Politechnika

Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Automatyki i Elektroniki

Instrukcja

do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:

ELEKTRONIKA SAMOCHODOWA

Temat:

U K Ł A D Z A P Ł O N O W Y

BIAŁYSTOK 2010

2

UWAGA!

Osoby maj

ą

ce wszczepione elektroniczne implanty,

np. rozruszniki serca, powinny o tym bezwzgl

ę

dnie

poinformowa

ć

prowadz

ą

cego laboratorium!!

WYMAGANIA BHP

W trakcie

ć

wiczenia studenci b

ę

d

ą

mieli do czynienia z urz

ą

dzeniem, w

którym wyst

ę

puj

ą

impulsy wysokiego napi

ę

cia (jednak ze

ź

ródła o małej

wydajno

ś

ci pr

ą

dowej). Nawet w przypadku bezpo

ś

redniego pora

ż

enia, poza

nieprzyjemnymi odczuciami nie ma zagro

ż

enia zdrowia u ludzi w pełni

zdrowych.

Nale

ż

y przestrzega

ć

porz

ą

dku i punkty w których bada si

ę

układy zapłonowe

nale

ż

y wykona

ć

przy bezpo

ś

redniej obecno

ś

ci prowadz

ą

cego przy stanowisku.

1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO

Celem

ć

wiczenia laboratoryjnego jest poznanie zasady działania , podstaw

teoretycznych oraz przebiegu procesów w samochodowych układach

zapłonowych.

Zakres

ć

wiczenia obejmuje:

−

magazynowanie energii w polu magnetycznym cewki (zależności,

kształt prądu, energia),

−

proces wytworzenia wysokiego napięcia,

−

badanie elementów składowych układu zapłonowego,

o

układy przerywacza (mechaniczny i elektroniczny),

o

cewka zapłonowa,

o

przewody wysokiego napięcia,

o

ś

wieca zapłonowa.

3

2. BUDOWA UKŁADU ZAPŁONOWEGO

Klasyczny układ zapłonowy

Zadaniem układu zapłonowego jest wytworzenie w odpowiednim momencie

w

ś

wiecy zapłonowej iskry o odpowiedniej energii. Iskra powstaje w wyniku

przebicia przerwy w

ś

wiecy zapłonowej wyładowaniem wysokiego napi

ę

cia.

Energia iskry powinna by

ć

dostateczna do niezawodnego zapłonu spr

ęż

onej

mieszanki w cylindrze silnika.

4

Energia iskry zale

ż

y od pr

ą

du i czasu trwania wyładowania . Napi

ę

cie

wytworzone przez cewk

ę

zapłonow

ą

w stanie jałowym (bez obci

ąż

enia

ś

wiec

ą

)

jest kilkakrotnie wy

ż

sze ( 30 - 45kV) od napi

ę

cia łuku w czasie wyładowania

(do 10kV). W celu wytworzenia krótkiego impulsu wysokiego napi

ę

cia

wykorzystuje si

ę

wła

ś

ciwo

ść

cewki indukcyjnej. Je

ż

eli przez uzwojenie cewki

płynie pr

ą

d, powstaje pole magnetyczne w którym gromadzi si

ę

energia.

Warto

ść

energii pola magnetycznego cewki mo

ż

emy wyznaczy

ć

korzystaj

ą

c z

równania 1.:

2

]

[

2

L

i

J

E

L

=

(1)

gdzie:

L- indukcyjno

ść

cewki,

i

L

– nat

ęż

enie pr

ą

du płyn

ą

cego przez cewk

ę

.

W typowej cewce zapłonowej, indukcyjno

ść

L= 2 - 8 mH. Pr

ą

d wynosi

ok. 4 – 5 A. Energia zgromadzona w polu magnetycznym ok. 30-100 mJ.

Jedn

ą

z własno

ś

ci cewek indukcyjnych jest przeciwstawianie si

ę

zmianom

pr

ą

du. Je

ż

eli b

ę

dziemy zmienia

ć

pr

ą

d to powstanie siła elektromotoryczna

przeciwstawiaj

ą

ca si

ę

zmianom.

dt

di

L

E

L

=

(2)

W skrajnym przypadku gdy przerwiemy obwód, teoretycznie napi

ę

cie

powinno by

ć

niesko

ń

czenie wielkie . W praktyce pomi

ę

dzy zwojami cewki

istniej

ą

pewne pojemno

ś

ci rozproszone oraz monta

ż

owe mi

ę

dzy przewodami.

Pojemno

ś

ci te s

ą

ładowane do stosunkowo wysokiego napi

ę

cia (zale

ż

nie od

warto

ś

ci i

L

oraz L oraz od szybko

ś

ci zaniku pr

ą

du).

2

2

C

u

E

=

C

E

u

⋅

=

2

5

(Energia pola magnetycznego zamienia si

ę

w energi

ę

pola elektrycznego i

odwrotnie) . Proces ma charakter oscylacyjny gasn

ą

cy.

Oscylacje s

ą

korzystne gdy

ż

przedłu

ż

aj

ą

proces wyładowania iskrowego w

ś

wiecy zapłonowej.

W wyniku wysokiego napi

ę

cia powstaje przebicie przerwy iskrowej w

ś

wiecy

A nast

ę

pnie jonizacja powietrza i przez pewien czas pali si

ę

łuk elektryczny w

przerwie

ś

wiecy .

3. CEWKA ZAPŁONOWA

Zadaniem cewki zapłonowej jest przetworzenie dostarczanego przez

akumulator lub alternator niskiego napi

ę

cia na wysokie w celu wytworzenia

iskry w

ś

wiecy. Cewka spełnia dwie funkcje : indukcyjno

ś

ci gromadz

ą

cej

energi

ę

oraz transformatora napi

ę

cia wysokiej przekładni.

Cewka nawini

ę

ta na rdzeniu ferromagnetycznym zawiera dwa uzwojenia:

pierwotne 250 do 400 zwojów drutu o

ś

rednicy ok. 0.5 mm oraz wtórne ok.

20000 zw cienkiego drutu w emalii o

ś

redn. 0.1mm. Warstwy uzwoje

ń

s

ą

starannie odizolowane. W niektórych konstrukcjach wn

ę

trze cewki wypełnione

jest olejem transformatorowym.

Uzwojenia tworz

ą

najcz

ęś

ciej poł

ą

czenie autotransformatorowi co zmniejsza

ilo

ść

wyprowadze

ń

.

6

Taabela 1.Parametry przykładowych cewek zapłonowych

Typ cewki

Napięcie

znamionowe

[V]

Maksymalne

napięcie w

uzwojeniu

wtórnym

[V]

Rezystancja

uzwojenia

pierwotnego

[W ]

Rezystancja

uzwojenia

wtórnego

[W ]

Indukcyjność

uzwojenia

pierwotnego

[mH]

Przełożenie

transformatora

z

2

/z

1

[ ]

MSD

Blaster 2

12

45000

0,7

10500

1

100

Blaster HVC

12

42000

0,2

1380

7

100

Cewka

dwuiskrowa

(DIS)

12

25000

0,5

13500

3,14

�

4. PRZERYWACZ

W procesie wytworzenia iskry w pierwszej fazie do uzwojenia pierwotnego

podł

ą

cza si

ę

napi

ę

cie akumulatora. Pr

ą

d narasta liniowo zgodnie z wzorem:

I(t) = U / L * t (czas narastania jest du

ż

o krótszy od stałej czasowej cewki )

Przerwanie przepływu pr

ą

du powoduje powstanie wysokiego napi

ę

cia iskry w

ś

wiecy.

W starszych konstrukcjach do przerwania obwodu z pr

ą

dem u

ż

ywano tz.

przerywacza sterowanego krzywk

ą

poł

ą

czon

ą

z wałem korbowym.

W momencie przerwania obwodu na stykach przerywacza powstawał

niewielki łuk elektryczny pochłaniaj

ą

cy cz

ęść

energii i osłabiaj

ą

cy iskr

ę

na

ś

wiecy. Łuk ten powodował ponadto „przypalanie styków” i konieczno

ść

okresowego czyszczenia styków.

Obecnie

rol

ę

przerywacza

spełnia

specjalny

tranzystor

wysokonapi

ę

ciowy Uc max do 800V Ic max do 8A .. wchodz

ą

cy w skład tz.

modułu zapłonowego. Tranzystor ten musi by

ć

bardzo szybki Powoduje to

lepsze wykorzystanie energii i silniejsz

ą

iskr

ę

. Sterowany jest on przez

specjalny układ scalony pozwalaj

ą

cy na ograniczenie pr

ą

du.

7

Pr

ą

d uzwojenia pierwotnego w zale

ż

no

ś

ci od okresu obrotu silnika

Przewody wysokiego napi

ę

cia doprowadzaj

ą

wysokie napi

ę

cie do

ś

wiec

zapłonowych. Powinny zapewni

ć

wysok

ą

wytrzymało

ść

izolacji szczególnie

w warunkach du

ż

ej wilgotno

ś

ci i zabrudzenia.

8

5. WYKONANIE ĆWICZENIA

A) Badanie własno

ś

ci cewki indukcyjnej

−

Podłączyć otrzymaną od prowadzącego cewkę do zasilacza .
Zwiększając napięcie ustawić prąd na ok. 1A.

−

przerywając ręcznie obwód obserwować iskrzenie w miejscu
przerywania.

−

Podłączyć równolegle do cewki kondensator (47pF-1nF), Za pomocą
sondy prądowej obserwować przebieg prądu.

−

Zaproponować sposób pomiaru maksymalnej wartości napięcia.

B) Badanie własno

ś

ci cewki zapłonowej

−

Dokładnie obejrzeć otrzymaną do badań cewkę zapłonową, ustalić
końcówki.

−

Zmierzyć rezystancję obu uzwojeń.

−

Zmierzyć indukcyjność uzwojenia pierwotnego. Obliczyć stałą
czasową cewki.

−

Podłączyć cewkę zapłonową do zasilacza 12V poprzez przerywacz
mechaniczny. Obniżyć napięcie tak by prąd ciągły nie przekraczał 4A.

−

Za pomocą przewodów zapłonowych wyjście cewki podłączyć do
iskiernika.

−

Włączyć zasilacz i zachowując ostrożność przerywać obwód
pierwotny. Obserwować długość iskry na przerywaczu.

−

Podłączyć cewkę do tranzystorowego modułu sterującego. Podając
impulsy na wejście wywołać iskry w iskierniku.

−

Obserwować długość łuku.

−

Zamiast iskiernika podłączyć świecę zapłonową . Regulować
częstotliwość wyzwalania. Za pomocą sondy prądowej rejestrować
prąd przy różnych częstotliwościach.

C) Przewody zapłonowe

−

Zmierzyć rezystancję przewodów zapłonowych

−

Odizolować mały fragment przewodu i obejrzeć jego budowę.

9

6. PYTANIA KONTROLNE

A.

Co to jest samoindukcja?

B.

Dlaczego przy du

ż

ych obrotach silnika mo

ż

e male

ć

wysokie napi

ę

cie

na

ś

wiecy?

C.

Jak na prac

ę

cewki zapłonowej mo

ż

e wpływa

ć

zwarty zwój lub

przebicie mi

ę

dzy warstwami uzwojenia wtórnego.

D.

Co to s

ą

wyładowania powierzchniowe gdzie i kiedy mog

ą

wyst

ą

pi

ć

?

E.

Do jakiej warto

ś

ci naro

ś

nie pr

ą

d gdyby obroty silnika spadły

praktycznie do zera?

F.

Dlaczego przewody zapłonowe cz

ę

sto wykonane s

ą

z drutu

oporowego?

7. SPRAWOZDANIE STUDENCKIE

W sprawozdaniu nale

ż

y zamie

ś

ci

ć

i wyja

ś

ni

ć

wyniki bada

ń

. Opisa

ć

procesy

oraz wyja

ś

ni

ć

zale

ż

no

ś

ci lub rozbie

ż

no

ś

ci z oczekiwanymi wynikami. Przy

oscylogramach wymagany jest opis oraz skalowanie (czas, amplituda).

8. LITERATURA

•

Dziubi

ń

ski M.: Elektroniczne układy pojazdów samochodowych,

Lublin 2003.

•

Herner A., Riehl Hans-Jürgen: Elektrotechnika i Elektronika w

pojazdach samochodowych, WKŁ, Warszawa 2003.

•

Herner A.: Elektronika w samochodzie. WKŁ, Warszawa 2001.