Crossplane pořadí zapalování: jak funguje a proč má typický zvuk

Crossplane kliková hřídel je nejběžnější konstrukce používaná u sériových osmiválců a právě její uspořádání spolu s pořadím zapalování vytváří charakteristický bublavý zvuk motorů V8. U crossplane V8 se zapalování mezi levou a pravou řadou válců nestřídá pravidelně, ale probíhá v nerovnoměrném rytmu.

U V8 s plochou klikovou hřídelí se prostě střídá levá a pravá řada válců, zatímco u crossplane konstrukce je pořadí levá, pravá, levá, levá, pravá, levá, pravá, pravá. Nerovnoměrné pořadí zapalování V8 není snadné pochopit, ale pobrat z něj, proč se osmiválec projevuje svým typickým způsobem, snadné je.

Co znamená crossplane kliková hřídel

Crossplane crankshaft is used in most every production V8 sold in America today. On a crossplane crank, the four crank journals are arranged at 90-degree intervals (see image at left). When you look at this type of crankshaft along its axis from either end, it resembles a +. Hence, the name crossplane.

Základní konfigurace crossplane klikové hřídele při pohledu zepředu připomíná kříž, protože jednotlivé ojniční čepy jsou rozmístěné v úhlech 90 stupňů. Právě od tohoto uspořádání pochází označení „crossplane“.

Using the traditional V8 firing order of GM, AMC, Mopar, and most Ford OHV V8s (1-8-4-3-6-5-7-2), a cross plane crankshaft will produce unevenly spaced firings within each side (or cylinder bank) but ensures there’s a balance between the two banks.

Tradiční pořadí zapalování motorů GM, AMC, Mopar a většiny Fordů OHV V8 je 1-8-4-3-6-5-7-2. Crossplane kliková hřídel při něm vytváří nerovnoměrně rozmístěné zápaly v rámci každé řady válců, ale zároveň zajišťuje rovnováhu mezi oběma řadami.

Proč crossplane V8 zní bublavě

This is what gives American muscle cars that distinctive burbling sound, although there is some sacrifice in the amount of exhaust scavenging that takes place.

Charakteristický zvuk tedy nevzniká jen samotným počtem válců, ale hlavně časovým rozmístěním zapalování a pulzů ve výfukovém systému. Nerovnoměrně rozložené zápaly vytvářejí typické „bublání“, které je spojováno zejména s americkými muscle cars.

Zatímco u flat-plane V8 se zápaly rozdělují mezi obě řady válců pravidelně, crossplane konstrukce vytváří v jednotlivých řadách nepravidelné mezery mezi výfukovými pulzy. Výsledkem je výrazný zvukový projev, ale také méně účinné využití proudění výfukových plynů.

Pořadí zapalování motoru V8

Pořadí zapalování určuje, v jakém sledu zapalují jednotlivé válce. U běžného crossplane osmiválce může být použito například pořadí 1-8-4-3-6-5-7-2.

Takhle po sobě jdou zápaly ve V8 LS1, video je ale výmluvnější. Vynikajícím způsobem to ukazuje video níže, které zkombinovalo osm lamp s relé tak, aby se rozsvěcely postupně a ve správném pořadí, zde konkrétně pro V8 LS1.

Výsledek je opravdu hodně působivý, zejména v nejvyšších rychlostech. Podle autora nejvyšší „otáčky” této demonstrace odpovídají asi 1 500 otáčkám u normálního motoru.

Že nebudou stíhat žárovky, se dá pochopit, při této rychlosti ale měla problém i relé. Autor tedy trochu zpomalil a výsledkem je okolo času 0:44 zvuk, který připomíná skutečný osmiválec pár set otáček nad volnoběhem.

Doplněno 27.6.: Autor původního videa jako na zavolanou čerstvě publikoval ještě jedno, které s pomocí LED a virtuálního otáčkoměru simuluje fungování motoru V8 až k 10 tisícům ot./min. Je podobně působivé.

Crossplane a flat-plane: hlavní rozdíly

Flat plane crankshafts are nothing new. However, with the recent introductions of the Shelby GT350 and GT350R, flat plane crankshaft design has been garnering a lot more attention.

Flat plane kliková hřídel má dvě dvojice ojničních čepů umístěných 180 stupňů od sebe. Při pohledu z obou konců působí rovně, což vysvětluje název „flat-plane“.

No matter the firing order, flat plane engines will always alternate back and forth between the two cylinder banks. This produces more efficient exhaust scavenging without the need to have header primaries cross over from one bank to the other.

U flat-plane motoru se tedy bez ohledu na konkrétní pořadí zapalování vždy střídají obě řady válců. To umožňuje účinnější vyplachování výfukových plynů a není nutné, aby primární trubky výfukových svodů přecházely z jedné řady do druhé.

Výhody crossplane klikové hřídele

• Smooth, vibration-free performance; distinctive American muscle car burble.
• Crossplane kliková hřídel poskytuje hladší chod a omezuje vibrace.
• Vytváří charakteristický bublavý zvuk amerických muscle cars.
• Rovnoměrněji vyvažuje zatížení mezi oběma řadami válců.

Nevýhody crossplane klikové hřídele

• Heavier (harder to rev), requires larger crankcase.
• Crossplane konstrukce je těžší a hůře se vytáčí do velmi vysokých otáček.
• Vyžaduje větší prostor v klikové skříni.
• V jednotlivých řadách válců vznikají nerovnoměrně rozmístěné výfukové pulzy.

Výhody flat-plane klikové hřídele

• Lighter, more compact, more responsive (high-revving), better exhaust scavenging.
• Flat-plane kliková hřídel je lehčí, kompaktnější a rychleji reaguje na změny otáček.
• Je vhodnější pro vysokootáčkové použití.
• Poskytuje účinnější vyplachování výfukových plynů.

Nevýhody flat-plane klikové hřídele

• Prone to vibration, lower torque levels.
• Flat-plane klikové hřídele mají sklon vytvářet více vibrací.
• Často poskytují nižší úroveň točivého momentu.

Another distinctive characteristic of the crossplane crankshaft is its counterweights. These counterweights are required to keep the engine properly balanced and prevent it from rocking up and down.

Protizávaží pomáhají udržet motor správně vyvážený a omezují jeho kývání nahoru a dolů. Tím snižují vibrace a podporují hladší chod, zároveň však zvyšují rotační hmotnost.

Without the additional mass of the counterweights, the lighter flat plane cranks will spin more easily than their crossplane counterparts, making them more ideal for high-revving, high-rpm applications.

Bez dodatečné hmotnosti velkých protizávaží se flat-plane kliková hřídel otáčí snadněji než crossplane provedení, a proto je vhodnější pro vysokootáčkové aplikace.

Most flat plane crankshafts have a shorter stroke than crossplane designs. That means less crankcase space is required; however, shorter strokes often lead to lower torque output.

Flat-plane klikové hřídele mají ve většině případů kratší zdvih než crossplane konstrukce. Vyžadují proto méně prostoru v klikové skříni, kratší zdvih však často vede k nižšímu točivému momentu.

Výfukové pulzy a vyplachování válců

U crossplane klikové hřídele se zápaly v jednotlivých řadách válců časově překrývají nerovnoměrně. To komplikuje konstrukci výfukových svodů, protože pro účinné využití pulzů je někdy nutné propojit trubky z obou řad válců.

Flat-plane konfigurace vytváří pravidelnější střídání řad válců, takže může účinněji využít proudění výfukových plynů. Lepší vyplachování válců je jedním z důvodů, proč se tato konstrukce používá u vysokootáčkových motorů a závodních vozů.

Flat plane crankshafts are typically found on race cars and high-end exotic cars because of their high-rpm performance.

U závodních vozů obvykle nevadí určitá míra dodatečných vibrací a výrobci exotických automobilů mohou použít lehčí materiály a další konstrukční řešení ke snížení vibrací v silničních vozech.

Vliv pořadí zapalování na charakter motoru

Pořadí zapalování ovlivňuje nejen zvuk, ale také rozložení sil v klikovém mechanismu, zatížení klikové hřídele a způsob proudění výfukových plynů. U crossplane V8 je důležitá kombinace geometrie klikové hřídele, pořadí zapalování a konstrukce výfukových svodů.

U flat-plane V8 pravidelné střídání řad válců podporuje sportovnější zvukový projev a snadnější vytáčení. U crossplane V8 nerovnoměrné pořadí zapalování přispívá k hlubšímu a nepravidelnému zvuku, který je často vnímán jako typický pro velkoobjemové osmiválce.

The crossplane crankshaft is used in most every production V8 sold in America today. Flat plane crankshafts are typically found on race cars and high-end exotic cars because of their high-rpm performance.

Crossplane u čtyřválcového motoru

Crossplane princip se nepoužívá pouze u osmiválců. Introduced in 2009 with the RN22 YZF-R1 and then redesigned in 2015 with the RN32, and also used in the MT-10, we are now all well accustomed to the distinctive, unique and really quite evocative sound of the cross-plane crank Yamaha.

První video provides a demonstration of the unique firing order of Yamaha’s YZF-R1 cross-plane crank four-cylinder engine. Druhé video, for comparison, shows the traditional firing order of a four-cylinder in-line motor.

Rozdíl mezi crossplane a tradiční klikovou hřídelí řadového čtyřválce je slyšitelný i přes nižší kvalitu záznamu. Princip zůstává podobný: jiné geometrické uspořádání klikové hřídele mění časové rozložení zápalů a tím i zvuk motoru.

Jak odlišit pořadí zapalování od směru otáčení rozdělovače

Pořadí zapalování je nutné odlišit od směru otáčení rozdělovače. U starších motorů s mechanickým rozdělovačem musí být zapalovací kabely připojené ke svíčkám ve správném pořadí a zároveň ve správném směru pohybu palce rozdělovače.

U jednoho čtyřválcového motoru bylo například správné pořadí zapalování 1-3-4-2. První válec je ten u rozvodů a na víčku rozdělovače je pro první vždycky nějaká značka.

Pokud se na motor budeš dívat ze strany od baterie, tak by se měl točit proti směru hodinových ručiček. Když už máš dole kabely, tak bych ještě vyšistit vevnitř víčko rozdělovače.

Samotné pořadí válců tedy nestačí: kabely musí odpovídat konkrétnímu pořadí zapalování, směru otáčení rozdělovače a poloze prvního válce. Nesprávné zapojení může vést k tomu, že motor nenaskočí, i když jsou kabely připojené ke všem svíčkám.

Co ovlivňuje správný okamžik zapálení

Správné fungování zapalování závisí na tom, kdy dojde k rozepnutí primárního obvodu a kdy přeskočí jiskra na svíčce. U klasického zapalování se během sepnutí časovače nabíjí cívka a po rozepnutí kontaktů vznikne vysokonapěťový výboj.

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.

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.

Typy zapalování

Klasické cívkové zapalování IDI

Rozepínání vstupního proudu v časovači je paralelně přemostěno kondenzátorem pro eliminaci výboje na kontaktech a zvýšení pulsního „dokmitu“. Doba sepnutí časovače určuje, jak dlouho se může v cívce vytvářet magnetické pole.

Tranzistorové zapalování TCI

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. TCI zapalování snižuje s výhodou nároky na kvalitu a provozní čistotu kontaktů.

Kondenzátorové zapalování CDI

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. Nabíjení kondenzátoru trvá déle a to často omezuje maximální otáčky CDI na 11-12000 ot/min u běžných provedení.

Doba sepnutí, odtrh a předstih

Doba sepnutí

Po dobu sepnutí časovače probíhá u klasického zapalování „nabíjení“ cívky. 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.

Odtrh kontaktů

Odtrh je vzdálenost kontaktů časovače v plně rozpojeném stavu. 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.

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

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.

Úloha kondenzátoru

Kondenzátor plní v klasickém zapalovacím obvodu IDI čtyři úlohy. Empiricky doporučená kapacita je 50-100 nF (nanofaradů) = 0,05-0,1 mikrofaradu.

Omezení oblouku na kontaktech

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.

Ochrana kontaktů

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

Posílení zapalovacího pulsu

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%.

Tato funkce není nezbytná, nicméně hraje v celém zapalovacím koncertu „krásné druhé housle“ a labužník historického zapalování se o ni nenechá připravit.

Cívka, rezistor a svíčka

Je třeba použít výkonnostně vhodnou cívku. Metanolové palivo vyžaduje ze zkušenosti silnější jiskru, protože má vyšší teplotu vznícení a bohatší směs.

Ve VN kabelu ke svíčce je umístěn rezistor 10 (5,15) kOhm kvůli odstranění rušení. Snadno se přesvědčíme, že síla jiskry je tím menší, čím větší odpor jsme nuceni zařadit kvůli ochraně přijímače proti zablokování elektromagnetickým pulsem.

U vybraných odolných přijímačů bylo empiricky zjištěno, že hodnota 5 kOhm sníží i mimořádné pulsy na přijatelnou hodnotu. Rezistor se zahřívá a často přepaluje, což je dalším důkazem ztrát energie.

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 a zdroj

Důležité jsou pevné, pájené nebo pozlacené spoje. Navíc je třeba se vyhnout vedení elektrického okruhu (zezdola) přes šrouby upevnění motoru.

Elektrický odpor standartních šroubů je významný a výkonnostně degraduje obvod. Očka kabelů (-) či kondenzátoru je třeba upevnit šroubem seshora přímo k patkám motoru.

Většinou šetříme hmotnost a snažíme se použít právě jen dostačující zdroj. Dbáme, aby mimo dobu běhu motoru byl primární okruh klasického i TCI zapalování vždy vypnut.

Spojení kontaktů znamená rychlé vybíjení zdroje a přehřívání cívky.

Bezpečnost vypínání zapalování

Konzervativní modeláři zařazují do primárního obvodu mechanický mikrospínač (dimenzovaný na 5-10A), který spínají servem. 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 případě výpadku ovládání či spálení serva pokračuje motor v chodu, v horším případě v již neřízeném modelu.

tags: #crossplane #poradi #zapalovani