Zapalování u historických motorů

Máme tady článek na téma, které nám tady chybělo. Problematika motorů se nám na našich stránkách příliš neobjevovala. Protože motoráři se nám zatím příliš neprojevovali. To trápilo Míru Vaňka. Chyběly mu odborné články a rady ohledně tohoto modelářského odvětví. Trápilo ho to natolik, že se rozhodl, že se s námi podělí o své zkušenosti se zapalováním jiskřivou svíčkou.


Zapalování – “Chci tomu rozumět”

Správné fungování zapalování historických motorů přináší modelářům potěšení v technicky široké disciplíně historického modelářství. Návody, schémata a články na toto téma ale většinou nesměřují k jádru pudla a omezují se na zobrazení základních zapojení z třicátých let, ranného tranzistorového zapojení a fotografie krás provedení obvodů. V realitě je ale třeba často řešit výkonnostní, spolehlivostní a bezpečnostní problémy, kvůli kterým je třeba jednotlivým prvkům zapalování opravdu dobře rozumět. Protože často panují nedorozumění, k jakým účelům jednotlivé prvky slouží, je užitečné si tyto účely a popisy fungování shrnout. Jedině dobré porozumění vede k řešení problémů. Tento článek se soustředí na principiální nebo pokročilejší popisy vlastností prvků zapalování, které doprovázejí nejasnosti, či byly časem zapomenuty.

Typy zapalování


Klasické cívkové (IDI – “Inductive Discharge Ignition”)

Klasické zapalování používá “cívku”, což je ve skutečnosti transformátor. Ten je tvořen dvěma cívkami – primární silnoproudou s malým počtem vinutí a sekundární vysokonapěťovou s velmi vysokým počtem vinutí tenkého vodiče – to je také důvod nákladnosti i hmotnosti cívky. Transformátor obecně funguje jen na střídavé, nebo pulzující napětí. Rozepínání proudu v časovači motoru vytváří potřebné pulsy v primárním obvodu, na které reaguje sekundární obvod vysokonapěťovými výboji ve svíčce. Rozepínání vstupního proudu v časovači je paralelně přemostěno kondenzátorem pro eliminaci výboje na kontaktech a zvýšení pulsního “dokmitu”.

Tranzistorové (TCI/IDI – “Tranzistor Controlled Ignition”)

Zapalování je principiálně stejné, jako klasické. Rozdíl je, že pulsy v primárním obvodu se provádí spínáním tranzistorem. Mechanický časovač spíná pouze malý řídící proud báze výkonového tranzistoru. To má pozitivní důsledky pro výkon okruhu a snižuje nároky na kvalitu časovače. Přidává se ovšem do okruhu další prvek, takže zapojení musí být osvědčené a tranzistor spolehlivý.

Kondenzátorové – krabičkové (CDI – “Condenser Discharge Ignition”)

Kondenzátorové zapalování se pořizuje jako kompletní krabičkové řešení, většinou i s ochranou proti vybití při trvalém sepnutí časovače. Principem zapalování je hlavní kondenzátor, který se samovolně nabíjí ze zdroje a vybíjí se přes menší transformační cívku do jiskry ve svíčce po rozepnutí nebo sepnutí v časovači motoru. Systém nevyužívá “dobu sepnutí” časovače motoru pro nabíjení, nabíjení probíhá ihned po výboji ve svíčce.

Zapalování CDI, která počítají s využitím na historických motorech, reagují (historicky správně) na rozepnutí časovače obvodu. Jiné, které počítají už jen s využitím na motorech s Hallovými čidly nebo např. zapalování “Henry”, reagují výbojem už na sepnutí časovače. Přizpůsobit mechanicky časovač s větším úhlem sepnutí tomuto druhému případu není lehké a milovníkům krás historických motorů to nedoporučuji. Lepší už je řešení doplňkovým tranzistorovým “invertorem” pro spínač CDI.

CDI zapalování má průměrně o 20% nižší spotřebu kvůli menším ztrátám z transformace. Bývá ale zase o 20% těžší. Šetří zdroj. Nabíjení probíhá ustáleným proudem, nedochází k ampérovým pulsním čerpáním, jako u klasického zapalování. Nabíjení kondenzátoru trvá déle a to často omezuje maximální otáčky CDI na 11-12000 ot/min u běžných provedení.

Časovač (“Timer assembly”)


Doba sepnutí (“Dwell”)

Po dobu sepnutí časovače probíhá u klasického zapalování “nabíjení” cívky. “Nabíjen”í cívky je svým časovým průběhem proudu “opačný” proces, než nabíjení kondenzátoru či baterie. Proud postupně po sepnutí stoupá, jak cívka přestává klást po změně napětí magnetický odpor (induktance). Doba nabíjení má být jen tak dlouhá, aby proud primárním okruhem cívky dosáhl před okamžikem přerušení hodnoty odpovídající generování kvalitní jiskry v sekundárním vysokonapěťovém obvodu. Pokud je doba kratší, proud potřebné hodnoty nedosáhne. Pokud je delší, zvyšuje se zbytečně proud, vybíjí se baterie a zahřívá cívka. Protože jsou optimální otáčky historických motorů různé, jsou různé i délky (= úhly) sepnutí v okruhu časovače. U starších nízkootáčkových motorů (4000-9000 ot/min) je úhel sepnutí 40-90 stupňů. U poválečných vysokootáčkových (9000-16000) je úhel sepnutí 90-180 stupňů. Dobu sepnutí tak v zásadě určuje výrobce motoru tvarem vačky. V některých případech u vhodně eliptického tvaru vačky lze dobu sepnutí ovlivnit nastavením tzv. “odtrhu” (viz “Odtrh”)

Schema časovače zapalování motoru Brown Junior:

Odtrh (“Point gap”)

Odtrh je vzdálenost kontaktů časovače v plně rozpojeném stavu. Elektrickému obvodu primárního okruhu klasického zapalování přímo nezáleží, do jaké vzdálenosti se dostane pohyblivý kontakt (“moving point”) ve fázi rozepnutí. Ve skutečnosti se “odtrhem” nastavuje doba sepnutí zapalování, pokud je vhodně tvarovaná vačka. Čím menší je mezera mezi kontakty, tím delší je úhel sepnutí v rámci celého okruhu 360 stupňů, což je nutné při vysokých otáčkách pro zachování optimální doby sepnutí. Obecně také platí, že při příliš velkém odtrhu a vysokých otáčkách nemusí už slabší pružina “dostat” včas kontakty k sobě, zkracuje se doba sepnutí a otáčky motoru jsou tak omezeny. Při příliš malém odtrhu by naopak ani přítomný kondenzátor nemusel stačit k zamezení vzniku oblouku a tím by došlo ke ztrátě energie.

Předstih (“Advance”)

U nově získaného motoru vždy měříme a vyznačíme základní hodnotu předstihu. Důvody, pro něž může být nastavená poloha páčky ve skutečnosti chybná, je mnoho. Měření a nastavení předstihu provedeme pomocí “pípátkového” obvodu nasazeného na časovači a eletronického posuvného měřítka, zasunutého tyčkou otvorem po svíčce do prostoru válce. Při pohybu pístem nahoru vynulujeme měřítko v okamžiku rozepnutí, kdy přestane pípání. Tělo měřítka přidržujeme pevně opřeno o hlavu válce. Zbylý pohyb válce nahoru nám tyčkou “vytlačí” na měřítku přesnou hodnotu předstihu.

Základní hodnota je cca 1,3 mm u motorů 5ccm3 a 3 mm u 10ccm3. “Špičkové” hodnoty pak bývají po doladění cca 1,7mm a 4,2 mm. Lépe, pokud to jde, je začínat provoz motoru s nižším předstihem a startovat ho ručně nebo pomalejším planetovým startérem “Kavan” – následně předstih zvednout. Naopak start závodně “předstiženého” motoru s “pevným” předstihem je lepší provést rychlootáčkovým startérem.

Kontakty (“Points”)

Stav kontaktů při koupi motoru je jednou z významných informací pro výběr zapalování. Čisté, po celé ploše přiléhající a zdravou pružinou tlačené kontakty jsou připraveny na použití klasického zapalování. Nepřesně doléhající kontakty se slabší pružinkou mohou ještě posloužit na spínání malých bázových proudů řídícího tranzistoru TCI či CDI zapalování. Kontakty lehce očistíme nejjemnějším brusným papírem a zbavíme oxidů “Kontaktolem”. TCI zapalování snižuje s výhodou nároky na kvalitu a provozní čistotu kontaktů.

Kondenzátor (“Condenser”)


Kondenzátor plní v klasickém zapalovacím obvodu IDI – čtyři úlohy. Výkonnostní úlohu by plnil i u zapalování TCI (spínání tranzistorem), ale je zde trochu neprávem pomíjen jako nepotřebný. Empiricky doporučená kapacita je 50-100 nF (nanofaradů) = 0,05-0,1 mikrofaradu. Kondenzátory SPRAGUE 47 nebo 100 nF přibaloval k cívce zapalování ve svých dodávkách “motorář” Woody Bartelt.

Ztráta energie obloukem

U klasického zapalování probíhá časovačem velký proud, který by při rozpojování “zapálil” na kontaktech elektrický oblouk (výboj). Ten by zabránil prudké změně proudu v primárním okruhu, vyvolávající potřebný ostrý puls a následný výboj jiskry na svíčce v druhém, vysokonapěťovém okruhu. Bez kondenzátoru tedy klasické zapalování funguje jen s malou jiskrou na svíčce, která většinou nestačí na zapálení směsi.
Kondenzátor svou kapacitou “vykryje” přechodový výboj tak, že v okamžiku rozpojení kontaktů zabrání svou chvilkovou vodivostí vzniku vysokého přepětí (kapacitní admitance). Současně z toho plyne, že kondenzátor musí být dostatečně “tvrdý”, aby nedošlo k jeho průrazu – empiricky dimenzovaný na cca 400-600V. Po rychlém vyčerpání kondenzátoru jsou kontakty od sebe už tak “daleko”, že se oblouk nezapálí.

Elektromagnetický puls, rušení

Kondenzátor odstraňuje výboj na kontaktech jako jeden ze dvou zdrojů rušení a elektromagnetických pulsů do okolí. Podle všech empirických zkušeností se ale jedná o rušení a pulsy menší, než v případě pulsu na vysokonapěťovém okruhu svíčky, takže naděje na zbavení se rušení pouze v tomto místě jsou bohužel marné.

Opálení kontaktů

Výboj na kontaktech opaluje jejich povrch, snižuje životnost. Kondenzátor je odstraněním výboje šetří.

Kapacitní posílení pulsu

Kapacitní posílení vstupního pulsu je tajemná a málo známá funkce kondenzátoru. Kondenzátor s primární cívkou tvoří kmitavý LC obvod a kondenzátor na konci průběhu přerušení provede zpětný “dokmit”, který zvýší účinnost transformace na vysoké napětí o cca 10-15%. Takto snižuje spotřebu zdroje, či posiluje sekundární výboj při nižším vstupním napětí. Tato funkce není nezbytná, nicméně hraje v celém zapalovacím koncertu “krásné druhé housle” a labužník historického zapalování se o ni nenechá připravit. Schema zapalování typu TCI kondenzátor na kontaktech většinou vynechávají a mírně zvýšenou spotřebu neřeší.

Cívka (“Coil”)


Malé lehké cívky typu “lightweight coil LARRY” a starší “Wilco” jsou určeny pro zapalování nízkoobrátkových benzínových motorků. Silnější cívky typu “AeroSpark”, “Modeelectric”, a český “Trojan” jsou nasazovány i na větší, rychlé motory spalující metanol. Metanolové palivo vyžaduje ze zkušenosti silnější jiskru, protože má vyšší teplotu vznícení a bohatší směs. Také se motory při závodech častěji startují “zaplavené” palivem a počítá se s “vymetáním” přebytků paliva výfukem. Proto se i dříve používaly při startech externí posílení napájení pro vylepšení jiskry – “boostery”.

Historickou civku je před zabudováním potřeba vyzkoušet a její kontakty a konstrukční spoje raději zajistit vhodným epoxidem, aby se při zahřátí a vibracích nerozvolnila. Je třeba použít výkonnostně vhodnou cívku. Papírová lehká cívka LARRY může po nevhodném nasazení do TCI zapalovacího okruhu závodní metanolové “desítky” po závodu vypadat jako čerstvý kousek pečiva z lístkového těsta.

Rezistor


Ve VN kabelu ke svíčce je umístěn rezistor 10 (5,15) kOhm kvůli odstranění rušení” – takto lapidárně je ve většině popisků označená “modelářsky nejbolestnější” část zapalovacího obvodu. Naděje, že odpor filtruje pouze vyšší harmonické frekvence, “nelahodící uchu” přijímače, je lichá. Snadno se přesvědčíme, že síla jiskry je tím menší, čím větší odpor jsme nuceni zařadit kvůli ochraně přijímače proti zablokování elektromagnetickým pulsem.

Nebezpečím je skutečně “zatuhnutí” přijímače, nejedná se o pouhé “rušení”, které by nebylo nutno asi tak úzkostlivě řešit. U vybraných odolných přijímačů bylo empiricky zjištěno, že hodnota 5 kOhm sníží i mimořádné pulsy na přijatelnou hodnotu.

K mimořádně silným pulsům dochází při startech motoru, kdy se při pomalém protáčení časovače nashromážďuje mimořádná energie v civce(kách) a kondenzátoru(rech), takže k nehodě úletu modelu s vypnutým přijímačem dojde většinou tak, že v závodním chvatu zapomene modelář zkontrolovat funkci přijímače po nastartování motoru, těsně před startem modelu.

U krabičkových zapalování CDI nevíme vždy jistě, zda VN výstup je omezen rezistorem, ale většinou není. Proto je často nutné použít rezistor i zde. Jakkoliv se kabel zdá profesionálně stíněný a opletený, celková síla pulsu může při startu některým přijímačům vadit. Případy úletu modelu s CDI zapalováním – s přijímačem zatuhlým při startu motoru – opravdu existují.

Rezistor se zahřívá a často přepaluje, což je dalším důkazem ztrát energie. Osvědčilo se proto použití dvou odolných rezistorů 10kOhm zapojených paralelně (= 5kOhm s rozloženou zátěží).

Odstranění potřeby ochraného rezistoru je výzvou pro případné experimentátory se stíněným kabelem VN a (elektromagneticky izolační) Faradayovou klecí pro cívku.

Svíčka (“Spark plug”)


Pro zapalování metanolového paliva používáme modernější svíčku se studenou elektrodou tvaru “L”. Svíčky s jemnou elektrodou tvaru “C – háček” mají nechtěný “žhavící” efekt a zahřátý motor ve vysokých otáčkách často pokračuje v běhu i po vypnutí zapalování.

Elektrický obvod


Důležité jsou pevné, pájené nebo pozlacené spoje. Navíc je třeba se vyhnout vedení elektrického okruhu (zezdola) přes šrouby upevnění motoru. Očka kabelů (-) či kondenzátoru je třeba upevnit šroubem seshora přímo k patkám motoru. Elektrický odpor standartních šroubů je významný a výkonnostně degraduje obvod.

Zdroj


Většinou šetříme hmotnost a snažíme se použít právě jen dostačující zdroj.

Tužková baterie AA LiIon 3,6V o kapacitě 650 mAh vystačí, pokud je klasické zapalování dobře seřízené a plánujeme vykonat 4-6 35 vteřinových soutěžních motorových letů v jedné z kategorií OTMR.

Větší, válečkovou baterii LiIon 1200 mAh použijeme u TCI zapalování nebo u kategorie Classic Texaco s několika 4 minutovými motorovými lety. Hmotnost lze mírně ušetřit použitím LiPo baterie podobných kapacit, nelze to však z bezpečnostních důvodů doporučit.

U CDI zapalování, které má většinou předepsané napájení na 4,5 – 6V používáme zdroje LiFe 6,6 V nebo NiMh 4,8 V podobných kapacit.

Dbáme, aby mimo dobu běhu motoru byl primární okruh klasického i TCI zapalování vždy vypnut. Spojení kontaktů znamená rychlé vybíjení zdroje a přehřívání cívky.

RC Vypínač


Konzervativní modeláři zařazují do primárního obvodu mechanický mikrospínač (dimenzovaný na 5-10A), který spínají servem. Zařízení je to řemeslně pěkné, s vizuálně zřejmou funkcí a stavem sepnutí. Nelze ho ale bohužel z bezpečnostních důvodů doporučit. Zapalovací systém by neměl dále fungovat v případě disfunkce radiového ovládání či vypínání, zejména u silnějších a rychlejších motorů – v soutěžích typicky v kategoriích OTMR-AB, C. V případě výpadku ovládání či spálení serva pokračuje motor v chodu, v horším případě v již neřízeném modelu.

Oba případy se autorovi článku staly v jediný den na dvou modelech. V prvním případě se jednalo o selhání přijímače modelu kategorie OTMR-C, který vzápětí dopadl na zem, “stále pod motorem”. V druhém případě se spálilo servo u mikrospínače výboji od VN kabelu u modelu kategorie Classic Texaco, což naštěstí nemělo následky, protože motor se zde vypíná ovládáním jen při zkouškách motoru.

Hodně modelářů bývalo odrazeno nespolehlivostí, či elektronicky chybným provedením některých prvních optoelektronických RC vypínačů. Po všech zkouškách a zkušenostech lze nyní rozhodně doporučit spínač “RCEXL Opto Gas Engine Kill Switch”. V případě RC poruchy okamžitě přeruší obvod zapalování.

Optoelektrický vypínač má spínaný obvod galvanicky oddělený od řídícího obvodu RC přijímače, proto musí využívat ke spínání energii baterie zapalování. Do obvodu je proto připojen paralelně k baterii a sám dále působí jako zdroj.

Závěr


Tento článek chce přispět ke zvýšení zájmu o motory s klasickým zapalováním. Souhrn informací budiž dokladem, že problémy jsou známy a úspěšně řešeny. Jakkoliv vypadá problematika klasického zapalování složitě, přináší její zvládnutí radost ze zahrnutí dalšího technického odvětví historického modelářství.

Historický model se zapalováním stoupá k obloze jako živý tvor, který elektricky pulsuje a jiskří, chemicky vybuchuje, fyzicky se nadnáší a přináší tak modeláři pocity komplexního tvůrce. Začínajícím rádi poradí a pomůžou zkušení kolegové korespondencí i přímo na letišti.

Miroslav Vaněk
Praha 7.3.2021