A koronakisülés vagy csendes kisülés – idézzük a Wikipedia szócikkét – az elektromos áram egy megjelenési formája, amely gázokban jön létre erős inhomogén elektromos tér hatására, akkor, ha a feszültség egy pontban meghaladja a gáz ionizációjához szükséges értéket, de nem haladja meg az átütési feszültséget. Ez utóbbi esetben „hangos” kisülés: szikrázás vagy elektromos ív jön létre.

A koronakisülés során a közvetlen környezetben lévő gáz ionizálódik, elektromosan vezetővé válik, ún. „hideg plazma” jön létre; a távolabbi gáz eredeti állapotában marad. Konkrét megjelenésének jellemzői függenek a gáztér anyagösszetételétől, az elektródák alakjától, a polaritástól, a frekvenciától.

A koronakisülés többnyire olyan geometria esetén jön létre, amiben az egyik elektródának kicsi a görbületi sugara (például egy tű hegye vagy egy (gyertya) elektróda hegyes vége), míg a másiknak nagy (ez sima felület például hengerfal, dugattyútető). A hegyes elektróda biztosítja a nagy feszültség gradienst a plazma előállításához.

A villamos térerősség olyan nagy értékű, hogy a gázban jelen lévő kevés töltéshordozó a tér erőhatása révén gyorsulva akkora mozgási energiára tesz szert a két ütközése közötti, rendelkezésre álló, szabad úthosszon, amely a semleges gázmolekulákkal való ütközéskor azok ionizációját idézi elő.

Az így keletkezett szabad elektronok újabb semleges részecskékkel ütközve további elektronokat szabadítanak fel ionizáció révén, és így kialakul az elektronlavina. A csúcs közelében tehát töltéshordozókból álló vezető csatorna alakul ki. A vezető csatorna nem terjed ki azonban a másik elektródig, mert a csúcstól távolodva a villamos térerősség egyre kisebb, így ott már ütközéskor nem következik be az ionizáció.

A koronakisülés lehet pozitív és negatív. Az elnevezés a hegyes csúcs polaritásától függ: ha ez pozitív a laposabb felülethez képest, pozitív koronakisülésről beszélünk, ha ez negatív, akkor negatív koronakisülésről van szó. Váltakozó áram esetén, a körülményektől függően, mindkét fajta kisülés létrejöhet.

Koronakisülés a gyújtógyertyán, a koronakisülésnél plazma jön létre

A fizikában és a kémiában a plazma ionizált gázt jelent. Az ionizált itt azt jelenti, hogy az anyagot alkotó atomokról egy vagy több elektron leszakad, és így a plazma ionok és szabad elektronok keveréke lesz. Mivel az elektronok már nem lesznek az atomokhoz kötve, hanem szabadon mozoghatnak a plazmában, a plazma elektromosan vezetővé válik és az elektromágneses mezőkkel kölcsönhatásba lép.

A Federal Mogul ACIS elnevezésű koronakisülésű, vagy egyszerűen csak koronagyújtása, más gyújtó forrásokkal, más új gyújtórendszerekkel összevetve, azzal a nagy előnnyel bír, hogy bármely ma használt motorban alkalmazható és hajtó áramköre, de főleg a gyújtógyertyája lényegesen kisebb költséggel állítható elő. (Vajon mit szól ehhez a „gyertya-lobbi”?)

Az új gyújtógyertya: a központi és egyben egyetlen elektróda vége a gyújtócsillag

Egy bevált rendszerről áttérni újra csak akkor érdemes, ha az valóban komoly előnyökkel bír, legyen pozitív hatása a motorfogyasztásra, a gyújtásbiztonságra, az élettartamra (nincs elektródafogyás) és a gyártási költségekre.

Most úgy tudjuk (a „most” gyakran hivatkozott, mert csak csepegtetett információink vannak, és arról sincs hírünk, melyik autógyár folytat alkalmazási kísérleteket), szóval most a felsorolt előnyökkel az ACIS egytől-egyig rendelkezik. Most a buktatóit, ha van neki, nem látjuk.

Hagyományos szikragyújtásnál gyújtásproblémával akkor kell szembenézni, ha:

-          homogén híg keverékkel üzemel a motor (várhatóan ilyen keverékű motorok ismét lesznek),

-          rétegezett keverékkel üzemel a motor, itt ugyan a gyertya környezetében dús a keverék, éppen azért, hogy szikrával meggyújtható legyen, de a gyújtógyertya kialakítása is eltér a hagyományostól és nagyobb gyújtófeszültség is szükséges, nehogy gyújtáskimaradás legyen,

-          nagymértékű kipufogógáz visszavezetésnél is lényegesen romlanak a gyújtási feltételek,

-          minden gyorsan változó terhelésű átmeneti (tranziens) üzemben kritikus a helyzet.

Ne temessük a mai hagyományos szikragyújtást, köszöni, jól megy a dolga. Igaz, egyes motorokhoz a többféle nemesfémlapkás és elektródájú gyertyák csillagászati összegbe kerülnek, de gyártójuk ennek örül és szerinte szinte örök darabok.

Az ACIS tényleges előnyét a Federal-Mogul is azoknál a motoroknál véli kiteljesedni, melyek a hagyományoshoz képest, kritikus üzeműek:

- nagy terhelésűek (feltöltött, nagy középnyomású),

- nagy fordulatszámú,

- nagymértékű a kipufogógáz visszavezetett mennyisége (több mint a friss töltet 35%-a),

- réteges keverékkel (is) üzemel,

- alternatív hajtóanyaggal, illetve gázzal üzemel.

Hagyományos esetekben (keverékösszetétel λ = 1 szűk környezetében) az ACIS-nak a gyújtás „gyerekjáték”, a plazmacsatorna az égéstér nagy gáztérfogatába hatol be (ez az előny más esetben is!), a gyújtás rövidebb időn belül megtörténik (több ponton történő gyújtás). A kopogásos égés sem alakul ki olyan intenzitással és nagy térfogatban, mint a hagyományos lángfrontnál.

Az áramkör

A koronakisüléshez az elektródacsúcsokon nagyfeszültségnek kell megjelennie. Mivel váltakozó a feszültség, értékét a csúcstól-csúcsig feszültséggel lehet megadni, mely 72 kV. Az ACIS vezérlőegység először a fedélzeti 12 V DC feszültségből DC/DC átalakítással 150 V feszültséget állít elő, majd ebből nagyfrekvenciás áramot hoz létre. A gyújtógyertyán vagy attól távolabb, gyújtókábel összeköttetéssel indukciós tekercs van. A tekercset váltakozó feszültséggel gerjeszti a különálló ACIS vezérlőegység. A gerjesztőfrekvencia 1 MHz. A koronakisülés addig áll fenn, amíg a gerjesztés tart: ez időben tetszőleges hosszúságú lehet, de elegendőn 0,25 – 0,5 ms. Az áramkör nagyfrekvenciás rezgőkört alkot. Valós LC-körökben a tekercs és a kondenzátor saját ellenállása következtében mindig fellép energiaveszteség. Ennek következtében egy RLC ellenállású áramkör rezgései csillapítottak (azaz csökkennek). A rezgést külső szinuszos jelgenerátor segítségével lehet fenntartani. A rezgés amplitúdója akkor maximális, ha a fenntartó külső forrás frekvenciája megegyezik a csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciájával.

Az ACIS teljesítményfelvétele egy prémium autó audiorendszer teljesítményével vethető össze. A fejlesztőknek – fogalmaz finoman a Federal-Mogul illetékese – sok technikai, áramköri nehézséggel kellett megbirkózniuk. Jelenleg 8 hengerű motorig van készen a rendszer.

A hagyományos gyújtás primeráram maximuma 8 – 9 A közötti érték, ACIS esetében, amíg a gerjesztés és így a koronakisülés tart, 2 A az áramfelvétel. Az ACIS vezérlőegység a motorECU-tól kap jelet a gyújtás beindítására. A fejlesztők előnyként említik, hogy a vezérlőjel befutásától csak 100 – 300 mikroszekundumnak kell eltelnie, hogy a koronakisülés létrejöjjön, míg ez a késedelmi idő hagyományos gyújtásnál 2000 – 3000 μs is lehet. A szekunderfeszültség felfutás kezdetétől az ívkeltésig hagyományos gyújtásnak kb. 70 μs telik el, addig az ACIS rendszernél a plazmacsatorna kialakulása nanomásodpercekbe mérhető.

Még várni kell

Korábban is elmondták, az utóbbi híradásokban is megerősítik, hogy akár 10%-os tüzelőanygfogyasztás csökkenés is elérhető az ACIS rendszerrel, a kisebb energiafelhasználását, a jobban időzíthető gyújtását és a nagy térfogatban való gyújtást jelölve meg okként.

A vetélytársak: ha a koronakisülésű gyújtás szériagyártású motoron megjelenik, az lesz a gyújtás igazi forradalma.

A Federal-Mogul koronagyújtás szakmai premierje 2011-ben a frankfurti Autószalonon volt. Kristapher Mixell, a Federal Mogul ACIS fejlesztési igazgatója szerint (ez pont egy évvel ezelőtt volt) húsz autó-, illetve motorgyártó teszteli az új gyújtást, ki még csak az előkísérleteknél tart, ki már a beépítés lehetőségeit tekinti át. A sorozatgyártásra valószínűsíthetően 2016 – 2018 között kerülhet sor. Ennél több hírünk jelen pillanatban nincs. Ha szériagyártású motoron megjelenik, az lesz a gyújtás igazi forradalma.

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika főszerkesztője

(a témához kapcsolódó további szakmai cikkek az Autótechnika folyóiratban, illetve a http://autotechnika.hu oldalon olvashatóak.)