Bezrozdzielaczowe układy zapłonowe

W układach bezrozdzielaczowych zrezygnowano z ostatniego elementu mechanicznego jakim był rozdzielacz wysokiego napięcia. Stwarza to szereg korzyści, z których najważniejszymi są:

Poza wymienionymi cechami omawiany układ spełnia takie same funkcje jak  rozdzielaczowy układ zapłonowy sterowany elektronicznie i posiada podobne charakterystyki mocy. Układy te mogą występować w dwóch głównych odmianach:

  1. z cewkami dwubiegunowymi,
  2. z indywidualnymi cewkami na każdy cylinder (układy DI).

Spotyka się również układy o innej konfiguracji cewek, np. układy z pojedynczą cewką czterobiegunową.

 

Układy z cewkami dwubiegunowymi

Idea bezrozdzielaczowego układu zapłonowego: układ z dwiema cewkami dwubiegunowymi

W odniesieniu do silników o parzystej liczbie cylindrów, w których tłoki jednej pary cylindrów jednocześnie osiągają GMP wyeliminowanie rozdzielacza możliwe jest przez zastosowanie szeregowego połączenia świec zapłonowych w każdej parze cylindrów, np. 1–4 i 3–2 (rysunek powyżej). W takim układzie końce uzwojenia wtórnego odizolowane są od potencjału masy i połączone do świec zapłonowych. Energia impulsu wysokiego napięcia rozkłada się na oba cylindry: w jednym powoduje zapłon mieszanki w suwie sprężania, zaś w drugim przeskok iskry następuje w czasie wydechu.

Przy stosowaniu cewek dwubiegunowych wzrastają wymagania odnośnie wartości wysokiego napięcia generowanego przez układ zapłonowy ze względu na różne polaryzacje elektrod świec. Podwójna częstotliwość iskrzenia powoduje ponadto przyspieszone zużycie elektrod, zaś uszkodzenie w jednym ze stopni końcowych wyłącza 2 cylindry.

W elektronicznych układach zapłonowych tego typu na każde dwa cylindry przypada jedna cewka dwubiegunowa [5]. Zgodnie z tą zasadą silnik 4-cylindrowy wyposażony jest w dwie cewki dwubiegunowe, silnik 6-cylindrowy w 3 cewki itd. W silniku 4-cylindrowym działanie drugiej cewki podwójnej musi być przesunięte o 180 0OWK w stosunku do pierwszej. Oznacza to, iż w silniku o tej liczbie cylindrów iskra występuje jednocześnie w parach cylindrów 1/4 oraz w 3/2. Synchronizacja zapłonów dla poszczególnych par cylindrów odbywa się w oparciu o sygnał położenia wału korbowego, odpowiadający zwrotowi zewnętrznemu tłoków w cylindrach 1 i 4. Informacja o zwrocie zewnętrznym tłoków w parze cylindrów 3/2 wynika natomiast z analizy sygnału prędkości obrotowej wału korbowego.

Starsze rozwiązania układu sterowania zapłonem z cewkami dwubiegunowymi ograniczone były szybkością działania sterownikowego mikroprocesora. Analiza sygnału czujnika obrotu wału korbowego w celu wyznaczenia kolejnego GMP wymaga odpowiednio dużych mocy obliczeniowych. Problem rozwiązano prz ekazując funkcję obróbki sygnału położenia wału korbowego do układu zewnętrznego – modułu zapłonowego DIS (ang. – Distributorless Ignition System).

Opis modułu DIS

Późniejsze rozwiązania układów sterowania zapłonem, w odniesieniu do cewek dwubiegunowych przekazują do komputera centralnego funkcje przetwarzania sygnału czujnika położenia wału korbowego i wyznaczania czasu zwarcia cewek zapłonowych – poniższe rysunki.

Schemat połączeń bezrozdzielaczowego modułu zapłonu

Schemat połączeń modułu zapłonu DIS ze sterownikiem

Elektroniczny układ sterujący zapłonem umieszczony jest wewnątrz sterownika wtrysku tworząc układ zespolony. Zawiera on często stopnie wyjściowe mocy mogące bezpośrednio sterować dwoma cewkami zapłonowymi. Uzwojenia pierwotne cewek dołączone są do złącza sterownika elektronicznego, który łączy i rozłącza obwody cewek do masy w określonej kolejności.

Ruch obrotowy zębatego koła pasowego powoduje przemieszczenie się zębów przed czołem czujnika reluktancyjnego i w konsekwencji generację impulsów elektrycznych w uzwojeniu czujnika. Impulsy występują co 6° kąta obrotu wału korbowego, liczna impulsów w pełnym obrocie wynosi 58 i odpowiada liczbie zębów koła. Elektroniczny sterownik oblicza prędkość obrotową silnika na podstawie częstotliwości impulsów z czujnika. Przerwa wynikająca z braku dwóch zębów na obwodzie kota pasowego stanowi dla sterownika punkt odniesienia do określenia chwilowego położenia wału w każdym obrocie. Schemat przebiegu sygnałów podczas pracy układu zapłonowego przedstawiono na poniższym rysunku.

Przebieg sygnałów podczas pracy układu zapłonowego sterowanego z poziomu sterownika centralnego sygnałami SZ 1-4 i SZ 2-3

Układ zapłonowy systemu Mono–Motronic działa na podobnej zasadzie i składa się ze zblokowanego zespołu dwóch cewek podwójnych typu suchego (nie wypełnionych olejem), przewodów wysokiego napięcia oraz świec zapłonowych – poniższe rysunki. Rezystancja uzwojenia pierwotnego wynosi 0,5Ω, natomiast wtórnego 13,5kΩ (+20şC).

Schemat elektryczny układu zapłonowego Mono–Motronic: 1 –uzwojenie pierwotne, 2 –uzwojenie wtórne, 3 –świeca zapłonowa, 4,6 –styki wejścia sygnału ze sterownika, 5 –do zacisku wyłącznika zapłonu

Widok układu zapłonowego jednopunktowego systemu wtryskowego Mono–Motronic MA 1,7 silnika samochodu Polonez 1.6 GLI

Wygląd zewnętrzny zespołu zapłonowego oraz jego umieszczenia w silniku 2.2 MPFI samochodu Lublin II

Zasadę równoczesnego zapłonu w dwóch cylindrach (zasadę traconej iskry – ang. lost spark principle) wykorzystano również do budowy układów zapłonowych systemu Delco silnika 2.2 MPFI samochodu Lublin II (rysunek powyżej) oraz systemu Motronic 3.8 w wersji silnika 20V. W jednej obudowie zintegrowana jest cewka dwubiegunowa obsługująca dwa cylindry oraz dwie końcówki mocy. Układ zaopatrzony jest w cztery przewody, odpowiadające zasilaniu oraz masie, pozostałe dwa to przewody aktywujące z jednostki sterującej.

W silnikach o liczbie cylindrów 3 i 5 nie można stosować rozwiązania z cewkami dwubiegunowymi ze względu na to, że każdorazowo tylko jeden z tłoków jest w punkcie GMP. Pozostaje zastosowanie liczby cewek odpowiadających liczbie cylindrów. Końcówka mocy jest wspólna dla wszystki ch cewek i umieszczona z nimi zwykle we wspólnej obudowie. Końcówka mocy jest połączona z masą oraz przewodem dodatnim. Jej zadaniem jest wytworzenie wysokiego napięcia dla każdej z cewek zapłonowych w zależności od sygnału dostarczanego ze sterownika. W układzie sterowania Motronic 3.8 silnik V5 posiada pięć cewek zapłonowych umieszczonych we wspólnej obudowie.

Inną możliwością rozdziału wysokiego napięcia na poszczególne cylindry jest zastosowanie również cewki zapłonowej czterobiegunowej ale składającej się z dwóch uzwojeń pierwotnych i jednego wtórnego. Sterowanie cewek odbywa się naprzemiennie za pośrednictwem dwóch końcówek mocy przyporządkowanych odpowiednio dwom uzwojeniom pierwotnym. Uzwojenie wtórne posiada na każdym wyjściu dwie diody, w obwodzie których znajdują się również przewody wysokiego napięcia i świece zapłonowe – rysunek poniżej. Ustawienie diod w odpowiedniej konfiguracji umożliwia przeskok iskier tylko na danej parze świec zapłonowych. Pewnym problemem jest uzyskanie wymaganej niezawodności diod wysokiego napięcia w szerokim zakresie temperatur.

Schemat bezrozdzielaczowego układu zapłonowego z jedną cewką i diodami

Bezrozdzielaczowy układ zapłonowy z pojedynczą cewką zapłonową przedstawiono na poniższym rysunku. Jako elementy przełączające zastosowano hermetyczne zestyki wysokonapięciowe (kontaktrony wysokonapięciowe). Ich uzwojenia sterujące: A, B, C i D włączane są przez mikroprocesor układu zapłonowego odpowiednio do kolejności pracy cylindrów.

Równocześnie z impulsem włączającym przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej mikroprocesor podaje impuls włączający uzwojenie odpowiedniego kontaktronu. W momencie generowania impulsu wysokiego napięcia styki kontaktronu są zwarte – nie ma straty energii na przeskok iskry i układ nie emituje zakłóceń elektromagnetycznych. Przewiduje się trwałość układu kontaktronów rzędu 0,5 miliona kilometrów, ponadto w przypadku uszkodzenia kontaktronu przestaje pracować tylko jeden cylinder.

Schemat bezrozdzielaczowego układu zapłonowego z kontaktronami

Układy z cewkami indywidualnymi

W silniku o nieparzystej liczby cylindrów, wyposażonym w elektroniczny układ zapłonowy stosuje się z przyczyn technicznych indywidualne cewki zapłonowe (oczywiście stosowane są one także w silnikach o parzystej liczbie cylindrów). Właściwy rozdział napięcia na poszczególne cewki zapłonowe odbywa się w obwodzie niskiego napięcia w module zapłonowym z sekwencyjnym układem logicznym. W tym przypadku sygnał o położeniu ZZ jest niewystarcz ający. W celu osiągnięcia koniecznej synchronizacji zastosowano czujnik położenia wałka rozrządu. Przykładem takiego rozwiązania układu zapłonowego, z indywidualnymi cewkami na każdy cylinder jest system wtryskowo–zapłonowy firmy Bosch Motronic M5. Pionierem w dziedzinie zapłonu bezpośredniego DI (ang. – Direct Ignition) tj. układu z  indywidualnymi cewkami zapłonowymi zintegrowanymi ze świecami była firma SAAB i jej system wtryskowo–zapłonowy Trionic. Jest to zespolony w jednej kasecie układ pojemnościowy, składający się z czterech cewek i niezbędnej elektroniki. Urządzenie centralne steruje niewielkim prądem układ elektroniczny w kasecie, a ten z kolei steruje cewkami zapłonowymi. System zapewnia w warunkach rozruchu zimnego silnika tzw. zapłon wieloiskrowy . Po nieudanej próbie rozruchu ponowna seria iskier zostaje wytworzona jednocześnie we wszystkich cylindrach, co powoduje wypalenie sadzy i kropel paliwa na elektrodach świec. Ze względu na to, że układ DI toleruje większy odstęp pomiędzy elektrodami, czas pracy świec określono na ok. 60000 tys. km.

Układy zapłonowe z indywidualnymi cewkami są standardem w silnikach z bezpośrednim wtryskiem benzyny – przykład pokazano na poniższym rysunku.

Schemat bezpośredniego układu zapłonowego silnika Mitsubishi GDI


Powrot Poradnik