Silniki spalinowe wciąż napędzają wiele pojazdów i urządzeń. W jednostkach wysokoobrotowych jednym z kluczowych podzespołów jest zapłon CDI, który szybko gromadzi energię i w odpowiedniej chwili wyzwala iskrę na świecy.
Przy projektowaniu elektroniki do silnika spalinowego warto poznać budowę i zasadę działania CDI, zwłaszcza jeśli moduł ma powstać na płytce drukowanej. Poniżej omawiamy jego elementy, odmiany, zalety i wady, sposób budowy oraz diagnostykę. Moduły CDI często stosuje się w motocyklach, gdzie zwykle są montowane pod siedzeniem.
Spis treści
Co to jest zapłon CDI?
Jak działa system CDI?
Budowa zapłonu z rozładowaniem kondensatora
Różne rodzaje zapłonu CDI
Zalety CDI
Wady CDI
Jak zbudować skrzynkę CDI?
Jak sprawdzić zapłon CDI?
Jak rozwiązywać problemy z systemem CDI?
Podsumowanie
Co to jest zapłon CDI?
CDI (Capacitor Discharge Ignition), czyli zapłon z rozładowaniem kondensatora, to elektroniczny moduł sterujący momentem wyzwolenia iskry. Bywa też nazywany modułem zapłonowym lub zapłonnikiem. Rozwiązanie to spotyka się między innymi w motocyklach, pojazdach ATV oraz małych silnikach stosowanych w kosiarkach i pilarkach łańcuchowych. Występuje także w niektórych samochodach i lotniczych silnikach tłokowych.
Źródło: Wikimedia Commons.
W porównaniu z zapłonem IDI (Inductive Discharge Ignition), czyli zapłonem indukcyjnym, układ tyrystorowy CDI znacznie szybciej gromadzi i oddaje energię. Dzięki temu dobrze sprawdza się w silnikach pracujących z dużą prędkością obrotową.
Jak działa układ CDI?
Podstawowym magazynem energii w układzie CDI jest kondensator. Po szybkim naładowaniu zostaje on w odpowiedniej chwili rozładowany przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej, co prowadzi do powstania iskry i zapłonu mieszanki w cylindrze.
W typowym układzie AC-CDI moduł otrzymuje dwa sygnały: napięcie z cewki ładującej alternatora oraz impuls z cewki wyzwalającej. Cewka ładująca dostarcza wysokie napięcie (100-200 V prądu zmiennego), a impulsator wytwarza sygnał niskonapięciowy (10-12 V prądu zmiennego).
Kondensator można ładować tylko prądem stałym, więc prąd zmienny o wysokim napięciu jest prostowany, a uzyskany prąd stały trafia do kondensatora wysokonapięciowego.
Impuls z cewki wyzwalającej włącza tyrystor SCR (Silicon Controlled Rectifier). Tyrystor tworzy wówczas drogę rozładowania kondensatora przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej, pełniąc funkcję elektronicznego przełącznika wyzwalającego.
Cewka zapłonowa
Źródło: Wikimedia Commons.
Do przeskoku iskry potrzebne jest wysokie napięcie, a CDI dostarcza energię w postaci krótkiego, gwałtownego impulsu. Cewka zapłonowa działa jak transformator podwyższający: zwiększa napięcie do wielu kilowoltów i przekazuje je do świecy zapłonowej.
Budowa zapłonu z rozładowaniem kondensatora
Układ CDI współpracuje z kilkoma elementami zespołu zapłonowego. Najważniejsze z nich opisano poniżej.
Koło zamachowe i stojan
Koło zamachowe jest połączone z wałem korbowym i zawiera magnesy trwałe. Obracając się, wytwarza zmienne pole magnetyczne przecinające uzwojenia stojana. Na stojanie znajdują się cewki potrzebne do zasilania zapłonu, ładowania akumulatora i świateł.
Cewka ładująca
Cewka ładująca jest częścią stojana i wytwarza napięcie 6 V dzięki ruchowi koła zamachowego. Energia ta służy do ładowania kondensatorów, a następnie zostaje przekazana przez cewkę zapłonową do świecy, aby zapalić mieszankę paliwowo-powietrzną.
Czujnik Halla
Czujnik Halla reaguje na zmianę pola magnetycznego wywołaną ruchem magnesu w kole zamachowym. Podczas obrotu koła czujnik wykrywa przejście odpowiedniego bieguna i generuje sygnał określający moment zapłonu.
Czujnik Halla
Źródło: Wikimedia Commons.
Po wykryciu właściwego położenia czujnik wysyła impuls do modułu CDI. Moduł rozładowuje wtedy kondensator przez cewkę zapłonową, która pełni funkcję transformatora wysokiego napięcia.
Znacznik rozrządu
Znacznik rozrządu wskazuje wzajemne położenie tłoka, stojana i koła zamachowego w chwili wyzwolenia zapłonu. Oznaczenia znajdują się na płycie stojana i obudowie silnika. Obrót płyty stojana w prawo lub w lewo zmienia punkt wyzwalania CDI, a tym samym kąt wyprzedzenia zapłonu.
Układ wyzwalający
Układ wyzwalający wykorzystuje zwykle tyrystor SCR (Silicon Controlled Rectifier) albo przełącznik tranzystorowy. Impuls z czujnika Halla włącza element wykonawczy i pozwala rozładować kondensator. Po kolejnym naładowaniu układ jest gotowy do następnego cyklu zapłonu.
Zapłon z rozładowaniem kondensatora: schemat zastępczy
Źródło: Wikimedia Commons.
Różne rodzaje zapłonu CDI
Moduły zapłonowe CDI dzielą się na dwa podstawowe typy:
Moduł AC-CDI
Źródłem zasilania dla tego modułu jest prąd zmienny generowany przez alternator. Jest to najbardziej rozpowszechniony system CDI stosowany w małych silnikach i zazwyczaj znajduje się pod namagnesowanym kołem zamachowym.
Nie każdy mały silnik korzysta jednak z CDI. W części konstrukcji stosuje się zapłon magnetoelektryczny, a starsze silniki z lat 60. wykorzystywały inne układy przekazywania energii.
Moduł DC-CDI
W przeciwieństwie do AC-CDI moduł DC-CDI pobiera energię z akumulatora. Zapewnia precyzyjniejsze sterowanie momentem zapłonu i ułatwia rozruch zimnego silnika. Wymaga jednak przetwornicy, która podnosi napięcie stałe z 2V do 400/600V potrzebnych do naładowania kondensatora.
Przetwornica DC-AC na dużą skalę
Źródło: Wikimedia Commons.
Który moduł CDI jest najlepszy?
Żaden z tych dwóch modułów nie jest lepszy od drugiego, ale każdy z nich nadaje się do innych zastosowań. Na przykład AC-CDI ma nieskomplikowaną konstrukcję i jest mniej narażony na problemy. Z drugiej strony, DC-CDI jest bardzo skuteczny w niskich temperaturach i zapewnia dokładny czas zapłonu.
CDI jest stosunkowo odporny na upływ prądu przez zanieczyszczoną świecę i może wyzwalać kolejne iskry w krótkich odstępach czasu. Dzięki temu nadaje się do wielu zastosowań, zwłaszcza w silnikach wysokoobrotowych.
Zalety CDI
Pełne naładowanie kondensatora w krótkim czasie, typowo 1ms.
Mała wrażliwość na upływ prądu spowodowany zanieczyszczeniem świecy zapłonowej.
Szybka reakcja układu zapłonowego na zmiany warunków pracy.
Szybkie narastanie napięcia.
Wady systemu CDI
Układ CDI może być źródłem zakłóceń elektromagnetycznych.
Krótka, choć silna iskra może nie wystarczyć do zapłonu ubogiej mieszanki przy małym obciążeniu silnika.
Moduł zapłonowy z wyładowaniem kondensatorowym
Źródło: Wikimedia Commons.
Jak zbudować skrzynkę CDI?
Obwód modułu CDI jest stosunkowo prosty i stanowi osobny zespół względem cewki zapłonowej. Do jego zbudowania potrzebne są następujące części:
Dwa rezystory (5,6- i 56-omowy, 0,5W)
Trzy diody 1N4007, 1000V, 1A
Jeden SCR (TIC106D, 5A, 400V)
Dwa kondensatory poliestrowe Mylar (2uF, 400V).
Jak działa obwód
Schemat obwodu skrzynki CDI dla Hondy C90
Obracające się koło zamachowe wytwarza zmienne pole magnetyczne przecinające rdzeń cewki ładującej, w której indukuje się napięcie przemienne. W dodatniej połówce przebiegu napięcie przepływa przez spolaryzowaną w kierunku przewodzenia diodę D3 i ładuje kondensatory C1 oraz C2.
W ujemnej połówce przebiegu prąd płynie przez R1 oraz diody D1 i D3 w przeciwnym kierunku. Dociera również do katody K tyrystora SCR1, a przez R2 do jego bramki G. W tym czasie kondensatory nadal gromadzą energię.
Spadek napięcia na R2 wyzwala bramkę G tyrystora SCR1. Po włączeniu SCR1 zgromadzona energia przepływa między anodą A i katodą K, przez D2, a następnie przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej.
Pole magnetyczne wytworzone przez napięcie płynące przez cewkę pierwotną indukuje prąd w cewce wtórnej, co powoduje powstanie wysokiego napięcia wyjściowego. To indukowane napięcie przechodzi przez cewkę wtórną do świecy zapłonowej i jest wystarczająco silne, aby wytworzyć silną iskrę na przerwie łukowej.
Gdy SCR1 jest wyłączony, przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej nie płynie prąd. Tyrystor działa więc jako elektroniczny przełącznik wyzwalający rozładowanie modułu.
SCR1 zostaje włączony w chwili wyznaczonej przez kąt zapłonu, w pobliżu górnego położenia tłoka, aby iskra zapaliła mieszankę paliwowo-powietrzną we właściwym momencie.
Cykl powtarza się podczas pracy silnika. Jego zatrzymanie następuje po zamknięciu wyłącznika SW: sygnał zostaje zwarty do masy, SCR1 przestaje się wyzwalać, a kondensatory nie oddają energii do cewki zapłonowej.
Jak sprawdzić zapłon CDI?
Do sprawdzania modułu CDI można użyć różnych przyrządów, jednak najczęściej wykonuje się pomiary multimetrem lub obserwuje przebiegi oscyloskopem.
Oscyloskop
Źródło: Wikimedia Commons.
Multimetr cyfrowy
Jak rozwiązywać problemy z systemem CDI
Diagnostyka CDI bywa trudna, ponieważ podobne objawy mogą powodować świeca, cewka zapłonowa, impulsator, okablowanie lub sam moduł. Uszkodzenie CDI warto brać pod uwagę po wykluczeniu pozostałych elementów, zwłaszcza gdy występują następujące objawy:
Nieprawidłowe spalanie
Strzały w układzie dolotowym lub wydechowym
Nierówna praca
Problemy z uruchomieniem silnika
Martwe cylindry
Zgaśnięcie silnika
Nierównomierna praca silnika
Podsumowanie
Układy CDI szczególnie dobrze sprawdzają się w silnikach wysokoobrotowych. Kondensator szybko gromadzi energię, a następnie w odpowiednim momencie przekazuje ją w postaci silnego impulsu do cewki zapłonowej.
Powyższy schemat może posłużyć jako punkt wyjścia do zaprojektowania własnego modułu. Jeśli potrzebujesz pomocy w przygotowaniu lub montażu płytki drukowanej do układu CDI, zapraszamy do kontaktu.