Jakýkoliv výňatek či přetisk obsahu serveru Škoda TechWeb může být použit jinde pouze s písemným svolením provozovatelů serveru, jež jsou uvedeni výše.
| Copyright © 1999-2000, Petr Váňa & Panda internet studio Jakýkoliv výňatek či přetisk obsahu serveru Škoda TechWeb může být použit jinde pouze s písemným svolením provozovatelů serveru, jež jsou uvedeni výše. |
Zapalování (podrobný popis)
Rubrika: Elektrika
Publikován: 14. listopadu 2002
Tento ?lánek bude asi hodn? zajímavý a pou?ný pro mnoho budoucích zlepšovatel? a hodn? trpký pro "vývojá?e", provozovatele r?zných zaru?en? vynikajících konstrukcí a mnoho dalších, kte?í od zapalování o?ekávají zázraky.
Historie zapalovacích soustav sahá až do p?edminulého století, kdy ur?ití pánové v N?mecku zapo?ali rozvíjet Ott?v spalovací motor k obrazu svému. Zapalování se tehdy skládalo z nízkonap??ových pohyblivých kontakt? ve spalovacím prostoru, kde p?i jejich odtržení vznikla jiskra. Toto fungovalo maximáln? do gigantických 400 ot/min (to není chyba). Zapalování nafty a petroleje se zase ?ešilo jinak. Za?ízení se skládalo z jednoduché trubky, která se rozžhavila, umístila do spalovacího prostoru válce motoru a po ru?ním rozto?ení motoru svým teplem zapalovala v nedefinovatelnou dobu nasátou sm?s. Rozžhavenost byla udržována spalovacím procesem tak dlouho, dokud sm?s proudila do válce. Motory tehdy nebyly schopné vysokých otá?ek, kompresní pom?ry se plácaly n?kde okolo 4-6:1 a tak tato metoda vyhovovala. Pozd?ji se místo trubky používala žárová st?na, která se z vn?jšku "letlampou" nažhavila. Odzvonilo jí s nástupem vysokotlakých vst?ikovacích ?erpadel. (Ješt? po II. sv?tové válce b?haly po republice traktory Lanz - Buldock s pomalob?žným dvoudobým jednoválcem s tímto systémem. Žárová st?na hlavy se nažhavila do ?ervena a motor se roztá?el pomocí volantu, který se nasadil na voln? p?ístupný setrva?ník, trhnutím se motor rozto?il (cht?lo to cvik, abys volant rychle sundal, jinak Ti nafackoval a nebo jsi nem?l ?ím ?ídit). Traktor nem?l zpáte?ku a tak zm?na sm?ru se provád?la zhasnutím motoru a jeho nato?ením v opa?ném sm?ru. Kdo to um?l, tak regulací p?ívodu paliva dosáhl zpomalení otá?ek motoru, až p?ešel do kývavého pohybu a v p?esn? ur?ený okamžik p?idal plyn, motor se pak rozto?il na druhou stranu, takže jsi m?l ?ty?i "kvalty" i dozadu. To nebyl vtip, otec se s ním n?co navyvád?l.) Tento systém se dodnes používá u modelá?ských motork?, místo trubky je tam žhavicí sví?ka. Ono to ani jinak nejde, zapalovací soustava jiného typu je pro modely letadel p?íliš t?žká a navíc spolehliv? zapalovat p?i 36 000 ot/min není tak jednoduché.
P?esn? p?ed sto lety p?išel strejda Bosch se zapalovací sví?kou a magnetoinduktivním zapalováním, jehož principu se používá dodnes. P?estože je tento systém rekordmanem v neú?innosti (p?íkon je více než tisíckrát v?tší než získaná energie jiskry), žádný jiný typ zapalování se tak dob?e neosv?d?il. Od té doby se všechny zainteresované vývojové kapacity snažily rozvíjet tento systém za ú?elem vyšší spolehlivosti a životnosti. První zapalovací sví?ky byly složené z n?kolika kus? a jejich životnost nep?esahovala 1 000 km. Již tehdy m?la n?kolik vn?jších elektrod, které se dnes vydávají za vrchol Hi-Tech. O n?jaké širokopásmovosti nebyla ?e?, pro zimní podmínky se používaly sví?ky jiné než pro letní období. Ve sví?kách se ud?lal snad nejv?tší pokrok s ohledem na jejich tehdejší a dnešní vlastnosti. Bylo ud?láno nespo?et r?zných pokus? a m??ení, co se týkalo vlivu zapalovacích soustav na ?innost motoru, aby se našla n?jaká hranice, pod kterou a p?es kterou jít nelze (výkon zapalovací soustavy v p?epo?tu na energii jiskry atd.). Za tu dobu vzniklo množství r?zných konstrukcí od klasických, p?es r?zné bzu?ákové úlety až po dnešní výkonné a spolehlivé elektronické systémy.
Nej?ast?ji používaným zapalovacím systémem je induk?ní zapalování napájené z akumulátoru, vyzna?uje se akumulací energie jiskry v zapalovací cívce, resp. vzduchové meze?e cívky. P?es dlouholetý vývoj je princip po?ád stejný, s kterým p?išel Bosch. Odlišuje se jen použitím nových komponent?, kontakty nahradily sníma?e na induk?ním nebo magnetickém principu, doba pln?ní cívky se ?ídí elektronickými soustavami a proud spíná tranzistor. Dalším induk?ním systémem je magnetové zapalování, kde není akumulátor zapot?ebí, energie je získávána z práce motoru. Jen málo je používán systém kapacitní (tyristorová zapalování), kde se energie akumuluje v kondenzátoru, cívka slouží pouze jako transformátor. Zvláštními druhy jsou zapalování piezoelektrická (jde vlastn? o druh kapacitního zapalování) a zapalování vysokofrekven?ní. Prakticky se nepoužívají, piezoelektrické zapalování "um?elo na krásu", protože jeho nesporné výhody byly p?eváženy spoustou nevýhod, z nichž ta nejpodstatn?jší byla nemožnost dodržet p?esný okamžik zážehu a výpadky v p?echodových režimech. Vysokofrekven?ní zapalování se p?es velký po?et zapalovacích impulz? za minutu p?i konstantní energií z n?jakých neznámých d?vod? nepoužívá, snad problémy s vf rušením.
Akumulátorové zapalování ze svého principu dodává v nízkých otá?kách dostatek energie, se zvyšujícími se otá?kami energie klesá. Magnetové zapalování má zcela opa?né chování, malá energie v nízkých otá?kách nar?stá ze zvyšováním otá?ek. Kapacitní zapalování má v celém použitelném rozsahu energii konstantní, oproti induktivním typ? má výrazn? strm?jší nár?st nap?tí na sví?ce (asi 60x) p?i zhruba ?tvrtinové i kratší dob? výboje. Protože kondenzátor se nabíjí na nap?tí mezi 300-500 V, které se pomocí tyristoru p?ipojí na primární vinutí cívky, zapalovací cívka slouží pouze jako transformátor. Toto zapalování je pro vysokou strmost nap?tí vhodné pro motory, kde dochází k ?astému zne?iš?ování sví?ek. Strmost ?ela zp?sobí výboj d?íve, než se sta?í po nižších odporech zne?išt?ného povrchu sví?ky vybít. Je vhodné pro motory s bohatší sm?sí, kde dojde i za krátký ?as výboje k zapálení. Zapalování piezoelektrické je vlastn? kapacitní beztransformátorové zapalování pracující na principu prudkého stla?ení piezoelektrického materiálu na bázi zirkonát? a titanát? olova silou okolo 5600 N, kdy se dosahuje nap?tí až 19 kV p?i kapacit? 90 pF. Jeho silnou stránkou je rychlost vzr?stu nap?tí až 50x vyšší než u zapalování tyristorového, slabinou p?esnost zážehu a selhávání p?i rychlých dynamických zm?nách. Používalo se v malém rozsahu jen u stabilních jednoválcových nebo dvouválcových motor?. Vysokofrekven?ní zapalování se od všech odlišuje tím, že se p?ed zážehem energie nikde neakumuluje, vf generátor se p?ipojí po dobu asi 350 µs na primární vinutí transformátoru s velkým p?evodem a na sekundáru se objeví vf nap?tí n?jakých 20 kV. Energie jiskry je konstantní a výrazn? v?tší než u ostatních soustav s možností regulace a po?et zapalovacích impulz? p?evyšuje 5 000/s (pot?eba zatím nep?ekro?ila 1 000 imp./s, v?tšinou se u víceválc? používají systémy rozd?lené na n?kolik ?ástí, vysv?tlím níže). Problémem je pravd?podobn? vf rušení, vn kabely p?sobí jako anténa, celá soustava musí být d?kladn? elektromagneticky odstín?na. Jinak zkušenost s tímto vlastnoru?n? vyrobeným zapalováním n?kdy z r. 1985, kdy bylo p?ipojeno na Jawu 350 a po nalití nafty (!) do nádrže se nastartovalo a odjelo. Motocykl se sice choval jako roztomilá dýmovnice, výkon žádná sláva, ale jelo to a neškubalo. Rezerva energie byla doslova gigantická. Protože tehdy nebyly k dispozici vhodné zalévací hmoty, zapalovací transformátor nám r?zn? po povrchu sršel (kapánek jsme to p?ehnali a trafo jsme navrhli na 100 kV) a tak celý vývoj rychle skon?il. N?jaký Slovák se s n??ím podobným n?kdy okolo r. 1983-4 také celkem s úsp?chem zabýval, dokonce n?jaká škodovka byla i s tímto zapalováním uvedena v Televizních novinách. Motor spoušt?l a jezdil "zásadn? bez použití syti?e" (n?kdy bych to cht?l vyzkoušet v praxi, jestli se s tím dá v?bec n?jak rozumn? jet bez nebezpe?í vyražení zub? o volant) a padl na ústa stejn? jako my, nikdo o to z tehdejších mocipán? neprojevil zájem a pokud nemáte možnost pozd?jšího uplatn?ní v praxi, pro jedno vozidlo se to nevyplatí dále vyvíjet. PAL sice "zapalování s trsem jisker" také krátce zkoušel jako jednu z možných variant pro tehdy vznikajícího Favorita, vývoj ani nebyl po?ádn? zapo?at a rychle byl bez dalšího zd?vodn?ní ukon?en. Tehdy nešlo ani tak o neschopnost vývoje, jako spíš o to, kde vzít pot?ebné sou?ástky v pat?i?ném množství, vše bylo státním plánem dop?edu ur?eno a b?da, jestli jsi cht?l n?co za tvrdou m?nu, to bylo jednání a ukecávání a p?esv?d?ování na p?tiletku (pokud jsi nem?l strejdu na pat?i?ném ministerstvu) a než jsi je ukecal, vývoj zastaral a sv?t nám dávno utekl. Takže se p?ešlo na klasiku, na ni nebyly zapot?ebí žádné zvláštní investice, rozd?lova?e a zapalovací cívky PAL vždy um?l vyrobit (cívky dokonce na sv?tové úrovni).
Jedním z d?ležitých parametr? výboje na sví?ce je strmost ?ela impulzu. ?ím v?tší strmosti se dosáhne, tím mén? energie je zapot?ebí k zapálení. Svod na zne?išt?ných plochách izolátoru sví?ky má odporov? - kapacitní složku. Tato kapacita se musí nabít a to pot?ebuje ?as. Pokud je impulz hodn? strmý, nesta?í se kapacita nabít d?íve než p?esko?í jiskra mezi elektrodami. P?i ionizaci dojde ke zvýšení vodivosti mezi elektrodami v takové mí?e, že veškerý proud výboje prochází tudy a na n?jaké svody kašle. Problémem induk?ních zapalování s kontakty je omezená možnost ovlivnit rychlost nár?stu proudu kv?li vlastnostem kontakt?, které musí mít paraleln? p?ipojený kondenzátor, který vše limituje.
P?i vývoji kontaktních zapalování se za?ala používat jedna finta. Cívka se spo?ítala na nap?tí o n?co nižší, asi na 7 V (maximální proud vychází asi na 5,5 A) a do série se p?idal p?ed?adný odpor. Tím vyšla nižší hodnota induk?nosti primárního vinutí. Celkový odpor vinutí a p?ed?adného odporu jsou pot?ebné 4 ?. (Pro spoušt?ní motoru se odpor p?emostil p?ídavným kontaktem ze spína?e spoušt??e, takže i když p?i spoušt?ní poklesne nap?tí akumulátoru, máme po?ád plnou energii jiskry.) Nižší induk?nost zmenšila ?asovou konstantu cívky a tím se zvýšila dosažitelná hranice otá?ek p?í stejné energii. (Další zvýšení hranice použitelných otá?ek se dá dosáhnout p?emost?ním p?ed?adného odporu kontaktem relé n?kde okolo 3 200 ot/min. Vzhledem na krátkou dobu sepnutí kontakt? proud nep?esáhne hranici 3,5 A. Toto ?ešení neklade žádné požadavky na zásahy do zapalovací soustavy. Je pot?eba vyrobit n?co podobné otá?kom?ru, co v požadovaných otá?kách sepne relé (nezapomenout na hysterezi, aby se v rozhodných otá?kách relé nezbláznilo). V p?ípad? poruchy relé auto pokra?uje dále v jízd?, funkce zapalování není ohrožena.) Není to nic nového, p?ed?adný odpor m?la dokonce i sov?tská auta, odpor byl umíst?n uvnit? cívky a ví?ko m?lo ?ty?i vývody, ?tvrtý se ozna?uje ?. 15a. PAL umístil odpor do keramického pouzdra a p?ipevnil na objímku sloužící k montáži na karosérii. U t?chto cívek je bezpodmíne?n? nutné dodržet p?ipojení kabel? na p?edepsaná ?ísla, jinak se m?že stát, že proud místo p?es vinutí bude procházet jen p?es p?ed?adný odpor.
Pokud jste se ve výše uvedeném "neutopili", museli jste dojít k n?kolika poznatk?m. Za prvé - ?ím v?tší je napájecí nap?tí, tím lze lépe p?izp?sobit konstrukci zapalovací cívky pot?ebám kontaktního systému. Proto se u 6 V soustav motocykl? používala pro každý válec jedna cívka s kontaktem, aby se dosáhlo požadované doby pln?ní cívky. P?i p?epo?ítání zapalování podle výše uvedeného p?íkladu na hodnoty nap?tí 6 V vychází ?asová konstanta 5 ms, odpor vinutí 2 Ohmy a proud v 6 000 ot/min asi 1 A a energie pouze 5 mJ. Ideální by bylo použití nap?tí 24 V, dosažené ?asové konstanty by byly s velkou rezervou dosta?ující pro provoz kontaktního zapalování u b?žného (nezávodního) motoru.
Ozna?ování klasických zapalovacích cívek "šestivoltová, dvanáctivoltová" je vlastn? také nep?esné. (V tom p?ípad? je cívka z Favorita "t?ívoltová".) Slouží jen pro ur?ení minimálního provozního nap?tí. Cívka by m?la být spíše ur?ována ?asovou konstantou, jenže to b?žnému motoristovi nic ne?íká. Jakoukoliv cívku m?žeme napájet t?eba 300 V, pokud zkrátíme dobu pln?ní cívky na dobu, kterou pot?ebuje na dosažení proudu 3,5 A (?ádov? v desítkách µs). Jenže problémem je dokázat vyrobit kontakty schopné tak krátké doby sepnutí, zatím mi není známo, že by se to n?komu povedlo.
Takže to uzav?eme. Induk?ní zapalování s kontakty je omezeno nemožností vyrobit kontakty schopné p?enášet velké proudy a z mechanicko - dynamického hlediska nutný malý odtrh kontakt? znemož?uje uko?írovat p?i nadm?rn? velkých proudech vznikající oblouk. Jedinou p?edností je jednoduchost a snadná opravitelnost i v polních podmínkách. Vyzna?uje se velkou energií v nízkých otá?kách a malou energií v otá?kách vysokých, p?i dalším zv?tšování otá?ek ztratí schopnost zapalování úpln?. Pokud zrovna nezávodíme, toto zapalování je do n?jakých 5 500 ot/min p?i správném se?ízení a dobrém technickém stavu všech p?íslušejících komponent? (rozd?lova?, kabely, sví?ky) pro chod motoru pln? vyhovující. Otázka je, nakolik jsou ostatní ?ásti systému v po?ádku, pokud dokáží odebrat 75% výkonu díky své opot?ebenosti, moc velká rezerva nám nezbývá.
Toto byl popis nejrozší?en?jších tzv. bipolárních tranzistor?, existují i jiné druhy tranzistor?, tzv. unipolární, které se ne?ídí proudem, ale elektrickým polem. Zatím se vývoj zapalování t?mito tranzistory nezabýval, i když vidím n?které typy jako velmi vhodné pro další pokusy.
Tyristor je výhradn? spínací sou?ástka, nelze ho provozovat v lineárním režimu. Proud protéká jen jedním sm?rem. Svým zp?sobem jde o diodu s ovládáním, tyristor je schopen usm?r?ovat st?ídavý proud. Jeho vlastností je schopnost zapnutí krátkým impulzem, tyristor se prudce otev?e a je trvale otev?en do doby, než poklesne procházející proud na nulu. Jinak se zav?ít nedá. (Dá, ale to se vzhledem k nebezpe?í poškození sou?ástky nedoporu?uje.) Vyrábí se v obou polaritách. Nejvíce se používá k ?ízení pomocí "o?ezávání" p?lperiod st?ídavých proud?, kdy speciální obvod zajistí správný okamžik otev?ení tyristoru krátkým impulzem a p?i pr?chodu st?ídavého proudu nulou se zav?e. Jeho zvláštností je, že p?i p?ekro?ení povoleného nap?tí se nezni?í pr?razem, ale normáln? se otev?e. Není to sice doporu?ovaný provozní stav, ale p?ekro?ení nap?tí mu na rozdíl od tranzistoru a diody moc neublíží. V zapalováních se používá k p?ipojení kondenzátoru k zapalovacímu transformátoru.
Triak jsou funk?n? vlastn? dva tyristory zapojené antiparaleln?, proto dokáže spínat i st?ídavý proud (ale každá p?lvlna se musí zvláš? sepnout). Chová se stejn? jako tyristor, ale spínací rychlost je menší a tak je použitelný asi do 400 Hz. V zapalováních se proto nikdy nepoužíval.
Pokud n?který z laik? n?co z tohoto popisu pochopil, budu to považovat za sv?j úsp?ch.
Prvopo?átky elektronických zapalovacích systém? zasahují do 60. let minulého století, kdy se poda?ilo vyrobit tranzistory s dostate?n? vysokým pr?razným nap?tím. Zpo?átku se pouze tranzistorem nahrazovaly kontakty, které pak sloužily pouze jako ovlada? tranzistor?. V?bec prvním známým pokusem bylo použití jednotranzistorového zapalování s tranzistorem se záv?rným nap?tím pouze 60 V (Delco), cívka m?la p?evodový pom?r 1:400. Celé zapalování m?lo 6 sou?ástek. Kontakty nebyly p?emost?ny kondenzátorem. Lucas už použil speciáln? vyvinutý tranzistor na 500 V, zapalování bylo dvoutranzistorové a tak m?lo o sou?ástku více. Používaná byla cívka se sníženou induk?ností s p?ed?adným odporem (proud nebyl ješt? elektronicky omezován). Bosch použil Darlingtonovo zapojení a zapalování m?lo 17 sou?ástek, induk?ní cívka už cosi o tranzistorech v?d?la (odpor primárního vinutí 0,4 Ohmu a p?ed?adné odpory 0,4 Ohmu a 0,6 Ohmu, ten v?tší se p?i startu p?emos?oval). Ze zapojení jsem nepochopil zp?sob omezování proudu, mohla tam být chyba, bylo to ru?n? p?ekreslováno z originálu. Podle propo?tu totiž do primáru cpali skoro 10 A. Všechna tato zapalování byla ?ízena problémovými kontakty. Jak jsem uvedl výše, správn? navržený kontakt se díky pr?chodu vlastn? "st?ídavého" proudu dokázal udržet ve form? i 50 000 km. Pokud jej elektricky odleh?ili a p?evedli na spínání malého stejnosm?rného proudu, kontakt svoji samo?isticí schopnost ztratil a zákonité nar?stání pahorku na jednom a vytvá?ení kráteru na druhém kontaktu se muselo velmi zrychlit (ov??eno vlastní zkušeností). Mechanicko-dynamické vlastnosti kontakt? se nezm?nily a tak tyto soustavy byly jen p?echodným ?ešením. V?tšinou se používaly pro dodate?nou montáž, velcí automobiloví výrobci je nebrali vážn?.
Velmi prudký rozvoj elektronických zapalovacích soustav nastal po roce 1973, kdy po celosv?tové energetické krizi a hlavn? tlaku ze strany ekologie v USA museli všichni výrobci automobil? snížit spot?ebu a p?ejít na používání bezolovnatého paliva a pozd?ji také katalyzátor?, kde bylo nutné omezit pokud možno na nulu vynechávání zážeh?, protože nespálené palivo ohrožuje životnost katalytického systému. A protože Ameri?ani jsou svým zp?sobem líní jako p?ežraní vep?i a navíc dost tupí, muselo toto zapalování být co nejblbuvzdorn?jší. Celý rozd?lova? byl nerozebíratelný (aspo? pro normálního smrtelníka), vše pat?i?né se ukrylo dovnit? a namontovalo do jediné možné polohy (nešlo se?izovat). Z tohoto d?vodu se musely kontakty nahradit n??ím, co se dlouhodob? (pokud možno na v?ky) nemuselo ošet?ovat. A tak vznikly první konstrukce bezkontaktních elektronických zapalování. Jako sníma?e polohy se za?aly používat sníma?e známé z m??ící a regula?ní techniky, jen se konstruk?n? upravily na t?žké provozní podmínky v automobilech. Zpo?átku velmi oblíbené optické systémy byly rychle nahrazeny sníma?i induk?ními n?kolika druh? a pozd?ji - díky technologickému pokroku - se za?aly hojn? používat magnetické sníma?e na principu Hallova generátoru, které nyní p?evládají.
Optické sníma?e pracují na principu snímání sv?tla, které v pat?i?ném okamžiku zakryje nepr?svitná clona (nebo naopak). Jako zdroje sv?tla se používala miniaturní podžhavená žárovka (dv?, aby p?i poruše jedné z nich zapalování neztratilo funk?nost) a pozd?ji LED dioda, snímacím prvkem byl fototranzistor. Systém se špinil a tak byla ob?as kontrola nutná. Problémy se neodstranily ani p?i použití LED diod s infra?erveným zá?ením, nebyly sice na zašpin?ní tak citlivé, ale problém malé teplotní odolnosti (asi do 85°C) p?etrvával. Výhodou byla rychlost a p?esnost spínání a na nastavování nebylo nutné vlastnit speciální pom?cky. General Electric používal optosystém u svého kondenzátorového zapalování. V Evrop? se v prvovýrob? nepoužívají (aspo? o tom nevím).
Induk?ních typ? se používá n?kolik. Nejznám?jší je u nás (díky Favoritu) velmi populární typ s otá?ivými m?stky. Funguje na stejném principu jako magneto - pr?chodem permanentního magnetu kolem cívky se v ní naindukuje nap??ový impulz, který se dále zpracuje elektronikou a ur?uje okamžik zapálení jiskry. Je jasné, že sníma? vypadá dost odlišn? od magneta, ale základní princip je stejný. V praxi se dnes ustálilo provedení, kde je na h?ídeli rozd?lova?e místo va?ky hv?zdice z magneticky m?kkého materiálu, která má tolik ramen, kolik má motor válc?. Pod ní je permanentní magnet, který ji magnetuje. Na obvodu t?lesa rozd?lova?e jsou na ur?ených místech ocelové výstupky ve stejném po?tu jako ramen hv?zdice. Tyto výstupky jsou sou?ástí jádra cívky, do které se indukuje nap?tí. P?i otá?ení hv?zdicí se p?i pr?chodu ramen v t?sné blízkosti výstupk? indukuje nap?tí v cívce. Podle velikosti, tvaru ramen a výstupk? má výstupní impulz tvar. Tohoto principu se využívá p?i ?ízení doby pln?ní cívky, aby byla pokud možno konstantní. Na indukování impulz? by sta?il jen jeden výstupek, ale m??ením se zjistilo, že se impulz díky rozptylu výrobních tolerancí pro každý válec m?ní. Použití ?ty? výstupk?, p?estože každý z nich dává jiný impulz v jednom moment?, má výhodu v tom, že se všechny dohromady v cívce zpr?m?rují. Proto je každý impulz tém?? stejný. Výhoda tohoto sníma?e je v neomezené životnosti, nic po sob? neb?há a indukovaný proud je malý. Nevýhodou je velmi malé indukované nap?tí v malých otá?kách, kdy pod ur?itou hranicí otá?ek (asi 35 ot/min) je impulz nepoužitelný. Vzniklé vysoké nap?tí impulzu ve vysokých otá?kách není problém elektronicky omezit. Pokud motor stojí, není indukován žádný impulz. P?i pr?chodu ramena hv?zdice kolem výstupku se vždy indukují impulzy dva (stejn? jako v magnetovém zapalování), jeden záporný a druhý kladný, jen jeden z nich se využívá k ?ízení doby sepnutí, druhý se ignoruje. Dalším typem je sníma? s oscilátorem a vazebními m?stky. Místo hv?zdice je kotou? z magneticky nevodivého materiálu, v kterém jsou umíst?ny feritové vložky podle po?tu válc?. Sníma?em jsou dv? cívky ve feritovém hrní?ku navzájem od sebe magneticky odstín?né. Jedna z nich je trvale buzena pevným kmito?tem z oscilátoru, p?i podsunutí feritové vložky rotoru pod sníma? se zesílí magnetická vazba pro druhou cívku a tak se do ní indukuje st?ídavé nap?tí z cívky první. Tento signál se potom elektronicky zpracuje pro ?ízení zážehu. Výhodou je necitlivost na rychlost otá?ení rotoru, protože dokud je vazba mezi cívkami, indukuje se st?ídavé nap?tí trvale. Pokud p?i stojícím motoru z?stanou zrovna ferity proti sob?, dostáváme trvalý signál. Kmito?et musí být dostate?n? vysoký, aby se i ve vysokých otá?kách sta?ilo n?co naindukovat. S tímto sníma?em ud?lal díru do sv?ta Lucas. Induk?ní sníma?e na principu zatlumení oscilátoru p?i p?iblížení ke kovovému p?edm?tu mají stejné vlastnosti, ale v?tšinou mají malou spínací rychlost, tím se vnáší do systému další chyba, která se musí ?ešit korekcemi v programu po?íta?e. Nevím, jestli se v automobilové technice používají, zatím jsem se s nimi nesetkal.
V?bec nejlepším sníma?em je Hall?v generátor. Jde o sou?ástku na principu Hallova jevu, kdy se p?i pr?chodu magnetického pole kolmo na ?ip vytvo?í na výstupu nap?tí v mV p?ímo úm?rné magnetickému toku. Princip je to relativn? starý, ale o jeho rozší?ení se postaral až snad Philips, který za?al vyráb?t celou škálu t?chto generátor?. Nap?. na jeden ?ip slou?il Hall?v generátor, zesilova? a vyhodnocovací obvod, který dvoustavov? (zap. - vyp.) reaguje na p?ítomnost magnetického pole. Potom sta?í vzít tuto sou?ástku o rozm?ru cca 3x2 mm se t?emi vývody, pat?i?n? p?ipevnit, p?ivést 5 V, na otev?ený kolektor NPN p?ipojit vstup zapalování a pomocí p?izp?sobeného magnetického obvodu m?žeme t?žce fraje?it. Mechanicky se to ?eší tak, že je sníma? v jednom držáku proti sob? s magnetem a št?rbinou mezi nimi probíhá ocelová deska s vý?ezy, která vždy svede magnetické pole mimo osu sníma?e. Celé je to tak malé, že s tím lze nahradit kontakty v p?vodním rozd?lova?i. Spínací rychlost 25 kHz a 125 °C není žádný problém, cena samotného Hallova generátoru okolo 60,- K? je problém ješt? menší. GES electronic v katalogu nabízel svého ?asu integrovaný senzor KMI 15/1. Tento senzor má z jedné strany mr?avý magnet a z druhé strany snímá nap?. ocelové zuby n?jakého kola. Napájení cca 12 V, výstup proudový 7 mA (bez zubu) a 14 mA (se zubem) p?i max. teplot? 85°C. Snese i v?tší teplotu, potom jsou hodnoty proud? trochu jiné. Není sice úpln? nej, ale hodit se m?že. Dnes vlastn? všechna nová vozidla mají Hall, bu? ješt? jako sou?ást rozd?lova?e, nov?ji (a lépe) na setrva?níku. Pokud máte zájem, vykuchejte rozd?lova? z Felicie 1,6.
Takže sníma?e polohy klikového h?ídele bychom m?li. Te? tedy k elektronickému zapalování. Celý problém induk?ního zapalování tkví jen a pouze v protich?dných požadavcích na hodnotu odporu a velikost induk?nosti primárního vinutí, vynucené použitím kontakt? jako ovládacího prvku. Abychom nemuseli mít bolení hlavy s kontakty, nahradíme je tranzistorem. Jenže - tranzistor má v otev?eném stavu n?jaký úbytek nap?tí i když je v saturaci. Tento úbytek m?že podle typu dosáhnout až 3,5 V a toto nap?tí se ode?te od napájecího, takže místo 14 V máme jen 10,5 V. Pokud použijeme p?vodní zapalovací cívku, spo?ítanou pro kontakty (dobrý kontakt má úbytek asi 50 mV) a p?epo?teme podle Ohmova zákona proud primárním vinutím, najednou zjistíme, že zapalování je vlastn? ješt? horší než p?vodní kontaktní. Z tohoto d?vodu byly vyvinuty speciální tranzistory pro elektronická zapalování, kde je satura?ní nap?tí výrazn? nižší. Satura?ní nap?tí se zvyšuje se záv?rným nap?tím tranzistoru, proto používat tranzistory na 1 000 V je zbyte?ný a škodlivý p?epych (nap?. SU 169). Ale i p?esto, že máme tranzistory se saturací jen 1,1 V, je to p?esto ješt? mnoho. Protože saturace je také omezující ?initel. Jak jsem uvedl výše, saturace zpomaluje zavírání tranzistoru se všemi negativními d?sledky na tvorbu jiskry. Aby se využily všechny vlastnosti tranzistoru, je zapot?ebí ho dostat ze saturace do lineárního režimu. Není to nic t?žkého, ale v tom p?ípad? se zvýší úbytek nap?tí na tranzistoru a jsme tam, kde jsme necht?li být. Všechna zve?ejn?ná tranzistorová zapalování, která byla zapojena jako klasická a používala klasickou zapalovací cívku, jsou z d?vodu vlastností tranzistoru energeticky horší než kontaktní, a? je jejich vnit?ní zapojení sebegeniáln?jší. Pokud se n?komu zdálo po montáži, že se chování motoru zlepšilo, šlo jen o subjektivní dojem podpo?ený tím, že p?i takovéto akci v?tšinou došlo k se?ízení motoru a zapalovací soustavy (p?edstih, úhel sepnutí atd.). Jediné zlepšení, které mohlo nastat, že se použil daleko menší kondenzátor na p?emost?ní tranzistoru a tím se zvýšila strmost ?ela impulzu. U starších konstrukcí motor?, kde se ?asto zaolejovávaly sví?ky, to mohlo význam mít. Pokud n?kdo osvícený použil cívku s p?ed?adným odporem a tento odpor vy?adil, pom?ry se znateln? zlepšily a získaná energie se mohla p?iblížit p?vodnímu kontaktnímu zapalování. V?tšinu zve?ejn?ných zapalování tohoto typu jsme m??ili a naše p?edpoklady byly do puntíku spln?ny. Nejvíc nadskakuji, když n?kdo šet?í, kde nemá a po?ídí si za velký peníz bezkontaktní rozd?lova? (kterému ani nep?estaví odst?edivou regulaci) a elektronický spína? z Favorita, ale cívku (za babku) nekoupí a ponechá p?vodní s p?ed?adným odporem, který nevy?adí. A takových šikul? vidím na internetu dost a ješt? se tím chlubí. Ono to sice jiskru dává, ale jakou! (Aspo? vidíte, jak jsou kontaktní zapalování výkonné.) Je smutné, když publikují "vynikající konstrukce" elektronických zapalování lidé s r?znými tituly (Ing., RNDr.), kte?í na n?co "objevného" p?ijdou a svorn? zopakují všechny chyby svých p?edch?dc?. Ob?as se jim omylem (v?bec neví pro?) poda?í eliminovat ur?itá negativa v úzkém a málo používaném rozsahu provozních stav?, ale na druhé stran? zhorší parametry v d?ležit?jším zbytku (a ješt? za to dostanou honorá?).
Pokud chcete vytvo?it skute?n? celkov? energeticky siln?jší zapalování, musíte mít jinou zapalovací cívku. Jak jste si p?e?etli v p?edchozích ?ádcích, pro výkon ve vysokých otá?kách je d?ležitá co nejmenší ?asová konstanta, aby se cívka bleskov? nabila. Odpor vinutí nás až tak moc nezajímá, tranzistor snese daleko více než kontakty a tak je rozhodujícím faktorem induk?nost, která by m?la být co nejmenší, ale zase ne moc, potom klesá energie jiskry. Takže si vezmeme cívku z Favorita, která je na takové zapalování nejvhodn?jší (zahrani?ní cívky na tom lépe nejsou). (Te? nepoužijeme rozd?lova? ani spína? z Favorita, to umí každý.) Dejme tomu, že již máme vy?ešené snímání Hallem nebo n??ím podobným a tak nás tato v?c nebude rozptylovat. Jako ?ídicí obvod, který nám zabezpe?í konstantní dobu pln?ní cívky, lze úsp?šn? použít obvod L 482 podle katalogového zapojení (jinak to ani nejde). Jako výstupní prvek se použije tranzistor BU 921, 931 apod. (pozor na p?ípojná písmena, protože nap?. BU 921 má dalších 8 podtyp?, BU 931 šest, a ne všechny mají požadované parametry!). Každopádn? musí jít o Darlington na 400-450 V a min. 10 A (hlavn? se musí rychle zavírat, rychlost otvírání není tak d?ležitá). Pokud je v katalogu n?jaký typ p?ímo ur?en pro zapalovací soustavy, nep?emýšlejte a berte. Pokud použijete obvod L 482, ten za vás spoustu v?cí vy?eší, protože jsou v n?m integrovány všechny ochrany a omezení. Pokud budete ?ešit dobu pln?ní jinak (bez mikroprocesoru velmi obtížn?, ale jde to), je nutné ochrany zapojit individuáln?. Proudová ochrana se ?eší klasickým zp?soben pomocí m??icího odporu 0,1 Ohmu/5 W v emitoru a dalším tranzistorem (sta?í BC 639). Tato ochrana je bezpodmíne?n? nutná, jinak je tém?? stoprocentní jistota spálení tranzistoru p?i "chyb?" v ?ízení doby sepnutí (dost ?astý jev, sta?í ponechat zapnutý klí?ek p?i stojícím motoru). P?ep??ová ochrana bu? Zenerovou diodou na cca 360 V (2x180 V v sérii), která se zapojí mezi kolektor a bázi BU 921 (ješt? lepší než Zenerka je transil). Tranzistor p?emostíme kvalitním kondenzátorem 33 nF/1 000 V, nad touto hodnotou nespekulujte, m??ilo a zkoušelo se dost dlouho na to, aby se našla správná hodnota. Budicí proud musí být okolo 200-250 mA, takže odpor vychází 56 Ohm?/5 W, pro tranzistory na 15 A sta?í 68 Ohm?. Tento odpor spínáme tranzistorem PNP (BC 640). Pokud použijete proud menší, tranzistor nedostanete do saturace a tím ztrácíte všechny výhody této zapalovací cívky.
To bychom m?li. A jak to vlastn? funguje. P?ipojíme svorku ?. 1 ke kolektoru BU 921, na svorku ?. 15 p?ivedeme palubní nap?tí (14 V). Te? sepneme PNP tranzistor, p?es odpor 56 Ohm? za?ne do báze BU 921 téct proud, tranzistor se otev?e až do saturace a primárním vinutím za?ne protékat proud. (Odpor primáru je n?kde okolo hodnoty 0,75 Ohmu, tém?? zkrat.) Protože induk?nost vinutí zp?sobuje pomalejší nar?stání proudu, dosáhne se proudu 6 A za 2 ms. Te? za?ne pracovat omezovací tranzistor BC 639 s pomocí odporu 0,1 Ohmu. Na n?m se vytvo?í úbytek nap?tí 0,6 V, který zp?sobí otevírání tranzistoru. Toto otev?ení ale zp?tn? p?iv?e BU 921, dostane ho ze saturace do lineárního režimu. Ustálení pom?r? nastane asi za 0,5-1 ms (krásn? vid?t na osciloskopu). Te? dá Hall povel k uzav?ení tranzistoru PNP, ten p?eruší proud do báze BU 921 a tento se díky odpor?m uvnit? pouzdra velmi rychle zav?e. Tím prudce zanikne proud primárem a, stejn? jako p?i rozpojení kontakt?, vznikne na sekundáru vysokonap??ový impulz. Takto p?i dodržení konstantní doby pln?ní cca 3 ms (2 ms v saturaci + 1 ms desaturace) dává plnou energii od nuly do 6 000 ot/min. Lépe to nejde vymyslet, vše se zkoušelo. (Pokud má n?kdo lepší zkušenost s aktivním zavíráním, je to asi tím, že nepoužívá desaturaci a odvedení elektron? z p?echodu je tranzistorem rychlejší než integrovanými odpory v ?ádech kOhm. Takové ?ešení pravd?podobn? zlepší ?innost zapalování s klasickou cívkou.) Cívka s ješt? menší ?asovou konstantou pro b?žný provoz nemá význam a špatn? se technologicky ?eší. Zvyšování primárního proudu nad cca 6,5 A ztrácí smysl, jiskra lépe nezapálí a navíc se pro dosažení proudu 8 A prodlouží doba pln?ní o dalších 0,66 ms. (Udávaná hodnota 6 až 8 A v technických listech zapalování Favorit je rozptyl, který nastává p?i výrob? používáním sou?ástek s tolerancí pokud možno co nejv?tší (20%) - tyto sou?ástky jsou nejlevn?jší. Ve vysokých výrobních po?tech se po?ítá každý desetník.) Pokud si n?kdo myslí, že 6 A je málo, a? se zkusí za chodu dotknout vývod? cívky, smíchem se neudrží minimáln? ?tvrt hodiny.
Cívka z Favorita nemá nijak zvláš? malou induk?nost, použitá hodnota asi 3-4 mH je kompromisem mezi velikostí dosažené energie a maximálním proudem. ?asová konstanta je v?tší, ale je vypo?ítaná pro proud asi 17 A. Rychlost nár?stu proudu je díky malému odporu vinutí výrazn? vyšší a na osciloskopu se do 6 A jeví jako p?ímka. Protože se už technicky vy?erpala možnost "narovnávání" nár?stu proudu, další snižování induk?nosti by p?ineslo pokles dosažitelné energie. Krátká doba 2 ms sta?í pro dosažení proudu 6 A, na kterém za?íná desaturace tranzistoru a to nám ke št?stí bohat? sta?í.
Jeden paradox - p?estože máme lepší cívku, energie jiskry je dokonce o n?co menší, než maximáln? dosažitelná p?i použití klasického kontaktního zapalování (p?es 60 mJ, jak jsem uvedl výše). Je to dáno tím, že množství akumulované energie je dáno velikostí induk?nosti primáru a ?tverce proudu. Pokud tedy z hlediska rychlosti nár?stu proudu snížíme induk?nost, musíme zvýšit procházející proud. Obojí je na sob? závislé a tak se dostaneme na n?jakou hranici, která se technicky nedá p?ekro?it (v nízkých otá?kách ano, tam je dost ?asu na v?tší nár?st proudu, ovšem konstrukce cívky PAL na to není po?ítaná). Energie jiskry u Favorita se pohybuje n?kde okolo 45-55 mJ. To je hodnota více než dostate?ná. Rozdíl je v jednom - elektronické zapalování má konstantní energii jiskry a totéž se dá ?íct o dosaženém sekundárním nap?tí a strmosti ?ela impulzu v celém rozsahu provozních otá?ek (0-6 000 ot/min), protože doba pln?ní cívky je po?ád stejná a také rychlost zav?ení tranzistoru ("rozepnutí kontakt?") je konstantní. V tomto je nejv?tší síla elektronických zapalování, protože vstupní podmínky pro vytvo?ení jiskry jsou vždy stejné a tedy i jiskra je stejná a možnost vynechání zážehu klesá k nule.
Co se za?ne dít p?i p?ekro?ení otá?ek 6 000 ot/min. Vlivem stále vyšších otá?ek a zm?n? ?ídicího impulzu ze sníma?e (p?i použití L 482 z?stává p?i p?ekro?ení t?chto otá?ek doba sepnutí úhlov? konstantní - jako u kontakt? - v pom?ru 3:7) za?ne se zkracovat doba pln?ní. Nejd?íve se vy?erpá "klobou?ek" desaturace (n?kde na 9 000 ot/min) a potom tranzistor za?ne rozpínat pomaleji, to ovlivní sekundární nap?tí a energii jiskry. Ješt? je po?ád dost energie na zapálení, ale už za?íná kolísat a pomalé zavírání tranzistoru ovliv?uje i moment vytvo?ení jiskry, takže se ?áste?n? rozhodí i p?edstih (chybu lze zanedbat). P?i dalším zvyšování otá?ek za?íná klesat proud primárem a navíc se zkracuje doba na dokmitání (vybití) cívky. Pokud použijeme elektronický spína? z Favorita, zpožd?ní v obvodu již dávno vy?adí zapalování z ?innosti. Jinak se za?ne jiskra ?ím dále rychleji zeslabovat, až zapalování zkolabuje úpln?. Kdy to p?esn? nastane si z PALu nepamatuji a ani jsem to nikdy nem??il. Každopádn? lze cívku použít do 8 200 ot/min, škodovky víc neto?ily (rozvod OHV je p?íliš pružný na vyšší otá?ky, vysv?tlím v ?lánku o motoru). Pokud chce n?kdo za každou cenu mít konstantní energii až do t?chto otá?ek, a? použije dvouvývodové cívky z Felicie 1,3 MPi. U nich je dvojnásobná doba na pln?ní, tam má rezervu až do 12 000 ot/min.
Te? už víte, že kombinovat rozd?lova? s elektronickým spína?em z Favorita s klasickou zapalovací cívkou je to nejhorší, co m?žete svému fáru ud?lat. Máte sice také "konstantní energii", ale n?kde na spodní hranici funk?nosti. Navíc o desaturaci si m?žete nechat zdát, protože proud p?es klasickou cívku nedosáhne nikdy 6 A, kdy za?íná desatura?ní fáze.
BU 921 byl prvním specializovaným Darlingtonem pro elektronická zapalování (Siemens, Telefunken). Poda?ilo se technologicky vy?ešit malé satura?ní nap?tí p?i relativn? vysokém záv?rném nap?tí C-E 400 V. Velký proud do báze je skute?n? nutný, jinak se saturace nedosáhne. Kdysi dávno se mi dostalo do ruky schéma zapalování od Siemense ?ízené optickým sníma?em, kde byla hodnota odporu báze uvedených 56 Ohm?. Zdálo se mi to málo, že je tam asi chyba. Tak jsem si ho postavil a na osciloskopu pozoroval pr?b?hy. Podle výše uvedených hodnot sou?ástek vzr?stá proud primárním vinutím prakticky lineárn?. (Jakmile jsem proud zmenšil, okamžit? došlo k zakulacení pr?b?hu nár?stu proudu a tím se významn? zv?tšila ?asová konstanta. Tranzistor dal okamžit? najevo svoji nevoli zvýšením teploty.) Aktivace proudového omezení není okamžitá, dojde k p?ekmitnutí asi o 0,5 A (zobrazí se jakoby klobou?ek) a poté už drží trvale vodorovnou p?ímku na 6 A. Doba trvání "klobou?ku" je okolo 0,5 - 1 ms. Zav?ení tranzistoru (zánik proudu) se mi nepoda?ilo zrychlit, tranzistor je nez?ízen? rychlý sám o sob?. V n?kterých schématech je p?emost?ní tranzistoru kondenzátorem vypušt?no, funguje to i bez n?j, ale pokud p?ipojíte hodnotu 33 nF, zm?ní se charakter jiskry, jako by byla teplejší. To mi pozd?ji potvrdili i z vývoje PALu, kondenzátor v zapalováních pro Favorita je. Dnes existují zapalovací tranzistory na proudy v?tší, potom sta?í dát odpor 68 Ohm?, v procentuáln? menších pom?rech proud? (maximální tranzistoru a skute?n? používaný provozní) sta?í menší buzení. V bývalé NDR vyráb?li ekvivalent SU 111, nikdy jsem ho nem?l v ruce a tak nevím, jak se chová. Výrobek Tesly KU 921 v pouzd?e TO 220 se mi neosv?d?il, tranzistor byl n?jaký nak?áplý a nechoval se v saturaci a desaturaci jak m?l, hledal jsem to v chyb? zapojení nebo jiné vadné sou?ástce, po vým?n? za BU 921 bylo vše v po?ádku. Možná to byla chyba kusu, další jsem již nezkoušel. V pouzd?e TO 3 jsem ho nesehnal a nevím, jestli ho Tesla v?bec vyráb?la.
Pokra?ování v ?lánku Zapalování II.
Autor článku: CJ (Ji?í ?ech)
E-mail: jicech@quick.cz