نقش ماژول جرقه زن در احتراق سوخت

عملکرد اصلی ماژول اشتعال در شروع احتراق

از سیگنال ولتاژ پایین تا جرقه با انرژی بالا: فرآیند تبدیل انرژی ماژول اشتعال

ماژول اشتعال به عنوان نقطه اتصال اصلی بین سیستم الکتریکی استاندارد ۱۲ ولت ماشین و جرقه‌های قدرتمند مورد نیاز برای اشتعال سوخت در موتور عمل می‌کند. این ماژول‌ها به الکترونیک حالت جامد متکی هستند تا جریان عبوری از سیم‌پیچ اولیه کoil اشتعال را قطع و وصل کنند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، میدان مغناطیسی به طور ناگهانی از بین می‌رود و باعث ایجاد پرش ولتاژ بسیار بالایی در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود که معمولاً از ۳۰ هزار ولت بیشتر است. تمام این سیستم جایگزین نقاط تماس مکانیکی قدیمی شده است که قبلاً با گذشت زمان ساییده می‌شدند و باعث مشکلات زمان‌بندی می‌شدند. فایده آن چیست؟ زمان‌بندی جرقه با دقت میکروثانیه ثابت می‌ماند. بیشتر ماژول‌های اشتعال مدرن قادر هستند تا خیلی پس از ۱۰۰ هزار سیکل کارکرد بدون هیچ نشانه‌ای از سایش یا کاهش عملکرد، به طور قابل اعتماد کار کنند.

نحوه تأثیر دقت زمان‌بندی، نرخ افزایش ولتاژ و کنترل دوره زمانی بر روی تشکیل هسته شعله

شروع موفقیت‌آمیز هسته شعله به سه پارامتر تنظیم‌شده با دقت که توسط ماژول جرقه‌زنی کنترل می‌شوند، بستگی دارد:

• دقت زمان‌بندی (±0.1° زاویه میل‌لنگ): حیاتی برای عملکرد CNG رقیق، جایی که پنجره‌های احتراق تنگ—که حدود 40٪ نسبت به بنزین کاهش یافته‌اند—نیازمند همگام‌سازی دقیق با موقعیت پیستون هستند
• نرخ افزایش ولتاژ (>1 kV/µs): اطمینان از شکست منظم فاصله جرقه علیرغم نوسانات فشار سیلندر تا 300 psi را فراهم می‌کند
• کنترل دوره شارژ (1.5–3.5 ms): به صورت پویا زمان اشباع سیم‌پیچ را تنظیم می‌کند تا انرژی جرقه‌ای معادل ≥3.0 mJ را تأمین کند و در عین حال بار حرارتی را مدیریت کند

داده‌های میدانی از آزمایش سوخت گازی مورد تأیید آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) نشان می‌دهد که انحراف‌های بیش از 5٪ در هر یک از این پارامترها فراوانی خاموشی را تحت شرایط احتراق رقیق و با حضور گازهای بازیابی‌شده (EGR-diluted) تا 17٪ افزایش می‌دهد—و اهمیت آن را برجسته می‌کند که چرا ماژول‌های مبتنی بر میکروپروسسور اکنون حتی در λ = 1.6 به ثبات احتراقی معادل 99.97٪ دست می‌یابند.

نیازمندی‌های انرژی اشتعال برای احتراق پایدار CNG

دلیل اینکه گاز طبیعی فشرده نسبت به بنزین معمولی به انرژی حدود ۲ تا ۳ برابر بیشتری برای اشتعال نیاز دارد، مربوط به چندین عامل است. اولاً، CNG بسیار کندتر از بنزین می‌سوزد و سرعت شعله لایه‌ای آن حدود ۰٫۳۸ متر بر ثانیه در مقابل تقریباً ۰٫۸ متر بر ثانیه برای بنزین است. همچنین بازه اشتعال CNG بسیار وسیع‌تر است (غلظت ۵ تا ۱۵ درصد) در مقایسه با بنزین که تنها ۱٫۴ تا ۷٫۶ درصد است. علاوه بر این، زمانی که شرایط در محفظه‌های احتراق بسیار لخت و متلاطم می‌شوند، احتمال خاموشی کامل CNG بیشتر است. تمام این ویژگی‌ها به این معناست که شمع‌های جرقه‌زن باید سخت‌تر و طولانی‌تر کار کنند تا شعله اولیه ایجاد شود و در طول چرخه احتراق پایدار بماند، به‌ویژه در موتورهای امروزی که سطح رقیق‌سازی اغلب بسیار بالاست.

آستانه‌های تجربی: ۲٫۵ تا ۴٫۵ میلی‌ژول برای توسعه مطلوب هسته شعله CNG در شرایط لخت و با رقیق‌سازی بالا
مطالعات داوری‌شده توسط همتایان — از جمله مقاله فنی SAE International شماره 2021-01-0556 — تأیید می‌کنند که برای احتراق پایدار CNG، نیاز به ۲٫۵ تا ۴٫۵ میلی‌ژول انرژی جرقهٔ تحویل‌شده است. این آستانهٔ بالاتر ناشی از سه عامل مرتبط با یکدیگر است:

• محدودیت‌های احتراق لکه‌ای : هوای اضافی باعث کاهش فعالیت مخلوط شده و زمان لازم برای رشد هستهٔ شعله را افزایش می‌دهد
• رشد دماخوردن بار : بازیابی گازهای دودکش (EGR) با کاهش دمای مخلوط و غلظت رادیکال‌ها، نیاز به انرژی اشتعال را ۳۰ تا ۴۰ درصد افزایش می‌دهد
• دینامیک فشار : موتورهای با نسبت تراکم بالا، فاصله جرقه‌زنی را در معرض فشارهایی بیش از ۳۰۰ psi قرار می‌دهند که مقاومت دی‌الکتریک را افزایش داده و گسترش اولیه شعله را کاهش می‌دهند

برای برآورده کردن این نیاز، ماژول‌های اشتعال مدرن از توالی چندجرقه‌ای و مدت زمان طولانی‌تر جرقه (> ۱٫۵ میلی‌ثانیه) استفاده می‌کنند تا اشتعال قوی را حتی در نسبت‌های هوا به سوخت بالاتر از λ = ۱٫۵ تضمین کنند.

مدت زمان جرقه و تأثیر آن بر پایداری احتراق

مدت زمان جریان بهینه (۱٫۲ تا ۲٫۰ میلی‌ثانیه) برای حفظ رشد اولیه شعله در سوخت‌های گازی

هنگام کار با سوخت‌های گازی مانند گاز طبیعی فشرده (CNG)، جرقه باید مدت زمان بیشتری نسبت به زمان معمول در موتورهای بنزینی متعارف روشن بماند تا توسعه مناسب هسته شعله حاصل شود. بر اساس یافته‌های منتشر شده در مجله بین‌المللی پژوهش موتور، حدود ۱٫۲ تا ۲ میلی‌ثانیه زمان جرقه زدن، زمان مناسبی برای داشتن احتراق پایدار در مخلوط‌های لکه (Lean mixtures) با رقت بالا به نظر می‌رسد. این زمان اضافی به غلبه بر خصوصیات سوخت‌زنی آهسته‌تر CNG کمک می‌کند و به شعله‌های کوچک فرصت کافی می‌دهد تا قبل از اینکه عواملی مانند اتلاف حرارتی یا حرکت هوا آنها را مختل کنند، رشد کنند. اگر مدت زمان جرقه کوتاه باشد و کمتر از ۱٫۲ میلی‌ثانیه باشد، مشکلاتی از جمله عملکرد نامنظم موتور و احتراق ناقص پیش می‌آید. این موضوع در سیستم‌هایی که از تزریق اجباری یا سیستم بازگردانی گازهای خروجی (EGR) همراه با سوخت CNG استفاده می‌کنند، حتی بدتر می‌شود.

مزایا و معایب بین مدت زمان طولانی‌تر جرقه، محدودیت‌های حرارتی سیم‌پیچ و قابلیت اطمینان ماژول

گسترش مدت جرقه بیش از 2.0 میلی‌ثانیه به معنای ورود به مسائل مهم مهندسی است:

• تنش حرارتی سیم‌پیچ : هر 0.5 میلی‌ثانیه اضافی دمای حداکثری سیم‌پیچ را حدود 40 درجه سانتی‌گراد افزایش می‌دهد که خطر شکست عایق و قوس الکتریکی را بالا می‌برد
• فرسایش ماژول : جریان طولانی‌مدت، سایش نیمه‌هادی‌ها را تسریع می‌کند، به‌ویژه در درایورهای مبتنی بر IGBT یا MOSFET که در شرایط نزدیک به حد طراحی حرارتی کار می‌کنند
• کاهش شدت جرقه : مدت زمان طولانی‌تر باعث افت ولتاژ می‌شود و توان حداکثری جرقه را کاهش داده و ممکن است در محیط‌های پرفشار، عبور از فاصله (gap bridging) را با مشکل مواجه کند

ماژول‌های جرقه‌زنی پیشرفته این خطرات را از طریق نظارت لحظه‌ای بر دمای حرارتی و الگوریتم‌های تنظیم دوره‌ای تطبیقی کاهش می‌دهند و احتراق پایدار را بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان بلندمدت تضمین می‌کنند.

سوالات متداول

وظیفه اصلی ماژول جرقه‌زنی چیست؟

ماژول جرقه‌زنی سیستم الکتریکی خودرو را به جرقه‌های قدرتمند مورد نیاز برای اشتعال سوخت در موتور متصل می‌کند و سیگنال‌های ولتاژ پایین را به جرقه‌های پرانرژی تبدیل می‌کند.

چرا CNG نسبت به بنزین به انرژی اشتعال بیشتری نیاز دارد؟

CNG به دلیل نرخ سوختن کندتر، محدوده قابل اشتعال گسترده و آسیب‌پذیری در شرایط کم‌بنزینی و آشفتگی به انرژی بیشتری نیاز دارد.

چرا مدت زمان جرقه برای احتراق CNG حیاتی است؟

مدت زمان جرقه طولانی اشتعال پایدار را برای CNG تضمین می‌کند، با توجه به ویژگی‌های سوختن کندتر آن و حمایت از رشد اولیه هسته شعله، به‌ویژه در مخلوط‌های رقیق.