Przedmioty:
- Zarys ogólny
- Zapłon cewki zapłonowej
- Konwencjonalny zapłon rozdzielacza z punktami kontaktowymi
- Zapłon sterowany komputerowo
- Ciśnienie spalania i czas zapłonu
- Wyprzedzenie zapłonu
- Czas oczekiwania
- Zapalenie DIS
- Jedna cewka zapłonowa na cylinder
- Zmierz pierwotny wzór zapłonu za pomocą oscyloskopu
Ogólne:
W silniku benzynowym mieszanka paliwowo-powietrzna musi zostać zapalona pod koniec suwu sprężania. Dzieje się tak, ponieważ zgłębnik daje iskrę. Aby świeca zapłonowa zaiskrzyła, wymagane jest napięcie od 20.000 30.000 do 12 14,8 woltów. Cewka zapłonowa przekształca napięcie akumulatora (około XNUMX do XNUMX V) na to wysokie napięcie.
W starszych układach często na bloku silnika jest wkręcona 1 cewka zapłonowa, która jest połączona ze świecami zapłonowymi za pomocą kabli świec zapłonowych. Nowsze silniki często mają cewki zapłonowe z iglicą. Każda świeca zapłonowa ma własną cewkę zapłonową. Liczbę cewek zapłonowych w silniku można łatwo rozpoznać po obecności przewodów świecy zapłonowej. Jeśli przewody świecy zapłonowej biegną do każdego cylindra, samochód ma 1 stałą cewkę zapłonową lub cewkę zapłonową DIS. Jeżeli przewody świecy zapłonowej nie są podłączone, na każdej świecy zapłonowej znajduje się oddzielna cewka zapłonowa. Aby to zobaczyć, często trzeba zdemontować pokrywę silnika.
Cewka zapłonowa:
Układ zapłonowy wykorzystuje cewkę zapłonową. Niezależnie od typu (konwencjonalny czy sterowany komputerowo) zasada jest taka sama. Cewka zapłonowa zawiera 2 cewki z drutu miedzianego wokół żelaznego pręta (rdzenia). Cewka pierwotna (po stronie wyłącznika zapłonu) ma kilka zwojów grubego drutu. Cewka wtórna ma wiele zwojów cienkiego drutu. Cewka pierwotna ma napięcie 12 woltów. Przez tę cewkę pierwotną przepływa prąd o natężeniu od 3 do 8 amperów. To generuje pole magnetyczne. Kiedy to pole magnetyczne zanika, w cewce pierwotnej generowane jest napięcie od 250 do 400 woltów. Ze względu na różnicę w liczbie uzwojeń w cewce wtórnej generowane jest napięcie do 40.000 XNUMX woltów.
Cewka pierwotna cewki zapłonowej ma rezystancję omową i indukcyjną. Rezystancję omową można zmierzyć za pomocą multimetru lub obliczyć na podstawie pomiarów prądu lub napięcia. Rezystancja indukcyjna odnosi się do pola magnetycznego wytwarzanego w cewce pierwotnej i zależy od szybkości zmian prądu oraz właściwości magnetycznych cewki (wartość L). Każda cewka zapłonowa ma stałą wartość L, która zależy od liczby zwojów i wymiarów cewki oraz właściwości i wymiarów rdzenia.
Konwencjonalny zapłon rozdzielaczowy z punktami kontaktowymi:
Konwencjonalny układ zapłonowy składa się z pojedynczej cewki zapłonowej, która jest włączana i wyłączana za pomocą punktów stykowych, kabla cewki zapłonowej, kabli świec zapłonowych i mechanicznego rozdzielacza z wyprzedzeniem zapłonu.
W spoczynku punkty kontaktowe są zamknięte. Prąd przepływa przez uzwojenie pierwotne, poprzez punkty styku do masy. W tym momencie w cewce pierwotnej występuje pole magnetyczne. Kiedy krzywka podnosi dźwignię, kontakt między punktami styku zostaje zerwany i powstaje indukowane napięcie. To indukowane napięcie jest wzmacniane w cewce wtórnej i przekazywane do dystrybutora poprzez kabel cewki zapłonowej. Występ w rozdzielaczu wskazuje na jedno z połączeń kabla świecy zapłonowej. Napięcie przekazywane jest do świecy zapłonowej, która wytwarza iskrę.
Cewka zapłonowa przekazuje wysokie napięcie poprzez połączenie kabla cewki zapłonowej z wirnikiem w rozdzielaczu. Wirnik w rozdzielaczu obraca się z połową prędkości wału korbowego. Jest to możliwe dzięki temu, że w zależności od konstrukcji istnieje bezpośrednie połączenie pomiędzy wałem korbowym a rozdzielaczem (jak pokazano na rysunku) lub dzięki temu, że wirnik napędzany jest bezpośrednio przez wałek rozrządu. W końcu wałek rozrządu obraca się już z połową prędkości wału korbowego. Zdjęcie przedstawia widok dystrybutora w stanie rozłożonym.
Wirnik jest wrażliwy na konserwację. Cząsteczki kontaktowe pomiędzy wirnikiem a pokrywą rozdzielacza z biegiem czasu ulegają korozji, co pogarsza jakość iskry świecy zapłonowej. Dzięki sporadycznemu szlifowaniu korozji lub wymianie zużytych części jakość iskry pozostaje optymalna. Obracając pokrywę dystrybutora na wirniku, reguluje się czas zapłonu.
Zapłon sterowany komputerowo:
Nowoczesne samochody wyposażone są w sterowane komputerowo układy zapłonowe. Układ zarządzania silnikiem steruje cewką zapłonową. Generator impulsów (czujnik położenia wału korbowego i ewentualnie czujnik położenia wałka rozrządu) zapewnia impuls odniesienia, który działa synchronicznie z korbą lub wałkiem rozrządu. Często brakuje zęba w pierścieniu lub kole pasowym, który służy jako punkt odniesienia. Zdjęcie przedstawia obrobione koło pasowe wału korbowego Projekt MegaSquirt. Koło pasowe ma 36 zębów, z czego 1 został zeszlifowany. Dlatego też nazywane jest kołem referencyjnym 36-1. Na każde 10 stopni obok czujnika przechodzi 1 ząb (360/36).
Za każdym razem, gdy brakujący ząb obraca się obok czujnika, do ECU wysyłany jest sygnał.
Tym punktem odniesienia nie jest górny martwy punkt (GMP), jak często sugeruje nazwa. W rzeczywistości ten punkt odniesienia znajduje się pomiędzy 90 a 120 stopni przed GMP. Oznacza to, że w przypadku braku wyprzedzenia zapłonu impuls zapłonu następuje 9 do 12 zębów za punktem odniesienia.
Na zdjęciu sygnał wału korbowego (kolor żółty) w odniesieniu do impulsu sterującego cewką zapłonową (kolor niebieski). W sygnale wału korbowego widać brakujący ząb w miejscu braku impulsu. W tym silniku brakujący ząb znajduje się 90 stopni przed GMP (to jest 9 zębów koła impulsowego).
Pomiędzy brakującym zębem (punkt referencyjny, żółty) a impulsem kontrolnym (niebieskim) widocznych jest 8 zębów; Jest to zapłon wstępny wynoszący 10 stopni.
Przyspieszenie zapłonu ma związek z prędkością spalania; spalanie potrzebuje czasu, aby osiągnąć maksymalne ciśnienie spalania. To maksymalne ciśnienie spalania jest optymalne przy położeniu wału korbowego od 15 do 20 stopni za GMP. Musi to być optymalne w każdych warunkach pracy. Poniższe akapity wyjaśniają wpływ czasu zapłonu na ciśnienie spalania, w jaki sposób następuje wyprzedzenie zapłonu i jak można odczytać czas przebywania na obrazie oscyloskopu.
Ciśnienie spalania i czas zapłonu:
Układ zapłonowy musi zapewniać zapłon mieszanki w komorze cylindra we właściwym czasie. Gdy tłok minie GMP, ciśnienie spalania musi być najwyższe. Ponieważ pomiędzy zapłonem a zapłonem mieszanki upływa czas (w którym osiągane jest maksymalne ciśnienie spalania), mieszanka musi zostać zapalona jakiś czas przed GMP. W skrócie: świeca zapłonowa musiała już iskrzyć, zanim tłok osiągnął GMP.
Na poniższym wykresie widać przebieg ciśnienia (czerwona linia) w zależności od stopni wału korbowego. Świeca zapłonowa iskrzy w punkcie a. Tłok przesuwa się dalej w stronę GMP (0) i wzrasta ciśnienie spalania. Maksymalne ciśnienie spalania osiągane jest około 10 do 15 stopni za GMP (w punkcie b).
- jeśli punkt b przesunie się za bardzo w lewo, mieszanka zostanie zapalona zbyt wcześnie i tłok nie będzie mógł ruszyć się do góry;
- Gdy punkt b zostanie przesunięty w prawo, spalanie następuje zbyt późno. Tłok przesunął się już zbyt daleko w stronę ODP. Skok mocy nie jest już wystarczająco skuteczny.
Wyprzedzenie zapłonu:
Aby szczyt ciśnienia wystąpił we właściwym położeniu wału korbowego, ważne jest przyspieszenie zapłonu, gdy zwiększane są obroty silnika. Punktu b (maksymalne ciśnienie spalania) nie wolno przesuwać. Przy przyspieszaniu i opóźnianiu zapłonu punkt a (czas zapłonu) przesuwa się w lewo lub w prawo. Czas spalania zależy od stopnia napełnienia silnika i aktualnego stosunku mieszania. Wyprzedzenie zapłonu jest zatem różne dla każdego silnika. Z tego też powodu punkt odniesienia wału korbowego ustala się o kilka stopni przed GMP: pomiędzy punktem odniesienia a GMP jest czas na obliczenie wyprzedzenia zapłonu.
W przypadku cewki zapłonowej DIS (opisanej w dalszej części strony) do określenia czasu zapłonu wystarczy czujnik położenia wału korbowego. Pierwszy impuls po brakującym zębie służy np. do obciążenia cewki wtórnej cylindrów 1 i 4. Następnie zliczana jest liczba zębów (w tym przypadku 18), aby wygenerować impuls dla cewki wtórnej cylindrów 2 i 3. Jeżeli silnik jest wyposażony w cewki zapłonowe COP, jeden punkt odniesienia nie wystarczy. W takim przypadku potrzebny jest czujnik położenia wałka rozrządu, aby wykryć wiele punktów odniesienia.
Dwa poniższe obrazy (tabela wyprzedzenia zapłonu i widok 3D) przedstawiają ustawienia mapy zapłonu w Projekt MegaSquirt. Nazywa się je tabelami przeglądowymi, polami referencyjnymi lub polami podstawowymi.
Wyprzedzenie zapłonu jest określane na podstawie konfiguracji silnika. Wykresy przedstawiają krzywe wyprzedzenia zapłonu przy pełnym obciążeniu dla (konwencjonalnego) zapłonu z mechanicznym rozdzielaczem (linia różowa) i układu sterowanego komputerowo (linia niebieska). Zagięcie różowej linii to punkt, w którym zaczyna obowiązywać wzrost podciśnienia. Co więcej, linie są proste; wynika to z ograniczeń mechanicznych. Dzięki systemowi sterowanemu komputerowo można to kontrolować bardziej precyzyjnie; dlatego krzywa zapłonu przebiega jako krzywa. Pomiędzy 1200 a 2600 obr/min niebieska linia została lekko przesunięta w dół; ma to związek z obszarem uderzeń przy częściowym obciążeniu. Można również zauważyć, że zarówno konwencjonalne, jak i sterowane komputerowo linie natarcia kończą się pod kątem około 25 stopni. Nie należy dalej zwiększać wyprzedzenia, gdyż wtedy istnieje ryzyko „stukania przy dużych prędkościach”, czyli obszaru stukania przy dużych prędkościach.
Mapa zapłonu służy jako podstawa do wyprzedzenia zapłonu. Od tego momentu układ sterowania silnikiem będzie starał się maksymalnie wyprzedzić zapłon. Zbyt duży postęp doprowadzi do pukania; jest to rejestrowane przez czujniki spalania stukowego. W momencie, gdy czujniki spalania stukowego wykryją, że silnik ma tendencję do stukania, układ sterowania silnikiem odbiega od ustawienia zapłonu o kilka stopni. Następnie prędkość zostanie ponownie zwiększona, aż czujniki spalania stukowego wydadzą sygnał.
Czas oczekiwania:
Po włączeniu prądu pierwotnego wytwarza się pole magnetyczne. Prąd płynący przez cewkę nie osiągnie natychmiast maksymalnej wartości; To wymaga czasu. W cewce znajduje się rezystancja uzyskana z przeciwnego napięcia indukcyjnego. Prąd również nie przekroczy 6 do 8 amperów. W ciągu 2,3 milisekundy wygenerowano wystarczającą ilość energii, aby spowodować przeskok iskry przez świecę zapłonową, co jest wystarczające do zapalenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Punkt t=2,3 ms to moment zapłonu. Narastanie prądu od czasu t0 do t=2,3 ms nazywane jest czasem ładowania cewki pierwotnej lub czasem przebywania.
Nagromadzenie prądu w cewce pierwotnej kończy się na poziomie około 7,5 ampera. Prąd nie powinien już wzrastać, gdyż wówczas cewka pierwotna może się za bardzo nagrzać. Kiedy napięcie w samochodzie spada, potrzeba więcej czasu na naładowanie cewki pierwotnej. Czas zapłonu nie ulega zmianie. Dlatego ładowanie musi rozpocząć się wcześniej. Widać to na rysunku, gdzie zielona linia przedstawia zjawisko załączenia cewki przy niższym napięciu. Proces ładowania rozpoczyna się wcześniej (delta t) i kończy w tym samym czasie, co czarna linia przy 7,5 A.
Zmienia się sterowanie cewką zapłonową; szerokość impulsu sterującego wpływa na czas ładowania cewki pierwotnej. Im dłuższy impuls, tym dłuższy czas ładowania cewki.
Na obu zdjęciach stan zapalny występuje przy ósmym zębie (80 stopni przed GMP). Prawy obraz pokazuje dłuższy czas przebywania.
Zapalenie DIS:
DIS oznacza bezrozdzielaczowy układ zapłonowy. Jest to, jak sama nazwa wskazuje, elektroniczny zapłon bezrozdzielaczowy. Sygnał do zapłonu pochodzi bezpośrednio z ECU, dzięki czemu jest to zapłon sterowany komputerowo. Ten układ zapłonowy łączy 2 cewki zapłonowe w 1 obudowie. Każda cewka zapłonowa zapewnia iskrę dla 2 cylindrów. Cewka zapłonowa z pojedynczą cewką jest zamontowana na cylindrach 1 i 4, a druga cewka na cylindrach 2 i 3.
Jako przykład bierzemy cewkę zapłonową DIS z przyłączami dla cylindrów 2 i 3. Nie ma wirnika, co oznacza, że obie będą iskrzyć jednocześnie. Cylinder 2 znajduje się na końcu suwu sprężania, a cewka zapłonowa wytwarza iskrę zapalającą mieszankę. Oznacza to, że cewka zapłonowa iskrzy również na cylindrze 3, który następnie zaczyna się od suwu ssania, ale ponieważ nie ma w niej teraz mieszanki palnej, nie ma to znaczenia. Później, gdy cylinder 3 będzie zajęty suwem sprężania, cylinder 2 będzie zajęty suwem ssania i otrzyma wtedy niepotrzebną iskrę. Pusta iskra w cylindrze, w którym nie zachodzi spalanie, nie powoduje szybszego starzenia się świecy zapłonowej. Iskra potrzebuje wtedy tylko napięcia 1 kV (1000 V) zamiast 30 kV podczas spalania mieszanki.
Zaletą cewki zapłonowej DIS jest to, że w rzeczywistości nie jest wymagana żadna konserwacja. Cewka zapłonowa jest bezobsługowa. Wadą tej cewki zapłonowej jest to, że wilgoć czasami przedostaje się pomiędzy kabel a wałek łączący w cewce zapłonowej. Wilgoć powoduje korozję styków, które stają się białe lub zielone. Napięcie iskry spada z powodu dużej utraty napięcia spowodowanej korozją. Silnik może zacząć się trząść i lekko wibrować, nie powodując w rzeczywistości błędu w pamięci ECU. W przypadku takiej reklamacji warto po kolei zdemontować przewody od cewki zapłonowej (na wyłączonym silniku!!) i sprawdzić czy styki są ładne i złociste oraz czy nie ma śladów korozji kabel i w wale widać. Korozja jest bardzo agresywna i będzie powoli powracać po czyszczeniu. Najlepszym rozwiązaniem jest wymiana całej cewki zapłonowej na odpowiedni kabel.
Jedna cewka zapłonowa na cylinder:
W tym układzie zapłonowym cewki zapłonowe (prętowe), zwane także cewkami zapłonowymi COP (coil on plug), są montowane bezpośrednio na świecy zapłonowej. Również w tym przypadku jednostka sterująca silnika (ECU) steruje zapłonem. Zarówno prąd, jak i czas zapłonu są obliczane przez jednostkę sterującą. Działanie przypomina starszą cewkę zapłonową; Ta cewka zapłonowa ma również cewkę pierwotną i wtórną. Cewka pierwotna jest zasilana napięciem przez wtyczkę umieszczoną na górze i przerywaną wewnętrznie przez tranzystor.
Wadą tych cewek zapłonowych jest to, że są one zamontowane na wale świecy zapłonowej i dlatego stają się bardzo gorące. Chociaż są do tego stworzone, czasami mają tendencję do pękania. Można to rozpoznać, gdy samochód przeskakuje cylinder, a następnie silnik zaczyna się trząść. Gdy to nastąpi, sonda lambda rozpozna, że cewka zapłonowa nie powoduje zapłonu paliwa i wtrysk paliwa do odpowiedniego cylindra zostanie zatrzymany. Cylinder przestaje wówczas w ogóle działać. Zapobiegnie to przedostawaniu się niespalonego paliwa do układu wydechowego, co spowoduje zniszczenie katalizatora. Uszkodzoną cewkę zapłonową można często rozpoznać po bardzo nieregularnej pracy silnika (i świeci się kontrolka silnika, choć przyczyn może być wiele).
Więcej informacji i przyczyny przerw zapłonu w cylindrze znajdziesz na stronie transfer cylindra.
Jeśli podejrzewasz, że cewka zapłonowa jest uszkodzona, możesz zobaczyć obraz pierwotnego zapłonu za pomocą oscyloskopu, jeśli silnik znajduje się w trybie awaryjnym, a zapłon i wtrysk zostały wyłączone podczas pracy silnika.
Pomiar pierwotnego wzorca zapłonu za pomocą oscyloskopu:
Cewka zapłonowa wytwarza napięcie, dzięki czemu na dnie świecy zapłonowej może wytworzyć się silna iskra. Cewka zapłonowa musi generować napięcie od około 30.000 40.000 do 300 400 woltów, aby wytworzyć iskrę na świecy zapłonowej. W tym celu w cewce pierwotnej należy wytworzyć napięcie jonizacji o wartości od 100 do XNUMX woltów. W trakcie przebiegu napięcia przez cewkę pierwotną widzimy, czy proces ten przebiega prawidłowo. Napięcia uzwojenia pierwotnego i wtórnego są przekazywane sobie nawzajem, chociaż poziomy w uzwojeniu wtórnym są około XNUMX razy wyższe. Dzięki temu na profilu napięcia pierwotnego można zobaczyć, czy cewka zapłonowa jest w porządku i czy świeca iskrzy prawidłowo. Poniższy obraz oscyloskopu został zmierzony na cewce pierwotnej cewki zapłonowej.
Od lewej do prawej:
- 14 woltów: w spoczynku mierzymy 14 woltów po stronie plusa i masy cewki w cewce zapłonowej;
- Czas zestyku: cewka pierwotna jest połączona z masą z jednej strony. Pomiędzy + a masą powstaje napięcie różnicowe 14 woltów, powodując przepływ prądu przez cewkę;
- 300 V (indukcja): stopień wyjściowy w ECU lub module zapłonu kończy sterowanie, a w cewce pierwotnej powstaje indukcja o wartości około 300 V. Nazywamy to napięciem jonizacji. W uzwojeniu wtórnym generowane jest napięcie 30.000 XNUMX woltów. Napięcie to jest konieczne, aby powietrze między elektrodami świecy zapłonowej przewodziło i umożliwiło przeskok iskry;
- Iskrzenie ze świecy zapłonowej: z przewodu zapłonowego widać, że świeca iskrzy;
- Kołysanie: w tym miejscu odpływa resztkowa energia. Zależy to od wartości LCR obwodu (wartość L cewki zapłonowej i pojemność kondensatora).
Przez czas otwarcia na obrazie zakresu rozumiemy czas otwarcia punktów kontaktowych. Nie dotyczy to już zapłonu sterowanego komputerowo. Możemy jednak wyznaczyć prędkość na podstawie punktu, w którym pojawia się napięcie jonizacji drugiej iskry. Poniższe obrazy oscyloskopu przedstawiają obrazy zapłonu pierwotnego przy niskiej prędkości (po lewej) i dużej prędkości (po prawej).
Za pomocą oscyloskopu możemy wyświetlić obraz zapłonu i obraz wtrysku w odniesieniu do sygnału wału korbowego. Koło odniesienia zawiera jeden punkt odniesienia. Po każdym obrocie wału korbowego następuje moment zapłonu. Wiemy, że wał korbowy musi wykonać dwa obroty w ciągu jednego pełnego cyklu pracy. Z tego możemy rozpoznać, że mamy do czynienia z cewką zapłonową DIS. Powstaje zatem „iskra zmarnowana”. Potwierdzają to zdjęcia wtryskiwaczy: wtrysk następuje co drugi obrót wału korbowego.
Jeśli podejrzewasz, że cewka zapłonowa jest uszkodzona, na podstawie obrazu zapłonu wtórnego możesz określić, czy występuje problem z zapłonem wtórnym. Powstały obraz przedstawia obraz zapłonu cylindra 6 (niebieski) i cylindra 4 (czerwony), w których występuje usterka. Wyjaśnienie znajduje się poniżej obrazu.
Na pierwotnym obrazie cylindra 4 widać napięcie jonizacji, ale potem energia odpływa. Obraz przypomina teraz charakterystyczny profil napięcia wtryskiwacza z cewką magnetyczną. Co możemy rozpoznać na tym obrazku:
- Cylinder 6 (niebieski) jest OK. Używamy tego obrazu jako odniesienia;
- Cylinder 4: napięcie jonizacji jest prawidłowe. Energia wytwarzana jest w cewce pierwotnej. Cewka pierwotna jest dobra;
- Sterowanie ECU silnika lub zewnętrznym modułem zapłonu jest prawidłowe;
- Przebieg wtórny nie jest widoczny;
- Dlatego cewka pierwotna i wtórna nie wymieniają energii;
- Cewka wtórna jest przerwana.
Doświadczenie pokazuje, że cewka wtórna cewki zapłonowej może ulec uszkodzeniu z powodu ciepła. Wadę tę możemy wykryć za pomocą oscyloskopu. Uwaga: jeśli silnik przeszedł w tryb awaryjny, sterowanie może zostać zakończone. Dlatego też pomiaru należy dokonywać bezpośrednio po lub w trakcie uruchamiania silnika.
