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
Ŝ
enia, poza
nieprzyjemnymi odczuciami nie ma zagro
Ŝ
enia zdrowia u ludzi w pełni
zdrowych.
Nale
Ŝ
y przestrzega
ć
porz
ą
dku i punkty w których bada si
ę
układy zapłonowe
nale
Ŝ
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 (zaleŜności,
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
ęŜ
onej
mieszanki w cylindrze silnika.
4
Energia iskry zale
Ŝ
y od pr
ą
du i czasu trwania wyładowania . Napi
ę
cie
wytworzone przez cewk
ę
zapłonow
ą
w stanie jałowym (bez obci
ąŜ
enia
ś
wiec
ą
)
jest kilkakrotnie wy
Ŝ
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
Ŝ
eli przez uzwojenie cewki
płynie pr
ą
d, powstaje pole magnetyczne w którym gromadzi si
ę
energia.
Warto
ść
energii pola magnetycznego cewki mo
Ŝ
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
ęŜ
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
Ŝ
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
Ŝ
owe mi
ę
dzy przewodami.
Pojemno
ś
ci te s
ą
ładowane do stosunkowo wysokiego napi
ę
cia (zale
Ŝ
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
Ŝ
przedłu
Ŝ
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]
PrzełoŜenie
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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. ObniŜyć napięcie tak by prąd ciągły nie przekraczał 4A.
−
Za pomocą przewodów zapłonowych wyjście cewki podłączyć do
iskiernika.
−
Włączyć zasilacz i zachowując ostroŜność 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 róŜnych 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
Ŝ
ych obrotach silnika mo
Ŝ
e male
ć
wysokie napi
ę
cie
na
ś
wiecy?
C.
Jak na prac
ę
cewki zapłonowej mo
Ŝ
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
Ŝ
y zamie
ś
ci
ć
i wyja
ś
ni
ć
wyniki bada
ń
. Opisa
ć
procesy
oraz wyja
ś
ni
ć
zale
Ŝ
no
ś
ci lub rozbie
Ŝ
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.