Jak Silnik Otrzymał Iskierę? Zapomniana Historia Świecy Zapłonowej i Magneta

Układ zapłonowy to podukład odpowiedzialny za zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze silnika spalinowego po zamknięciu i sprężeniu; bez tego układu, wytwarzającego kontrolną iskrę w świecy, nie da się ukończyć cyklu czterosuwowego. Linia licząca ponad 150 lat, sięgająca od silnika Étienne'a Lenoira z 1860 roku po dzisiejsze układy coil-on-plug, jest w istocie historią rozwiązywania jednego problemu: wytwarzania iskry we właściwym momencie, przy odpowiednim napięciu, w niezawodny sposób.

Silnik, który narodził się z problemem iskry: Pierwsze świece i Lenoir

Pierwszy przykład tłokowego silnika spalinowego już u swych narodzin przyniósł ze sobą problem zapłonu. W 1860 roku Étienne Lenoir zastosował elektryczną świecę w silniku gazowym noszącym jego nazwisko i to jemu generalnie przypisuje się wynalazek świecy zapłonowej. Zasada działania systemu zaskakująco przypominała dzisiejszą: elektryczność wysokiego napięcia przeskakiwała przez szczelinę powietrzną między elektrodami świecy, wytwarzając iskrę. Koncepcja świecy, czyli zapłonu iskrowego (spark-ignition), nie zmieniła się wcale; podstawowa zasada działania pozostaje taka sama od ponad 150 lat.

Na drodze do komercyjnej dojrzałości świecy wybija się drugie nazwisko: Frederick Richard Simms. Simms był właścicielem patentu GB 24859/1898 dotyczącego magnetowy dla silników spalinowych i uchodzi za wynalazcę pierwszej komercyjnie stosowalnej świecy wysokiego napięcia. Nie był przypadkiem fakt, że w tym samym roku rozpoczął współpracę z Boschem; aby świeca działała, potrzebne było niezawodne źródło wysokiego napięcia, a źródłem tym miał okazać się magneto.

Przypisanie zasług za wynalazek świecy budzi spory do dziś. Choć Lenoir jest powszechnie uznaną postacią, istnieją również zapisy wskazujące, że świecę elektryczną wynalazł Oliver Lodge; pojawia się też nazwisko Edmonda Bergera. Początki zapłonu pojemnościowego (CDI) sięgają lat 90. XIX wieku i prac Nikoli Tesli. Podobnie jak w większości dziedzin historii inżynierii, dokładniejsze jest mówienie o kilku wzajemnie się napędzających wkładach niż o jednej nazwisku.

Era magnetowa Iskra bez akumulatora i wzrost znaczenia Boscha

W pierwszych latach motoryzacji nie istniało praktycznie to, co dziś rozumiemy jako instalację elektryczną; przewożenie akumulatora było ciężkie, drogie i zawodne. Magneto wypełniło tę lukę: ponieważ wytwarzało prąd dzięki własnemu obrotowi, dostarczało impuls iskrowy bez akumulatora. Robert Bosch w 1887 roku wyprodukował pierwsze urządzenie zapłonowe typu magneto dla silników stacjonarnych; W 1897 roku rozpoczęto testy zapłonu magnetowego w pojazdach, a produkcja seryjna ruszyła w 1898 roku. Od tego momentu Bosch stał się praktycznie jedynym niezawodnym producentem dostarczającym zapłon magnetowy do samochodów.

Kluczowy skok nastąpił pod koniec 1901 roku. Techniczny dyrektor Boscha, Gottlob Honold, opracował w zakładach w Stuttgarcie pierwszy na świecie magnetowysokonapięciowy wraz z towarzyszącą mu świecą zapłonową. Ten duet wyeliminował potrzebę akumulatora w samochodzie i uczynił świece zapłonowe naprawdę praktycznymi. Około 1902 roku Bosch wprowadził magnet z podwójną cewką, ze stałą świecą zapłonową i przerywaczem zlokalizowanym poza cylindrem. W latach poprzedzających 1914 magnet Boscha dominował na rynku; a ówczesne publikacje naukowe szczegółowo omawiały rozważania dotyczące wyboru między magnetem a zapłonem bateryjnym.

Magnet wysokiego napięcia definiuje się jako połączenie magneto-transformatora wysyłającego impulsy wysokiego napięcia do świecy zapłonowej. Obecnie jest on używany głównie w silnikach bezakumulatorowych - kosiarkach, pilarkach spalinowych - oraz wciąż w nowoczesnych samolotach z silnikami tłokowymi. Fakt, że technologia została wycofana z samochodów, lecz pozostała standardem w lotnictwie, jest dobrym wskaźnikiem tego, jak solidne fundamenty zostały w niej położone.

Cewki Trembler: Model T i droga wybrana przez Benza

Magnet nie był jedyną drogą. Benz Patent-Motorwagen z 1886 roku i Ford Model T z 1908 roku wykorzystywały system zwany cewką trembler. W tym układzie cewka, zasilana prądem przerywanym przez mechanizm przerywacza, wytwarzała drżący, przerywany iskrę. W Modelu T każdy z czterech cylindrów miał oddzielną cewkę trembler; było to rozwiązanie proste, łatwe w naprawie i mogące działać na akumulatorze. Patrząc na pojazdy tamtych czasów, widać dwie główne szkoły: obóz magneta bezakumulatorowego i obóz cewki trembler. Odpowiedź na pytanie, który z nich wygrał, została wyjaśniona wraz z rozwojem opisanym w następnym rozdziale.

System Ketteringa: Dlaczego rozdzielacz wystarczył na pół wieku?

Charles F. Kettering około 1910 roku opracował system zapłonu bateryjno-cewkowy - układ znany jako system Delco. System składał się z czterech głównych komponentów: cewki zapłonowej, styków przerywacza (breaker points), kondensatora i rozdzielacza. Pojedyncza cewka podnosiła niskie napięcie do wysokiego, a napięcie było kierowane do właściwej świecy za pomocą ramienia wirnika wewnątrz rozdzielacza. System po raz pierwszy wprowadzono w samochodach Cadillac w 1912 roku; choć w źródłach rok rozwoju podawany jest różnie jako 1910, 1911 i 1912, historię modelu Cadillac z 1912 roku uznaje się za najbardziej wiarygodną i wskazuje ona również na pierwsze użycie systemów opartych na rozdzielaczu w 1912 roku.

Powodem zwycięstwa systemu Ketteringa nie była elegancja inżynieryjna, lecz niska cena i względna prostota. Te dwie cechy uczyniły go przez długie lata podstawowym systemem zapłonowym przemysłu motoryzacyjnego. Od Cadillaca Model Thirty z 1912 roku układy rozdzielacza punktowego pozostawały podstawowym systemem w większości samochodów aż do połowy lat 70.

Granica tego systemu była zresztą jasna od początku. Mechaniczny układ był w stanie wygenerować około 10 000 woltów na świecy zapłonowej; elastyczność przy zmiennych warunkach obciążenia i obrotów była ograniczona. Punkty stykowe były narażone na zużycie mechaniczne, utlenianie i wypalanie spowodowane iskrami otwierającymi się na powierzchniach stykowych; wymagały regularnej regulacji i mogły powodować nieefektywne iskrzenie. Innymi słowy, system działał, ale jego inżynieryjny limit był niski - i ten limit otworzył drzwi do elektroniki zapłonowej.

Od punktów do tranzystorów: Przejście na elektroniczny zapłon

Przejście rozpoczęło się wcześniej, niż można by przypuszczać. Pierwsza próba elektronicznego zapłonu jako układu z zimną katodą została przetestowana przez Delco-Remy w 1948. Lucas wprowadził zapłon tranzystorowy w 1955, a system ten został zastosowany w 1962 w silnikach Formuły 1 BRM i Coventry Climax - nowa technologia, jak zwykle, najpierw przedostała się na tory wyścigowe. Droga do produkcji seryjnej przebiegała następująco:

• 1963: Pontiac stał się pierwszym producentem samochodów oferującym opcjonalny zapłon elektroniczny (Delcotronic); w tym samym roku Hyland Electronics wyprodukował pierwszy komercyjny w pełni tranzystorowy (SCR) pojemnościowy system rozładowania.
• 1964-65: Ford przeprowadził testy flotowe i zaczął oferować opcjonalny zapłon elektroniczny w niektórych modelach; na rynku pojawił się rynek wtórny Prest-O-Lite CD-65 (z gwarancją 50 000 mil) i Delta Mark 10.
• 1967-68: Motorola wprowadziła system CD bez przerywacza; Fiat Dino stał się pierwszym seryjnie produkowanym samochodem ze standardowym zapłonem elektronicznym.
• 1971-75: Jaguar XJ Series 1, po którym podążyły Chrysler, Ford i GM; system HEI GM został wprowadzony w niektórych pojazdach pod koniec 1974 roku.

W połowie lat 70., gdy zaczęto zastępować styki przerywacza tranzystorami, napięcie zapłonowe wzrosło z około 20 kV, czyli dwukrotnie przekraczając pułap 10 000 woltów systemu Ketteringa. Sam rozdzielacz żył jeszcze przez jakiś czas; nadal pełnił funkcję dystrybucji, ale to nie mechaniczne ciężarki, a elektroniczne "mózgi" określały teraz czas. W latach 80. i 90. został w dużej mierze zastąpiony elektronicznymi systemami zapłonowymi; system sterowany komputerowo oferował dokładniejszy czas i znacznie mniej konserwacji.

Koniec rozdzielacza: Coil-on-Plug i zapłon bezpośredni

Rozwiązywanie logiki dystrybucji rozpoczęło się w połowie lat 80. GM zaczął zastępować rozdzielacz i pojedynczą cewkę pakietami wielu cewek, z których każda zasilała tylko dwa cylindry; w tym układzie napięcie mogło wzrosnąć do 100 000 woltów. Układ zarządzający dwoma cylindrami za pomocą jednej cewki, znany jako iskra tracona, stał się jedną z pierwszych praktycznych form zapłonu bez rozdzielacza. System Nissana, zwany NDIS (Nissan Direct Ignition System), po raz pierwszy pojawił się w 1985 w silnikach RB20DET NICS i CA18DE NICS.

Od lat 90. układy coil-on-plug upowszechniły się: bezpośrednio na każdej świecy zapłonowej znajduje się cewka, a przewody wysokiego napięcia i wirnik rozdzielacza całkowicie znikają. DENSO, w 1996 roku opracowując pierwszą w branży motoryzacyjnej kompaktową cewkę zapłonową typu stick, ukształtował dzisiejszy wygląd pokrywy zaworów. We współczesnym samochodzie ECU kontroluje za pomocą jednego urządzenia różne funkcje silnika, w tym zapłon i wtrysk paliwa - to architektura całkowicie odmienna od rozdzielonych systemów z wcześniejszych epok. Zapłon nie jest już niezależnym podsystemem, lecz podzbiorem zarządzania silnikiem.

Gdzie dziś jest system zapłonowy? Granice i kontrowersje

Tak jak kwestia tożsamości wynalazcy świecy, tak spór o punkty i elektronikę w świecie pojazdów klasycznych zachowuje swoją żywotność. Strona techniczna jest jasna: styki kontaktowe się zużywają, wymagają regulacji i mogą generować nieefektywną iskrę. Z kolei wśród właścicieli pojazdów klasycznych rozpowszechniony jest pogląd, że "dobrze wyregulowane styki nie potrzebują zwykłego zapłonu elektronicznego" i w praktyce bywa on uzasadniony; prawdą jest też, że koszt naprawy podzespołów elektronicznych może być wyższy. Podobnie jak rozbieżność między źródłami co do roku rozwoju systemu Ketteringa, tak i tu spór wynika bardziej z kontekstu użycia niż z definicji pomiaru: codzienna eksploatacja i oryginalność na poziomie concours to różne wymagania.

Jeśli chodzi o przyszłość, oceny z 2013 roku przewidywały, że zapłon iskrowy oraz zapłon od sprężania jeszcze przez jakiś czas pozostaną dominujące. Silniki HCCI (homoergoniczny zapłon od sprężania) mogą działać na benzynie i przełączać się między dwoma trybami zapłonu w zależności od warunków jazdy, zbliżając wydajność do poziomu diesla; jest to jednak do dziś w dużej mierze ramy teoretyczne. Na rynku pojazdów klasycznych natomiast nowoczesne rozdzielacze oparte na mikroprocesorze z Bluetooth, takie jak 123ignition, oferują współczesną niezawodność zachowując wygląd Ketteringa - estetyka przeszłości została pogodzona z elektroniką dnia dzisiejszego.

Podsumowanie: Ta sama iskra, zmieniające się architektury

160-letnia krzywa technologii zapłonu mieści się w trzech liczbach: 10 000 woltów układów Ketteringa, 20 000 woltów przejścia na elektronikę i 100 000 woltów coil-on-plug. Cel nigdy się nie zmienił; zmieniała się architektura wytwarzania i czasowania iskry, ewoluując od mechanicznej do stałej. Droga od magnet do rozdzielacza i od rozdzielacza do cewki na każdą świecę to wiernie zmniejszony obraz ogólnej historii inżynierii samochodowej: mniej części podatnych na zużycie, większa kontrola, wyższe napięcie.

Źródła

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905: Od pierwszego warsztatu do fabryki
• Bosch Automotive – historia produktów
• Jak urządzenie zapłonowe magnetowe Boscha umożliwiło powstanie świec zapłonowych
• Ewolucja zapłonu
• DENSO przedstawia ewolucję cewki zapłonowej
• Od styków do precyzji: wiek układów zapłonowych
• Zapłon elektroniczny
• Zapłon magnetowy czy cewkowy dla samochodów
• Frederick Richard Simms ��1
• Étienne Lenoir ��1
• Zrozumienie elektronicznych rozdzielaczy zapłonu
• Styki czy elektronika w starszych samochodach