Moduł zapłonowy CDI ze skutera

Moduł zapłonowy CDI ze skutera

Capacitor Discharge Ignition (CDI) – zapłon przez rozładowanie kondensatora , nazywany czasem zapłonem tyrystorowym – typ elektronicznego układu zapłonowego silnika spalinowego , często stosowanego w motocyklach , kosiarkach , pilarkach łańcuchowych i innych urządzeniach wykorzystujących niewielkie, wysokoobrotowe silniki spalinowe, a także silniki z tłokiem obrotowym . Pierwotnie opracowany w celu ominięcia długich czasów ładowania, związanych z wysoką indukcyjnością cewek zapłonowych . Układy CDI do wytworzenia iskry wykorzystują prąd płynący podczas rozładowywania kondensatora.

Historia

Pierwsze układy CDI pojawiły się w latach 50. razem z innymi elektronicznymi układami zapłonowymi. Pierwszy seryjny motocykl wykorzystujący zapłon CDI był produkowany przez firmę Kawasaki .

Pod koniec lat 60. rząd Stanów Zjednoczonych wprowadził regulacje wymuszające przestrzeganie ścisłych standardów dotyczących emisji spalin. W rezultacie opracowywano coraz to nowe systemy zapłonu, a od lat 70. zapłony CDI wyparły klasyczne zapłony kontaktowe ze wszystkich mniejszych silników spalinowych, wliczając motocykle Honda Cub (używające systemu AC-CDI).

Zasada działania

Większość samochodowych układów zapłonowych to układy indukcyjne, które wytwarzają wysokie napięcie, zasilające świecę zapłonową , wykorzystując indukcyjność cewki zapłonowej . Kiedy prąd płynący przez uzwojenie pierwotne tej cewki zostaje odłączony, energia zgromadzona w polu magnetycznym cewki próbuje przeciwstawić się zmianie natężenia tego prądu, powodując gwałtowny wzrost napięcia. W systemie CDI ładunek gromadzony jest w wysokonapięciowym kondensatorze , rozładowywanym w momencie zapłonu przez cewkę zapłonową.

Typowy moduł CDI zawiera mały transformator , obwód ładujący (najczęściej z pełnookresowym prostownikiem w układzie Graetza ), obwód wyzwalający (najczęściej zbudowany w oparciu o tyrystor ) i główny kondensator, zbocznikowany rezystorem zabezpieczającym. Napięcie zasilające jest podwyższane do wartości 400 ~ 600 V przez transformator, z którego prąd elektryczny płynie do obwodu ładującego i ładuje kondensator. Prostownik w obwodzie ładującym zapobiega rozładowaniu kondensatora przed momentem zapłonu. Po otrzymaniu przez układ wyzwalający impulsu wyzwalającego kondensator zostaje gwałtownie rozładowany przez pierwotne, niskoindukcyjne uzwojenie cewki zapłonowej, co podwyższa napięcie 400 ~ 600 V do wartości nawet 40 kV na uzwojeniu wtórnym. Napięcie to jest podawane na świecę zapłonową i powoduje wyładowanie elektryczne, prowadzące do wybuchu mieszanki. Po tym wyładowaniu cykl ładowania kondensatora rozpoczyna się od początku.

AC-CDI

W układzie AC-CDI moduł zapłonowy pobiera przemienny prąd bezpośrednio z alternatora . AC-CDI jest często wykorzystywanym, najprostszym systemem CDI.

DC-CDI

Układ DC-CDI jest zasilany z akumulatora, więc musi posiadać dodatkowy inwerter DC/AC, co znacząco zwiększa wymiary modułu. Mimo tej wady, pojazdy używające systemu DC-CDI posiadają precyzyjniejszą koordynację momentu zapłonu i łatwiej uruchamiają zimny silnik. Ponadto układ DC-CDI znalazł zastosowanie w silnikach wyczynowych, w których nie ma możliwości zainstalowania alternatora lub został on usunięty, a także w silnikach modeli latających. Mała bateria akumulatorów NiCd umożliwia pracę silnika przez cały wyścig.

Ilość energii, jaką układ CDI może zmagazynować w celu wytworzenia iskry, jest zależna od napięcia i pojemności użytego kondensatora. Najczęściej oscyluje wokół 50 mJ .

Sterowanie zapłonem

Najprostszy układ CDI umożliwia uzyskanie zapłonu o stałym, wyznaczonym kącie. Jest to stosowane w silnikach o małych pojemnościach skokowych. Bardziej skomplikowane układy CDI umożliwiają analogową lub cyfrową regulację kąta wyprzedzenia.

Analogowe sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu umożliwia korekcję kąta wyprzedzenia w ograniczonym zakresie, podczas gdy sterowanie cyfrowe zapewnia bardziej skomplikowaną regulację. Obecnie powszechnie stosowane są mikrokontrolery , które umożliwiają bardzo dokładną regulację kąta wyprzedzenia zapłonu. Umożliwiają również uzależnienie tego kąta od od parametrów silnika, np. temperatury cieczy chłodzącej, otwarcia przepustnicy itd. Dodatkową funkcją może być immobilizer , czy ograniczenie obrotów.

Zalety i wady

Niewątpliwą zaletą systemu CDI jest krótki czas ładowania, szybkie narastanie napięcia (3 ~ 10 kV/μs) w porównaniu z klasycznymi, indukcyjnymi systemami (300 ~ 500 V/μs) i krótki czas trwania iskry – ok. 50 ~ 80 μs. Szybkie narastanie napięcia sprawia, że układy CDI są niewrażliwe na rezystancję bocznikującą (powodowaną np. przez wilgotną, zalaną świecę), ale ograniczony czas trwania iskry może w niektórych zastosowaniach nie gwarantować niezawodnego zapłonu. Niewrażliwość na rezystancję bocznikującą razem z możliwością produkcji wielu iskier w krótkim odcinku czasu sprawia, że układy CDI dobrze sprawdzają się podczas uruchamiania zimnego silnika, a generowane przez nie iskry posiadają powtarzalną energię (dzięki czemu silnik pracuje równo).

Krótki czas trwania iskry generowanej przez układy CDI umożliwia stosowanie ich jednocześnie z pomiarami jonizacji. Realizuje się to przez przyłożenie niewielkiego napięcia (ok. 80 V) do świecy zapłonowej na cały czas oprócz zapłonu. Pomiar płynącego pod wpływem tego napięcia prądu jest wykorzystywany podczas obliczeń temperatury i ciśnienia w cylindrze .

Ponieważ energia potrzebna do wygenerowania iskry jest gromadzona w kondensatorze, a nie w cewce zapłonowej, ta druga może posiadać stosunkowo niewielką indukcyjność, a co za tym idzie, niewielkie rozmiary. Niska indukcyjność cewki w połączeniu z krótkim czasem zapłonu zapewniają niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych .

Napięcie podawane na uzwojenie pierwotne cewki jest nawet 50 razy wyższe od napięcia podawanego przez klasyczne, kontaktowe systemy zapłonu, co sprawia, że przewody łączące moduł zapłonowy z cewką mogą być stosunkowo cienkie i długie.

Ciekawostki

Często w modułach zapłonowych motorowerów stosuje się ograniczenie obrotów silnika. Ma to na celu redukcję mocy maksymalnej silnika, przez co prędkość maksymalna zostaje zmniejszona (jako uzupełnienie; głównie w tym celu stosowane są blokady w układzie napędowym). Najczęściej ogranicznie obrotów posiadają pojazdy produkowane w Azji.

W niektórych modelach spotyka się oddzielny moduł ogranicznika prędkości (tzw. speedlimiter), złożony z magnesu założonego na dzwon sprzęgła odśrodkowego w przekładni oraz cewki zbierającej impulsy z tego magnesu. Gdy moduł CDI stwierdzi, że prędkość tylnego koła (wprost proporcjonalna do prędkości dzwonu) przekroczyła dopuszczalną wartość, zapłon zostaje odcięty. W przeciwieństwie do ograniczeń na innych podzespołach silnika, ten system umożliwia sztywne i dokładne ograniczenie prędkości bez konieczności zmniejszania mocy silnika. W obowiązujących w Polsce przepisach wszystkie motorowery są blokowane do 45 km/h. Umożliwia to prowadzenie pojazdu bez konieczności posiadania prawa jazdy kategorii A.

Moduły należące do systemu CDI stosuje się również w urządzeniach gospodarstwa domowego jako zapłonniki do kuchenek i kotłów gazowych.