Hogyan gyújtották be a motort? A gyertya és a mágnesgyújtás elfeledett története

Nélküla egyetlen szikra sem, amely a megfelelő pillanatban elegendő feszültséget termel, a négyütemű ciklus soha nem fejeződhet be; a gyújtórendszer a motor szívverése.
Nélküla egyetlen szikra sem, amely a megfelelő pillanatban elegendő feszültséget termel, a négyütemű ciklus soha nem fejeződhet be; a gyújtórendszer a motor szívverése.

Az oldal megosztása

A gyújtórendszer a belső égésű motor hengerében lévő üzemanyag-levegő keverék begyújtásával megbízott alrendszer, amely a kompresszió befejezte után lép működésbe; nélküle, amely a gyújtógyertyában szabályozott szikrát hoz létre, a négyütemű ciklus nem fejezhető be. A 1860-ban Étienne Lenoir motorjától napjaink coil-on-plug rendszereiig tartó, több mint 150 éves vonal valójában egyetlen probléma megoldástörténete: megfelelő időpontban, elegendő feszültséggel, megbízható módon szikra előállítása.

Kiemeltek

  • Az első elektromos gyújtógyertyát 1860-ban használták Étienne Lenoir gázmotorjában.
  • Robert Bosch mágnesgyújtását 1887-ben gyártották, 1897-ben tesztelték járművekben.
  • A világ első nagyfeszültségű mágnesét 1901 végén Gottlob Honold fejlesztette ki.
  • Kettering akkumulátor-tekercs rendszere 1912-ben jelent meg Cadillacekkel, és fél évszázadig szabvány maradt.
  • A modern coil-on-plug rendszerek 100 000 volt feszültségig képesek áramot termelni.

A szikrával született motor: Az első gyújtógyertyák és Lenoir

1860'ta Étienne Lenoir'ın gaz motorunda yanan o ilkel kıvılcım, içten yanlı motorun kaderini tek bir elektrik boşalmasına bağlamıştı.

A dugattyús belső égésű motor első példája még születése előtt magával hozta a gyújtási problémát. 1860-ban Étienne Lenoir elektromos gyújtógyertyát használt saját nevét viselő gázmotorjában, és a gyújtógyertya feltalálásáért általában neki tulajdonítják az érdemet. A rendszer elvi szinten meglepő mértékben hasonlított a maihoz: a nagyfeszültségű áram átugrott a gyújtógyertya elektródái közti légrésen, és szikrát hozott létre. A gyújtógyertyás, vagyis szikragyújtású (spark-ignition) koncepció sosem változott; az alapvető működési elv több mint 150 éve ugyanaz.

A gyújtógyertya kereskedelmi érettségéhez vezető úton egy második név emelkedik ki: Frederick Richard Simms. Simms a GB 24859/1898 számú, belső égésű motorokhoz való mágnesre vonatkozó szabadalom tulajdonosa volt, és az első kereskedelmileg alkalmazható nagyfeszültségű gyújtógyertya feltalálójaként emlegetik. Nem volt véletlen, hogy ugyanabban az évben együttműködést kezdett a Bosch-szal; a gyújtógyertya működéséhez megbízható nagyfeszültségű forrásra volt szükség, és ez a forrás a mágnesben található meg.

A gyújtógyertya feltalálásának érdeme máig vitatott. Bár Lenoir az általánosan elfogadott név, léteznek feljegyzések arról is, hogy az elektromos gyújtógyertyát Oliver Lodge találta fel; Edmond Berger neve is felmerül. A kapacitív kisüléses gyújtás (CDI) eredete az 1890-es évekig, Nikola Tesla munkásságáig vezethető vissza. Ahogy a mérnöki történelem legtöbb területén, itt is helyesebb egyetlen név helyett egymást kiegészítő több hozzájárulásról beszélni.

A mágnes korszaka: Akkumulátor nélküli szikra és a Bosch felemelkedése

Az automobil első éveiben szinte nem létezett az az elektromos hálózat, amit ma értenek alatta; az akkumulátor szállítása nehéz, drága és megbízhatatlan volt. A mágnes betöltötte ezt az űrt: mivel saját forgásával termelt áramot, akkumulátor nélkül biztosította a szikraimpulzust. Robert Bosch 1887-ben gyártotta az első mágnesgyújtó készüléket állómotorokhoz; 1897-ben kezdtek járműveken tesztelni a mágnesgyújtást, és a sorozatgyártás 1898-ben indult el. Ettől a időponttól kezdve a Bosch gyakorlatilag az egyetlen megbízható gyártóvá vált, amely mágnesgyújtást szállított az autóknak.

A kritikus ugrás 1901 végén következett be. Bosch műszaki igazgatója, Gottlob Honold a stuttgarti üzemekben kifejlesztette a világ első nagyfeszültségű mágnesgyújtását és a hozzá tartozó gyújtógyertyát. Ez a kettős megszüntette az akkumulátor szükségességét, és a gyújtógyertyákat valóban praktikussá tette. Körülbelül 1902-ben a Bosch bemutatta a fix gyújtógyertyás és a hengeren kívüli megszakítóval rendelkező duplateg yes mágnesgyújtást. Az 1914 előtti években a Bosch mágnesgyújtás meghatározó volt a piacon; a kor tudományos publikációi részletesen tárgyalták a mágnes és a tekercses gyújtás közötti választási vitákat is.

A nagyfeszültségű mágnesgyújtást mágnes-transzformátor kombinációként definiálják, amely nagyfeszültségű impulzusokat küld a gyújtógyertyának. Napjainkban főként akkumulátor nélküli motoroknál használják - fűnyíróknál, motoros fűrészeknél - valamint a modern dugattyús repülőgépeken is. Az, hogy egy technológiát kiszorítottak az autóból, de az repülésben szabvány maradt, jó mutatója annak, milyen szilárd alapra épült.

Trembler tekercsek: A Model T és a Benz által választott út

A mágnesgyújtás nem volt az egyetlen út. Az 1886-os Benz Patent-Motorwagen és az 1908-as Ford Model T egy trembler coil nevű rendszert használt. Ebben az elrendezésben a tekercset megszakító mechanizmussal szakaszos árammal táplálták, ami remegő, szakadt szikrát állított elő. A Model T-ben a négy henger mindegyikéhez külön trembler tekercs tartozott; egyszerű, könnyen javítható és akkumulátorral is működő megoldás volt. Ha a kor járműveire tekintünk, két fő irányzat látható: az akkumulátor nélküli mágnesgyújtás tábora és a trembler tekercs tábora. A kérdésre - melyik győzött - a következő fejezet fejlődése adta meg a választ.

A Kettering-rendszer: Miért volt elegendő fél évszázadra a disztribútor?

Charles F. Kettering 1910 körül fejlesztette ki az akkumulátor-tekercs gyújtási rendszert - a Delco-rendszerként ismert elrendezést. A rendszer négy fő alkotórészből állt: gyújtótekercs, megszakító érintkezők (breaker points), kondenzátor és disztribútor. Egyetlen tekercs emelte az alacsony feszültséget nagyfeszültségre, a feszültséget pedig a disztribútorban lévő forgókar irányította a megfelelő gyújtógyertyához. A rendszert először 1912-ben vezették be a Cadillac autóknál; bár a források eltérően említik a fejlesztés évét - 1910, 1911 és 1912 - a leginkább koherens történet az 1912-es Cadillac-bevezetés, és ez jelzi a disztribútoros alapú rendszerek első alkalmazását is 1912-ben.

A Kettering-rendszer győzelmének oka nem a mérnöki elegancia, hanem az olcsóság és a viszonylagos egyszerűség volt. Ez a két tulajdonság tette hosszú évekre az autóipar elsődleges gyújtási rendszerévé. Az 1912-es Cadillac Model Thirty-től kezdve az érintkezős disztribútoros elrendezések az 1970-es évek közepéig maradtak az autók többségének elsődleges rendszere.

A rendszer határa már az elején nyilvánvaló volt. A mechanikus rendszer a gyújtógyertyában nagyjából 10 000 voltot tudott előállítani; a változó terhelési és fordulatszám-viszonyok mellett korlátozott volt a rugalmassága. A kontaktpontok mechanikai kopásnak, oxidációnak voltak kitéve, és a kontakt felületeken átdobó szikra miatt kiégtek; rendszeres beállítást igényeltek, és hatástalan szikrázást okozhattak. Vagyis a rendszer működött, de mérnöki szempontból alacsony volt a plafonja - és ez a plafon nyitotta meg az utat az elektronikus gyújtás előtt.

Pontoktól a tranzisztorokig: Átállás az elektronikus gyújtásra

Az átállás korábban kezdődött, mint ahogy sokan gondolnák. Az első elektronikus gyújtási kísérletet hidegkatódos rendszerként 1948-ban a Delco-Remy tesztelte. A Lucas 1955-ben mutatta be a tranzisztoros gyújtást, és ez a rendszer 1962-ben a BRM és a Coventry Climax Formula 1-es motorjaiban is alkalmazásra került - az új technológia, mint mindig, először a versenypályáról szivárgott át. A sorozatgyártás útja így haladt:

  • 1963: a Pontiac lett az első autógyártó, amely opcionális elektronikus gyújtást (Delcotronic) kínált; ugyanabban az évben a Hyland Electronics gyártotta az első kereskedelmi forgalomba hozott, teljesen szilárdtestes SCR kapacitív kisüléses gyújtást.
  • 1964-65: a Ford flottateszteket végzett, és néhány modellnél elkezdte kínálni az opcionális elektronikus gyújtást; az utólagos beszerelés piacán megjelent a Prest-O-Lite CD-65 (50 000 mérföldes garanciával) és a Delta Mark 10.
  • 1967-68: a Motorola bemutatta a breakerless CD rendszert; a Fiat Dino lett az első sorozatgyártású autó, amely alapfelszereltségként elektronikus gyújtással érkezett.
  • 1971-75: a Jaguar XJ Series 1 követte, majd a Chrysler, a Ford és a GM sora; a GM HEI rendszere 1974 végén került bemutatásra néhány járműben.

Az 1970-es évek közepén, amikor a gyújtókontaktusokat tranzisztorokkal kezdték helyettesíteni, a gyújtási feszültség körülbelül 20 kV-ra emelkedett - ami a Kettering-rendszer 10 000 voltos plafonjának megkétszerezése. Maga a disztribútor még egy ideig élt tovább; fenn tartotta elosztó feladatát, de az időzítést már nem mechanikus súlyok, hanem elektronikus agyak határozták meg. A disztribútorokat az 1980-as és 1990-es években nagyrészt elektronikus gyújtórendszerek váltották fel; a számítógép-vezérelt rendszer pontosabb időzítést és jóval kevesebb karbantartást kínált.

A disztribútor nyugdíjazása: Coil-on-Plug és a közvetlen gyújtás

Az elosztási logika megoldása az 1980-as évek közepén kezdődött. A GM elhagyta a disztribútort és az egyetlen tekercset, és többtekercses csomagokra állt át, amelyek mindegyike csak két hengert látott el; ennél a rendszernél a feszültség akár 100 000 voltig is felszaladhatott. A két hengert egyetlen tekercssel kezelő, az egyik szikrát eldobott szikraként (wasted spark) ismeres elrendezés a disztribútor nélküli gyújtás első gyakorlati formái közé tartozott. A Nissan NDIS (Nissan Direct Ignition System) nevű rendszerét először 1985-ben lehetett látni az RB20DET NICS és CA18DE NICS motorokban.

Az 1990-es évektől kezdve a coil-on-plug rendszerek elterjedtek: mindegyik gyújtógyertyán közvetlenül egy tekercs található, a nagyfeszültségű kábelek és a disztribútorrotor teljesen eltűnnek. A DENSO 1996-ban kifejlesztette az autóipar első kompakt, rúd típusú gyújtótekercsét, ezzel meghatározva a mai hengerfej-képet. A modern motorban az ECU egyetlen eszközzel szabályozza a gyújtást és a befecskendezést is beleértve a különféle motorfunkciókat - ez épp az ellentéte a korábbi időszakok széttagolt rendszereinek. A gyújtás már nem önálló alrendszer, hanem a motorvezérlés egyik részhalmaza.

RendszerIdőszakKiemelkedő jellemző
Elektromos gyújtógyertya (Lenoir)1860-tólAz első szikragyújtás
Nagyfeszültségű mágnesgyújtás (Bosch/Honold)1901-02-tőlAkkumulátor nélküli működés
Trembler tekercs (Benz, Ford Model T)1886 és 1908Hengerenként külön tekercs
Kettering / elosztós rendszer1912-tőlEgyetlen tekercs, körülbelül 10.000 V
Elektronikus gyújtás1963-tólPontkészlet nélküli, körülbelül 20 kV
Coil-on-plugAz 1990-es évektőlGyertyánként egy tekercs, akár 100.000 V

Hol tart ma a gyújtásrendszer? Határok és viták

Ugyanúgy él a vita a gyújtógyertya feltalálójának személyéről, mint a klasszikusautó-világban a pontkészlet-elektronikus gyújtás kérdése. A technikai oldal egyértelmű: a kontaktpontok elkopnak, beállítást igényelnek, és hatástalan szikrát is produkálhatnak. Ezzel szemben a klasszikus autótulajdonosok körében elterjedt az a nézet, hogy "a jól beállított pontkészletre nincs szükség elektronikus gyújtásra", és a gyakorlatban van rá példa, hogy ez igaz; az is tény, hogy az elektronikus alkatrészek javítási költsége magasabb lehet. Ahogy a Kettering-rendszer kifejlesztési évére vonatkozó források eltérnek, úgy ez a nézeteltérés is inkább a felhasználás kontextusából, semmint a mérés definíciójából fakad: a mindennapi használat és a concours-szintű originalitás eltérő követelmények.

A jövőt illetően a 2013-as értékelések azt jósolták, hogy az okhttpás gyújtás és a kompressziós gyújtás még egy ideig uralkodó marad. A HCCI (homogén kompressziós gyújtású) motorok benzinnel működhetnek, és a vezetési körülményeknek megfelelően két gyújtási mód között válthatnak, a hatékonyságot dízelszintre közelítve; ez mára nagyrészt még elméleti keret. A klasszikus autópiacon viszont a 123ignition-höz hasonló mikroprocesszoros, Bluetooth-os modern elosztók a Kettering-look megtartásával kínálnak korszerű megbízhatóságot - a múlt esztétikája kibékült a mai elektronikával.

Következtetés: Ugyanaz a szikra, változó architektúrák

A gyújtástechnológia 160 éves íve három szám által összegezhető: a Kettering-rendszerek 10.000 volthoz, az elektronikus átállás 20.000 volthoz, a coil-on-plug pedig 100.000 volthoz. A cél sosem változott; ami változott, az a szikrát előállító és időzítő architektúra mechanikusról szilárdtestesre történő fejlődése. A mágnesgyújtástól az elosztóig, majd gyertyánként egy tekercsig vezető út az autómérnökség általános történetének hű miniatürizációja: kevesebb kopó alkatrész, több kontroll, magasabb feszültség.

Források