Wybrane zagadnienia ochrony przeciwporażeniowej w badaniach i diagnostyce samochodowych układów zapłonowych (część 1)

Jedno z podstawowych kryteriów podziału układów odpowiedzialnych za zapłon mieszanki określa sposób gromadzenia energii koniecznej do zainicjowania wyładowania elektrycznego. Wymienić tu należy dwie podstawowe grupy – układy z gromadzeniem energii w pojemności oraz, częściej spotykane, układy gromadzące i przetwarzające energię dzięki zastosowaniu cewki zapłonowej. Szczegóły techniczne dotyczące budowy, działania, a także zagadnienia diagnostyki wspomnianych wyżej układów zapłonowych zaliczanych do obydwu grup zostały opisane w szeregu publikacji [1, 4, 8, 12]. Z tego względu ich dokładna charakterystyka uwzględniająca zakres zastosowania, wady i zalety zostanie pominięta, podobnie jak procedury diagnostyczne, które nie będą stanowić głównego przedmiotu artykułu.

Większość współcześnie eksploatowanych samochodów osobowych i motocykli wyposażona jest w czterosuwowe lub dwusuwowe silniki spalinowe o zapłonie iskrowym. Jak ogólnie wiadomo, zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w tego rodzaju jednostkach napędowych następuje dzięki wyładowaniu iskrowemu zachodzącemu między elektrodami świecy zapłonowej pod wpływem wysokiego napięcia. Wywołanie zapłonu możliwe jest w wyniku przetworzenia energii elektrycznej dostarczanej wstępnie do układu zapłonowego pod niskim napięciem (uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej). Biorąc pod uwagę wysokie napięcie wtórne cewki działającej jak transformator lub autotransformator należy pamiętać o istnieniu szeregu zagrożeń związanych z niedoskonałością i możliwymi usterkami układu zapłonowego. Aby zapłon mieszanki mógł nastąpić w różnych warunkach pracy silnika, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa użytkownikowi pojazdu, w ciągu szeregu lat konstrukcja układów zapłonowych silników spalinowych była stopniowo ulepszana. Znaczące usprawnienie działania układu zapłonowego dało wprowadzenie elektronicznych sterowników zapłonu w miejsce rozwiązań opartych na przerywaczu mechanicznym. Dzięki elektronice czas włączenia uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej oraz moment pojawienia się wyładowania iskrowego między elektrodami świecy zapłonowej mogą być precyzyjnie kontrolowane.

W najczęściej stosowanych układach zapłonowych wysokie napięcie pojawiające się na zaciskach uzwojenia wtórnego cewki przekazywane jest na świece dzięki przewodom zapłonowym, których budowa oraz umiejscowienie zależą od wyboru jednego z kilku możliwych rozwiązań branych pod uwagę przez projektantów. Tak więc w obrębie układu zapłonowego, stanowiącego jeden z obwodów wchodzących w skład instalacji elektrycznej pojazdu, obecne jest w kilku miejscach napięcie wielokrotnie przekraczające znamionową wartość 12 V. Napięcie to może stanowić przyczynę porażenia prądem elektrycznym.

Obecnie z coraz większym zainteresowaniem śledzone są nowości na temat samochodów z napędem elektrycznym, w których problem konieczności generowania wysokiego napięcia w układzie zapłonowym na potrzeby zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej nie występuje. Napięcie znamionowe silnika elektrycznego takiego pojazdu jest wprawdzie również niebezpieczne, jednak w zdecydowanej większości przypadków kształtuje się ono na poziomie poniżej 1 kV. Wiele czynników wskazuje jednak na to, że pojazdy z silnikami spalinowymi o zapłonie iskrowym jeszcze przez długi czas stanowić będą podstawowy ogólnodostępny środek transportu. Ponadto spalinowe jednostki napędowe coraz częściej spotykanych samochodów hybrydowych to w większości również silniki o zapłonie iskrowym, wyposażone w układ zapłonowy wysokiego napięcia. Interesującą perspektywę stanowią wciąż doskonalone niskonapięciowe układy zapłonowe wykorzystujące laser [8, 16], jednak w obecnej chwili, pomimo trwających już wiele lat prac, nie są one jeszcze powszechnie stosowane w silnikach seryjnie produkowanych pojazdów. Biorąc pod uwagę popularność i szerokie zastosowanie silników o zapłonie iskrowym warto więc bliżej przeanalizować zagadnienia bezpieczeństwa w zakresie obsługi, badań i napraw układów odpowiedzialnych za zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej, szczególnie w odniesieniu do podzespołów mogących pracować pod wysokim napięciem.

Potencjalne zagrożenia ze strony układu zapłonowego

Pomimo zróżnicowanej budowy, układy zapłonowe współczesnych pojazdów mają jedną cechę wspólną – wywołanie wyładowania elektrycznego między elektrodami świecy zapłonowej wymaga wysokiego napięcia. Napięcie to, bez względu na uwarunkowania środowiskowe, znacząco przekracza wartości bezpieczne dla człowieka, zawarte w ogólnie dostępnych przepisach i normach. Zarówno w literaturze polskiej, jak i zagranicznej zagadnieniom ochrony przeciwporażeniowej w układach zapłonowych pojazdów poświęcono do tej pory wyjątkowo mało miejsca. W przypadku pojazdów z napędem elektrycznym dostępny jest szereg dokumentów normalizacyjnych mających na celu zwrócenie uwagi na konieczność zapewnienia bezpieczeństwa pracownikom zajmującym się prowadzeniem badań i czynnościami serwisowymi w tym zakresie [2, 5, 6]. W cytowanych publikacjach mowa jest jednak o napięciach nieprzekraczających 1 kV (prąd zmienny) oraz 1,5 kV prądu stałego. Ze względu na szerszy dostęp do urządzeń zasilanych prądem przemiennym oraz bardziej dotkliwe skutki oddziaływania na system nerwowy w porównaniu z prądem stałym lub impulsowym, autorzy wielu dostępnych publikacji na temat ochrony przeciwporażeniowej ograniczają analizę do przypadków porażeń prądem o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz [14]. Biorąc pod uwagę wykonywanie prac pod napięciem zarówno poniżej, jak i powyżej 1 kV, znane i dostępne są opracowania na temat ochrony przeciwporażeniowej w zakresie pomiarów oraz eksploatacji sieci i urządzeń elektrycznych. Jako całkowicie odpowiadające specyfice układów zapłonowych trudno jednak uznać wytyczne zawarte w normach [10, 11] czy rozporządzeniu [13]. Pomimo że w obu wypadkach rozważany jest poziom napięcia rzędu kilkunastu lub kilkudziesięciu kilowoltów, nie można postawić znaku równości między układami zapłonowymi pojazdów i urządzeniami elektroenergetycznymi. Istotnych różnic jest bowiem wiele. Inna jest częstość wykonywania prac naprawczych, jak również skala i ryzyko zagrożeń.

Uwzględniając opisane na wstępie niektóre cechy samochodowych układów zapłonowych zastanawiającym wydaje się fakt niewielkiej liczby opracowań odnoszących się do zagrożeń porażeniem elektrycznym w warunkach prowadzenia prac naprawczych pojazdów samochodowych. Autorzy kilku publikacji z zakresu bezpieczeństwa i higieny pracy sygnalizują wprawdzie problem występowania wysokiego napięcia w układach zapłonowych, mogącego wywołać porażenie, jednak kwestie identyfikacji zagrożenia i ochrony przed skutkami porażeń opisywane są skrótowo i bardzo ogólnie [15, 17]. Nie są również znane wyniki badań na temat występowania porażeń wywołanych przez elementy układu zapłonowego podczas prac prowadzonych w jednostkach zajmujących się naprawą pojazdów. Biorąc pod uwagę dużą liczbę naprawianych samochodów i motocykli, szczególnie starszych, w których występują nieosłonięte przewody wysokiego napięcia, zagadnienie zagrożenia porażeniem wymaga głębszej analizy z punktu widzenia przyczyn występowania i skutków wywoływanych przez wysokie napięcie wyjściowe cewki zapłonowej. Dostępność przewodów wysokiego napięcia może bowiem stwarzać zagrożenie również podczas prowadzenia innego rodzaju prac, niemających nic wspólnego z diagnostyką układu zapłonowego. Na duże ryzyko narażone są szczególnie osoby korzystające z rozruszników serca. W grę wchodzą tu nie tylko konsekwencje potencjalnego porażenia, lecz również obecność zakłóceń radioelektrycznych w bliskim sąsiedztwie cewek, świec i przewodów zapłonowych. Należy ponadto uwzględnić fakt występowania szeregu innego rodzaju niebezpieczeństw związanych z nieprawidłowym działaniem obwodu zapłonowego. Chodzi tu między innymi o niekontrolowane wyładowania elektryczne w punktach przed świecą zapłonową oraz występowanie przepięć zagrażających układom elektronicznym pojazdu. Użytkowane obecnie silniki spalinowe zasilane są często paliwem gazowym LPG, które w przypadku nieszczelnej instalacji może wydostać się na zewnątrz. Obecność niepożądanych wyładowań iskrowych poza wewnętrzną przestrzenią cylindra stwarza więc dodatkowe ryzyko wybuchu i zagrożenia pożarowego.

Rozpatrując problem możliwości porażenia ze strony układu zapłonowego w pierwszym rzędzie należy ocenić rodzaj i poziom napięcia dotykowego oraz przeanalizować różne warianty drogi prądu rażenia. Kilka możliwych sytuacji zostanie przedstawionych w kolejnych częściach artykułu. Uwzględnione będą przypadki kontaktu z czynnymi częściami obwodu oraz częściami przewodzącymi dostępnymi. Poruszona zostanie również kwestia wpływu obciążenia układu zapłonowego na wartość napięcia rażenia.

Niebezpieczeństwo porażenia ze strony obciążonego układu zapłonowego

W artykule układ zapłonowy pojazdu, w którym zaciski uzwojenia wtórnego cewki zapłonowej połączone są z jedną lub większą liczbą odbiorników, tworząc obwód elektryczny zamknięty, określany będzie jako pracujący pod obciążeniem. Odbiornik stanowi w tym przypadku świeca zapłonowa z elektrodą środkową połączoną z zaciskiem uzwojenia wtórnego cewki. Elektroda zewnętrzna świecy podłączona jest do masy pojazdu. Napięcie wtórne cewki zapłonowej, dzięki któremu możliwe jest wyładowanie między elektrodami świecy, ma charakter impulsów generowanych okresowo. Napięcie, natężenie i częstotliwość prądu w obwodzie wtórnym cewki zapłonowej stanowią więc podstawowe parametry, którym warto poświęcić więcej uwagi analizując możliwość wystąpienia porażenia i jego skutki. Na rysunku 1a i 1b przedstawiono otrzymany przy pracującym silniku fragment oscylogramu ilustrującego przebieg zmian napięcia na świecy zapłonowej i prądu wyładowania międzyelektrodowego.

Dokonując analizy przebiegu wysokiego napięcia z rysunku 1a przyjmuje się z reguły założenia dotyczące sprawnego funkcjonowania obwodu oraz teoretycznie nieskończenie dużego oporu między elektrodami świecy zapłonowej przed zaistnieniem wyładowania. Drugi z wymienionych warunków jest z dobrym przybliżeniem spełniony dopiero po osiągnięciu przez stożek izolatora wystarczająco wysokiej temperatury (proces samooczyszczenia świecy zachodzi powyżej około 450°C). Obserwując napięcie w czasie trwania wyładowania elektrycznego na świecy można wyodrębnić kilka faz. Początkowo, pomimo pojawienia się wysokiego napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego cewki zapłonowej, obwód stanowiący jej obciążenie pozostaje otwarty ze względu na obecność szczeliny międzyelektrodowej świecy. Wysokie napięcie wtórne przyczynia się do jonizacji przestrzeni międzyelektrodowej, dzięki czemu w sąsiedztwie elektrod gromadzi się coraz więcej nośników ładunku. Napięcie indukowane uzwojenia wtórnego E2 cewki zapłonowej wyraża następująca zależność [12]:

gdzie i oraz L oznaczają wartości zastępcze odpowiednio prądu i indukcyjności, a C i z – odpowiednio pojemność i liczbę zwojów po stronie pierwotnej (indeks 1) i wtórnej (indeks 2).

Pod wpływem wysokiego napięcia dochodzi najpierw do wyładowania iskrowego w ramach tak zwanej fazy pojemnościowej (rys. 1a, część A). Czas trwania tej fazy z reguły nie przekracza kilku mikrosekund. Napięcie obecne między elektrodami świecy zapłonowej jest tym wyższe, im większa jest szerokość jej szczeliny międzyelektrodowej. W zależności od budowy cewki zapłonowej i jej obciążenia może ono osiągać w niektórych układach wartość przekraczającą 40 kV.

Po przebiciu przestrzeni międzyelektrodowej obserwowane są niewielkie oscylacje wynikające z obecności indukcyjności i pojemności po stronie wtórnej. Moment ten jest istotny z punktu widzenia diagnostyki układów zapłonowych, gdyż pozwala dokonać identyfikacji ewentualnej obecności nadmiernego oporu szeregowego po stronie wtórnej cewki. Jedną z przyczyn zwiększenia tego oporu może być zbyt duża szerokość szczeliny międzyelektrodowej świecy. Inną – nieprawidłowo dobrana świeca zapłonowa lub problemy dotyczące przewodów łączących ją z cewką. Pojawienie się zjonizowanego gazu zmniejsza opór między elektrodami prowadząc dalej do powstania łuku elektrycznego (tzw. faza indukcyjna – rys. 1a, część B). Ze względu na obniżoną rezystancję w przestrzeni międzyelektrodowej oraz niższe napięcie konieczne do podtrzymania łuku elektrycznego, fazę tę charakteryzuje w przybliżeniu stała różnica potencjałów na poziomie około 1 kV w czasie nieprzekraczającym z reguły kilkuset mikrosekund. W trakcie trwania wyładowania energia zgromadzona wstępnie dzięki cewce ulega rozproszeniu. Jeżeli jej poziom nie wystarcza już do podtrzymania łuku elektrycznego, przepływ prądu świecy zaczyna zanikać. Brak przewodzenia między elektrodami oznacza powrót do pojemnościowego charakteru obciążenia, jakie stanowi świeca. Pozostała niewielka część zgromadzonej wstępnie energii tracona jest więc w obwodzie złożonym z równolegle połączonej pojemności i indukcyjności oraz z rezystancji uzwojenia wtórnego cewki. Pojawiają się tłumione oscylacje (rys. 1a, część C). Początkowa amplituda tych drgań kształtuje się na poziomie rzędu kilkuset woltów. Zanik oscylacji lub ich brak pod koniec fazy indukcyjnej oznacza całkowite rozproszenie energii cewki.

Chwilowa wartość natężenia prądu wyładowania zależy od sumarycznej rezystancji obwodu obciążenia cewki zapłonowej. Zbyt niski opór skutkuje początkową wartością chwilową prądu świecy sięgającą nawet 100 A i pojawieniem się odczuwalnych zakłóceń radioelektrycznych [12]. W układach zapłonowych pojazdów w celu ograniczenia wpływu tych zakłóceń stosuje się zarówno przewody wysokiego napięcia, jak i świece o zwiększonym oporze. Rozwiązania starszego typu cechowała często obecność dodatkowego rezystora w palcu rozdzielacza. Przepływ prądu wyładowania ma miejsce w obu fazach – pojemnościowej i indukcyjnej. W układach zapłonowych współcześnie użytkowanych pojazdów szczytowa wartość natężenia prądu wtórnego cewki zapłonowej kształtuje się na poziomie od kilkudziesięciu do kilkuset miliamperów (rys. 1b).

Biorąc pod uwagę fakt, że ze wzrostem częstotliwości napięcia rażenia rośnie natężenie prądu wywołującego podobne skutki patologiczne jak prąd o częstotliwości przemysłowej [3], warto bliżej przeanalizować kwestię zakresu zmian częstotliwości prądu impulsowego w odniesieniu do układów zapłonowych. Częstotliwość impulsów zapłonowych zależy w pierwszym rzędzie od prędkości obrotowej silnika. W ogólnym przypadku częstotliwość f tych impulsów (wyrażoną w hercach) dla dowolnego silnika spalinowego o zapłonie iskrowym można wyznaczyć na podstawie następującej zależności:

gdzie:

n – prędkość obrotowa silnika w obrotach na minutę,

z – liczba cylindrów,

a – liczba suwów,

l – liczba cewek zapłonowych.

Zakładając przedział zmian prędkości obrotowej w granicach od około 700 obr./min (bieg jałowy) do 7000 obr./min dla typowego czterocylindrowego silnika czterosuwowego z pojedynczą cewką częstotliwość tych impulsów na dowolnej świecy waha się w granicach od około 6 do 56 Hz. Poruszając problem częstotliwości impulsów wysokiego napięcia należy nawiązać do budowy układu zapłonowego. W starszych rozwiązaniach, z rozdzielaczem mechanicznym, w przewodach łączących zaciski kopułki impuls zapłonowy pojawiał się raz na dwa obroty wału korbowego silnika. Wałek aparatu zapłonowego obracał się bowiem dwa razy wolniej dzięki dodatkowej przekładni. Z kolei w przewodzie łączącym cewkę zapłonową z rozdzielaczem częstotliwość impulsów jest większa proporcjonalnie do liczby cylindrów. W układach bezrozdzielaczowych, z podwójną cewką zapłonową, do wyładowania iskrowego na świecy dochodzi częściej – raz na obrót wału korbowego silnika. Odpowiada to zakresowi częstotliwości impulsów od około 12 do 112 Hz. Do zapłonu mieszanki przyczynia się jednak co druga iskra, ponieważ połowa wyładowań występuje pod koniec suwu sprężania, a druga połowa – podczas trwania suwu wydechu. Tak więc częstotliwość impulsów zapłonowych w przewodzie łączącym daną świecę z uzwojeniem wtórnym cewki odpowiada prędkości obrotowej silnika, niemniej jednak impulsy doprowadzające do zapłonu różnią się od przypadających na suw wydechu głównie pod względem maksymalnej wartości napięcia w fazie pojemnościowej i na początku fazy indukcyjnej. Wynika to ze znacznie wyższego ciśnienia panującego w komorze spalania podczas suwu sprężania. Ze względu na obecność tego ciśnienia wartość napięcia koniecznego do zainicjowania wyładowania w przestrzeni międzyelektrodowej świecy wzrasta.

W nowoczesnych rozwiązaniach z indywidualnymi cewkami zapłonowymi (tak zwanymi palcowymi lub ołówkowymi) dostęp do przewodu łączącego cewkę ze świecą jest utrudniony, co z jednej strony ogranicza ryzyko porażenia. Dla użytkownika pojazdu jest to rozwiązanie korzystne, ponieważ nie jest on narażony na bezpośredni kontakt z elementami układu zapłonowego mogącymi być pod napięciem. Z drugiej jednak strony uzyskanie dostępu do zacisku świecy i połączenie galwaniczne sondy podczas wykonywania niektórych czynności diagnostycznych jest konieczne. Powinno być ono realizowane za pomocą specjalizowanych, dobrze izolowanych elementów łączących z zachowaniem szczególnej ostrożności, ponieważ maksymalna wartość napięcia wtórnego tego typu cewek może niekiedy przekraczać 30 kV. Iskra na każdej świecy w tego rodzaju układach pojawia się jedynie pod koniec suwu sprężania, czyli w momencie, gdy ma nastąpić zapłon mieszanki.

Literatura

1. R. Bosch, Sterowanie silników o zapłonie iskrowym. Zasada działania. Podzespoły, WKiŁ, Warszawa 2008.
2. Electric road vehicles. Safety specifications. Part 2: Vehicle operational safety means and protection against failures, 2008.
3. S. Gierlotka, Porażenia prądem elektrycznym o częstotliwościach wyższych niż częstotliwość przemysłowa, „Napędy i Sterowanie”, 5/2011, s. 84–87.
4. A. Herner, H. J. Riehl, Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, WKiŁ, Warszawa 2010.
5. ISO 23273-3:2006 Fuel cell road vehicles. Safety specifications. Part 3: Protection of persons against electric shock.
6. ISO 6469-3:2011 Electrically propelled road vehicles. Safety specifications. Part 3: Protection of persons against electric shock.
7. Journal of Bosch History, Supplement 1 and 2, Robert Bosch GmbH, 2012.
8. P. Karkoszka, Samochodowe niekonwencjonalne systemy zapłonowe, WKiŁ, Warszawa 1988.
9. Magazin zur Bosch – Geschichte, Robert Bosch GmbH, 2013
10. PN-EN 60204-1:2010 Bezpieczeństwo maszyn. Wyposażenie elektryczne maszyn. Część 1: Wymagania ogólne.
11. PN-EN 60204-11:2003/AC:2011 Bezpieczeństwo maszyn. Wyposażenie elektryczne maszyn. Część 11: Wymagania dotyczące wyposażenia WN na napięcia wyższe niż 1000 V prądu przemiennego lub 1500 V prądu stałego i nieprzekraczające 36 kV.
12. Z. Pomykalski, Elektrotechnika Samochodów, WKiŁ, Warszawa 1978.
13. Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach energetycznych (DzU 2013 nr 0, poz. 492).
14. K. O. Smith, J. M. Madden, Electrical safety and the law, Oxford: Blackwell Science, 2002.
15. Trade of Motor Mechanic, Basic Ignition Systems, FÁS Learning Innovation Unit, Foras Áiseanna Saothair, Dublin, 2007.
16. M. Weinrotter, Laser Ignition of Internal Combustion Engines, praca doktorska, GRIN Verlag, 2011.
17. B. Żółtowski, H. Tylicki, Osprzęt elektryczny pojazdów mechanicznych, Wydawnictwa Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej, Bydgoszcz 1999.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!