Medan bilindustrin har uppnått drastiska mekaniska och tekniska framsteg genom historien, finns det en komponent som alla bilar med brännbara motorer har gemensamt:tändningssystemet. Om du menar allvar med ditt dyrbara fordon, att veta hur de olika typerna av tändsystem arbete och deras fördelar och nackdelar är användbart för att välja rätt tändstift som fungerar mest effektivt med tanke på prestandakraven för tändsystemet.
Även om nästan varje större komponent i en bil har genomgått förbättringar genom åren, har de grundläggande principerna för tändsystemet inte förändrats på nästan ett sekel. I huvudsak tar den den elektriska spänningen från batteriet, omvandlar den till en mycket högre spänning, överför sedan denna elektriska ström till motorns förbränningskammare och antänder den komprimerade blandningen av bränsle och luft för att skapa en förbränning. Denna förbränning genererar den energi som behövs för att köra din bil.
Som sagt, metoden med vilken gnistan skapas och distribueras har förbättrats avsevärt tack vare tekniska framsteg. För närvarande finns det fyra typer av tändsystem som används i de flesta bilar och lastbilar, efter uppfinningsordning:konventionella (mekaniska) tändningar, högenergitändningar (elektroniska), tändning utan fördelare (avfallsgnista) och spole-på- pluggtändningar. Brytpunktständningar (mekaniska) och högenergitändningar (elektroniska) är båda distributörsbaserad tändning, så ett annat sätt att kategorisera är efter tre bredare typer av tändsystem:distributörsbaserade, distributörlösa och spole-på-pluggsystem.
I den här omfattande guiden kommer vi att dyka in i hur varje system fungerar, samt de resulterande fördelarna och nackdelarna med vart och ett, angående vad det betyder för din motors prestanda och underhållskrav.
När du stoppar in nyckeln i ditt fordons tändning och vrider, startar din motor och fortsätter att gå. Har du någonsin undrat över hela processen som sker bakom en så enkel handling?
Låt oss återgå till motor 101:Din motor producerar kraft för att driva din bil genom att skapa en förbränning, eller explosion, inuti dess förbränningskammare, därav namnet "förbränningsmotor". För att generera sådan förbränning spelar tändsystemet en stor roll:dina tändstift levererar den elektriska gnistan som antänder luft- och bränsleblandningen som matas in i förbränningskammaren.
För att tändsystemet ska fungera korrekt måste det kunna utföra två uppgifter effektivt och exakt samtidigt.
Den första uppgiften är att skapa en stark gnista som kan hoppa över tändstiftets gap. Med andra ord behöver tändsystemet öka spänningen från batteriets 12 volt till minst 20 000 volt, vilket krävs för att antända den komprimerade luften och bränsleblandningen i förbränningskammaren för att skapa en energigenererande explosion.
För att uppnå en sådan enorm spänningshöjning använder tändsystemen i alla bilar, utom dieseldrivna modeller, en tändspole som består av två spolar av tråd lindade runt en järnkärna, känd som primärlindningen och sekundärlindningen. Tändspolen fungerar som en elektrisk krafttransformator.
Målet med tändspolen är att skapa en elektromagnet genom att köra de 12 volt som tillförs av batteriet genom primärlindningen. När fordonets tändsystems utlösningsknapp slår av strömmen till tändspolen kollapsar magnetfältet. När den gör det, fångar sekundärlindningen det kollapsande magnetfältet från primärlindningen och omvandlar det till 15 000 till 25 000 volt.
Den tillför sedan denna spänning till tändstiftet och skapar därigenom en förbränning i motorns förbränningskammare, vilket skapar energi för att starta och köra ditt fordons motor. För att den nödvändiga gnistan ska uppstå måste den omvandlade spänningen som levereras till tändstiftet vara i intervallet 20 000 och 50 000 volt.
LÄS MER
Samtidigt är tändsystemets andra viktiga roll att se till att gnistan måste tändas i precis rätt ögonblick under kompressionsslaget för att maximera den kraft som genereras från den antända luft- och bränsleblandningen. Med andra ord måste den tillräckliga spänningen levereras till rätt cylinder vid exakt tidpunkt och detta måste göras ofta.
Alla komponenter ska fungera exakt och harmoniskt för att din motor ska uppnå optimal prestanda. Även det minsta fel i timing i någon enskild del kommer att leda till problem med motorns prestanda, och om det förlängs kan det till och med orsaka permanent skada.
Tändsystemet måste ge tillräcklig gnista vid höger cylinder. För att säkerställa korrekt gnisttimning har ingenjörer använt flera metoder som har utvecklats under åren.
De tidiga tändsystemen använde helmekaniska fördelare för att styra gnisttimingen, följt av hybridfördelare utrustade med halvledaromkopplare och motorkontrollmodulen (ECM), i huvudsak en typ av enkelprocessdator, för att fördela den elektriska kraften till varje enskild cylinder .
Det som kom efter för att motverka nackdelarna med dessa tidiga distributörer var 100-procentiga elektroniska tändsystem, varav det första var ett distributörslöst tändsystem, där distributören helt eliminerades.
Den senaste uppfinningen, spole-på-plugg-tändningssystem, kunde avsevärt förbättra gnisttimingen genom att använda förbättrade tändspolar som packar ett mycket större slag och genererar en mycket hetare gnista.
När motorn är igång driver den även generatorn som genererar elektricitet för att ladda batteriet. Batteriet i din bil lagrar elektricitet och avleder den som likström.
Batteriet levererar tolv volt likström. Men för att uppnå en gnista för att förbränning ska uppstå måste det finnas mellan 20 000 till 50 000 volt vid tändstiftet. För att möjliggöra en så avsevärd ökning av spänningen behöver du tändspolen.
Tändspole
Tändspolen fungerar som en elektrisk krafttransformator. De tidigaste mekaniska tändsystemen är beroende av en spole för att omvandla den låga spänningen från batteriet till den höga spänning som tändstiften behöver.
Tändspolens elektriska transformation fungerar enligt en princip som kallas magnetisk induktion. I en traditionell transformator får primärspolen ström, det vill säga likström från batterierna. Denna laddning genom primärspolen avbryts dock periodvis. Denna störning orsakas av distributören i de tidiga distributörsbaserade tändsystemen, och av en dator för att uppnå mer exakt tidpunkt i senare tändsystem. Distributörens jobb kommer att diskuteras ytterligare nedan.
Spänningen i primärspolen producerar ett magnetfält. Den periodiska störningen av strömmen som primärspolen tar emot gör att magnetfältet som produceras av primärspolen ständigt kollapsar. Så stora rörelser av primärspolens magnetfält gör att sekundärspolen skapar en skur av högspänningsenergi åt gången.
Hur hög spänningen som skapas av sekundärspolen är beror på förhållandet mellan antalet varv i primärspolen och antalet varv i sekundärspolen. Om sekundärspolen har dubbelt så många varv som primärspolen blir utspänningen dubbelt så stor som ingångsspänningen. För att alltså öka spänningen från 12 volt till minst 20 000 volt som tändstiften behöver, i en bils tändspole, har sekundärspolen tiotusentals gånger så många varv som primärspolen.
Så här skapar distributören de ovan nämnda periodiska, diskreta laddningarna som tillförs den primära tändspolen. Distributören innehåller en "brytpunkt" som jordar primärspolens krets. Denna punkt är ansluten till marken med en spak. Spaken flyttas av en kam ansluten till fördelaraxeln. Det öppnar primärspolens krets och orsakar kollapsen som utlöser högspänningsskurarna i sekundärspolen.
Dessutom, medan batteriet och tändspolen ger ström, gör fördelaren ett viktigt jobb, att bestämma exakt var och när den strömmen går till varje tändstift.
Fördelaren innehåller många delar, varav de viktigaste inkluderar en rotor som snurrar i takt med motorn och ett antal "kontakter" monterade på fördelarlocket. Elektrisk ström från tändspolen tillförs rotorn. Rotorn snurrar och när rotorns ände närmar sig en av kontakterna, bågar elektricitet till den kontakten. Därifrån går strömmen ner genom en tändstiftskabel till det tillhörande tändstiftet, och tar därmed tid för laddningen till varje tändstift.
Tändstiftskablarna, även kallade tändkablar, är isolerade ledningar som för strömmen till tändstiften så att tändstiften äntligen kan skapa gnistan som orsakar förbränning.
Tändstiftet består av en isolerad keramisk kropp med en ledande metallkärna i mitten. Det finns ett gap mellan denna centrala metallkärna och spetsen på elektroden som jordar till metallbasen på tändstiftet. Elektricitet bågar eller hoppar över det gapet och orsakar gnistan.
Takeaway är att utan att tändningssystemet fungerar korrekt och exakt kan din bil få problem med att starta eller kanske inte köra alls.
Slitna tändstift och felaktiga komponenter i tändsystemet kommer att påverka din motors prestanda, vilket skapar ett brett utbud av motorproblem, inklusive svår start, feltändning, brist på kraft, dålig bränsleekonomi och till och med permanenta skador om problemen inte åtgärdas i tid. Observera också att dessa motorproblem orsakade av felaktiga tändningssystem kan skada andra kritiska komponenter i ditt fordon.
Därför är regelbundet underhåll av ditt tändsystem viktigt för att säkerställa att din motors optimala prestanda och därmed smidig och säker körning. Hur regelbundet räcker då? Minst en gång om året måste du utföra en visuell inspektion av komponenterna i ditt tändsystem för att kontrollera om det finns tecken på slitage eller fel, och sedan byta ut dem omedelbart om det behövs.
När det gäller dina tändstift, se till att inspektera och byta ut dem med det intervall som rekommenderas av ditt fordons tillverkare. Återigen, med tanke på hur viktigt tändsystemet är, är förebyggande underhåll nyckeln till att maximera din motors prestanda och livslängd.
LÄS MER
Den äldsta typen av tändsystem är det konventionella brytpunktständsystemet, som ibland också kallas för mekaniska tändsystem. Den har använts sedan bilindustrins tidiga dagar, särskilt under 1970-talet.
Det är en av de två typerna av tändsystem som använder en distributör, så kallad distributörsbaserade system. Till skillnad från de andra tre typerna av tändsystem som diskuteras vidare nedan, är brytpunktständningssystemet helt mekaniskt till sin natur, därav dess andra namn.
Låt oss lära oss hur de fungerar, så på grundval av det kommer vi att se de resulterande för- och nackdelarna med den här typen av tändsystem. Vi kommer att dyka in i mer detaljer i det här avsnittet, eftersom det mekaniska brytpunktssystemet är den tidigaste uppfinningen, vilket är grunden för alla senare modeller. Du bör förstå hur det här systemet fungerar, för att se fördelarna och nackdelarna med de senare förbättrade systemen.
De två första typerna av tändsystem, brytpunktssystem och elektroniska system, är båda distributörsbaserade, till skillnad från de andra två distributörslösa systemen. Låt oss därför lära oss grunderna i hur ett distributörsbaserat system fungerar.
En fördelare är en innesluten roterande axel som har mekaniskt tidsinställd tändning. Distributörens huvudsakliga uppgift är att dirigera den sekundära eller högspänningsströmmen från tändspolen till tändstiften i rätt tändordning och under rätt tid.
I den helmekaniska fördelaren ansluter fördelaren till kamaxeln med kugghjul och snurras av kamaxeln. Inuti flyttar den flersidiga kammen på fördelaraxeln andra fördelardelar, i huvudsak fungerar som en mekanisk strömbrytare som startar och stoppar kraftflödet till tändspolen.
När spolen genererar tillräckligt med spänning, går den till toppen av spolen och in i toppen av fördelarlocket. Där fördelar en roterande skiva fäst på fördelaraxeln den elektriska strömmen till var och en av tändstiftskablarna i ordning. Strömmen går ner genom tändstiftsledningarna till tändstiften och orsakar antändning.
Ett distributörsbaserat brytpunktständsystem har två elektriska kretsar, den primära och sekundära kretsen.
En tändspole består av två spolar av tråd lindade runt en järnkärna, känd som primärlindningen, eller primärspolen, och sekundärlindningen, eller sekundärspolen. Primärkretsen består av primärspolen, "brytpunkten" och bilens batterier. Den fungerar endast på batteriets låga ström och styrs av brytpunkterna och tändningslåset.
Under tiden består sekundärkretsen av sekundärlindningarna i spolen, högspänningsledningsspolens tråd på externa spolefördelare, tändstiften, tändstiftskablarna, fördelarrotorn och fördelarlocket.
När tändningsnyckeln slås på får primärspolen lågspänningslikström från batterierna, som går genom distributörens brytpunkter och tillbaka till batteriet. Detta strömflöde bildar ett magnetfält runt tändspolen.
Nu är här hur "brytpunkten" kommer till spel.
Som nämnts ovan innehåller distributören en "brytpunkt" som jordar primärspolens krets. Denna brytpunkt är ansluten till marken med en spak, som flyttas av en kam ansluten till fördelaraxeln.
Tack vare fördelarrotorn som roterar i takt med motorn, när motorn snurrar, vrider fördelaraxelns kammen tills den höga punkten på kammen gör att brytpunkterna separeras. Omedelbart stoppar denna plötsliga separation strömflödet genom primärspolen.
Detta gör att magnetfältet som produceras av primärspolen kollapsar runt spolen. Kondensorn absorberar energin och förhindrar elektrisk ljusbåge mellan brytpunkterna varje gång de separeras. Med andra ord spelar kondensorn alltså en roll i den snabba kollapsen av magnetfältet, vilket krävs för att skapa en högspänningsstöt i sekundärspolen.
Sådana plötsliga och kontinuerliga förändringar i primärspolens magnetfält skär genom sekundärspolen, vilket skapar en högspänningsstöt som är tillräckligt hög för att hoppa över mellanrummen mellan rotorns och fördelarlockets terminaler, och mellanrummen mellan tändstiftets elektroder . Förutsatt att hela systemet är rätt tidsinställt, når gnistan luft-bränsleblandningen i den avsedda cylindern i det exakta ögonblicket och en förbränning uppstår i den cylindern.
När fördelaren fortsätter att rotera i takt med motorn avbryts de elektriska kontakterna mellan rotorn och fördelarlockets terminal, vilket stoppar strömflödet till sekundärspolen. Samtidigt stänger brytarpunkterna igen, vilket gör primärkretsen komplett, vilket gör att strömmen kan flyta igen genom primärspolen.
Denna ström kommer återigen att skapa ett magnetfält runt primärspolen, som kommer att få kollapsa igen, och cykeln upprepas för nästa cylinder i avfyrningsordningen. Det bör noteras att i brytpunktssystem och de senare elektroniska systemen driver en enda spole, som består av en primärlindning och sekundärlindning, alla cylindrarna.
Hela denna "magnetiska induktion"-process äger rum cirka 18 000 gånger per minut i 90 miles per timme.
Fördelar
Nackdelar
Efter att de helmekaniska brytpunktständsystemen hade funnits i mer än 70 år, stod bilindustrin inför kravet på högre körsträcka, större tillförlitlighet och minskade utsläpp. Tillverkare kom med ett högenergitändningssystem som förlitade sig mindre på mekaniska funktioner:det elektroniska tändsystemet.
Brytpunkterna i tidigare system skulle gå sönder och förstöra gnisttimingen, vilket skulle påverka motorns prestanda negativt och skulle behöva bytas ut så ofta som var 12 000 mil.
För att komma till rätta med denna brist har det senare elektroniska tändsystemet fortfarande en fördelare, men brytpunkterna och kondensorn har ersatts med en pickupspole som fungerar som en transistoriserad strömbrytare och en elektronisk styrmodul som styr tändspolen för att generera hög -spänningsström.
Jämfört med det tidigare brytpunktständningssystemet innebär användningen av en sådan elektronisk brytare för kontrollerad tidtagning att det finns färre rörliga delar, vilket gör dessa elektroniska tändsystem relativt lätta att diagnostisera och reparera. De förbättrar också nackdelen med brytpunktssystemet genom att skapa en konsekvent högspänningsgnista under hela motorns livslängd, vilket innebär färre motorfel och rimliga utsläpp.
Dessa elektroniska system använder fortfarande ett konventionellt fördelarlock och fördelarrotor för att utföra samma jobb med att fördela ström till tändstiften (således är de också fördelarbaserade tändsystem).
Trots att distributören har färre rörliga delar är distributören också utsatt för slitage och kommer så småningom att behöva bytas ut - vilket föranledde ytterligare förbättringar i senare tändsystem i detta avseende. En annan begränsning av elektroniska tändningssystem är att tändningstiden ännu inte kan kontrolleras exakt som tillverkarna önskar, vilket resulterar i trög acceleration och dålig bränsleeffektivitet.
Liksom tidiga brytpunktständsystem har elektroniska system två tändspolar och följaktligen två kretsar, en primärkrets och en sekundärkrets. Delen av primärkretsen från batteriet till batteripolen vid primärspolen förblir oförändrad, liksom hela sekundärkretsen.
När tändningslåset slås på, går batteriets lågspänningsström från batteriet genom tändningslåset till primärspolen. Instead of the breaker points in earlier systems, the current is disrupted and turned back on continuously by a component called the armature, which has many “teeth”, as it revolves past the pickup coil, which acts as a sensor.
As each tooth of the armature approaches the pickup coil, it creates a voltage that signals the electronic module to turn off current flow through the primary coil. In essence, this mechanism is quite similar to that in breaker-point systems.
When the current is disrupted, the magnetic field around the primary coil collapses, creating a high voltage spurt in the secondary coil. The electric current now operates on the secondary circuit, which is the same as in a breaker-point system. A timing circuit in the electronic module will turn the current on again after the primary coil’s magnetic field has collapsed, and the whole process repeats for each cylinder in the firing sequence.
Pros:
Cons:
A shortcoming of the electronic ignition systems is that they still have the distributor, which is subject to wear and tear. In addition, the distributor tends to accumulate moisture and cause difficult starting problems. The distributor also requires engine power to spin, as it gets spun in time with the engine, thus no distributor means less engine drag and increased efficiency.
Manufacturers came up with a solution:to remove the fully mechanical distributor and replace it with solid-state switches that don’t wear out.
Doing so increased reliability, but the solid-state switches still took their marching orders from the distributor shaft, which was still mechanically rotated by the camshaft. And distributor shafts are subject to wear and tear, and would tend to develop problems after some 120,000 miles.
Any wear and tear always impedes proper spark timing, thus beginning in the early ’80s, manufacturers removed the mechanical distributor altogether to introduce the distributor-less ignition system. These systems are very different from breaker-point and electronic ignition systems, The ignition coils now sit directly on top of the spark plugs, spark plug wires are eliminated, and the system is fully electronic.
READ MORE
The third types of ignition system is the distributor-less, also called waste spark ignition system. Instead of a conventional trouble-breeding distributor, this system uses multiple ignition coils:one coil per cylinder or one for each pair of cylinders.
Without the distributor to “distribute” electric current to the spark plugs, the spark plugs are fired directly from the coils. Spark plug timing is controlled by an electronic ignition module and the engine computer.
This system uses engine sensors to determine crankshaft position and camshaft position. These sensors continually monitor the positions of both shafts and deliver that information to the engine computer.
The Crankshaft Position Sensor is mounted at the front of the crankshaft, or near the flywheel on some vehicles, and the Camshaft Position Sensor is mounted near the end of the camshaft.
Based on the two shafts’ position, the electronic ignition module triggers the appropriate ignition coil, which directly fires the associated spark plugs. This system also uses a “waste spark” for one of the paired cylinders, pairing two pistons that will be at the top dead center at the same time: one at the end of its compression stroke, and the other at the end of its exhaust stroke.
Another major difference compared to its predecessor is that while earlier systems uses a single coil, which consists of a primary winding and a secondary winding, to power all the cylinders in a particular order, distributor-less ignition systems employ a different coil setup. It uses multiple ignition coil packs, each generating spark for just two cylinders, which means each coil can be turned on for longer.
Therefore, this soil setup is capable of developing a stronger magnetic field of up to 30,000 volts, as well as stronger, hotter spark required to ignite the typical leaner air-fuel mixtures of more modern vehicles.
Each of the spark plugs in these cylinders will fire at the same time using the high voltage from one coil. This allows for more precise ignition timing, thus higher engine efficiency and lower emissions.
Pros:
Cons:
READ MORE
The coil-on-plug ignition system has all the advantageous electronic controls developed in the distributor-less systems. Also, like the distributor-less system, the coil-on-plug system places an ignition coil directly on the top of each spark plug to fire the spark plug directly, hence the name.
Because each spark plug now has its own dedicated coil that sits right on top for direct firing, high-voltage spark plug wires are completely removed. This increases the system’s efficiency, since spark plug wires introduce greater loss of amperage and voltage, as well as the possibility of contamination and cross-firing between cables if they become greasy or worn.
Another major improvement here is instead of two cylinders sharing a single coil, each coil now services just one cylinder. This means each coil can be “turned on” for twice as much longer to develop maximum magnetic field.
As a result, coil-on-plug ignition systems can generate between 40,000 and 50,000 volts, compared to up to 30,000 volts in distributor-less systems, and much hotter, stronger sparks to more efficiently burn the leaner air-fuel mixture, thereby maximizing engine’s efficiency.
Now there are no breaker points, distributors, condensers and spark plug wires. No moving parts means coil-on-plug ignition systems are less likely to break down, are more reliable and command less frequent repair.
On the downside, it should be noted that the lack of moving parts can make it more difficult to diagnose and more expensive to repair than a traditional system once there is indeed a problem, but as said, repairs are less frequent.
It should also be noted that the ignition coils are now sitting on top of the spark plugs, thus more exposed to damage by degreasers and water during under-hood engine cleaning, so be sure each is wrapped in plastic for protection before any cleaning begins.
The most sophisticated of all ignitions systems, this system controls spark timing using the Engine Control Unit, based on input from various sensors, to achieve the optimal precision, higher voltage, and stronger, hotter spark.
Similar to the distributor-less systems, coil-on-plug systems use engine sensors to know the shafts’ position. Based on this information, the Engine Control Unit triggers the appropriate ignition coil, which directly fires the associated spark plugs in the associated cylinder in the firing order.
Pros:
Cons:
Ignition systems will continue to improve with features that today are unimaginable as technology advancements lead to continued improvements. Even as they do, all the four types of ignition system are still easy to maintain and repair, and well-suited for the vehicles of their own era.
To learn more about important components in your precious vehicle and how they work, dive into our comprehensive maintenance tips articles.
