Gyújtás, elméleti alapok

Az első Daimler és Benz kocsik esetében még sarkalatos probléma volt a megfelelő gyújtási rendszer hiánya. A fejlődés a mágnesgyújtás kidolgozásával ugrott meg először jelentősen, amivel a nagyfeszültségű gyútások térnyerése megindult. Ennek problémáját, az indítás során gyenge szikrateljesítményt az akkumulátoros berendezések küszöbölték ki. A további fejlődés, mely napjainkig tart, az elektronizálás irányába haladt, így válva a belső égésű benzinmotorok gyenge pontjából egy gondozást sem igénylő alkatrésszé.

A klasszikus járművek korában, egészen a hetvenes évekig a személyautók általánosan elterjedt gyújtási rendszere a hagyományos megszakítós gyújtás volt. Drágább, magasabb fordulatú motoroknál alkalmaztak ugyan elektronikus rendszereket, de ez inkább a ritka egzotikumok közé tartozott. A W108 és W109 modelleken mindkét rendszer előfordul, bár a hagyományos a gyakoribb (főképp Európában). Az elektronikus változat egy Bosch tranzisztoros gyújtás, ahol a gyújtás vezérlése továbbra is a megszakító feladata, de az csak a tranzisztor vezérlését végzi el, mely(ek) végül a primer áramot megszakítják.

A hengerben végbemenő égésfolyamat elindítását a gyújtógyertyák elektródjai között átütő villamos ív végzi. A hengerben végbemenő égés sok mindentől függ, így a beszívott keverék összetételétől, eloszlásától a gyertyaelektródok környékén, a villamos ív energiájától, az elektródák hőmérsékletétől, stb. A villamos ív a hengerben minimálisan akkora feszültség hatására jön létre, amekkora a gyertyaelektródok közötti, nyomás alatt álló keverék átütéséhez elegendő (minimum 7-9 kV, tipikusan 15-20 kV). A motor optimális teljesítményét pedig akkor érhetjük el, ha a gyújtás pillanata akkor következik be, amikor az égés energiája a legnagyobb mértékben hasznosul, vagyis a felső holtpontban. (Valójában - mint azt látni fogjuk - annak közelében, némileg korábban kell a gyújtásnak bekövetkeznie).

Az alábbi két ábrán láthatjuk a hagyományos akkumulátoros-megszakítós gyújtóáramkör vázlatát és elvi rajzát.

A megszakítós-akkumulátoros gyújtás vázlata 1: akkumulátor 2: gyújtáskapcsoló 3: primer tekercs 4: megszakító 5: szekunder tekercs 6: elosztó 7: gyújtógyertya szikraköze	A megszakítós-akkumulátoros gyújtás elvi rajza Rb: akkumulátor belső ellenállása Rv: primer vezeték ellenállása Lsz: szekunder impedancia Rsz: szekunder ellenállás Lp: primer impedancia Rp: primer ellenállás Cp: kondenzátor kapacitása Csz: szekunder kör kapacitív tulajdonsága

A megszakítós gyújtásrendszer működése:

A primer áram változása a gyújtási folyamat során

Az ábrákról is jól látható, hogy az akkumulátortól csak abban az esetben folyik áram a primer körben, ha a megszakító zárt állapotban van. Ekkor az áram a körben levő ellenállásoknak megfelelő állandósult értékhez közelít, de nem ugrásszerűen, mert a primer tekercs induktivitása ezt fékezni igyekszik. Ezáltal egy lassan telítődő folyamat játszódik le, miközben felépül egy állandó mágneses tér a tekercsben.

Abban a pillanatban, amikor a megszakító nyit (némi ívképződés közepette) megszakad az áramkör. Ez az áramváltozás a tekercsben mágneses fluxusváltozást indikál, mely a közös vasmagon keresztül a szekunder tekercsre is hat. Mint fizikából ismert, változó mágneses tér a fluxusváltozás irányára merőleges áramot indukál, melynek erőssége a változás sebességével (tekercs esetén pedig a menetszámmal is) arányos. Tehát most a szekunder körben indukálódik egy, a menetszámtól függő feszültség, mely a fluxusváltozás sebességétől, azaz a primer áram csökkenésének sebességétől is függ.

A villamos ív ellenállásának változása az átütött közegben. (1) az átütés kezdete; (2) az ív vége

A megszakító-érintkezőkön létrejövő ívképződés a fokozatosan távolodó érintkezők közötti kis légrést áthidalja egészen addig, míg azok távolsága annyira megnő, hogy az ív megszakadjon. Ez csökkenti a változás, azaz az áram 0 -ra esésének sebességét és villamos igénybevételt jelent az érintkezőknek (lásd. beégés), így az ívképződést csökkenteni célszerű. E célból alkalmazzák a kondenzátort, ami megszakításkor nagy áramot vesz fel, így a megszakítóval párhuzamosan kapcsolva csökkenti a kialakuló ív áramát. (Míg állandó áram számára a kondenzátor szakadásként viselkedik, változó áram számára rövidzárnak tekintendő). Vagyis kondenzátorunk nem csak az ívképződést csökkenti, hanem a primer tekercs számára mintegy rövidzárat hoz létre, gyorsítva a primer mágneses mező leépülését. A szekunder feszültség eközben addig emelkedik, míg a gyújtógyertya szikraközén eső része eléri az átütési feszültséget. Ekkor létrejön a villamos ív, mely ionizálja a szikraközt, ezáltal ott az ellenállás lecsökken. Az ív addig tart, amíg a szekunder feszültség azt képes fenntartani. A csökkenő primer árammal párhuzamosan feltöltődő kondenzátor (illetve a benne eltárolt energia) azután az előbbivel ellentétes irányú folyamatot generál, azaz hamarosan ellentétes irányú folyamat indul (a tekercs és a kondenzátor ún. rezgőkört alkot). A folyamat végül csökkenő amlitúdójú rezgésként cseng le.

A primer áram által elért csúcsérték különböző zárásidők mellett

Nos, a fenti folyamat sajnálatos módon érzékeny a megszakítások között eltelt időre. Ugyanis, amennyiben két megszakítás között eltelt idő jelentősen kisebb lesz a zárt érintkezőkön keresztül telítődő állandó mágneses tér időállandójánál, tehát ez a tér nem épül fel teljesen, akkor a gyújtás energiája csökkenthet. Magyarul a teljes fordulatszám-tartomány esetében egy kompromisszummal olyan közbenső fordulatszámra méretezik a tekercset, mely az adott motor szikrateljesítmény-igényéhez még a szélső állapotokban is elegendő energiát biztosít. Sajnos, ebben az esetben alacsonyabb fordulatszámok esetében a primer áram az idő egy részében már csak a tekercset melegíti (veszteség), miután a számunkra szükséges mágneses tér már felépült, magasabb fordulatszámok esetében pedig a primer áram csökken.

Az induktivitásban tárolt energia ekkor az alábbi módon írható le: W=1/2 * Lp * (Ip)2    . (Lp: primer tekercs induktivitása; Ip: primeráram)

Azaz ha a primer áram mondjuk felére csökken, a képletben a négyzete már csak 25% -a lesz, azaz a gyújtási energiánk is negyedére csökken!

A primer körben szikrateljesítmény csökkenést okozhat:

• Lecsökken az akkumulátor elektromos teljesítménye (pl. hidegben) - > csökken a primeráram
• Megnövekszik az akkumulátor belső ellenállása (pl. öreg akkumulátor esetében) -> csökken a primeráram
• Megnövekszik a primer ellenállás: a gyújtáskapcsolónál (ezért szokás "lerelézni"), a vezetékeken és csatlakozásokon, a primer tekercsben, a beégett megszakítón, a testelésnél -> csökken a primeráram
• Megváltozik a megszakító zárásszöge -> a primeráram nem éri el a maximumot
• Megváltozik a primer induktivitás (pl. menetzárlat vagy nem megfelelő tekercs esetén) -> a primeráram nem éri el a maximumot

Praktikusan bekapcsolt gyújtásnál a gyújtótekercs 15 -ös pontja és a test között nem lehet nagyobb a feszültségesés 0,8V -nál, a zárásszög pedig a gyári értékeken belül legyen.

A szekunder körben szikrateljesítmény csökkenést okozhat:

• A szekunder tekercs ellenállása megnő
• A gyújtógyertyakábel ellenállása megnő
• A zavarszűrő ellenállások szakadtak vagy értékük túl nagy
• Az elosztófej szikraköze túl nagy
• A gyertyapipa ellenállása nem megfelelő vagy szakadt
• A gyújtógyertya szikraköze nem megfelelő vagy a gyertya szigetelése rossz

A zárásszög:

A zárásszög a gyakorlatban hathengeres motor esetén

Régebben a megszakítóhézag megadásával próbálták meg a minimális primeráram felépüléséhez szükséges időtartamot (zárási idő) meghatározni. Beégett, használt érintkezők esetében ez a módszer nem vezet pontos eredményre, és új érintkezők esetében is viszonylag pontatlan. A kráterek és velük szemben képződött kiemelkedések, melyek az ív képződése során keletkezett anyagvándorlás következményei, a pontos mérést meghiúsítják. Az érintkezőpogácsák kemény volframrétegét is le lehet ugyan reszelni, de ez egyrészt nem biztosít tökéletesen egyenes és párhuzamos felületeket, másrészt a kopások miatt módosult geometria már nem biztosítja ugyanazokat az időbeli feltételeket a motor járása során, mérésünk tehát pontatlan lesz.

A szekunder feszültség változása (alfa ny min. a minimális nyitási időt jelzi

A megoldás a zárásszög mérése. Ez azt mutatja meg, hogy a megszakító bütykének egy hengerre eső szögelfordulása alatt hány fokban volt a megszakító zárt állapotban.

A primer áram szempontjából célunk, hogy a zárásszög értéke minél nagyobb legyen. Azonban a nyitási szög csökkentése egyrészt a hézag értékét is csökkenti, másrészt az adott hengerre eső szögelfordulás (henger-elékelési szög) alatt elegendő időt kell hagyni a szekunder jelenségek számára is. Harmadrészt a zárási idő a fordulatszám növekedésével fordított arányban csökken (egészen pontosan Tz=alfa / 6n ; ahol n a fordulatszám, alfa pedig a zárási szög), azaz az adott motor és gyújtásrendszer együttes kompromisszuma határozza meg ennek értékét. A gyár által megadott értéktől ezért nem célszerű eltérni.

A szervízgyakorlatban a megadott zárásszög beállítására törekszenek, amelynek esetében a megszakítóhézag nem lehet kevesebb egy megadott értéknél (tipikusan 0,25 mm) az ívképződés negatív hatásainak minimalizálása érdekében.

A korabeli Mercedes-Benz modellek motorjaihoz tartozó zárásszögek	A megszakító zárásának időtartama egy négyhengeres motor esetében a fordulatszám függvényében

Az elektronikus gyújtás kezdeti változata:

A hagyományos megszakító maximum kb. 5 A erősségű áram megszakítására képes, ami mintegy fele az ideálisnak. Másrészt a megszakítások száma nem lehet több, mint 18.000 megszakítás percenként, e felett a kalapács elfogadhatatlan mértékben lebegni kezd, nem képes követni a bütyköket. Ez különösen magasabb fordulatú, nagy hengerszámú motoroknál okozott problémát, hiszen egy nyolchengeres négyütemű motor esetében 4500 f/perc lehet a maximális motorfordulat. (Egy négyütemű motornál hengerenként minden negyedik ütemre esik egy megszakítás, azaz minden második főtengelyfordulatra, viszont annyi megszakítás kell, ahány hengerünk van. Képlettel: Nsz=Nm * H/2 , ahol Nsz a motor szikraszám-igénye, Nm a maximális fordulata, H pedig a hengerek száma).

Éppen ezért egyes motoroknál már az ötvenes években két megszakítót alkalmaztak, és ilyenek az M100, M116 és M117 Mercedes motorok elosztói is.

Az elméleti szekunder teljesítmény görbéje (1) és a gyakorlati (2)

Másrészt a szekunder oldali teljesítmény függ a fordulatszámtól, mint a jobboldali ábrán is látszik. A megszakító érintkezői között kialakuló ív vesztesége miatt a gyakorlati szekunder energia mindig kisebb, mint elméletileg lehetne, azonban alacsony fordulaton, tehát alapjárat környékén ez különösen jelentős. Ugyanis megszakításkor a bütyök fordulatszámától függően a bütyök és az emelőkar által meghatározott áttétel szerint emelkedik el a kalapács az üllőtől. A megszakítással keletkező önindukciós folyamat feszültsége kialakítja, majd táplálja az ívet, melyet a párhuzamosan kapcsolt kondenzátor ugyan csökkent (töltődése közben a rajta eső feszültséggel), de megszüntetni nem tud (nagy kondenzátornál túl hosszú ideig folyna a töltőáram, nem lenne eléggé gyors az áramváltozás). A kialakuló ív ionizált levegőrétegének ellenállása az ionizációval pedig csökken, így hiába növekszik az érintkezők távolsága. Az ív végül csak megszakad, amikor a hézag mérete már meghaladja a feszültség által fenntartható ív hosszát. Minél kisebb a fordulatszám, az ív időtartama annál nagyobb, vagyis az ívben elvesztett energia annál több. A használat során a villamos ív, különféle szennyeződések, oxidáció igénybe veszi a megszakító pogácsáit, beégnek, a megszakítás bizonytalanná válik, záráskor az átmeneti ellenállás megnő, így a primer áram csökken...

Egyszóval a mechanikus megszakító meglehetősen problémákkal terhelt, mely rendszeres gondozása ellenére sem képes feladatát tökéletesen ellátni. Az autóipar fejlesztése pedig a gondozás csökkentése irányában hagyományosan nagy erőfeszítéseket tesz.

Az igazi megoldást a fenti problémákra az elektronika fejlődése tette lehetővé. A megszakító áramával vezérelt tranzisztor alkalmazása esetén a tranzisztor gyors (és ívképződés nélküli) kapcsolása, illetve a megemelt primer áram (az ideális 8-10 A) a fenti problémákat kiküszöbölhette. A megszakító, bár továbbra is neki jutott a vezérlő szerep, kisebb igénybevétellel működhetett, hiszen a rajta átfolyó áram csak az éppen szükségesre korlátozódhatott. A gyújtótekercs nagyobb menetszám-arányú, primer ellenállása jelentősen kisebb (0,8-1,2 Ohm), mint a hagyományos gyújtásnál alkalmazott (3,5-5 Ohm) tekercsé (ezért nem felcserélhetők, ezek a trafók a hagyományos megszakítót hamar tönkretennék a túl nagy értékű primer árammal). A megszakító és a tranzisztor áramát ellenállásokkal állítják be. Ilyen elven működik a tranzisztoros gyújtással rendelkező W108/109 modellek gyújtása is.

A Mercedes által alkalmazott tranzisztoros gyújtás ...	...és annak egyes elemei (Bosch)

A következő fejlesztési lépcső pedig a megszakító elhagyása volt, különféle opto- illetve hall-elemek alkalmazásával, egészen a ma alkalmazott bonyolultabb megoldásokig.

© mb-w108