Dariusz DoboszPrzez całe dziesięciolecia zapłon był piętą achillesową motocykli. Dzisiaj praktycznie nikt nie zauważa jego obecności.
Na skróty:
Magneto
Ktoś, kto zaczął swoją przygodę z jednośladami przed kilku, czy nawet kilkunastu laty, nie miał nigdy styczności z mechanicznym układem zapłonowym, prawdziwą zmorą motocyklistów.
Ten nieskomplikowany i stosunkowo mało rozbudowany mechanizm potrafił zepsuć przyjemność jazdy nawet najlepszym motocyklem, przerwać wymarzoną wycieczkę albo unieruchomić maszynę, gdy była najbardziej potrzebna. Był po prostu nieprzewidywalny.
Jedna poluzowana od wibracji śruba ustalająca odstęp styków przerywacza, nadpalone styki kompletnie zmieniające charakterystykę silnika, pęknięcia ruchomych elementów układu, „mostkowanie”, wytarta krzywka sterująca albo przetarty przewód elektryczny w plątaninie „kabelków” doprowadzały do furii całe pokolenia fanów dwóch kółek.
Konstruktorzy jednośladów mieli związane ręce w kwestii zapłonu nie tylko w początkowym okresie rozwoju motocykli. Od wprowadzenia pierwszego układu zapłonowego w 1897 r. przez kilkadziesiąt kolejnych lat, poza rozwiązaniami mechanicznymi, nie dysponowali innymi narzędziami do inicjowania procesu indukcji elektromagnetycznej w cewce zapłonowej.
Aż do lat sześćdziesiątych w dwukołowych pojazdach silnikowych królował iskrownik, popularnie zwany „magnetem”, montowany najczęściej bezpośrednio na czopie wału korbowego. Wirujący wokół cewek rotor z magnesami odpowiedzialny był za wytworzenie napięcia, a umieszczony między cewkami przerywacz – za powstanie wysokiego napięcia w układzie i wygenerowanie iskry zapłonowej.
Iskrownik był bardzo pomysłowym urządzeniem. Pełnił jednocześnie rolę prądnicy, transformatora i rozdzielacza zapłonu. W małych jednośladach montowano go aż do początku lat osiemdziesiątych.
W czasach „magneto” był już znany zapłon bateryjny, wynaleziony w 1925 r. Wymagał jednak montowania akumulatora, który w tamtych czasach był duży i ciężki.
Na zdjęciu górnym: pierwszy zapłon elektryczny zastosował De Dion Bouton w swoim trójkołowcu.
Przerywacz – element specjalnej troski
Nawet, gdy jako źródło prądu elektrycznego dla układu zapłonowego zaczęto wykorzystywać akumulator, proces wzbudzania iskry wciąż bazował na rozwiązaniach mechanicznych. Podstawowym elementem był przerywacz, złożony z kowadełka i młoteczka. Dzięki specjalnej krzywce, podnoszącej młoteczek, w odpowiednich odstępach czasu pojawiała się przerwa w obwodzie elektrycznym i następowała indukcja wysokiego napięcia w cewce zapłonowej. Jej efektem była iskra, pojawiająca się na elektrodach świecy.
Z powodu obecności przerywacza, taki układ nazywano stykowym. Był on kłopotliwy, wymagał bowiem częstego dozoru i regulacji, a także czyszczenia lub wymiany styków. Sprawiał też problemy natury technicznej. Układy stykowe nie potrafiły sprostać wymaganiom stawianym coraz nowocześniejszym silnikom. Nie można było uzyskać dalszego wzrostu maksymalnej energii zapłonu i pełnej powtarzalności procesów tworzenia iskry. A to było niezbędne dla coraz szybciej pracujących jednostek napędowych o coraz wyższym ciśnieniu sprężania, od których wymagano coraz lepszej dynamiki, coraz niższego spalania i coraz czystszych gazów wydechowych. Trudno było uniknąć powstawania różnic między rzeczywistym kątem wyprzedzenia zapłonu, a zalecanym dla danego silnika. Wpływ na tę wartość miał też luz powstający w łożyskach elementów układu zapłonowego.
Dodatkowym bodźcem do działania było ciągłe zwiększanie prędkości obrotowych silników motocyklowych. Już w latach siedemdziesiątych, za sprawą producentów japońskich, silniki seryjnych motocykli osiągały moc maksymalną przy obrotach w granicach 9000-10 000 obr/min. To potęgowało wszystkie wady stykowych układów zapłonowych. Wyzwaniu mogła podołać tylko elektronika, z którą Japończycy świetnie sobie radzili.
Dwucylindrowy silnik Suzuki DOHC z płytką przerywaczy mechanicznych mocowaną przy prawym czopie wału korbowego (tu, gdzie na przekroju widać fragment napisu Suzuki). W silnikach z rozrządem OHC płytkę przerywaczy mocowano niekiedy w głowicy przy wałku rozrządu.
Pionierskie tranzystory
Jak precyzyjne i niezawodne powinno być działanie układu zapłonowego? Jednym z najważniejszych elementów pracy silnika jest tak zwana pewność zapłonu. Przerwy, nawet te niezauważalne przez użytkownika, wpływają bardzo negatywnie na jednostkę napędową. Spada dynamika i trwałość silnika, wzrasta zużycie paliwa, a spaliny są bardziej toksyczne.
Stopień trudności w zapewnieniu prawidłowego działania układu zapłonowego jest ściśle związany ze zwiększaniem prędkości obrotowej silnika. Elektronika dała konstruktorom zupełnie nowe możliwości, czyniąc przy okazji układ niemal bezobsługowym. Dla optymalizacji punktu zapłonu zaczęto analizować także wiele innych parametrów, od których zależy. Uzyskano lepsze parametry napięciowe oraz również możliwość sterowania zapłonem nie tylko w zależności od prędkości obrotowej silnika i jego obciążenia.
Pierwsze rozwiązania z wykorzystaniem półprzewodników zastosowano w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Wyzwolenie wysokiego napięcia zapewniał tranzystor sterowany czujnikiem elektromagnetycznym. Impuls włączający tranzystor był wzmacniany i formowany w specjalnym układzie. Dalej prąd elektryczny trafiał do cewki, powodując indukcję wysokiego napięcia w uzwojeniu wtórnym. Wyeliminowano przerywacz stykowy, ale nie była to jedyna zaleta tego rozwiązania.
Okazało się, że wyraźnie wzrosły wartości prądu w uzwojeniu pierwotnym cewki. A więc energia wytworzonej iskry także była zdecydowanie większa i to w dużym zakresie prędkości obrotowych silnika. Na dodatek zmniejszono zwłokę narastania napięcia przebicia w zakresie wysokich prędkości obrotowych. Proces tworzenia iskry na elektrodach świecy odbywał się szybciej, sprawniej, bardziej precyzyjnie.
Początkowo stosowano także elektroniczne układy zapłonowe, w których energię gromadzono w kondensatorze.
Fot. archiwum
Fot. archiwum
Tutaj także nie było zawodnego i kłopotliwego, mechanicznego przerywacza. Zastąpiono go czujnikiem magnetoelektrycznym, współpracującym z modułem formowania impulsów. W układ wbudowany był tyrystor?i kondensator, gromadzący ładunek.
Warto zauważyć, że gdy tylko pojawiła elektronika, dzięki specyficznej budowie układu zapłonowego motocykle niemal od razu pożegnały się z mechanicznymi rozwiązaniami. W samochodach bardzo długo stosowano elektroniczne zapłony współpracujące z mechanicznymi rozdzielaczami. Tymczasem w jednośladach każdy cylinder miał swoją cewkę i rozdzielacze były zbędne.
Zdarzało się jednak, że stosowano jeszcze mechaniczne regulatory kąta wyprzedzenia zapłonu. Z czasem jednak także tę funkcję powierzono elektronice. Elektroniczny sterownik mógł przeanalizować znacznie więcej parametrów, opisujących pracę silnika. Z dużą precyzją i prędkością reguluje sygnał sterujący kątem wyprzedzenia zapłonu oraz czasem przepływu prądu przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej. Współczesne sterowniki uwzględniają między innymi temperaturę silnika, położenie przepustnic czy?sygnały z czujnika spalania stukowego.
Praca w zespole
W 1979 r. niemiecka firma Bosch po raz pierwszy zintegrowała elektronikę wtrysku paliwa, tworząc Motronic, system zarządzający pracą silnika.
Do seryjnej produkcji Motronic trafił w 1988 r. wraz z motocyklem BMW K1. Jego sercem jest elektroniczny sterownik złożony z mikroprocesora i pamięci, w której zapisano program pracy z danymi określającymi dawkę wtryskiwanego paliwa i kąt wyprzedzenia zapłonu.
Fot. Bosch
Fot. Bosch
System zarządzający pracą silnika Motronic, wersja z roku 1979, na zdjęciu górnym – współczesna.
Czujniki dostarczają mikroprocesorowi informacje dla każdego cyklu wtrysku i zapłonu – ponad 6000 razy na minutę – podając ilość zasysanego powietrza, prędkość obrotową silnika, aktualną pozycję wału korbowego, temperaturę zasysanego powietrza i temperaturę silnika. Procesor porównuje te dane z zapisanymi w pamięci i oblicza indywidualne wymogi dla kolejnego cyklu wtrysku i zapłonu. Moment wtrysku i dawka paliwa powinny być przecież zupełnie inne w przypadku, gdy silnik jest zimny, niż wtedy, gdy jednostka napędowa?osiągnęła już prawidłową temperaturę.
Fot. BMW
Fot. BMW
Podobnie wygląda to w przypadku dynamicznego lub spokojnego przyśpieszania. Dla samego tylko podsystemu zapłonowego w pamięci programu zapisano blisko 4100 różnych możliwości indywidualnego określenia momentu zapłonu.
System taki jak Motronic jest również zoptymalizowany pod kątem ciągłego użytkowania pojazdu. Oprócz danych stałych, podstawowych, uwzględnia również dane zmienne, na przykład proces wypalania świec zapłonowych.
Co potrafią współczesne, elektroniczne układy zapłonowe? Wchodzą one w skład systemów elektronicznych sterowanych bardzo sprawnymi komputerami o dużej pamięci operacyjnej. Mogą dobrze współpracować z elektronicznie sterowanymi układami wtryskowymi, wykorzystują bowiem niemal te same parametry.
We współczesnych układach zapłonowych można łatwo optymalizować położenie punktu zapłonu w zależności od potrzeb, wprowadzając do komputera odpowiednie „mapy”. W ten prosty sposób można tworzyć różne charakterystyki silników.
Mapa zapłonu powstaje w wyniku prac badawczo-rozwojowych nad silnikiem. Zostaje ona zapisana w pamięci urządzenia sterującego i uwzględnia dużą liczbę danych. Im dokładniej warunki pracy silnika zostaną opisane przez czujniki, tym lepiej będzie określony punkt zapłonu optymalny dla aktualnych warunków pracy.
Nie każdy motocykl korzysta z tak zaawansowanych rozwiązań. W małych silnikach nadal stosowane są proste układy zapłonowe ? tranzystorowe i kondensatorowe.
Co czeka nas w przyszłości? Z pewnością jeszcze sprawniejsze, szybciej przetwarzające dane komputery. Precyzyjniejsze i szybsze sterowanie zapłonem to przecież ważne elementy w drodze do podwyższania sprawności silników, dynamiki jednostek napędowych i czystości spalin.
Być może czeka nas również wzrost napięcia roboczego w instalacjach elektrycznych motocykli, na przykład do 24 V. Takie posunięcie otworzyłoby zupełnie nowe możliwości. Precyzyjnie sterowana i znacznie silniejsza iskra elektryczna mogłaby przeskakiwać między świecą zapłonową i odpowiednio ukształtowanym denkiem tłoka. Takie rozwiązania są już gotowe, choć tylko w prototypach.
Trwają też prace nad wprowadzeniem do zapłonu elementów laserowych. Jaka koncepcja zwycięży – trudno na razie przesądzić. Jedno wszakże jest pewne – elektronika nie zniknie z układu zapłonowego.
Fot. Piotr Mering
Fot. Bosch