Vad är tändspoleladdning?

När elektrisk ström matas till en tändspoles primärlindning tar det kort tid för strömflödet att uppnå ett maximalt amperetal. Eftersom styrkan hos magnetfältet (eller magnetflödet) som skapas runt lindningen står i direkt proportion mot strömflödet, tar det samma tid för magnetfältet att uppnå sin maxstyrka. När strömflödet och magnetfältet har uppnått maxstyrka kommer magnetfältet att vara stabilt.

Tiden det tar för magnetfältet att uppnå maxstyrka kallas ofta för tändspolens ”laddningstid”. 

Här kan två problem potentiellt uppstå:

1)        Om den elektriska strömmen inte matas till primärlindningen tillräckligt länge kommer magnetfältet inte uppnå maxstyrka.

2)        Om strömmen appliceras för länge kan det orsaka överhettning av de elektriska kretsarna och primärlindningen.

Hur lång tid tar tändspoleladdningen?

De nödvändiga laddningstiderna varierar beroende på typ av tändspole men ligger vanligtvis mellan 4 millisekunder (för äldre tändspolar) och 1,5 millisekunder (för många moderna spolar). 

Den period under vilken tändningssystemet tillför elektrisk ström till tändspolens primärlindning kallas ofta för ”uppehållsperiod” eller ”uppehållstid”. Med moderna tändningssystem styrs uppehållsperioden elektroniskt, så att det alltid finns tillräckligt med tid att ladda spolen helt. I äldre mekaniska tändningssystem innebar dock begränsningar i den mekaniskt manövrerade kontaktbrytaren att uppehållstiden minskade när motorhastigheten ökade. Det fick till följd att magnetfältet inte kunde uppnå maxstyrka vid högre motorhastigheter.

Vilka problem kan korta uppehållstider orsaka i ett mekaniskt tändningssystem?

I mekaniska tändningssystem är tändningstidens noggrannhet begränsad till hårdvarans kapacitet. Finjustering, inställningar och byte av komponenter måste ofta ingå i rutinunderhållet. Som ett exempel på dessa begränsningar visar (figur 1) den typiska motorvarvtalsrelaterade förställningen för ett mekaniskt tändningssystem, jämfört med den ideala förställningen.

Figur 1: En centrifugal förställningsmekanism kan inte exakt matcha den ideala förställningen

På grund av användningen av progressiva returfjädrar (figur 2) ökar förställningen från centrifugalsystemet i två linjära steg, medan den ideala förställningen däremot förändras i en icke-linjär progression. Den centrifugala förställningen måste ställas in exakt för att säkerställa korrekt tändförställning.   

Figur 2: Hur en mekanisk förställningsmekanism fungerar

Vad är skillnaden mellan uppehållsperiod och kamvinkel?

I ett mekaniskt tändningssystem startar uppehållsperioden när de roterande kamloberna låter kontaktbrytaren stängas, så att strömmen kan flöda genom spolens primärlindning. Uppehållsperioden slutar när en av kamloberna tvingar kontaktbrytaren att öppnas igen, vilket leder till att strömmen till primärlindningen stängs av. Uppehållsperioden beror därför på kamlobernas rotationsvinkel medan kontaktbrytaren är stängd.

(Figur 3) visar fyra kamlober (för en fyrcylindrig motor), vilket innebär att det kommer att vara 90 grader mellan samma punkter för intilliggande kamlober. Formen på kamloberna i exemplet gör att kontaktbrytaren kan förbli stängd i 60 graders rotation. När kontaktbrytaren är stängd och strömmen strömmar genom spolens primärlindning är alltså kamvinkel 60 fördelningsgrader.

Figur 3: Med 90 grader mellan kamloberna finns det ett 60 graders fönster där kontaktbrytaren är stängd

Exempel 1

En vevaxel roterar med 1 000 varv/min. Fördelarrotorn, som roterar med halvt motorvarvtal, kommer att rotera med 500 varv/min. Vid denna hastighet tar det 20 millisekunder för fördelningsaxeln att rotera genom den 60-gradiga kamvinkeln. Tändspolen kräver cirka 4 millisekunder laddningstid. Det finns alltså mer än tillräckligt med uppehållstid för att magnetfältet ska kunna byggas upp i spolen.

Om motorn roterar med 5 000 varv per minut tar samma 60-gradiga rotation av fördelningsaxeln bara 4 millisekunder. Det är exakt den tid som krävs för att ladda spolen med ett magnetfält på maxstyrka. Om motorn roterar snabbare än detta kommer det inte att finnas tillräckligt med tid för att ladda tändspolen helt och hållet. Resultatet kommer att bli mindre energi i magnetfältet och mindre spänning till tändstiftet.

Problemet med att uppehållstiden minskar när motorvarvtalet ökar blir mer tydligt i motorer med fler cylindrar.

Exempel 2

På en sexcylindrig motor kommer det att finnas sex kamlober som har endast 60 grader mellan varje lob (figur 4) och endast 40 grader för kamvinkeln. Vid en motorhastighet på 5 000 varv/min kommer den 40-gradiga kamvinkeln endast att hålla i 2,6 millisekunder. Om spolen kräver 4 millisekunder för att ladda helt kommer uppehållstiden att vara för kort, vilket resulterar i en lägre spänning och potentiella feltändningar.

Figur 4: Med sex kamlober finns det bara en 40-gradig kamvinkel

I mekaniska tändningssystem använde man olika lösningar för att övervinna problemet med att minska uppehållstiderna. En lösning var att använda en mer kraftfull tändspole. En annan extrem lösning – för högvarviga motorer med åtta eller tolv cylindrar – var att montera två separata fördelare med varsin egen tändspole. Motorerna hade med andra ord i praktiken två separata tändningssystem, som vart och ett levererade högspänning till tändstiften på hälften av motorns cylindrar.

Hur är detta relaterat till moderna tändningssystem?

Mekaniska system hjälper oss att förstå utvecklingen av de nuvarande digitala tändningssystemen. 

Tändstiftet är dem enda nödvändiga delen av bensinmotorns tändningssystem som aldrig har bytts ut och förmodligen aldrig kommer göra det.

För motortillverkare är det helt avgörande att tändstiftet levererar hög prestanda och en exakt tändningstid. För att möta dessa krav kombinerar DENSO sin mångåriga expertis med de bästa och mest beprövade kvalitetssystemen.