emner:
- generelt
- Tændspole tænding
- Konventionel fordeler tænding med kontaktpunkter
- Computerstyret tænding
- Forbrændingstryk og tændingstidspunkt
- Fremgang af tænding
- Dvæletid
- DIS betændelse
- En tændspole pr. cylinder
- Mål det primære tændingsmønster med oscilloskopet
overordnet:
I en benzinmotor skal brændstof/luftblandingen antændes ved slutningen af kompressionsslaget. Dette sker, fordi tændrør giver en gnist. For at tændrøret skal tænde kræves en spænding mellem 20.000 og 30.000 volt. En tændspole omdanner batterispændingen (omkring 12 til 14,8 volt) til denne højspænding.
Ved ældre anlæg er der ofte skruet 1 tændspole et sted på motorblokken, som er forbundet til tændrørene ved hjælp af tændrørskabler. Nyere motorer har ofte stifttændingsspoler. Hvert tændrør har sin egen tændspole. Antallet af tændspoler på motoren kan let genkendes ved tilstedeværelsen af tændrørskabler. Hvis tændrørsledninger løber til hver cylinder, har bilen 1 fast tændspole eller en DIS tændspole. Hvis der ikke kører tændrørskabler, er der en separat tændspole på hvert tændrør. En motordækplade skal ofte skilles ad for at se dette.
Tændspole:
Et tændingssystem bruger en tændspole. Uanset typen (konventionel eller computerstyret), er princippet det samme. Tændspolen indeholder 2 spoler kobbertråd rundt om en jernstang (kerne). Primærspolen (på tændingskontaktsiden) har få vindinger af tyk ledning. Den sekundære spole har mange vindinger af tynd tråd. Primærspolen har en spænding på 12 volt. En strøm på 3 til 8 ampere sendes gennem denne primærspole. Dette genererer et magnetfelt. Når dette magnetfelt forsvinder, genereres en spænding på 250 til 400 volt i primærspolen. På grund af forskellen i antallet af viklinger genereres en spænding på op til 40.000 volt i sekundærspolen.
Tændspolens primære spole har en ohmsk og induktiv modstand. Den ohmske modstand kan måles med multimeteret eller beregnes ud fra strøm- eller spændingsmålingerne. Den induktive modstand refererer til det magnetiske felt, der udvikles i primærspolen og afhænger af den hastighed, hvormed strømmen ændres, og spolens magnetiske egenskaber (L-værdien). Hver tændspole har en fast L-værdi, som afhænger af antallet af vindinger og spolens dimensioner og kernens egenskaber og dimensioner.
Konventionel fordeler tænding med kontaktpunkter:
Det konventionelle tændingssystem består af en enkelt tændspole, der tændes og slukkes med kontaktpunkter, tændspolekabel, tændrørskabler og en mekanisk fordeler med fremføring af tændingstidspunkt.
Ved hvile er kontaktpunkterne lukkede. En strøm løber gennem primærspolen via kontaktpunkterne til jord. I det øjeblik er et magnetfelt til stede i primærspolen. Når knasten løfter håndtaget, brydes kontakten mellem kontaktpunkterne, og der skabes en induceret spænding. Denne inducerede spænding forstærkes i sekundærspolen og overføres til fordeleren via tændspolens kabel. Klappen i fordeleren peger på en af tændrørskabelforbindelserne. Spændingen overføres til tændrøret, som danner en gnist.
Tændspolen overfører en højspænding via forbindelsen af tændspolekabel til rotoren i fordeleren. Rotoren i fordeleren roterer med halvdelen af krumtapakslens hastighed. Dette er muliggjort, fordi der afhængig af konstruktionen er en direkte forbindelse mellem krumtapakslen og fordeleren (som vist på figuren), eller fordi rotoren drives direkte af knastakslen. Når alt kommer til alt, roterer knastakslen allerede med halvdelen af krumtapakslens hastighed. Billedet viser et eksploderet billede af distributøren.
Rotoren er følsom over for vedligeholdelse. Kontaktpartiklerne mellem rotoren og fordelerhætten korroderer over tid, hvilket forringer kvaliteten af tændrørsgnisten. Ved lejlighedsvis at slibe korrosionen væk eller udskifte slidte dele forbliver kvaliteten af gnisten optimal. Ved at dreje fordelerhætten på rotoren justeres tændingstidspunktet.
Computerstyret tænding:
Moderne biler er udstyret med computerstyrede tændingssystemer. Motorstyringssystemet styrer tændspolen. En impulsgenerator (krumtapakselpositionssensor og eventuelt en knastakselpositionssensor) giver en referenceimpuls, der kører synkront med krumtappen eller knastakslen. Der mangler ofte en tand i en ring eller på remskiven, der tjener som referencepunkt. Billedet viser den bearbejdede krumtapakselremskive på MegaSquirt projekt. Remskiven har 36 tænder, hvoraf 1 er slebet væk. Derfor kaldes det også et 36-1 referencehjul. For hver 10 grader passerer 1 tand forbi sensoren (360/36).
Hver gang den manglende tand roterer forbi sensoren, sendes et signal til ECU'en.
Dette referencepunkt er ikke top dødpunkt (TDC), som navnet ofte antyder. I virkeligheden er dette referencepunkt mellem 90 og 120 grader før TDC. Det betyder, at når der ikke er tændingsfremrykning, sker tændimpulsen 9 til 12 tænder efter referencepunktet.
Billedet viser krumtapakselsignalet (gult) i forhold til tændspolens styreimpuls (blå). I krumtapakselsignalet er den manglende tand synlig, hvor pulsen mangler. På denne motor er den manglende tand 90 grader før TDC (det er 9 tænder på pulshjulet).
Mellem den manglende tand (referencepunkt, gul) og kontrolimpulsen (blå) er 8 tænder synlige; Dette er en 10 graders fortænding.
Fremrykning af tændingen har at gøre med forbrændingshastigheden; forbrænding har brug for tid for at nå sit maksimale forbrændingstryk. Dette maksimale forbrændingstryk er optimalt ved en krumtapakselposition på 15 til 20 grader efter TDC. Dette skal være optimalt under alle driftsforhold. De følgende afsnit forklarer, hvilken indflydelse tændingstidspunktet har på forbrændingstrykket, hvordan tændingsfremrykningen finder sted, og hvordan du kan aflæse dvæletiden i scope-billedet.
Forbrændingstryk og tændingstidspunkt:
Tændingssystemet skal sikre, at blandingen i cylinderrummet antændes på det rigtige tidspunkt. Når stemplet har passeret TDC, skal forbrændingstrykket være højest. Fordi der går en tid mellem antændelse og antændelse af blandingen (hvor det maksimale forbrændingstryk nås), skal blandingen antændes et stykke tid før TDC. Kort sagt: Tændrøret skal allerede have gnist, før stemplet har nået TDC.
I det følgende diagram ser vi trykforløbet (rød linje) i forhold til krumtapakslens grader. Tændrøret tænder ved punkt a. Stemplet bevæger sig længere mod TDC (0), og forbrændingstrykket stiger. Det maksimale forbrændingstryk nås ca. 10 til 15 grader efter TDC (ved punkt b).
- hvis punkt b bevæger sig for langt til venstre, antændes blandingen for tidligt, og stemplet standses i at bevæge sig opad;
- Når punkt b flyttes til højre, sker forbrændingen for sent. Stemplet har allerede bevæget sig for langt mod ODP. Kraftslaget er ikke længere effektivt nok.
Tændingsfremskud:
For at trykspidsen kan opstå ved den korrekte krumtapakselposition, er det vigtigt at fremføre tændingen, når motorhastigheden øges. Punkt b (det maksimale forbrændingstryk) må ikke flyttes. Når tændingstidspunktet fremføres og forsinkes, flyttes punkt a (tændingstidspunktet) til venstre eller højre. Forbrændingstiden afhænger af motorens fyldningsniveau og det aktuelle blandingsforhold. Tændingen er derfor forskellig for hver motor. Det er også derfor, krumtapakslens referencepunkt er sat et antal grader før TDC: mellem referencepunktet og TDC er der tid til at beregne tændingsfremrykningen.
Med en DIS tændspole (beskrevet længere på siden) er krumtapakselpositionssensoren tilstrækkelig til at bestemme tændingstidspunktet. Den første impuls efter den manglende tand bruges for eksempel til at belaste den sekundære spole af cylinder 1 og 4. Derefter tælles antallet af tænder (18 i dette tilfælde) for at generere pulsen til den sekundære spole af cylinder 2 og 3. Hvis motoren er udstyret med COP-tændingsspoler, er et referencepunkt ikke tilstrækkeligt. I så fald er en knastakselpositionssensor nødvendig for at detektere flere referencepunkter.
De to billeder nedenfor (tændingsfremføringstabel og 3D-visning) viser indstillingerne for tændingskortet i MegaSquirt projekt. Disse kaldes opslagstabeller, reference- eller kernefelter.
Tændingens fremrykning bestemmes baseret på motorkonfigurationen. Graferne viser fuldlast tænding fremrykningskurver for (konventionel) mekanisk fordeler tænding (lyserød linje) og et computerstyret system (blå linje). Bøjningen i den lyserøde linje er det punkt, hvor vakuumfremføringen træder i kraft. Ydermere er linjerne lige; dette skyldes mekaniske begrænsninger. Med et computerstyret system kan dette styres mere præcist; derfor fortsætter tændingskurven som en kurve. Mellem 1200 og 2600 rpm er den blå linje trukket lidt ned; dette har at gøre med delbelastningsbankeområdet. Det kan også ses, at både de konventionelle og de computerstyrede fremføringslinjer ender ved ca. 25 grader. Fremrykningen bør ikke øges yderligere, for så er der risiko for "højhastighedsbanket", eller bankeområdet ved høje hastigheder.
Tændingskortet fungerer som grundlag for tændingsfremrykningen. Fra dette tidspunkt vil motorstyringssystemet forsøge at fremme tændingen så meget som muligt. For meget fremskridt vil føre til banke; dette registreres af bankesensorer. I det øjeblik bankesensorerne registrerer, at motoren har tendens til at banke, vil motorstyringssystemet afvige fra tændingstidspunktet et par grader. Hastigheden vil derefter blive accelereret igen, indtil bankesensorerne giver et signal.
Dvæletid:
Når primærstrømmen er tændt, opbygges et magnetfelt. Strømmen gennem spolen vil ikke umiddelbart nå sin maksimale værdi; Dette tager tid. I spolen er der en modstand, der opnås fra en modsat induktionsspænding. Strømmen vil heller ikke overstige 6 til 8 ampere. Der er genereret tilstrækkelig energi på 2,3 millisekunder til at få en gnist til at springe gennem tændrøret, hvilket er tilstrækkeligt til at antænde luft-brændstofblandingen. Punktet t=2,3 ms er tændingstidspunktet. Strømopbygningen fra tiden t0 til t=2,3 ms kaldes primærspolens ladetid eller dvæletiden.
Strømopbygningen i primærspolen stopper ved ca. 7,5 ampere. Strømmen bør ikke stige yderligere, for så kan primærspolen blive for varm. Når bilens indbyggede spænding falder, skal der mere tid til at oplade primærspolen. Tændingstidspunktet ændres ikke. Så indlæsningen skal starte tidligere. Dette kan ses på figuren, hvor den grønne linje viser spolens tændingsfænomen ved en lavere spænding. Opladningsprocessen starter tidligere (delta t) og slutter samtidig med den sorte linje ved 7,5 A.
Styringen af tændspolen ændres; bredden af drivimpulsen påvirker primærspolens ladetid. Jo længere puls, jo længere tid har spolen tid til at lade op.
På begge billeder opstår betændelsen ved den ottende tand (80 grader før TDC). Det højre billede viser den længere opholdstid.
DIS betændelse:
DIS står for Distributorless Ignition System. Det er, som navnet antyder, en elektronisk distributørløs tænding. Signalet for tænding kommer direkte fra ECU'en, hvilket gør det til en computerstyret tænding. Dette tændingssystem kombinerer 2 tændspoler i 1 hus. Hver tændspole giver gnisten til 2 cylindre. Der er en enkelt spole tændspole monteret på cylinder 1 og 4, og den anden spole monteret på cylinder 2 og 3.
Som eksempel tager vi DIS-tændingsspolen med tilslutningerne til cylinder 2 og 3. Der er ingen rotor, hvilket betyder, at de begge vil gnister på samme tid. Cylinder 2 er i slutningen af kompressionsslaget, og tændspolen giver en gnist til at antænde blandingen. Det betyder, at tændspolen også giver gnister på cylinder 3, som så starter med indsugningsslaget, men fordi den nu ikke har nogen brændbar blanding, gør det ikke noget. Senere, når cylinder 3 er optaget af kompressionsslaget, vil cylinder 2 være optaget af indsugningsslaget og vil så modtage den unødvendige gnist. Den tomme gnist i cylinderen, hvor der ikke sker forbrænding, forårsager ikke hurtigere ældning af tændrøret. Gnisten behøver så kun en spænding på 1kV (1000V) i stedet for de 30kV, når man brænder en blanding.
Fordelen ved DIS tændspolen er, at der faktisk ikke kræves nogen vedligeholdelse. Tændspolen er vedligeholdelsesfri. Ulempen ved denne tændspole er, at der nogle gange trænger fugt ind mellem kablet og tilslutningsakslen i tændspolen. Fugt forårsager korrosion på kontakterne, som bliver hvide eller grønne. Gnistspændingen falder på grund af det store spændingstab forårsaget af korrosion. Motoren kan begynde at ryste og vibrere let, uden faktisk at forårsage en fejl i ECU'ens hukommelse. I tilfælde af en reklamation som denne er det klogt at afmontere kablerne fra tændspolen én efter én (mens motoren er slukket!!) og tjekke om kontakterne er pæne og guldfarvede og der ikke er spor af korrosion i kablet og i skaftet kan ses. Korrosionen er meget aggressiv og vil langsomt vende tilbage efter rengøring. Den bedste løsning er at udskifte hele tændspolen med det relevante kabel.
En tændspole pr. cylinder:
Med dette tændingssystem er (stang)tændingsspolerne, også kaldet COP (coil on plug) tændspoler, monteret direkte på tændrøret. Også her styrer motorstyreenheden (ECU) tændingen. Både strømmen og tændingstidspunktet beregnes af styreenheden. Betjeningen er som en ældre tændspole; Denne tændspole har også en primær og sekundær spole. Primærspolen forsynes med spænding via stikket i toppen og afbrydes internt via en transistor.
Ulempen ved disse tændspoler er, at de er monteret i tændrørsakslen og derfor bliver ekstremt varme. Selvom de er skabt til det, har de en tendens til at gå i stykker nogle gange. Dette kan genkendes, når en bil springer en cylinder over, og så begynder motoren at ryste. Når dette sker, vil lambdasensoren genkende, at en tændspole ikke antænder brændstoffet, og brændstofindsprøjtningen til den relevante cylinder vil blive stoppet. Cylinderen fungerer så slet ikke længere. Dette forhindrer uforbrændt brændstof i at trænge ind i udstødningen, hvilket vil ødelægge katalysatoren. En knækket tændspole kan ofte genkendes på, at motoren kører meget uregelmæssigt (og motorlampen lyser, selvom denne lampe kan have mange årsager).
Mere information og årsager til cylinderfejl kan findes på siden cylinder overførsel.
Hvis du har mistanke om, at tændspolen er defekt, kan du se det primære tændingsbillede med oscilloskopet, hvis motoren er i nødtilstand, og tændingen og indsprøjtningen er slået fra, mens motoren kører.
Måling af det primære tændingsmønster med oscilloskopet:
Tændspolen genererer spændingen, så der kan udvikles en kraftig gnist i bunden af tændrøret. Tændspolen skal generere en spænding på cirka 30.000 til 40.000 volt for at frembringe en gnist i tændrøret. Til dette formål skal der genereres en ioniseringsspænding på 300 til 400 volt i primærspolen. Vi kan se i løbet af spændingen gennem primærspolen, om denne proces går godt. Spændingerne i de primære og sekundære spoler føres til hinanden, selvom niveauerne i den sekundære spolen er cirka 100x højere. Dette gør det muligt at se i den primære spændingsprofil, om tændspolen er i orden, og om tændrøret tænder ordentligt. Scopebilledet nedenfor blev målt på den primære spole af en tændspole.
Fra venstre mod højre:
- 14 volt: i hvile måler vi 14 volt på plus- og jordsiden af spolen i tændspolen;
- Kontakttid: primærspolen er forbundet til jord på den ene side. En differentialspænding på 14 volt skabes mellem + og jord, hvilket får strøm til at strømme gennem spolen;
- 300 volt (induktion): udgangstrinnet i ECU'en eller tændingsmodulet afslutter styringen, og der skabes en induktion på cirka 300 volt i primærspolen. Vi kalder dette ioniseringsspændingen. Der genereres en spænding på 30.000 volt i den sekundære spole. Denne spænding er nødvendig for at gøre luften mellem tændrørets elektroder ledende og for at tillade en gnist at springe;
- Gnister fra tændrøret: fra tændrøret kan vi se, at tændrøret tænder;
- Svingende: det er her den resterende energi flyder væk. Dette afhænger af kredsløbets LCR-værdi (L-værdi for tændspolen og kondensatorens kapacitans).
Med åbningstiden i scope-billedet mener vi kontaktpunkternes åbningstid. Dette gælder ikke længere for en computerstyret tænding. Vi kan dog bestemme hastigheden baseret på det punkt, hvor ioniseringsspændingen af den anden gnist vises. Kikkertbillederne nedenfor viser de primære tændingsbilleder ved lav hastighed (venstre) og høj hastighed (højre).
Med et oscilloskop kan vi vise tændingsbilledet og indsprøjtningsbilledet i forhold til krumtapakselsignalet. Referencehjulet indeholder ét referencepunkt. Et tændingsmoment finder sted efter hver omdrejning af krumtapakslen. Vi ved, at krumtapakslen skal rotere to omdrejninger for en komplet driftscyklus. Heraf kan vi erkende, at vi har at gøre med en DIS tændspole. Så en "spildt gnist" finder sted. Injektorbillederne bekræfter dette: indsprøjtningen finder sted hver anden krumtapakselomdrejning.
Hvis du har mistanke om, at en tændspole er defekt, kan du ved at se på sekundærtændingsbilledet afgøre, om der er et problem i sekundærtændingen. Det resulterende billede viser tændingsbilledet af cylinder 6 (blå) og cylinder 4 (rød), hvor der er en fejl. Forklaringen følger under billedet.
På det primære billede af cylinder 4 kan ioniseringsspændingen ses, men så flyder energien væk. Billedet ligner nu den karakteristiske spændingsprofil for en magnetisk spoleinjektor. Hvad kan vi genkende på dette billede:
- Cylinder 6 (blå) er OK. Vi bruger dette billede som reference;
- Cylinder 4: ioniseringsspændingen er OK. Energi genereres i primærspolen. Den primære spole er god;
- Styringen af motorens ECU eller det eksterne tændingsmodul er OK;
- Det sekundære forløb er ikke synligt;
- Den primære og sekundære spole udveksler derfor ikke energi;
- Den sekundære spole er afbrudt.
Erfaring viser, at den sekundære spole i en tændspole kan svigte på grund af varme. Vi kan opdage denne defekt med et oscilloskop. Bemærk venligst: Hvis motoren er gået i haltende tilstand, kan kontrollen blive afsluttet. Udfør derfor målingen umiddelbart efter eller under start af motoren.
