Tändstift
Tändstift är en komponent i en förbränningsmotor som antänder den gasblandning som finns i förbränningsrummet, dels vid drift av Ottomotorer och dels vid start av gasturbiner och jetmotorer. Antändningen sker medelst en elektrisk gnista mellan tändstiftets elektroder. Ska ej förväxlas med glödstift som används i dieselmotorer när kompressionen inte höjer temperaturen tillräckligt vid kallstart. Antändningen. Gasblandningen i gapet mellan elektroderna är normalt ej elektriskt ledande. Men när spänningen mellan elektroderna överskrider en viss nivå, så joniseras gasen och blir elektriskt ledade. Strömmen av joner gör att gas upphettas snabbt till över 60000 Kelvin och utvidgas explosivt. Det är det som klickar till när man testar ett tändstift i vanlig luft. Den kraftiga upphettningen gör att molekylerna i gasblandningen reagerar med varandra och startar förbränningen i en liten "åskboll" som snabbt växer över hela förbränningsrummet. I ett tändstift sker joniseringen vid 12-25 kV, men ibland även så högt som 45 kV. Tidpunkten. I fallet Ottomotor är den erhållna effekten lika med kraften gånger vägen när kolven påverkas under arbetstakten. Därför är det viktigt att förbränningen fullbordas inom arbetscykeln. Eftersom flamfrontens hastighet är nästan konstant för en viss gasblandning, så behöver man, vid högt varvtal, starta gnistan innan kolven når övre läget om förbränningen ska vara klar i tid. Se tändsystem (ottomotor). För att ytterligare snabba upp förbränningen kan man använda flera tändstift i cylindern som ger flera flamfronter ("Twin spark"). Varje motor har därför ett optimalt gnistgap med hänsyn till spänningen vid start och bränslets oktantal. Vanliga gap är 0,5 - 2 mm. Värmetal. Förbränningen kan orsaka sotbildning, som kan ge en beläggning på isolatorn mellan mittelektroden och det omgivande metallhöljet, vilket i sin tur kan ge läckströmmar som förhindrar joniseringen. Av det skälet vill man låta isolatorn inne i förbränningsrummet få så hög temperatur att sotet bränns bort, men ändå inte så hög att isolatorn skadas. Isolatorn, som har en låg värmeledningsförmåga, ges därför olika längd, beroende på hur mycket värme som behöver avledas, för att temperaturen ska bli den rätta. Lågvarviga kolvmotorer har lång isolering för att få upp rätt temperatur för avbränningen medan racermotorer ges kort isolering för att ej bli för varma. Man talar om olika värmetal för tändstift. Ytterligare ett skäl till hög temperatur på mittelektroden är att gnistbildningen underlättas. Elektromagnetisk störning. Vid gnistbildningen skapas en elektromagnetik våg som kan ge radiostörning. För att reducera problemen har tändstiften ofta en inbyggd resistans mellan mittelektroden och tändkabeln. Den förste att använda tändstift i en Ottomotor var fransmannen Étienne Lenoir 1860. 1898 fick Nicola Tesla och Robert Bosch olika patent. Under hela 1900-talet förbättrades tändstiften för att göra dem mera driftsäkra och effektivare att tillverka. Försök har gjorts med laserljus i stället dock utan praktisk tillämpning 2010. Vissa bedömer att man i framtiden kommer att skapa gnistan mellan en elektrod på inloppsventilen och en "mittelektrod" alldeles i dess närhet. Det skulle ge en förmånligare flamfront än den från stiftet i cylindertoppen men kräva en helt annorlunda konstruktion. Tidigare måste man regelbundet kontrollera tändstiften. Borsta bort sot och olja och justera gnistgapet. Numera håller stiften längre och byts utan mellanliggande kontroll. Fortfarande är tändstiften känsliga i tvåtaktsmotorer eftersom gasen dels är oljeblandad och förorenar stiften. Dels därför att tändning ske dubbelt så ofta som i en fyrtaktsmotor. Litet gnistgap ger en säker men liten gnista. Stort gnistgap ger en osäker men stor gnista. Gängad stomme av metall som skruvas fast i förbränningsrummet. Från M10-gänga upp till M18. Anslutning till tändkabel eller tändspole.
Tändsystem (ottomotor)
Ottomotorn skiljer sig från dieselmotorn i det att dieselmotorns tändning av cylindergasen sker genom att ren luft upphettas genom kompression och bränslet sprutas in vid optimalt tidpunkt och då självantänds. När dieselmotorn är kall kan dock ett glödstift hjälpa till med antändningen. För att mata tändspolens primärlindning med ström används två metoder. För att bryta strömmen till primärlindningen när tändning ska ske använder moderna tändsystem tre typer av komponenter. Tändsystemen för ottomotorer har under drygt 100 år utvecklats från enkla mekaniska system till ovan beskrivna avancerade elektroniska. De tidigaste hade på vevaxeln, kamaxeln eller en hjälpaxel enkla kammar som en brytarspets gled mot. En kam för varje cylinder. När brytaren var sluten laddades en tändspole med den ström som inducerades när en magnet på det roterande svänghjulet passerade intill en spole. När brytaren öppnades av kammen, så urladdades tändspolen med en mycket hög inducerad spänning som i sin tur åstadkom en gnista i tändstiftet. När man hade flera cylindrar användes en tändfördelare med en roterande arm som ledde högspänningen till rätt tändstift. I detta system var kammarna och brytarspetsen en kombinerad sensor- och utlösningsmekanism. På bilar, där motorns varvtal ändrades under körningen, hade man ibland en tändningsspak i rattens centrum så att föraren kunde tidigarelägga tändningen vid högre varv och senarelägga den till exempel när motorn skulle vevas igång. Spaken ledde till en mekanism som helt enkelt vred brytarspetsen något och därmed flyttade tändningsläget. Nästa steg var att automatiskt justera tändningen till motorns driftsförhållande. Man tillsatte ett vakuummembran mot insugningsröret så att tändningen anpassades efter belastningen, d.v.s. kände av trycksänkningen som skedde när föraren öppnade gasspjället hastigt. Vidare satte man dit en centrifugalregulator som tidigarelade tändningen vid högre varv. Både vakuumklockan och centrifugalregulatorn vred brytarspetsen något i förhållande till kammarna. Gnistbildningen i brytarspetsen kunde erodera kontaktytorna så att tändinställningen blev ogynnsam. För att motverka detta inkopplades en kondensator över brytaren vilket reducerade gnistorna. Ändå fick man ibland fila på ytorna och kamnockarna kunde slitas. Därför måste man ibland justera in tändfördelaren. Det skedde med en stroboskoplampa enligt följande: Stroboskoplampan, som var ett glimrör, kopplades mellan jord och tändspolens primärlindning. Det gjorde att lampan lyste till exakt när tändstiftet tände. På vevaxelns remskiva för till exempel kylfläkten, hade man en markering av en exakt vinkel i förhållande till kolvens övre vändpunkt. Genom att låta stroboskoplampan glimma mot remskivan så såg man ett smalt streck belysa tändläget (lampan blinkade så kort tid att det bara motsvarade någon grad på skivan). Man kunde då vrida hela tändfördelaren tills ljusstrecket sammanföll med märkningen och skruvade slutligen fast den i detta rätta läge. Tändfördelaren var ett lock över fördelararmen. Högspänningen från tändspolen leddes in i lockets centrum ner till den roterande armen. Armen strök sedan tätt förbi 4 elektroder på locket (vid 4-cylindrig motor) så att överslag skedde varvid högspänningen leddes vidare i 4 tändkablar till tändstiften. Två problem uppstod: Dels eroderade elektroderna och måste ibland filas jämna. Dels kunde smuts på fördelarlocket ge läckströmmar så att tändstiften fick för svag spänning. Därför började man använda en tändspole per cylinder och placerade dessa i närheten av tändstiften. Detta var viktigt på utombordsmotorer som kunde utsättas för fukt.
Tändsystem
Tändsystem är ett samlingsnamn för olika metoder att starta en förbränning. Att utnyttja den energi, som frigörs vid förbränning, har varit en viktig funktion i alla mänskliga kulturer. Problemet har varit att få igång förbränningen när man behöver energin. Det gällde från början att med till exempel flinta få eld på ved, senare att få en tändsticka att brinna och kan numera gälla att antända en gasblandning i en bensinmotor vid exakt rätt tillfälle eller att tända en raket när man ska hem från månen. Förbränning innebär att ett bränsle oxideras genom tillförsel av syre varvid energi frigöres. Reaktionen kräver en viss temperatur för att starta. För en förbränning krävs således bränsle, oxidationsmedel samt värme. För att tända ett bränsle åstadkommer man först en koncentrerad upphettning, till exempel ett flintkorn som glöder eller ett tändstift som joniserar luften. Sedan startar värmen oxideringen av bränslet, d.v.s. själva förbränningen. Andra energiomvandlingar såsom omvandling av kärnbränsle i en reaktor betraktas vanligen inte som en förbränning och beskrives ej i denna artikel. Eldslagning. Att slå eld är ett gammalt uttryck för att med primitiva sätt få eld på ved. Som bränsle använde man vanligen ett fnöske, som är en kådrik vedsticka som splintades upp i tunna spån. För att få eld måste man skapa värme vilket vanligen åstadkoms med friktionsvärme. Kruttändning. På de tidigaste bössorna användes till exempel luntlås – en glödande lunta som fördes fram till ett kruthål och "brände av" skottet. Modern ammunition använder ett slagstift. Tändstickor som är en trästicka med en tändsats i ena ändan. Tändsatsen dras sedan mot ett plån varvid tändning sker genom friktionsvärme. Ett svenskt patent var säkerhetständstickan där tändning skedde enbart vid friktionen mot just plånet. Stubintråd som oftast används vid sprängningar. Det är en tråd bestruken med ett pyrotekniskt ämne som när den tänds på av en tändsticka i ena änden, ger en förbränningsfront som framskrider med en viss hastighet. Från långsamt när man vid sprängning vill hinna sätta sig i säkerhet till mycket snabbt när man vill låta nästa laddning explodera alldeles efter en annan. Tändstift. Används i de kolvmotorer där en brännbar gas i en cylinder ska antändas vid exakt rätt tidpunkt när kolvens övre läge passeras. Antändningen sker genom att ett eller flera tändstift ges en kort högspänning mellan två elektroder som joniserar gasen däremellan under stor värmeutveckling (gnista) så att gasblandningen antänds. Se Tändsystem (ottomotor). Tändstift användes även i andra sammanhang, till exempel i vissa rymdraketer vid kurskorrigeringar. Glödstift. Används i de kolvmotorer där luft genom hög kompression upphettas så mycket så att om bränsle då sprutas in så startar en förbränning. Om dieselmotorn är mycket kall så räcker ej kompressionen för att nå tillräcklig temperatur. Man använder då ett glödstift som tillfälligt ökar värmen så att antändning sker. Glödstiftet är en elektrisk resistans som snabbt kan kopplas ur när motorn tänt. Alternativt användes tidigare en tändkula som värmdes upp före start av till exempel en blåslampa. Se Tändsystem (dieselmotor). Hypergolisk tändning. Används bl.a. i rymdraketer. Bygger på principen att två kemiska komponenter var för sig ej antänds men när de förs samman självantänder.
Tändspole
Tändspole är en komponent i bl a Ottomotorers tändsystem, som under ett kort ögonblick kan generera en så hög spänning, att ett tändstift ger en gnista, vilken antänder bränslet i förbränningsrummet. Om tändspolen får sin energi från en roterande permanentmagnet kallas den ofta bara magnet. Om den får energi från ett batteri kallas den tändspole. En hög tändspänning kan alternativt skapas med en kondensator som laddas upp - Capacitor Discharge Ignition eller CDI-tändning. Magnetlösningar. De tidigaste Ottomotorerna satt i fordon utan elsystem och batteri. Energin skapades då i stället med den roterande magneten. Lösningen var robust: Placeringen var rätt skyddad inuti svänghjulet och brytaren kunde lätt styras av vevaxeln. Magnetsystemet var särskilt lämpligt för encylindriga tvåtaktsmotorer med en tändning varje varv. En nackdel var att den inducerade spänningen är låg vid startögonblickets låga varvtal och för hög vid högt varvtal. Tändfördelarlösningen kunde relativt enkelt hantera många cylindrar och justeringsmekanismen var viktig i fordon som hade varierande belastning. En nackdel var att brytarspetsarna eroderades. Vidare eroderades ytorna på fördelararmen och elektroderna av högspänningen och överslag kunde uppstå om fördelarlocket med högspänningskablarna blev fuktigt av smuts. Brytningslösningar. Fram till slutet av 1900-talet användes en mekanisk brytare. Genom att en kondensator kopplades över gnistgapet begränsade man gnistbildningen och erosionen. Men metoden krävde regelbunden justering och filning eftersom kamrörelsen slets och elektroderna gröptes ur. Justeringen skedde bäst med hjälp av en stroboskoplampa. Stroboskoplampan kopplades till den brytande primärlindningen när motorn gick. Lampan gav då en exakt blinkning vid varje tändning. På vevaxeldrevet fanns markeringar av vinkelgraderna kring övre kolvläget. När man lyste med lampan på drevet så blev det ett fast ljus på den gradmarkering där tändningen skedde. Genom att vrida hela tändfördelaren kunde man sedan flytta tändläget till det läge som specificerats för motorn. När elektroniska strömventiler kom under andra halvan av 1900-talet slog dessa ut brytarspetsarna. Dels fick man ett underhållsfritt driftsäkert system. Dels kunde man låta en liten dataprocessor kontinuerligt beräkna och styra tändläget vid olika belastningar och bränslen. I enklaste fall mäter processorn bara varvtalet, i mer avancerade fall undertrycket i insugningsröret som minskar vid högbelastning och knackningar i cylindrarna som uppstår vid hög förbränningshastighet hos bränslet. Tändspolen är en spartransformator där en primärlindning med få varv inducerar en magnetisk energi i kärnan. Om strömmen bryts, så omvandlas den magnetiska energin till en högspänning i sekundärlindningen, som har många varv. Transformatorns omsättning (Varv i sekundärlindningen : i primärlindningen) väljs så att högspänningen blir 10 - 50 kV. Primärlindningen matas oftast från ett batteri på vanligen 12 eller 24 volt. På motorer utan elsystem placeras tändspolen innanför svänghjulet som då även har en eller flera permanentmagneter utmed periferin. När en magnet passerar tändspolen så induceras en spänning i primärlindningen som bygger upp magnetfältet i kärnan. Den höga spänningen genereras när strömmen i primärlindningen bryts och kärnans energi urladdas. Brytningen åstadkommes med en elektronisk strömventil, till exempel en TRIAC eller en tyristor, som med en svag styrsignal vid en exakt tidpunkt kan bryta en stark ström. Vanligen ligger matningen från positiva polen på hela tiden, medan de negativa polen bryts. I äldre Ottomotorer skedde brytningen mekaniskt med en brytarspets som styrdes av en eller flera kammar på vevaxeln vid tvåtaktsmotorer och på kamaxeln vid fyrtaktsmotorer. I dessa fall var det den positiva polen som bröts medan jordpotentialen var fast. Se tändsystem. V-åttor hade oftast två tändfördelare, en för varje cylinderbank.
