Klasyczny, bateryjny układ zapłonowy z przerywaczem mechanicznym

Klasyczny układ zapłonowy sterowany przerywaczem był stosowany w rożnych motocyklach do lat 80-tych a nawet i 90-tych ubiegłego wieku. Typowe motocykle popularne w Polsce z takim zapłonem to: MZ, Jawa, CZ, niektóre WSK, M-72, K-750, Dniepr, Ural, BMW i modyfikowane Junaki.

Cykl przetwarzania energii z akumulatora w wyładowanie iskrowe składa się z 3 zasadniczych etapów:

• gromadzenia energii w cewce zapłonowej (od momentu zwarcia się styków przerywacza)
• wytworzenia wysokiego napiecia (moment rozwarcia styków przerywacza)
• przebicia przerwy na świecy zapłonowej - ISKRA (wyładowanie energii zgromadzonej w cewce zapłonowej)

Po zwarciu styków przerywacza w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej zaczyna narastać prąd. Maksymalny prąd jaki popłynie przez cewkę zapłonową będzie zależał od napięcia akumulatora oraz rezystancji uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej, prąd ten można policzyć z wzoru I = U / R, typowa cewka zapłonowa dla przerywacza ma rezystancję uzwojenia pierwotnego około 3 Ω, co dla instalacji 12V daje maksymalny prąd na poziomie około 4A.

W momencie rozwarcia styków przerywacza następuje nagłe przerwanie przepływu prądu w uzwojeniu pierwotnym cewki, napięcie na kondensatorze jest wtedy równe zeru, zanikające pole magnetyczne cewki (zgromadzona energia w polu magnetycznym) próbuje utrzymać przepływ prądu w efekcie indukuje w obu uzwojeniach nagły wzrost napięcia (siłę elektromotoryczną), która ładuje kondensator do napięcia około 200-400V. Energia pola magnetycznego cewki zanika a rośnie energia pola elektrycznego kondensatora. Potem kondensator oddaje energię cewce, która znów gromadzi w sobie energię w polu magnetycznym lecz o przeciwnym kierunku. W ten sposób powstają szybko gasnące drgania harmoniczne, gdyż w tym zmiennym polu magnetycznym cewki uzwojenie wtórne generuje na tyle wysokie napięcie, że pojawia się przepływ prądu w postaci wyładowania iskrowego na świecy zapłonowej. Wygenerowane napięcie jest zależne od indukcyjności cewki a także ilości zwojów. Na uzwojeniu wtórnym powstanie napięcie rzędu 8 - 40 kV, a po przekroczeniu progu przebicia obszaru między elektrodami świecy, nastąpi przeskok iskry. Czas od rozwarcia styków przerywacza do pojawienia się iskry z reguły trwa kilkanaście mikrosekund. Potem następuje przepływ prądu w zjonizowanym gazie między elektrodami do momentu wytracenia energii przez cewkę zapłonową, czyli iskra, trwa to kilka mikrosekund. Na uzwojeniu pierwotnym pojawi się także napięcie, na ogół o wartości między 200 a 400V, jest to krótki impuls ale skutecznie może zakłócać układy elektroniczne.

Rolą kondensatora połączonego równolegle ze stykami przerywacza jest ograniczenie iskrzenia, wydłużenie żywotności styków oraz zwiększenie energii wyładowania poprzez rezonans między pojemnością kondensatora a indukcyjnością cewki. Pojemność kondensatora dobierana jest do danej cewki, jednak w większości przypadków kondensaor o pojemności 220 nF (0.22uF) sprawdzi się dobrze. Jeśli często musisz wymieniać kondensator to proponuję Ci kupić w sklepie elektronicznym kondensator na zdecydowanie wyższe naięcie pracy, np.: 220nF 600V, będzie nieco większy niż tradycyjny, trzeba będzie troszkę pomajsterkować ale po zamontowaniu zapomnisz o wymianie kondensatora na wiele lat.

Zastosowanie cewki zapłonowej niskoomowej z elektronicznego układu zapłonowego zniszczy przerywacz a także cewkę ponieważ na ogół mają one rezystancję uzwojenia pierwotnego na poziomie około 0.6 Ω co przy zasilaniu 12V daje maksymalny prąd na poziomie 20A !!! Przy takim natężeniu prądu bardzo szybko ulegnie zniszczeniu przerywacz a także uzwojenia pierwotne tej cewki. Cewki zapłonowe niskoomowe steruje się elektronicznymi układami zapłonowymi z ogranicznikiem prądu około 5A i czasu ładowania na poziomie maksimum 2-3 ms.

Poniższy wykres ukazuje jak narasta prąd w cewce zapłonowej w funkcji czasu. Każda cewka zapłonowa posiada indukcyjność, jest to jej główny parametr związany z gromadzeniem energii oraz czasem narastania prądu. Typowe cewki zapłonowe do klasycznych układów zapłonowych potrzebują od 5 do 20 ms aby zgromadzić w polu magnetycznym 100% energii. Dłuższy czas przepływu prądu przez cewkę nie zwiększy energii wyładowania a jedynie wpłynie na grzanie się cewki i straty energii. Czym krótszy czas przepływu prądu przez cewkę (czas zwarcia styków przerywacza) tym mniejszą energię ona zgromadzi a tym samym iskra będzie słabsza.

Czas zwarcia styków przerywacza zależy od kształtu krzywki współpracującej z przerywaczem, od obrotów silnika i przerwy na stykach. Jako przykład rozważmy silnik dwucylindrowy z motocykla URAL. Jako założenie przyjmiemy, że 50% czasu pracy przerywacza jest on zwarty oraz 50% czasu jest rozwarty. Krzywka jest na wałku rozrządu a jej kształt zapewnia 2 iskry na jeden obrót wałka rozrządu, czyli iskra jest co 1 obrót wału korbowego. Dla biegu jałowego na poziomie 900 obr/min czas jednego obrotu wału korbowego wynosi około 66 ms, oznacza to, że cewka zapłonowa jest ładowana przez 33 ms. Na pewno zgromadzi maksimum energii w tym czasie ale około 15 ms to już są straty cieplne. Przy 4000 obr/min czas jednego obrotu wału korbowego trwa 15 ms, oznacza to, że cewka jest ładowana przez około 7.5 ms, jest to wystarczający czas aby zgromadziła powiedzmy 70% energii. Z tego wynika prosty wniosek, że taki układ zapłonowy daje mocniejszą iskrę przy wolnych obrotach a wraz ze wzrostem obrotów iskra słabnie. W przypadku złego dobrania cewki zapłonowej może okazać się, że przy dużych obrotach nie jest ona w stanie zgromadzić wystarczająco dużo energii aby iskra zapaliła mieszankę w cylinrdze, odczujemy to jako typowe przerywanie na wysokich obrotach.

Układ zapłonowy motocykla URAL posiada cewkę dwustrzałową, co oznacza, że iskra przeskakuje jednocześnie na obu świecach. Takie rozwiązanie eliminuje problemy rozdzielacza mechanicznego i związane z nim straty energii ale powoduje, że energia wyładowania rozkłada się proporcjonalnie na oba cylindry. Na cylindrze gdzie mamy sprężanie pojawi się około 70% energii iskry a na cylindrze gdzie mamy fazę wydechu pojawi się około 30% energii.

Praca układu zapłonowego w dużym stopniu zależy od właściwości mechanicznych przerywacza i jego napędu. Dobrze skonstruowany przerywacz może pracować nawet z prędkością 15 tyś przełączeń na minutę co w silniku takim jak w URALu dało by 15 tyś obr/min a w silniku 4-cylindrowym 7500 obr/min. Jednak silne obciążenia mechaniczne i prądowe przerywacza powodują elektrolizę styków i zużycie stopki przerywacza w efekcie czego następuje przesunięcie momentu zapłonu oraz zwiększa się rezystancja styków zmniejszając prąd cewki zapłonowej. Przy dużych prędkościach obrotowych ruchomy młoteczek z taką siłą uderza w kowadełko, że następuje lekkie odbicie i przerwanie przepływu prądu. Takie odbicia mogą pojawiać się nawet do 3 razy zanim młoteczek trwale osiądzie na kowadełku. Proces ten zmniejsza czas zwarcia styków a tym samym ogranicza czas narastania prądu w cewce zapłonowej w efekcie zmniejszając wysokie napięcie generowane przez cewkę zapłonową.

Przy małych prędkościach obrotowych wału korbowego niewielka prędkość rozwierania styków przerywacza sprzyja występowaniu między nimi łuku elektrycznego. Łuk ten zmniejsza prędkość zanikania prądu więc maleje wartość napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym cewki a za tym moc iskry.

Klasyczny układ zapłonowy w silniku wielocylindrowym posiada dodatkowo mechaniczny rozdzielacz. Mechaniczny rozdzielacz jest bardzo niedokładny. Nierównomierność rozdzielania impulsów zapłonowych, spowodowana sumowaniem się luzów w połączeniach kinematycznych zespołu napędowego, drgań skrętnych, odkształceń cieplnych, zużycia eksploatacyjnego, itp. może osiągać nawet 10-stopni obrotu wału korbowego. Źródłem największych błędów jest zespół napędowy aparatu zapłonowego. Przykładem fatalnie skonstruowanego przeniesienia napędu układu zapłonowego jest nasz rodzimy Junak M10 i M07. Ośka sterująca przerywaczem jest napędzana za pośrednictwem 3 trybów, gdy przyjmiemy luzy na każdym trybie na poziomie 2-3 stopni kątowych to finalnie rozrzut pozycji ośki iskrownika względem wału korbowego może osiągać nawet 10 stopni obrotów wału korbowego (OWK), do tego doliczając kolejne rozrzuty wynikające z luzów na mechanicznym przyspieszaczu i samego przerywacza rozrzut iskry może osiągać nawet i 20 stopni OWK. Dlatego często słychać jak nierówno pracuje silnik Junaka, przez co tracimy sporo mocy i paliwa.

Dużą wadą klasycznego, bateryjnego układu zapłonowego z mechanicznym przerywaczem jest możliwość spalenia cewki zapłonowej i rozładowania akumulatora gdy silnik nie pracuje, przerywacz jest zwarty a zapłon włączony. W takiej sytuacji prąd około 4-5A ciągle przepływa przez cewkę zapłonową.

WADY:

• słabnąca moc iskry wraz ze wzrostem obrotów
• duży rozrzut punktu iskry względem oczekiwanego
• zmieniający się kąt wyprzedzenia w funkcji odległości styków przerywacza
• straty energii z akumulatora dla małych obrotów

ZALETY:

• prostota konstrukcyjna i łatwość napraw
• mała awaryjność gdy się często serwisuje