Kondensatorowy układ zapłonowy - CDI

CDI to skrót od angielskich słów Capacitor Discharge Ignition. Jest to układ zapłonowy w którym do wytworzenia iskry elektrycznej wykorzystuje się prąd płynący w wyniku rozładowywania wysokonapięciowego kondensatora przez cewkę zapłonową. Typowa pojemność takiego kondensatora waha się w granicach 1-2 uF (mikrofarada). W elektronicznych układach kondensatorowych załączanie przepływu prądu jest wykonywane zazwyczaj przez tyrystor, dlatego nazywane są też tyrystorowymi układ zapłonowymi. Tranzystory z regóły nie wytrzymują tak dużego prądu impulsowego i tak dużych napięć.

Ideą przyświecającą powstanie zapłonu CDI były szybkoobrotowe silniki wielocylindrowe, w których dosyć długi czas ładowania cewki zapłpnowej związany z jej indukcyjnością uniemożliwiał osiąganie tak wielu iskier w ciągu sekundy. Jednak wraz z pojawianiem się elektronicznych układów sterujących pracą cewek zapłonowych, układy TCI (Transistor Controlled Ignition) gromadzące energię w polu magnetycznym cewki zapłonowej, pozwoliły na znaczące zmniejszenie indukcyjności cewek dzięki czemu takie układy także nadają się do szybkoobrotowych silników wielocylindrowych.

Zapłon CDI najczęściej sterowany jest czujnikiem indukcyjnym dzięki czemu wyeliminowano mechaniczny przerywacz. Zastosowanie czujnika indukcyjnego znacząco poprawia dokładność kątową sterowania iskry. Chociaż sam czujnik indukcyjny generuje impuls o napięciu i zboczu narastania zależnym od prędkości obrotowej silnika przez co mogą pojawiać się minimalne przesunięcia iskry dla wolnych jak i szybkich obrotów. Odpowiednio przygotowany układ odczytu impulsów z czujnika indukcyjnego potrafi zmniejszyć ten rozrzut do pomijalnego z punktu widzenia pracy zapłonu CDI.

Najprostsze wersje zapłonów CDI dają stały kąt wyprzedzenia bez względu na obroty silnika, są stosowane głównie w motocyklach o małych pojemnościach i 2-suwowych, na naszym rynku dostępne są gotowe zestawy dla motocykli WSK. Te bardziej zawansowane stosują zmienny kąt wyprzedzenia zapłonu począwszy od wersji analogowych a skończywszy na cyfrowych zbudowanych z użyciem programowalnych mikrokontrolerów.

Energia iskry jaką może wytworzyć zapłon CDI jest zależna od zastosowanego kondensatora czyli jego pojemności i maksymalnego napięcia. Na ogół jest to energia około 50 mJ, chociaż zdażają się zapłony potrafiące zgromadzić ponad 120 mJ. Wadą jest natomiast zdecydowanie krótszy czas wyładowania iskrowego, w porównaniu do zapłonu gromadzącego energię w polu magnetycznym cewki zapłonowej, co w niektórych zastosowaniach może nie zapewnić poprawnego zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. Szczególnym przypadkiem jest uruchamianie zimnego silnika. Wadę tą wyeliminowano w wersjach sterowanych mikrokontrolerem, który potrafi wytworzyć wiele szybko następujących po sobie iskier, taka wersja zapłonu na pewno skutecznie zapali mieszankę nawet zimnego silnika. Jednak takie rozbudowane układy zapłonowe występują rzadko w motocyklach.

Ponieważ energia gromadzona jest w kondensatorze a nie cewce zapłonowej to cewka może mieć znacznie mniejszą indukcyjność, oporność uzwojenia pierwotnego oraz wymiary. Cewki do zapłonów CDI na ogół mają rezystancję uzwojenia pierwotnego na poziomie 0.1 - 1 Ω. Zapłon CDI z klasyczną cewką stosowaną z przerywaczem może działać niepoprawnie ze względu na dużą indukcyjność takiej cewki w skrajnych przypadkach może ją uszkodzić. W klasycznym układzie napięcie podawane na uzwojenie pierwotne cewki to 12V, w momencie przeskoku iskry wzrasta do około 250V. Taka cewka została odpowiednio zaprojektowana aby nie nastąpiło przebicie w uzwojeniu pierwotnyym wskutek wzrostu napięcia. W zapłonie CDI standardowe napięcie podawane na uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej waha się od 200V do nawet 600V dlatego cewka zapłonowa powinna być przystosowana do tak dużych napięć wejściowych.

W zabytkowych motocyklach typowe zapłony CDI występują bardzo rzadko, w znanych nam w Polsce europejskich chyba nie występuje ale w japońskich już tak.

Wśród zapłonów z gromadzeniem energii w pojemności rozróżnia się układy o impulsowym gromadzeniu energii i układy o ciągłym gromadzeniu energii. Poniżej przedstawiam ten podział bardziej szczegółowo.

Rodzaje zapłonów CDI:

• AC-CDI jest zapłonem pobierającym prąd przemienny z cewki wysokonapięciowej najczęściej umieszczonej w alternatorze motocykla. Jest rodzajem zapłonu iskrownikowego, samowystarczalny. Nie potrzebuje akumulatora do pracy.
• DC-CDI jest zapłonem typu bateryjnego, zasilany z akumulatora, posiada specjalną przetwornicę zamieniąjącą napięcie akumulatora na znacznie wyższe rzędu 200-600V służące do ładowania kondensatora.

---

AC-CDI

Jest to najprostszy i najczęściej stosowany zapłon CDI w motocyklach, jest układem o impulsowym gromadzeniu energii. W układzie AC-CDI prąd przemienny o napięciu rzędu 200-600V, z osobnego uzwojenia znajdującego się w alternatorze, poprzez prostownik ładuje kondensator. Ilość impulsów ładujących kondensator zależy od konstrukcji. W zależności od tego ile obrotu wykonuje koło magnesowe pomiędzy kolejnymi iskrami oraz w zależności od tego ile zmian kierunku pola magnetycznego cewki ładującej w tym czasie nastąpi taka będzie ilość impulsów ładujacych kondensator.

Obracające się koło magnesowe (magneto) wytwarzając zmienne pole magnetyczne w cewce Zc generuje w niej prąd przemienny, który poprzez prostownik jednopołówkowy w postaci diody ładuje kondensator gdy tyrystor jest w stanie nieprzewodzenia. Impulsy prądowe ładując kondensator gromadzą w nim energię. Cewka Zc najczęściej jest wewnątrz magneta.

W odpowiednim momencie położenia wału korbowego, gdy czujnik indukcyjny dostaje impuls z obracającego się magneta, układ sterujący na chwilę załącza tyrystor. Gdy tyrystor przewodzi prąd, kondensator rozładowuje się w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej, generując tym samym na jej uzwojeniu wtórnym odpowiednio duże napięcie wywołujące przeskok iskry na świecy zapłonowej. Czujnik indukcyjny jest na ogół na zewnątrz magneta, na którym jest najczęściej zamontowany mały magnesik lub płytka odziałująca na czujnik indukcyjny.

Ilość zgromadzonej energii w kondensatorze będzie zależała od prędkości obrotowej silnika, czym silnik wolniej się obraca tym impulsy mają mniejszą energię i w związku z tym naładują kondensator mniejszą energią a wtedy energia iskry będzie słabsza. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika energia impulsów rośnie i kondensator będzie naładowany większą energią, moc iskry wzrośnie. Teoretycznie zapłon AC-CDI powinien dawać zbliżoną energię iskry w całym użytkowym zakresie obrotów silnika. Jednak jak z wyjaśnień wynika tak nie jest, na pewno moc iskry słabnie dla wolnych obrotów. Przy bardzo wysokich obrotach także może powstawać zjawisko zmniejszenia energii impulsów ładujących kondensator z powodu bezwładności magnetycznej rdzenia cewki. W tym przypadku bardzo krótkie impulsy prądowe mogą niedostatecznie naładować kondensator z powodu oporności wewnętrznej cewki ładującej i oporności przewodów łączących cewkę z kondensatorem. Z tego wynika, że największą energię iskry uzyskuje się dla średnich obrotów silnika. Ponieważ nie badałem takich zapłonów nie jestem w stanie określić jak stabilną mają energię iskry w całym użytkowym zakresie obrotów. Przyjąć należy, że energia wyładowania iskrowego jest wystarczająca gdyż silniki z takimi zapłonami pracują poprawnie a przynajmniej tak mi się wydaje.

Układ sterowania może być od najprostszego, który jedynie podaje impulsy z czujnika indukcyjnego do tyrystora po bardziej skomplikowany, który mierzy prędkość obrotową i ustala odpowiedni punkt załączenia tyrystora realizując tym samym funkcję wyprzedzenia zapłonu w funkcji prędkości obrotowej silnika. Te bardziej skomplikowane układy sterujące mogą być analogowe lub cyfrowe bazujące na mikrokontrolerach.

ZALETY:

• na ogół prosta konstrukcja, mało awaryjna
• działa bez akumulatora, zapłon samowystarczalny
• nie obciąża instalacji oświetleniowej motocykla

WADY:

• krótki czas trwania iskry, brak fazy indukcyjnej wyładowania iskrowego
• energia iskry zmienia się wraz z obrotami silnika
• słabsza iskra na wolnych obrotach niż w wersji DC-CDI
• utrudnione uruchamianie zimnego silnika przy wolnych obrotach, mniejsza moc iskry

---

DC-CDI

Jest to zapłon CDI o tzw. ciągłym gromadzeniu energii w kondensatorze. Jest zasilany z akumulatora dlatego potrzebuje odpowiedniej przetwornicy, która zamieni prąd stały o napięciu 12V na prąd stały lub przemienny o napięciu 200V-400V. W zależności od konstrukcji może to być przetwornica DC/DC typu step-up lub przetwornica DC/AC podnosząca napięcie, które później jest zamieniane na napięcie stałe przez prostownik jednopołówkowy, dwupołówkowy lub mostek gretza. Zastosowanie przetwornicy znacząco zwiększa rozmiary modułu zapłonowego a także zwiększa poziom zakłóceń elektromagnetycznych w instalacji elektrycznej motocykla.

Przetwornica na ogół posiada stałą wydajność prądową w związku z tym czas ładowania kondensatora do pełnej energii będzie stały. Jeśli potrzebny czas do pełnego naładowania kondensatora będzie krótszy niż czas pomiędzy kolejnymi iskrami to w całym zakresie obrotów silnika będzie stała moc iskry. Jeśli wydajność prądowa przetwornicy będzie niewystarczająca to po przekroczeniu pewnych obrotów kondensator nie będzie w pełni ładowany pomiędzy kolejnymi iskrami skutkiem tego będzie coraz słabsza iskra wraz ze wzrostem obrotów silnika. Pod tym względem zasada działania zapłonu DC-CDI jest analogiczna do zasady działania zapłonu TCI gromadzącego energię w polu magnetycznym cewki zapłonowej. Cewka zapłonowa do zgromadzenia odpowiedniej energii potrzebuje czasu tak samo kondensator do zgromadzenia energii potrzebuje czasu.

Zapłon DC-CDI posiada lepszą stabilizację energii iskry względem zapłonu AC-CDI, zapewnia zdecydowanie większą energię iskry na wolnych obrotach dlatego zapalanie zimnego silnika będzie łatwiejsze niż z zapłonem AC-CDI. Porównując jednak do zapłonu TCI, krótki czas trwania iskry w DC-CDI oraz brak indukcyjnej fazy wyładowania, trwającej około tysiąc razy dłużej niż faza pojemnościowa plasuje ten zapłon bliżej AC-CDI niż TCI. W zapłonie klasy TCI, który gromadzi energię w cewce zapłonowej wyładowanie iskrowe ma znacznie dłuższy czas pozwolający skuteczniej zapalić zimną mieszankię paliwa z powietrzem.

Zapłon DC-CDI znalazł zastosowanie w silnikach wyczynowych, w których usunięto alternator. Czy ma to większy sens trzeba samemu to rozpatrzyć, porównując masę alternatora lub iskrownika do masy akumulatora, moment bezwładności wirującego alternatora do jego braku, mocniejszą iskrę na wolnych obrotach gdy silnik wyczynowy raczej kręci się w górnym zakresie obrotów, itp.

Układ sterowania jest analogiczny jak w wersji AC-CDI i spełnia te same funkcje. Najczęściej przetwornica pracuje bez przerwy, nawet w sytuacji gdy na krótką chwilę tyrystor zwiera jej wyjście do masy. Przetwornice na ogół posiadają zabezpieczenie przeciążeniowe i zwarcie jej wyjścia do masy na czas rzędu 0.5 ms nie wpływa na jej poprawność działania.

ZALETY:

• mocniejsza iskra na wolnych obrotach niż w wersji AC-CDI, łatwiejsze uruchamianie zimnego silnika
• przy odpowiedniej konstrukcji i mocy przetwornicy stała moc iskry w całym zakresie obrotów silnika

WADY:

• znacznie większa konstrukcja modułu zapłonowego niż w wersji AC-CDI, czasem przetwornica jest osobnym modułem
• spadek mocy iskry wraz ze wzrostem obrotów silnika gdy przetwornica ma zbyt małą wydajność prądową
• przetwornica wprowadza spore zakłócenia elektromagnetyczne do instalacji elektrycznej motocykla
• wymaga akumulatora do uruchomienia silnika, AC-CDI nie potrzebuje akumulatora
• krótki czas trwania iskry posiadający tylko fazę pojemnościową