Jakkoliv vatek i petisk obsahu serveru koda TechWeb me bt pouit jinde pouze s psemnm svolenm provozovatel serveru, je jsou uvedeni ve.
| Copyright © 1999-2000, Petr Va & Panda internet studio Jakkoliv vatek i petisk obsahu serveru koda TechWeb me bt pouit jinde pouze s psemnm svolenm provozovatel serveru, je jsou uvedeni ve. |
Zapalování (podrobný popis)
Rubrika: Elektrika
Publikovn: 14. listopadu 2002
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.
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).
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.
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 lnku: CJ (Jiří Čech)
E-mail: jicech@quick.cz