EAU
4. 3. 2013
Ing. Jozef Klus
2012
Batériové klasické zapaľovanie
— Odstredivá a podtlaková regulácia
— Zapaľovacie sviečky, vysokonapäťové káble
— Rozdeľovač
— Snímače otáčok a polohy kľukového hriadeľa
— Tranzistorové zapaľovanie
— Tyristorové zapaľovanie
— Kondenzátorové zapaľovanie
— Riadenie predstihu zážihu
— Prednastavenie zapaľovacích parametrov
— Riadenie klepania
—
Ing. Jozef Klus
1
EAU
4. 3. 2013
Spaľovacie motory – podľa spôsobu zapálenia
paliva v pracovnom priestore:
—
vznetové motory – zapálenie kompresným teplom
zážihové motory – zapálenie vysokonapäťovou iskrou
Úlohou zapaľovacej sústavy (ZS) zážihového
spaľovacieho motora je zapáliť zmes paliva so
vzduchom
—
v správnom okamihu
s potrebnou energiou
Ing. Jozef Klus
2
EAU
4. 3. 2013
—
Správne fungovanie ZS je dôležité pre
max. točivý moment motora
max. výkon motora
minimálnu spotrebu paliva
minimálne množstvo škodlivých emisií
—
Zapaľovanie el. iskrou je výhodné z dôvodu
môžeme presne určiť okamih zapálenia zmesi a
miesto zapálenia a spôsob horenia zmesi a tým dosiahnuť
maximálny výkon motora
(prečítať históriu)
Rozdelenie zapaľovacích systémov:
— batériové zapaľovanie - zdrojom energie je batéria
klasické batériové zapaľovanie
tranzistorové zapaľovanie
s odľahčenými kontaktmi
bezkontaktné
kondenzátorové zapaľovanie
kontaktné
bezkontaktné
mikroprocesorom riadené zapaľovanie
úplné elektronické zapaľovanie
magnetové zapaľovanie - zdrojom energie je
elektromagnetická indukcia – nie je potrebný
akumulátor
—
Ing. Jozef Klus
3
EAU
4. 3. 2013
Prvky klasického batériového zapaľovania
— Zapaľovacia cievka - jej úlohou je
akumulovať el. energiu v mag. poli
a premieňať ju na vysokonapäťový
zapaľovací impulz
Ing. Jozef Klus
4
EAU
4. 3. 2013
Zapaľovacia sviečka - je to elektrické zariadenie,
ktoré zapaľuje stlačené palivo
pomocou elektrickej iskry.
—
Vysokonapäťové káble – zabezpečujú prenos
elektrického náboja do zapaľovacej sviečky.
—
Ing. Jozef Klus
5
EAU
4. 3. 2013
Rozdeľovač - prenáša impulzy vysokého napätia do
jednotlivých zapaľovacích sviečok.
—
Ing. Jozef Klus
6
EAU
4. 3. 2013
—
Zloženie indukčnej zapaľovacej sústavy
energiu potrebnú k iskrovému výboju dodáva akumulátor
zapaľovacia cievka (zapaľovací transformátor) zhromažďuje
energiu vo forme magnetického poľa, ktoré je vytvárané
primárnym vinutím
pri prerušení prúdu do primárneho vinutia rozdeľovačom,
indukuje napäťový impulz, ktorý sa transformuje na vysoké
napätie – energia magnetické poľa cievky sa vybije
vysokonapäťovým impulzom
zosilňuje sa vplyvom železného jadra cievky
Ing. Jozef Klus
7
EAU
4. 3. 2013
vysokonapäťový impulz sa na zapaľovacej sviečke premení na
zapaľovaciu iskru, ktorej teplota zapáli zmes pohonnej látky so
vzduchom
tento indukčný princíp prerušovania primárneho obvodu
VN transformátora používajú zážihové motory
pre viacvalcové motory je potrebný
rozdeľovač, ktorý privedie vysokonapäťový impulz na jednotlivé sviečky
valcov tesne pred hornou úvraťou piestu
vo fáze kompresie
—
Ing. Jozef Klus
Zapojenie indukčnej zapaľovacej sústavy
8
EAU
4. 3. 2013
Primárna prúdová slučka zapaľovacieho transformátora je
tvorená:
kostra - svorka 31
akumulátor – svorka 30
spínač zapaľovania – svorka 15
primárne vinutie zapaľovacieho transformátora – svorka 1
prerušovač
kostra – svorka 31
—
Vznik magnetického poľa
uzatvorením primárneho obvodu kontaktom prerušovača,
preteká z pripoj. AKU prúd, ktorí vybudí mag. pole primárneho
vinutia
magnetické pole vzniká s určitým oneskorením (indukované U pri
vzniku mag. poľa pôsobí proti budiacemu U – prechodový jav) a
preto prúd primár. cievkou rastie exponenciálne
Ing. Jozef Klus
9
EAU
4. 3. 2013
—
Zánik magnetického poľa
rozpojením kontaktu prerušovača – vypnutie I v primárnom
vinutí zapaľovacej cievky
mag. pole zaniká v krátkom čase – energia mag. poľa sa odovzdá
veľkým výkonom (el. výkon P=U.I)
čím rýchlejšie vypnutie tým väčšie napätie
v zapaľovacej cievke
v primárnom vinutí
takto vzniká indukovaný
impulz až 400V
—
Procesy v sekundárnom obvode zapaľovacej cievky
Sekundárna prúdová slučka zapaľovacieho transformátora je
tvorená:
kostra – svorka 31 – prerušovač – svorka 1 – sekundár. vinutie zap.
cievky – svorka 4 – rozdeľovač - zapaľovacia sviečka - kostra
Ing. Jozef Klus
10
EAU
4. 3. 2013
—
Procesy v sekundárnom obvode ...
napäťové a prúdové zmeny v primár. vinutí sa prenášajú
indukčnou väzbou na sekundárne vinutie
transformujú sa v pomere počtu závitov
pre ideálny transformátor platí
n – prevod transformátora
U1, I 1, N1 – primárne U, I, N
U2, I 2, N2 – sekundárne U, I, N
Vznik magnetického poľa pri zopnutí primárneho
obvodu
—
ako sa indukuje U v primárnej cievke, tak sa indukuje aj napätie v
sekundárnej cievke v dôsledku transformácie
veľkosť je určená pomerom závitov n=N1/N2
napr. U1=13,5V a n=150, potom U2=2000V
pri skončení vytvárania
mag. poľa v čase tMA
je sekundár. U nulové
(neprebiehajú žiadne
zmeny a preto je
indukované U=0V)
Ing. Jozef Klus
11
EAU
4. 3. 2013
Zánik mag. poľa pri prerušení primárneho prúdu
prerušovačom
—
rýchlym zánikom mag. poľa sa indukuje vysoké U, ktoré sa ešte
zvýši prevodom transformátora
impulzy na sek. vinutí dosahujú až 40 000V
—
Zánik mag. poľa pri prerušení ...
vysoké U (zapaľovacie napätie) sa dostane cez rozdeľovač na
zapaľovacie sviečky
medzi elektródami sviečky sa ionizujú plyny a vytvorí sa vodivá
cesta pre el. výboj – el. oblúk
preskočí iskra a uzatvorí sa obvod
teplo z iskry zapáli horľavú zmes v okolí elektród sviečky
pri výboji klesne napätie na elektródach sviečky na hodnotu na
napätie výboja
po 1 – 2,5 ms sa vyčerpá energia mag. poľa a napätie na
elektródach poklesne a výboj zhasne
napätie na sekundárnej cievke ešte chvíľu dokmitáva
Ing. Jozef Klus
12
EAU
4. 3. 2013
Rozpätie zážihov – uhol otočenia
kľuk. hriadeľa medzi 2 zápalmi
720°
č
2. Uhol doby zopnutia
3. Uhol doby prerušenia
4. Doba výboja (asi 1 ms)
5. Doba dokmitu
6. Okamih zážihu (prerušenia)
7. Zapaľovacie napätie
8. Napäťová špička
9. Napätie výboja
10. Čiara napätia výboja
11. Koniec výboja
12. Okamih zopnutia
13. Koniec tvorby magnetického poľa
v zapaľ. cievke
1.
Ing. Jozef Klus
13
EAU
4. 3. 2013
Jej úlohou je akumulovať energiu v mag. poli a pri
prerušení primárneho obvodu túto energiu
transformovať na vysokonapäťový zapaľovací impulz
—
je to transformátor s prevodom n=60~150
Hlavné časti – primárne a sekundárne vinutie, prívodné svorky a
železné jadro (zložené z transformátorových plechov) na
zosilnenie mag. toku
Primárne vinutie – silný Cu izolovaný drôt, 100~500 závitov, má
malý činný odpor (03~2,5 Ω), umožňuje priechod veľkého prúdu
Sekundárne vinutie – tenký Cu izolovaný drôt, 15000~30000
závitov, činný odpor 5~20 Ω
Minimálna energia výboja 6 mWs (cievka dodáva až 120 mWs)
Zapaľovacie napätie na výstupe cievky je 25000~40000 V
Ing. Jozef Klus
14
EAU
4. 3. 2013
Druhy zapaľovacích cievok
— Valcová zapaľovacia cievka
používa sa s mechanickým rotačným
rozdeľovačom VN
nie je vhodný pre vysokootáčkové a
mnohovalcové motory – veľmi krátka
doba na vytvorenie mag. poľa cievky,
energia potrebné na zážih
Úsporné zapojenie
zapaľ. cievka je zapojená ako
autotransformátor – primárna a
sekundárna cievka majú 1 spoločný vývod,
ktorý je spojený s prerušovačom a kladné
U z akumulátora je pripojené na svorku
15, VN je na svorke 4
Jednoiskrové zapaľovacie
cievky
—
každý valec motora má vlastnú
zapaľ. cievku (s prim. a sek.
vinutím)
cievky sú najčastejšie namontované
na valcoch
označovanie svoriek je ako pri
valcových
svorka 4b - ak je riadiacou
jednotkou monitorovaný výpadok
iskry, svorka 4 je potom 4a
Ing. Jozef Klus
15
EAU
4. 3. 2013
indukcia VN je opäť vyvolaná prerušovaním prúdu v primár.
okruhu elektronicky
pomocou tyristorov alebo spínacích tranzistorov, ktoré ovláda
riadiaca jednotka zapaľovania
jednotka je časovo synchronizovaná s pohybom kľukového
hriadeľa a vačkovej hriadele pomocou snímačov natočenia
týchto hriadeľov a signálu indikujúceho hornú úvrať 1. valca vo
fáze kompresie
—
Dvojiskrové zapaľovacie cievky
používajú sa pre dvojice valcov v
motoroch s párnym počtom valcov
poskytujú napätie pre dvojicu zapaľ.
sviečok
majú 1 sekundárne vinutie a 1 primárne s
dvoma vývodmi na 2 sviečky
primárne vinutie je pripojené na
napájanie (vývod 15) a prerušovač (vývod
1)
sekundárne vinutia sú pripojené na
zapaľovacie sviečky
pri motoroch s poradím zapaľovania
1-3-4-2, dodáva do dvojíc 1-4 a 2-3 iskru
súčasne – hlavná a vedľajšia iskra
napr. valec 1 je na konci kompresie
(hlavná iskra) a valec 4 je na konci
výfuku (vedľajšia iskra)
Ing. Jozef Klus
16
EAU
4. 3. 2013
—
Dvojsviečkové zapaľovanie
používa 2 sviečky na valec
dvoma postupnými zápalmi vo valci sa dosahuje úplné a rýchle
spálenie zmesi s nižším množstvom škodlivín
—
Štvoriskrová zapaľovacia cievka
používa sa pri 4-valcových motoroch
nahradzuje 2 dvojiskrové zapaľ.
cievky
cievka je budená zosilňovačom
s 2 komplementárnymi spínacími
tranzistormi
každá sviečka dostáva 2 zapaľovacie
impulzy (hlavná a vedľajšia iskra)
Ing. Jozef Klus
17
EAU
4. 3. 2013
K vytvoreniu zapaľovacieho impulzu v indukčnom
zapaľovaní je potrebné prerušiť primárny obvod
zapaľovacej cievky, aby sa v sekundárnom vinutí
indukovalo vysoké napätie.
Klasický (mechanický) zapaľovací systém
Elektronický zapaľovací systém
A ešte inak
—
Spôsoby prerušovania
pôvodne - mechanický prerušovač primárneho obvodu
zapaľovacej cievky
primárny prúd max. 5A, zapaľovací prúd max. 50mA
kontakty sa opaľovali - nutná častá údržba a nastavovanie
max. frekvencia prerušenia 400 Hz, t.j. max. počet otáčok 6000
ot/min pri 8-valcovom motore
časovanie a predstih sa nedalo presne nastaviť
Ing. Jozef Klus
18
EAU
4. 3. 2013
nahradil ho novší – polovodičový (tranzistorový) prerušovač
používa
spínacie tranzistory
indukčné alebo Hallové snímače polohy kľukového hriadeľa
zapaľovaciu cievku s predradným rezistorom
Tranzistorové indukčné zapaľovanie s indukčným snímačom
označovaný TSZ-i alebo TZ-i (Bosch)
používa indukčný snímač k riadeniu spínania tranzistorov
je tvorený:
rotor na oske rozdeľovača
stator s perman. magnetmi
pólové nadstavce
snímacia cievka
indukčný snímač pracuje
na rovnakom princípe
ako generátor striedavého U
Ing. Jozef Klus
19
EAU
4. 3. 2013
Tranzistorové indukčné zapaľovanie s Hallovým snímačom
označovaný ako TSZ-h alebo TS-h
používa k riadeniu tranzistor. spínania signál z Hallového snímača
umiestneného v rozdeľovači
rotor ma clonky, ktoré menia mag. tok medzi pólovými nádstavcami
magnetu a tieto zmeny sníma Hallov snímač
impulzy zo snímača sú privedené do riad. jednotky zapaľovania,
ktorá spína primárny prúd zapaľ. cievky
Ing. Jozef Klus
20
EAU
4. 3. 2013
Okamih zapálenia zmesi vo valci sa volí s ohľadom na
priebeh namáhania kľukového hriadeľa a priebeh
horenia zmesi s predstihom 10° až 20° natočenia KH
pred hornou úvraťou (HÚ).
Ing. Jozef Klus
21
EAU
4. 3. 2013
medzi začiatkom a koncom horenia zmesi paliva so
vzduchom (dosiahnutie najvyššieho tlaku vo valci)
uplynie 1-2 ms
— zapálenie zmesi je uskutočnené s predstihom, tak
aby najvyšší tlak vo valci vznikol po prekonaní úvrati
— voľbou vhodného okamihu dosiahneme maximum
odovzdanej energie motoru
— predstih nesmie byť veľký (klepanie motora) a ani
malý (malé tlaky a výkon motora)
—
Predstih sa musí prispôsobovať prevádzkovým
podmienkam motora – otáčky a zaťaženie motora
—
pri rôznom zaťažení motora sa mení optimálna hodnota
predstihu
pri vyšších otáčkach motora sa musí predstih zväčšiť, pretože za
rovnaký čas sa kľukový hriadeľ otočí o väčší uhol
Ing. Jozef Klus
22
EAU
4. 3. 2013
Odstredivý regulátor
— mení uhol predstihu v závislosti od otáčok motora
— zapaľov. systém s mechanickým rozdeľovačom
— zmenu uhlu predstihu zabezpečujú odstredivé
závažia, ktoré pootáčajú vačku prerušovača v
závislosti od otáčok motora
v tranzistorovom
zapaľovaní s indukčným
snímačom sa natáča
rotorová hviezdica
a s Hallovým snímačom
rotor s clonkami
Podtlakový regulátor
— prispôsobuje uhol predstihu zaťaženiu motora
— prenáša pohyb membrány závislý na podtlaku v
sacom potrubí (zaťaženie motora)
— pomocou tiahla sa pootočí kotevná doštička na
ktorej je:
kontakt prerušovača
(pri mechanickom preruš.),
magnetická závora
s Hallový snímačom,
alebo pólová doska so
statorom snímača pri
indukčnom snímači
Ing. Jozef Klus
23
EAU
4. 3. 2013
Elektronické zapaľovanie
el. zapaľovanie (EZ) a úplné el. zapaľovanie (VZ) nemajú
mechanické regulátory predstihu
okamih zážihu sa nastavuje elektronicky a uhol predstihu
vypočíta riad. jednotka motora na základe signálov
snímačov (otáčok a zaťaženia motora)
uhol predstihu je uložený v trojrozmernom dátovom poli
na základe získaných
hodnôt zo snímačov
sa určí z dátového
poľa uhol predstihu
Ing. Jozef Klus
24
EAU
4. 3. 2013
Regulácia klepania musí zistiť detonačné horenie
zmesi v motore a následne zmenšiť predstih aby
klepanie odstránil. Regulátor musí naopak aj
zväčšovať predstih s cieľom zväčšiť výkon motora, tak
aby nedošlo ku klepaniu.
—
Detonačné horenie zmesi vo valci má tieto príčiny:
veľký predstih
palivo s nízkym oktánovým číslom
prehriaty motor
veľký kompresný pomer
nesprávne zloženie palivovej zmesi
preťaženie motora
Detonačné spaľovanie spôsobuje k tlakovému
kmitaniu a vibráciám bloku motora
— Tieto vibrácie zistí riadiaca jednotka podľa signálov
zo snímača klepania
— Snímač je najčastejšie piezoelektrický
—
Ing. Jozef Klus
25
EAU
4. 3. 2013
Na piezoelektrickom snímači vznikne napätie v
dôsledku vibrácii (klepania)
—
ak dôjde ku klepaniu, riadiaca jednotka zmenší predstih (napr. o
3° uhlu KH)
ak klepanie neprestane, pokračuje v zmenšovaní predstihu až po
prípustnú hodnotu
ak dochádza k opakovanému klepaniu, prepne riadiaca jednotka
na iné dátové pole (napr. na benzín s oktánovým číslom 95)
umožňuje to jazdiť na benzín 95 a 98 bez preladenia motora
regulácia predstihu môže byť
spoločná pre všetky valce – starý koncept
selektívna regulácia klepania vo valcoch – predstih je zmenšovaný
len vo valci v ktorom dochádza – valec sa zistí podľa expanzie v
ktorom prebieha a v ňom sa upraví predstih
Ing. Jozef Klus
26
EAU
4. 3. 2013
Veľkosť primárneho prúdu určuje rýchlosť vzniku
magnetického poľa v zapaľovacej cievke a následne
množstvo energie, ktoré je uvoľnené zapaľovacou
iskrou.
Ing. Jozef Klus
27
EAU
4. 3. 2013
Z toho vyplýva, že primárny prúd by mal byť čo
najväčší.
—
Veľkosť prúdu je ale obmedzená, aby nedošlo k
prehrievaniu cievky a jej poškodeniu najmä pri:
—
nízkych otáčkach
veľkom uhle zopnutia
Cievkou môže pri 12V tiecť prúd až 30A, ale táto
hodnota nesmie byť dosiahnutá – zničila by sa cievka
— K obmedzovaniu dôjde, ak dosiahne primárny prúd
hodnotu 10-15A
—
—
Spôsoby obmedzenia:
Obmedzenie predradným odporom na primárnej cievke
pri štarte môže byť premostený, aby sa neznižoval prúd pri nízkom
napätí akumulátora pri štartovaní
Elektronické obmedzenie pulznou šírkovou moduláciou spínaním je riadená stredná hodnota prúdu
K odpájaniu dôjde, aj ak je zapaľovanie zapnuté a motor stojí –
odpojí sa do 1 sekundy
Ing. Jozef Klus
28
EAU
4. 3. 2013
Je to opakovaný zážih (až 7x) na konci kompresie
pred dosiahnutím hornej úvrati piesta motora
—
využíva sa pri štartovaní
pri nízkych otáčkach
Umožňuje zapáliť palivo v nevhodných
podmienkach (napr. studený motor)
—
Ing. Jozef Klus
29
EAU
4. 3. 2013
Rozdeľovanie VN privádza VN na zapaľovacie cievky
jednotlivých valcov tak, aby doba pripojenia časovo
prekrývala dobu zážihu.
Ing. Jozef Klus
30
EAU
4. 3. 2013
—
K rozdeleniu VN sa používa rotačný rozdeľovač
zloženie
zapaľovacie sviečky
VN káble
rotačný rozdeľovač s rotujúcim ramienkom
ochranné krytky koncoviek VN káblov
podľa Bosch je systém označovaný ROV – rotačné rozdeľovanie
VN
—
Systém nepohyblivého rozdeľovania VN – RUV
pevný rozvod pri jedno, dvoj a štvoriskrových zapaľovacích cievkach
nie sú potrebné pohyblivé diely, nedochádza k opotrebovaniu
kontaktov a poruchám
Ing. Jozef Klus
31
EAU
4. 3. 2013
Úlohou zapaľovacej sviečky je zapáliť palivovú zmes
elektrickým oblúkom (iskrou).
Je potrebné dosiahnuť zapaľovacie napätie na
elektródach zapaľovacej sviečky.
—
Požiadavky kladené na zapaľov. sviečku:
zmeny tlaku 0,09MPa (pri saní) – 6MPa (pri expanzii)
zmena teploty 100°C (sanie) – 2500°C (expanzia)
frekvencia zážihov až 4000/s (66/s) pri 8000ot/min
zapaľovacie napätie až 40kV a krátkodobo až 300A
chemické procesy v prostredí v ktorom sa nachádza sviečka
Ing. Jozef Klus
32
EAU
4. 3. 2013
—
Konštrukcia zapaľ. sviečky
vyrobená z tepelne odolných materiálov (kov, keramika, sklo), je
nerozoberateľná
jednotlivé časti:
izolátor – špec. keramika s glazúrou
puzdro sviečky
tesniace sedlo
bočné elektródy
stredná elektróda
koncovka pre kábel
—
Tesniace sedlo podľa typu motora
—
Tvary elektród
a)
b)
c)
d)
Ing. Jozef Klus
strechovitá elektróda
bočná elektróda
trojpólová bočná
trojpólová strechovitá
33
EAU
4. 3. 2013
—
Poloha iskry elektród
a) normálna
b) vysunutá
c) zasunutá
—
Dráha iskier
a) štandardná dráha – medzi elektródami
b) kĺzavý výboj – vodivá vrstva paliva a
sadzí v blízkosti kovovej objímky
stiahne VN po izolátore, po očistení pracuje opäť normálne
—
Tepelná hodnota sviečky
musí byť zvolená podľa typu
motora – udáva ako sviečka odvádza
teplo z elektród a závisí od tvaru
koncovky izolátora
a) teplá sviečka – dlhá koncovka s veľkým povrchom, ktorý
prijíma teplo – vhodná pre menej výkonné a menej namáhané
motory
b) studená sviečka – krátka koncovka, ktorá sa dobre ochladzuje
– vhodná pre výkonne športové motory
Ing. Jozef Klus
34
EAU
4. 3. 2013
—
Správna tepelná hodnota sviečky zaručuje:
sviečka sa rýchlo zahreje na samočistiacu hodnotu (450°C – 850°C),
kedy sa sviečka sama čistí od sadzí ich spalením
pod 450°C sa usadzujú sadze na sviečke
nad 850°C vznikajú samozápaly
—
Veľká tepelná hodnota
nad 850°C
sviečka pôsobí ako žhaviaca sviečka, vznikajú neriadené samozápaly s
veľkým predstihom
vyvoláva detonačné spaľovanie a poškodzujú motor
—
Malá tepelná hodnota
pod 450°C
sviečka sa nezahreje na samočistiacu teplotu, zanáša sa
dáva slabú, alebo žiadnu iskru
—
Ing. Jozef Klus
Stav a vzhľad zapaľovacích sviečok
35
Download

Elektronické zapaľovacie systémy.pdf