Wstęp - zapłon w silniku spalinowym

Zadaniem układu zapłonowego silnika spalinowego jest zapoczątkowanie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w ściśle określonym położeniu tłoka. Jako czynnik inicjujący spalanie stosuje się wyładowanie elektryczne, popularnie zwane iskrą. Iskra powstaje wtedy, gdy napięcie przyłożone do elektrod świecy zapłonowej spowoduje jonizację gazu w stopniu umożliwiającym przepływ prądu elektrycznego w przestrzeni międzyelektrodowej.

Energia elektryczna impulsów zapłonowych nie przekracza zwykle 50-100 mJ a napięcie generowane przez układ zapłonowy waha się w granicach od 8 do 40 kV. Do zapalenia jednorodnej mieszanki stechiometrycznej jest potrzebna energia o wartości zaledwie 1 mJ, w przypadku niejednorodnych mieszanek dwufazowych, w których paliwo występuje w postaci pary i drobnych kropelek, wartość energii wzrasta do 5 - 50 mJ, w zależności od temperatury.

Wyładowanie iskrowe składa się z 2 faz:

• faza pojemnościowa, jest to bardzo krótki impuls prądowy o dużym natężeniu rzędu 10 - 100 A, ta faza występuje we wszystkich typach zapłonów i jest związana z pojemnością własną cewki zapłonowej, trwa około 10 ns (nanosekund).
• faza indukcyjna, jest to długie wyładowanie łukowe o znacznie mniejszym natężeniu prądu elektrycznego między elektrodami, występuje głównie w zapłonach gromadzących energię w polu magnetycznym cewki zapłonowej, jest związana z indukcyjnością cewki zapłonowej, trwa kilka mikrosekund, a więc około 500-1000 razy dłużej niż faza pojemnościowa.

Układy zapłonowe typu CDI (Capacitor Discharge Ignition) gromadzą energię w polu elektrycznym kondensatora. Charakteryzują się tym, że wyładowanie iskrowe nie posiada fazy indukcyjnej, przez co iskra jest silna ale zdecydowanie krócej trwa niż w zapłonie gromadzącym energię w polu magnetycznym cewki. Skutkami używania takiego zapłonu może być utrudnione uruchamianie zimnego silnika. Do zapłonu mieszanki ubogiej o lambda > 1.2 jest potrzebny większy prąd wyładowania i dłuższy czas wyładowania występujący w fazie indukcyjnej.

---

Palność mieszanki paliwowo-powietrznej

Prawidłowe spalanie mieszanki będzie wtedy, gdy jej skład jako stosunekilości paliwa do powietrza będzie odpowiedni. Szczególnym przypadkiem jest mieszanka stechiometryczna, w której proporcja paliwa do powietrza zapewnia 100% spalenie zarówno tlenu jak i paliwa. Gdy mieszanka ma większą zawartość paliwa względem mieszanki stechiometrycznej wtedy jest określana jako bogata, gdy ma mniej - jako uboga. Mieszanka stechiometryczna ma parametr λ = 1, mieszanki bogate mają λ < 1, mieszanki ubogie mają λ > 1.

Zdolność mieszanki do zapalenia się zależy od jej temperatury, od proporcji paliwa do powietrza, jednorodności mieszanki i jej uwarstwienia, ciśnienia oraz zawirowań. Dla temperatury 0℃ mieszanki bardzo bogate λ < 0,53 oraz bardzo ubogie λ > 1,23 będą niepalne przy klasycznym zapłonie iskrowym. Gdy temperatura mieszanki będzie miała 300℃ wtedy będzie palna dla zakresu 0,4 < λ < 1,86. Najszybciej spala się mieszanka λ = 0,9 (lekko wzbogacona).

Z tego należy wyciągnąć wniosek, że źle ustawiony gaźnik, dający bardzo bagatą mieszankę lub bardzo ubogą może być przyczyną braku możliwości uruchomienia silnika, zwłaszcza zimnego, gdyż wraz ze spadkiem temperatury mieszanki spada jej zakres λ palności.

Jako przykład podam moje własne doświadczenie z motocyklem Junak 350 cm³, kiedy miałem założony gaźnik Jikov ze zbyt dużą dyszą główna. W czasie jazdy przy uniesieniu przepustnicy powyżej około 80% silnik tracił zapłon, jakby brakowało iskry. Opuszczenie przepustnicy od razu powodowało powrót spalania. Po zamontowaniu sondy λ w kolektorze wydechowym okazało się, że czym wyżej była przepustnica tym mieszanka była bogatsza, zakres pomiarowy kończył się na λ < 0,6. Zmiana dyszy głównej na mniejszą od razu wyeliminowała ten problem. Jako ciekawostkę dodam, że wyregulowanie gaźnika na λ około 0,8 do 0,9 daje bardzo odczuwalne ożywienie silnika. Nadmierne wzbogacenie λ < 0,6 daje odczuwalny spadek mocy. Natomiast wzrotst λ > 1,2 także daje odczuwalny spadek mocy, silnik Junaka jakby się dusił.

---

Rodzaje zapłonów

W zależności od rodzaju źródła energii wyróżnia się 2 typy zapłonów:

• akumulatorowy (bateryjny), pobierający energię ze źródła napięcia stałego. Zdecydowana większość należy do grupy układów z magazynowaneiem energii w polu magnetycznym cewki zapłonowej. Typowe przykłady to klasyczny przerywacz, zapłon tranzystorowy i jego modyfikacje. Tu także występuje zapłon typu DC-CDI, który ma przetwornicę do ładowania kondensatora.
• iskrownikowy, posiadający własne źródło energii. Taki zapłon nie potrzebuje akumulatora, jest "samowystarczalny". Tu także występuje zapłon typu AC-CDI, ładowanie kondensatora następuje z odpowiedniej cewki gdy silnik został wprawiony w ruch.

---

Poprawnie ustawiony zapłon

Istotnymi czynnikami wpływającymi na przebieg spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku spalinowym są:

• stopień napełnienia cylindra mieszanką paliwowo-powietrzną (ciśnienie sprężania)
• temperatura i zawirowanie mieszanki w cylindrze
• skład mieszanki paliwowo-powietrznej (stechiometryczna, uboga, bogata)
• liczba oktanowa paliwa
• rozmiar i kształt komory spalania
• prędkość obrotowa wału korbowego
• kąt wyprzedzenia zapłonu
• energia iskry oraz czas trawania wyładowania iskrowego
• ilość świec zapłonowych na jeden cylinder

Moment zapłonu musi być tak dobrany, aby ciśnienie indykowane w cylindrze osiągnęło wartość maksymalną w chwilę po przejściu przez tłok zwrotu zewnętrznego (ZZ) zwanego także Górnym Martwym Punktem (GMP). Konieczność rozpoczęcia spalania mieszanki jeszcze w suwie sprężania jest spowodowana występowaniem opóźnienia czasowego pomiędzy momentem przeskoku iskry a rozprzestrzenianiem się płomienia w całej objętości mieszanki. Kąt wyprzedzenia zapłonu określa o ile stopni obróci się wał korbowy pomiędzy chwilą przeskoku iskry a zwrotem zewnętrznym tłoka. Kąt wyprzedzenia zapłonu ma wpływ na moc silnika, zużycie paliwa oraz tokszyczność spalin.

Czas spalania mieszanki zazwyczaj wynosi 2-5 ms, ma wpływ na osiągi silnika, decyduje o kącie wyprzedzenia zapłonu i zakresie jego zmian. Krótszy czas spalania mieszanki zwiększa powtarzalność procesów spalania i powoduje, że wpływ zmian kąta wyprzedzenia zapłonu jest większy na pracę silnika. Czym szybciej mieszanka się spala tym silnik jest wydajniejszy i ekonomiczniejszy (z wyjątkiem spalania detonacyjnego). Dwie świece w komorze spalania skracają czas spalania mieszanki, zyskujemy większy moment obrotowy zwłaszcza na wyższych obrotach. Stosując 2 świece trzeba uwzględnić możliwość spalania stukowego (detonacyjnego) oraz odpowiednio opóźnić kąt wyprzedzenia zapłonu.

Zwiększenie energii iskry i zwiększenie przerwy między elektoradmi świecy nie powoduje zauważalnej zmiany prędkości spalania mieszanki. Natomiast zwiększenie przerwy na świecy do około 1mm daje zauważalne zmniejszenie zużycia paliwa. Optymalna temperatura elektrod świecy to od 500 do 800 ℃, poniżej 500 ℃ jest brak samoczyszczenia się świecy, powyżej 850 ℃ następuje samozapłon od rozgrzanych elektrod.

Jeżeli mieszanka zostaje spalona zbyt wcześnie to wzrost ciśnienia spalanej mieszanki występuje jeszcze w suwie sprężania i przeciwdziała ruchowi tłoka, zmniejszając moment obrotowy silnika, spada moc a zużycie paliwa wzrasta. Przyśpieszenie zapłonu o 4° OWK (Obrotu Wału Korbowego) w stosunku do optimum powoduje wyraźne przyśpieszenie zużycia silnika.

Jeśli zapłon nastąpi zbyt późno to maksimum ciśnienia jest opóźnione i jego wartość jest mniejsza przez co także zmniejszy się moment obrotowy silnika, spada moc a zużycie paliwa wzrasta. Zbyt opóźniony zapłon powoduje przegrzewanie się komory spalania a w szczególności gniazda i zaworu wydechowego. Także przegrzewa się świeca przez co powstają niekontrolowane zapłony.

Optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu będzie zależał od wyżej wymienionych czynników. Dwa najważniejsze czynniki to prędkość obrotowa wału korbowego i stopień napełnienia cylindra (obciążenie silnika), gdyż one najbardziej zmieniają się w czasie jazdy pojazdem z silnikiem spalinowym. Przy tych samych obrotach ale skrajnie różnym obciążeniu silnika optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu może się wahać nawet o 20° OWK. Kąt wyprzedzenia zapłonu powinien rosnąć wraz ze wzrostem obrotów silnika i z przymykaniem przepustnicy. Przymknięcie przepustnicy rozrzedza mieszankę i zwiększa zanieczyszczenie spalinami więc zmniejsza prędkość spalania mieszanki.

Różnica w poprawnym kącie wyprzedzenia zapłonu w zależności od składu mieszanki jest dosyć spora. Najszybciej spala się mieszanka lekko wzbogacona, lambda = 0.9, ale mieszanka lambda = 1.3 potrzebuje kąta około 30° wcześniejszego ! Bogate mieszanki lambda = 0.6 potrzebują kąta około 8° wcześniejszego.

Uwzględniając, że przy tych samych obrotach a skrajnie różnym obciążeniu silnika różnica między optymalnym kątem wyprzedzenia może wynosić 20° dla takiego samego składu mieszanki, to przy zmianie tego składu trzeba jeszcze uwzględnić kolejne 30°. Jak widać zadanie jest niezwykle trudne.

Optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu dobiera się z założeniem albo uzyskania największej mocy silnika, albo zmniejszeniem do minimum zużycia paliwa. Dokładne ustalenie odpowiedniego kąta wyprzedzenia zapłonu oraz zakresu jego zmian jest możliwe tylko w odniesieniu do konkretnego typu sinika, a w przypadku Junaka nawet zależy od egzemplarza. Wykonuje się to na odpowiednich stanowiskach pomiarowych, głównym takim stanowiskiem jest hamownia obciążeniowa lub inercyjna.

W nowoczesnych silnikach sterowanych elektronicznie, z pomiarem składu mieszanki, obciążenia, itp. układ zapłonowy płynnie dostosowuje optymalny kąt wyprzedzenia do danych warunków pracy. Optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu oraz jego zmienność są zakodowane w tzw. mapach wewnątrz modułu zapłonowego.

W motocyklu klasycznym na ogół głównym i często jedynym kryterium ustawienia kąta wyprzedzenia zapłonu była prędkość obrotowa silnika. Zdarzały się konstrukcje, które miały na sztywno ustawiany kąt wyprzedzenia zapłonu w całym zakresie obrotów, najczęściej były to motocykle małej pojemności i 2-suwowe.

Jak widać w przypadku motocykla zabytkowego, który ma na ogół mechaniczny przerywacz oraz mechaniczny-odśrodkowy przyśpieszacz zapłonu, nie istnieje optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu jaki można ustawić. Mechaniczny-odśrodkowy przyśpieszacz zapłonu uwzględnia tylko jeden parametr jakim jest prędkość obrotowa wału korbowego, a to za mało aby ustawić optymalny kąt dla różnych wartości obciążenia silnika. Tu pozostaje tylko podejście kompromisowe, z założeniem że jadąc ze stałą prędkością np.: 70 km/h po poziomej drodze w bezwietrzny dzień, obciążenie będzie na ogół stałe. Dla takiej jazdy można posiadając zapłon elektroniczny z możliwością modyfikacji kąta wyprzedzenia w czasie jazdy "optymalnie" dobrać ten kąt. Innym sposobem było by ustawienie motocykla na hamowni obciążeniowej i dobieranie takiego ustawienia zapłonu aby dla zadanej "prędkości" wymagał najmniej odkręconej manetki gazu ;)