Jak działają cewki zapłonowe?
Układy zapłonowe silników benzynowych wykorzystują cewki zapłonowe, których zadaniem jest wytworzenie wysokiego napięcia wymaganego do przeskoku iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej. Cewki te działają dzięki zjawisku elektromagnetyzmu. A na czym ono polega, tłumaczą specjaliści DENSO.
Choć współczesne układy zapłonowe z cewkami znacznie różnią się od pierwszych układów tego rodzaju – głównie ze względu na zastosowanie elektroniki – to zasada ich działania od 100 lat jest taka sama.
Wynalezienie układu zapłonowego wykorzystującego cewkę zapłonową przypisuje się amerykańskiemu wynalazcy Charlesowi Ketteringowi. Około 1910 roku opracował on taki układ dla jednego z największych producentów aut. Zastosowanie efektywnego systemu zapłonowego z cewką zapłonową było możliwe dzięki wykorzystaniu akumulatora, który zasilał również elektryczny rozrusznik silnika. Akumulator, generator i udoskonalony układ elektryczny pojazdu zapewniały cewce zapłonowej stosunkowo stabilne zasilanie elektryczne.
W układzie zapłonowym Ketteringa (Rys. 1) do uzyskania wysokiego napięcia została wykorzystana pojedyncza cewka zapłonowa. Wysokie napięcie z cewki zapłonowej było przekazywane do tzw. palca rozdzielacza, który przekazywał je bezkontaktowo – przez szczelinę powietrzną, kolejno do elektrod zamontowanych w kopułce rozdzielacza zapłonu (każda elektroda została przypisana do jednego cylindrowa). Elektrody kopułki rozdzielacza połączono przewodami zapłonowymi ze świecami zapłonowymi, w ten sposób, że możliwe było przekazywanie wysokiego napięcia do świec poszczególnych cylindrów w kolejności występowania w nich zapłonów.
Układ zapłonowy Ketteringa stał się praktycznie jedynym typem układu zapłonowego stosowanym w masowo produkowanych samochodach z silnikiem z zapłonem iskrowym do momentu, kiedy w latach 70-tych i 80-tych XX w. zaczęto zastępować mechaniczne systemy przez układy zapłonowe wyzwalane i kontrolowane elektronicznie.
Podstawy działania cewek zapłonowych
Do generowania wysokiego napięcia cewki zapłonowe wykorzystują zależności pomiędzy elektrycznością a magnetyzmem.
Jeśli prąd elektryczny płynie przez przewodnik, wokół przewodu powstaje pole magnetyczne. Gdy przewodnik zostanie ukształtowany w formie cewki, to wokół niej tworzy się pole magnetyczne o układzie takim jak na rys. 2. W polu tym – a mówiąc dokładniej w strumieniu magnetycznym – jest gromadzona energia. Można ją powtórnie przekształcić w energię elektryczną.
Gdy włączany jest przepływ prądu elektrycznego, jego natężenie stopniowo, choć szybko rośnie, aż do osiągnięcia stałej maksymalnej wartości. Jednocześnie stopniowo wzrasta natężenie pola (strumienia) magnetycznego. Gdy natężenie prądu uzyskuje stałą maksymalną wartość, również natężenie pola magnetycznego osiąga stałą maksymalną wartość. W chwili wyłączenia prądu elektrycznego, pole magnetyczne zaczyna zanikać, a w uzwojeniu cewki generuje się prąd.
Na natężenie pola magnetycznego wpływ mają dwa główne czynniki: natężenie prądu zasilającego i liczba zwojów cewki.
Wykorzystanie zmiennego pola magnetycznego do indukcji prądu elektrycznego
Jeżeli zwoje cewki są objęte przez pole magnetyczne o zmiennym natężeniu lub pole magnetyczne będące w ruchu względem cewki, to w zwojach cewki powstaje prąd elektryczny. Zjawisko takie nosi nazwę indukcji elektromagnetycznej.
Przykładem pola magnetycznego, które obejmuje zwoje cewki a jednocześnie może przemieszczać się względem nich, jest ruch magnesu stałego w stosunku do cewki. Ruch lub zmiana natężenia pola magnetycznego lub strumienia magnetycznego indukuje prąd elektryczny w zwojach cewki (Rys. 3).
Na napięcie prądu indukowanego w cewce wpływają dwa główne czynniki: ruch pola magnetycznego – im większa zmiana jego natężenia, tym większe jest indukowane napięcie, oraz liczba zwojów cewki – im większa, tym wyższe jest napięcie indukowanego prądu.
Wykorzystanie zaniku pola magnetycznego do indukcji prądu elektrycznego
Jeśli pole magnetyczne jest tworzone przez zasilaną prądem cewkę, to każde zwiększenie lub zmniejszenie natężenia prądu elektrycznego powoduje analogiczną zmianę natężenia pola magnetycznego. Jeśli przepływ prądu elektrycznego zostanie wyłączony, to natężenie pola magnetycznego gwałtownie maleje. Zanikające pole magnetyczne indukuje wówczas w cewce prąd elektryczny (Rys. 4).
Analogicznie, tak jak wzrost prędkości ruchu pola magnetycznego, które obejmuje zwoje cewki zwiększa indukowane napięcie, to szybszy zanik pola magnetycznego powoduje indukowanie się wyższego napięcia. Ponadto indukowane w cewce wysokie napięcie zwiększa się, jeśli ma ona większą liczbę zwojów.
Indukcja wzajemna i zasada pracy transformatora
Jeśli dwie cewki sąsiadują ze sobą lub są nawinięte współosiowo, a prąd elektryczny jest wykorzystywany do uzyskania pola magnetycznego wokół jednej z nich (to uzwojenie nazywamy pierwotnym), wówczas powstałe pole magnetyczne obejmuje również drugą z cewek (to uzwojenie nazywamy wtórnym). Gdy prąd elektryczny zostanie wyłączony, pole magnetyczne gwałtownie zanika. Powoduje to indukcję napięcia zarówno w uzwojeniu pierwotnym, jak i wtórnym. Indukcję napięcia w uzwojeniu wtórnym nazywamy indukcją wzajemną (Rys. 5).
Uzwojenie wtórne cewek zapłonowych ma większą liczbę zwojów niż uzwojenie pierwotne, podobnie jak w transformatorze, którego zadaniem jest zwiększenie napięcia wyjściowego w stosunku do napięcia zasilania. Z tego powodu, gdy pole magnetyczne gwałtownie zanika, w uzwojeniu wtórnym indukuje się napięcie wyższe w porównaniu do napięcia indukowanego w uzwojeniu pierwotnym (Rys. 6).
Uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej tworzy zwykle od 150 do 300 zwojów drutu, a uzwojenie wtórne – od 15000 do 30000 zwojów cieńszego drutu. Liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest więc około 100 razy większa niż pierwotnego.
Pole magnetyczne jest tworzone przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej. Z chwilą zamknięcia jego obwodu, uzwojenie to jest zasilane napięciem ok. 12 woltów z instalacji elektrycznej samochodu. W momencie, gdy wymagany jest przeskok iskry elektrycznej na świecy zapłonowej, układ zapłonowy wyłącza przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne, co powoduje gwałtowny zanik pola magnetycznego. Zanikające pole magnetyczne będzie indukowało w uzwojeniu pierwotnym napięcie wynoszące ok. 200 woltów, ale jednocześnie w obwodzie wtórnym będzie indukować napięcie stukrotnie wyższe, a więc wynoszące ok. 20000 woltów.
Dzięki wykorzystaniu zjawiska indukcji wzajemnej oraz uzwojeniu wtórnemu, które ma 100 razy więcej zwojów niż uzwojenie pierwotne, możliwa jest transformacja napięcia 12 woltów, zasilającego uzwojenie pierwotne, w bardzo wysokie napięcie. Proces zmiany niskiego napięcia na wysokie określamy jako „transformację napięcia”.
W cewce zapłonowej uzwojenia pierwotne i wtórne są nawinięte wokół żelaznego rdzenia. Wzmacnia i koncentruje on pole magnetyczne, dzięki czemu cewka zapłonowa umożliwia uzyskiwanie wyższych napięć.
