Aktivátor/tester zapalovacích cívek (1)

Co rozhoduje o kvalitě zapalovací jiskry a proč nejsou všechny zapalovací cívky stejné? Školitel společnosti Robert Bosch a náš dlouholetý spolupracovník Štěpán Jičínský v tomto příspěvku představuje prototyp zajímavého zařízení pro testování zapalovacích cívek. Zároveň detailně vysvětluje souvislosti mezi sycením cívky, energií jiskry a správnou funkcí zapalovací soustavy. Ve druhé polovině článku přidává praktická měření i oscilogramy reálných obvodů. Pokračování tématu přineseme v některém z následujících vydání.

Po celou dobu, co se věnuji automobilovým systémům a elektronice, mě vždy zajímaly a fascinovaly zapalovací soustavy. Bylo o nich již napsáno nespočet materiálů, ale nikde se příliš nepsalo o konkrétních hodnotách energie ukládané v cívce a energie jiskry. Tímto článkem se pokusím tento deficit trochu změnit.

Tester zapalovacích cívek

Přístroj slouží k prvotnímu testování a následné aktivaci zapalovacích cívek. Umožňuje změřit základní vlastnosti cívky – odpor a indukčnost primárního vinutí – a s použitím těchto parametrů vypočítat teoretickou energii, která se při sycení cívky ukládá v podobě magnetického pole v jejím jádru. Tato energie pak určuje, jakou intenzitu a dobu hoření bude mít jiskra vznikající v sekundárním okruhu cívky. Lze ovládat frekvenci spínání primárního vinutí cívky a dobu sycení. Nastavenou dobou sycení je ovlivněn maximální proud na konci sycení cívky a ten pak spolu s indukčností primárního vinutí určuje výslednou magnetickou energii a rovněž maximální hodnotu indukovaného napětí v primárním vinutí při přerušení proudu. Tyto hodnoty pak rozhodují o tom, zda z indukovaného napětí, následně transformovaného na vysoké napětí v sekundárním vinutí, vůbec přeskočí jiskra na svíčce, a pokud ano, jak dlouho bude hořet a jakou bude mít teplotu, což jsou významné faktory, ovlivňující kvalitu zapálení směsi ve válci. Detailní výklad ke zmíněným parametrům cívky je uveden v dalším textu.

Na úvod je nutno zmínit jeden důležitý fakt: Nikdy se nesmí aktivovat zapalovací cívka s nezapojeným sekundárním okruhem, jinými slovy cívka bez připojeného jiskřiště (svíčky). Na sekundárním vinutí by vznikalo maximální možné napětí a hrozilo by poškození (proražení) cívky nebo zničení aktivátoru! Sekundární okruh (zapalovací kabely, svíčka) musí být řádně propojen s vysokonapěťovými vývody cívky, nesmí vznikat předřadné jiskřiště. Jiskření na vývodech cívky by vedlo k rušení aktivátoru.

Stručná teorie zapalování

Zapalovací soustava představuje důležitou součást zážehového motoru a ovlivňuje jeho základní parametry jako výkon, spotřebu paliva a emise.

Následující výklad se bude věnovat zapalování indukčního typu. Je tvořeno zapalovací cívkou se dvěma vinutími, primárním a sekundárním. Primární vinutí je z jedné strany napájeno stejnosměrným napětím palubní sítě, přiváděným na svorku 15, a druhý konec primárního vinutí – svorka 1 – se spíná na kostru.

U starých zapalovacích systémů spínání zajišťoval přerušovač v rozdělovači, ovládaný vačkou na hřídeli rozdělovače. Geometrie vačky určovala úhel, v němž byl přerušovač sepnutý a docházelo k sycení cívky. Tomuto úhlu se říkalo úhel sepnutí (měřený ve stupních) a přepočtem přes okamžité otáčky vačky bylo možné získat dobu sepnutí v milisekundách.

U modernějších zapalování se už přerušovač nepoužívá, svorka 1 je spínána elektronickým tranzistorovým obvodem, obsaženým buď v samostatné tranzistorové spínací jednotce, nebo v řídicí jednotce motoru, případně je tranzistorový spínací obvod přímo v samotné cívce. Záleží na konstrukčním provedení zapalovací soustavy. Na principu činnosti zapalování to však nic nemění. Elektronika nastavuje dobu sepnutí tak, aby na konci doby sepnutí (doby sycení cívky) dosáhl proud v primárním vinutí právě potřebné hodnoty s ohledem na okamžitý režim chodu motoru. To, že dobou sycení lze určit maximální proud protékající cívkou na konci doby sycení, vychází z faktu, že nárůst proudu není skokový, ale „pozvolný“, a z času uběhlého od začátku sepnutí lze určit hodnotu proudu na konci sycení.

Časový průběh proudu má exponenciální tvar a lze teoreticky spočítat, jakou hodnotu bude mít v libovolném okamžiku po začátku sepnutí. Je potřeba jen znát sériový odpor R1 primárního vinutí cívky, napájecí napětí na svorce 15 cívky, indukčnost L, nebo přesněji řečeno časovou konstantu τ cívky (poměr indukčnosti a odporu cívky) a saturační napětí spínacího tranzistoru (napětí na tranzistoru při maximálním proudu cívky). Primární proud i₁ (t) jako funkce času je vyjádřen následující rovnicí a představuje okamžitou hodnotu proudu v daném časovém okamžiku:

Kde U₁₅ je napětí na svorce 15, U_sat je saturační napětí spínacího tranzistoru, R₁ je odpor primárního vinutí, e je Eulerovo číslo (základ přirozených logaritmů, rovno přibližně 2,71828182846), t je čas uběhlý od okamžiku sepnutí, τ je časová konstanta cívky.

Má-li například cívka na svorce 15 napětí 14 V, saturační napětí tranzistoru 4 V, odpor cívky je 0,6 Ω a vlastní indukčnost 5 mH, časová konstanta, tedy 0,005/0,6 = 0,0083 s, pak při době sepnutí 3 ms bude pro hodnotu proudu v okamžiku rozpojení platit následující vztah:

Z hodnot proudu a indukčnosti primárního vinutí lze pak spočítat magnetickou energii v cívce:

Pokud Vás článek zaujal a přejete si pokračovat v jeho přečtení, přihlaste se.