Σύστηµα ανάφλεξης

Σκοπός του κυκλώµατος ανάφλεξης είναι να δώσει σπινθήρα στην κατάλληλη χρονική στιγµή, ώστε να αναφλεγεί το συµπιεσµένο µείγµα στον κύλινδρο του κινητήρα. Από το κύκλωµα ανάφλεξης απαιτείται να µπορεί να δηµιουργήσει υψηλή τάση (5.000 – 30.000 V), ώστε να γεφυρώσει ο σπινθήρας τις ακίδες του µπουζί. Απαιτείται επίσης ο σπινθήρας να ξεσπά στην κατάλληλη χρονική στιγµή και να έχει συγκεκριµένη διάρκεια.

Σε έναν βενζινοκινητήρα, το καύσιµο αναµιγνύεται µε αέρα και στη συνέχεια εισάγεται στον κύλινδρο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εισαγωγής. Αφού το έµβολο συµπιέσει το µείγµα καυσίµου-αέρα, ο σπινθήρας το αναφλέγει, προκαλώντας καύση.

Το σύστηµα ανάφλεξης αποτελεί κρίσιµο µέρος του κινητήρα, καθώς ξεκινά την καύση. Αποτελείται από εξαρτήµατα όπως ο πολλαπλασιαστής, τα µπουζί, ο διανοµέας (σε παλαιότερα συστήµατα) και η ηλεκτρονική µονάδα ελέγχου. Η ανάφλεξη σε έναν βενζινοκινητήρα πραγµατοποιείται µέσω ενός µπουζί στο τέλος της διαδροµής συµπίεσης. Η τάση που απαιτείται για την παραγωγή σπινθήρα στο διάκενο µεταξύ των σηµείων ανάφλεξης ενός µπουζί είναι συνήθως πάνω από 6000 volt.

Ιστορική αναδροµή

Το 1883 οι Daimler και Maybach παίρνουν πατέντα µε αριθµό DRP 28022 για την ανάφλεξη µε θερµό σωλήνα (hot-tube ignition).

• Μανιατό: Το επόμενο σύστημα ανάφλεξης ήταν το μανιατό. Το μανιατό επινοήθηκε από τον Hippolyte Pixii το 1832. Ο Andre Boudeville παρουσίασε το πρώτο μανιατό προσαρμοσμένο σε βενζινοκινητήρα και το 1902 οι F. R. Simms και Robert Bosch πήραν τη σχετική πατέντα. Το σύστημα ανάφλεξης με μανιατό (ή μαγνητοανάφλεξη) έχει την ίδια αρχή λειτουργίας με αυτή του πολλαπλασιαστή και δεν απαιτεί μπαταρία, καθώς λειτουργεί ως γεννήτρια. Χρησιμοποιείται μέχρι και σήμερα σε μικρούς κινητήρες, όπως σκούτερ, μοτοσικλέτες και κινητήρες μικρών μηχανοκίνητων σκαφών.
• Επαγωγική ανάφλεξη:Το πρώτο σύστημα ανάφλεξης με βάση τον πολλαπλασιαστή αποδίδεται στον Αμερικανό εφευρέτη Charles Kettering, ο οποίος το ανέπτυξε για την εταιρεία GM γύρω στο 1910. Για πρώτη φορά επινόησε ένα ηλεκτρικό σύστημα που τροφοδοτούσε ταυτόχρονα τη μίζα και την ανάφλεξη. Η μπαταρία, μια γεννήτρια και ένα ηλεκτρικό σύστημα άρχισαν από τότε να τοποθετούνται σε κάθε αυτοκίνητο. Το σύστημα του Kettering χρησιμοποιούσε έναν πολλαπλασιαστή για να παράγει υψηλή τάση, η οποία διοχετευόταν σε έναν ρότορα που κατεύθυνε την τάση από τον διανομέα (ντιστριμπιτέρ) σε μία επαφή για κάθε κύλινδρο. Αυτές οι επαφές συνδέονταν με τα μπουζοκαλώδια προς τα μπουζί με τη σωστή σειρά ανάφλεξης. Παρά τη μακρόχρονη εξέλιξή του, το συμβατικό σύστημα ανάφλεξης υστερεί σε απόδοση και αξιοπιστία. Από μηχανικής πλευράς, έκκεντρο, φίμπερ και ελατήριο φθείρονται από τη χρήση. Έτσι, κάθε 10.000 χλμ οι πλατίνες πρέπει να ρυθμίζονται ή να αντικαθίστανται ώστε να διατηρείται σωστή γωνία ντιούελ. Για τον σχηματισμό του σπινθήρα απαιτούνται περίπου 30 millijoules ενέργειας. Εάν το ρεύμα που περνά από τις πλατίνες ξεπερνά τα 3Α, αυτές φθείρονται γρήγορα. Στις υψηλές στροφές το ελατήριο αδυνατεί να εκτελέσει σωστά το έργο του και οι πλατίνες αναπηδούν, ενώ ο πολλαπλασιαστής δεν προλαβαίνει να φορτιστεί και να εκφορτιστεί κανονικά.
• Ηλεκτρονικές Αναφλέξεις (TAC): Η λύση στα παραπάνω προβλήματα ήταν οι ηλεκτρονικές αναφλέξεις, που άρχισαν να τοποθετούνται στα αυτοκίνητα από τις αρχές της δεκαετίας του 60. Η πρώτη ηλεκτρονική ανάφλεξη παρουσιάστηκε από την Lucas το 1955 και χρησιμοποιήθηκε σε κινητήρες BRM και Coventry Climax στη Formula One το 1962. Την ίδια περίοδο παρουσιάστηκε στη δευτερογενή αγορά η AutoLite Electric Transistor 201 ως προαιρετικό ανταλλακτικό. Το Fiat Dino ήταν το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με στάνταρ ηλεκτρονική ανάφλεξη το 1968. Η πιο απλή μορφή διατηρεί τις πλατίνες και χρησιμοποιεί ένα τρανζίστορ για το άνοιγμα και το κλείσιμο του πρωτεύοντος κυκλώματος. Το τρανζίστορ λειτουργεί ως διακόπτης και διαθέτει τρεις ακροδέκτες, βάση, εκπομπό και συλλέκτη. Η ισχύς του ρεύματος εκπομπού-συλλέκτη εξαρτάται από το ρεύμα της βάσης, το οποίο αντιστοιχεί περίπου στο 2% του κύριου ρεύματος. Η διάρκεια ζωής των πλατινών αυξάνεται και δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη πυκνωτή.
• Breakerless Ignition: Με τις TAC αναφλέξεις ξεπεράστηκαν τα ηλεκτρολογικά προβλήματα των πλατινών. Στη συνέχεια, οι πλατίνες αντικαταστάθηκαν από παλμογεννήτριες, που άρχισαν να τοποθετούνται σε αυτοκίνητα παραγωγής από το 1975. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι είναι η επαγωγική και η γεννήτρια Hall. Ο επαγωγικός αισθητήρας στροφών αποτελείται από μαγνητικό πυρήνα και πηνίο και τοποθετείται κοντά σε οδοντωτό τροχό. Κατά την περιστροφή, επάγεται εναλλασσόμενη τάση, με την απόσταση και την ταχύτητα να καθορίζουν το σήμα. Η γεννήτρια Hall λειτουργεί με βάση το φαινόμενο Hall, όπου αναπτύσσεται τάση όταν φορτίο κινείται μέσα σε μαγνητικό πεδίο.
• C.D.I. (CapacitorDischargeIgnition): Το σύστημα αυτό εξελίχθηκε για αγωνιστική χρήση. Η ενέργεια για τον σπινθήρα αποθηκεύεται σε πυκνωτή και όχι σε πολλαπλασιαστή. Στη θέση του χρησιμοποιείται μετασχηματιστής που μεταφέρει την τάση στο δευτερεύον. Το C.D.I. πλεονεκτεί καθώς η τάση φτάνει στη μέγιστη τιμή της έως και δέκα φορές πιο γρήγορα, επιτρέποντας σπινθήρα ακόμη και σε βραχυκυκλωμένο μπουζί.
• Στατική Ανάφλεξη – DIS ή DLI: Στα συστήματα αυτά, το αβάνς ρυθμίζεται μέσω μικροϋπολογιστή, λαμβάνοντας υπόψη παραμέτρους όπως θερμοκρασία και θέση πεταλούδας. Έτσι εξασφαλίζεται καλύτερη απόδοση, χαμηλότερες εκπομπές και σταθερή λειτουργία. Η διανομή της υψηλής τάσης γίνεται ηλεκτρονικά, χωρίς ντιστριμπιτέρ. Σε τετρακύλινδρο κινητήρα παράγονται ταυτόχρονα δύο σπινθήρες, ένας στη συμπίεση και ένας στην εξαγωγή. Σήμερα υπάρχουν συστήματα με διπλούς πολλαπλασιαστές (DIS), μονούς (COP) και μπάρες πολλαπλασιαστών.

Υψηλή τάση

Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω ενός ηλεκτρικού αγωγού, όπως ένα πηνίο, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από το πηνίο. Το μαγνητικό πεδίο αποτελεί μια αποθήκη ενέργειας, η οποία μπορεί στη συνέχεια να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια.

Όταν το ρεύμα ενεργοποιείται, η ροή του αυξάνεται γρήγορα μέχρι τη μέγιστη τιμή της. Ταυτόχρονα, το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται προοδευτικά μέχρι τη μέγιστη ισχύ του και σταθεροποιείται όταν σταθεροποιηθεί το ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν αυτό διακοπεί, το μαγνητικό πεδίο καταρρέει. Όταν ένα πηνίο εκτεθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο και αυτό στη συνέχεια καταρρεύσει, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως «επαγωγή».

Εάν δύο πηνία τοποθετηθούν δίπλα ή γύρω από το ένα το άλλο και χρησιμοποιηθεί ηλεκτρικό ρεύμα για τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου γύρω από το ένα πηνίο (το οποίο ονομάζουμε πρωτεύον), το μαγνητικό πεδίο θα περιβάλλει και το δεύτερο πηνίο (δευτερεύον). Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διακοπεί και το μαγνητικό πεδίο καταρρεύσει, επάγεται τάση τόσο στο πρωτεύον όσο και στο δευτερεύον.

Σε έναν πολλαπλασιαστή, το πρωτεύον τύλιγμα έχει συνήθως 150 έως 300 σπείρες σύρματος. Το δευτερεύον έχει συνήθως 15.000 έως 30.000 σπείρες σύρματος. Στον πολλαπλασιαστή, το πρωτεύον και το δευτερεύον τύλιγμα τυλίγονται γύρω από έναν πυρήνα σιδήρου, ο οποίος συμβάλλει στη συγκέντρωση και ενίσχυση του μαγνητικού πεδίου, καθιστώντας τον πολλαπλασιαστή πιο αποδοτικό. Το υλικό του πυρήνα παίζει κρίσιμο ρόλο και είναι συνήθως σιδηρομαγνητικό, όπως σίδηρος ή χάλυβας, καθώς ενισχύει το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από το πρωτεύον τύλιγμα. Ο πυρήνας έχει συχνά σχήμα κοίλου κυλίνδρου ή στοίβας ελασμάτων, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες ενέργειας λόγω μαγνητικού κορεσμού και δινορευμάτων.

Το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται όταν το ηλεκτρικό σύστημα εφαρμόζει περίπου 12 volt στο πρωτεύον τύλιγμα του πολλαπλασιαστή. Όταν απαιτείται σπινθήρας σε ένα μπουζί, διακόπτεται η ροή του ρεύματος στο πρωτεύον τύλιγμα, γεγονός που προκαλεί την κατάρρευση του μαγνητικού πεδίου. Το καταρρέον μαγνητικό πεδίο προκαλεί τάση στο πρωτεύον τύλιγμα της τάξης των 200 volt. Η τάση που επάγεται στο δευτερεύον τύλιγμα είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη, δηλαδή περίπου 20.000 volt.

Το ρετάρισµα

Το ρετάρισμα εμφανίζεται σε έναν κινητήρα όταν το μείγμα δεν αναφλέγεται στον κύλινδρο την κατάλληλη χρονική στιγμή. Η συνηθέστερη αιτία είναι το κύκλωμα ανάφλεξης, ωστόσο μπορεί να οφείλεται και σε προβλήματα στους εξής τομείς: παροχή καυσίμου, εισαγωγή αέρα, συμπίεση ή αισθητήρες του συστήματος διαχείρισης κινητήρα.

Προβλήµατα συστήµατος ανάφλεξης

Τα µπουζί και οι πολλαπλασιαστές είναι υπεύθυνα για την ανάφλεξη του καυσίµου µείγµατος. Εάν το µπουζί είναι φθαρµένο ή ο πολλαπλασιαστής είναι ελαττωµατικός, δεν δηµιουργείται επαρκής σπινθήρας για την ανάφλεξη του µείγµατος.

1. Προβλήµατα συστήµατος καυσίµου: Ο κινητήρας χρειάζεται μια ακριβή ποσότητα καυσίμου σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Τα φραγμένα μπεκ ψεκασμού, μια ελαττωματική αντλία καυσίμου ή καύσιμο κακής ποιότητας μπορούν να επηρεάσουν αυτήν την ισορροπία. Όταν ο κινητήρας λαμβάνει λανθασμένη ποσότητα βενζίνης, η καύση γίνεται ανομοιόμορφη.
2. Προβλήµατα εισαγωγής αέρα: Ο κινητήρας χρειάζεται καθαρή και επαρκή παροχή αέρα, ώστε να αναμειχθεί σωστά με το καύσιμο. Εάν η πολλαπλή εισαγωγής παρουσιάζει διαρροή ή το φίλτρο αέρα είναι φραγμένο, η ροή αέρα γίνεται ανομοιόμορφη ή περιορίζεται. Αυτό διαταράσσει την ισορροπία του μείγματος και οδηγεί σε ανομοιόμορφη καύση.
3. Προβλήµατα συµπίεσης: Κάθε κύλινδρος πρέπει να στεγανοποιείται αποτελεσματικά, ώστε το μείγμα αέρα-καυσίμου να συμπιέζεται πριν από την ανάφλεξη. Εάν η πίεση διαρρέει μέσω φθαρμένων ελατηρίων εμβόλου, κατεστραμμένων βαλβίδων ή ελαττωματικής φλάντζας κεφαλής, η συμπίεση δεν είναι επαρκής και ο κινητήρας δεν αποδίδει την απαιτούμενη ισχύ.

Βλάβες αισθητήρων

Οι σύγχρονοι κινητήρες βασίζονται σε αισθητήρες για τη συνεχή ρύθμιση της παροχής καυσίμου, του χρονισμού ανάφλεξης και της αναλογίας αέρα-καυσίμου.

Οι αισθητήρες που συνήθως προκαλούν ρετάρισμα είναι:

1. Αισθητήρας Λάμδα
2. Αισθητήρας ροής μάζας αέρα (MAF)
3. Αισθητήρας απόλυτης πίεσης πολλαπλής (MAP)
4. Αισθητήρας θέσης στροφαλοφόρου άξονα
5. Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου άξονα
6. Αισθητήρας κρουστικής καύσης
7. Αισθητήρας θερμοκρασίας ψυκτικού κινητήρα (ECT)
8. Αισθητήρας θέσης πεταλούδας γκαζιού (TPS)

Εάν ένας αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου ή στροφαλοφόρου άξονα παρουσιάσει βλάβη, ο κινητήρας χρονίζει λανθασμένα τον σπινθήρα. Εάν ο αισθητήρας λάμδα δεν μετρά σωστά τα καυσαέρια, η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ρυθμίζει λανθασμένα την ποσότητα καυσίμου. Σε κάθε περίπτωση, η καύση γίνεται ασταθής.

Τα συνήθη συμπτώματα σε έναν κινητήρα που ρετάρει περιλαμβάνουν:

1. Άστατο ρελαντί: Ο κινητήρας λειτουργεί ανομοιόμορφα ενώ το αυτοκίνητο είναι σταματημένο
2. Σβήσιμο: Ο κινητήρας σβήνει χωρίς εμφανή αιτία, ιδιαίτερα σε χαμηλές στροφές ή στο ρελαντί
3. Απώλεια ισχύος: Το αυτοκίνητο δυσκολεύεται να επιταχύνει ή να διατηρήσει την ταχύτητα
4. Αναμμένη προειδοποιητική λυχνία ελέγχου κινητήρα στο ταμπλό
5. Ασυνήθιστοι θόρυβοι: Ήχοι όπως κροτάλισμα, πειράκια ή εκρήξεις στην εξάτμιση
6. Αυξημένη κατανάλωση καυσίμου

Διάγνωση για ρετάρισµα

Η διάγνωση της αιτίας περιλαµβάνει µια σειρά από βήµατα που βοηθούν στον εντοπισµό του προβλήµατος.

• Βήμα 1: Έλεγχος για κωδικούς βλάβης: Τα σύγχρονα αυτοκίνητα είναι εξοπλισμένα με ενσωματωμένα συστήματα διάγνωσης, όπως το EOBD, τα οποία αποθηκεύουν κωδικούς βλάβης (DTC) όταν παρουσιάζεται κάποιο πρόβλημα. Χρησιμοποιήστε ένα διαγνωστικό μηχάνημα για να ανακτήσετε αυτούς τους κωδικούς. Οι συνηθισμένοι κωδικοί που σχετίζονται με διακοπές λειτουργίας περιλαμβάνουν τον P0300 και συναφείς κωδικούς που συμβάλλουν ουσιαστικά στη διάγνωση.
• Βήμα 2: Επιθεώρηση μπουζί: Τα μπουζί αποτελούν συχνή αιτία διακοπών λειτουργίας του κινητήρα. Αφαιρέστε και επιθεωρήστε κάθε μπουζί για σημάδια φθοράς, ρύπανσης ή ζημιάς. Αντικαταστήστε τυχόν ελαττωματικά μπουζί και βεβαιωθείτε ότι το διάκενο είναι εντός προδιαγραφών.
• Βήμα 3: Έλεγχος πολλαπλασιαστή: Οι πολλαπλασιαστές μετατρέπουν την τάση της μπαταρίας σε υψηλή τάση για τη δημιουργία σπινθήρα. Ελέγξτε τον ή τους πολλαπλασιαστές με πολύμετρο και παλμογράφο ή, στην περίπτωση πολλαπλών μονάδων, εναλλάξτε τους μεταξύ κυλίνδρων ώστε να διαπιστώσετε αν ο κωδικός βλάβης «ακολουθεί» τον κύλινδρο.
• Βήμα 4: Έλεγχος μπεκ ψεκασμού καυσίμου: Τα μπεκ ψεκασμού τροφοδοτούν καύσιμο στους κυλίνδρους. Ένα φραγμένο ή ελαττωματικό μπεκ μπορεί να προκαλέσει ρετάρισμα. Ακούστε τον χαρακτηριστικό ήχο «κλικ» με στηθοσκόπιο. Ελέγξτε τα μπεκ με πολύμετρο και τον παλμό ψεκασμού με παλμογράφο. Καθαρίστε τα μπεκ και ελέγξτε οπτικά τη βεντάλια ψεκασμού.
• Βήμα 5: Έλεγχος για διαρροές κενού: Οι διαρροές κενού διαταράσσουν το μείγμα αέρα-καυσίμου και μπορούν να προκαλέσουν ρετάρισμα. Χρησιμοποιήστε μηχανή καπνού ή σπρέι καθαρισμού καρμπυρατέρ για τον εντοπισμό διαρροών σε σωλήνες, φλάντζες και στην πολλαπλή εισαγωγής.
• Βήμα 6: Έλεγχος συμπίεσης: Η χαμηλή συμπίεση σε έναν ή περισσότερους κυλίνδρους μπορεί να προκαλέσει προβλήματα ανάφλεξης. Πραγματοποιήστε μέτρηση με συμπιεσόμετρο και συγκρίνετε τις τιμές με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Σε περίπτωση χαμηλής συμπίεσης, ελέγξτε για φθαρμένα ελατήρια εμβόλου ή ελαττωματική φλάντζα κεφαλής.
• Βήμα 7: Έλεγχος βαλβίδας EGR: Η βαλβίδα ανακυκλοφορίας καυσαερίων (EGR) μειώνει τις εκπομπές NOx μέσω ανακυκλοφορίας καυσαερίων. Δυσλειτουργία της μπορεί να προκαλέσει ανώμαλο ρελαντί και ρετάρισμα.

Κωδικοί βλάβης EOBD

Οι σηµαντικότεροι κωδικοί βλάβης που σχετίζονται µε την ανάφλεξη είναι οι ακόλουθοι:

1. P0300 – Αναγνώριση διακοπών καύσης
2. P0301 έως P0312 – Αναγνώριση διακοπών καύσης ανά κύλινδρο
3. P0313 – Αναγνώριση διακοπών καύσης λόγω έλλειψης καυσίµου
4. P0321 – Αισθητήρας στροφών κινητήρα (σήµα εκτός παραµέτρων λειτουργίας)
5. P0322 – Αισθητήρας στροφών κινητήρα (κανένα σήµα)
6. P0323 – Αισθητήρας στροφών κινητήρα (σήµα µε διακοπές)
7. P0324 – Ρύθµιση κρουστικής καύσης (εσφαλµένη λειτουργία)
8. P0325 – Αισθητήρας κρουστικής καύσης (σφάλµα στο ηλεκτρικό κύκλωµα)
9. P0326 – Αισθητήρας κρουστικής καύσης (σήµα εκτός παραµέτρων λειτουργίας)
10. P0327 – Αισθητήρας κρουστικής καύσης (σήµα πολύ µικρό V < 0,5V)
11. P0328 – Αισθητήρας κρουστικής καύσης (σήµα πολύ µεγάλο V > 4,5V)
12. P0340 – Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου εισαγωγής (εσφαλµένη λειτουργία)
13. P0341 – Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου εισαγωγής (σήµα εκτός παραµέτρων λειτουργίας)
14. P0342 – Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου εισαγωγής (κοµµένο καλώδιο ή σήµα πολύ µικρό, τάση µικρότερη από 0,2 V)
15. P0343 – Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου (βραχυκυκλωµένο καλώδιο ή σήµα πολύ µεγάλο, τάση µεγαλύτερη από 4,7 V)
16. P0351 έως P0362 – Ενεργοποίηση ανάφλεξης, πρωτεύον πολλαπλασιαστή ανά κύλινδρο
17. P0366 – Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου εξαγωγής (σήµα εκτός παραµέτρων λειτουργίας)
18. P0367 – Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου εξαγωγής (σήµα πολύ µικρό)
19. P0368 – Αισθητήρας θέσης εκκεντροφόρου (σήµα πολύ µεγάλο)

ΝΙΚΟΣ ΒΑΣΙΛΑΚΗΣ