บทบาทของโมดูลจุดระเบิดในการเผาไหม้เชื้อเพลิง

หน้าที่หลักของโมดูลจุดระเบิดในการเริ่มกระบวนการเผาไหมดี

จากการสัญญาณแรงดันต่ำไปสู่ประกายไฟพลังสูง: กระบวนการแปลงพลังงานภายในโมดูลจุดระเบิด

โมดูลจุดระเบิดทำหน้าเป็นจุดเชื่อมต่อหลักระหว่างระบบไฟฟ้า 12 โวลต์มาตรฐานของรถยนต์กับประจุไฟฟ้าแรงสูงที่จำเป็นเพื่อจุดระเบิดเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ โมดูลเหล่านี้ใช้อิเล็กทรอนิกส์แบบสเตต้าเซนต์เพื่อตัดกระแสไฟที่ไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิของคอยล์จุดระเบิด เมื่อปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นสนามแม่เหล็กจะล่มสลายอย่างฉับพลัน ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระชากอย่างรุนแรงในขดลวดทุติยภูมิ โดยทั่วมักเกิน 30,000 โวลต์ ระบบทั้งหมดนี้ได้แทนที่จุดสัมผัสกลไกแบบเก่าที่เคยสึกหรอตามเวลาใช้งาน ซึ่งก่อปัญหาการจังหวะจุดระเบิดไม่แม่น ข้อได้คือ การจุดระเบิดด้วยประจุไฟจะคงความแม่นยำในระดับไมโครวินาที ส่วนใหญ่ของโมดูลจุดระเบิดรุ่นใหม่สามารถทำงานอย่างน่าเชื่อได้มากกว่า 100,000 รอบก่อนเริ่มแสดงอาการสึกหรอหรือประสิทธิภาพลดลง

ความแม่นของจังหวะจุดระเบิด อัตราการเพิ่มแรงดัน และการควบคุมระยะเวลาระหว่างประจุไฟ ส่งผลโดยตรงต่อการก่อตัวของเปลวเพลิงต้น

การเริ่มต้นเปลวไฟที่ประสบความสำเร็จขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์สามประการที่ควบคุมอย่างแม่นยำโดยโมดูลจุดระเบิด:

• ความแม่นยำของจังหวะเวลา (±0.1° มุมเพลาลูกเบี้ยว): สิ่งสำคัญสำหรับการทำงานของเชื้อเพลิง CNG แบบผอม ซึ่งช่องจุดระเบิดแคบ—ลดลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับน้ำมันเบนซิน—ต้องการการซิงโครไนซ์อย่างแม่นยำกับตำแหน่งลูกสูบ
• อัตราการเพิ่มความดัน (>1 kV/µs): รับประกันการเกิดสปาร์กได้อย่างสม่ำเสมอ แม้อาจมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันในกระบอกสูบสูงถึง 300 psi
• การควบคุมไดเวลล์ (1.5–3.5 มิลลิวินาที): ปรับเวลาการอิ่มตัวของคอยล์แบบไดนามิก เพื่อให้พลังงานสปาร์กไม่ต่ำกว่า 3.0 mJ และควบคุมภาระความร้อนไปพร้อมกัน

ข้อมูลภาคสนามจากการทดสอบเชื้อเพลิงก๊าซที่ได้รับการรับรองจาก EPA แสดงให้เห็นว่า ความเบี่ยงเบนที่เกิน 5% ในพารามิเตอร์ใดๆ ก็ตาม จะเพิ่มความถี่ของการจุดระเบิดไม่ติดได้ถึง 17 เท่า—ภายใต้เงื่อนไขการเผาไหม้แบบผอมที่มี EGR ปนเปื้อน—ซึ่งเน้นย้ำว่าทำไมโมดูลที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์จึงสามารถบรรลุเสถียรภาพการเผาไหม้ได้ถึง 99.97% แม้ในสภาวะ λ = 1.6

ข้อกำหนดพลังงานจุดระเบิดสำหรับการเผาไหม้ CNG ที่มั่นคง

เหตุผลที่ก๊าซธรรมชาติอัดต้องใช้พลังงานในการจุดระเบิดมากกว่าเบนซินธรรมดาประมาณ 2 ถึง 3 เท่า เกิดจากหลายปัจจัย ประการแรก ก๊าซ CNG ลุกไหม้ช้ากว่าเบนซินมาก โดยความเร็วเปลวไฟเชิงราบอยู่ที่ประมาณ 0.38 เมตรต่อวินาที เทียบกับประมาณ 0.8 เมตรต่อวินาทีของเบนซิน นอกจากนี้ ช่วงการติดไฟของ CNG ก็กว้างเกินไป คืออยู่ที่ความเข้มข้น 5 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ เทียบกับเพียง 1.4 ถึง 7.6 เปอร์เซ็นต์ของเบนซิน อีกทั้งเมื่อสภาพในห้องเผาไหม้เจือจางและมีการเคลื่อนไหวปั่นป่วนมาก CNG ก็มีแนวโน้มดับได้ง่ายกว่าโดยสิ้นเชิง ลักษณะทั้งหมดเหล่านี้หมายความว่า ปลั๊กจุดระเบิดจะต้องทำงานหนักและนานขึ้น เพื่อให้เกิดเปลวไฟเริ่มต้นและรักษาเสถียรภาพตลอดรอบการเผาไหม้ โดยเฉพาะในเครื่องยนต์สมัยใหม่ที่มีระดับการเจือจางสูงบ่อยครั้ง

เกณฑ์เชิงประจักษ์: 2.5–4.5 mJ สำหรับการพัฒนาไนเตรตเปลวไฟของ CNG อย่างมั่นคงภายใต้สภาวะเจือจางและมีการเจือปนสูง
การศึกษาที่ผ่านกระบวนการเพียร์รีวิว รวมถึงเอกสารเทคนิคของ SAE International ปี 2021-01-0556 ยืนยันว่าการเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติอย่างมั่นคงต้องการพลังจุดระเบิดที่ส่งไปถึง 2.5–4.5 mJ ค่าเกณฑ์ที่สูงขึ้นนี้เกิดจากสามปัจจัยที่มีความสัมพันธ์กัน:

• ข้อจำกัดจากการเผาไหม้แบบ Lean-burn : อากาศส่วนเกินลดความวิกฤตของส่วนผสม ทำให้เวลาที่ต้องการสำหรับการขยายของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น
• การเจือจางของชาร์ก : EGR เพิ่มความต้องการพลังจุดระเบิดขึ้น 30–40% โดยลดอุณหภูมิของส่วนผสมและความเข้มข้นของอนุมูลอิสระ
• พลวัตของแรงดัน : เครื่องยนต์ที่มีอัตราอัดสูงทำให้ช่องจุดระเบิดต้องรับแรงดันที่เกิน 300 psi ทำให้ความต้านทานฉนวนเพิ่มขึ้นและยับยั้งการลุกลามของเปลวเพลิงในช่วงเริ่มต้น

เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ โมดูลจุดระเบิดในปัจจุบันใช้ลำดับการจุดระเบิดหลายครั้งและยืดระยะเวลาจุดระเบิด (>1.5 มิลลิวินาที) เพื่่องดับการจุดระเบิดที่มั่นแข็ง แม้ในอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่สูงกว่า λ = 1.5

ระยะเวลาจุดระเบิดและผลกระทบต่อความมั่นคงของการเผาไหม้

ระยะเวลากระแสไฟฟ้าที่เหมาะสม (1.2–2.0 มิลลิวินาที) สำหรับรักษาการเติบโตของเปลวเพลิงในช่วงเริ่มต้นในเชื้อเพลิงก๊าซ

เมื่อทำงานกับเชื้อเพลิงก๊าซ เช่น ก๊าซธรรมชาติอัด (CNG) การจุดประกายจำเป็นต้องคงอยู่ให้นานกว่าค่าปกติของเครื่องยนต์เบนซินทั่วไป หากต้องการให้เกิดการพัฒนาไอน้ำเปลวไฟที่เหมาะสม ตามผลการศึกษาจากวารสาร International Journal of Engine Research พบว่าช่วงเวลาประมาณ 1.2 ถึง 2 มิลลิวินาทีดูเหมือนจะเหมาะสมที่สุดสำหรับการจุดระเบิดที่เสถียร เมื่อใช้ผสมเชื้อเพลิงแบบผอม (lean mixtures) ที่มีการเจือจางสูง เวลาที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยให้สามารถเอาชนะลักษณะการเผาไหม้ที่ช้าของ CNG และทำให้เปลวไฟเล็กๆ เหล่านั้นมีโอกาสเติบโตได้อย่างเพียงพอ ก่อนที่ปัจจัยอย่างการสูญเสียความร้อนหรือการเคลื่อนตัวของอากาศจะรบกวนมัน หากการจุดประกายสั้นเกินไป น้อยกว่า 1.2 มิลลิวินาที ปัญหาต่างๆ จะเริ่มปรากฏขึ้น เช่น สมรรถนะเครื่องยนต์ไม่สม่ำเสมอและการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ซึ่งปัญหานี้จะยิ่งแย่ลงในระบบที่มีการอัดอากาศ (forced induction) หรือติดตั้งระบบนำก๊าซไอเสียกลับมาใช้ใหม่ (exhaust gas recirculation) ร่วมกับการใช้เชื้อเพลิง CNG

ข้อแลกเปลี่ยนระหว่างระยะเวลาการจุดประกายที่ยาวขึ้น ขีดจำกัดความร้อนของคอยล์ และความน่าเชื่อถือของโมดูล

การยืดระยะเวลาการจุดระยามากกว่า 2.0 มิลลิวินาทีจะก่อให้เกิดข้อจำกัดทางวิศวกรรมที่มีความหมาย:

• ความเครียดความร้อนของคอยล์ : ทุกเพิ่มเพิ่ม 0.5 มิลลิวินาทีจะทำให้อุณหภูมิสูงสุดของคอยล์เพิ่มขึ้นประมาณ 40°C ส่งผลเพิ่มความเสี่ยงของการเสื่อมฉนวนและการเกิดอาร์ค
• การเสื่อมของโมดูล : การไหลของกระแสไฟฟ้าเป็นเวลานานจะเร่งการสึกหรอของสารกึ่งตัวนำ โดยเฉพาะในไดรเวอร์ที่ใช้ IGBT หรือ MOSFET ที่ทำงานใกล้ขีดจำกัดการออกแบบความร้อน
• การลดความเข้มของประกายไฟ : ระยะเวลาที่ยาวขึ้นทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลง ส่งผลลดพลังประจุดระยำสูงสุด และอาจทำให้ไม่สามารถข้ามช่องเก็ปในสภาพแวดล้อมที่มีความดันสูง

โมดูลจุดระยำขั้นสูงสามารถบรรเทาความเสี่ยงเหล่านี้ผ่านการตรวจสอบอุณหภูมิแบบเรียลไทม์และอัลกอริทึมการปรับช่วงเวลานำไฟแบบปรับตัว—เพื่อให้มั่นว่าเปลวเพลิงยังคงเสถียรโดยไม่กระทบต่อความน่าเชื่ออย่างระยะยาว

คำถามที่พบบ่อย

บทบาทหลักของโมดูลจุดระยำคืออะไร?

โมดูลจุดระยำทำหน้าเชื่อมต่อระบบไฟฟ้าของรถยนต์กับประจุดระยำที่มีพลังสูง ซึ่งจำเป็นเพื่อจุดระยำเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ โดยแปลงสัญญาณแรงดันต่ำเป็นประจุดระยำที่มีพลังสูง

ทำไมก๊าซธรรมชาติอัด (CNG) ถึงต้องใช้พลังงานจุดระเบิดมากกว่าเมื่อเทียบกับน้ำมันเบนซิน

CNG ต้องใช้พลังงานมากกว่าเนื่องจากอัตราการเผาไหม้ที่ช้ากว่า ช่วงการลุกไหม้ที่กว้าง และมีแนวโน้มดับได้ง่ายในสภาวะผสมสารเชื้อเพลิงน้อยและมีการปั่นป่วนสูง

เหตุใดระยะเวลาของการประจุไฟ (spark duration) จึงมีความสำคัญต่อการเผาไหม้ของ CNG

ระยะเวลานานของการประจุไฟช่วยให้การจุดระเบิดของ CNG มีความเสถียร โดยรองรับลักษณะการเผาไหม้ที่ช้ากว่า และส่งเสริมการเจริญเติบโตของเปลวไฟในระยะเริ่มต้น โดยเฉพาะในสภาวะที่ส่วนผสมเจือจาง