Spalovací motor je technický zázrak, který byl zdokonalován více než století. Automobilky s každým novým modelovým rokem stále nepatrně zvyšují efektivitu a snižují emise. Výsledek? Stroj, který je neuvěřitelně složitý, ale také překvapivě spolehlivý.
Zatímco ostatní průvodci rozebírají palivová čerpadla, chladicí okruhy, vačkové hřídele, turbodmychadla a převodové poměry, skutečná kouzla se odehrávají v systému zapalování. Zde se palivo a vzduch konečně setkávají se svým cílem.
Podíváme se, jak tento systém funguje, počínaje kritickým konceptem časování zapalování. Potom rozebereme hardware, který vytváří jiskru – svíčky, cívky, rozdělovače. Nakonec se podíváme na moderní přechod na bezdotykové systémy, které zcela eliminují dávkovač.
Zvládnutí časování zapalovacího systému
Zapalovací systém vašeho motoru musí být dokonale synchronizovaný se vším ostatním, co se děje uvnitř bloku. Cíl je jednoduchý: zapálit palivo v milisekundách, kdy expandující plyny mohou vykonat maximální možnou práci. Pokud ji zapálíte příliš brzy nebo příliš pozdě, ztratíte energii. Budete také plýtvat více palivem a více znečišťovat životní prostředí.
Když směs vzduchu a paliva hoří ve válci, teplota prudce stoupá. Kapalné palivo se mění na výfukové plyny. Tato změna fázového přechodu způsobí, že tlak rychle vzroste a tlačí píst dolů.
Chcete-li získat maximální točivý moment, musíte tento tlak maximalizovat během výkonového zdvihu. Vyšší tlak znamená lepší účinnost. Lepší účinnost znamená méně cest na čerpací stanici. Časování zapalování je páka, která to všechno ovládá.
Dochází ke zpoždění. Čas plyne od okamžiku, kdy dojde k jiskře, až do úplného spálení směsi vzduchu a paliva a dosažení vrcholu tlaku. Pokud je jiskra aplikována právě ve chvíli, kdy píst dosáhne vrcholu svého kompresního zdvihu, bude se píst již pohybovat směrem dolů, než tlak dosáhne svého maxima. Promeškáte své okno příležitosti.
Abyste z každé kapky paliva vytěžili maximum, musí k jiskře dojít před, než píst dosáhne vrcholu kompresního zdvihu. V době, kdy se píst začne pohybovat dolů, bude již tlak dostatečně vysoký, aby jej vytlačil ven.
Fyzika práce
Podívejme se na matematiku ve válci:
- Síla se rovná tlaku krát plocha pístu
- Vzdálenost se rovná délce zdvihu
Tedy práce = tlak × plocha pístu × délka zdvihu.
Délka zdvihu a plocha pístu jsou pevné konstrukční parametry. Bez přestavby motoru je nezměníte. Jedinou proměnnou, kterou můžete maximalizovat pro zvýšení práce, je tlak. To nás přivádí zpět k otázce časování zapalování.
Úhel zapalování můžete posouvat (zvýšit) nebo retardovat (snižovat) v závislosti na potřebách motoru.
Doba potřebná ke spálení paliva zůstává přibližně stejná. Ale jak se otáčky motoru zvyšují, písty se pohybují rychleji. To znamená, že jiskra by měla nastat dříve. Toto je předstih zapalování : vyšší otáčky motoru vyžadují dřívější zapálení.
Moc ale není jediným cílem. Někdy potřebujeme minimalizovat emise. Když netlačíte na maximální výkon, můžete zpomalit úhel zážehu. Přesunutím jiskry blíže k vrcholu kompresního zdvihu se sníží maximální tlak a teplota ve válci. Nižší teploty znamenají nižší produkci oxidů dusíku (NOx), což jsou regulované znečišťující látky. Zpoždění zapalování může také zabránit klepání motoru. Mnoho moderních vozů se senzory klepání to dělá automaticky, aby byl motor chráněn.
Dále se podíváme na komponenty, které skutečně vytvářejí jiskru.
Zapalovací svíčka
Jak vysoké napětí zapálí motor
Teorie je jednoduchá. Realita je krutá.
Zapalovací svíčka způsobí, že elektřina protlačí jiskru skrz malou mezeru. Představte si blesk. K prolomení této jiskry je ale potřeba obrovský tlak. Potřebné napětí je mezi 40 000 a 100 000 volty.
Nejedná se o překlep.
Aby mohl tento vysokonapěťový proud předat elektrodě, potřebuje zapalovací svíčka samostatnou, izolovanou “cestu”. Jakmile proud dosáhne mezery? Přeskočí to. Poté vede proud přímo do bloku motoru pro uzemnění.
Ale dostat se do toho bodu je to nejtěžší.
Součást musí odolat extrémním teplotám a tlakům uvnitř spalovací komory. Měl by také odpuzovat usazeniny způsobené přísadami v palivu. Pokud se na zapalovací svíčce nahromadí nečistoty, jiskra zmizí. A pokud jiskra zmizí, auto nefunguje.
Jak tepelný rozsah a keramické izolátory řídí výkon zapalovací svíčky
Kouzlo uvnitř zapalovací svíčky není jen o mezeře. Vše začíná keramickým izolantem. Tato součást dělá hlavní úkol izolovat vysoké napětí procházející elektrodou. Bez něj by elektrický náboj mohl oblouk v jakémkoli dostupném směru k zemi, s největší pravděpodobností zkratovat, aniž by kdy dosáhl spalovací komory. Cíl? Přesná jiskra na špičce přesně tam, kde ji potřebujete.
Ale je zde i sekundární efekt. Keramika také pomáhá spalovat usazeniny. Možná si myslíte, že keramika je jen bariéra, ale její tepelné vlastnosti jsou součástí procesu čištění. Keramika špatně vede teplo. Místo toho, aby rychle odvádělo teplo, zadržuje ho uvnitř svíčky, zatímco funguje. Toto zadržování tepla je záměrné.
Ne všechny motory vyžadují stejnou tepelnou strategii. Někteří lidé potřebují horké svíčky. Jsou vybaveny keramickým výtokem, který má menší kontaktní plochu s kovovým tělem. Menší kontakt znamená menší přenos tepla ze zástrčky. Výsledek? Svíčka pracuje při vyšší teplotě. Tato dodatečná tepelná energie spálí uhlíkové usazeniny a nečistoty dříve, než způsobí vynechání zapalování.
Na druhou stranu vysoce výkonné nebo silně zatížené motory často vyžadují studené svíčky. Mají keramický izolátor s větší kontaktní plochou s kovovou částí. Větší plocha znamená rychlejší rozptyl tepla. Zástrčka funguje při nižší teplotě a zabraňuje samovznícení v situacích, kdy by extrémní teplo zničilo motor.
Volba mezi horkými a studenými svíčkami není otázkou kvality, ale přizpůsobení tepelného rozsahu svíčky specifickému tepelnému výkonu motoru.
Vše se týká geometrie. Menší výlevka izolátoru zachycuje teplo uvnitř. Ten větší mu umožňuje jít ven. Konstruktéři motorů volí správnou rovnováhu na základě kompresního poměru, průtoku vzduchu a kapacity chladicího systému. Pokud se spletete, skončíte buď se znečištěnými zapalovacími svíčkami nebo roztavenými elektrodami. Keramický izolant není jen izolant. Toto je termostat.
Zapalovací cívka je zdánlivě jednoduchá. Je to jen vysokonapěťový transformátor. Uvnitř je primární vinutí drátu. Na ní je těsně navinuté sekundární vinutí. jaký je v tom rozdíl? Sekundární vinutí má stokrát více závitů.
Proud teče z baterie přímo do tohoto primárního vinutí. Je to docela jednoduché.
Ale kouzlo se stane, když přerušíte řetěz.
U starších motorů tento úkol plní přerušovač kontaktů. Moderní systémy využívají polovodičové elektronické součástky. V každém případě je výsledek stejný. Proud v primárním vinutí je náhle přerušen.
Magnetické pole kolem primárního vinutí se okamžitě zhroutí. Toto kolabující pole prostupuje sekundárním vinutím. Indukuje proud v sekundárním vinutí. Obrovský proud. Hovoříme o napětích do 100 000 voltů.
Toto napětí vystupuje z cívky přes silně izolovaný drát a jde přímo do rozdělovače.
Role distributora
Dále se hlavní práce ujme distributor. Jeho hlavním úkolem je nasměrovat vysokonapěťový impuls na požadovaný válec v přesném okamžiku.
To zajišťuje víko a rotor.
Cívka je připojena k rotoru. Rotor se otáčí uvnitř víka. Uvnitř krytu jsou kovové kontakty – jeden pro každý válec. Jak se rotor otáčí, jeho hrot prochází každým kontaktem.
Nedochází k fyzickému kontaktu. Vysokonapěťový impuls rozbije malou mezeru mezi rotorem a pevným kontaktem. Poté se pohybuje podél vysokonapěťového drátu zapalovací svíčky. Nakonec dosáhne zapalovací svíčku požadovaného válce.
Proto se při údržbě vyměňuje kryt a rotor. Neustálý elektrický oblouk je rychle zničí. Opotřebovávají se. Totéž se děje s vysokonapěťovými dráty zapalovacích svíček. Jejich izolace se časem zhoršuje.
Degradace izolace způsobuje záhadné problémy motoru. Selhání zapalování. Nestabilní volnoběh. Problémy, které se zdají náhodné, dokud nevysledujete cestu vysokonapěťového proudu.
U starších konstrukcí rozdělovačů dělá spodní část více než jen distribuci energie. Řídí také proud tekoucí do samotné cívky. Zemnící strana cívky je připojena přímo k přerušovačům kontaktů. Když se tyto kontakty rozepnou, primární obvod se přeruší. Cívka se nabíjí. Kontakty jsou sepnuté. Cyklus se opakuje.
Mechanická omezení kontaktní skupiny
Uvnitř rozdělovače se otáčí jednoduchá vačka. Zatlačí na páku připevněnou ke kontaktům jističe. Když lalok vačky zvedne páku, kontakty se otevřou. Tím se přeruší zemnící obvod primárního okruhu. Magnetické pole v cívce se okamžitě zhroutí. Tato imploze vytváří vysokonapěťový impuls, který je aplikován na zapalovací svíčku.
Mechanický systém však dosahuje svého limitu právě v řízení časování zapalování. Kontakty spoléhají buď na podtlakový nebo odstředivý předstih. Podtlakový předstih reaguje na zatížení motoru. Odstředivý předsuvník reaguje na otáčky motoru. Oba se snaží dynamicky optimalizovat časování zapalování. Ale jsou to hrubé přiblížení. Nemohou zohlednit všechny proměnné, se kterými se motor setká.
Proto většina moderních vozů kontaktní skupinu zcela opustila. Přesnost je důležitější než mechanická jednoduchost.
Proč elektronické zapalování nahradilo skupinu kontaktů
Moderní motory používají senzory k přesnému sledování polohy pístů. Data jdou přímo do řídicí jednotky motoru (ECU). ECU nehádá. Vypočítává ideální časování zapalování na základě tisíců vstupních parametrů. Poté aktivuje tranzistor. Tranzistor uzavírá a otevírá obvod cívky. Rozdělovač nemá žádné pohyblivé části, které by se mohly opotřebovat. Nejsou zde žádné kontakty, které by se mohly spálit nebo zanést sazemi. Pouze čistě digitální ovládání.
Tento přechod nebyl jen o spolehlivosti. Šlo o efektivitu. A o dodržování ekologických norem. Mechanické systémy nemohly splnit požadavky počítačem řízených motorů.
Další krok: zapalování bez rozdělovače
Co následuje po distributoru řízeném ECU? Další stupeň evoluce zcela eliminuje distributora. V další části se podíváme na systémy zapalování bez rozdělovače.
Bezdistributorové zapalovací systémy představují revoluci v údržbě. Prvních 100 000 mil nebudete potřebovat seřízení zapalování. To není marketingový tah. Toto je mechanická realita.
Rozdíl spočívá ve způsobu vytvoření jiskry. U starších vozů rozdělovač mechanicky směroval vysokonapěťový proud do každého válce. Byl mimo provoz. Opotřebované. Způsobil bolesti hlavy. Moderní systémy zcela opustily distributora. Spoléhají na řídicí jednotku motoru (ECU), která řídí každou mikrosekundu tvorby jisker.
Jak funguje řízení časování zapalování ECU
ECU nejen odhaduje. On počítá. K určení přesného okamžiku zapálení zapalovací svíčky využívá data ze senzorů. Zde přichází na řadu kotouč.
V systémech coil-on-plug nebo odpadních jisker funguje cívka podobně jako velké centrální cívky v minulosti, ale s klíčovým rozdílem v ovládání. ECU řídí tranzistory. Tyto tranzistory přerušují zemnící obvod v obvodu zapalování. Při přerušení obvodu se magnetické pole v cívce zhroutí. Tento kolaps generuje vysokonapěťovou jiskru.
Tato konstrukce dává ECU plnou kontrolu nad časováním zapalování. Počítač může upravit úhel v závislosti na zatížení, teplotě, hodnotách snímače klepání a jízdních podmínkách. Je to dynamické. To je jisté.
Proč můžete zapomenout na seřízení zapalování
Přechod na elektronické zapalování není jen otázkou pohodlí. Je to otázka výdrže.
Neexistuje žádný rozdělovač, který by se opotřeboval. Nejsou zde žádné další mechanické kontakty a kondenzátory. Motorovým prostorem nevedou žádné vysokonapěťové kabely zapalovacích svíček. Tyto dráty časem degradují, ztrácejí svou izolaci a způsobují vynechávání zapalování. Bez nich není téměř co rozbít.
Výsledkem je systém, který během první dekády provozu nevyžaduje prakticky nulovou údržbu. Svíčky měníte podle doporučení výrobce, ale samotný systém zapalování? Prostě to funguje.
Výhody přesnosti
Proč je to důležité? Dvě slova: účinnost a výkon.
U starších systémů byla křivka časování zapalování pevná nebo mechanicky omezená. Moderní systémy dokážou optimalizovat proces spalování v reálném čase. To má za následek lepší spotřebu paliva. Tím se snižují emise. To vám také umožňuje získat více energie ze stejného výtlaku.
Elektronické zapalovací systémy mají delší životnost, protože nemají žádné pohyblivé části. Méně pohyblivých částí znamená méně položek, které mohou selhat. Poskytují také lepší spotřebu paliva a nižší emise než jejich předchůdci s přerušovačem kontaktů.
Pochopení vývoje zapalovacích systémů
Pokud se podíváte na historii zapalovacích systémů, není to přímá čára. Existují čtyři hlavní typy:
- Konvenční zapalovací systémy s přerušovačem kontaktů.
- Vysokoenergetické výbojové zapalovací systémy (elektronické).
- Zapalovací systémy bez rozdělovače (s „neužitečnou jiskrou“).
- Zapalovací systémy s jednotlivými cívkami (coil-on-plug).
Základní účel každého zapalovacího systému zůstává stejný. Vytváří elektrickou jiskru ve spalovací komoře motoru. Tato jiskra zapálí směs paliva a vzduchu. Bez něj je motor jen těžký blok kovu.
Automobilový zapalovací systém je to, co zapálí palivo a vzduch, aby se nastartoval motor vašeho auta. To je to, co vaše auto zapne a zprovozní. Elektronický zapalovací systém je jednoduše evolucí tohoto procesu, který k dosažení lepšího výkonu používá elektronické obvody namísto mechanických spouště.
Více o mechanice motoru
- Jak fungují motory automobilů?
- Kvíz: Test motoru
-
Jak fungují systémy vstřikování paliva
