Budowa i diagnozowanie klasycznego układu zapłonowego

Układ zapłonowy ma za zadanie wygenerować w odpowiednim momencie iskrę na świecy zapłonowej niezbędnej do zapłonu mieszanki. Układ ten jest bardzo czuły na regulację, jakiekolwiek zmiany w układzie zapłonowym wpływa na pracę silnika. Dlatego należy wszystkie zabiegi przeprowadzać z dużą dokładnością i starannością. Klasyczne układy zapłonowe mogą być zasilane przez iskrownik lub przez akumulator (zapłon bateryjny). Zapłon bateryjny z racji stałego napięcia na cewkach zapłonach niezależnie od obrotów silnika niweluje niskie napięcie wyładowania, jednak bez sprawnego akumulatora i układu ładowania nigdzie nie pojedziemy…
Klasyczny układ zapłonowy to konstrukcja posiadająca szereg wad. Cechuje się niskim napięciem wyładowania, zwłaszcza na obrotach jałowych, przez co naturalnym zjawiskiem są wypadające zapłony. Każdy wypadający zapłon znacząco pogarsza proces samooczyszczania świec zapłonowych skracając ich żywotność. O samym procesie oczyszczania świec zapłonowych będę pisał w innym artykule. Dodatkowo mechaniczny przerywacz zapłonu współpracujący z krzywką zapłonową ulega naturalnemu zużyciu, przez co wraz z rosnącym przebiegiem silnika zmienia się znacząco kąt wyprzedzenia zapłonu, który należy okresowo regulować. Jedyną zaletą takiego układu zapłonowego jest w zasadzie identyczna budowa całego układu w każdym pojeździe oraz możliwość w krytycznej sytuacji zamiennego stosowania podzespołów z innych pojazdów. Co ciekawe zapłon oparty na przerywaczach nigdy nie ma stałego punktu zapłonu. Doskonale to widać przy pomocy lampy stroboskopowej. Bezwładność ruchomych elementów zapłonu, luźne pasowania przerywaczy umożliwiające swobodny ruch młoteczka jak i zmienne napięcie w cewce zapłonowej zależne od obrotów silnika powodują zmiany w punkcie wyprzedzenia zapłonu nawet o 0,5 mm.

Podczas obrotu wału korbowego na jednym z jego czopów umieszczone jest magneto/wirnik ze specjalnie wyprofilowaną krzywka zapłonowa. Krzywka ta współpracująca z mechanicznym przerywaczem zapłonu steruje otwarciem i zamknięciem styków przerywacza. Podczas obracania się magneta/wirnika w cewce zapłonowej (a dokładniej w uzwojeniu pierwotnym) indukowany jest prąd. W momencie rozwarcia styków przerywacza zamykany jest obwód, a  różnica potencjałów powoduje przepływ prądu do uzwojenia wtórnego. Uzwojenie wtórne zwiększa indukowane napięcie, a z niego prąd płynie bezpośrednio na świecę zapłonową. Następuje przeskok iskry, zapłon mieszanki w komorze spalania, zamknięcie styków przerywacza i ponowne indukowanie prądu w uzwojeniu pierwotnym.
Poniżej film z pracy układu bateryjnego w moim motocyklu Jawa 350 TS.

 

Przerywacz zapłonu

Przerywacz zapłonu składa się z jednej części ruchomej (młoteczka) oraz jednej  części nieruchomej (kowadełka). W młoteczku wprasowany jest tekstolit lub bakelit – materiał nie przewodzący prądu elektrycznego, który współpracuje z krzywką zapłonową. Krzywka dzięki odpowiedniemu kształtowi zapewnia rozwarcie styków przerywacza otwierając obwód, co z kolei powoduje przeskok iskry na świecy zapłonowej. Zanim zaczniemy cokolwiek diagnozować warto odtłuścić styki przerywacza – często zatłuszczone styki izolują przerywacz powodując objawy w postaci zaniku iskry.

Bardzo ważna jest powierzchnia styków. W każdym układzie zapłonowym opartym na mechanicznym przerywaczu występuje iskrzenie na jego stykach. Iskrzenie to powoduje wypalenie styków. Ładunki elektryczne mają “zdolność” do gromadzenia się na ostrzach – pojawia się wówczas iskra na stykach, pomimo sprawnego kondensatora. Powierzchnia styków zaczyna wyglądać jak krajobraz księżycowy. Z tego względu należy styki czyścić wraz z pojawieniem się na nich nadpaleń. Styki w przerywaczach zapłonowych są wykonane ze stali szlachetnej, która jest odporna na substancje i z nimi nie wchodzi w reakcje. Najczęściej jest to srebro. Jest ono odporne prawie na wszystko, z wyjątkiem siarki, która występuje wszędzie. Gdy silniki motocykli przez dłuższy czas nie są uruchamiane zanika iskra na świecy zapłonowej z powodu reakcji srebra z siarką. Efektem tego jest zaśniedzenie styków przerywacza i tym samym brak iskry pomimo sprawnego układu zapłonowego uniemożliwia uruchomienie silnika.
Drugim, ważnym elementem jest prawidłowa izolacja przerywacza od podstawy iskrownika/prądnicy. Częsty problem spotykany zwłaszcza w silnikach Jawa 223. W przypadku braku izolacji przerywacza pomimo sprawnego całego układu zapłonowego zanika iskra.

Co 500 km należy dokonywać przeglądu przerywacza zapłonu i sprawdzić stan styków. W przypadku długiego postoju pojazdu oraz wystąpienia braku iskry należy przeczyścić styki przerywacza przy pomocy pilniczka bądź papieru ściernego o drobnej gradacji. Pozostałości należy usunąć szmatką przesuwając ją przez styki zamkniętego przerywacza. Należy również sprawdzić osadzenie przerywacza na osi kowadełka. Nierówne zużycie styków może być spowodowane złym osadzeniem przerywacza na osi kowadełka jak i nieprawidłowo przeprowadzoną regulacją zapłonu i wygięciem kowadełka.

Co 1000 km należy nanieść na filc dwie krople oleju przekładniowego. Nie wykonywanie tej czynności serwisowej powoduje szybsze zużywanie krzywki i tekstolitu, co oznacza konieczność częstszej regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu. W motocyklu Jawa 350 TS z racji współpracy na jednej krzywce dwóch przerywaczy należy częściej smarować filc, chociaż producent również zaleca smarowanie co 1000 km. Osobiście polecam smarować krzywkę olejem sylikonowym. Dłużej się utrzymuje na krzywce zwiększając tym samym żywotność przerywaczy. Należy uważać, aby przypadkiem nie zatłuścić olejem styków przerywacza.

W razie stwierdzenia uszkodzenia przerywacza, jego wygięcia, znacznego zużycia styków, zużycia tekstolitu należy przerywacz wymienić razem z kowadełkiem. Przerywacz zapłonu jest podzespołem, którego nie można w żaden sposób regenerować.

Kondensator

Kondensator jest elementem elektrycznym zbudowanym z dwóch przewodników rozdzielonych dielektrykiem, a jego pojemność jest określana w jednostkach Farada(standardowo w klasycznych układach zapłonowych pojemność kondensatora wynosi 21-23 µF). Kondensator w przeciwieństwie do akumulatora jest w stanie bardzo szybko się naładować i bardzo szybko rozładować. Ma za zadanie przeciwdziałać szkodliwemu zjawisku, jakim jest iskrzenie na stykach przerywacza. Od jego stanu zależy jakość generowanej iskry na świecy zapłonowej.

Podczas pracy silnika w cewce zapłonowej płynie prąd elektryczny. Podczas  rozwarcia styków przerywacza następuje przerwanie obwodu o dużej indukcyjności i generowanie prądu o wysokim napięciu. W tym momencie na stykach przerywacza może wystąpić wyładowanie w postaci iskry. Jest to niepożądany efekt, bowiem iskra występująca na przerywaczu uszkadza styki przerywacza i osłabia iskrę na świecy zapłonowej – z jednego układu zapłonowego wytwarzane są dwie iskry w dwóch różnych miejscach. W przypadku sprawnego kondensatora magazynowana jest energia elektryczna, która zostałaby zmarnowana na przeskok iskry na stykach przerywacza. W momencie zwarcia styków energia zmagazynowana w kondensatorze jest przekazywana z powrotem do cewki, czego efektem jest mocniejsza iskra na świecy zapłonowej. Należy jednak zaznaczyć, że okresowy przeskok iskry na stykach przerywacza jest naturalnym zjawiskiem i nie oznacza niedomagań kondensatora.

Warto wiedzieć, że kondensator ma inne właściwości w instalacji z prądem zmiennym, a inne w instalacji z prądem stałym. W instalacji z prądem stałym kondensator stanowi przerwę w obwodzie. Kondensatory również nie lubią ciepła – wraz ze wzrostem temperatury spada pojemność kondensatora, gwałtowny spadek pojemności kondensatorów najczęściej następuje po przekroczeniu temperatury 80º(temperatura nie osiągalna dla kondensatorów  w normalnych warunkach pracy silnika). Częstym zabiegiem jest montaż kondensatora poza blokiem silnika w celu przedłużenia jego czasu eksploatacji, w praktyce jednak nie ma większego znaczenia. Naturalnym zjawiskiem jest degradacja kondensatorów – stopniowe pogarszanie pojemności wraz z upływem czasu.

W przypadku uszkodzenia kondensatora iskra na świecy zapłonowej jest słabsza, koloru różowego, silnik ma problemy z osiągnięciem wysokich obrotów, wypadają zapłony lub całkowicie zanika iskra. Najprostszym sposobem sprawdzenia kondensatora jest sprawdzenie multimetrem elektrycznym. Ustawiamy multimetr na test ciągłości obwodu a styki przerywacza muszą być rozwarte. Jedną końcówkę przewodu pomiarowego przykładamy do masy na obudowie kondensatora, a drugą końcówkę do konektora kondensatora. W przypadku „zapiszczenia” brzęczyka w multimetrze – kondensator został trwale uszkodzony lub poluzowany kabel kondensatora dotyka do masy i nie indukuje prądu. Należy wówczas sprawdzić połączenie kabli i jeśli to połączenie  nie budzi zastrzeżeń – wymienić kondensator na nowy. W przypadku gdy kondensator nie ma zwarcia możemy sprawdzić, czy indukuje prąd również za pomocą miernika. Sprawdzamy wcześniej opisane zwarcie do masy kondensatora. Przytrzymujemy przez około 3-4 sekundy końcówki pomiarowe miernika, a następnie nie odrywając końcówek pomiarowych przełączamy multimetr na pomiar napięcia zmiennego w zakresie do 20 V. Jeśli pokazana wartość maleje w stałym tempie – kondensator jest sprawny.

W przypadku sprawdzania kondensatora w motocyklu WSK 125 konstrukcja układu zapłonowego ułatwia jego wstępną diagnozę. Wystarczy podłączyć kabel kondensatora do wyprowadzenia zapłonu na prawym korpusie silnika i dotknąć obudową kondensatora do bloku silnika. Jeśli nagle poprawiła się jakość iskry należy sprawdzić kondensator zamocowany w statorze. Kondensatora również nie można regenerować. W przypadku wystąpienia problemów z kondensatorem możemy jedynie wymienić go na nowy.

Cewka zapłonowa

Cewka zapłonowa jest jednym z najważniejszym elementów układu zapłonowego. To ona generuje prąd niezbędny do przeskoku iskry na świecy zapłonowej. Cewka zapłonowa posiada dwa uzwojenia – uzwojenia pierwotne oraz uzwojenia wtórne. Uzwojenia pierwotne charakteryzują się grubym drutem o mniejszej ilości zwojów nawiniętym wokół rdzenia cewki zapłonowej, połączonym jednym końcem z masą, a drugim końcem ze stykiem dodatnim umieszczonym na obudowie cewki zapłonowej. Natomiast uzwojenia wtórne posiadają około 100-200 razy więcej uzwojeń wykonane z około 10 razy cieńszego drutu. Uzwojenia wtórne również posiadają biegun ujemny połączony z masą, a biegunem dodatnim jest styk wysokiego napięcia, do którego jest podłączony kabel zapłonowy. Oba uzwojenia są nawinięte wokół żelaznego rdzenia, a pomiędzy uzwojeniami umieszczony jest izolator, najczęściej w postaci papieru izolacyjnego.

Zasada działania cewki zapłonowej jest prosta. W motocyklach WSK 125, Rometach z silnikami Dezamet i wszystkich pojazdach wyposażonych w iskrownik, podczas pracy silnika generowane jest pole magnetyczne w cewce z uzwojeniem pierwotnym umieszczonej w iskrowniku. W momencie rozwarcia styków na przerywaczu zamykany jest obwód. Powoduje to indukcję prądu o napięciu około 200 Volt. Napięcie zostaje „przekazane” uzwojeniu wtórnemu, które zwielokrotnia jego wartość o ilość zwojów w uzwojeniu wtórnym, zazwyczaj jest to wartość 10 000 – 15 000 Volt (w nowoczesnych układach zapłonowych napięcie to osiąga 40 000 Voltów). Przerwanie obwodu powoduje sytuację, kiedy napięcie może opuścić cewkę tylko poprzez styk wysokiego napięcia. Następuje wówczas przeskok iskry na świecy zapłonowej. Czas trwania iskry zależny jest od czasu oddawania energii przez cewkę zapłonową.
W motocyklach posiadające oddzielnie cewkę wysokiego napięcia (Jawa 50) indukowane napięcie z uzwojenia pierwotnego umieszczonego w siarkowniku przekazywane jest do cewki wysokiego napięcia (nazywanej również “cewką butelkową”) umieszczonej poza blokiem silnika.
W przypadku zasilania bateryjnego (Jawa 350, CZ 175, WSK 175) zasilanie cewki wysokiego napięcia odbywa się bezpośrednio z akumulatora, a samo sterowanie zapłonem odbywa się identycznie, jak w przypadku iskrowników. Nie występuje wówczas uzwojenie pierwotne w postaci cewki w iskrowniku.

Sprawdzenie cewki w  należy zacząć od sprawdzenia jej ewentualnego zwarcia do masy. W  multimetrze ustawić należy pomiar oporności, jedną końcówkę pomiarową przyłożyć do masy na rdzeniu, a drugą do styku wysokiego napięcia. Wartość uzwojenia pierwotnego powinna wynosić około 3 Ω. Jeśli natomiast wartość będzie niższa lub równa zeru cewka ma zwarcie do masy na uzwojeniu pierwotnym i należy ją wymienić. W taki sam sposób sprawdzić należy również uzwojenie wtórne. Tutaj opór jest wyższy i powinien wynosić około 20 Ω, a wartości poniżej kwalifikują cewkę do wymiany. Trzeba jednak zaznaczyć, że takie pomiary dają jedynie wstępne zdiagnozowanie. Normalnym zjawiskiem jest grzanie się cewki zapłonowej podczas pracy silnika. Często niedomagania występują po nagrzaniu cewki, a ustępują po jej wystudzeniu.

W przypadku motocykla Jawa 350 TS diagnoza jest o wiele prostsza. Należy zamienić miejscami kable zapłonowe na świecach oraz koniecznie zamienić kable na stykach oznaczonych numerem 15 na cewkach zapłonowych, odpowiadających za połączenie cewki zapłonowej z przerywaczem zapłonu. Jeśli niedomagania zapłonu przeniosły się na drugi cylinder po zmianie cewek, a wykluczone zostały pozostałe podzespoły w układzie zapłonowych – cewkę zapłonową należy wymienić na nową.

Cewka zapłonowa, tzw “butelkowa”
Źródło: Internet
Przewody wysokiego napięcia wraz z fajką

Mamy napięcie na uzwojeniu wtórnym, teraz należy dostarczyć je do świecy zapłonowej. Aby tego dokonać potrzebne jest nam połączenie, które jest odporne na wysokie napięcia, wysoką temperaturę, warunki atmosferyczne, wibracje i jednocześnie dobrze przewodzi wygenerowany prąd z uzwojenia wtórnego. Takie wymagania spełniają przewody zapłonowe wraz z fajkami zapłonowymi.

W starych konstrukcjach bloku wschodniego kabel zapłonowy to w zasadzie miedziane przewody w niezbyt elastycznej, gumowej izolacji wraz z tandetną fajką zapłonową. Było to rozwiązanie tanie, jednak nie mającej w zasadzie żadnej zalety – podczas montażu, a właściwie “wkręcania” przewodu zapłonowego w fajkę lub cewkę częstym zjawiskiem było wkręcanie kabla zapłonowego pod kątem. Wówczas wkręt, który powinien zostać w całości wkręcony w żyłę prądową, podczas nieprawidłowego montażu ledwo stykał się z kilkoma włóknami żyły prądowej. W efekcie w szybkim czasie dochodziło do wypalania kabli spowodowane przez przewodzenie zbyt dużego prądu w stosunku do przekroju poprzecznego żyły prądowej. Dlatego też zawsze należy kable zapłonowe montować z należytym zapasem materiału.

W przypadku fajki zapłonowej mamy tą samą sytuację. Zarówno w fajkach jak i w cewkach zapłonowych częstym widokiem jest ułamany wkręt montażowy i zaawansowana jego korozja uniemożliwiająca uruchomienie silnika. Szczególnie w fajce zapłonowej kilkukrotnie spotkałem się z zabawnym zjawiskiem, jakim jest podgięcie korpusu fajki podczas jej montażu na kablu wysokiego napięcia, co owocowało luźnym osadzeniem wkręta montażowego. Dodatkowo często w fajce zapłonowej połączenie nieszczęsnego wkręta z nasadką przewodzącą prąd bezpośrednio na świecę zapłonową miała postać cienkiej blaszki. Blaszka ta jest bardzo podatna na przepięcia, dodatkowo ma tendencję do szybkiej korozji lub w przypadku fajek współczesnej produkcji – utleniania. Warto się zastanowić nad adaptacją przewodu zapłonowego wraz z fajką zapłonową na obecnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. Eliminujemy wówczas wszystkie możliwe usterki przewodów zapłonowych zwiększając niezawodność swojego pojazdu.

Diagnoza przewodów jak i fajki jest w zasadzie ograniczona do sprawdzenia ewentualnych nadpaleń na obu końcach przewodu wysokiego napięcia, sprawdzenia iskry na świecy zapłonowej bezpośrednio na wyjściu przewodu wysokiego napięcia oraz sprawdzenia połączeń. Aby ułatwić sobie diagnozę można w tym celu w miejsce zdemontowanej fajki wsunąć w żyłę prądową przewodu wysokiego napięcia spinacz lub agrafkę (koniecznie bez żadnej powłoki plastikowej!), który również montujemy na świecy zapłonowej. W przypadku przewodu zapłonowego można usunąć uszkodzony odcinek (jeśli mamy wystarczający zapas przewodu), natomiast uszkodzona fajka zapłonowa nadaje się tylko do wymiany

Świeca zapłonowa

O samych świecach zapłonowych można dużo pisać, postaram się tutaj streścić najważniejsze rzeczy:)
Z korpusu świecy odczytujemy jej rodzaj i ciepłotę. Świeca zapłonowa musi mieć odpowiednią ciepłotę. Jeśli jej wartość nie jest dobrana prawidłowo może dość do uszkodzenia silnika lub częstych wymian świec zapłonowych. W przypadku złej ciepłoty nie warto ryzykować remontu silnika i należy wymienić na nową o prawidłowym oznaczaniu nawet jeśli generuje iskrę. Świeca zapłonowa przy sprawnym układzie zapłonowym generuje białą iskrę pomiędzy elektrodą środkową i zewnętrzną. W przypadku braku iskry delikatnie przy pomocy miękkiej szczotki drucianej czyścimy tylko elektrodę zewnętrzną. Nie należy czyścić elektrody środkowej, często prowadzi to do przebicia i generowania iskry wewnątrz korpusu świecy. Jeśli iskra jest generowana w innym miejscu, niż pomiędzy elektrodami – świece należy wymienić na nowe.

 

Krzywka zapłonowa/koło magnesowe/wirnik

Ostatnim podzespołem układu zapłonowego jest krzywka zapłonowa. Jej kształt jest dobrany tak, aby możliwe było sterowanie czasem otwarcia i zamknięcia styków przerywacza. Aby to było możliwe krzywka zapłonowa musi być ustawiona w odpowiednim położeniu względem GMP. Dlatego stosuje się kliny ustalające położenie krzywki/koła magnesowego/wirnika. W zależności od konstrukcji krzywka zapłonowa ma różną postać – motocykle Jawa i niektóre modele MZ posiadają krzywkę zapłonową osadzaną na wirniku prądnicy/alternatora/magneta, natomiast WSK 125, silniki Dezamet oraz Simsony mają krzywkę na stałe osadzoną na kole magnesowym.
Wiele osób jest przekonanych, że owy klin zapobiega zmiany położenia wirnika/koła magnesowego i bez zastosowania takiego klina nie jest możliwe regulacja zapłonu i uruchomienie silnika. Nic bardziej mylnego – koło magnesowe/krzywka/wirnik jest osadzone na wale korbowym za pomocą jednego z najmocniejszych połączeń znanych ludzkości – połączeniu stożkowym. Połączenie to dodatkowo jest wzmacniane przez nakrętkę/śrubę mocującą wirnik/koło magnesowe. Klin ma jedynie za zadanie podczas montażu ustawienie krzywki w zakresie możliwym do regulacji zapłonu.

Naturalnym zjawiskiem podczas eksploatacji silnika jest zużycie powierzchni współpracującej z przerywaczem zapłonu. Teoretycznie nie istnieje dolna granica zużycia krzywki zapłonowej. Umownie zatem przyjęto dolną granicę zużycia krzywki na wymiar o 1 mm mniejszy, niż nominalny, mierzony w miejscu wzniosu krzywki. Z osobistych obserwacji śmiało mogę powiedzieć, że jeśli krzywka jest okresowo smarowana jej wymiana zazwyczaj odbywa się po 20 000 – 40 000 km.
Objawami zbyt luźnego osadzenia krzywki zapłonowej/koła magnesowego są trudności w uruchomieniu silnika pomimo jego poprawnej regulacji spowodowanym ciągłymi zmianami w punkcie wyprzedzenia zapłonu. Bardzo pomocnym narzędziem w diagnozie takiej usterki jest lampa stroboskopowa.

Powodem uszkodzenia klina jest luźne osadzenie na czopie korbowym krzywki. W przypadku uszkodzenia klina  należy przy pomocy drobnej pasty zaworowej dotrzeć powierzchnie styku czop korbowy – krzywka/koło magnesowe/wirnik. Montaż kolnego klina bez docierania pastą zaworową nie ma wówczas sensu a prowadzi do ponownego uszkodzenia klina. Jeśli zabieg docierania pastą zaworową nie pomógł jedynym rozwiązaniem dokonanie pomiarów obu powierzchni i w razie stwierdzenia zbyt luźnego pasowania wymiana czopu wału wraz z kołem magnesowym/krzywką/wirnikiem na nowe. Należy również sprawdzić stan gwintu nakreślonego na czopie oraz stan nakrętki/śruby mocującej wirnik/krzywkę/koło magnesowe.


Materiał opracowany przez greg92pl. kopiowanie lub edytowanie  bez zgody autora – zabronione!