Sistemul de aprindere cu ruptor-distribuitor

Scopul unui sistem de aprindere este de a produce și furniza o scânteie în interiorul cilindrului, spre sfârșitul fazei de comprimare, pentru a aprinde amestecul carburant la motoarele pe benzină.

    Pentru ca scânteia să se producă, între electrozii unei bujii (distanța de 0.6 mm) la presiunea de 1 bar, este necesară o tensiune de 2000 – 3000 V. La motoarele cu ardere internă, în condițiile de presiune și temperatură din cilindri, sistemul de aprindere trebuie să furnizeze între 8000 și 20000 V, pentru a face posibilă apariția scânteii.

Foto: Ansamblu distribuitor sistem de aprindere mecanic

    În acest articol vom discuta despre sistemele de aprindere mecanice cu ruptor-distribuitor. Acestea sunt printre primele sisteme utilizate pe motoarele pe benzină de automobile. Controlul producerii scanteii este de natură mecanică, din acest motiv modul de funcționare este mai facil de înteles.

    Motoarele pe benzină moderne sunt echipate cu sisteme de aprindere avansate, electronice. La acestea, controlul producerii scânteii se face integral cu calculatorul de injecție. Despre acest tip de sisteme de aprindere vom discuta pe larg într-un articol viitor.

    Tensiune generată între electrozii bujiei trebuie să fie suficient de mare pentru a produce scânteia, indiferent de regimul de funcționare al motorului (sarcină și turatie).

Foto: Sistem de aprindere cu ruptor-distribuitor (portocaliu - circuit primar, roșu - circuit secundar)

1. baterie de acumulatori
2. bobină de inducție
3. condensator
4. ruptor (platină)
5. distribuitor
6. bujii
7. cheie contact

    Sistemul de aprindere cu ruptor-distribuitor este compus din două circuite electrice:

• circuitul primar (de joasă tensiune, 12 – 14 V)
• circuitul secundar (de înaltă tensiune, 8000 – 20000 V)

Foto: Modul de funcționare al sistemului de aprindere cu ruptor-distribuitor

    În circuitul primar intră bateria de acumulatori (1), butucul cheii de contact (7), bobina de inducție (2), ruptorul (4) și condensatorul (3). Din circuitul secundar fac parte distribuitorul (5) și bujiile (6).

    Pentru producerea scânteii la bujii se parcurg 4 etape:

1. încărcarea bobinei de inducție
2. întreruperea circuitului primar
3. inducerea tensiunii înalte în circuitul secundar
4. producerea scânteii la bujie

    Bateria de acumulatori, la punerea contactului, alimentează cu energie electrică bobina de inducție. În bobina de inducție se află două înfășurări, prima conectată cu circuitul primar iar cea de-a doua cu circuitul secundar.

Foto: Bobină de inducție Bosch	Foto: Secțiune longitudinală printr-o bobină de inducție

1. înfășurare primara (de joasă tensiune)
2. bornă înfășurare primară (conectată la bateria de acumulatori)
3. bornă înfășurare secundară (conectată la rotorul distribuitorului)
4. bornă înfășurare primară (conectata la ruptor)
5. înfășurare secundară (de înaltă tensiune)
6. miez de fier

    Când circuitul primar este închis, bobina se încarcă cu energie electrică (etapa 1). În momentul deschiderii ruptorului curentul electric din circuitul primar este întrerupt (etapa 2), iar intensitatea câmpului magnetic, generat de înfășurarea primară, începe să varieze, ceea ce conduce la inducerea unei tensiuni înalte în înfășurarea secundară (3). Creșterea tensiunii în circuitul secundar conduce la străpungerea întrefierului bujiei și implicit la producerea scânteii (etapa 4).

    Ruptorul are rolul de a închide și deschide circuitul primar. Acest dispozitiv mai este cunoscut și sub numele de „platină”, deoarece contactele acestuia conține metale prețioase (printre care și platină) pentru o mai bună conductivitate electrică.

Foto: Ruptor sistem de aprindere	Foto: Animație funcționare ruptor sistem de aprindere

    Borna înfășurării secundare din bobina de inducție este conectată printr-un cablu (fișă) la borna centrală a distribuitorului. În capacul distribuitorului se află un rotor. Acesta închide circuitul secundar în dreptul bujieicare trebuie să producă scânteie în momentul respectiv. Deschiderea ruptorului trebuie sincronizată cu poziția pistonului în cilindru și cu poziția rotorului din capacul distribuitorului.

Foto: Capac distribuitor cu fișe conectate (motor 6 cilindri)

    Capacul distribuitorului conține un rotor care închide circuitul secundar pentru fiecare bujie în parte, succesiv, în funcție de ordinea de aprindere. În funcție de numărul de cilindri ai motorului din capacul distribuitorului sunt prevăzute fișe care alimentează fiecare bujie. Fișa centrală este conectată la bobina de inducție.

Foto: Interior capac distribuitor (motor 6 cilindri)

    Curentul electric din circuitul primar este întrerupt de ruptor și induce în circuitul secundar tensiuni de până la 20000 V. În funcție de ordinea de aprindere a cilindrilor, tensiunea electrică este distribuită la fiecare bujie de rotorul distribuitorului, prin capac și fișe.

Foto: Ansamblu distribuitor

1 – corp distribuitor
2 – capac distribuitor
2a – bornă centrală (conexiune cu înfășurarea secundară a bobinei de inducție)
2b – borne radiale (conexiune cu bujiile cilindrilor)
3 – cameră avans pneumatic
4 – conector circuit primar (de la bobina de inducție)

    În interiorul distribuitorului se află ruptorul, condensatorul și mecanismele de avans centrifugal și vacuumatic.

Foto: Vedere din interiorul distribuitorului

1. camă acționare ruptor
2. ruptor (parte fixă)
3. ruptor (parte mobilă)
4. arc lamelar de revenire
5. condensator
6. conector circuit primar (de la bobina de inducție)

    Cama de ridicare (1), a părții mobile a ruptorului (3), este montată pe axul central al distribuitorului. Turația axului distribuitorului este 1/2 din turația motorului, deorece scânteia trebuie produsă doar la una din două rotații complete ale arborelui cotit. Axul distribuitorului este antrenat de arborele cu came prin angrenare mecanică.

    Mișcarea axului central este sincronizată cu mișcarea arborelui cotit pentru a putea genera scânteia la cilindrul care va fi la sfârșitul comprimării. Pe același ax central este montat și rotorul distribuitorului care închide circuitul secundar pentru fiecare cilindru/bujie în parte.

Foto: Rotor distribuitor	Foto: Condensator distribuitor

    Condensatorul este montat în paralel cu contactele ruptorului. Acesta are doua funcții în cadrul sistemului de aprindere. La deschiderea ruptorului absoarbe o parte din curentul electric al circuitului primar, limitând astfel formarea arcului electric. La refacerea contactului ruptorului cedează energia acumulată către circuitul primar, reducând astfel timpul de energizare al bobinei de inducție.

    Odată cu creșterea turației motorului termic scade timpul cât ruptorul este închis, circuitul primar are mai puțin timp de înmagazinare a energiei. Astfel, tensiunea indusă în circuitul secundar scade, intesitatea și durata scânteii este redusă. Din acest motiv sistemele de aprindere cu ruptor-distribuitor, pentru un motor cu 4 cilindri, sunt limitate la maximum 9000 rot/min.

Foto: Mecanismul de acționare al ruptorului – unghiul Dwell

1. parte fixă ruptor
2. parte mobilă ruptor
3. camă de acționare

1. unghi/perioadă ruptor deschis
2. unghi/perioadă ruptor deschis (unghiul Dwell)

    După ce amestecul aer-carburant s-a aprins, propagarea frontului de flacără în cilindru se realizează cu o anumită viteză (ex. 24 m/s). Din acest motiv arderea completă a amestecului aer-carburant necesită un anumit interval de timp. În plus se urmărește obținerea presiunii maxime în cilindru imediat după PMI, cândpistonul își începe cursa de destindere.

    Pentru a obține aceste caracteristici este necesar ca declanșarea aprinderii amestecului aer-carburant să se producă înainte ca pistonul să ajungă la PMI. Unghiul, în grade rotație arbore cotit (°RAC), la care se produce scânteia în cilindru se numește avans la aprindere.

Foto: Cuplul motor maxim în funcție de avansul la aprindere

    Pentru a obține cuplul maxim al unui motor, la un motor pe benzină, scânteia trebuie să se producă cu un avans optim de 20 – 25 °RAC. De exemplu, dacă bujia produce scânteia exact când pistonul este la PMI (avans 0 °RAC) cuplul motor maxim este cu 60% mai mic față de cazul în care s-ar aplica avansul optim.

    Unghiul de avans optim la aprindere depinde de mai mulți factori:

• turația motorului
• sarcina motorului
• compoziția amestecului aer-carburant
• raportul de comprimare
• tipul combustibilului

    Pentru un anumit motor și combustibil, avansul la aprindere depinde de 2 factori: turația și sarcina motorului. Sistemul de aprindere cu ruptor-distribuitor are prevăzute două mecanisme de reglare a avansului la scânteie, în funcție de turația și sarcina motorului.

Foto: Sistemele de reglare a avansului la aprindere

1. mecanism centrifugal
2. mecanism pneumatic

    Odată cu creșterea turației motorului timpul disponibil pentru arderea amestecului aer-combustibil este mai mic. Din acest motiv, pentru a păstra performanțele dinamice ale motorului, la creșterea turației motorului avansul la aprindere este mărit. Corelația avansului la aprindere cu turația motorului termic se face utilizând un mecanism centrifugal.

Turație mică	Turație mare

Foto: Mecanismul de avans centrifugal al sistemului de aprindere cu ruptor-distribuitor

1. arc elicoidal
2. platou camă acționare ruptor
3. contragreutate

    Odată cu creșterea turației, contragreutățile (3), datorită forței centrifuge, pivotează în jurul articulației și apasă asupra platoului (2) rigidizat cu cama de deschidere a ruptorului. Astfel cama ruptorului se va roti suplimentar  în sensul rotii sale și va acționa mai devreme contactul ruptorului. În acest mod bujia va produce scânteie cu avans mai mare decât în cazul unei turații scăzute.

    La reducerea turației arcurile elicoidale (1) aduc contragreutățile (3) în poziția inițială iar acțiunea asupra camei de acționare a ruptorului se inversează. Aceasta va fi rotită în sens invers sensului de rotație ceea ce va întâzia deschiderea ruptorului.

    De obicei, acest tip de mecanism reglează avansul la aprindere pentru turații mai mari de 1000 rot/min. Totodată, avansul centrifugal se limitează la valoarea maximă începând cu 4000 rot/min, când contragreutățile sunt în poziția maxim deschisă.

    Motoarele care utilizau sisteme de aprindere mecanice cu ruptor-distribuitor nu reglau amestecul aer-combustibil în jurul valorii stoichiometrice. La aceste motoare, odată cu creșterea sarcinii, creștea și cantitatea de combustibil admisă în cilindri și implicit presiunea și temperatura la sfârșitul cursei de comprimare. În aceste condiții viteza de ardere a amestecului era mai mare iar pentru a păstra performanțele optime ale motorului avansul la aprindere trebuie redus.

    Reducerea avansului la apridere odată cu creșterea sarcinii motorului se face cu ajutorul mecanismului vacuumatic al distribuitorului.

Foto: Mecanismul vacuumatic de reglare a avansului la aprindere în funcție de sarcina motorului	Foto: Modul de funcționare al mecanismului vacuumatic

    Mecanismul de avans vacuumatic conține o cameră cu membrană care este conectată la galeria de admisie a motorului, după clapeta obturatoare. La sarcini mici, cand depresiunea după obturator este mare, în cameră se creează vacuum care acționează tija mecanismului. Acesta este conectată la suportul mobil pe care este montat ruptorul. Tija rotește platoul în sens invers sensului de rotatie al camei, iar ruptorul va fi deschis mai devreme (avans mai mic). La sarcini mari ale motorului termic, când obturatorul este deschis, depresiunea scade iar platoul revine la poziția inițială avansul fiind mărit.

    Acest sistem de aprindere cu ruptor-distribuitor nu mai este utilizat pe motoarele de fabricație curentă dar este deosebit de interesant mai ales datorită mecanismelor de corecție a avansului. Motoarele moderne au sisteme de aprindere integral electronice, comandate de calculatorul de injecție. Despre acestea vom discuta pe larg într-un articol viitor.

Video – modul de funcționare al sistemului de aprindere cu ruptor-distribuitor

Posted in: