Powrót do podstaw: jak działają cewki zapłonowe?
Historia cewki zapłonowej
Choć współczesne układy zapłonowe z cewkami zapłonowymi znacznie różnią się od pierwszych układów zapłonowych – głównie ze względu na zastosowanie elektroniki – to wciąż bazują na rozwiązaniach, które zostały opracowane ponad 100 lat temu.
Wynalezienie układu zapłonowego wykorzystującego cewkę zapłonową przypisuje się amerykańskiemu wynalazcy Charlesowi Ketteringowi. Około roku 1910/1911 opracował on układ zapłonowy dla jednego z największych producentów aut. Zastosowanie efektywnego układu zapłonowego z cewką zapłonową było możliwe dzięki zastosowaniu 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 (jedna elektroda jest przypisana jednemu cylindrowi). Elektrody kopułki rozdzielacza były połączone przewodami zapłonowymi ze świecami zapłonowymi, w takiej kolejności, że możliwe było przekazywanie wysokiego napięcia do świec zapłonowych poszczególnych cylindrów, w kolejności występowania w nich zapłonów.
Rys. 1: Główne elementy układu zapłonowego Ketteringa
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. rozpoczęto zastępowanie mechanicznych układów zapłonowych przez układy zapłonowe wyzwalane i kontrolowane elektronicznie.
Podstawy działania cewek zapłonowych
Aby możliwe było generowanie wysokiego napięcia, cewki zapłonowe wykorzystują zależności pomiędzy elektrycznością a magnetyzmem.
Jeśli prąd elektryczny płynie przez przewodnik elektryczny, taki jak cewka zwinięta z drutu, to wokół niej powstaje pole magnetyczne (Rys. 2). W polu magnetycznym – a mówiąc dokładniej w strumieniu magnetycznym – jest gromadzona energia. Można ją powtórnie przekształcić w energię elektryczną.
Rys. 2: Wytwarzanie pola magnetycznego przez przepływ prądu elektrycznego przez cewkę
Gdy włączany jest przepływ prądu elektrycznego, jego natężenie stopniowo, szybko rośnie, aż do osiągnięcia stałej maksymalnej wartości. Jednocześnie stopniowo rośnie natężenie pola (strumienia) magnetycznego. Gdy natężenie prądu osiąga 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:
1) Zwiększenie natężenia prądu zasilającego cewkę zwiększa natężenie pola magnetycznego.
2) Zwiększenie liczby zwojów cewki zwiększa natężenie pola magnetycznego.
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. To zjawisko jest znane jako indukcja elektromagnetyczna.
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).
Rys. 3: Pole magnetyczne o zmiennym natężeniu lub pole magnetyczne będące w ruchu względem cewki indukuje prąd elektryczny w cewce
Są dwa główne czynniki, które wpływają na napięcie indukowanego prądu w cewce:
- Im szybszy jest ruch pola magnetycznego lub większa zmiana jego natężenia, tym większe jest indukowane napięcie.
- Im większa jest ilość uzwojeń cewki, tym większe jest indukowane napięcie.
Wykorzystanie zaniku pola magnetycznego do indukcji prądu elektrycznego
Jeśli pole magnetyczne jest tworzone przez zasilanie prądem elektrycznym cewki, to zwiększenie lub zmniejszenie natężenia prądu elektrycznego powoduje taką samą zmianę natężenia pola magnetycznego. Jeśli przepływ prądu elektrycznego zostanie wyłączony, to natężenie pola magnetycznego gwałtownie maleje – zanika. Zanikające pole magnetyczne indukuje wówczas w cewce prąd elektryczny (rys. 4).
Rys. 4: Jeśli przepływ prądu elektrycznego zostanie wyłączony, to natężenie pola magnetycznego zanika, co indukuje w cewce prąd elektryczny
Analogicznie, tak jak wzrost prędkości ruchu pola magnetycznego, które obejmuje zwoje cewki, zwiększa indukowane napięcie, szybszy zanik pola magnetycznego powoduje indukowanie się wyższego napięcia. Ponadto indukowane w cewce wysokie napięcie zwiększa się, jeśli ma ona większą ilość 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), to 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 wtórym nazywamy indukcją wzajemną (rys. 5).
Rys. 5: Pole magnetyczne w uzwojeniu pierwotnym obejmuje również uzwojenie wtórne. Zanik pola magnetycznego powoduje indukcję napięcia w obu uzwojeniach
Uzwojenie wtórne cewek zapłonowych posiada większą ilość zwojów niż uzwojenie pierwotne, analogicznie jak w transformatorze, którego zadaniem jest zwiększenie napięcia wyjściowego w stosunku do napięcia zasilania. Z tego powodu, gdy pole magnetyczne gwałtownie zanika, w uzwojeniu wtórym indukuje się napięcie wyższe w porównaniu do napięcia indukowanego w uzwojeniu pierwotnym (rys. 6).
Rys. 6: Uzwojenie wtórne ma więcej zwojów niż uzwojenie pierwotne. Gdy pole magnetyczne zanika, w uzwojeniu wtórym indukuje się napięcie wyższe w porównaniu do napięcia indukowanego w uzwojeniu pierwotnym
Uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej tworzy zwykle 150 do 300 zwojów drutu, a uzwojenie wtórne tworzy zwykle od 15 000 do 30 000 zwojów drutu. Ilość zwojów uzwojenia wtórnego jest więc ok. 100 razy większa niż pierwotnego.
Pole magnetyczne jest tworzone przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej. Z chwilą zamknięcia jego obwodu, to uzwojenie 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 stukrotnie wyższe napięcie, wynoszące ok. 20 000 woltów.
Dzięki wykorzystaniu zjawiska indukcji wzajemnej oraz uzwojenia wtórnego, które ma 100 razy więcej zwojów niż uzwojenie pierwotne, możliwa jest transformacja napięcia 12 woltów, zasilającego uzwojenie pierwotne, w bardzo wysokie napięcie. Ten proces zmiany niskiego napięcia na wysokie napięcie 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.
DENSO jest wieloletnim liderem w technologii bezpośredniego zapłonu, a cewki zapłonowe DENSO są dostępne na rynku wtórnym. Dowiedz się więcej o typach cewek zapłonowych DENSO i ich zaletach.