Sterowanie zapłonem w silniku ZI

Podstawy teorii sterowania zapłonem

Rodzaje układów zapłonowych

Elementy układów zapłonowych:

Cewka

Świeca zapłonowa

Przewody wysokiego napięcia

Rozdzielaczowe układy zapłonowe

Bezrozdzielaczowe układy zapłonowe

Cele sterowania zapłonem

Algorytmy sterowania zapłonem

Historia samochodowego silnika benzynowego od początku związana jest z  poszukiwaniami skutecznego, niezawodnego sposobu zapłonu mieszaniny palnej w cylindrze. Już w roku 1801. Philippe d'Humbersin wskazywał na konieczność zastosowania iskry elektrycznej jako impulsu energetycznego inicjującego proces spalania w silniku benzynowym. W owym czasie realizacja takiego zapłonu w praktyce napotykała na szereg poważnych trudności technicznych. Stosowano więc inne, gorsze z punktu widzenia bezpieczeństwa i skuteczności działania sposoby zapłonu mieszaniny palnej, jak np. zapłon od żarzącej rurki. W roku 1860 Etienne Lenoir zbudował silnik gazowy o mocy 2 kW, w którym zastosował układ wysokiego napięcia do zapłonu gazu świetlnego. Przełomem stał się skonstruowany po wieloletnich pracach badawczych zapłon iskrownikowy, którego twórcą był mechanik precyzyjny ze Stuttgartu Robert Bosch. W roku 1886 w samochodach Benza i Daimlera zastosowano układ zapłonowy składający się z ogniwa galwanicznego, induktora iskrowego i świecy zapłonowej. Wynalazek zapłonu iskrowego niezmiennie stosowany jest w silniku benzynowym od prawie stu lat. Za jego stosowaniem przemawiają zalety w postaci prostej zasady działania i możliwości wytwarzania dostatecznie dużej energii zapłonu przy stosunkowo niskich wymaganiach co do źródła zasilania.

Potrzebna energia zapłonu iskrowego zależy przede wszystkim od parametrów mieszanki paliwowo–powietrznej: składu, ciśnienia, temperatury, prędkości przepływu i poziomu turbulencji. Decydujące są zwłaszcza skład mieszanki i rodzaj paliwa. Najniższą wymaganą energię zapłonu posiadają mieszanki o składzie zbliżonym do stechiometrycznego. Zarówno spadek ciśnienia jak i spadek temperatury wywołuje wzrost energii zapłonu. Dostarczenie odpowiedniej energii zapłonu ograniczone jest możliwościami technicznymi układu zapłonowego, zwłaszcza czasem rozładowania cewki zapłonowej oraz jej możliwym przegrzaniem. Sterowanie zapłonem powinno więc prowadzić do racjonalizacji czasu ładowania uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej.

Zapłon iskrowy uległ szeregu zmianom na przestrzeni lat, a w szczególności w ostatnim dwudziestoleciu. Zmiany te w głównej mierze polegały na stopniowej eliminacji elementów mechanicznych i wprowadzaniu w ich miejsce komponentów elektronicznych. W latach sześćdziesiątych dwudziestego wieku (Ford 1963 i Ford, General Motors 1964, Bosch 1969) pojawiły się seryjne tranzystorowe układy zapłonowe. Wyeliminowanie mechanicznego przerywacza zwiększyło trwałość i niezawodność całego układu. Wadą jednak okazała się zależność napięcia impulsów czujnika indukcyjnego od prędkości obrotowej magnesu w aparacie zapłonowym. Dopiero wprowadzenie czujnika Halla pozwoliło zwiększyć energię iskry i zachować stałość wysokiego napięcia w zakresie całej prędkości obrotowej silnika. Ponadto spowodowało znaczną miniaturyzację całego urządzenia zapłonowego.

Z punktu widzenia sterowania zapłonem, układy tranzystorowe posiadały jednak ciągle wady przejęte z klasycznego układu zapłonowego z mechanicznymi regulatorami kąta wyprzedzania zapłonu – podciśnieniowym i odśrodkowym. Rosnące wymagania co do ograniczenia toksyczności spalin i zmniejszenia zużycia paliwa wymusiły w dalszej kolejności wprowadzenie techniki mikroprocesorowej również do sterowania kątem wyprzedzenia zapłonu. Chwila zapłonu wpływa w istotny sposób na skład spalin. Ponadto zbyt wczesny zapłon może być przyczyną powstania zjawiska spalania stukowego.

Technika sterowania mikroprocesorowego daje znacznie większe możliwości precyzyjnej regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu w zakresie całej prędkości obrotowej i obciążenia silnika przy jednoczesnym uwzględnieniu szeregu czynników zewnętrznych, jak również możliwość precyzyjnej regulacji kąta zwarcia. W układach tego typu do sterowania zapłonem używa się wyrafinowanych algorytmów sterowania. W roku 1977 pierwszy seryjny mikroprocesorowy układ zapłonowy zastosowano w samochodzie Oldsmobile Tornado firmy General Motors.

Rozwój techniki mikroprocesorowej umożliwił zindywidualizowaną regulację kąta wyprzedzenia zapłonu. Wprowadzenie regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu na granicy “stuku” nadało układom zapłonowym cechy adaptacyjne, czyli dostosowujące działanie obiektu do zmieniających się warunków jego pracy. Nazywanie układów adaptacyjnymi jest zgodne z definicją tego pojęcia jeśli układ taki wyposażony jest w środki umożliwiające identyfikację obiektu oraz ciągłą zmianę parametrów jego modelu ze względu na założony wskaźnik jakości procesu. Zbudowanie takiego układu pozwala uwzględnić różnice pomiędzy egzemplarzami tego samego silnika wynikające z tolerancji wykonawczych, braku całkowitej zbieżności procedur sterujących z danym egzemplarzem silnika oraz zmian charakterystyk silnika wynikających ze zużycia eksploatacyjnego.

W skład nowoczesnego układu zapłonowego wchodzi sterownik mikroprocesorowy oraz zespół pojedynczych cewek zapłonowych zintegrowanych ze świecami zapłonowymi. Współczesne elektroniczne układy zapłonowe charakteryzują się całkowitą bezobsługowością, niezawodnością i niską ceną.


Powrot Poradnik