ŠKODA techweb [homepage]
Elektrika
14. listopadu 2002

Zapalování

podrobný popis


Tento článek bude asi hodně zajímavý a poučný pro mnoho budoucích zlepšovatelů a hodně trpký pro "vývojáře", provozovatele různých zaručeně vynikajících konstrukcí a mnoho dalších, kteří od zapalování očekávají zázraky.

Historie zapalovacích soustav sahá až do předminulého století, kdy určití pánové v Německu započali rozvíjet Ottův spalovací motor k obrazu svému. Zapalování se tehdy skládalo z nízkonapěťových pohyblivých kontaktů ve spalovacím prostoru, kde při jejich odtržení vznikla jiskra. Toto fungovalo maximálně do gigantických 400 ot/min (to není chyba). Zapalování nafty a petroleje se zase řešilo jinak. Zařízení se skládalo z jednoduché trubky, která se rozžhavila, umístila do spalovacího prostoru válce motoru a po ručním roztočení motoru svým teplem zapalovala v nedefinovatelnou dobu nasátou směs. Rozžhavenost byla udržována spalovacím procesem tak dlouho, dokud směs proudila do válce. Motory tehdy nebyly schopné vysokých otáček, kompresní poměry se plácaly někde okolo 4-6:1 a tak tato metoda vyhovovala. Později se místo trubky používala žárová stěna, která se z vnějšku "letlampou" nažhavila. Odzvonilo jí s nástupem vysokotlakých vstřikovacích čerpadel. (Ještě po II. světové válce běhaly po republice traktory Lanz - Buldock s pomaloběžným dvoudobým jednoválcem s tímto systémem. Žárová stěna hlavy se nažhavila do červena a motor se roztáčel pomocí volantu, který se nasadil na volně přístupný setrvačník, trhnutím se motor roztočil (chtělo to cvik, abys volant rychle sundal, jinak Ti nafackoval a nebo jsi neměl čím řídit). Traktor neměl zpátečku a tak změna směru se prováděla zhasnutím motoru a jeho natočením v opačném směru. Kdo to uměl, tak regulací přívodu paliva dosáhl zpomalení otáček motoru, až přešel do kývavého pohybu a v přesně určený okamžik přidal plyn, motor se pak roztočil na druhou stranu, takže jsi měl čtyři "kvalty" i dozadu. To nebyl vtip, otec se s ním něco navyváděl.) Tento systém se dodnes používá u modelářských motorků, místo trubky je tam žhavicí svíčka. Ono to ani jinak nejde, zapalovací soustava jiného typu je pro modely letadel příliš těžká a navíc spolehlivě zapalovat při 36 000 ot/min není tak jednoduché.

Přesně před sto lety přišel strejda Bosch se zapalovací svíčkou a magnetoinduktivním zapalováním, jehož principu se používá dodnes. Přestože je tento systém rekordmanem v neúčinnosti (příkon je více než tisíckrát větší než získaná energie jiskry), žádný jiný typ zapalování se tak dobře neosvědčil. Od té doby se všechny zainteresované vývojové kapacity snažily rozvíjet tento systém za účelem vyšší spolehlivosti a životnosti. První zapalovací svíčky byly složené z několika kusů a jejich životnost nepřesahovala 1 000 km. Již tehdy měla několik vnějších elektrod, které se dnes vydávají za vrchol Hi-Tech. O nějaké širokopásmovosti nebyla řeč, pro zimní podmínky se používaly svíčky jiné než pro letní období. Ve svíčkách se udělal snad největší pokrok s ohledem na jejich tehdejší a dnešní vlastnosti. Bylo uděláno nespočet různých pokusů a měření, co se týkalo vlivu zapalovacích soustav na činnost motoru, aby se našla nějaká hranice, pod kterou a přes kterou jít nelze (výkon zapalovací soustavy v přepočtu na energii jiskry atd.). Za tu dobu vzniklo množství různých konstrukcí od klasických, přes různé bzučákové úlety až po dnešní výkonné a spolehlivé elektronické systémy.

Vliv zapalování na chod motoru (výkon, emise, spotřeba):

Zapalování musí být schopné zapálit směs ve válci v přesně určenou dobu ve všech rozsazích otáček, teplot, složení směsi, přechodových stavech a to vždy a pokud možno nemá odebírat mnoho energie z práce motoru. Do klasické zapalovací soustavy patří svíčky, vysokonapěťové kabely, zapalovací cívka, rozdělovač s regulátory předstihu, přerušovačem a kondenzátorem. Při předpokladu, že je tato soustava řádně seřízena, celá věda je pouze ve správném okamžiku zapálení. Pokud dojde k řádnému zapálení, vliv zapalovací soustavy na motor končí. Toť vše. Větší vliv má spíše použití lepších nebo konstrukčně jinak upravených svíček.
Zklamání? Ani se nedivím. Vliv zapalování se skutečně přeceňuje. Byla provedena měření na zjištění vlivu energie jiskry na zapálení směsí s různým složením, měřil se vliv vzdálenosti elektrod svíčky atd. A zjistila se jedna zajímavá věc. Pokud je celý motor v dobrém technickém stavu, stačí na zapálení energie menší než 350.10-7 J, to je méně, než energie naakumulovaná jen do kapacity svíčky. Pouze v případech chudých směsí a spouštění za velmi nízkých teplot dosahuje potřebná energie až 4 000.10-7 J. Tyto hodnoty jsou mnohonásobně menší, než se běžně dosahují u používaných kontaktních soustav. Takovéto předimenzování je nutné z hlediska ztrát od zapalovací cívky k elektrodám svíčky. Ztráty v rozdělovači, vysokonapěťových kabelech a znečištění svíčky mohou při opotřebení provozem dosahovat takových hodnot, že se veškerá energie jiskry v nich spotřebuje. Předimenzování je proto z hlediska funkce nezbytností. Dnes k tomu přistoupila potřeba dodržování emisních limitů, kdy vynechané zážehy zvýší obsah HCx a nespálené palivo ohrožuje katalyzátor. Proto se nyní používá energie jiskry ještě o něco větší, hlavně je kladen důraz na konstantní hodnotu energie ve všech myslitelných provozních režimech a zvlášť při dynamických změnách. Běžné soustavy disponují energií zhruba 40-70 mJ (J=Ws). Větší hodnoty již nemají na chod motoru žádný pozitivní vliv, pouze se více opalují elektrody svíček. Z těchto měření vyplynuly nyní používané hodnoty platné obecně pro všechna provedení zapalovacích soustav.

Nejčastěji používaným zapalovacím systémem je indukční zapalování napájené z akumulátoru, vyznačuje se akumulací energie jiskry v zapalovací cívce, resp. vzduchové mezeře cívky. Přes dlouholetý vývoj je princip pořád stejný, s kterým přišel Bosch. Odlišuje se jen použitím nových komponentů, kontakty nahradily snímače na indukčním nebo magnetickém principu, doba plnění cívky se řídí elektronickými soustavami a proud spíná tranzistor. Dalším indukčním systémem je magnetové zapalování, kde není akumulátor zapotřebí, 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 vlastně o druh kapacitního zapalování) a zapalování vysokofrekvenční. Prakticky se nepoužívají, piezoelektrické zapalování "umřelo na krásu", protože jeho nesporné výhody byly převáženy spoustou nevýhod, z nichž ta nejpodstatnější byla nemožnost dodržet přesný okamžik zážehu a výpadky v přechodových režimech. Vysokofrekvenční zapalování se přes velký počet zapalovacích impulzů za minutu při konstantní energií z nějakých neznámých důvodů nepoužívá, snad problémy s vf rušením.

Akumulátorové zapalování ze svého principu dodává v nízkých otáčkách dostatek energie, se zvyšujícími se otáčkami energie klesá. Magnetové zapalování má zcela opačné chování, malá energie v nízkých otáčkách narůstá ze zvyšováním otáček. Kapacitní zapalování má v celém použitelném rozsahu energii konstantní, oproti induktivním typů má výrazně strmější nárůst napětí na svíčce (asi 60x) při zhruba čtvrtinové i kratší době výboje. Protože kondenzátor se nabíjí na napětí mezi 300-500 V, které se pomocí tyristoru připojí na primární vinutí cívky, zapalovací cívka slouží pouze jako transformátor. Toto zapalování je pro vysokou strmost napětí vhodné pro motory, kde dochází k častému znečišťování svíček. Strmost čela způsobí výboj dříve, než se stačí po nižších odporech znečištěného povrchu svíčky vybít. Je vhodné pro motory s bohatší směsí, kde dojde i za krátký čas výboje k zapálení. Zapalování piezoelektrické je vlastně kapacitní beztransformátorové zapalování pracující na principu prudkého stlačení piezoelektrického materiálu na bázi zirkonátů a titanátů olova silou okolo 5600 N, kdy se dosahuje napětí až 19 kV při kapacitě 90 pF. Jeho silnou stránkou je rychlost vzrůstu napětí až 50x vyšší než u zapalování tyristorového, slabinou přesnost zážehu a selhávání při rychlých dynamických změnách. Používalo se v malém rozsahu jen u stabilních jednoválcových nebo dvouválcových motorů. Vysokofrekvenční zapalování se od všech odlišuje tím, že se před zážehem energie nikde neakumuluje, vf generátor se připojí po dobu asi 350 µs na primární vinutí transformátoru s velkým převodem a na sekundáru se objeví vf napětí nějakých 20 kV. Energie jiskry je konstantní a výrazně větší než u ostatních soustav s možností regulace a počet zapalovacích impulzů převyšuje 5 000/s (potřeba zatím nepřekročila 1 000 imp./s, většinou se u víceválců používají systémy rozdělené na několik částí, vysvětlím níže). Problémem je pravděpodobně vf rušení, vn kabely působí jako anténa, celá soustava musí být důkladně elektromagneticky odstíněna. Jinak zkušenost s tímto vlastnoručně vyrobeným zapalováním někdy z r. 1985, kdy bylo připojeno 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 různě po povrchu sršel (kapánek jsme to přehnali a trafo jsme navrhli na 100 kV) a tak celý vývoj rychle skončil. Nějaký Slovák se s něčím podobným někdy okolo r. 1983-4 také celkem s úspěchem zabýval, dokonce nějaká škodovka byla i s tímto zapalováním uvedena v Televizních novinách. Motor spouštěl a jezdil "zásadně bez použití sytiče" (někdy bych to chtěl vyzkoušet v praxi, jestli se s tím dá vůbec nějak rozumně jet bez nebezpečí vyražení zubů o volant) a padl na ústa stejně jako my, nikdo o to z tehdejších mocipánů neprojevil zájem a pokud nemáte možnost pozdějšího uplatnění 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 pořádně započat a rychle byl bez dalšího zdůvodnění ukončen. Tehdy nešlo ani tak o neschopnost vývoje, jako spíš o to, kde vzít potřebné součástky v patřičném množství, vše bylo státním plánem dopředu určeno a běda, jestli jsi chtěl něco za tvrdou měnu, to bylo jednání a ukecávání a přesvědčování na pětiletku (pokud jsi neměl strejdu na patřičném ministerstvu) a než jsi je ukecal, vývoj zastaral a svět nám dávno utekl. Takže se přešlo na klasiku, na ni nebyly zapotřebí žádné zvláštní investice, rozdělovače a zapalovací cívky PAL vždy uměl vyrobit (cívky dokonce na světové úrovni).

Magnetové zapalování:

Nechci se pouštět do příliš podrobného popisu činnosti magneta, protože bych musel nakreslit nebo někde okopírovat několik schémat a pro škodovkáře to ani nebude mít velký význam. Jde o zapalování indukční, energie pro jiskru se odebírá přímo z mechanické práce motoru, není zapotřebí vnější zdroj energie. Potřebná energie se naakumuluje v magnetickém poli magneta nebo odděleného magnetického obvodu zapalovací cívky, což je z energetického hlediska méně výhodné. Zážeh je určen rozepnutím kontaktů jako u akumulátorového zapalování. Přesný popis všech magnetických proudů je na dvě stránky a vypadá dost učeně, takže to zkusím po svém.
Magneto je vlastně alternátor s permanentními magnety, upraven pro potřeby zapalování. Na statoru je navinuta cívka, která může mít i vn část (sekundár), jinak se používá zapalovací cívka oddělená. Při otáčení rotoru magneta se indukuje, stejně jako u alternátoru, napětí přímo do primárního vinutí. Rozdíl je ten, že toto vinutí je zkratováno sepnutými kontakty, indukovaný proud v cívce tím brání změnám magnetického pole v cívce. Tím se zvětšuje energie, kterou je nutné do soustavy dodat jako mechanickou práci a která se převede na energii magnetického pole obvodu. Tento přírůstek energie pole lze přerušením proudu (rozpojením kontaktů) převést do obvodu s vysokým napětím, stejně jako u akumulátorového zapalování. Pokud bychom byli schopni vyrobit primární cívku s nulovým odporem, proud by "běhal" nekonečně dlouho a poté by stačilo kdykoliv rozepnutím kontaktů získat energii pro zapálení. Jenže to neumíme a tak proud velmi rychle zanikne. U akumulátorového zapalování kryje ztráty v zapalovací cívce akumulátor a tak tedy můžeme rozepnutím kontaktů bez ohledu na rychlost otáčení motoru získat maximální možnou energii. U magneta nemá co doplňovat ztrátu a tak v nízkých otáčkách nemá magneto dostatek výkonu. Naopak se vzrůstajícími otáčkami dochází k jevu téměř opačnému, zužitkovatelná energie neklesá, jen o nějaké ztráty v železe, proto horní limit otáček pro magneto je dán pouze mechanickými vlastnostmi kontaktů přerušovače. Kontakty jsou přemostěny kondenzátorem o kapacitě asi 0,23-0,27 µF, stejně jako u zapalování akumulátorového. Toto zapalování bylo dlouho velmi oblíbené a jedině používané u leteckých motorů. Pokud vyřešíme náhradu kontaktů (dnes to už takový problém není), dostaneme jednu z nejvýkonnějších zapalovacích soustav. Problémem ovšem zůstává regulace předstihu. Na to, abych mohl využít energii co nejlépe, musí nastat sepnutí a rozepnutí kontaktů v přesně určený okamžik, kdy je rotor vůči statoru v optimální poloze. Tehdy je proud primárem na maximu a tedy i získatelná energie je maximální. Proto při regulaci musím otáčet celým těžkým magnetem, což vnáší do konstrukce značné komplikace. Z těchto důvodů se magneta používala (pokud si odmyslíme letecké motory, kde bylo možné vše) jen u malých motocyklů s dvoudobým motorem, kde se používá téměř bez výjimky konstantní nastavení předstihu. Dalším důvodem byla skutečnost, že vozidlo k provozu nepotřebovalo akumulátor, ostatní spotřebiče měly na statoru svoje cívky, jak jsem už popsal v článku o alternátorech. Proto nešlo o čisté magneto, ty se vyskytovaly převážně jen na závěsných lodních motorech.
Jednou z velkých chyb mladých provozovatelů různých Pionýrů bylo zvětšování předstihu ("brácha říkal že to líp jede") pomocí zvětšování odtrhu kontaktů až na 0,8 mm, protože magneto se tím dostalo z optimálního nastavení. Ono to vzhledem k přebytku energie zapalovalo, ale správně bylo pootočit celým magnetem, nějaká vůle pro seřizování tam byla. Oddělená zapalovací cívka byla nutností z důvodu zastavěného prostoru, aby bylo možné na stator umístit i další cívky pro jiné spotřebiče.
Konstrukčně je možné vyřešit soustavu s magnetem pro několikaválcové motory s jistou elegancí, použije se systém s otáčivým magnetem a počtem pólů magnetu se určí počet válců, ale magneto se neobejde bez rozdělovače. Pro dvoudobé dvouválce se na jednom statoru použijí dvě cívky a dva kontakty proti sobě a potřeba rozdělovače odpadá. Pokud je magneto poháněno převodem 1:2, lze přidáním dalších cívek řešit i čtyřdobý čtyřválec. Nejvíce se s různými konstrukcemi magnet vyřádily firmy Bosch, Lucas a Scintilla - Vertex. PAL se nějak zvlášť vývojem nezabýval, požadavky na vývoj nebyly a pro "pincka" stačilo to, co tam už roky bylo.

Akumulátorové zapalování:

Tak a jsme u toho. V této části článku se budu snažit vysvětlit co nejpřesněji funkci akumulátorového zapalování a vysvětlit odlišnosti zapalování s klasickým kontaktem a elektronickým zapalováním. Pro mnoho z vás bude hlubokým zklamáním zjištění, že za těžký peníz pořízené doplňkově vyráběné elektronické zapalování má horší vlastnosti, než klasické kontaktní.
V popisu se zatím nebudu z důvodu zjednodušení zabývat rozdělovačem. Popis jeho funkce přijde až nakonec.
Akumulátorové zapalování patří mezi indukční zapalovací soustavy. Skládá se ze zapalovací cívky, kontaktů a kondenzátoru. Akumulátor není přímou součástí soustavy, ale je k činnosti zapalování nezbytný, dodává energii. Zapalovací cívka má dvě vinutí, primární a sekundární, s převodovým poměrem 1:40 až 1:80, výjimečně 1:100. Obě tato vinutí jsou jedním koncem spojena uvnitř cívky. Celá cívka je důkladně impregnována a je v hliníkovém pouzdře válcového tvaru zalita izolační hmotou a uzavřena víčkem, které zároveň slouží jako držák vývodů. Vývody jsou většinou tři, velká dutina, označená č. 4, je volný konec sekundárního vinutí a slouží pro připojení vn kabelu, který vede k rozdělovači nebo přímo na zapalovací svíčku, další dva jsou vývody primárního vinutí. Svorka označená č. 15 (někdy 16) je přívod kladného napětí z akumulátoru, druhá svorka má č. 1 a je společným vývodem primárního a sekundárního vinutí, na ni je připojen pohyblivý kontakt, pevný kontakt je ukostřen. (Pokud vývody mezi sebou zaměníte, zapalování funguje také, jen se sníží o nějakých 300V sekundární napětí, místo součtu primárního a sekundárního napětí dojde k odečtu.) Kontakt je přemostěn kondenzátorem o kapacitě asi 0,25 µF, pro dvoudobé motory se používá hodnota 0,23 µF. Držáky kontaktních ploch jsou vylisovány z plechu, kontaktní plochy jsou převážně z wolframu. Pro zvlášť náročné podmínky se používá platina a její slitiny, jejíž předností je odolnost proti oxidaci a malé jiskření, nevýhodou náchylnost k přenášení materiálu, menší mechanická pevnost a v přítomnosti uhlovodíkových par menší odolnost proti opotřebení, o ceně nemluvě. Wolfram má velmi dlouhou dobu života, pokud zabráníme příliš silnému jiskření a okysličování kontaktů. Velmi dobrou kombinací je platina na pohyblivém a wolfram na pevné kontaktu, na platině se jako na anodě nevytváří nános a wolfram jako katoda méně oxiduje. Každopádně oba materiály nepatří mezi ideální kontaktové materiály. Oba materiály se jako asi 0,5 mm silné plátky ve tvaru kruhové destičky natvrdo pájí mědí na držáky z oceli. Někteří výrobci dělají různé úpravy kontaktních ploch, např. se uprostřed jednoho z kontaktů dělá otvor pro lepší ventilaci stykové plochy, nebo se smykem kontaktů ve stykové ploše z důvodu lepšího čištění a snížení účinku opalu (PAL k nim nepatří.) Pokud se vám podaří při zarovnávání styčné plochy kontaktů vrstvu wolframu obrousit, můžete kontakty rovnou vyhodit. Konstrukce kontaktů se sjednotila - technologie výroby, použité materiály, síla pružiny a malý odtrh okolo 0,4 mm - liší se částečně jen tvarem a velikostí.
Kondenzátor přemosťující kontakty je většinou typ s papírovým dielektrikem, je zapouzdřen v kovovém válci, který tvoří jeden z vývodů pro snadné mechanické připevnění. Připojen má být co nejblíže ke kontaktům. Kondenzátor se svými vývody má jistou indukčnost a odpor, tyto hodnoty pro správnou činnost soustavy musí být co nejmenší, již hodnoty odporu okolo 0,5 Ohmu jsou příliš velké.
Kontakty jsou jednou z nejvíce namáhaných součástí vozidla vůbec. Kromě mechanického namáhání jsou zatěžovány ještě elektricky a elektrochemicky. Pokud si uvědomíme, že za dobu své životnosti udělají desítky milionů sepnutí a rozepnutí, při kterém dochází k vytváření obloukového hoření různého druhu, po kterém mají zůstat v provozuschopném stavu s minimálním odporem ve stykové ploše, nemůžeme se potom divit, že nám nevydrží po celou životnost motoru. Popis všech fyzikálně-chemických dějů mezi kontakty a na nich během rozepnutí a sepnutí jsem dokázal vstřebat až asi na třetí přečtení práce jednoho Ing. CSc. v rozsahu téměř tří stran A4. Nakonec bylo konstatováno, že "pravděpodobně všechny děje jsou ještě složitější a dosud nejsou plně probádané". Jen zkráceně - při rozepnutí kontaktů mezi nimi vznikne oblouk (jako při svařování), který doslova bleskově zhasne a opět se zapálí a to zopakuje mnohokrát s navzájem obrácenou polaritou, dokud se kontakty nevzdálí natolik, že již zapálení oblouku není možné. Mezitím dochází k přenášení materiálu mezi kontakty (podobně jako při svařování), ovšem jednou tam a jednou zpátky. Jednotlivé děje se mají snahu navzájem eliminovat, takže pokud je soustava cívka - kontakt - kondenzátor dobře sladěna, výsledkem vyrovnávání všech dějů tak, že kontakty zůstávají dlouhodobě opalováním netknuté. V případě např. nevhodné kapacity kondenzátoru vzniká na jednom z kontaktů kráter nebo nános, který ve větším rozsahu má vliv na přesnost doby sepnutí a tím nekontrolovatelně mění předstih zážehu. Každopádně nároky na kontakty jsou velmi protichůdné, na jedné straně musí být velmi lehké, aby síla pružiny byla schopna ve vysokých otáčkách udržet pohyblivý kontakt při pohybu v předepsané geometrii danou tvarem ovládací vačky, jinak kontakty neřízeně odskakují a způsobují sepnutí a rozepnutí v úplně jinou dobu, než "mají předepsanou". Příliš lehké kontakty postrádají pevnost a z toho vyplývající tuhost. K tomu si připočtěte rychlost pohybu kontaktů při rozpínání na úrovni 100 m/s (to není chyba) a zase rychlost velmi malou při velmi nízkých otáčkách při spouštění motoru (oblouk špatně zháší). Na straně druhé musí být schopny spínat velké proudy bez opalu kontaktních ploch. Z elektrického hlediska nejsou schopny takto konstruované a mechanicky namáhané kontakty dlouhodobě spínat větší proud než asi 3,5 A a to bez ohledu na tvar a výrobce. Tzv. napěťová pevnost pro kontakty z wolframu při malých odtrzích končí někde na 350 V, při napětích vyšších dochází k trvalému hoření oblouku mezi kontakty. Těmito hodnotami je dána maximální energie indukčního zapalování s kontakty, soustavy všech výrobců se energeticky prakticky neliší. Z hlediska mechanicko-dynamického to není zase tak extra špatné, nejlepší kontakt končí na 400 Hz, což je 12 000 ot/min pro čtyřválec. Cívka slouží kromě transformace napětí hlavně jako akumulátor energie. Magnetický obvod je přerušen vzduchovou mezerou, oproti normálnímu transformátoru má zvýšený magnetický odpor. Pokud není magnetický obvod přerušen vzduchovou mezerou, není možné pouhým přerušením primárního proudu (rozepnutím kontaktů) z něj dostat nahromaděnou energii. Z velikosti odporu a indukčnosti primárního vinutí se vypočítá časová konstanta primárního obvodu. Tato časová konstanta je rozhodující pro energii jiskry ve vysokých otáčkách. Z výše uvedených hodnot vychází odpor primárního vinutí (daný ohmickým odporem použitého vodiče) 4 Ohmy, indukčnost (daná, jednoduše řečeno, počtem závitů primárního vinutí) okolo 10 mH a časová konstanta 2,5 ms. Největším problémem je najít vhodné řešení protichůdných požadavků na velký odpor a malou indukčnost primárního vinutí. Indukčnost je daná počtem závitů a odpor délkou vodiče. Řeší se to navinutím primárního vinutí až na sekundární vinutí, délka vodiče na stejný počet závitů je potom větší. Počet primárních závitů bývá 120-400, sekundárních až 25 000. Celá konstrukce cívky je výše uvedeným hodnotám napětí a proudů podřízena. Popisovat technologii výroby a různé technologické finty považuji za bezpředmětné, vše je otázkou výrobce. Pokud se vám dostane do ruky cívka, která při zatřepání žbluňká, jde o nějaký snad polský licenční výrobek, uvnitř je transformátorový olej, který údajně při vibracích převádí teplo z vinutí do pláště. Proč, co, jak a protože - nikdy jsem se nedopátral co tímto řešením chtěl básník říci. Ale funguje, to je asi to nejdůležitější.

Činnost zapalovací soustavy:

Při sepnutí kontaktů se začne zvyšovat proud procházející primárním vinutím. Indukčnost vinutí klade skokovému nárůstu, který by byl možný při čistě odporové zátěži, odpor, který postupně klesá k nulové hodnotě, kdy je velikost omezena jen odporem vinutí. Časová konstanta udává dobu, za kterou by proud dosáhl hodnoty 3,5 A (= 14 V : 4 Ohmům) při čistě induktivní zátěži (nulový odporu vodiče a nulová kapacita cívky), graficky lze zobrazit jako přímku skloněnou pod úhlem, který "udává" indukčnost vinutí. Žádné vinutí ale z principu nemá nulový odpor, proto doba, kdy dosáhne proud maximální hodnoty, je kombinací induktivního a ohmického odporu. Průběh nárůstu proudu proto není lineární, nejdříve narůstá rychle a později se zpomalí, křivka má exponenciální průběh. Podle výše uvedených technických hodnot je doba k dosažení maximálního proudu 3,5 A téměř 15 ms. Za tuto dobu dojde k maximálnímu naakumulování energie do magnetického pole cívky, víc již získat nelze, při delším napájení se celý procházející proud mění na ohmickém odporu primárního vinutí v teplo. Vzhledem k tvaru křivky při nárůstu proudu za dobu časové konstanty 2,5 ms dosáhne proud hodnoty 0,632 x Im. A tady je ten největší problém. Pokud si vezmete kalkulačku a začnete počítat dosažitelné energie, vyjdou vám zajímavé a poučné hodnoty. Plný výkon o energii cca 61 mJ je dostupný do asi 1000 ot/min, potom začne celkem rychle klesat a v 6000 ot/min máte maximum procházejícího proudu 1,7 A a energii jen 14,3 mJ. Tyto hodnoty jsou počítány na osmiválcový motor, kde je použita speciální cívka se sníženou indukčností. Běžné cívky mají hodnoty časové konstanty až dvojnásobné, takže vypočtené hodnoty zhruba platí i zde. (Pokud bychom měli zapalovací soustavu v perfektním stavu, tyto hodnoty bohatě dostačují na zapálení směsi.)
Tak a máme cívku nabitou. Teď prudce rozpojíme kontakty. Protože rychlost rozepnutí má konečnou hodnotu, proud začne zanikat s určitou rychlostí, při které vyvádí díky vznikajícímu oblouku neplechu (jak jsem uvedl výše) na dosedacích plochách kontaktů. Zvýšení rychlosti zániku proudu z hlediska vlivu na kontakty brání kapacita kondenzátoru. Nejlepší by bylo, kdyby se kondenzátor nemusel použít, stačila by menší akumulovaná energie, méně závitů a i nárůst napětí na sekundáru by byl rychlejší. Jenže bohužel zatím nikdo nesestrojil kontakty, které by obvod rozpojily bez velkých energetických ztrát. Bez kondenzátoru se zapálí oblouk mezi kontakty, který nezhasne a veškerá naakumulovaná energie se zničí v oblouku a na sekundární straně nenaměříme energii žádnou. (Aby k tomuto nedošlo, bylo by zapotřebí buď několikanásobně většího odtrhu kontaktů, nebo jiným tvarem vačky upravit průběh rychlosti odtrhu, což je z dynamického hlediska technicky nerealizovatelné.) Kapacita kondenzátoru má být jen tak veliká, aby se rychlost nárůstu napětí udržela spolehlivě pod přeskokovým napětím pro danou vzdálenost kontaktů. Pokud má kondenzátor příliš malou kapacitu, napětí roste rychleji, než jsou schopné kontakty zvládnout, dochází k nadměrnému jiskření a snižování dosažitelné energie. Při zvětšení kapacity se sníží rychlost nárůstu napětí, tím klesá samoindukční napětí a také výsledné napětí sekundární. K tomu ještě připočítejte pokles energie, která se ztratí na ohmických odporech při déletrvajícím průběhu transformace. Kontakty jsou prostě neřešitelný problém.
Takže dál - při rychlém zániku proudu vznikne na primárním vinutí cívky samoindukcí napěťový impulz o hodnotě 300-350 V, který se transformuje na sekundární napětí okolo 20 a více kV. (Z důvodů samoindukčního napětí není nutné mít velké transformační poměry, optimální se jeví 1:80.) Tento impulz má kapacitní a proudovou složku. Nejdříve dojde na elektrodách svíčky k vybití kapacitní části výboje, jde o poměrně malé množství energie, ale s velmi značným okamžitým výkonem (extrémě krátký impulz s proudem desítek ampérů). Tento impulz o vysokém napětí ionizuje prostor okolo elektrod, který se tímto stane vodivým. Poté následuje induktivní část výboje, která je výrazně delší a při ní se vybije větší část energie proudem poměrně malým. Tato část výboje se skládá z mnoha opakovaných výbojů, kdy neustále výboj zháší a znovu vzniká. Pokud nedojde k zapálení směsi prvním kapacitním výbojem, induktivní část výboje svou energií směs většinou zapálí. Minimální doba výboje je 300 µs, při kratší době trvání výboje není jistota spolehlivého zážehu. Poté nastává dokmitávání systému, které se již na vlastním výboji nepodílí. Z hlediska činnosti zapalovací soustavy je ale nutné dokmitávání ponechat čas na dokončení. Cívka se musí úplně vybít. To je také další limitující parametr pro toto zapalování.

Jedním z důležitých parametrů výboje na svíčce je strmost čela impulzu. Čím větší strmosti se dosáhne, tím méně energie je zapotřebí k zapálení. Svod na znečištěných plochách izolátoru svíčky má odporově - kapacitní složku. Tato kapacita se musí nabít a to potřebuje čas. Pokud je impulz hodně strmý, nestačí se kapacita nabít dříve než přeskočí jiskra mezi elektrodami. Při ionizaci dojde ke zvýšení vodivosti mezi elektrodami v takové míře, že veškerý proud výboje prochází tudy a na nějaké svody kašle. Problémem indukčních zapalování s kontakty je omezená možnost ovlivnit rychlost nárůstu proudu kvůli vlastnostem kontaktů, které musí mít paralelně připojený kondenzátor, který vše limituje.

Při vývoji kontaktních zapalování se začala používat jedna finta. Cívka se spočítala na napětí o něco nižší, asi na 7 V (maximální proud vychází asi na 5,5 A) a do série se přidal předřadný odpor. Tím vyšla nižší hodnota indukčnosti primárního vinutí. Celkový odpor vinutí a předřadného odporu jsou potřebné 4 ?. (Pro spouštění motoru se odpor přemostil přídavným kontaktem ze spínače spouštěče, takže i když při spouštění poklesne napětí akumulátoru, máme pořád plnou energii jiskry.) Nižší indukčnost zmenšila časovou konstantu cívky a tím se zvýšila dosažitelná hranice otáček pří stejné energii. (Další zvýšení hranice použitelných otáček se dá dosáhnout přemostěním předřadného odporu kontaktem relé někde okolo 3 200 ot/min. Vzhledem na krátkou dobu sepnutí kontaktů proud nepřesáhne hranici 3,5 A. Toto řešení neklade žádné požadavky na zásahy do zapalovací soustavy. Je potřeba vyrobit něco podobné otáčkoměru, co v požadovaných otáčkách sepne relé (nezapomenout na hysterezi, aby se v rozhodných otáčkách relé nezbláznilo). V případě poruchy relé auto pokračuje dále v jízdě, funkce zapalování není ohrožena.) Není to nic nového, předřadný odpor měla dokonce i sovětská auta, odpor byl umístěn uvnitř cívky a víčko mělo čtyři vývody, čtvrtý se označuje č. 15a. PAL umístil odpor do keramického pouzdra a připevnil na objímku sloužící k montáži na karosérii. U těchto cívek je bezpodmínečně nutné dodržet připojení kabelů na předepsaná čísla, jinak se může stát, že proud místo přes vinutí bude procházet jen přes předřadný odpor.

Pokud jste se ve výše uvedeném "neutopili", museli jste dojít k několika poznatkům. Za prvé - čím větší je napájecí napětí, tím lze lépe přizpůsobit konstrukci zapalovací cívky potřebám kontaktního systému. Proto se u 6 V soustav motocyklů používala pro každý válec jedna cívka s kontaktem, aby se dosáhlo požadované doby plnění cívky. Při přepočítání zapalování podle výše uvedeného příkladu na hodnoty napětí 6 V vychází časová 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 napětí 24 V, dosažené časové konstanty by byly s velkou rezervou dostačující pro provoz kontaktního zapalování u běžného (nezávodního) motoru.

Označování klasických zapalovacích cívek "šestivoltová, dvanáctivoltová" je vlastně také nepřesné. (V tom případě je cívka z Favorita "třívoltová".) Slouží jen pro určení minimálního provozního napětí. Cívka by měla být spíše určována časovou konstantou, jenže to běžnému motoristovi nic neříká. Jakoukoliv cívku můžeme napájet třeba 300 V, pokud zkrátíme dobu plnění cívky na dobu, kterou potřebuje na dosažení proudu 3,5 A (řádově v desítkách µs). Jenže problémem je dokázat vyrobit kontakty schopné tak krátké doby sepnutí, zatím mi není známo, že by se to někomu povedlo.

Takže to uzavřeme. Indukční zapalování s kontakty je omezeno nemožností vyrobit kontakty schopné přenášet velké proudy a z mechanicko - dynamického hlediska nutný malý odtrh kontaktů znemožňuje ukočírovat při nadměrně velkých proudech vznikající oblouk. Jedinou předností je jednoduchost a snadná opravitelnost i v polních podmínkách. Vyznačuje se velkou energií v nízkých otáčkách a malou energií v otáčkách vysokých, při dalším zvětšování otáček ztratí schopnost zapalování úplně. Pokud zrovna nezávodíme, toto zapalování je do nějakých 5 500 ot/min při správném seřízení a dobrém technickém stavu všech příslušejících komponentů (rozdělovač, kabely, svíčky) pro chod motoru plně vyhovující. Otázka je, nakolik jsou ostatní části systému v pořádku, pokud dokáží odebrat 75% výkonu díky své opotřebenosti, moc velká rezerva nám nezbývá.

Elektronické zapalování:

Tato část musí být trochu odbornější a tak mnozí z vás, kteří nemají elektrotechnické znalosti, asi úplně vše nepochopí. Zkusím co nejjednodušeji několik vysvětlujících poznámek pro úplné laiky (elektronici, nesmějte se jim, ani popisu):
Tranzistor je aktivní polovodičová součástka, složená ze tří upravených vrstev polovodiče, která má tři vývody. Každá vrstva je přístupná vývodem, dva vývody na "krajních" vrstvách (zvané kolektor a emitor) slouží k připojení pro průchod proudu, třetím ("prostředním", zvaným báze) se tento proud řídí pomocí proudu několikrát až několiksetkrát menším, záleží na typu, velikosti a druhu zapojení. Může pracovat ve dvou režimech - jeden je spínací, kdy tranzistor má pouze dva stavy zapnuto a vypnuto (podobně jako vypínač, používá se v číslicové technice a při spínání velkých proudů), druhý je lineární, kdy se tranzistor otvírá a zavírá plynule (jako když otvíráte vodovodní kohoutek) a tím i plynule řídí množství procházejícího proudu (používá se např. v rádiích, zesilovačích atd.). Aby takto pracoval, musí se doplnit potřebným počtem rezistorů (odporů), které omezují proud na hodnoty, které je tranzistor schopný zpracovat bez nebezpečí zničení. Připojené napětí na jednotlivé vývody musí mít správnou polaritu, jinak se tranzistor zničí. Tranzistory se proto vyrábějí v obou polaritách, označovaných NPN a PNP. Označení N a P jednotlivých vrstev je dáno technologií výroby, kdy každá vrstva čistého prvku (např. křemíku, germania) je odlišně dotovaná nepatrným množstvím příměsi, která jednak umožňuje a zároveň určuje směr proudu. Pokud vrstvy N a P technologicky spojíte, na jejich stykové ploše, nazývané přechod (protože zde přechází jedna vrstva do druhé) dojde k zajímavému jevu, který umožní průchod proudu jedním směrem, ačkoli by teoreticky neměl (vlastně vznikne dioda). Takto se dá vytvořit struktura se třemi (tranzistor), čtyřmi (tyristor) a pěti (triak) přechody. Tento popis je velice zjednodušený, všechno je výrazně složitější, ale snad to laikům k pochopení stačí.
Tranzistory se určují napětím, proudem, zesilovacím činitelem a výkonem (další parametry nás zase tak moc nezajímají). Napětí má hranici, při které tranzistor v zavřeném stavu (proto závěrné napětí) brání průchodu proudu, při zvýšení se prorazí a zničí. Proud se projevuje tepelnými účinky, pokud přesáhneme kritickou hranici, tranzistor shoří. Zesilovací činitel (ß) určuje, kolikrát menším proudem můžeme řídit proud hlavní, jeho hodnota není konstantní, záleží na typu zapojení a velikosti řízeného proudu. Ve spínacím režimu klesá ß z hodnoty např. 350 až na 20 i méně, pokud chceme tranzistor opravdu úplně otevřít. Výkon je vlastně ztráta tepla na tranzistoru, kterou je schopen s pomocí přídavných chladičů rozptýlit. Tato hodnota je důležitá v lineárním režimu, protože se vlastně chová jako proměnný odpor a podle Ohmova zákona na něm vzniká úbytek napětí, který když vynásobíme proudem, dostaneme výkon ve wattech, který se mění v teplo. Ve spínacím režimu je úbytek napětí od 0,3 do 3,5 V (podle typu tranzistoru, velmi důležitá hodnota pro zapalování!!!), takže je možné spínat výkon několikanásobně vyšší bez nebezpečí poškození součástky. Takže pokud se tranzistor ve spínacím režimu nadměrně zahřívá, někde je chyba a je ji potřeba rychle najít. Existuje jedno zapojení dvou tranzistorů společně, kterému se říká podle svého objevitele Darlingtonovo. V tomto zapojení se ß násobí, takže pokud mají oba tranzistory ß 400, teoretický zesilovací činitel je 160 000. V praxi to znamená, že je možné velmi malým proudem řídit proud značně vysoký. Jedinou slabinou je dvojnásobný úbytek napětí v otevřeném stavu (oba úbytky tranzistorů se sečtou). "Darlingtony" se vyrábějí v pouzdře jako "jeden tranzistor", zesilovací činitel se omezuje pomocí odporů na praktičtější hodnotu asi 2 - 25 000, v pouzdře bývá také ochranná dioda proti záporným špičkám. Tyto tranzistory se hojně používají jako výkonové tranzistory v zapalovacích soustavách.
U tranzistoru se používá slovo SATURACE. (Není to sprosté slovo.) Jde o jev, který nastává v případě, že chci tranzistor úplně otevřít (tranzistor není ideální součástka a nechová se jako čistokrevný kontakt). Příslušný přechod se přesytí elektrony a tím se dosáhne maximálního otevření, elektrony se tam zatím pěkně usídlí a pokud chci tranzistor zavřít, nejdříve musím tyto elektrony donutit, aby zvedly zadky a vypadly, chvíli jim to trvá, tranzistor se má snahu po tuto dobu chovat jako by byl v lineárním režimu a teprve poté se začne zavírat, a to už docela svižně. Takže saturace zakulacuje ostrý přechod z jednoho stavu do druhého, což se nám moc nehodí. Snižuje to rychlost zavření tranzistoru, která je pro indukci velmi důležitá.

Toto byl popis nejrozšířenějších tzv. bipolárních tranzistorů, existují i jiné druhy tranzistorů, tzv. unipolární, které se neřídí proudem, ale elektrickým polem. Zatím se vývoj zapalování těmito tranzistory nezabýval, i když vidím některé typy jako velmi vhodné pro další pokusy.

Tyristor je výhradně spínací součástka, nelze ho provozovat v lineárním režimu. Proud protéká jen jedním směrem. Svým způsobem jde o diodu s ovládáním, tyristor je schopen usměrňovat střídavý proud. Jeho vlastností je schopnost zapnutí krátkým impulzem, tyristor se prudce otevře a je trvale otevřen do doby, než poklesne procházející proud na nulu. Jinak se zavřít nedá. (Dá, ale to se vzhledem k nebezpečí poškození součástky nedoporučuje.) Vyrábí se v obou polaritách. Nejvíce se používá k řízení pomocí "ořezávání" půlperiod střídavých proudů, kdy speciální obvod zajistí správný okamžik otevření tyristoru krátkým impulzem a při průchodu střídavého proudu nulou se zavře. Jeho zvláštností je, že při překročení povoleného napětí se nezničí průrazem, ale normálně se otevře. Není to sice doporučovaný provozní stav, ale překročení napětí mu na rozdíl od tranzistoru a diody moc neublíží. V zapalováních se používá k připojení kondenzátoru k zapalovacímu transformátoru.

Triak jsou funkčně vlastně dva tyristory zapojené antiparalelně, proto dokáže spínat i střídavý proud (ale každá půlvlna se musí zvlášť sepnout). Chová se stejně jako tyristor, ale spínací rychlost je menší a tak je použitelný asi do 400 Hz. V zapalováních se proto nikdy nepoužíval.

Pokud některý z laiků něco z tohoto popisu pochopil, budu to považovat za svůj úspěch.

Prvopočátky elektronických zapalovacích systémů zasahují do 60. let minulého století, kdy se podařilo vyrobit tranzistory s dostatečně vysokým průrazným napětím. Zpočátku se pouze tranzistorem nahrazovaly kontakty, které pak sloužily pouze jako ovladač tranzistorů. Vůbec prvním známým pokusem bylo použití jednotranzistorového zapalování s tranzistorem se závěrným napětím pouze 60 V (Delco), cívka měla převodový poměr 1:400. Celé zapalování mělo 6 součástek. Kontakty nebyly přemostěny kondenzátorem. Lucas už použil speciálně vyvinutý tranzistor na 500 V, zapalování bylo dvoutranzistorové a tak mělo o součástku více. Používaná byla cívka se sníženou indukčností s předřadným odporem (proud nebyl ještě elektronicky omezován). Bosch použil Darlingtonovo zapojení a zapalování mělo 17 součástek, indukční cívka už cosi o tranzistorech věděla (odpor primárního vinutí 0,4 Ohmu a předřadné odpory 0,4 Ohmu a 0,6 Ohmu, ten větší se při startu přemosťoval). Ze zapojení jsem nepochopil způsob omezování proudu, mohla tam být chyba, bylo to ručně překreslováno z originálu. Podle propočtu totiž do primáru cpali skoro 10 A. Všechna tato zapalování byla řízena problémovými kontakty. Jak jsem uvedl výše, správně navržený kontakt se díky průchodu vlastně "střídavého" proudu dokázal udržet ve formě i 50 000 km. Pokud jej elektricky odlehčili a převedli na spínání malého stejnosměrného proudu, kontakt svoji samočisticí schopnost ztratil a zákonité narůstání pahorku na jednom a vytváření kráteru na druhém kontaktu se muselo velmi zrychlit (ověřeno vlastní zkušeností). Mechanicko-dynamické vlastnosti kontaktů se nezměnily a tak tyto soustavy byly jen přechodným řešením. Většinou se používaly pro dodatečnou montáž, velcí automobiloví výrobci je nebrali vážně.
Velmi prudký rozvoj elektronických zapalovacích soustav nastal po roce 1973, kdy po celosvětové energetické krizi a hlavně tlaku ze strany ekologie v USA museli všichni výrobci automobilů snížit spotřebu a přejít na používání bezolovnatého paliva a později také katalyzátorů, kde bylo nutné omezit pokud možno na nulu vynechávání zážehů, protože nespálené palivo ohrožuje životnost katalytického systému. A protože Američani jsou svým způsobem líní jako přežraní vepři a navíc dost tupí, muselo toto zapalování být co nejblbuvzdornější. Celý rozdělovač byl nerozebíratelný (aspoň pro normálního smrtelníka), vše patřičné se ukrylo dovnitř a namontovalo do jediné možné polohy (nešlo seřizovat). Z tohoto důvodu se musely kontakty nahradit něčím, co se dlouhodobě (pokud možno na věky) nemuselo ošetřovat. A tak vznikly první konstrukce bezkontaktních elektronických zapalování. Jako snímače polohy se začaly používat snímače známé z měřící a regulační techniky, jen se konstrukčně upravily na těžké provozní podmínky v automobilech. Zpočátku velmi oblíbené optické systémy byly rychle nahrazeny snímači indukčními několika druhů a později - díky technologickému pokroku - se začaly hojně používat magnetické snímače na principu Hallova generátoru, které nyní převládají.
Optické snímače pracují na principu snímání světla, které v patřičném okamžiku zakryje neprůsvitná clona (nebo naopak). Jako zdroje světla se používala miniaturní podžhavená žárovka (dvě, aby při poruše jedné z nich zapalování neztratilo funkčnost) a později LED dioda, snímacím prvkem byl fototranzistor. Systém se špinil a tak byla občas kontrola nutná. Problémy se neodstranily ani při použití LED diod s infračerveným zářením, nebyly sice na zašpinění tak citlivé, ale problém malé teplotní odolnosti (asi do 85°C) přetrvával. Výhodou byla rychlost a přesnost spínání a na nastavování nebylo nutné vlastnit speciální pomůcky. General Electric používal optosystém u svého kondenzátorového zapalování. V Evropě se v prvovýrobě nepoužívají (aspoň o tom nevím).
Indukčních typů se používá několik. Nejznámější je u nás (díky Favoritu) velmi populární typ s otáčivými můstky. Funguje na stejném principu jako magneto - průchodem permanentního magnetu kolem cívky se v ní naindukuje napěťový impulz, který se dále zpracuje elektronikou a určuje okamžik zapálení jiskry. Je jasné, že snímač vypadá dost odlišně od magneta, ale základní princip je stejný. V praxi se dnes ustálilo provedení, kde je na hřídeli rozdělovače místo vačky hvězdice z magneticky měkkého materiálu, která má tolik ramen, kolik má motor válců. Pod ní je permanentní magnet, který ji magnetuje. Na obvodu tělesa rozdělovače jsou na určených místech ocelové výstupky ve stejném počtu jako ramen hvězdice. Tyto výstupky jsou součástí jádra cívky, do které se indukuje napětí. Při otáčení hvězdicí se při průchodu ramen v těsné blízkosti výstupků indukuje napětí v cívce. Podle velikosti, tvaru ramen a výstupků má výstupní impulz tvar. Tohoto principu se využívá při řízení doby plnění cívky, aby byla pokud možno konstantní. Na indukování impulzů by stačil jen jeden výstupek, ale měřením se zjistilo, že se impulz díky rozptylu výrobních tolerancí pro každý válec mění. Použití čtyř výstupků, přestože každý z nich dává jiný impulz v jednom momentě, má výhodu v tom, že se všechny dohromady v cívce zprůměrují. Proto je každý impulz téměř stejný. Výhoda tohoto snímače je v neomezené životnosti, nic po sobě neběhá a indukovaný proud je malý. Nevýhodou je velmi malé indukované napětí v malých otáčkách, kdy pod určitou hranicí otáček (asi 35 ot/min) je impulz nepoužitelný. Vzniklé vysoké napětí impulzu ve vysokých otáčkách není problém elektronicky omezit. Pokud motor stojí, není indukován žádný impulz. Při průchodu ramena hvězdice kolem výstupku se vždy indukují impulzy dva (stejně jako v magnetovém zapalování), jeden záporný a druhý kladný, jen jeden z nich se využívá k řízení doby sepnutí, druhý se ignoruje. Dalším typem je snímač s oscilátorem a vazebními můstky. Místo hvězdice je kotouč z magneticky nevodivého materiálu, v kterém jsou umístěny feritové vložky podle počtu válců. Snímačem jsou dvě cívky ve feritovém hrníčku navzájem od sebe magneticky odstíněné. Jedna z nich je trvale buzena pevným kmitočtem z oscilátoru, při podsunutí feritové vložky rotoru pod snímač se zesílí magnetická vazba pro druhou cívku a tak se do ní indukuje střídavé napětí z cívky první. Tento signál se potom elektronicky zpracuje pro řízení zážehu. Výhodou je necitlivost na rychlost otáčení rotoru, protože dokud je vazba mezi cívkami, indukuje se střídavé napětí trvale. Pokud při stojícím motoru zůstanou zrovna ferity proti sobě, dostáváme trvalý signál. Kmitočet musí být dostatečně vysoký, aby se i ve vysokých otáčkách stačilo něco naindukovat. S tímto snímačem udělal díru do světa Lucas. Indukční snímače na principu zatlumení oscilátoru při přiblížení ke kovovému předmětu mají stejné vlastnosti, ale většinou mají malou spínací rychlost, tím se vnáší do systému další chyba, která se musí řešit korekcemi v programu počítače. Nevím, jestli se v automobilové technice používají, zatím jsem se s nimi nesetkal.
Vůbec nejlepším snímačem je Hallův generátor. Jde o součástku na principu Hallova jevu, kdy se při průchodu magnetického pole kolmo na čip vytvoří na výstupu napětí v mV přímo úměrné magnetickému toku. Princip je to relativně starý, ale o jeho rozšíření se postaral až snad Philips, který začal vyrábět celou škálu těchto generátorů. Např. na jeden čip sloučil Hallův generátor, zesilovač a vyhodnocovací obvod, který dvoustavově (zap. - vyp.) reaguje na přítomnost magnetického pole. Potom stačí vzít tuto součástku o rozměru cca 3x2 mm se třemi vývody, patřičně připevnit, přivést 5 V, na otevřený kolektor NPN připojit vstup zapalování a pomocí přizpůsobeného magnetického obvodu můžeme těžce frajeřit. Mechanicky se to řeší tak, že je snímač v jednom držáku proti sobě s magnetem a štěrbinou mezi nimi probíhá ocelová deska s výřezy, která vždy svede magnetické pole mimo osu snímače. Celé je to tak malé, že s tím lze nahradit kontakty v původním rozdělovači. Spínací rychlost 25 kHz a 125 °C není žádný problém, cena samotného Hallova generátoru okolo 60,- Kč je problém ještě menší. GES electronic v katalogu nabízel svého času integrovaný senzor KMI 15/1. Tento senzor má z jedné strany mrňavý magnet a z druhé strany snímá např. ocelové zuby nějakého kola. Napájení cca 12 V, výstup proudový 7 mA (bez zubu) a 14 mA (se zubem) při max. teplotě 85°C. Snese i větší teplotu, potom jsou hodnoty proudů trochu jiné. Není sice úplně nej, ale hodit se může. Dnes vlastně všechna nová vozidla mají Hall, buď ještě jako součást rozdělovače, nověji (a lépe) na setrvačníku. Pokud máte zájem, vykuchejte rozdělovač z Felicie 1,6.

Takže snímače polohy klikového hřídele bychom měli. Teď tedy k elektronickému zapalování. Celý problém indukčního zapalování tkví jen a pouze v protichůdných požadavcích na hodnotu odporu a velikost indukčnosti primárního vinutí, vynucené použitím kontaktů jako ovládacího prvku. Abychom nemuseli mít bolení hlavy s kontakty, nahradíme je tranzistorem. Jenže - tranzistor má v otevřeném stavu nějaký úbytek napětí i když je v saturaci. Tento úbytek může podle typu dosáhnout až 3,5 V a toto napětí se odečte od napájecího, takže místo 14 V máme jen 10,5 V. Pokud použijeme původní zapalovací cívku, spočítanou pro kontakty (dobrý kontakt má úbytek asi 50 mV) a přepočteme podle Ohmova zákona proud primárním vinutím, najednou zjistíme, že zapalování je vlastně ještě horší než původní kontaktní. Z tohoto důvodu byly vyvinuty speciální tranzistory pro elektronická zapalování, kde je saturační napětí výrazně nižší. Saturační napětí se zvyšuje se závěrným napětím tranzistoru, proto používat tranzistory na 1 000 V je zbytečný a škodlivý přepych (např. SU 169). Ale i přesto, že máme tranzistory se saturací jen 1,1 V, je to přesto ještě mnoho. Protože saturace je také omezující činitel. Jak jsem uvedl výše, saturace zpomaluje zavírání tranzistoru se všemi negativními důsledky na tvorbu jiskry. Aby se využily všechny vlastnosti tranzistoru, je zapotřebí ho dostat ze saturace do lineárního režimu. Není to nic těžkého, ale v tom případě se zvýší úbytek napětí na tranzistoru a jsme tam, kde jsme nechtěli být. Všechna zveřejněná tranzistorová zapalování, která byla zapojena jako klasická a používala klasickou zapalovací cívku, jsou z důvodu vlastností tranzistoru energeticky horší než kontaktní, ať je jejich vnitřní zapojení sebegeniálnější. Pokud se někomu zdálo po montáži, že se chování motoru zlepšilo, šlo jen o subjektivní dojem podpořený tím, že při takovéto akci většinou došlo k seřízení motoru a zapalovací soustavy (předstih, úhel sepnutí atd.). Jediné zlepšení, které mohlo nastat, že se použil daleko menší kondenzátor na přemostění tranzistoru a tím se zvýšila strmost čela impulzu. U starších konstrukcí motorů, kde se často zaolejovávaly svíčky, to mohlo význam mít. Pokud někdo osvícený použil cívku s předřadným odporem a tento odpor vyřadil, poměry se znatelně zlepšily a získaná energie se mohla přiblížit původnímu kontaktnímu zapalování. Většinu zveřejněných zapalování tohoto typu jsme měřili a naše předpoklady byly do puntíku splněny. Nejvíc nadskakuji, když někdo šetří, kde nemá a pořídí si za velký peníz bezkontaktní rozdělovač (kterému ani nepřestaví odstředivou regulaci) a elektronický spínač z Favorita, ale cívku (za babku) nekoupí a ponechá původní s předřadným odporem, který nevyřadí. A takových šikulů vidím na internetu dost a ještě se tím chlubí. Ono to sice jiskru dává, ale jakou! (Aspoň vidíte, jak jsou kontaktní zapalování výkonné.) Je smutné, když publikují "vynikající konstrukce" elektronických zapalování lidé s různými tituly (Ing., RNDr.), kteří na něco "objevného" přijdou a svorně zopakují všechny chyby svých předchůdců. Občas se jim omylem (vůbec neví proč) podaří eliminovat určitá negativa v úzkém a málo používaném rozsahu provozních stavů, ale na druhé straně zhorší parametry v důležitějším zbytku (a ještě za to dostanou honorář).

Pokud chcete vytvořit skutečně celkově energeticky silnější zapalování, musíte mít jinou zapalovací cívku. Jak jste si přečetli v předchozích řádcích, pro výkon ve vysokých otáčkách je důležitá co nejmenší časová konstanta, aby se cívka bleskově nabila. Odpor vinutí nás až tak moc nezajímá, tranzistor snese daleko více než kontakty a tak je rozhodujícím faktorem indukčnost, která by měla být co nejmenší, ale zase ne moc, potom klesá energie jiskry. Takže si vezmeme cívku z Favorita, která je na takové zapalování nejvhodnější (zahraniční cívky na tom lépe nejsou). (Teď nepoužijeme rozdělovač ani spínač z Favorita, to umí každý.) Dejme tomu, že již máme vyřešené snímání Hallem nebo něčím podobným a tak nás tato věc nebude rozptylovat. Jako řídicí obvod, který nám zabezpečí konstantní dobu plnění cívky, lze úspěšně použít obvod L 482 podle katalogového zapojení (jinak to ani nejde). Jako výstupní prvek se použije tranzistor BU 921, 931 apod. (pozor na přípojná písmena, protože např. BU 921 má dalších 8 podtypů, BU 931 šest, a ne všechny mají požadované parametry!). Každopádně musí jít o Darlington na 400-450 V a min. 10 A (hlavně se musí rychle zavírat, rychlost otvírání není tak důležitá). Pokud je v katalogu nějaký typ přímo určen pro zapalovací soustavy, nepřemýšlejte a berte. Pokud použijete obvod L 482, ten za vás spoustu věcí vyřeší, protože jsou v něm integrovány všechny ochrany a omezení. Pokud budete řešit dobu plnění jinak (bez mikroprocesoru velmi obtížně, ale jde to), je nutné ochrany zapojit individuálně. Proudová ochrana se řeší klasickým způsoben pomocí měřicího odporu 0,1 Ohmu/5 W v emitoru a dalším tranzistorem (stačí BC 639). Tato ochrana je bezpodmínečně nutná, jinak je téměř stoprocentní jistota spálení tranzistoru při "chybě" v řízení doby sepnutí (dost častý jev, stačí ponechat zapnutý klíček při stojícím motoru). Přepěťová ochrana buď Zenerovou diodou na cca 360 V (2x180 V v sérii), která se zapojí mezi kolektor a bázi BU 921 (ještě lepší než Zenerka je transil). Tranzistor přemostíme kvalitním kondenzátorem 33 nF/1 000 V, nad touto hodnotou nespekulujte, měřilo a zkoušelo se dost dlouho na to, aby se našla správná hodnota. Budicí proud musí být okolo 200-250 mA, takže odpor vychází 56 Ohmů/5 W, pro tranzistory na 15 A stačí 68 Ohmů. 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 měli. A jak to vlastně funguje. Připojíme svorku č. 1 ke kolektoru BU 921, na svorku č. 15 přivedeme palubní napětí (14 V). Teď sepneme PNP tranzistor, přes odpor 56 Ohmů začne do báze BU 921 téct proud, tranzistor se otevře až do saturace a primárním vinutím začne protékat proud. (Odpor primáru je někde okolo hodnoty 0,75 Ohmu, téměř zkrat.) Protože indukčnost vinutí způsobuje pomalejší narůstání proudu, dosáhne se proudu 6 A za 2 ms. Teď začne pracovat omezovací tranzistor BC 639 s pomocí odporu 0,1 Ohmu. Na něm se vytvoří úbytek napětí 0,6 V, který způsobí otevírání tranzistoru. Toto otevření ale zpětně přivře BU 921, dostane ho ze saturace do lineárního režimu. Ustálení poměrů nastane asi za 0,5-1 ms (krásně vidět na osciloskopu). Teď dá Hall povel k uzavření tranzistoru PNP, ten přeruší proud do báze BU 921 a tento se díky odporům uvnitř pouzdra velmi rychle zavře. Tím prudce zanikne proud primárem a, stejně jako při rozpojení kontaktů, vznikne na sekundáru vysokonapěťový impulz. Takto při dodržení konstantní doby plnění 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 někdo lepší zkušenost s aktivním zavíráním, je to asi tím, že nepoužívá desaturaci a odvedení elektronů z přechodu je tranzistorem rychlejší než integrovanými odpory v řádech kOhm. Takové řešení pravděpodobně zlepší činnost zapalování s klasickou cívkou.) Cívka s ještě menší časovou konstantou pro běžný provoz nemá význam a špatně se technologicky řeší. Zvyšování primárního proudu nad cca 6,5 A ztrácí smysl, jiskra lépe nezapálí a navíc se pro dosažení proudu 8 A prodlouží doba plnění o dalších 0,66 ms. (Udávaná hodnota 6 až 8 A v technických listech zapalování Favorit je rozptyl, který nastává při výrobě používáním součástek s tolerancí pokud možno co největší (20%) - tyto součástky jsou nejlevnější. Ve vysokých výrobních počtech se počítá každý desetník.) Pokud si někdo myslí, že 6 A je málo, ať se zkusí za chodu dotknout vývodů cívky, smíchem se neudrží minimálně čtvrt hodiny.
Cívka z Favorita nemá nijak zvlášť malou indukčnost, použitá hodnota asi 3-4 mH je kompromisem mezi velikostí dosažené energie a maximálním proudem. Časová konstanta je větší, ale je vypočítaná pro proud asi 17 A. Rychlost nárůstu proudu je díky malému odporu vinutí výrazně vyšší a na osciloskopu se do 6 A jeví jako přímka. Protože se už technicky vyčerpala možnost "narovnávání" nárůstu proudu, další snižování indukčnosti by přineslo pokles dosažitelné energie. Krátká doba 2 ms stačí pro dosažení proudu 6 A, na kterém začíná desaturace tranzistoru a to nám ke štěstí bohatě stačí.
Jeden paradox - přestože máme lepší cívku, energie jiskry je dokonce o něco menší, než maximálně dosažitelná při použití klasického kontaktního zapalování (přes 60 mJ, jak jsem uvedl výše). Je to dáno tím, že množství akumulované energie je dáno velikostí indukčnosti primáru a čtverce proudu. Pokud tedy z hlediska rychlosti nárůstu proudu snížíme indukčnost, musíme zvýšit procházející proud. Obojí je na sobě závislé a tak se dostaneme na nějakou hranici, která se technicky nedá překročit (v nízkých otáčkách ano, tam je dost času na větší nárůst proudu, ovšem konstrukce cívky PAL na to není počítaná). Energie jiskry u Favorita se pohybuje někde okolo 45-55 mJ. To je hodnota více než dostatečná. Rozdíl je v jednom - elektronické zapalování má konstantní energii jiskry a totéž se dá říct o dosaženém sekundárním napětí a strmosti čela impulzu v celém rozsahu provozních otáček (0-6 000 ot/min), protože doba plnění cívky je pořád stejná a také rychlost zavření tranzistoru ("rozepnutí kontaktů") je konstantní. V tomto je největší síla elektronických zapalování, protože vstupní podmínky pro vytvoření jiskry jsou vždy stejné a tedy i jiskra je stejná a možnost vynechání zážehu klesá k nule.
Co se začne dít při překročení otáček 6 000 ot/min. Vlivem stále vyšších otáček a změně řídicího impulzu ze snímače (při použití L 482 zůstává při překročení těchto otáček doba sepnutí úhlově konstantní - jako u kontaktů - v poměru 3:7) začne se zkracovat doba plnění. Nejdříve se vyčerpá "klobouček" desaturace (někde na 9 000 ot/min) a potom tranzistor začne rozpínat pomaleji, to ovlivní sekundární napětí a energii jiskry. Ještě je pořád dost energie na zapálení, ale už začíná kolísat a pomalé zavírání tranzistoru ovlivňuje i moment vytvoření jiskry, takže se částečně rozhodí i předstih (chybu lze zanedbat). Při dalším zvyšování otáček začíná klesat proud primárem a navíc se zkracuje doba na dokmitání (vybití) cívky. Pokud použijeme elektronický spínač z Favorita, zpoždění v obvodu již dávno vyřadí zapalování z činnosti. Jinak se začne jiskra čím dále rychleji zeslabovat, až zapalování zkolabuje úplně. Kdy to přesně nastane si z PALu nepamatuji a ani jsem to nikdy neměřil. Každopádně lze cívku použít do 8 200 ot/min, škodovky víc netočily (rozvod OHV je příliš pružný na vyšší otáčky, vysvětlím v článku o motoru). Pokud chce někdo za každou cenu mít konstantní energii až do těchto otáček, ať použije dvouvývodové cívky z Felicie 1,3 MPi. U nich je dvojnásobná doba na plnění, tam má rezervu až do 12 000 ot/min.

Teď už víte, že kombinovat rozdělovač s elektronickým spínačem z Favorita s klasickou zapalovací cívkou je to nejhorší, co můžete svému fáru udělat. Máte sice také "konstantní energii", ale někde na spodní hranici funkčnosti. Navíc o desaturaci si můžete nechat zdát, protože proud přes klasickou cívku nedosáhne nikdy 6 A, kdy začíná desaturační fáze.

BU 921 byl prvním specializovaným Darlingtonem pro elektronická zapalování (Siemens, Telefunken). Podařilo se technologicky vyřešit malé saturační napětí při relativně vysokém závěrném napětí C-E 400 V. Velký proud do báze je skutečně nutný, jinak se saturace nedosáhne. Kdysi dávno se mi dostalo do ruky schéma zapalování od Siemense řízené optickým snímačem, kde byla hodnota odporu báze uvedených 56 Ohmů. Zdálo se mi to málo, že je tam asi chyba. Tak jsem si ho postavil a na osciloskopu pozoroval průběhy. Podle výše uvedených hodnot součástek vzrůstá proud primárním vinutím prakticky lineárně. (Jakmile jsem proud zmenšil, okamžitě došlo k zakulacení průběhu nárůstu proudu a tím se významně zvětšila časová konstanta. Tranzistor dal okamžitě najevo svoji nevoli zvýšením teploty.) Aktivace proudového omezení není okamžitá, dojde k překmitnutí asi o 0,5 A (zobrazí se jakoby klobouček) a poté už drží trvale vodorovnou přímku na 6 A. Doba trvání "kloboučku" je okolo 0,5 - 1 ms. Zavření tranzistoru (zánik proudu) se mi nepodařilo zrychlit, tranzistor je nezřízeně rychlý sám o sobě. V některých schématech je přemostění tranzistoru kondenzátorem vypuštěno, funguje to i bez něj, ale pokud připojíte hodnotu 33 nF, změní se charakter jiskry, jako by byla teplejší. To mi později potvrdili i z vývoje PALu, kondenzátor v zapalováních pro Favorita je. Dnes existují zapalovací tranzistory na proudy větší, potom stačí dát odpor 68 Ohmů, v procentuálně menších poměrech proudů (maximální tranzistoru a skutečně používaný provozní) stačí menší buzení. V bývalé NDR vyráběli ekvivalent SU 111, nikdy jsem ho neměl v ruce a tak nevím, jak se chová. Výrobek Tesly KU 921 v pouzdře TO 220 se mi neosvědčil, tranzistor byl nějaký nakřáplý a nechoval se v saturaci a desaturaci jak měl, hledal jsem to v chybě zapojení nebo jiné vadné součástce, po výměně za BU 921 bylo vše v pořádku. Možná to byla chyba kusu, další jsem již nezkoušel. V pouzdře TO 3 jsem ho nesehnal a nevím, jestli ho Tesla vůbec vyráběla.

Pokračování v článku Zapalování II.

Autor článku: CJ (Jiří Čech)

zobrazit další autorovy články
upravit článek pro tisk

Komentáře k tomuto článku (39):




Hlavní menu:


















Hledání v článcích:

  pomoc?

Nejnovější články:

Jak to je s palivem E85
Zkušenosti z provozu vozidla Octavia Combi 1,9 TDi 81 kW
Montáž schránky pod přední sedačky Octavia II
Na brněnský Autosalon ZADARMO!
Oprava centrálního zamykání Felicia
Návod na montáž zadních repro do Octavia II
Výmena starej poistkovej skrinky vo Favorite za novú
Osvětlení vnitřních klik Octavia II
Montáž tempomatu a palubního počítače do Octavia II FL
MB 1000 a Š 100 (1964-1976)
 

 

© 1999-2012, Petr Váňa a Insidea s.r.o.
Jakýkoliv výňatek či přetisk obsahu serveru Škoda TechWeb může být použit jinde pouze s písemným svolením provozovatelů serveru, jež jsou uvedeni výše.


Doporučujeme: Nerezové komíny | Moderní umění | Ofsetový tisk | Ploty | Oplocení