كيف اشتعل المحرك؟ القصة المنسية لشمعات الاحتراق والمغناطيسي

نظام الإشعال هو النظام الفرعي المسؤول عن إشعال خليط الوقود والهواء داخل أسطوانة محرك الاحتراق الداخلي بعد انتهاء الشوط والتكثيف؛ فبدون هذا الجهاز الذي يُحدث شرارة مضبوطة في شمعة الإشعال، لا يمكن أن يكتمل دورة الأشواط الأربعة. إن الخط الزمني الممتد لأكثر من 150 عاماً منذ محرك إتيان لينوار عام 1860 وحتى أنظمة coil-on-plug اليوم هو في الحقيقة قصة حل مشكلة واحدة: إنتاج شرارة في التوقيت الصحيح وبجهد كافٍ وبشكل موثوق.

المحرك الذي وُلد مع مشكلة الشرارة: أول شمعات الإشعال ولينوار

حمل المثال الأول لمحرك الاحتراق الداخلي المكبسي معه مشكلة الإشعال قبل أن يُولد أصلاً. في عام 1860، استخدم إتيان لينوار شمعة إشعال كهربائية في محرك الغاز الذي يحمل اسمه، ويُنسب إليه الفضل عموماً في اختراع شمعة الإشعال. كان النظام من حيث المبدأ مشابهاً بشكل مدهش لنظام اليوم: فالكهرباء عالية الجهد كانت تقفز عبر الفجوة الهوائية بين أقطاب شمعة الإشعال منتجةً شرارة. مفهوم الإشعال بالشرارة لم يتغير أبداً؛ فمبدأ العمل الأساسي واحد منذ أكثر من 150 عاماً.

وفي الطريق نحو النضج التجاري لشمعة الإشعال، يبرز اسم ثانٍ: فريدريك ريتشارد سيمز. كان سيمز صاحب براءة الاختراع رقم GB 24859/1898 المتعلقة بمغناطيس لمحركات الاحتراق الداخلي، ويُذكر بوصفه مخترع أول شمعة إشعال عالية الجهد قابلة للتطبيق تجارياً. ولم يكن بدء تعاونه مع بوش في العام نفسه مصادفة؛ فلكي تعمل شمعة الإشعال، كانت هناك حاجة إلى مصدر موثوق للجهد العالي خلفها، وكان ذلك المصدر سيُوجد في المغناطيس.

ولا تزال نسبة فضل اختراع شمعة الإشعال موضع نقاش حتى اليوم. فرغم أن لينوار هو الاسم المتعارف عليه بشكل عام، توجد سجلات تشير إلى أن شمعة الإشعال الكهربائية اخترعها أوليفر لودج؛ كما يُذكر اسم إدموند بيرغر أيضاً. يعود أصل الإشعال بالتفريغ السعوي (CDI) إلى تسعينيات القرن التاسع عشر، إلى أعمال نيكولا تسلا. وكما هو الحال في معظم مجالات تاريخ الهندسة، من الأدق هنا الحديث عن عدة إسهامات متكاملة بدلاً من اسم واحد.

حقبة المغناطيس: شرارة بدون بطارية وصعود بوش

في السنوات الأولى للسيارة، لم يكن هناك تقريباً ما نعرفه اليوم باسم التمديدات الكهربائية؛ فحمل البطارية كان ثقيلاً ومكلفاً وغير موثوق. وسد المغناطيس هذا الفراغ: فبما كان يولّد الكهرباء بدورانه الخاص، كان يوفر نبضة شرارة دون بطارية. أنتج روبرت بوش عام 1887 أول جهاز إشعال بالمغناطيس للمحركات الثابتة؛ بدأ اختبار الإشعال بالمغناطيس في المركبات عام 1897 وبدأ الإنتاج الضخم عام 1898. ومنذ ذلك التاريخ أصبحت Bosch فعليًا المصنّع الوحيد الموثوق الذي يزود السيارات بإشعال المغناطيس.

جاءت القفزة الحاسمة في نهاية عام 1901. فقد طوّر المدير التقني لشركة Bosch غوتلوب هونولد في منشآت شتوتغارت أول مغناطيس عالي الجهد في العالم والقابسة المرافقة له. وقد أزيل هذا الثنائي حاجة السيارة إلى البطارية وجعل القوابس عملية بمعنى الكلمة. حوالي عام 1902 قدمت Bosch مغناطيسًا مزدوج الملفات بقابسة ثابتة وقاطع تلامس خارج الأسطوانة. في السنوات السابقة للحرب العالمية الأولى عام 1914 كان مغناطيس Bosch حاسمًا في السوق؛ كما تناولت المنشورات العلمية في تلك الفترة بالتفصيل المناقشات المتعلقة بالاختيار بين المغناطيس وإشعال الملفات.

يُعرَّف المغناطيس عالي الجهد بأنه مزيج من مغناطيس ومحوّل يرسل نبضات جهد عالٍ إلى القابسة. واليوم يُستخدم بشكل أساسي في المحركات بدون بطارية - مثل آلات جز العشب والمناشير الميكانيكية - وفي الطائرات المكبسية الحديثة. وجود تقنية تُسحب من السيارات وتبقى المعيار في الطيران مؤشر جيد على مدى صلابة الأساس الذي بُنيت عليه.

ملفات المُرتجف: Model T والطريق الذي اختارته Benz

لم يكن المغناطيس هو الطريق الوحيد. فقد استخدم Benz Patent-Motorwagen عام 1886 و Ford Model T عام 1908 نظامًا يُعرف باسم ملف المُرتجف. وفي هذا الترتيب كان الملف يُغذى بتيار متقطع عبر آلية قاطع تلامس، مما ينتج شرارة مرتجفة ومتقطعة. في Model T كان هناك ملف مُرتجف منفصل لكل أسطوانة من الأسطوانات الأربع؛ وكان حلاً بسيطًا وسهل الإصلاح ويعمل بالبطارية. وعند النظر إلى مركبات تلك الفترة تُرى مدرستان رئيسيتان: معسكر المغناطيس بدون بطارية ومعسكر الملف المُرتجف. وتّضحت الإجابة على سؤال أيهما انتصر مع التطور في القسم التالي.

نظام كيترينغ: لماذا كان الموزع كافيًا لنصف قرن؟

طور تشارلز إف. كيترينغ حوالي عام 1910 نظام إشعال البطارية والملفات - وهو الترتيب المعروف بنظام Delco. كان النظام يتألف من أربعة مكونات رئيسية: ملف الإشعال، نقاط القاطع، المكثف، والموزع. كان ملف واحد يرفع الجهد المنخفض إلى جهد عالٍ، ويُوجَّه الجهد إلى القابسة الصحيحة عبر ذراع الدوّار داخل الموزع. وقد قُدّم النظام لأول مرة في سيارات Cadillac عام 1912؛ وورغم اختلاف المصادر في سنة التطوير بين 1910 و1911 و1912، فإن دخول Cadillac عام 1912 هو التأريخ الأكثر اتساقًا، كما يشير إلى أول استخدام للأنظمة القائمة على الموزع في عام 1912.

سبب انتصار نظام كيترينغ لم يكن الأناقة الهندسية، بل الرخص والبساطة النسبية. وقد جعلته هاتان الخاصيتان نظام الإشعال الأساسي لصناعة السيارات لسنوات طويلة. بدءًا من Cadillac Model Thirty عام 1912، ظلت أنظمة الموزع ذات النقاط هي النظام الأساسي في معظم السيارات حتى منتصف سبعينيات القرن الماضي.

وكان حد النظام واضحًا منذ البداية. كان الترتيب الميكانيكي في البوجية قادراً على توليد حوالي 10.000 فولت ؛ وكانت المرونة محدودة في ظل ظروف الحمل وسرعة الدوران المتغيرة. كانت نقاط التلامس عرضة للتآكل الميكانيكي والأكسدة والاحتراق بسبب الشرارة المتفتحة على أسطح التلامس؛ مما كان يتطلب ضبطاً منتظماً وقد يؤدي إلى شرارة غير فعالة. بمعنى أن النظام كان يعمل لكن سقفه الهندسي كان منخفضاً - وهذا السقف هو الذي فتح باب الإشعال الإلكتروني.

من النقاط إلى الترانزستورات: الانتقال إلى الإشعال الإلكتروني

بدأ الانتقال مبكراً أكثر مما كان يُعتقد. اختبرت شركة Delco-Remy أول محاولة لإشعال إلكتروني كترتيب من نوع الكاثود البارد عام 1948. قدمت Lucas إشعالاً بالترانزستورات عام 1955، واستُخدم هذا النظام عام 1962 في محركات Formula 1 لدى BRM وCoventry Climax - التقنية الجديدة كما هو معتاد تسربت أولاً من حلبة السباق. وسارت رحلة الإنتاج الضخم على النحو التالي:

• 1963: أصبحت Pontiac أول شركة سيارات تقدم إشعالاً إلكترونياً اختيارياً (Delcotronic)؛ وفي العام نفسه أنتجت Hyland Electronics أول نظام إشعال تفريغ سعوي SCR كامل الحالة تجارياً.
• 1964–65: أجرت Ford اختبارات للأساطيل وبدأت في تقديم إشعال إلكتروني اختياري في بعض الطرازات؛ وفي سوق قطع الغيار اللاحقة ظهرت Prest-O-Lite CD-65 (بضمان 50.000 ميل) وDelta Mark 10.
• 1967–68: قدمت Motorola نظام CD بدون فواصل تلامس؛ وأصبح Fiat Dino أول سيارة إنتاج ضخم تأتي بالإشعال الإلكتروني كخيار قياسي.
• 1971–75: تبعت Jaguar XJ Series 1 سلسلة شملت Chrysler وFord وGM؛ وقدمت GM نظام HEI في نهاية 1974 في بعض المركبات.

عندما بدأ استبدال نقاط التلامس بالترانزستورات في منتصف سبعينيات القرن العشرين، ارتفع جهد الإشعال إلى نحو 20 kV - أي ضعف الحد الأقصى البالغ 10,000 فولت لنظام Kettering. أما الموزع نفسه فعاش فترة إضافية؛ فواصل بأداء مهمة التوزيع لكن التوقيت أصبح تحدده الأدمغة الإلكترونية بدلاً من الأثقال الميكانيكية. وتم استبدال الموزعات إلى حد كبير بأنظمة إشعال إلكترونية في الثمانينيات والتسعينيات؛ فالترتيب المُتحكم به حاسوبياً كان يوفر توقيتاً أكثر دقة وصيانة أقل بكثير.

تقاعد الموزع: Coil-on-Plug والإشعال المباشر

بدأ حل منطق التوزيع في منتصف الثمانينيات. بدأت GM بإزالة الموزع والملف الواحد والانتقال إلى حزم ملفات متعددة يغذي كل منها أسطوانتين فقط؛ وفي هذا الترتيب يمكن أن يصل الجهد إلى 100.000 فولت. أصبح الترتيب الذي يدير أسطوانتين بملف واحد، والمعروف بأحدهما بالشرارة المهدورة (wasted spark)، من أوائل الأشكال العملية للإشعال بدون موزع. شوهد نظام Nissan الذي يحمل اسم NDIS (نظام الإشعال المباشر Nissan) لأول مرة عام 1985 في محركات RB20DET NICS وCA18DE NICS.

ومنذ التسعينيات، انتشرت أنظمة coil-on-plug: يوجد ملف مباشرة فوق كل بوجية، وتزول كابلات الجهد العالي ودوّار الموزع تماماً. طورت DENSO في عام 1996 أول بكيرة إشعال مضغوطة من نوع العصا في قطاع السيارات، محددةً بذلك مشهد غطاء الأسطوانات اليوم. أما في المحرك الحديث، فتتحكم وحدة التحكم الإلكتروني (ECU) بمختلف وظائف المحرك بما في ذلك الإشعاع وحقن الوقود عبر جهاز واحد - وهو نموذج معاكس تماماً للأنظمة المنفصلة في الفترات السابقة. لم يعد الإشعاع نظاماً فرعياً مستقلاً، بل أصبح جزءاً من إدارة المحرك.

أين يقف نظام الإشعاع اليوم؟ الحدود والجدل

وكما هو الحال مع هوية مخترع البكيرة، لا يزال الجدل حول نقاط التلامس مقابل الإلكترونيات في عالم السيارات الكلاسيكية حياً ومستمراً. الجانب التقني واضح: نقاط التلامس تتآكل، وتتطلب ضبطاً، وقد تنتج شرارة غير فعالة. في المقابل، من الشائع بين أصحاب السيارات الكلاسيكية الرأي القائل بأن "النقاط جيدة الصيانة لا تُبرّر التحويل إلى إشعاع إلكتروني عادي"، وهناك حالات يكون فيها هذا الرأي وجيهاً في الممارسة العملية؛ ومن الصحيح أيضاً أن تكلفة إصلاح المكونات الإلكترونية قد تكون أعلى. وكما هو الحال مع الاختلاف بين المصادر حول سنة تطوير نظام Kettering، فإن هذا الخلاف في الآراء هنا ينبع من سياق الاستخدام أكثر مما ينبع من تعريف القياس: فالاستخدام اليومي والأصالة بمستوى concours هما متطلبان مختلفان.

في جانب المستقبل، كانت التقييمات المؤرخة في 2013 تتوقع أن يظل الإشعاع بالشرارة والإشعاع بالانضغاط مهيمنين لفترة إضافية. محركات HCCI (الإشعاع بالانضغاط المتجانس) يمكنها العمل بالبنزين والتبديل بين نمطي إشعاع حسب ظروف القيادة، ورفع الكفاءة إلى مستويات قريبة من الديزل؛ لكن هذا ما يزال إلى حد كبير إطاراً نظرياً حتى اليوم. أما في سوق السيارات الكلاسيكية، فإن الموزعات الحديثة القائمة على المعالجات الدقيقة والمزودة بتقنية Bluetooth مثل 123ignition تقدم موثوقية معاصرة مع الحفاظ على مظهر Kettering - جماليات الماضي مصالحة مع إلكترونيات اليوم.

الخلاصة: نفس الشرارة، معمارات متغيرة

يتلخص منحنى تكنولوجيا الإشعاع الممتد على 160 عاماً في ثلاثة أرقام: 10,000 فولت لأنظمة Kettering، و20,000 فولت للتحول الإلكتروني، و100,000 فولت لنظام coil-on-plug. لم تتغير الهدف أبداً؛ ما تغير هو تطور المعمار الذي ينتج الشرارة ويوقّتها من الميكانيكي إلى الصلب. الطريق من المغناطيس إلى الموزع، ومن الموزع إلى بكيرة لكل ملف، هو نسخة مصغرة حرفياً من القصة العامة لهندسة السيارات: قطع أقل تآكلاً، وتحكم أكبر، وجهد أعلى.

المصادر

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905: من الورشة الأولى إلى المصنع
• Bosch للسيارات - تاريخ المنتجات
• كيف جعل جهاز الإشعال المغناطيسي من Bosch شمعات الاحتراق ممكنة
• تطور الإشعال
• DENSO تستعرض تطور ملف الإشعال
• من الأطراف إلى الدقة: قرن من أنظمة الإشعال
• الإشعال الإلكتروني
• الإشعال المغناطيسي أو بملف للسيارات
• فريدريك ريتشارد سيمز
• إتيان لينوار
• فهم موزعات الإشعال الإلكتروني
• الأطراف مقابل الإلكترونيات في السيارات القديمة