RYNEK OSOBOWY
Układy zapłonowe cz. 1
nr 60/2015 Spis treści
Dodatek techniczny
Zbieraj nasze dodatki techniczne w segregatorze i korzystaj z nich w codziennej pracy.
Dział szkoleń technicznych Inter Cars SA, marzec 2015
Pole magnetyczne i indukcja elektromagnetyczna.......................................................................... 2 Układ zapłonowy................................................................................................................................................................................................ 9
Układy zapłonowe
Pole magnetyczne i indukcja elektromagnetyczna W iskrowych układach zapłonowych silników benzynowych, niezależnie od tego czy będzie to najprostsze rozwiązanie techniczne czy nowoczesny zaawansowany technologicznie układ, spotkamy się z polem magnetycznym i zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej. Dlatego na wstępie warto sobie przypomnieć trochę informacji na ten temat, tak aby łatwiejsze było zrozumienie, jak w rzeczywistości działa układ zapłonowy silnika. W praktyce pozwoli to na skuteczniejsze diagnozowanie usterek oraz niedomagań w pracy silników, które wynikają z wadliwego funkcjonowania układu zapłonowego lub niesprawności jego elementów.
Zdjęcie 1. Źródło: taringa.net
W przedstawionym przykładzie zobrazowania pola magnetycznego wykorzystano magnes sztabkowy oraz opiłki żelazne. Efekt prostego ćwiczenia przedstawiono na zdjęciach 1 oraz 2. Na zdjęciu 1 widać na płaszczyźnie rozkład linii sił pola magnetycznego oraz magnes, który wytwarza to pole. Mimo że na zdjęciu 2 żelazne opiłki również znajdują się na płaskiej powierzchni, to jednak widać, że pole magnetyczne ma charakter przestrzenny. Najlepiej jest to widoczne przy końcach magnesu, gdzie opiłki układają się nie tylko płasko, lecz również tworzą strukturę przestrzenną. Jak wiemy, żelazo jest ferromagnetykiem, czyli substancją, która ma silne własności ferromagnetyczne. Dla ferromagnetyka charakterystycznym jest to, że atomy, z których jest zbudowany, posiadają własne pole magnetyczne. Atomy ustawiają się względem siebie w ten sposób, aby własne pole magnetyczne było zgodne z polem magnetycznym sąsiednich atomów. W ten sposób tworzą się większe obszary (oczywiście na poziomie atomowym), gdzie występuje kierunkowa zgodność pola magnetycznego. Obszary takie nazywamy domenami magnetycznymi. Domeny magnetyczne nie zawsze są usytułowane w ten sposób, że ich własne pola magnetyczne mają kierunki zgodne z wypadkowym polem magnetycznym ferromagnetyka. Jeżeli jednak materiał taki umieścimy w zewnętrznym odpowiednio silnym polu magnetycznym, to domeny ustawią się w sposób uporządkowany, tak aby ich własne pola magnetyczne były zgodne z kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego. W efekcie tego ferromagnetyk staje się magnesem posiadającym własne ukierunkowane pole magnetyczne. Jeżeli pomiędzy magnesem i opiłkami umieścimy płaską barierę niebędącą ferromagnetykiem (np. karton, szkło, plastik itp.), która uniemożliwi przyciągnięcie opiłków do magnesu i ich połączenie się z nim, to zaobserwujemy jak układają się linie sił pola magnetycznego. Opiłki będące ferromagnetykami będą ustawiać się zgodnie z liniami sił pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes, co widać na przedstawionych tu zdjęciach.
Zdjęcie 2. Źródło: wotaz.pl
Pole magnetyczne jest niewidoczne. Są jednak bardzo proste metody, aby to zmienić i obejrzeć, jaki ma ono charakter i jak układają się linie sił pola magnetycznego.
2
Dodatek techniczny
Rysunek 1. Źródło: Inter Cars
Układy zapłonowe
Rysunek 2. Źródło: Inter Cars
Z praktyki wiemy, że zależnie od tego w jaki sposób będą ustawione względem siebie dwa magnesy, to będą się przyciągać lub odpychać. Przedstawiono to na rysunkach 1 i 2. Ze względu na takie zachowanie się magnesów umownie przyjęto, że posiadają one bieguny, przy czym bieguny te charakteryzują się odmiennymi właściwościami. Jeden z biegunów nazywamy północnym, oznaczanym N (z języka angielskiego North), a drugi, czyli przeciwległy nazywamy południowym oznaczanym jako S (z języka angielskiego South). Przyjęto, że linie sił pola magnetycznego biegną od bieguna N do bieguna S. Zasadę tę przedstawiono graficznie na rysunku 3.
Rysunek 3. Źródło: Inter Cars
Analogiczne pole magnetyczne do tego, jakie wytwarza magnes trwały można uzyskać, wymuszając przepływ prądu przez uzwojenia cewki elektrycznej. Przedstawiono to graficznie na rysunku 4.
Rysunek 5. Źródło: Inter Cars
W zależności od kierunku przepływu prądu w zwojach, zmienia się biegunowość pola magnetycznego wytworzonego w cewce. Do określenia kierunku sił pola magnetycznego wytworzonego przez prąd płynący w przewodniku wykorzystywana jest tzw. zasada korkociągu lub śruby prawoskrętnej. Na rysunku 5 przedstawiono linie sił pola magnetycznego wokół prostego przewodnika, przez który płynie prąd. Jeżeli śrubę mającą prawy gwint umieścimy wzdłuż przewodnika, w którym płynie prąd i będziemy nią obracać w ten sposób, aby w nieruchomej nakrętce przemieszczała się ona zgodnie ze zwrotem przepływu prądu, to kierunek obrotu śruby (w prawo lub w lewo, zależnie od kierunku przepływu prądu) wskaże nam zwrot linii sił pola magnetycznego wytwarzanego wokół przewodnika. W tym przypadku w przewodniku po lewej stronie prąd płynie do góry. Żeby śruba przemieszczała się także do góry, to patrząc od strony jej łba należy nią obracać w prawą stronę. Patrząc z tego samego punktu (od strony łba śruby), wyznaczamy zwrot linii sił pola magnetycznego wokół przewodnika.
Rysunek 4. Źródło: Inter Cars
Dodatek techniczny
3
Układy zapłonowe
Rysunek 6. Źródło: Inter Cars
Musi on być zgodny z obrotem śruby, czyli także skierowany w prawo. W przewodniku po prawej stronie prąd płynie do dołu. W tym przypadku, żeby zachować zgodność ruchu śruby z przepływem prądu, musimy obracać nią w lewą stronę (patrząc od strony łba śruby). Linie sił pola magnetycznego wokół przewodnika patrząc od strony łba śruby, zgodnie z przedstawioną tu regułą również będą miały zwrot skierowany w lewo.
prądu, kierunek obrotu zawsze wskaże nam zwrot linii sił pola magnetycznego zgodnie ze wspomnianą zasadą. Na rysunku 6 przedstawiono również linie sił pola magnetycznego wewnątrz zwoju. Zwrot tych linii jest zbieżny ze zwrotami koncentrycznych linii sił pola magnetycznego powstającego wokół przewodnika. Ze względu na określony zwrot linii sił pola wytworzonego wewnątrz zwoju możemy określić bieguny magnetyczne tego pola.
Przy okazji warto wspomnieć o tym, że natężenie pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w przewodniku jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu, czyli im prąd jest większy tym natężenie pola magnetycznego jest większe. Natomiast natężenie pola magnetycznego jest odwrotnie proporcjonalne do odległości od przewodnika, w którym płynie prąd wytwarzający to pole. Czyli innymi słowami, jeżeli odległość od przewodnika, w którym płynie prąd rośnie, to natężenie pola magnetycznego maleje i siła jego oddziaływania jest mniejsza.
Zespół takich kołowych przewodników umieszczonych obok siebie, gdzie zwoje są połączone szeregowo tworzy cewkę elektryczna zwaną także solenoidem. Obraz linii sił pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący przez zwoje cewki, przedstawiono na rysunku 7, gdzie dodatkowo analogicznie jak wcześniej wykonano to dla magnesu stałego, przedstawiono z wykorzystaniem żelaznych opiłków. Linie sił pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę również przy użyciu żelaznych opiłków przestawiono także na zdjęciu 3. Wewnątrz zwojnicy pole magnetyczne wytwarzane przez płynący prąd jest jednorodne to znaczy, że w dowolnym miejscu wewnątrz cewki w danej chwili indukcja magnetyczna jest jednakowa. Pole to zależy od liczby zwojów i od natężenia prądu zgodnie z zależnością, że jeśli prąd jest większy to pole magnetyczne jest mocniejsze oraz, że jeśli cewka ma więcej zwojów to pole magnetyczne jest silniejsze.
Na rysunku 6 przedstawiono schematycznie linie sił pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w przewodniku mającym kształt kołowy, odpowiadający jednemu zwojowi cewki elektrycznej. Linie sił pola magnetycznego pokazano na płaszczyźnie przechodzącej przez środek zwoju. Jak widać w miejscach przecięcia płaszczyzny przez zwój drutu mamy tu podobną sytuację, jak to było w przypadku prostego przewodnika na rysunku 5, gdzie w jednym miejscu zwrot płynącego prądu skierowany jest do góry (po lewej stronie), natomiast w drugim miejscu skierowany jest do dołu (po prawej stronie). W związku z tym koncentryczne linie sił pola magnetycznego wokół przewodnika w miejscach przecięcia płaszczyzną przechodzącą przez środek zwoju mają przeciwne zwroty. Zwroty linii sił pola magnetycznego określamy zgodnie z przedstawioną wcześniej zasadą śruby prawoskrętnej. Jak widać niezależnie od tego czy śrubę umieścimy łbem do góry czy do dołu, to obracając śrubą tak, aby przemieszczała się w kierunku przepływu
4
Dodatek techniczny
Rysunek 7. Źródło: wwalas.republika.pl
Układy zapłonowe
Rysunek 8. Źródło: wwalas.republika.pl
Oddalając magnes, powodujemy osłabianie oddziaływania pola magnetycznego na cewkę. W tym przypadku wskazówka miernika podczas oddalania magnesu wychyli się w lewą stronę, czyli przeciwnie niż podczas zbliżania magnesu do cewki. Gdy magnes oddalimy na odpowiednio dużą odległość lub przestaniemy nim poruszać względem cewki, to wskazówka miernika powróci do położenia spoczynkowego, czyli przez zwoje cewki przestanie płynąć prąd. Zdjęcie 3. Źródło: wiki.wolnepodreczniki.pl
Wiemy już, że jeżeli przez uzwojenia cewki popłynie prąd, to zostanie wytworzone pole magnetyczne. W tej sytuacji rodzi się pytanie, co się stanie, gdy zamiast wytwarzać pole magnetyczne przez płynący prąd, wykorzystamy zewnętrzne pole magnetyczne wytwarzane przez magnes trwały i w polu tym umieścimy cewkę. Odpowiedzią na to pytanie może być doświadczenie Faraday’a przeprowadzone w 1831 roku. Istotę doświadczenia przedstawiono na rysunku 8. Jeśli cewkę umieścimy w stałym polu magnetycznym, np. umieszczając nieruchomy magnes trwały wewnątrz cewki (rysunek środkowy), to miernik podłączony do końców zwojów nie wykaże żadnego przepływu prądu. W tym przypadku nie mamy odwrócenia zjawiska, gdzie prąd płynący przez zwoje cewki powodował powstanie pola magnetycznego. Stałe pole magnetyczne nie powoduje przepływu prądu przez zwoje cewki. Jeżeli jednak do cewki będziemy zbliżać magnes trwały, co przedstawiono na rysunku po lewej stronie, to pole magnetyczne oddziaływujące na cewkę będzie się zwiększać i na mierniku zobaczymy przepływ prądu. W tym przypadku wskazówka miernika wychyli się z położenia spoczynkowego w prawo. Gdy magnes przestanie się poruszać względem cewki (cewka pozostaje w stałym polu magnetycznym), to przestanie również płynąć prąd i wskazówka miernika powróci do położenia spoczynkowego na środku skali. Jeżeli zaczniemy teraz wysuwać magnes z wnętrza cewki i oddalać go, co przedstawiono na rysunku po prawej stronie, to ponownie zaobserwujemy przepływ prądu i wskazówka miernika wychyli się z położenia spoczynkowego.
Rysunek 9. Źródło: Inter Cars
Rysunek 10. Źródło: Inter Cars
Rysunek 11. Źródło: Inter Cars
Dodatek techniczny
5
Układy zapłonowe
Rysunek 13. Źródło: Inter Cars Rysunek 12. Źródło: Inter Cars
Na rysunku 9 przedstawiono magnes trwały wytwarzający pole magnetyczne o strumieniu Φm. W polu tym umieszczony jest przewodnik kołowy odpowiadający zwojowi cewki elektrycznej. Zgodnie z opisanym wcześniej doświadczeniem, gdy przewodnik pozostaje w stałym polu magnetycznym nie płynie przez niego prąd, czyli Iz=0. Z kolei jeżeli przez zwój nie płynie prąd, to nie jest wytwarzane pole magnetyczne i strumień magnetyczny zwoju Φz=0. Na rysunkach 10, 11 i 12 na przykładzie przewodnika kołowego reprezentującego zwój cewki elektrycznej wyjaśniono, co się dzieje, gdy do zwoju zbliżamy magnes, gdy magnes pozostaje nieruchomo i gdy oddalamy magnes od zwoju. Dla uproszczenia nie umieszczono na tych rysunkach linii sił pola magnetycznego Φm, które cały czas wytwarza magnes trwały niezależnie od tego czy pozostaje on nieruchomo czy też porusza się zbliżając do lub oddalając od zwoju. Na rysunkach tych przedstawiono jedynie linie sił pola magnetycznego powstającego w wyniku przepływu prądu w przewodniku kołowym. Gdy magnes zbliżamy do zwoju tak jak to przedstawiono na rysunku 10, zwój znajduje się w zmiennym polu magnetycznym, w wyniku czego w przewodniku zaczyna płynąć prąd Iz różny od zera. Prąd ten wytwarza pole magnetyczne zwoju Φz (w praktyce będzie to pole magnetyczne cewki). Kierunek indukowanego prądu jest taki, aby powstający prąd przeciwdziałał przyczynie, która go wywołuje. W związku z tym pole magnetyczne zwoju musi przeciwdziałać ruchowi zbliżanego magnesu. Jak wiemy jednoimienne bieguny magnetyczne odpychają się. Ponieważ magnes zbliżamy do zwoju biegunem południowym S, to aby uzyskać siłę odpychającą magnes, pole magnetyczne zwoju od strony magnesu też musi mieć biegun południowy S. Przedstawiono to na rysunku 10. Na podstawie opisanych wcześniej zależności pomiędzy kierunkiem przepływu prądu w zwoju i biegunami pola magnetycznego wytwarzanego przez ten prąd (rysunek 6), bez problemu określimy kierunek prądu w zwoju. Na rysunku 11 przedstawiono sytuację, gdy magnes i cewka są nieruchome. Przypadek ten omówiono już na podstawie rysunku 9. Rysunek 12 przedstawia sytuację, gdy magnes oddalamy od zwoju.
6
Dodatek techniczny
Jak już wspomniano, w tym przypadku od strony zwoju znajduje się południowy biegun magnetyczny magnesu trwałego. Aby przeciwdziałać ruchowi magnesu konieczne jest wytworzenie siły powodującej przyciąganie go do zwoju. Ponieważ magnesy przyciągają się wzajemnie, gdy skierowane są do siebie różnoimiennymi biegunami magnetycznymi, to pole magnetyczne wytwarzane przez prąd płynący w zwoju musi mieć taki zwrot, aby od strony magnesu znajdował się biegun północny N. Wykorzystując regułę śruby prawoskrętnej zgodnie z rysunkiem 6 ustalimy kierunek przepływu prądu. Jak widać na rysunku 12, kierunek przepływu prądu jest przeciwny w stosunku do tego, jaki jest na rysunku 10. Wyjaśnia to zachowanie się wskazówki miernika wychyłowego podczas doświadczenia Faraday’a ze zbliżaniem magnesu do cewki i oddalaniem go od cewki, co zostało przedstawione na rysunku 8. Zrozumiałym więc jest wychylenie wskazówki miernika w jedną stronę przy zbliżaniu magnesu do cewki oraz wychylenie wskazówki miernika w przeciwną stronę, gdy magnes się oddalał, czyli gdy poruszał się w przeciwną stronę. Warto w tym miejscu dodać, że w wyniku zmian pola magnetycznego w uzwojeniach cewki następuje przemieszczanie się ładunków elektrycznych. Konsekwencją tego jest powstanie różnicy potencjałów na końcach cewki. Tę różnicę potencjałów nazywamy siłą elektromotoryczną i oznaczamy symbolem SEM. Powstaje ona w przypadku wzajemnego ruchu cewki i magnesu, tj. gdy oba elementy poruszają się względem siebie albo gdy magnes jest nieruchomy, a porusza się cewka lub odwrotnie, gdy cewka jest nieruchoma, a porusza się magnes. Dzięki SEM możliwy jest przepływ prądu. Zjawisko powstawania siły elektromotorycznej SEM w przewodniku pod wpływem zmian strumienia pola magnetycznego nazywamy indukcją elektromagnetyczną. Jeżeli zamiast magnesu do uzyskania pola magnetycznego użyjemy cewki, w której przez jej zwoje popłynie prąd, a zamiast ruchu magnesu w celu uzyskania zmiennego pola magnetycznego, będziemy zmieniać prąd płynący przez tę cewkę i umieścimy obok niej nieruchomo drugą cewkę, to okaże się że przez uzwojenie drugiej cewki popłynie prąd, podobnie jak to było w przypadku poruszającego się magnesu. Przykładowy przebieg prądu zmiennego co do wartości oraz polaryzacji, czyli biegunowości źródła przedstawiono na rysunku 13.
Układy zapłonowe
Rysunek 14. Źródło: Inter Cars
Rysunek 15. Źródło: Inter Cars
Jeżeli zmiany prądu przebiegają zgodnie z przebiegiem funkcji sinus, to prąd taki nazywamy przemiennym. Z kolei na rysunkach 14 oraz 15 pokazano układ sprzężonych dwóch cewek gdzie cewka L2 znajduje się w zmiennym polu magnetycznym cewki L1. Jak widać, przy tym samym kierunku nawinięcia cewek prąd I2 indukowany w zwojach cewki L2 będzie płynął w przeciwną stronę niż prąd I1 cewki L1 wytwarzający zmienne pole magnetyczne. Wynika to z reguły Lenza, która mówi, że kierunek indukowanego prądu zawsze musi być taki, aby wytworzone przez ten prąd pole magnetyczne przeciwdziałało zmianom które spowodowało jego wytworzenie. Na rysunkach 14 i 15 dla uproszczenia przedstawiono jedynie pole magnetyczne o strumieniu Φ1 wytwarzanym przez prąd płynący w zwojach cewki L1. Pole to będzie się zmieniać zarówno co do wartości, ze względu na zmiany natężenia prądu I1, jak też i kierunku ze
względu na zmianę kierunku przepływu prądu. Odpowiednio do tych zmian, zmieniać się będzie natężenie prądu I2 płynącego przez uzwojenie cewki L2 jako prąd indukowany oraz stosownie do zmian jego kierunku zmieniać się będzie także zwrot pola magnetycznego o strumieniu Φ2. Należy tutaj wspomnieć, że do uzyskania zmiennego pala magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w uzwojeniu cewki nie jest niezbędna zmiana kierunku przepływu prądu (zmiana polaryzacji źródła prądu), jak przykładowo pokazano to na rysunku 13. Wystarczy jedynie zmiana wartości, czyli natężenia prądu np. tak jak na rysunku 16, gdzie prąd rośnie od wartości zero aż do osiągnięcia wartości maksymalnej, po czym ponownie zmniejsza wartość aż do momentu, gdy przestanie płynąć, czyli osiągnie wartość zero. Zmiany te powtarzają się cyklicznie.
Dodatek techniczny
7
Układy zapłonowe
Jeżeli sprzęgniemy magnetycznie dwie cewki, czyli np. umieścimy je na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym z miękkiego metalu, który nie ulega trwałemu namagnesowaniu to uzyskamy transformator. Zmiany napięcia i prądu płynącego w jednej cewce dzięki indukcji elektromagnetycznej będą występować również w drugiej cewce. Rysunek 16. Źródło: Inter Cars
Parametrem charakteryzującym cewkę jest indukcyjność, czyli zdolność do wytwarzania strumienia magnetycznego pod wpływem prądu płynącego przez zwoje cewki. Pole magnetyczne wytworzone przez cewkę jest tym silniejsze, im większa jest indukcyjność cewki. Zależy również od natężenia prądu płynącego przez cewkę. Im prąd ma większą wartość, tym silniejsze jest wytwarzane w wyniku jego przepływu pole magnetyczne. Jest ono również proporcjonalne do ilości zwojów cewki, więcej zwojów to silniejsze pole magnetyczne. Indukcyjność cewki można znacznie zwiększyć poprzez umieszczenie w jej wnętrzu rdzenia ferromagnetycznego o dużej przenikalności magnetycznej. Indukcyjność oznaczamy literą L zaś jednostką indukcyjności jest henr oznaczany literą H. 1H (jeden henr) jest stosunkowo dużą wartością, w praktyce będziemy mieli do czynienia z cewkami o indukcyjnościach określanych w milihenrach (mH czyli 10-3H) lub mikrohenrach (μH czyli 10-6H). Wartość indukowanej siły elektromotorycznej SEM zależy od szybkości zmian strumienia magnetycznego, co w przypadku wytwarzania pola magnetycznego przez prąd płynący w zwojach cewki oznacza zależność SEM od szybkości zmian natężenia tego prądu.
Rysunek 17. Źródło: pl.wikipedia.org
8
Dodatek techniczny
W przypadku zamkniętego rdzenia straty pola magnetycznego i osłabienie strumienia magnetycznego w wyniku rozpraszania będą mniejsze. Taki transformator przedstawiono schematycznie na rysunku 17. W znacznym uproszczeniu możemy przyjąć, że prawdziwe są zależności pomiędzy ilością zwojów obu uzwojeń transformatora oraz prądami i napięciami w uzwojeniach według przedstawionych tu równań opisujących tzw. przekładnię transformatora odpowiednio zwojową, napięciową i prądową:
gdzie N1 oznacza ilość zwojów cewki uzwojenia pierwotnego, a N2 oznacza ilość zwojów cewki uzwojenia wtórnego. Odpowiednio U1 oznacza napięcie zasilania mierzone na końcach uzwojenia pierwotnego, a U2 napięcie indukowane mierzone na końcach uzwojenia wtórnego. Analogicznie I1 oznacza prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym wytwarzającym strumień magnetyczny, a I2 prąd indukowany płynący w uzwojeniu wtórnym. Oczywiście byłoby to prawdziwe wyłącznie w przypadku idealnym, gdzie nie ma żadnych strat energii, co w praktyce nie jest możliwe.
Układy zapłonowe
Przyjmujemy to uproszczenie tylko w celu zrozumienia zależności, jakie występują w przypadku transformatora. Na rysunku 17 przedstawiono transformator obniżający napięcie, gdzie N1 > N2. Jeżeli zamienimy stronę pierwotną z wtórną, czyli napięcie zasilające przyłożymy do cewki o liczbie zwojów N2 to transformator będzie podwyższał napięcie. Wcześniej opisano zjawisko indukcji elektromagnetycznej w zwojach cewki, wywołanej zmiennym polem magnetycznym zarówno od magnesu trwałego, jak też od sprzężonej drugiej cewki, przez którą płynie prąd. Nie wspomniano jeszcze o tym, co się dzieje z pojedynczą cewką, w której uzwojeniach płynie prąd o zmiennej wartości natężenia. Oczywiście przepływ prądu w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej będzie powodował powstawanie wokół cewki zmiennego pola magnetycznego. Będziemy mieć więc taką sytuację, że cewka ta będzie znajdować się w zmiennym polu magnetycznym wytwarzanym przez prąd płynący w jej uzwojeniach. Z kolei wiemy, że umieszczenie cewki w zmiennym polu magnetycznym spowoduje powstanie w jej zwojach SEM indukcji. W tym przypadku będziemy mieli do czynienia ze zjawiskiem samoindukcji, czyli indukcji własnej. Zjawisko to występuje, gdy siła elektromotoryczna jest wytwarzana w tym samym obwodzie w którym płynie prąd wywołujący indukcję elektromagnetyczną. Wartość napięcia powstającego w wyniku zjawiska samoindukcji będzie zależała od indukcyjności cewki oraz od szybkości zmian natężenia prądu płynącego przez zwoje cewki. Im większa będzie indukcyjność cewki tym wyższe będzie też napięcie samoindukcji. Im szybsze będą zmiany wartości prądu, czyli im krótszy będzie czas w jakim te zmiany będą następowały, tym wyższe będzie indukowane napięcie. Zgodnie z regułą Lenza indukowany prąd będzie przeciwdziałał zmianom prądu płynącego w cewce (prąd wytwarzający pole magnetyczne). Jeżeli natężenie prądu płynącego w cewce będzie wzrastać, to zgodnie z tą regułą prąd indukowany będzie płynął w przeciwnym kierunku starając się przeciwdziałać tym zmianom, czyli jakby starając się zmniejszyć natężenie prądu, tak aby ten prąd nie wzrastał. Z kolei jeśli prąd wytwarzający pole magnetyczne cewki będzie malał, to prąd samoindukcji przeciwdziałając tym zmianom będzie płynął w tym samym kierunku co prąd cewki, starając się zniwelować te zmiany, czyli tak jakby dodając się do prądu cewki wzmacniał natężenie redukując efekt zmiany. Największa siła elektromotoryczna powstaje przy gwałtownej zmianie prądu płynącego w cewce. Z taką sytuacją mamy do czynienia, gdy szybko rozwieramy obwód, w którym płynie prąd. W ten sposób możemy uzyskać napięcie wielokrotnie większe od napięcia zasilania, czyli tego, które podczas pracy wymusza przepływ prądu przez cewkę.
Układ zapłonowy
Rysunek 18. Źródło: quia.com
Rysunek 19. Źródło: climatetechwiki.org
Aby wytworzyć moment obrotowy, czyli uzyskać siłę napędową w silniku spalinowym niezbędne jest uzyskanie odpowiedniego ciśnienia nad tłokiem. Uzyskuje się to poprzez spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze podczas suwu pracy. Procesowi temu towarzyszy wzrost temperatury oraz ze względu na ograniczoną przestrzeń (objętość komory spalania) wzrost ciśnienia. W celu spalenia mieszanki konieczny jest jej zapłon. W typowych silnikach benzynowych źródłem zapłonu jest iskra elektryczna pojawiająca się pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej. Mówimy tu więc o silnikach z zapłonem iskrowym. W tym przypadku nie ma znaczenia sposób zasilania, czyli tworzenia mieszanki palnej co przedstawiono na rysunkach 18 i 19. Na rysunku 18 widzimy iskrę inicjującą zapłon w cylindrze, do którego mieszanka paliwowo-powietrzna dostarczana jest z zewnątrz. Może to być system zasilania gaźnikowego lub system pośredniego wtrysku benzyny.
Dodatek techniczny
9
Układy zapłonowe
Rysunek 19 przedstawia zapłon inicjowany iskrą elektryczną pomiędzy elektrodami świecy, ale w silniku z systemem bezpośredniego wtrysku benzyny. W tym przypadku do cylindra zasysane jest samo powietrze, a mieszanka palna tworzona jest dopiero po wtryśnięciu paliwa, ale bezpośrednio do cylindra i komory spalania.
biegunem źródła zasilania (połączenie dodatniego bieguna zasilania z masą jest rzadko stosowane).
Rysunek 20. Źródło: Inter Cars
Rysunek 21. Źródło: Inter Cars
Schemat elektryczny najprostszego bateryjnego układu zapłonowego, czyli układu umożliwiającego wytworzenie iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej przedstawiono na rysunku 20. Numer 1 to źródło prądu stałego, którym w praktyce jest akumulator pojazdu lub innego urządzenia napędzanego silnikiem spalinowym. Numer 2 to ruchome styki, które w przypadku ich zwarcia umożliwiają przepływ prądu przez uzwojenie cewki zapłonowej oznaczone na schemacie numerem 3. Jest to uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej.
Rysunek 21 schematycznie przedstawia elementy konstrukcyjne najprostszego iskrownikowego układu zapłonowego, który nie wymaga zewnętrznego źródła zasilania (w tym układzie akumulator nie jest potrzebny). Numer 1 to wirujący magnes wytwarzający zmienny strumień magnetyczny umożliwiający indukcję elektromagnetyczną w uzwojeniach cewki. Numer 2 to analogicznie jak w zapłonie bateryjnym ruchome styki, które przemiennie są zwierane i rozwierane. W czasie zwarcia styków w obwodzie uzwojenia pierwotnego oznaczonego na rysunku numerem 3 płynie prąd indukcji elektromagnetycznej wytwarzany dzięki wirowaniu magnesu i zmianom pola magnetycznego.
Rozwarcie styków spowoduje otwarcie obwodu i przez uzwojenie 3 cewki przestanie płynąć prąd. W tym momencie dzięki samoindukcji powstanie napięcie dużo wyższe od napięcia zasilania uzyskiwanego z akumulatora. Numer 4 to uzwojenie wtórne cewki zapłonowej, tzw. uzwojenie wysokiego napięcia, często oznaczane WN. Numer 5 to cewka zapłonowa składająca się z rdzenia ferromagnetycznego (miękkiego, nieulegającego trwałemu namagnesowaniu) oraz sprzężonych ze sobą uzwojenia pierwotnego 3 i uzwojenia wtórnego 4. Całość tworzy transformator umożliwiający uzyskanie wysokiego napięcia niezbędnego do przeskoku iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej. Numerem 6 oznaczono elektrody świecy zapłonowej. Numer 7 to tzw. masa elektryczna, czyli połączenie z metalowymi elementami konstrukcyjnymi pojazdu oraz z silnikiem. Elementy te niezależnie od swojej konstrukcyjnej roli, w tym układzie wykorzystywane są jako przewodnik prądu elektrycznego. Najczęściej masa elektryczna jest połączona z ujemnym
10
Dodatek techniczny
Wykorzystanie metalowych elementów zdolnych przewodzić prąd umożliwia zmniejszenie ilości przewodów niezbędnych do zasilania i funkcjonowania układów elektrycznych pojazdów, zapewniając im połączenie elektryczne z jednym biegunem akumulatora. W takim przypadku potrzebne są jedynie przewody służące do połączenia z drugim biegunem akumulatora.
W momencie rozwarcia styków zostaje gwałtownie przerywany obwód i przestaje płynąć indukowany do tej pory prąd. Dzięki samoindukcji w tym momencie w cewce uzwojenia pierwotnego powstaje napięcie o znacznej wartości. Numerem 4 oznaczono uzwojenie wtórne transformatora nawinięte na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym. Numer 5 w tym rozwiązaniu to element ferromagnetyczny stanowiący przewodnik magnetyczny dla zmiennego strumienia wytwarzanego przez wirujący magnes. W stosunku do wirnika (wirujący magnes) element 5 jest nieruchomym twornikiem czyli rdzeniem w którym wytwarzane jest pole magnetyczne. Element 5 stanowi jednocześnie rdzeń magnetyczny dla uzwojenia pierwotnego i wtórnego łącznie stanowiących transformator wytwarzający wysokie napięcie. Numerem 6 oznaczono elektrody świecy zapłonowej. Numer 7 tak jak poprzednio oznacza tzw. masę elektryczną, czyli połączenie różnych metalowych elemen-
Układy zapłonowe
tów przewodzących prąd i mających ten sam potencjał elektryczny stanowiący punkt odniesienia napięcia dla różnych obwodów elektrycznych. Masa elektryczna pełni także rolę przewodnika w tych obwodach. Zapłon iskrownikowy obecnie stosowany jest tylko w prostych konstrukcjach. Zaletą zapłonu iskrownikowego jest to, że urządzenia z silnikiem posiadającym ten typ zapłonu nie wymagają akumulatora lub innego zewnętrznego źródła zasilania. W niektórych przypadkach ma to duże znaczenie praktyczne, np. w urządzeniach rzadko używanych lub w warunkach, gdzie nie ma możliwości zewnętrznego ładowania akumulatora gdy urządzenie nie pracuje. Rozwiązanie takie chętnie było stosowane między innymi w pojazdach jednośladowych, które ze względu na klimat przez długi czas były wyłączone z eksploatacji. W tym czasie, aby akumulator nie uległ uszkodzeniu, musiałby być okresowo ładowany. Jeżeli w urządzeniu nie ma innych odbiorników energii elektrycznej oprócz układu zapłonowego lub odbiorniki nie muszą być zasilane, gdy silnik nie pracuje, to rozwiązanie takie jest racjonalne. Umożliwia rezygnację z układu ładowania akumulatora i z samego akumulatora, obniżając koszt produkcji i redukując ciężar urządzenia.
jąco wysokie napięcie do zapewnienia przeskoku iskry na elektrodach świecy zapłonowej. Jeżeli teraz równolegle do styków przerywacza podłączymy włącznik i jeśli jego styki będą zwarte, to mamy taką samą sytuację jak w przypadku zwartych styków przerywacza. Rozwarcie styków przerywacza przy zwartych stykach włącznika nie zmieni sytuacji i nie będzie możliwe przerwanie obwodu i zanik przepływu prądu przez cewkę 3. Tym samym nie powstanie wyższe napięcie, jakie powstaje w wyniku samoindukcji w momencie przerwania przepływu prądu przez zwoje cewki. W konsekwencji tego niezależnie od pozycji styków przerywacza nie powstanie w uzwojeniu 4 wysokie napięcie zapewniające przeskok iskry między elektrodami świecy zapłonowej. Aby przy takim rozwiązaniu silnik mógł pracować, niezbędne jest rozwarcie styków wyłącznika zapłonu. Zwarcie tych styków spowoduje zanik iskry i silnik przestanie pracować. Zainteresowanym czytelnikom proponujemy uzupełnienie rysunków 20 i 21 o włącznik/wyłącznik zapłonu zgodnie z podanym tu opisem i przeanalizowanie włączania i wyłączania zapłonu, czyli umożliwienia pracy oraz gaszenia silnika.
W praktyce nie spotkamy tak prostych rozwiązań układów zapłonowych jak na rysunkach 20 i 21. Przedstawiono na nich jedynie podstawowe elementy, które są niezbędne do uzyskania wysokiego napięcia na elektrodach świecy zapłonowej i przeskoku iskry w odpowiednim momencie. Momentem przeskoku iskry na elektrodach świecy zapłonowej możemy sterować poprzez rozwieranie styków przerywacza w odpowiednim czasie. W silniku spalinowym musi to być zsynchronizowane z położeniem wału korbowego oraz tłoka w cylindrze (silniki dwusuwowe), a w silnikach czterosuwowych dodatkowo niezbędna jest synchronizacja z fazami rozrządu. W rzeczywistych układach zapłonowych będą występować przynajmniej dwa dodatkowe elementy. Są to kondensator podłączony równolegle do styków przerywacza (zmniejsza iskrzenie na stykach podczas ich rozwierania) oraz włącznik/wyłącznik zapłonu. Będzie on umieszczony szeregowo w obwodzie pomiędzy akumulatorem i cewką zapłonową w układzie bateryjnym lub równolegle do pierwotnego uzwojenia cewki zapłonowej i styków przerywacza w układzie iskrownikowym. W układzie bateryjnym styki włącznika zapłonu muszą być zwarte, aby możliwe było wytworzenie wysokiego napięcia w cewce zapłonowej. Zatem w celu zgaszenia silnika styki te należy rozewrzeć. Inaczej jest to rozwiązane w układach z iskrownikiem. Gdy styki przerywacza oznaczone na rysunku 21 numerem 2 są zwarte podczas wirowania magnesu, w uzwojeniu 3 indukuje się napięcie. Jest ono jednak zbyt niskie, aby po przetransformowaniu wytworzyć w uzwojeniu 4 wystarcza-
Rysunek 22. Źródło: Inter Cars
Na rysunku 22 przedstawiono przykładowe charakterystyki napięcia wyjściowego cewki zapłonowej dla układu akumulatorowego (bateryjnego) oraz iskrownikowego. Rysunek ma na celu zobrazowanie różnic, jakie występują w tych układach w zależności od prędkości obrotowej wału korbowego silnika spalinowego. Przedstawiono tutaj sytuację dla układów w najprostszej postaci. Dla układu akumulatorowego charakterystyczne jest to, że wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika napięcie wyjściowe cewki zapłonowej, a tym samym możliwa do uzyskania długość iskry będzie się zmniejszać.
Dodatek techniczny
11
Układy zapłonowe
Związane jest to z tym, że im większa jest prędkość obrotowa silnika, tym krótszy jest czas obrotu wału korbowego a tym samym czas przez jaki może płynąć prąd przez uzwojenie cewki zapłonowej. Zjawisko to będzie tym wyraźniejsze im więcej cylindrów będzie obsługiwanych przez jedną cewkę zapłonową. Jak wiemy, styki przerywacza w obwodzie pierwotnym cewki zapłonowej sterowane są synchronicznie z położeniem wału korbowego. W przypadku jednocylindrowego silnika dwusuwowego na jeden pełny obrót wału korbowego (dwa suwy tłoka) będziemy mieli jeden zapłon. Suma czasów zwarcia oraz rozwarcia styków przerywacza jest równa czasowi trwania jednego obrotu wału korbowego. Tym samym jeśli rośnie prędkość obrotowa wału silnika, skraca się czas jaki będzie do dyspozycji na przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej (czas zwarcia styków) oraz niezbędny czas rozwarcia styków podczas którego nastąpi zjawisko samoindukcji oraz przeskok iskry na elektrodach świecy zapłonowej. Sytuacja będzie nieco korzystniejsza jeżeli będzie to silnik czterosuwowy. W tym przypadku, jeśli będzie też tylko jeden cylinder, to czas jaki będzie do dyspozycji będzie dwa razy dłuższy, ponieważ zapłon występuje raz na dwa obroty wału korbowego. Z kolei im będzie więcej cylindrów a układ będzie z jedną cewką zapłonową, to przy tej samej prędkości obrotowej wału czas jaki będzie do dyspozycji będzie krótszy. Suma czasu zwarcia i rozwarcia styków przerywacza dla każdego z cylindrów zmniejszy się w stosunku do czasów, gdy przez cewkę zapłonową był obsługiwany tylko jeden cylinder, proporcjonalnie do zwiększonej ilości cylindrów. Jeżeli skraca się łączny czas zwarcia i rozwarcia styków przerywacza, to przy zachowaniu niezbędnego minimum czasu rozwarcia styków potrzebnego do prawidłowej pracy układu zapłonowego, skraca się czas, przez jaki może płynąć prąd przez pierwotne uzwojenie cewki zapłonowej. Zbytnie skrócenie tego czasu spowoduje ograniczenie gromadzonej energii pola magnetycznego niezbędnego do wytworzenia w uzwojeniu wtórnym napięcia oraz energii iskry zapłonowej. Dlatego wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika, gdzie skraca się czas obrotu wału korbowego i czas zwarcia styków przerywacza, w zależności od parametrów układu zapłonowego może wystąpić spadek wartości wysokiego napięcia na wyjściu cewki zapłonowej, co przedstawiono na rysunku 22. Inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku iskrownikowego układu zapłonowego. Jak wiemy, siła elektromotoryczna, jaka powstaje w uzwojeniu cewki jest proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego oddziaływującego na cewkę. Ma to także wpływ na wartość prądu, jaki płynie przez uzwojenie tej cewki. Przy tych samych czasach zwarcia styków i rozwarcia oraz szybkości rozwierania sty-
12
Dodatek techniczny
ków jak dla akumulatorowego układu zapłonowego, uzyskiwane w wyniku samoindukcji napięcie w uzwojeniu wtórnym cewki zapłonowej, zależeć będzie od szybkości zmian strumienia pola magnetycznego czyli od prędkości wirowania magnesu trwałego. Ze względu na ścisłe powiązanie prędkości wirowania magnesu z prędkością obrotową wału korbowego, mamy zależność napięcia wyjściowego cewki zapłonowej od prędkości obrotowej silnika. Dlatego przy zapłonie iskrownikowym, przy niskich prędkościach obrotowych wału korbowego mamy stosunkowo niskie napięcie indukowane w uzwojeniu pierwotnym i w konsekwencji niższe napięcie wyjściowe cewki zapłonowej. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, dzięki szybszym zmianom strumienia magnetycznego wirującego magnesu, otrzymujemy wyższe napięcie w uzwojeniu pierwotnym i w konsekwencji wyższe napięcie wyjściowe cewki zapłonowej co widać na rysunku 22. Pomimo skrócenia czasu zwarcia i rozwarcia styków przerywacza wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika, nie mamy takiego obniżenia napięcia wyjściowego cewki zapłonowej jak w przypadku zapłonu bateryjnego (akumulatorowego). W przypadku zapłonu iskrownikowego, skrócenie czasu przepływu prądu przez uzwojenie cewki i jego ograniczenie związane z czasem zwarcia styków, w pewnym stopniu rekompensowane jest przez wzrost szybkości zmian strumienia pola magnetycznego wytwarzanego przez wirujący magnes. Dzięki temu nie ma w tym przypadku takiego spadku napięcia wyjściowego cewki zapłonowej wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika, jak miało to miejsce w przypadku zapłonu akumulatorowego. W układach iskrownikowych w celu maksymalnego wykorzystania energii synchronizuje się położenie wirującego magnesu z punktem rozwarcia styków przerywacza, tak aby przerwanie przepływu prądu nastąpiło w czasie osiągniecia maksymalnej wartości. Ma to miejsce w momencie, gdy nabiegunniki wirującego magnesu zaczynają się oddalać od nabiegunników nieruchomego twornika. Dzięki rozwarciu styków i gwałtownej zmianie strumienia magnetycznego przeciwdziałającego zanikowi prądu (w momencie osiągniecia największej wartości prądu), w uzwojeniu pierwotnym cewki a po przetransformowaniu także w uzwojeniu wtórnym, indukuje się maksymalna wartość napięcia wyjściowego. Uwzględniając powyższe oraz to, że rozwarcie styków (w konsekwencji powstanie iskry na elektrodach świecy zapłonowej) musi być zsynchronizowane z położeniem tłoka i wału korbowego oraz w silniku czterosuwowym także z fazami rozrządu, położenie wirującego magnesu i nieruchomego twornika muszą być odpowiednio dobrane, czyli musi być synchronizacja z położeniem wału korbowego. Ciąg dalszy w następnym dodatku technicznym.