موتور چگونه آتش گرفت؟ داستان فراموش‌شده شمع و مگنتو

بدون یک جرقه واحد که در لحظه مناسب ولتاژ کافی تولید کند، چرخه چهارزمانه هرگز کامل نمی‌شود؛ سیستم جرقه‌زنی ضربان قلب موتور است.
بدون یک جرقه واحد که در لحظه مناسب ولتاژ کافی تولید کند، چرخه چهارزمانه هرگز کامل نمی‌شود؛ سیستم جرقه‌زنی ضربان قلب موتور است.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

سیستم جرقه‌زنی، زیرسیستمی است که مسئول اشتعال مخلوط سوخت-هوا در سیلندر موتور احتراق داخلی پس از بسته شدن سوپاپ‌ها و تراکم است؛ بدون این سازوکار که در شمع جرقه‌ای کنترل‌شده‌ای ایجاد می‌کند، چرخه چهارزمانه کامل نمی‌شود. بیش از 150 سال، از موتور اتین لور در 1860 تا سازوکارهای coil-on-plug امروزی، در واقع داستان حل یک مسئله واحد است: تولید جرقه در لحظه درست، با ولتاژ کافی و به شکلی قابل‌اعتماد.

نکات برجسته

  • اولین شمع جرقه‌ای برقی در 1860 در موتور گازی اتین لور استفاده شد.
  • مگنت‌جرقه‌زنی رابرت بوش در 1887 تولید و در 1897 روی خودروها آزمایش شد.
  • نخستین مگنت ولتاژبالای جهان در پایان 1901 توسط گوتلوب هونولد توسعه یافت.
  • سیستم باتری-کویل کترینگ در 1912 با خودروهای کادیلاک معرفی شد و نیم‌قرن استاندارد باقی ماند.
  • سیستم‌های امروزی coil-on-plug می‌توانند تا 100,000 ولت ولتاژ تولید کنند.

موتوری که با مسئله جرقه متولد شد: نخستین شمع‌های جرقه‌ای و لور

1860'ta Étienne Lenoir'ın gaz motorunda yanan o ilkel kıvılcım, içten yanlı motorun kaderini tek bir elektrik boşalmasına bağlamıştı.

نخستین نمونه موتور پیستونی احتراق داخلی، مشکل جرقه‌زنی را حتی پیش از تولد با خود به همراه آورد. در 1860 اتین لور در موتور گازی به نام خودش از یک شمع جرقه‌ای برقی استفاده کرد و معمولاً اختراع شمع جرقه‌ای به او نسبت داده می‌شود. این سیستم از نظر اصولی به‌طور شگفت‌انگیزی به سیستم امروزی شبیه بود: برق ولتاژبالا از فاصله هوایی میان الکترودهای شمع می‌پرید و جرقه تولید می‌کرد. مفهوم شمع جرقه‌ای، یعنی اشتعال با جرقه، هرگز تغییر نکرد؛ اصول پایه کار آن بیش از 150 سال است که یکسان است.

در مسیر رسیدن شمع جرقه‌ای به بلوغ تجاری، نام دومی برجسته می‌شود: فردریک ریچارد سیمز. سیمز مالک ثبت اختراع شماره GB 24859/1898 مربوط به یک مگنت برای موتورهای احتراق داخلی بود و به‌عنوان مخترع نخستین شمع جرقه‌ای ولتاژبالای تجاری‌شدنی شناخته می‌شود. شروع همکاری او با بوش در همان سال تصادفی نبود؛ برای کارکرد شمع جرقه‌ای، یک منبع ولتاژبالای قابل‌اعتماد در پشت آن لازم بود و آن منبع در مگنت پیدا می‌شد.

انتساب اختراع شمع جرقه‌ای حتی امروز نیز محل بحث است. با اینکه لور نام پذیرفته‌شده است، سوابقی نیز وجود دارند که نشان می‌دهند شمع جرقه‌ای برقی توسط الیور لاج اختراع شده است؛ نام ادموند برگر هم به میان می‌آید. خاستگاه سیستم جرقه‌زنی تخلیه خازنی (CDI) به دهه 1890 و کارهای نیکولا تسلا بازمی‌گردد. مانند بیشتر حوزه‌های تاریخ مهندسی، در اینجا نیز به‌جای یک نام واحد، صحبت از چندین سهم متقابل که یکدیگر را تقویت کرده‌اند صحیح‌تر است.

عصر مگنت: جرقه بدون باتری و ظهور بوش

در سال‌های اولیه خودرو، تقریباً هیچ‌کس از تأسیسات برقی به معنای امروزی خبری نبود؛ حمل باتری سنگین، گران و غیرقابل‌اعتماد بود. مگنت این خلأ را پر کرد: چون خودش با چرخشش برق تولید می‌کرد، ضربه جرقه بدون باتری فراهم می‌کرد. رابرت بوش در 1887 نخستین دستگاه مگنت جرقه‌زنی را برای موتورهای ثابت تولید کرد. در سال 1897 آتش‌زنی مگنتو روی خودروها آزمایش شد و تولید انبوه در سال 1898 آغاز شد. از آن تاریخ به بعد، بوش به جایگاه تنها تولیدکننده واقعاً قابل‌اعتمادی رسید که آتش‌زنی مگنتو را برای خودروها تأمین می‌کرد.

جهش حیاتی در اواخر سال 1901 رقم خورد. گوتلوب هونولد، مدیر فنی بوش، در تأسیسات اشتوتگارت نخستین مگنتو ولتاژ بالا و شمع همراه آن را در جهان توسعه داد. این دوگانه، نیاز خودرو به باتری را از میان برداشت و شمع‌ها را واقعاً کاربردی کرد. حدود سال 1902 بوش مگنتوی دومومینه با شمع ثابت و قطع‌کننده تماس بیرون از سیلندر را معرفی کرد. در سال‌های پیش از 1914، مگنتوی بوش در بازار تعیین‌کننده بود؛ انتشارات علمی آن دوره نیز بحث‌های انتخاب میان مگنتو و آتش‌زنی کوئیل را با جزئیات بررسی می‌کردند.

مگنتوی ولتاژ بالا به‌عنوان ترکیبی از مگنتو و ترانسفورماتور تعریف می‌شود که پالس‌های ولتاژ بالا را به شمع می‌فرستد. امروزه عمدتاً در موتورهای بدون باتری - ماشین‌های چمن‌زنی، اره‌های موتوری - و همچنان در هواپیماهای پیستونی مدرن استفاده می‌شود. اینکه یک فناوری از خودرو کنار گذاشته شود اما در هوانوردی استاندارد بماند، نشانگر خوبی است از اینکه بر چه پایه‌ای استواری بنا شده است.

کوئیل‌های ترمبلر: مدل T و راهی که بنز برگزید

مگنتو تنها راه نبود. Benz Patent-Motorwagen سال 1886 و Ford Model T سال 1908 از سیستمی به نام کوئیل ترمبلر استفاده کردند. در این آرایش، با قطع و وصل جریان تغذیه کوئیل توسط یک مکانیزم قطع‌کننده تماس، جرقه‌ای لرزان و منقطع تولید می‌شد. در مدل T برای هر یک از چهار سیلندر یک کوئیل ترمبلر جداگانه وجود داشت؛ راه‌حلی ساده، به‌آسانی تعمیرشدنی و قابل‌کار با باتری بود. با نگاهی به خودروهای آن دوره، دو مکتب اصلی دیده می‌شود: اردوی مگنتوی بدون باتری و اردوی کوئیل ترمبلر. پاسخ پرسش اینکه کدام یک پیروز شد، با تحولی در بخش بعدی روشن شد.

سیستم کترینگ: چرا دیستریبیوتور نیم قرن کافی بود؟

چارلز اف. کترینگ حدود سال 1910 سیستم آتش‌زنی باتری-کوئیل - آرایشی که با نام سیستم دلکو شناخته می‌شود - را توسعه داد. این سیستم از چهار جزء اصلی تشکیل شده بود: کوئیل آتش‌زنی، پلاتین‌ها (نقاط قطع‌کننده)، خازن و دیستریبیوتور. یک کوئیل واحد ولتاژ پایین را به ولتاژ بالا می‌رساند و ولتاژ با بازوی روتور داخل دیستریبیوتور به شمع درست هدایت می‌شد. این سیستم نخستین بار در سال 1912 روی خودروهای کادیلاک معرفی شد؛ اگرچه در منابع سال توسعه گاه 1910 و گاه 1911 و 1912 ذکر شده، ورود کادیلاک در 1912 سازگارترین تاریخ‌نگاری است و به نخستین کاربرد سیستم‌های مبتنی بر دیستریبیوتور در 1912 نیز اشاره دارد.

دلیل پیروزی سیستم کترینگ ظرافت مهندسی نبود، بلکه ارزانی و سادگی نسبی آن بود. این دو ویژگی، آن را طی سال‌های طولانی به سیستم آتش‌زنی اصلی صنعت خودرو تبدیل کرد. با آغاز از Cadillac Model Thirty سال 1912، آرایش‌های دیستریبیوتور نقطه‌ای تا اواسط دهه 1970 به‌عنوان سیستم اصلی اکثر خودروها باقی ماندند.

محدودیت این سیستم هم از همان آغاز مشخص بود. مکانیزم مکانیکی در شمع قادر به تولید حدود 10,000 ولت بود؛ در شرایط بار و دور متغیر، انعطاف‌پذیری محدودی داشت. نقاط پلاتین در معرض سایش مکانیکی، اکسیداسیون و سوختن به دلیل جرقه‌ای که روی سطوح تماس ایجاد می‌شد قرار داشتند؛ نیاز به تنظیم منظم داشتند و می‌توانستند به جرقه ناکارآمد منجر شوند. یعنی سیستم کار می‌کرد اما از نظر مهندسی سقف پایینی داشت - و همین سقف، دروازه جرقه‌زنی الکترونیکی را گشود.

از پلاتین تا ترانزیستورها: گذار به جرقه‌زنی الکترونیکی

این گذار زودتر از آنچه تصور می‌شد آغاز شد. نخستین تلاش برای جرقه‌زنی الکترونیکی، به عنوان یک مکانیزم کاتد سرد، در سال 1948 توسط Delco-Remy آزمایش شد. Lucas در سال 1955 جرقه‌زنی ترانزیستوری را معرفی کرد و این سیستم در سال 1962 در موتورهای فرمول 1 BRM و Coventry Climax استفاده شد - فناوری جدید، طبق معمول، ابتدا از پیست مسابقه به بیرون راه یافت. سفر تولید انبوه چنین پیش رفت:

  • 1963: Pontiac نخستین خودروساز شد که جرقه‌زنی الکترونیکی اختیاری (Delcotronic) ارائه کرد؛ در همان سال Hyland Electronics نخستین جرقه‌زنی خازنی SCR تماماً حالت‌جامد تجاری را تولید کرد.
  • 1964-65: Ford آزمایش‌های ناوگانی انجام داد و در برخی مدل‌ها جرقه‌زنی الکترونیکی اختیاری را ارائه کرد؛ در سمت aftermarket نیز Prest-O-Lite CD-65 (با 50,000 مایل گارانتی) و Delta Mark 10 به بازار آمدند.
  • 1967-68: Motorola سیستم CD بدون پلاتین (breakerless) را معرفی کرد؛ Fiat Dino نخستین خودروی تولید انبوهی شد که به صورت استاندارد با جرقه‌زنی الکترونیکی عرضه شد.
  • 1971-75: Jaguar XJ Series 1 و به دنبال آن Chrysler، Ford و GM این مسیر را ادامه دادند؛ سیستم HEI گروپ GM در اواخر سال 1974 در برخی خودروها معرفی شد.

در اواسط دهه 1970 هنگامی که نقاط پلاتین جای خود را به ترانزیستورها دادند، ولتاژ جرقه‌زنی به حدود 20 کیلوولت رسید - یعنی دو برابر سقف 10,000 ولتی سیستم Kettering. خود دلبین (دیزتریبیوتور) مدت بیشتری دوام آورد؛ وظیفه توزیع را ادامه داد اما دیگر زمان‌بندی را وزنه‌های مکانیکی، بلکه مغزهای الکترونیکی تعیین می‌کردند. دلبین‌ها در دهه‌های 1980 و 1990 عمدتاً با سیستم‌های جرقه‌زنی الکترونیکی جایگزین شدند؛ مکانیزم کنترل‌شده با کامپیوتر زمان‌بندی دقیق‌تر و نگهداری بسیار کمتری ارائه می‌کرد.

بازنشستگی دلبین: Coil-on-Plug و جرقه‌زنی مستقیم

حل منطق توزیع در اواسط دهه 1980 آغاز شد. GM شروع به حذف دلبین و کوئل واحد و گذار به بسته‌های کوئل چندگانه کرد که هر کدام تنها دو سیلندر را تغذیه می‌کردند؛ در این مکانیزم، ولتاژ تا 100,000 ولت نیز می‌توانست بالا برود. چیدمانی که دو سیلندر را با یک کوئل مدیریت می‌کرد و یکی از جرقه‌ها به عنوان جرقه هدررفته (wasted spark) شناخته می‌شد، از نخستین شکل‌های عملی جرقه‌زنی بدون دلبین بود. سیستم Nissan با نام NDIS (Nissan Direct Ignition System) نخستین بار در سال 1985 در موتورهای RB20DET NICS و CA18DE NICS دیده شد.

از دهه 1990 به بعد، مکانیزم‌های coil-on-plug رایج شدند: روی هر شمع یک کوئل مستقیماً قرار می‌گیرد و کابل‌های ولتاژ بالا و روتور دلبین کاملاً حذف می‌شوند. DENSO با توسعه نخستین بوبین جرقه زنی نوع استیک فشرده صنعت خودرو در سال 1996 چشم‌انداز سرسیلندر امروز را شکل داد. در موتورهای مدرن، ECU وظایف مختلف موتور از جمله جرقه زنی و انژکتور سوخت را با یک دستگاه واحد کنترل می‌کند - معماری‌ای کاملاً متفاوت با سیستم‌های مجزا در دوره‌های پیشین. جرقه زنی دیگر یک زیرسیستم مستقل نیست، بلکه زیرمجموعه‌ای از مدیریت موتور است.

سیستمدورهویژگی برجسته
شمع برقی (لنوآر)از 1860 به بعدنخستین جرقه زنی
مگنت ولتاژ بالا (بوش/هونولد)از 1901 تا 02کارکرد بدون باتری
کویل ترمبلر (بنز، فورد مدل T)1886 و 1908بوبین مجزا برای هر سیلندر
سیستم کترینگ / دلکواز 1912 به بعدبوبین واحد، حدود 10.000 ولت
جرقه زنی الکترونیکیاز 1963 به بعدبدون پلاتین، حدود 20 کیلوولت
کویل روی شمع (Coil-on-Plug)از دهه 1990 به بعدبوبین برای هر شمع، تا 100.000 ولت

سیستم جرقه زنی امروز کجاست؟ مرزها و بحث‌ها

همچنین که مخترع شمع چه کسی بوده، بحث میان پوینت و الکترونیکی در دنیای خودروهای کلاسیک نیز پویاست. جنبه فنی روشن است: پلاتین‌ها ساییده می‌شوند، تنظیم می‌خواهند و ممکن است جرقه ناکارآمد تولید کنند. در مقابل، میان مالکان خودروهای کلاسیک این نظر رایج است که «روی پلاتین‌های خوش‌نگهداری‌شده، جرقه زنی الکترونیکی معمولی فایده‌ای ندارد» و در عمل مواردی هم که این نظر درست از آب درآمده وجود دارد؛ درست است که هزینه تعمیر قطعات الکترونیکی می‌تواند بالاتر باشد. درست مانند اختلاف میان منابع درباره سال توسعه سیستم کترینگ، این اختلاف نظر نیز بیشتر از تعریف اندازه‌گیری، از بافت کاربرد ناشی می‌شود: استفاده روزمره با اصالت در سطح concours الزامات متفاوتی دارد.

در بخش آینده، ارزیابی‌های سال 2013 پیش‌بینی می‌کردند که جرقه زنی و احتراق تراکمی برای مدتی بیشتر غالب خواهند ماند. موتورهای HCCI (احتراق تراکمی همگن) می‌توانند با بنزین کار کنند و بسته به شرایط رانندگی میان دو حالت جرقه زنی جابه‌جا شوند و بازده را به سطح دیزل نزدیک کنند؛ اما این امروز همچنان تا حد زیادی چارچوبی نظری است. در بازار خودروهای کلاسیک اما دلکوهای مدرن مبتنی بر ریزپردازنده با بلوتوث مانند 123ignition با حفظ ظاهر کترینگ، قابلیت اطمینان امروزی ارائه می‌دهند - زیبایی‌شناسی گذشته با الکترونیک امروز آشتی داده شده است.

نتیجه‌گیری: جرقه‌ای یکسان، معماری‌های در حال تغییر

منحنی 160 ساله فناوری جرقه زنی در سه عدد خلاصه می‌شود: 10.000 ولت سیستم‌های کترینگ، 20.000 ولت گذار الکترونیکی و 100.000 ولت coil-on-plug. هدف هرگز تغییر نکرد؛ آنچه تغییر کرد، تکامل معماری تولید و زمان‌بندی جرقه از مکانیکی به حالت جامد بود. مسیر از مگنت به دلکو و از دلکو به بوبین برای هر شمع، نسخه‌ای مصغر و عینی از داستان کلی مهندسی خودرو است: قطعات سایشی کمتر، کنترل بیشتر، ولتاژ بالاتر.

منابع