thumb|250px|Schemat elektryczny bateryjnego układu zapłonowego. 1 – akumulator, 2 – cewka, 3 – świece, 4 – rozdzielacz, nieoznaczony – przerywacz i kondensator Układ zapłonowy – układ wytwarzający iskrę elektryczną między elektrodami świecy zapłonowej w celu zapalenia mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach spalinowych zwanych silnikami o zapłonie iskrowym. Jest urządzeniem mechaniczno-elektrycznym (coraz rzadziej) albo elektronicznym. Jego zadaniem jest zainicjowanie procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrach silnika w chwili odpowiadającej określonemu położeniu tłoka w danym cylindrze. Optymalny moment zapłonu zależy od wielu parametrów pracy silnika.

Układ elektryczno-mechaniczny thumb|Elektryczno-mechaniczny aparat zapłonowy z samochodu toyota. U góry kopułka rozdzielacza, wewnątrz przerywacz, z lewej podciśnieniowy korektor kąta zapłonu. Klasyczny, bateryjny, elektryczno-mechaniczny układ zapłonowy jest zwykle zasilany z akumulatora ładowanego z prądnicy (alternatora). W obwodzie znajduje się cewka zapłonowa oraz przerywacz obwodu przerywający przepływ prądu w cewce w momentach, gdy ma wystąpić iskra. Cewka jest transformatorem składającym się z dwóch uzwojeń sprzężonych magnetycznie. Uzwojenie pierwotne (niskiego napięcia) zawiera kilkadziesiąt zwojów grubego drutu, uzwojenie wtórne (wysokiego napięcia) – kilka tysięcy zwojów cienkiego drutu. Oba uzwojenia nawinięte są na rdzeniu magnetycznym. Przerwanie przepływu prądu w cewce obwodu pierwotnego indukuje wysokie napięcie (20–45 kV) w cewce wysokiego napięcia. Gdy przerywacz jest zwarty przez uzwojenie pierwotne płynie prąd, cewka gromadzi energię w polu magnetycznym. Przerywacz jest wyłącznikiem sterowanym przez układ mechaniczny napędzany z wałka rozrządu. Przerwanie obwodu zwojnicy pierwotnej indukuje w zwojnicy wtórnej wysokie napięcie, które w silniku wielocylindrowym przekazywane jest do poszczególnych świec zapłonowych przez rozdzielacz zapłonu, który jest sterowany przez wał silnika (zwykle wałek rozrządu) tak, by przekazanie impulsu zapłonu zostało przekazane do odpowiedniej świecy. Równolegle do przerywacza włączony jest kondensator. W momencie rozłączania przepływu prądu przez przerywacz w obwodzie pierwotnym w wyniku samoindukcji powstaje napięcie, które szczególnie przy powolnym rozwieraniu się styku na małych obrotach silnika wywołuje iskrzenie styku przerywacza. Kondensator zmniejsza iskrzenie, tym samym zwiększa szybkość spadku natężenia prądu, co w obwodzie wtórnym wywołuje zwiększone napięcie. Przy otwartym przerywaczu kondensator tworzy z cewką obwód drgań, wydłużając czas iskry, zmniejsza także iskrzenie styku, poprawiając jego trwałość i zwiększając ilość energii cewki przekazanej do świecy. Zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej powinien wystąpić w cylindrze w odpowiednim momencie określanym jako kąt wyprzedzenia zapłonu, kąt ten jest zależny od prędkości obrotowej silnika oraz jego obciążenia. Regulator podciśnieniowy i odśrodkowy, zmieniając położenie przerywacza względem krzywki na wałku, zmienia kąt wyprzedzenia zapłonu. Zazwyczaj większość elementów układu zapłonowego, poza cewką zapłonową, zintegrowana jest w jednym urządzeniu zwanym aparatem zapłonowym.

Klasyczny układ zapłonowy oparty na mechanicznym przerywaczu i rozdzielaczu pomimo prostoty charakteryzuje się wieloma wadami, które wywołują problemy w eksploatacji silnika, m.in. zużywanie się mechanicznego wyłącznika przerywacza wymaga korekty jego położenia. Układ ma małe możliwości zmiany kąta wyprzedzenia zapłonu w zależności od warunków pracy silnika. Czas załączenia cewki jest zależny od szybkości obrotowej silnika, przy dużej prędkości obrotowej prąd płynący w cewce może nie osiągnąć wartości wystarczającej do wywołania iskry, przy małych obrotach podczas rozruchu rozwieranie styków może być zbyt powolne i przerwanie przepływu prądu zbyt wolne, co stwarza problemy z uruchamianiem silnika, szczególnie w niskich temperaturach. Z tego powodu układ był modyfikowany, a w samochodach produkowanych w XXI w. w postaci mechanicznej nie jest spotykany.

Podstawy działania Zwarte styki Gdy styki przerywacza zostają zwarte, w obwodzie pierwotnym płynie prąd, którego natężenie rośnie wg funkcji:

gdzie: – stała czasowa obwodu pierwotnego, – indukcyjność obwodu pierwotnego cewki, – rezystancja obwodu pierwotnego cewki.

Energia zgromadzona w uzwojeniu pierwotnym cewki jest zależna od indukcyjności cewki:

Prąd w obwodzie wzrasta i osiąga połowę napięcia zasilania po czasie około 0,7 stałej czasowej, zaś wartość zbliżoną do maksymalnej po czasie 5 stałych czasowych obwodu. Czas, w którym styk jest zwarty, zależy od liczby iskier, które trzeba wytworzyć w jednostce czasu, a ta zależy od liczby cylindrów, liczby cykli pracy silnika w jednostce czasu. W rzeczywistych elektromechanicznych układach czas zwarcia styku przerywacza stanowi część czasu cyklu pracy silnika i jest na stałe określony krzywizną krzywki sterującej stykiem przerywacza. Indukcyjność i rezystancję dobiera się tak, by zapewnić odpowiednią energię przy dużych obrotach silnika i jednocześnie nie obciążać cewki prądem stałym przy małych obrotach. Zmiana natężenia prądu w obwodzie pierwotnym w początkowej fazie załączenia indukuje w obwodzie wtórnym napięcie nawet do 1,5 kV. Napięcie to może wywołać słabą iskrę zwaną iskrą aktywacji. W niektórych układach iskra aktywacji może wywołać zapłon mieszanki w nieodpowiednim momencie. W cewkach indywidualnych sterowanych elektronicznie stosuje układy zapobiegające powstawaniu iskry aktywacji w postaci diody wysokiego napięcia w obwodzie cewki wtórnej.

Rozłączenie przerywacza Napięcie na świecy powstaje w wyniku indukcji siły elektromotorycznej indukcji wywołanej spadkiem natężenia prądu w cewce. Im szybszy spadek natężenia prądu w cewce, tym większa siła elektromotoryczna indukcji. Cewka ta jest sprzężona magnetycznie z cewką wtórną zawierającą około 100 razy więcej zwojów niż cewka pierwotna (n2/n1 = 100), tworząc transformator o takim przełożeniu. Indukowana siła elektromotoryczna w cewce pierwotnej indukuje w cewce wtórnej napięcie większe tyle razy, ile wynosi przełożenie transformatora:

Gdyby w obwodzie układu zapłonowego nie było kondensatora włączonego równolegle do przerywacza, to w momencie rozłączenia styków przerywacza natężenie prądu w obwodzie pierwotnym gwałtownie zmniejszałoby się, co powoduje indukowanie w nim siły elektromotorycznej samoindukcji. Indukowane napięcie wywołuje iskrę na nie w pełni jeszcze otwartych stykach przerywacza, zmniejsza się szybkość spadku napięcia, co sprawia, że napięcie w obwodzie wtórnym nie jest wystarczające do wywołania iskry na świecy, a iskrzenie uszkadza styki przerywacza.

Podłączenie równolegle z przerywaczem kondensatora sprawia, że początkowo natężenie prądu nie spada tak szybko, co ogranicza wystąpienie iskry na przerywaczu, a to zwiększy szybkość spadku natężenia prądu, gdy kondensator będzie już naładowany. Energia zgromadzona pierwotnie w cewce przepłynie do kondensatora. Kondensator musi mieć pojemność i wytrzymałość na przebicie

Największe napięcie na kondensatorze jest równe:

W obwodzie pierwotnym cewki zapłonowej występują pojemności główna z nich to pojemność dołączonego kondensatora ale występują także pojemności wewnętrzne cewki, pojemności między przewodami. Te pozostałe pojemności są znacznie mniejsze od pojemności kondensatora. Pomijając straty na rezystancjach obwodu, napięcie to jest napięciem na cewce pierwotnej, które transformuje się na obwód wtórny, gdzie: – pojemność w obwodzie pierwotnym, – napięcie na kondensatorze.

Połączenie indukcyjności z kondensatorem tworzy obwód rezonansowy. Pomijając straty energii w obwodzie, układ taki wykonuje drgania elektryczne. Przepływ prądu trwa połowę czasu cyklu. Czas połowy cyklu wynosi:

Powyższe wzory określają wpływ pojemności kondensatora na działanie układu zapłonowego. Kondensator musi mieć pojemność taką, bu zapewnić czas na rozłączenie styków przerywacza, ale zwiększenie jego pojemności zmniejszy napięcie na świecy. Jednocześnie zwiększenie czasu narastania napięcia zwiększy straty energii, np. na upływności przewodów wysokiego napięcia, świecy, zmniejszając maksymalne napięcie na świecy i energię iskry.

Zakładając, że cała energia zgromadzona w zwojnicy uzwojenia pierwotnego, zostanie przeniesiona do pojemności kondensatorów prąd w obwodzie uzwojenia pierwotnego przestanie płynąć, to maksymalne napięcie na uzwojeniu wtórnym wyniesie:

C1, C2 to pojemności w obwodzie pierwotnym i wtórnym. Pojemności w obwodzie wtórnym, to pojemność wewnętrzna cewki, przewodów wysokiego napięcia i świec względem masy. Pojemności w obwodzie wtórnym znacznie obniżają maksymalne napięcie na świecy.

W rzeczywistych cewkach, jeżeli nie dojdzie do wyładowania w obwodzie wtórnym, napięcie w cewce pierwotnej zmienia się cyklicznie z okresem około 0,5 ms, a amplituda kolejnego cyklu stanowi około 60% poprzedniego.

Napięcie przy którym występuje iskra na świecy zależy od ciśnienia w cylindrze i rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia, dlatego samochody o wyższym stopniu sprężania wymagają wyższego napięcia. Dla pewności wystąpienia iskry na świecy w całym zakresie obrotów silnika napięcie wytwarzane przez cewkę przy maksymalnych obrotach silnika musi przekroczyć co najmniej 1,5 raza napięcie iskry świecy.

Iskra W momencie wystąpienia iskry na świecy zmienia się funkcjonowanie obwodów elektrycznych układu zapłonowego. Na elektrodach świecy można wyróżnić dwie fazy: wyładowanie iskrowe o charakterze pojemnościowym wyładowanie łukowe lub jarzeniowe o charakterze indukcyjnym.

Trwające krócej niż 1 ms wyładowanie iskrowe rozpoczyna się dużym prądem, wywołanym rozładowaniem pojemności obwodu wtórnego. Gwałtowny skok natężenia prądu w obwodzie wtórnym przetransformowuje się do zwojnicy pierwotnej, wywołując w niej drgania elektryczne, drgania odbywają się w obu zwojnicach. Natężenie prądu na świecy ma malejącą składową stałą i zmienną wynikającą z wyżej opisanych drgań. Składowa zmienna charakteryzuje fazę wyładowania o charakterze pojemnościowym, amplituda składowej zmiennej jest mniejsza od składowej stałej, przez co w łuku świecy płynie prąd w tym samym kierunku, ale o zmieniającym się natężeniu. Częstotliwość drgań odpowiada układowi rezonansowemu złożonemu z indukcyjności zwojnicy pierwotnej, jej wewnętrznej pojemności oraz przetransformowanej do obwodu pierwotnego indukcyjności i pojemności obwodu wtórnego cewki (transformatora).

Dla tradycyjnego układu zapłonowego cewki jest to częstotliwość ponad 8 kHz. W układzie zwojnic i pojemności wzbudzają się także drgania elektryczne o innych częstotliwościach. Przy braku ekranowania drgania te mogą zakłócać działanie urządzeń radiowych.

Gdy wygasną drgania elektryczne w obwodzie wtórnym wyładowanie iskrowe przechodzi w wyładowanie łukowe, natężenie prądu w dalszym ciągu spada, po kilku milisekundach wyczerpuje się energia zgromadzona w układzie. Po spadku napięcia do granicznego wyładowanie (iskra) gwałtownie zanika.

Po iskrze Zanik prądu wywołuje drgania elektryczne obwodów, ale z niewielką amplitudą.

Modernizacja thumb|Schemat układu z cewką dwuiskrową thumb|Moduł cewek dwuiskrowych układu zapłonowego z samochodu Ford Modernizacja układu następowała poprzez eliminację układów mechaniczno-elektrycznych wyłączników i przełączników bądź zastąpienie ich wyłącznikami elektronicznymi i bezdotykowymi czujnikami. W trakcie modernizacji powstał szereg układów: Tranzystorowy klasyczny system zapłonu – elementem załączającym był tranzystor, sterowany sygnałem z bezdotykowego czujnika indukcyjnego lub czujnika Halla. Prosty układ elektroniczny wykonany był z elementów dyskretnych. W układach tych pozostawiono mechaniczny system regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu i rozdzielacz zapłonu. Tranzystorowy system zapłonu – system czujników i wykonawczy jak poprzednio, zmodyfikowano układ elektroniczny przez wykonanie go w technice hybrydowej.