دور وحدة الإشعال في احتراق الوقود

الوظيفة الأساسية لوحدة الإ encendido في بدء عملية الاحتراق

من إشارة منخفضة الجهد إلى شرر عالي الطاقة: عملية تحويل الطاقة في وحدة الإ encendido

يعمل وحدة الإشعال كنقطة الاتصال الرئيسية بين النظام الكهربائي القياسي للسيارة البالغ 12 فولت وتلك الشرارات القوية المطلوبة لاشتعال الوقود في المحرك. تعتمد هذه الوحدات على إلكترونيات الحالة الصلبة لتحويل التيار المار خلال اللفة الأولية لملف الإشعال. وعند حدوث ذلك، ينهار المجال المغناطيسي بشكل مفاجئ، مما يولد قفزة جهد هائلة في اللفة الثانوية، وغالبًا ما تتجاوز 30 ألف فولت. وقد حل هذا النظام بالكامل محل نقاط التلامس الميكانيكية القديمة التي كانت تتآكل بمرور الوقت مما يؤدي إلى مشاكل في توقيت الشرر. وما الفائدة؟ يظل توقيت الشرر ثابتًا بدقة تصل إلى الميكروثانية. ويمكن لمعظم وحدات الإشعال الحديثة أن تستمر في العمل بكفاءة لأكثر من 100 ألف دورة قبل أن تظهر عليها أي علامات تآكل أو انخفاض في الأداء.

كيف تؤثر دقة التوقيت ومعدل ارتفاع الجهد والتحكم في زمن الشحن مباشرةً على تكوين نواة اللهب

يعتمد بدء نواة اللهب بنجاح على ثلاثة معاملات دقيقة يتحكم فيها وحدة الإشعال:

• دقة التوقيت (±0.1° زاوية عمود المرفق): ضروري للتشغيل بالغاز الطبيعي المضغوط الخفيف، حيث تتطلب النوافذ الضيقة للإشعال - التي تقل بنسبة حوالي 40٪ مقارنةً بالبنزين - توقيتاً دقيقاً متزناً مع موقع المكبس
• معدل ارتفاع التوتر (>1 كيلوفولت/مايكروثانية): يضمن حدوث شرارة الاشتعال بشكل ثابت على الرغم من تقلبات ضغط الأسطوانة التي قد تصل إلى 300 رطل/بوصة مربعة
• التحكم في زمن الشحن (1.5–3.5 ملي ثانية): يضبط ديناميكياً زمن اشباع الملف لتوفير طاقة شرارة تساوي أو تزيد عن 3.0 ملي جول، مع التحكم في الحمل الحراري

تُظهر البيانات الميدانية من اختبارات الوقود الغازي المعتمدة من وكالة حماية البيئة (EPA) أن أي انحراف يتجاوز 5٪ في أحد هذه المعاملات يزيد من تكرار حالات الفشل في الإشعال بنسبة تصل إلى 17 مرة — تحت ظروف الاحتراق النحيف ومعدل إعادة تدوير غاز العادم (EGR) — مما يبرز سبب تحقيق الوحدات القائمة على المعالجات الدقيقة الآن لاستقرار احتراق بنسبة 99.97٪ حتى عند λ = 1.6.

متطلبات طاقة الإشعال لاحتراق مستقر للغاز الطبيعي المضغوط

السبب في حاجة الغاز الطبيعي المضغوط إلى طاقة تصل إلى 2-3 أضعاف مقارنة بالبنزين العادي للاشتعال يعود إلى عدة عوامل. أولاً، يحترق الغاز الطبيعي المضغوط بشكل أبطأ بكثير من البنزين، حيث تبلغ سرعة اللهب الطبقي حوالي 0.38 متر في الثانية مقابل نحو 0.8 م/ث للبنزين. ثم هناك أيضًا نطاق الاشتعال الأوسع كثيرًا للغاز الطبيعي المضغوط، والذي يتراوح بين 5 إلى 15 بالمئة من التراكيز، مقابل 1.4 إلى 7.6 بالمئة فقط للبنزين. بالإضافة إلى ذلك، عندما تصبح الظروف داخل غرف الاحتراق رقيقة جدًا ومضطربة، يكون الغاز الطبيعي المضغوط أكثر عرضة للانطفاء التام. كل هذه الخصائص تعني أن شمعات الإشعال تحتاج إلى العمل بجهد أكبر ومدة أطول لبدء اشتعال اللهب الأولي والحفاظ على استقراره طوال دورة الاحتراق، خاصة في محركات اليوم التي تكون فيها مستويات التخفيف مرتفعة غالبًا.

العتبات التجريبية: 2.5–4.5 مللي جول لتطوير نواة لهب موثوقة للغاز الطبيعي المضغوط في ظروف ضعف التركيز وارتفاع التخفيف
تؤكد الدراسات التي خضعن لمراجعة الأقران، بما في ذلك ورقة تقنية من اتحاد المهندسين للسيارات (SAE) الدولية رقم 2021-01-0556، أن اشتعال الغاز الطبيعي المسال المستقر يتطلب طاقة شرطة تسلّمة تتراوح بين 2.5 و4.5 مللي جول. ويظهر هذا العتبة المرتفعة نتيجة لثلاثة عوامل مترابطين:

• قيود الاحتراق الضعيف : يقلل الهواء الزائد من تفاعل الخليط، مما يمدد الوقت اللازم لنمو النواة
• تخفيف الشحنة : يزيد غاز العادم المعاد تدويره (EGR) من الطلب على طاقة الإشتعال بنسبة 30–40% من خلال خفض درجة حرارة الخليط وتركيز الجذور الحرة
• ديناميات الضغط : تخضع محركات ذات نسبة ضغط عالية الفجوة الشرطية لضغوط تفوق 300 رطل/بوصة مربعة، مما يرفع قوة العزل الكهربائي ويقمع الانتشار المبكر للهب

لتحقيق هذا الشرط، تستخدم وحدات الإشتعال الحديثة ت sequencing متعددة للشرر ومدة شرر ممتدة (>1.5 مللي ثانية)، لضمان إشتعال قوي حتى عند نسب هواء-وقود تفوق λ = 1.5.

مدة الشرر وتأثيرها على استقرار الاحتراق

مدة التيار المثلى (1.2–2.0 مللي ثانية) للحفاظ على نمو اللهب المبكر في الوقود الغازي

عند العمل مع وقودات غازية مثل الغاز الطبيعي المضغوط (CNG)، يجب أن يبقى الشرر مشتعلاً لفترة أطول مما هو معتاد في محركات البنزين التقليدية، إذا أردنا تطوير نواة اللهب بشكل مناسب. وفقًا لنتائج منشورة في المجلة الدولية لأبحاث المحرك، فإن مدة حوالي 1.2 إلى 2 ملي ثانية تبدو مناسبة جدًا لتحقيق اشتعال مستقر عند تشغيل خليط وقود فقير مع نسبة عالية من التخفيف. يساعد الوقت الإضافي على التغلب على خاصية احتراق الغاز الطبيعي المضغوط الأبطأ، ويوفر لللهب الصغير ما يكفي من الوقت للنمو قبل أن تؤثر عليه عوامل مثل فقد الحرارة أو حركة الهواء. إذا كان مدة الشرر قصيرة جداً، أي أقل من 1.2 ملي ثانية، تبدأ بالظهور مشكلات مثل أداء المحرك غير المتسق وعدم اكتمال الاحتراق. وتفاقم هذه المشكلة في الأنظمة التي تحتوي على شحن إجباري أو أنظمة إعادة ت circulation الغاز العادم بالتزامن مع استخدام وقود الغاز الطبيعي المضغوط.

الموازنة بين المدة الممتدة، والحدود الحرارية للفائف، وموثوقية الوحدة

يمتد مدة الشرر لما بعد 2.0 مللي ثانية إلى وجود تنازلات هندسية ذات أهمية:

• إجهاد الحرارة في الملف : كل إضافة قدرها 0.5 مللي ثانية ترفع درجة حرارة ذروة الملف بحوالي 40°م، مما يزيد من خطر تلف العزل وحدوث قوس كهربائي
• تدهور الوحدة : استمرار تدفق التيار يسرّع من تآكل أشباه الموصلات، خاصة في السائقين القائمين على IGBT أو MOSFET الذين يعملون بالقرب من الحدود الحرارية المصممة
• انخفاض شدة الشرر : المدد الأطول تسبب انخفاضاً في الجهد، مما يقلل من قدرة الشرر القصوى وقد يؤدي إلى الإخلال بعبور الفجوة في البيئات عالية الضغط

تحسّن وحدات الإشعال المتقدمة من هذه المخاطر من خلال الرصد الحراري في الزمن الحقيقي وخوارزميات الاستبقاء التكيفية—لكي تضمن استدامة اللهب دون الإضرار بالموثوقية على المدى الطويل.

الأسئلة الشائعة

ما الدور الأساسي لوحدة الإشعال؟

تقوم وحدة الإشعال بوصل النظام الكهربائي للسيارة بالشرارات القوية اللازمة لاشتعال الوقود في المحرك، من خلال تحويل إشارات الفولطية المنخفضة إلى شرارات عالية الطاقة.

لماذا يتطلب الغاز الطبيعي المضغوط طاقة إشعال أكبر مقارنة بالبنزين؟

يتطلب الغاز الطبيعي المضغوط طاقة أكبر بسبب معدل احتراقه البطيء، ونطاق قابليته للاشتعال الواسع، وقابليته للانطفاء في الظروف الفقيرة والمضطربة.

لماذا تكون مدة الشرارة حاسمة لاحتراق الغاز الطبيعي المضغوط؟

تضمن مدة الشرارة الأطول إشعالًا مستقرًا للغاز الطبيعي المضغوط من خلال التكيف مع خصائص احتراقه البطيئة ودعم نمو النواة الأولية لللهب، خاصة في الخلائط المخففة.