od startování a je ovládáno vlastním spínačem 3.

Ohodnoťte článek


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: