Z bardzo nielicznymi wyjątkami układy zapłonowe nowoczesnych samochodowych i motocyklowych silników zasilanych benzyną dla uzyskania wysokiego napięcia koniecznego do przeskoku iskry wykorzystują cewki wysokiego napięcia. Od lat 70. XX wieku układy zapłonowe uległy znacznym zmianom ze względu na zastosowanie elektroniki, ale nawet nowoczesne jednostki, które wykorzystują cewki zapłonowe, są ewolucją tradycyjnych układów zapłonowych wprowadzonych ponad sto lat temu.

Wynalezienie układu zapłonowego wykorzystującego cewkę zapłonową jest przypisywane amerykańskiemu wynalazcy Charlesowi Ketteringowi. Opracował on układ zapłonowy montowany seryjnie w samochodach Cadillac około roku 1910/1911. Wprowadzenie efektywnego układu zapłonowego z cewką zapłonową było możliwe dzięki zastosowaniu akumulatora, który również zasila elektryczny rozrusznik silnika (w rzeczywistości był on też wykorzystywany przez Ketteringa w Cadillacu). Akumulator, generator i bardziej dojrzały układ elektryczny pojazdu zapewniały cewce zapłonowej stosunkowo stabilne zasilanie elektryczne.

W układzie zapłonowym Ketteringa (ilustracja 1) pojedyncza cewka zapłonowa wykorzystywana była do uzyskania wysokiego napięcia. Następnie było ono rozprowadzane do świec zapłonowych poszczególnych cylindrów. Wysokie napięcie z cewki zapłonowej było przekazywane do tzw. palca rozdzielacza, który przekazywał je bezkontaktowo przez szczelinę powietrzną do elektrod zamontowanych w kopułce rozdzielacza zapłonu (jedna elektroda jest przypisana jednemu cylindrowi). Elektrody kopułki rozdzielacza były połączone przewodami zapłonowymi ze świecami zapłonowymi w takiej kolejności, że możliwe było przekazywanie wysokiego napięcia do świec zapłonowych poszczególnych cylindrów w kolejności występowania w nich zapłonów.

układ zapłonowy Ketteringa

Ilustracja 1. Główne elementy układu zapłonowego Ketteringa. Źródło: Denso

Układ zapłonowy Ketteringa stopniowo stał się niemal jedynym typem układu zapłonowego stosowanym w masowo produkowanych pojazdach z silnikiem z zapłonem iskrowym – do momentu, gdy w latach 70. i 80. zaczęto zastępować mechaniczne układy zapłonowe układami wyzwalanymi i kontrolowanymi elektronicznie.

Wykorzystanie prądu elektrycznego do tworzenia pola magnetycznego

Aby możliwe było generowanie wysokiego napięcia, cewki zapłonowe wykorzystują zależności pomiędzy elektrycznością a magnetyzmem.

Jeśli prąd elektryczny płynie przez przewodnik elektryczny, taki jak cewka nawinięta z drutu, to wokół niego powstaje pole magnetyczne (ilustracja 2). W polu magnetycznym, a dokładniej: w strumieniu magnetycznym, jest gromadzona energia. Można ją powtórnie przekształcić w energię elektryczną. Gdy włączany jest przepływ prądu elektrycznego, jego natężenie stopniowo rośnie, aż do osiągnięcia stałej maksymalnej wartości. Jednocześnie stopniowo rośnie natężenie pola (strumienia) magnetycznego. Gdy natężenie prądu osiąga stałą maksymalną wartość, również natężenie pola magnetycznego osiąga stałą maksymalną wartość. W chwili wyłączenia prądu elektrycznego pole magnetyczne zaczyna zanikać, a w uzwojeniu cewki generuje się prąd.

Ilustracja 2. Wykorzystanie prądu elektrycznego do tworzenia pola magnetycznego. Źródło: Denso

Na natężenie pola magnetycznego wpływ mają dwa główne czynniki:

  • zwiększenie natężenia prądu zasilającego cewkę zwiększa natężenie pola magnetycznego,
  • zwiększenie liczby zwojów cewki zwiększa natężenie pola magnetycznego.

Wykorzystanie zmiennego pola magnetycznego do indukcji prądu elektrycznego

Jeżeli zwoje cewki są objęte przez pole magnetyczne o zmiennym natężeniu lub pole magnetyczne będące w ruchu względem cewki, w zwojach cewki powstaje prąd elektryczny. To zjawisko jest znane jako indukcja elektromagnetyczna. Przykładem pola magnetycznego, które obejmuje zwoje cewki, a jednocześnie może przemieszczać się względem nich jest ruch magnesu stałego w stosunku do cewki. Ruch lub zmiana natężenia pola magnetycznego albo strumienia magnetycznego indukuje prąd elektryczny w zwojach cewki (ilustracja 3).

Ilustracja 3. Wykorzystanie zmiany natężenia pola magnetycznego lub jego ruchu
do indukcji prądu elektrycznego w zwojach cewki. Źródło: Denso

Są dwa główne czynniki, które wpływają na napięcie indukowanego prądu w cewce:

  • im szybszy jest ruch pola magnetycznego lub większa zmiana jego natężenia, tym większe jest indukowane napięcie,
  • im większa jest liczba uzwojeń cewki, tym większe jest indukowane napięcie.

Wykorzystanie zmiany lub zaniku pola magnetycznego do indukcji prądu elektrycznego

Jeśli pole magnetyczne jest wytworzone przez zasilanie prądem elektrycznym cewki, to zwiększenie lub zmniejszenie natężenia prądu elektrycznego powoduje taką samą zmianę natężenia pola magnetycznego. Jeśli przepływ prądu elektrycznego zostanie wyłączony, to natężenie pola magnetycznego gwałtownie maleje – zanika. Zanikające pole magnetyczne indukuje wówczas w cewce prąd elektryczny (ilustracja 4). Analogicznie: tak jak wzrost prędkości ruchu pola magnetycznego, które obejmuje zwoje cewki, zwiększa indukowane napięcie, szybszy zanik pola magnetycznego powoduje indukowanie wyższego napięcia. Ponadto indukowane w cewce wysokie napięcie zwiększa się, jeśli ma ona większą liczba zwojów.

Ilustracja 4. Zanikające pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny w cewce z drutu. Źródło: Denso

Indukcja wzajemna i zasada pracy transformatora

Jeśli dwie cewki sąsiadują ze sobą lub są nawinięte współosiowo, a prąd elektryczny jest wykorzystywany do uzyskania pola magnetycznego wokół jednej z nich (to uzwojenie nazywamy pierwotnym), to powstałe pole magnetyczne obejmuje również drugą z cewek (to uzwojenie nazywamy wtórnym). Gdy prąd elektryczny zostanie wyłączony, pole magnetyczne gwałtownie zanika. Powoduje to indukcję napięcia zarówno w uzwojeniu pierwotnym, jak i wtórnym. Indukcję napięcia w uzwojeniu wtórnym nazywamy indukcją wzajemną (ilustracja 5).

Indukcja wzajemna w sąsiednich zwojach drutu.

Ilustracja 5. Indukcja wzajemna w sąsiednich zwojach drutu. Źródło: Denso

Uzwojenie wtórne cewek zapłonowych posiada większą liczbę zwojów niż uzwojenie pierwotne – analogicznie jak w transformatorze, którego zadaniem jest zwiększenie napięcia wyjściowego, w stosunku do napięcia zasilania. Z tego powodu, gdy pole magnetyczne gwałtownie zanika, w uzwojeniu wtórym indukuje się napięcie wyższe w porównaniu z napięciem indukowanym w uzwojeniu pierwotnym (ilustracja 6).

transformacja napięcia w cewce zapłonowej

Ilustracja 6. Transformacja napięcia w cewce zapłonowej. Źródło: Denso

Uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej tworzy zwykle 150 do 300 zwojów drutu, a uzwojenie wtórne składa się z 15 000 do 30 000 zwojów. Liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest więc ok. 100 razy większa od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego. Pole magnetyczne jest tworzone przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej. Z chwilą zamknięcia jego obwodu to uzwojenie jest zasilane napięciem ok. 12 woltów z instalacji elektrycznej pojazdu. W momencie, gdy wymagany jest przeskok iskry elektrycznej na świecy zapłonowej, układ zapłonowy wyłącza przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne, co powoduje gwałtowny zanik pola magnetycznego. Zanikające pole magnetyczne będzie indukowało w uzwojeniu pierwotnym napięcie wynoszące ok. 200 woltów, ale jednocześnie w obwodzie wtórnym będzie generowało stukrotnie wyższe napięcie wynoszące ok. 20 000 woltów.

Dzięki wykorzystaniu zjawiska indukcji wzajemnej oraz uzwojenia wtórnego, które ma 100 razy więcej zwojów niż uzwojenie pierwotne, możliwa jest transformacja napięcia 12 woltów zasilającego uzwojenie pierwotne w bardzo wysokie napięcie o wartości ok. 20 000 woltów. Ten proces zmiany niskiego napięcia w wysokie napięcie określamy jako „transformację napięcia”.

Czas zasilania cewki zapłonowej a powstawanie pola magnetycznego

Gdy rozpoczyna się zasilanie prądem uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej, upływa krótki okres czasu, zanim prąd osiągnie swoje maksymalne natężenie. Ponieważ natężenie pola magnetycznego (wielkość strumienia magnetycznego), które obejmuje uzwojenia cewki, jest proporcjonalne do natężenia przepływającego prądu elektrycznego, taki sam okres czasu jest niezbędny, aby pole magnetyczne osiągnęło wymagane natężenie. Gdy natężenia prądu i pola magnetycznego osiągają swoje wartości maksymalne, wówczas pole magnetyczne pozostaje stabilne. Czas potrzebny do uzyskania przez pole magnetyczne maksymalnego natężenia jest często określany jako „czas ładowania” cewki zapłonowej.
Jeśli prąd elektryczny nie przepływa przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej wystarczająco długo, wówczas pole magnetyczne nie osiągnie wymaganego natężenia.

Jeśli prąd elektryczny przepływa przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej za długo, wówczas może nastąpić przegrzanie obwodów elektrycznych i uzwojenia pierwotnego.

Czas, w którym uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej jest zasilane prądem elektrycznym, jest często określany jako „okres zwarcia” lub „czas zwarcia”, choć nie chodzi tu o zwarcie w obwodzie elektrycznym. W tym przypadku określenie „zwarcie” dotyczy pozostawania w stanie zamkniętym styków mechanicznego przerywacza. W nowoczesnych układach zapłonowych okres zasilania jest sterowany elektronicznie, aby zawsze umożliwiał uzyskanie pola magnetycznego o wymaganym natężeniu. Jednak w przypadku starszych układów zapłonowych, w których mechaniczny przerywacz zapłonu włącza lub wyłącza przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej, jego ograniczenia konstrukcyjne powodują, że czas zasilania cewki zapłonowej maleje wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika. Dlatego przy wyższych prędkościach obrotowych silnika skrócenie czasu zasilania cewki zapłonowej uniemożliwia polu magnetycznemu osiągnięcie wymaganego natężenia.

Wpływ napięcia zasilającego cewkę zapłonową na czas zasilania i czas powstawania pola magnetycznego
Tak jak w każdym obwodzie elektrycznym, każda zmiana napięcia prądu powoduje zmiany jego natężenia. Jeśli rośnie napięcie prądu, którym instalacja elektryczna pojazdu zasila uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej, to rośnie również jego natężenie. Zwiększenie natężenia prądu skraca czas potrzebny do uzyskania przez pole magnetyczne wymaganego natężenia. Jednak spadek napięcia, a w konsekwencji również natężenia prądu wydłuża czas konieczny, by pole magnetyczne osiągnęło wymagane natężenie.

Niewielkie zmiany napięcia w instalacji elektrycznej pojazdu występują regularnie podczas normalnej jazdy, ale podczas rozruchu silnika może wystąpić znaczny spadek napięcia, ponieważ wówczas znacznie maleje napięcie akumulatora. Obniżone napięcie istotnie wydłuża czas konieczny do osiągnięcia przez pole magnetyczne wymaganego natężenia, ale w nowoczesnych, sterowanych elektronicznie układach zapłonowych kompensowany jest każdy spadek lub wzrost napięcia. Na ilustracji 7 została pokazana typowa charakterystyka czasu zasilania cewki zapłonowej (w milisekundach) nowoczesnego układu zapłonowego w zależności od napięcia w instalacji elektrycznej pojazdu i prędkości obrotowej silnika.

W nowoczesnym układzie zapłonowym czas zasilania cewki jest określany z uwzględnieniem napięcia akumulatora i prędkości obrotowej silnika.

Ilustracja 7. W nowoczesnym układzie zapłonowym czas zasilania cewki jest określany z uwzględnieniem napięcia akumulatora i prędkości obrotowej silnika. Źródło: Denso

Moment zapłonu mieszanki: wyzwolenie przeskoku iskry we właściwym momencie

Termin „moment zapłonu mieszanki” jest używany do oznaczenia momentu, w którym na elektrodach świecy zapłonowej jest wyzwalana iskra. Informacja o momencie wyzwolenia iskry jest podawana jako kąt zawarty pomiędzy położeniem tłoka w chwili a górnym martwym położeniem tłoka (GMP) w czasie suwu sprężania, mierzony w stopniach obrotu wału korbowego. Tę informację nazywany „kątem wyprzedzenia zapłonu”. Przykładowo na ilustracji 8 jest pokazane ustawienie wału korbowego i tłoka, gdy zapłon następuje 20° przed GMP.

Kąt wyprzedzenia zapłonu 20° – przeskok iskry następuje 20° przed górnym martwym punktem (GMP).

Ilustracja 8. Kąt wyprzedzenia zapłonu 20° – przeskok iskry następuje 20° przed górnym martwym punktem (GMP). Źródło: Denso

Uwzględnienie czasu opóźnienia zapłonu, spalania i wzrostu ciśnienia

Przyjmuje się, że osiągi silnika (moment obrotowy, moc i zużycie paliwa) są najlepsze, gdy maksymalne ciśnienie w cylindrze występuje w przybliżeniu 10° po GMP (gdy tłok zaczyna poruszać się w dół cylindra). Jednakże moment wystąpienia iskry musi być ustawiony z wyprzedzeniem w stosunku do momentu, w którym wymagane jest maksymalne ciśnienie. Bezpośrednio po wystąpieniu iskry mieszanka nie zapala się. Ten bardzo krótki okres pomiędzy wystąpieniem iskry a początkiem procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej jest nazywany „czasem opóźnienia zapłonu”. Potem potrzebny jest czas, aby płomień uzyskany przy inicjacji procesu spalania powiększał się, czyli propagował przez pozostałą część mieszanki wypełniającej komorę spalania. Mieszanka spala się, a powstałe ciepło jest wykorzystywane do rozprężania gazów. Czas pomiędzy momentem wystąpienia iskry a momentem osiągnięcia maksymalnego ciśnienia może wynosić ok. 2 milisekund. Z tego powodu iskra powinna być dostarczona ok. 2 milisekundy przed oczekiwanym wystąpieniem maksymalnego ciśnienia.

Dokładny czas pomiędzy momentem wystąpienia iskry a momentem, w którym ciśnienie w cylindrze osiąga maksymalną wartość zależy od konstrukcji silnika i zmienia się w zależności od warunków jego pracy. Efektywność procesu spalania jest na ogół lepsza w średnim zakresie prędkości obrotowych, co powoduje skrócenie czasu opóźnienia zapłonu i czas procesu spalania. Zmiany obciążenia silnika, składu mieszanki paliwowo-powietrznej oraz udziału recyrkulowanych spalin wpływają na czas opóźnienia zapłonu i czas procesu spalania.

Ilustracja 9 pokazuje przykład, w którym maksymalne ciśnienie w cylindrze jest osiągane 10° po GMP, ale z powodu czasu opóźnienia zapłonu i czasu potrzebnego na proces spalania iskra jest dostarczana z wyprzedzeniem 2 milisekund. Wał korbowy silnika obraca się z prędkością 1500 obr./min, tak więc obrót o kąt 18° jest wykonywany w okresie 2 milisekund. Kąt wyprzedzenia zapłonu jest zatem ustawiony na 8° przed GMP – w tym momencie nastąpi przeskok iskry.

Ustawiony moment przeskoku iskry wyprzedza wymagany moment osiągnięcia maksymalnego ciśnienia w cylindrze o ok. 2 milisekundy.

Ilustracja 9. Ustawiony moment przeskoku iskry wyprzedza wymagany moment osiągnięcia maksymalnego ciśnienia w cylindrze o ok. 2 milisekundy. Źródło: Denso

Wzrost kąta wyprzedzenia zapłonu wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika

Jeśli prędkość obrotowa silnika zostanie zwiększona z 1500 obr./min do 3000 obr./min (ilustracja 10) przy założeniu, że od momentu przeskoku iskry moment wystąpienia maksymalnego ciśnienia w cylindrze powinien pozostać stały i wynosić 2 milisekundy, to w czasie 2 milisekund wał korbowy obróci się o 36° (przy 1500 obr./min obraca się o 18°). Dlatego aby osiągnąć maksymalne ciśnienie w cylindrze przy 10° po GMP, kąt wyprzedzenia zapłonu musi zostać zwiększony do 26° przed GMP (w porównaniu z 8° przy 1500 obr./min).

Dwie różne wartości kąta wyprzedzenia zapłonu przy prędkościach obrotowych 1500 i 3000 obr./min.

Ilustracja 10. Dwie różne wartości kąta wyprzedzenia zapłonu przy prędkościach obrotowych 1500 i 3000 obr./min. Źródło: Denso

Teoretycznie kąt wyprzedzenia zapłonu powinien być zwiększany wprost proporcjonalnie do wzrostu prędkości obrotowej silnika w całym zakresie jego prędkości obrotowych. Ponieważ wraz ze zmianami prędkości obrotowej silnika zmieniają się sprawności silnika i procesu spalania, dla większości nowoczesnych silników kąt wyprzedzenia zapłonu osiąga wartość szczytową przy prędkości obrotowej ok. 3000 do 4000 obr./min.

Krzysztof Puławski, ekspert techniczny DENSO Aftermarket

Krzysztof Puławski, ekspert techniczny DENSO Aftermarket