Na ilustracji 1 przedstawione zostały główne elementy mechanicznego układu zapłonowego bazującego na zasadach układu zapłonowego Ketteringa. Akumulator dostarcza prąd o napięciu 12 V do cewki zapłonowej przez wyłącznik zapłonu (stacyjkę). Prąd płynie przez uzwojenie pierwotne cewki, a następnie do masy uziemienia przez przerywacz.

Ilustracja 1. Główne elementy mechanicznego układu zapłonowego. Źródło: Denso

Pierwszy etap działania: ładowanie cewki/okres spoczynku

Ilustracja 2 przedstawia pierwszą fazę pracy systemu sterowanego mechanicznie. Akumulator dostarcza prąd o napięciu 12 V do cewki zapłonowej przez wyłącznik zapłonu (stacyjkę). Prąd płynie przez uzwojenie pierwotne cewki, a następnie do masy uziemienia przez przerywacz.

Ilustracja 2. Działanie podstawowego mechanicznego układu zapłonowego: etap 1 – okres spoczynku wytwarzający pole magnetyczne. Źródło: Denso

Sprężyna stanowiąca część zespołu przerywacza utrzymuje styki w pozycji zamkniętej, co umożliwia przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki. Następnie przepływ prądu wytwarza pole magnetyczne wokół uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Ilustracja 2 przedstawia wtórne uzwojenie cewki obok uzwojenia pierwotnego, ale w rzeczywistości oba uzwojenia są owinięte wokół żelaznego rdzenia.

Drugi etap działania: rozładowanie wysokiego napięcia

Zestaw krzywek (po jednej na każdy cylinder) jest przytwierdzony do wału wirnika umiejscowionego wewnątrz korpusu rozdzielacza (ilustracja 3). Wał wirnika jest połączony z wałkiem rozrządu i obraca się z prędkością równą połowie prędkości obrotowej silnika. Obracające się krzywki wymuszają otwarcie we właściwym czasie przerywacza, który natychmiast odcina przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki. Następuje bardzo szybki zanik pola magnetycznego w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym, co wywołuje indukcję wysokiego napięcia do uzwojenia wtórnego. Następnie wysokie napięcie płynie przewodem do palca rozdzielacza umieszczonego wewnątrz kopułki rozdzielacza. Palec rozdzielacza obracając się przekazuje wysokie napięcie w odpowiedniej kolejności do gniazd w kopułce, a dalej do przewodów wysokiego napięcia i świec zapłonowych.

Ilustracja 3. Działanie podstawowego mechanicznego układu zapłonowego: rozładowanie wysokiego napięcia w etapie drugim w celu wytworzenia iskry. Źródło: Denso

Kondensator w obwodzie pierwotnym

Po otwarciu styków przerywacza zanikające pole magnetyczne może indukować na uzwojenie pierwotne prąd elektryczny o napięciu ok. 150–200 V. Prąd będzie usiłował przeskoczyć przez otwarte styki przerywacza, tworząc łuk elektryczny, który spowodowałby szybką erozję powierzchni styku przerywacza. Ten indukowany prąd skutkowałby także utrzymaniem pola magnetycznego wokół uzwojenia pierwotnego i wtórnego, co uniemożliwiałoby szybki zanik pola i indukcję wysokiego napięcia na uzwojenie wtórne. Z tego powodu do uzwojenia pierwotnego podłączony jest kondensator, który skutecznie pochłania i przechowuje indukowane napięcie. Po ponownym zamknięciu styków przerywacza (umożliwiającym ponowny przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne) kondensator może rozładować przechowywaną energię z powrotem do uzwojenia pierwotnego, co pozwala wytworzyć kolejne pole magnetyczne.

Mechanizmy przyspieszenia/opóźnienia zapłonu

Kąt wyprzedzenia zapłonu musi ulegać zmianie wraz ze zmianami prędkości obrotowej i obciążenia silnika. W mechanicznych układach zapłonowych przyspieszenie zapłonu wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika osiągnięto dzięki zastosowaniu obrotowych bezwładników i sprężyn (ilustracja 4).

Ilustracja 4. Mechanizm mechanicznego przyspieszenia zapłonu związanego z prędkością obrotową silnika. Źródło: Denso

Bezwładniki są zamontowane na płytce przymocowanej do zespołu wału wirnika, a zatem obracają się wraz z wałem. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika działanie siły odśrodkowej wypycha naprężone za pomocą sprężyn bezwładniki na zewnątrz. Ruch bezwładników powoduje opóźnienie obrotu krzywek na wale wirnika, co skutkuje opóźnieniem otwarcia styków przerywacza, a tym samym opóźnieniem zapłonu. Inny mechanizm służy do zmiany wyprzedzenia zapłonu wraz ze zmianami obciążenia silnika (ilustracja 5). Przerywacz jest zamontowany na płycie podstawy, która ma możliwość lekkiego obrotu przeciwnie lub zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Płytka regulatora jest podłączona do kapsuły membranowej, która odbiera ciśnienie z kolektora dolotowego przez rurę. Gdy ciśnienie w kolektorze dolotowym ulega zmianie wraz ze zmianami obciążenia silnika, membrana porusza się i powoduje lekki obrót płytki regulatora i styków przerywacza.

Ilustracja 5. Mechaniczne przyspieszenie zapłonu związane z obciążeniem silnika. Źródło: Denso

Ograniczenia mechanicznych układów regulacji wyprzedzenia zapłonu

Dokładność wyprzedzenia zapłonu w mechanicznych układach zapłonowych jest ograniczona możliwościami sprzętu. Często w ramach rutynowych przeglądów niezbędne było precyzyjne dostrajanie, regulacja i wymiana części. Przykładem takich ograniczeń jest przedstawiony na ilustracji 6 wykres typowego przyspieszenia zapłonu związanego z prędkością obrotową silnika w mechanicznym układzie zapłonowym w porównaniu z wymaganym idealnym wyprzedzeniem. Ze względu na zastosowanie progresywnych sprężyn powrotnych (ilustracja 4) wyprzedzenie zapłonu zapewniane przez układ odśrodkowy zwiększa się w dwóch liniowych krokach. Tymczasem idealne wyprzedzenie zapłonu zmienia się nieliniowo.

Ilustracja 6. Ograniczenia mechanizmu odśrodkowego. Źródło: Denso

Okres spoczynku/kąt spoczynku

W mechanicznym układzie zapłonu okres spoczynku rozpoczyna się w momencie, gdy obracające się krzywki umożliwią zamknięcie styków przerywacza, tak aby prąd przepływał przez uzwojenie pierwotne cewki. Okres spoczynku kończy się w momencie, gdy krzywki wymuszą ponowne otwarcie styków przerywacza, co odetnie dopływ prądu do uzwojenia pierwotnego. Okres spoczynku można zatem zdefiniować jako kąt, o jaki obracają się krzywki, podczas gdy styki przerywacza znajdują się w pozycji zamkniętej. Ilustracja 7 prezentuje 4 krzywki (w silniku czterocylindrowym), co oznacza, że różnica kąta między tym samym punktem sąsiednich krzywek wynosi 90°. Kształt krzywek w przykładzie pozwala na utrzymanie styków przerywacza w stanie zamkniętym podczas obrotu o 60°. A zatem kąt spoczynku wynosi 60° obrotu rozdzielacza: styki przerywacza są wówczas zamknięte, a przez uzwojenie pierwotne płynie prąd. Jeśli przykładowo wał korbowy obraca się z prędkością 1000 obr./min, wirnik rozdzielacza (który obraca się z prędkością równą połowie prędkości obrotowej silnika) będzie obracał się z prędkością 500 obr./min. Przy takiej prędkości obrót wału rozdzielacza o kąt spoczynku 60° będzie trwał 20 milisekund; tymczasem czas naładowania cewki zapłonowej wynosi jedynie ok. 4 milisekundy, a zatem czas spoczynku potrzebny do wytworzenia pola magnetycznego w cewce jest więcej niż wystarczający.

Ilustracja 7. Kąt spoczynku przedstawiony jako kąt obrotu wału rozdzielacza o 60°. Źródło: Denso

Kiedy silnik obraca się z prędkością 5000 obr./min, obrót wału rozdzielacza o ten sam kąt 60° będzie trwał tylko 4 milisekundy, czyli dokładnie tyle, ile potrzeba do wytworzenia w cewce pola magnetycznego o maksymalnej mocy. Jednak gdyby silnik obracał się szybciej, nie byłoby wystarczająco dużo czasu na pełne naładowanie cewki zapłonowej, co skutkowałoby zmniejszeniem energii w polu magnetycznym i zmniejszeniem napięcia podawanego do świec zapłonowych.
Problem skrócenia czasu spoczynku przy wzroście prędkości obrotowej silnika będzie miał większe znaczenie w przypadku silników o dużej liczbie cylindrów. Na przykład w silniku sześciocylindrowym będzie 6 krzywek, z kątem różnicy pomiędzy każdą krzywką tylko 60° (ilustracja 8) i kątem spoczynku tylko 40°. W rezultacie przy prędkości obrotowej silnika 5000 obr./min, obrót o kąt spoczynku 40° będzie trwał tylko 2,6 milisekundy.

Ilustracja 8. Kąt spoczynku przedstawiony jako kąt obrotu wału rozdzielacza o 40° w silniku 6-cylidrowym. Źródło: Denso

Jeśli pełne naładowanie cewki wymaga 4 milisekund, to czas spoczynku będzie zdecydowanie za krótki, co spowoduje obniżenie napięcia i może prowadzić do przerw w zapłonie.

Elektroniczne układy zapłonowe wczesnego typu

Elektroniczne przełączanie obwodu uzwojenia pierwotnego
Wczesne generacje elektronicznych układów zapłonowych były w rzeczywistości ewolucyjną wersją układów mechanicznych. Ilustracja 9 przedstawia główne elementy układu elektronicznego wczesnej generacji, w którym zachowano mechanizmy mechanicznego opóźniania i przyspieszania zapłonu, jak również palec rozdzielacza stosowany w układach w pełni mechanicznych.

Ilustracja 9. Podstawowy elektroniczny układ zapłonowy. Źródło: Denso

Jedną z głównych zmian w układach elektronicznych było zastosowanie elektroniki do włączania i wyłączania przepływu prądu przez uzwojenie pierwotne zamiast mechanicznego wyłącznika stykowego, który był niedokładny i wymagał regularnej konserwacji. W funkcji przełącznika elektronicznego obwodu pierwotnego zastosowano tranzystor, który stanowi część stosunkowo prostego wzmacniacza, nazywanego często „modułem zapłonowym”. Moduł zapłonowy reagował na sygnał wyzwalający lub sygnał pomiaru czasu dostarczany przez czujnik lub generator sygnału, który zazwyczaj znajdował się w korpusie rozdzielacza zapłonu. Stosowano dwa główne typy czujników – czujniki indukcyjne i czujniki hallotronowe. Przykład przedstawia czujnik typu indukcyjnego, który wykorzystywał punkty odniesienia (po jednym dla każdego cylindra) umieszczone na wale wirnika rozdzielacza. Gdy wirnik obracał się, punkty odniesienia przesuwały się obok małej cewki z drutu owiniętej wokół magnesu stałego. Gdy punkt odniesienia przesuwał się obok magnesu i cewki, pole magnetyczne zmieniało się lub ulegało wahaniom, co następnie indukowało niewielki prąd elektryczny lub impuls elektryczny w cewce. Impulsy elektryczne dostarczały sygnał odniesienia dla modułu zapłonowego, który sterował dopływem prądu do uzwojenia cewki zapłonowej. W efekcie regulował czas przepływu prądu elektrycznego przez uzwojenie pierwotne, czyli czas spoczynku. W przeciwieństwie do mechanicznych układów zapłonowych, w których czas spoczynku zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika, czas spoczynku w układach elektronicznych jest utrzymywany na stosunkowo niezmiennym poziomie niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Ponadto, aby umożliwić stosowanie cewek zapłonowych o dużej mocy, które pracują przy wyższych przepływach prądu przez uzwojenie pierwotne, zapalniki zawierały również elektroniczne urządzenie ograniczające prąd. Ograniczniki prądu początkowo pozwalają na przepływ wysokiego prądu przez uzwojenie pierwotne, ale gdy prąd osiągnie określony maksymalny poziom, jest ograniczany, aby zapobiec przegrzaniu obwodu.

Zastosowanie stosunkowo stałego czasu spoczynku w połączeniu z ograniczeniem prądu pozwala na to, aby energia pola magnetycznego w cewce zapłonowej była prawie stała, niezależnie od prędkości obrotowej silnika i normalnych zmian napięcia akumulatora. Dlatego te elektroniczne układy zapłonowe były określane mianem układów zapłonowych o stałej energii.

Współczesne elektroniczne układy zapłonowe

Elektroniczne sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu
Choć elektroniczne układy zapłonowe wczesnego typu zapewniały elektroniczne sterowanie czasem spoczynku i niezawodne elektroniczne przełączanie prądu przepływającego przez uzwojenie pierwotne cewki, nadal wykorzystywały one mechanizmy mechanicznego przyspieszania i opóźniania zapłonu. Układy te nie były w stanie zapewnić optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu przy wszystkich prędkościach obrotowych i obciążeniach silnika. Wskutek coraz bardziej restrykcyjnych przepisów dotyczących emisji spalin konieczna stała się bardziej precyzyjna i niezawodna regulacja kąta wyprzedzenia zapłonu, co doprowadziło do wprowadzenia elektronicznego sterowania, które konsekwentnie zapewniało optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu w szerokim zakresie warunków eksploatacyjnych.

Punkty odniesienia dla kąta opóźnienia zapłonu i czujniki prędkości obrotowej silnika
Przykładowy układ zapłonowy przedstawiony na ilustracji 10 posiada czujnik indukcyjny zlokalizowany obok wału korbowego.

Ilustracja 10. Bezrozdzielaczowy elektroniczny układ zapłonowy sterowany przez jednostkę sterującą silnika. Źródło: Denso

W przykładzie tarcza wirnika ma 60 punktów odniesienia, z których każdy odpowiada obrotowi wału korbowego o 6°. Gdy wał korbowy i tarcza obracają się, każdy z punktów odniesienia przesuwa się obok czujnika indukcyjnego, co powoduje indukcję niewielkiego impulsu elektrycznego do cewki z drutu zlokalizowanej w korpusie czujnika. Do jednostki sterującej zapłonu przekazywana jest seria impulsów, dzięki którym otrzymuje ona informację o prędkości i pozycji wału korbowego. Brakujący ząbek na tarczy wirnika powoduje powstanie unikalnego impulsu (jak pokazano na oscyloskopie na ilustracji 10), który stanowi nadrzędne odniesienie dla pozycji wału korbowego wskazujące jego konkretną pozycję (zazwyczaj wskazuje GMP dla cylindra 1). Wykorzystując informacje podawane przez czujnik, jednostka sterująca jest w stanie obliczyć dokładną pozycję kątową wału korbowego, a następnie wyznaczyć bardzo precyzyjny kąt wyprzedzenia zapłonu.
W różnych układach zapłonowych stosowane są różnorodne tarcze wirnika, stanowiące często część przedniego koła pasowego silnika lub koła zamachowego. Tarcze mogą mieć od 2 aż do 360 punktów odniesienia.

Układ zapłonowy bezrozdzielaczowy/z wieloma cewkami zapłonowymi (DLI)
Ze względu na czas ładowania cewki zapłonowej oczywistym rozwiązaniem jest wykorzystanie po jednej cewce dla każdej świecy zapłonowej (jak pokazano na ilustracji 11), dzięki czemu każda cewka potrzebuje naładować się tylko raz w jednym pełnym cyklu silnika.

Ilustracja 11. Bezrozdzielaczowy elektroniczny układ zapłonowy sterowany przez jednostkę sterującą silnika. Źródło: Denso

Dla porównania w silniku 12-cylindrowym z pojedynczą cewką konieczne jest 12-krotne ładowanie cewki na każde 2 obroty wału korbowego. Indywidualne cewki dla każdej świecy zapłonowej wymagają zastosowania osobnego modułu zapłonowego dla każdej cewki. Indywidualne moduły zapłonowe mogą być zintegrowane z jednostką sterującą silnika lub umieszczone osobno. Jednakże obecnie używa się cewek zapłonowych z modułem zapłonowym umieszczonym w zespole cewki (np. cewki „prętowe” DENSO). Kolejną zaletą stosowania indywidualnych cewek zapłonowych jest to, że palec i kopułka rozdzielacza nie są już potrzebne, co eliminuje możliwość wystąpienia łuku elektrycznego na stykach kopułki rozdzielacza, ogranicza konieczność konserwacji i poprawia niezawodność.

Niektóre rodzaje układów bezrozdzielaczowych do podłączenia cewek zapłonowych do świec zapłonowych nadal wykorzystywały izolowane przewody zapłonowe. Jednak w większości współczesnych układów sterowania silnikiem cewki zapłonowe są umieszczone bezpośrednio w świecach zapłonowych, co eliminuje konieczność stosowania przewodów.

Dzięki współczesnym technologiom zwiększyły się możliwości komputerów. Jeden komputer potrafi wykonać pracę, która dawniej wymagała wielu. Nie inaczej jest w przypadku jednostek sterujących silnikiem. Współcześnie większość pojazdów jest wyposażona w tylko jedną jednostkę sterującą silnika, która steruje całą jego pracą, w tym układem zapłonowym, wtryskiem paliwa, układem recyrkulacji spalin itd. Do jednostki sterującej silnika docierają informacje z różnych czujników (również dostarczanych przez DENSO). Możliwość sterowania indywidualnymi cewkami zapłonowymi pozwala jednostce sterującej silnika całkowicie wyłączyć którąkolwiek z cewek (oraz powiązany wtryskiwacz paliwa) w razie wystąpienia przerwy w zapłonie w cylindrze. Przerwa w zapłonie zwiększa poziom szkodliwych emisji, a niespalone lub częściowo spalone paliwo i nadmiar tlenu przechodzą do konwertera katalitycznego. Konwerter katalityczny staje się wówczas nieefektywny, a długotrwała ekspozycja na nadmiar tlenu i niespalone paliwo (które w dodatku może się zapalić w konwerterze) powoduje jego uszkodzenie.