Az ionáram-méréses gyújtás alapjai

A belső égésű motorban az égés során, a lángfront terjedésekor lejátszódó kémiai folyamatok során ionok is keletkeznek. Az ionizációs folyamat ezen részét kémiai ionizációnak nevezi a szakirodalom. Az égés előrehaladtával, a nyomás és a hőmérséklet-növekedés hatására létrejövő ionokat már termikus ionizációs szakaszba soroljuk. Az ionáram mérhető, melynek alakulásából a következő jellemzőkre következtethetünk: a kopogásos égésre, az égéskimaradásra, a szükséges előgyújtás értékére, és becsülhetjük a tüzelőanyag-levegő arányt is.

1. ábra: az ionárammérés elvi kapcsolása

Az égéstérben létrejövő ionok mennyiségére voltaképpen egyszerűen következtethetünk, ha az 1. ábrán látható kapcsolás szerint az égéstérbe benyúló elektródapárra feszültséget kapcsolva az elektródák között kialakuló ionáramot mérőellenálláson eső feszültség segítségével mérjük. Innentől már csak logikailag egy lépés, hogy az elektródapár akár a gyújtógyertya elektródái is lehetnének, melyekre a gyújtóív kialvása után feszültséget kapcsolva az ionáram mérhetővé válik.

A mért ionáram ,,idealizált” regisztrátumát a 2. ábrán láthatjuk, melyet a szakirodalom kettős hullámú ionáramfüggvénynek nevez.

2. ábra: kettős hullámú ionáramfüggvény

A 2. ábrán látható 3 szakasz a következőképpen osztható fel:

1. Gyújtási fázis – A gyújtási folyamatban vesz részt. Ívfenntartáskor az ívfej és ívhát alatti szakaszt eltérő léptékkel mutatják ezen az ábrán. Hiszen a szekunder oldali szórt kapacitások kisülésekor igen rövid ideig akár 100 A-es áram is kialakulhat.

2. Kémiai ionizáció – Az égés képzi az ionokat. Az égés során a különböző ionok más-más sebességgel rekombinálódnak. Az ionáram csúcsa akkor van, amikor a lángfront a gyertyaelektródával közvetlen kapcsolatban van.

3. Termikus ionizáció – A nagy nyomás és hőmérséklet képzi az ionokat. Az ionáramcsúcs helye kifejezetten az égéstérben uralkodó nyomáscsúcs helyétől függ. Azaz a nyomáscsúcs maximumakor a mért ionáram is maximális értékű a második hullámszakaszban.

A mért ionáramgörbe gyújtás utáni görbeszakaszát kiértékelve a következő jellemzőkre következtethetünk:

– Égéslefolyás jellege a hengerben – azaz történt-e kopogásos égés. Mivel kopogásos égésnél az ionáramgörbére a hirtelen nyomás- és hőmérsékletváltozások miatt nagyfrekvenciás jel szuperponálódik.

– Égéskihagyás – az ionáram ellaposodottságából, csúcsnélküliségéből detektálható.

– A hengerben uralkodó nyomáscsúcs pontos helye, mivel a 2. szakasz (termikus ionizációs rész) ionáramcsúcsa pontosan definiálja a helyét. Ezáltal minden egyes hengerben az adott üzemállapotnak megfelelő, maximális teljesítményleadáshoz tartozó előgyújtás határozható meg.

– Nyomásfelépülés jellege – Erre az ionáram alakjából következtethetünk.

– Becsülhető a tüzelőanyag-levegő arány – az ionáramgörbe jellegéből, nagyságából és motorvezérlő által feldolgozott bemenő információkból (motorfordulatszám, terhelés, hőmérséklet) a lambdaszonda nélkül is számolható a hengerbe jutó keverék összetétele.

Ha sorba vesszük, a fenti jellemzők miképpen befolyásolják a kialakuló ionáram jellegét, akkor megállapíthatjuk, hogy minden olyan paraméter, mely hatással van az égés lefolyására, az égési sebességre, az elégetendő tüzelőanyag mennyiségére, annak hatása van a mért ionáramra.

3. ábra: az ionáramgörbe változása különböző motorfordulatszámoknál

4. ábra: az ionáramgörbe alakjának változása különböző motorterheléseknél

– Fordulatszám és motorterhelés – a fordulatszám és terhelés növekedésével nő az elégetett szénhidrogén-mennyiség, így az ionáram is. A 4. ábrán a különböző motorterheléseknél (effektív középnyomásoknál) mérhető ionáramgörbéket láthatjuk.

– Gyújtási időpont – ahogy a hengertérben kialakuló nyomáscsúcs értéke változik, ennek megfelelően a 2. ionáram csúcsértéke (termikus ionizáció) is módosul.

– Levegő/ tüzelőanyag arány – A kémiai ionizáció gyertyaelektródáknál függ a l-tól (l=0,85 környékén éri el a maximumát), mivel az égés sebességének és a CH-mennyiség növekedésével nő az ionáram értéke.

– Elektródatávolság – elektródák hűtő hatása fokozottabb kisebb hézagnál (kisebb ionáram), azonban az elektródák geometriai méretének növekedésével (nagyobb átmérőjű középelektróda) nő az ionáram.

– Visszavezetett kipufogógáz mennyisége – a visszavezetett mennyiség növelésével csökken az ionáram, hiszen az égéssebesség csökken.

– Hőmérséklet – mivel a motor és levegő hőmérséklet-növekedése növeli az égési sebességet, és így az ionáramot is.

A valóságban azonban még a motor állandósult üzemállapotaiban sem mérhetünk ciklusról ciklusra azonos ionáramlefutást. A ciklusvariancia – a belső égésű motorok azon tulajdonsága, hogy a munkaciklusok jellemzői még a motor állandósult állapotában is változnak a keverékképzés és a töltéscsere tökéletlensége miatt, még tovább bonyolítja a mért ionáram-lefutás kiértékelését. Ennek szemléltetésére nézzük meg az 5. ábrát, ahol egy 4 hengerű motor hengereiben mért ionáram-regisztrátum látható. Itt mind a hengerek között, mind ugyanazon hengernél mért áramértékek között eltérések láthatóak.

5. ábra: a ciklusvariancia miatti eltérő ionáramgörbék

Napjainkban az ionáramméréssel kombinált gyújtással számos gyártó gyújtórendszere rendelkezik. Kétségtelen, hogy a '90-es évek elején a SAAB ebben úttörő szerepet játszott a MECEL-lel együtt fejlesztett Trionic rendszerével. Erről a rendszerről a Szakiban és az Autótechnikában számos cikk jelent meg (1995/05, 2004/02). A Mercedes és a Maybach egyes motorjai (V12) ECI (Energy Controlled Ignition) TEMIC által fejlesztett ionáramméréses gyújtórendszerrel rendelkeznek. A BMW M5-V10 és M3-V8-as motorjainál és a Delphi gyújtórendszereinél szintén feltűnik az ionárammérés. Továbbiakban a Mercedes M275 V12-es motor ECI gyújtása az ionárammérés szempontjából kerül ismertetésre. A 6. ábrán láthatóan került elhelyezésre a 2 db gyújtómodul (N92/1 és N92/2), és a tápegység (N91). A gyújtás levétele után a gyújtórendszer megbontása előtt legalább 4 percet kell várni a gyújtórendszer kondenzátorainak kisülése miatt.

6. ábra: az ECI gyújtórendszer elemeinek elhelyezése (Forrás: Mercedes)

A tápegység (N91) főbb feladatai:

– a gyújtómodulok számára a gyújtáshoz szükséges primer feszültség, 180 V létrehozása,

– a gyújtómodulok számára az ionáramméréshez szükséges primer feszültség, 23 V létrehozása,

– 12 V-os tápfeszültséget ad a gyújtómoduloknak.

A gyújtómodulok jellemzői (N92/1 és N92/2):

– Gyújtómodulonként – hengerenkénti 2 gyertya miatt – 12 darab egybeépített primer és szekunder tekerccsel rendelkezik.

– Gyújtásakor a gyújtómodul a tápegység (N91) által adott 180 V-os egyenfeszültséget az adott hengernél 25 kHz-es frekvenciával kapcsolgatja, mely a szekunder tekercsben feszültséget indukál. A gyújtóív fennállásának időtartama 1,5–2 ms alapjáraton és 0,15 ms magas fordulatszámon.

– Az ionárammérés a gyújtóív kialvása után kezdődik, amihez a tápfeszültséget a tápegység (N91) 23 V-os feszültség 65 kHz-es frekvenciájú kapcsolásával biztosítja a gyújtómodul. Ennek révén a gyertyaelektródákra kb. 1 kV-os mérőfeszültség kerül.

– Magában a gyújtómodulban történik a primer tekercsekre kapcsolt feszültség (180 és 23 V) átkapcsolása is.

– A 7. ábrán látható, hogy a szekunder tekercs másik kivezetése egy mérő és kiértékelő áramkörbe van bekötve. Ahol a mérés, jelszűrés és jelformálás után az ionáram-információ a motormenedzsment-elektronika felé (4 vezeték segítségével mind a 12 hengerre vonatkozóan) kerül továbbításra. Vegyük észre a 7. ábrán, hogy az egymást követő 3-3 hengerhez tartozó szekunder tekercs kivezetések közösítve vannak. Azonban a mérés szempontjából ez kedvező, mivel a gyújtási sorrend miatt (1-12-5-8-3-10-6-7-2-11-4-9) ezek a hengerek gyújtási időpontjai egymástól távol helyezkednek el.

7. ábra: az ECI gyújtórendszer elvi felépítése

– A gyújtómodulok esetleges cseréjekor a tekercskivezetések végén lévő O gyűrűt cserélni kell!

A N3/10 motorvezérlő-ionárammérés szempontjából fontos feladatai:

– a gyújtómodultól érkező ionáramjelek kiértékelése,

– a gyújtási jellegmezők és az ionáramjel alapján az adott hengerek előgyújtásának és ívidejének meghatározása,

– a gyújtásváltás (Ignition Change) és gyújtáseltolás (Ignition Offset) vezérlése.

Ezen utóbbi funkciók talán magyarázatra szorulnak. Ugyanis a hengerenkénti két gyertyánál a gyújtási időpont a motor kis terhelésénél és 2000 min–1 fordulatszám alatt egyszerre történik, azonban közepes és teljes terhelésnél az egyik gyertya 10 főtengelyfokkal előbb gyújt, mint a másik. Azonban, hogy hengerenként melyik a ,,első” gyertya, az két főtengely-fordulatonként változik. Így elkerülhető a gyertyaelektródák egyenlőtlen elhasználódása és az egyenlőtlen lerakódás a hengerfejben. További érdekes opció, hogy kis motorterhelésnél, kis fordulatszámon a motormenedzsment-rendszer fogyasztáscsökkentés miatt, a bal oldali hengersort lekapcsolja. Ha az előzőekben ismertetett gyújtási sorrendet megnézzük, akkor voltaképpen a gyújtási sorrendbe minden második henger van lekapcsolva, tehát a motor járása ilyenkor nem válik egyenlőtlenné. A 8. ábrán egy a Fáy András Szakközépiskola tulajdonában lévő, bontott gyújtómodul (N92/1) látható. A gyújtómodul bal oldalán található a 16 pólusú csatlakozó, melynek a lábkiosztását az 1. táblázat tartalmazza. A fenti modul párja az N92/2 gyújtómodul, mely lábkiosztása azonos sorrendű, csak értelemszerűen a hengersorszámok különböznek.

8. ábra: N92/1 gyújtómodul leszerelt védőburkolattal

1. táblázat: Az N92/1 gyújtómodul lábkiosztása

A fentieket átolvasva, átgondolva még számos részlet biztos, hogy megválaszolásra vár. De talán ahhoz elég, hogy kellő alapokat kapjunk a későbbi mélyebb ismeretek megszerzéséhez.

Felhasznált irodalom:

– Mercedes TIS anyagok,

– Huszti Tibor jegyzetei,

– A Szaki, Autószaki, Autótechnika vonatkozó cikkei

– http://wenku.baidu.com/view/d810de0490c69ec3d5bb75ab.html

– http://linuxfan.org/~ipdown/mybrick/automotive/DIY-Ion-Sensing-2.pdf