มอเตอร์จุดติดได้อย่างไร? เรื่องราวที่ถูกลืมของหัวเทียนและแมกเนโต

ระบบจุดชนวนเป็นระบบย่อยที่มีหน้าที่จุดไฟเผาส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศในกระบอกสูบของเครื่องยนต์สันดาปภายใน หลังจากที่ลูกสูบอัดจนสุด; หากไม่มีชุดอุปกรณ์นี้ที่สร้างประกายไฟอย่างควบคุมได้ในหัวเทียน วงจรสี่จังหวะก็จะสมบูรณ์ไม่ได้ เส้นทางยาวนานกว่า 150 ปี ตั้งแต่เครื่องยนต์ของ Étienne Lenoir ในปี 1860 จนถึงชุด coil-on-plug ในยุคปัจจุบัน แท้จริงแล้วคือเรื่องราวการแก้ปัญหาเพียงข้อเดียว: การสร้างประกายไฟอย่างน่าเชื่อถือ ณ เวลาที่เหมาะสม ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอ

เครื่องยนต์ที่เกิดมาพร้อมปัญหาประกายไฟ: หัวเทียนยุคแรกและ Lenoir

เครื่องยนต์ลูกสูบสันดาปภายในตัวอย่างแรก ได้นำปัญหาการจุดชนวนมาพร้อมกันตั้งแต่ยังไม่ถือกำเนิดเสียอีก ในปี 1860 Étienne Lenoir ได้ใช้หัวเทียนไฟฟ้าในเครื่องยนต์แก๊สที่ใช้ชื่อของเขา และเขามักได้รับการยกย่องในฐานะผู้ประดิษฐ์หัวเทียน หลักการของระบบคล้ายกับปัจจุบันอย่างน่าประหลาดใจ: ไฟฟ้าแรงดันสูงกระโดดข้ามช่องว่างอากาศระหว่างขั้วไฟฟ้าของหัวเทียน ทำให้เกิดประกายไฟ แนวคิด spark-ignition ที่ใช้หัวเทียนไม่เคยเปลี่ยนเลย; หลักการทำงานพื้นฐานยังคงเหมือนเดิมมานานกว่า 150 ปี

บนเส้นทางสู่ความสมบูรณ์เชิงพาณิชย์ของหัวเทียน มีชื่อที่สองที่โดดเด่น: Frederick Richard Simms Simms เป็นเจ้าของสิทธิบัตรหมายเลข GB 24859/1898 เกี่ยวกับแมกเนโตสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน และได้รับการยกย่องในฐานะผู้ประดิษฐ์หัวเทียนแรงดันสูงตัวแรกที่ใช้งานได้จริงเชิงพาณิชย์ การที่เขาเริ่มความร่วมมือกับ Bosch ในปีเดียวกันนั้นไม่ใช่เรื่องบังเอิญ; การทำงานของหัวเทียนต้องการแหล่งจ่ายแรงดันสูงที่เชื่อถือได้คอยสนับสนุน และแหล่งนั้นจะพบได้ในแมกเนโต

การให้เกียรติผู้ประดิษฐ์หัวเทียนยังคงเป็นที่ถกเถียงจนถึงทุกวันนี้ แม้ว่า Lenoir จะเป็นชื่อที่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไป แต่ก็มีบันทึกที่ระบุว่าหัวเทียนไฟฟ้าถูกประดิษฐ์โดย Oliver Lodge; ชื่อของ Edmond Berger ก็ถูกกล่าวถึงเช่นกัน ส่วนต้นกำเนิดของระบบจุดชนวนแบบคาปาซิทีฟดิสชาร์จ (CDI) ย้อนกลับไปได้ถึงทศวรรษ 1890 ในผลงานของ Nikola Tesla เช่นเดียวกับในหลายสาขาของประวัติศาสตร์วิศวกรรม ที่นี่การกล่าวถึงการมีส่วนร่วมหลายอย่างที่เกื้อหนุนกันและกันนั้นถูกต้องกว่าการกล่าวถึงชื่อเดียว

ยุคแมกเนโต: ประกายไฟไร้แบตเตอรี่และการก้าวขึ้นของ Bosch

ในยุคแรกของรถยนต์ ระบบไฟฟ้าอย่างที่เราเข้าใจในปัจจุบันแทบไม่มีอยู่เลย; การพกแบตเตอรี่นั้นหนัก แพง และไม่น่าเชื่อถือ แมกเนโตเติมเต็มช่องว่างนี้: เนื่องจากผลิตไฟฟ้าจากการหมุนของตัวเอง จึงสามารถให้แรงดันประกายไฟได้โดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ Robert Bosch ผลิตอุปกรณ์จุดชนวนแมกเนโตชุดแรกสำหรับเครื่องยนต์นิ่งในปี 1887; ในปี 1897 การจุดระเบิดแบบแมกเนโตเริ่มถูกทดสอบบนยานพาหนะ และการผลิตแบบอนุกรมเริ่มต้นขึ้นในปี 1898 นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา Bosch ก็กลายเป็นผู้ผลิตรายเดียวที่เชื่อถือได้จริงในการจัดหาระบบจุดระเบิดแบบแมกเนโตให้กับยานยนต์

ก้าวกระโดดที่สำคัญมาถึงในปลายปี 1901 Gottlob Honold ผู้อำดิวรฝ่ายเทคนิคของ Bosch ได้พัฒนาแมกเนโตแรงดันสูงเครื่องแรกของโลกพร้อมหัวเทียนที่ใช้งานร่วมกันที่โรงงานในเมืองชตุทท์การ์ท คู่หูทั้งสองนี้ช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้แบตเตอรี่ของรถยนต์ และทำให้หัวเทียนกลายเป็นสิ่งที่ใช้งานได้จริงอย่างแท้จริง ราวปี 1902 Bosch เปิดตัวแมกเนโตแบบขดคู่ที่มีหัวเทียนแบบตายตัวและตัวตัดวงจรติดตั้งอยู่ภายนอกกระบอกสูบ ในช่วงปีก่อนหน้าปี 1914 แมกเนโตของ Bosch ครองความเป็นผู้กำหนดทิศทางในตลาด และสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นก็ได้กล่าวถึงการอภิปรายเลือกระหว่างแมกเนโตกับการจุดระเบิดแบบขดลวดอย่างละเอียด

แมกเนโตแรงดันสูงถูกนิยามว่าเป็นการผสมผสานระหว่างแมกเนโตและหม้อแปลงที่ส่งแรงดันสูงแบบพัลส์ไปยังหัวเทียน ปัจจุบันยังคงใช้งานเป็นหลักในเครื่องยนต์ที่ไม่มีแบตเตอรี่ เช่น เครื่องตัดหญ้า เลื่อยยนต์ และในเครื่องบินลูกสูบสมัยใหม่ การที่เทคโนโลยีหนึ่งถูกถอนตัวจากยานยนต์แต่ยังคงเป็นมาตรฐานในวงการบิน นับเป็นตัวชี้วัดที่ดีว่ามันถูกสร้างขึ้นบนรากฐานที่มั่นคงเพียงใด

ขดลวด Trembler: เส้นทางที่ Model T และ Benz เลือก

แมกเนโตไม่ใช่ทางเลือกเดียว Benz Patent-Motorwagen ปี 1886 และ Ford Model T ปี 1908 ใช้ระบบที่เรียกว่า trembler coil ในรูปแบบนี้ ขดลวดจะได้รับกระแสไฟฟ้าแบบถูกตัดขาดเป็นช่วงๆ ด้วยกลไกตัดวงจร จึงผลิตประกายไฟที่สั่นและไม่ต่อเนื่อง ใน Model T แต่ละกระบอกสูบทั้งสี่จะมีขดลวด trembler แยกกัน เป็นทางแก้ที่เรียบง่าย ซ่อมง่าย และทำงานด้วยแบตเตอรี่ได้ เมื่อมองย้อนไปยังยานพาหนะในยุคนั้น จะเห็นสองสำนักหลัก: ค่ายแมกเนโตไร้แบตเตอรี่ และค่ายขดลวด trembler คำตอบของคำถามว่าฝ่ายใดชนะ ได้รับการชี้ชัดจากพัฒนาการในส่วนถัดไป

ระบบ Kettering: เหตุใดผู้จ่ายไฟจึงเพียงพอเป็นเวลาครึ่งศตวรรษ?

Charles F. Kettering ได้พัฒนาระบบจุดระเบิดแบบแบตเตอรี่-ขดลวด หรือที่รู้จักกันในชื่อระบบ Delco ราวปี 1910 ระบบนี้ประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสี่ส่วน: ขดลวดจุดระเบิด หน้าสัมผัสตัดวงจร (breaker points) คอนเดนเซอร์ และผู้จ่ายไฟ ขดลวดเพียงตัวเดียวจะเพิ่มแรงดันต่ำให้เป็นแรงดันสูง แล้วแรงดันจะถูกส่งไปยังหัวเทียนที่ถูกต้องด้วยก้านโรเตอร์ภายในผู้จ่ายไฟ ระบบนี้ถูกเปิดตัวครั้งแรกบนรถยนต์ Cadillac ในปี 1912 แม้แหล่งข้อมูลจะระบุปีพัฒนาแตกต่างกันเป็น 1910, 1911 และ 1912 แต่การเปิดตัว Cadillac ปี 1912 คือหลักฐานทางประวัติศาสตร์ที่สอดคล้องกันที่สุด และยังสะท้อนถึงการใช้งานระบบแบบผู้จ่ายไฟครั้งแรกในปี 1912 ด้วย

เหตุผลที่ระบบ Kettering ได้รับชัยชนะไม่ใช่ความสง่างามทางวิศวกรรม แต่คือราคาถูกและความเรียบง่ายเชิงเปรียบเทียบ คุณสมบัติทั้งสองนี้ทำให้มันกลายเป็นระบบจุดระเบิดหลักของอุตสาหกรรมยานยนต์ไปอีกหลายปี เริ่มต้นจาก Cadillac Model Thirty ปี 1912 ระบบผู้จ่ายไฟแบบหน้าสัมผัสยังคงเป็นระบบหลักของรถยนต์ส่วนใหญ่จนถึงกลางทศวรรษ 1970

ข้อจำกัดของระบบก็ชัดเจนมาตั้งแต่ต้นแล้ว กลไกเชิงกลสามารถผลิตได้ประมาณ 10,000 โวลต์ ที่หัวเทียน ความยืดหยุ่นจำกัดภายใต้ภาระและรอบการทำงานที่เปลี่ยนแปลง จุดหน้าสัมผัสประสบกับการสึกหรอเชิงกล การออกซิไดซ์ และการไหม้เนื่องจากประกายไฟที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวสัมผัส ต้องปรับแต่งเป็นประจำและอาจนำไปสู่ประกายไฟที่ไม่มีประสิทธิภาพ กล่าวคือ ระบบทำงานได้ แต่ในเชิงวิศวกรรมมีเพดานที่ต่ำ - เพดานนี้เปิดประตูสู่การจุดระเบิดแบบอิเล็กทรอนิกส์

จากจุดหน้าสัมผัสสู่ทรานซิสเตอร์: การก้าวสู่การจุดระเบิดแบบอิเล็กทรอนิกส์

การเปลี่ยนผ่านเริ่มต้นเร็วกว่าที่คิด ความพยายามจุดระเบิดแบบอิเล็กทรอนิกส์ครั้งแรกในรูปแบบอุปกรณ์แคโทดเย็นถูกทดสอบโดย Delco-Remy ในปี 1948 Lucas เปิดตัวการจุดระเบิดแบบทรานซิสเตอร์ในปี 1955 และระบบนี้ถูกใช้ในเครื่องยนต์ Formula 1 ของ BRM และ Coventry Climax ในปี 1962 - เทคโนโลยีใหม่ตามครั้งเคราะห์ รั่วไหลออกจากสนามแข่งก่อนเสมอ การเดินทางสู่การผลิตแบบอนุกรมดำเนินไปดังนี้:

• 1963: Pontiac กลายเป็นผู้ผลิตรถยนต์รายแรกที่เสนอการจุดระเบิดแบบอิเล็กทรอนิกส์ (Delcotronic) เป็นออปชัน ในปีเดียวกัน Hyland Electronics ผลิตระบบจุดระเบิดแบบคาปาซิทีฟดิสชาร์จ SCR สถานะของแข็งแบบสมบูรณ์เชิงพาณิชย์รายแรก
• 1964-65: Ford ทำการทดสอบกับรถฟลีตและเริ่มเสนอการจุดระเบิดแบบอิเล็กทรอนิกส์เป็นออปชันในบางรุ่น ในฝั่งอาฟเตอร์มาร์เก็ต Prest-O-Lite CD-65 (รับประกัน 50,000 ไมล์) และ Delta Mark 10 ออกสู่ตลาด
• 1967-68: Motorola เปิดตัวระบบ CD แบบไม่มีหน้าสัมผัสสับ Fiat Dino กลายเป็นรถผลิตแบบอนุกรมรุ่นแรกที่มาพร้อมการจุดระเบิดแบบอิเล็กทรอนิกส์ในมาตรฐาน
• 1971-75: Jaguar XJ Series 1 ตามด้วย Chrysler, Ford และ GM ตามลำดับ ระบบ HEI ของ GM เปิดตัวในบางยานพาหนะปลายปี 1974

กลางทศวรรษ 1970 เมื่อจุดหน้าสัมผัสเริ่มถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์ แรงดันจุดระเบิดเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 20 kV - เป็นการเพิ่มเท่าตัวจากเพดาน 10,000 โวลต์ของระบบ Kettering ตัวดิสทริบิวเตอร์เองยังคงมีชีวิตอยู่ต่ออีกระยะหนึ่ง ยังคงทำหน้าที่จ่ายไฟต่อไป แต่ตอนนี้การจับเวลาถูกกำหนดโดยสมองอิเล็กทรอนิกส์ ไม่ใช่น้ำหนักกลไกอีกต่อไป ดิสทริบิวเตอร์ถูกแทนที่ด้วยระบบจุดระเบิดแบบอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนใหญ่ในทศวรรษ 1980 และ 1990 อุปกรณ์ควบคุมโดยคอมพิวเตอร์ให้การจับเวลาที่แม่นยำยิ่งขึ้นและต้องการการบำรุงรักษาน้อยลงมาก

การเกษียณของดิสทริบิวเตอร์: Coil-on-Plug และการจุดระเบิดโดยตรง

การล่มสลายของตรรกะการจ่ายไฟเริ่มต้นกลางทศวรรษ 1980 GM เริ่มยกเลิกดิสทริบิวเตอร์และคอยล์เดี่ยว แล้วเปลี่ยนไปใช้ชุดคอยล์หลายตัวที่แต่ละตัวจ่ายไฟให้สองสูบเท่านั้น ในการจัดวางนี้ แรงดันสามารถสูงถึง 100,000 โวลต์ รูปแบบที่จัดการสองสูบด้วยคอยล์เดียว ซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นประกายไฟที่สูญเปล่า (wasted spark) กลายเป็นหนึ่งในรูปแบบเชิงปฏิบัติแรกของการจุดระเบิดแบบไม่มีดิสทริบิวเตอร์ ระบบที่ใช้ชื่อ NDIS (Nissan Direct Ignition System) ของ Nissan ปรากฏครั้งแรกในเครื่องยนต์ RB20DET NICS และ CA18DE NICS ในปี 1985

ตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา ระบบ coil-on-plug ได้แพร่หลายมากขึ้น: มีคอยล์โดยตรงอยู่บนหัวเทียนแต่ละตัว สายไฟแรงสูงและโรเตอร์ดิสทริบิวเตอร์หายไปโดยสิ้นเชิง DENSO กำหนดภูมิทัศน์ฝาสูบของยุคนี้ด้วยการพัฒนาขดจุดระเบิดแบบแท่งขนาดกะทัดรัดแบบแรกของอุตสาหกรรมยานยนต์ในปี 1996 ส่วนในเครื่องยนต์สมัยใหม่ ECU ควบคุมฟังก์ชันต่าง ๆ ของเครื่องยนต์ทั้งการจุดระเบิดและการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงด้วยอุปกรณ์เดียว ซึ่งเป็นสถาปัตยกรรมที่ตรงข้ามกับระบบแยกส่วนในยุคก่อนหน้าโดยสิ้นเชิง การจุดระเบิดในปัจจุบันไม่ใช่ระบบย่อยที่เป็นอิสระอีกต่อไป แต่เป็นส่วนหนึ่งของการจัดการเครื่องยนต์

ระบบจุดระเบิดในปัจจุบันอยู่ที่ไหน? ขอบเขตและข้อถกเถียง

ข้อถกเถียงเรื่องหน้าสัมผัสกับอิเล็กทรอนิกส์ในวงการรถคลาสสิกยังคงมีชีวิตชีวาไม่แพ้กับคำถามว่าใครเป็นผู้ประดิษฐ์หัวเทียน ฝั่งเทคนิคชัดเจน: หน้าสัมผัสจุดระเบิดสึกหรอ ต้องปรับตั้ง และอาจผลิตประกายไฟที่ไม่มีประสิทธิภาพ ในทางกลับกัน เจ้าของรถคลาสสิกจำนวนมากเห็นว่า "การติดตั้งระบบจุดระเบิดอิเล็กทรอนิกส์ธรรมดาทับหน้าสัมผัสที่ดูแลรักษาดีอยู่แล้วไม่ให้ประโยชน์" และในทางปฏิบัติก็มีกรณีที่เป็นจริง รวมถึงความจริงที่ว่าต้นทุนการซ่อมแซมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อาจสูงกว่า เช่นเดียวกับความแตกต่างระหว่างแหล่งข้อมูลเกี่ยวกับปีที่พัฒนาระบบ Kettering ข้อคิดเห็นที่แตกต่างตรงนี้ก็เกิดจากบริบทการใช้งานมากกว่านิยามของการวัด: การใช้งานทั่วไปในชีวิตประจำวันกับความเป็นของแท้ระดับ concours คือความต้องการที่ต่างกัน

ด้านอนาคต การประเมินปี 2013 คาดการณ์ว่าการจุดระเบิดด้วยประกายไฟกับการจุดระเบิดด้วยแรงอัดจะยังคงครองตลาดต่อไปอีกระยะหนึ่ง เครื่องยนต์ HCCI (การจุดระเบิดด้วยแรงอัดแบบเนื้อเดียว) ทำงานด้วยเบนซินและสามารถสลับระหว่างสองโหมดการจุดระเบิดตามเงื่อนไขการขับขี่ พร้อมเพิ่มประสิทธิภาพเข้าใกล้ระดับดีเซล แต่สิ่งนี้ยังคงเป็นกรอบทฤษฎีเป็นส่วนใหญ่จนถึงทุกวันนี้ ส่วนในตลาดรถคลาสสิก ตัวจ่ายไฟสมัยใหม่ที่ใช้ไมโครโพรเซสเซอร์และมี Bluetooth อย่าง 123ignition ให้ความน่าเชื่อถือร่วมสมัยโดยยังคงรักษารูปลักษณ์แบบ Kettering ไว้ ซึ่งเป็นการประนีประนอมระหว่างสุนทรียศาสตร์ของอดีตกับอิเล็กทรอนิกส์ของปัจจุบัน

บทสรุป: ประกายไฟเดียวกัน สถาปัตยกรรมที่เปลี่ยนไป

เส้นทาง 160 ปีของเทคโนโลยีการจุดระเบิดสรุปได้ในสามตัวเลข: โวลต์ 10,000 ของระบบ Kettering, โวลต์ 20,000 ของการเปลี่ยนผ่านสู่อิเล็กทรอนิกส์ และโวลต์ 100,000 ของ coil-on-plug วัตถุประสงค์ไม่เคยเปลี่ยน สิ่งที่เปลี่ยนคือสถาปัตยกรรมที่สร้างและจับเวลาประกายไฟ ซึ่งวิวัฒนาการจากเชิงกลสู่แบบตัน เส้นทางจากแม่เหล็กสู่ตัวจ่ายไฟ และจากตัวจ่ายไฟสู่ขดต่อหัวเทียน คือฉบับย่อส่วนที่ตรงกันทุกประการของเรื่องราวโดยรวมของวิศวกรรมยานยนต์: ชิ้นส่วนที่สึกหรอน้อยลง การควบคุมที่มากขึ้น แรงดันที่สูงขึ้น

แหล่งข้อมูล

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905: จากเวิร์กช็อปแห่งแรกสู่โรงงาน
• Bosch Automotive - ประวัติศาสตร์ผลิตภัณฑ์
• อุปกรณ์จุดชนวนแมกเนโตของ Bosch ทำให้หัวเทียนเป็นไปได้อย่างไร
• วิวัฒนาการของระบบจุดชนวน
• DENSO เน้นย้ำวิวัฒนาการของขดลวดจุดชนวน
• จากหน้าสัมผัสสู่ความแม่นยำ: ศตวรรษแห่งระบบจุดชนวน
• ระบบจุดชนวนอิเล็กทรอนิกส์
• แมกเนโตหรือขดลวดจุดชนวนสำหรับยานยนต์
• Frederick Richard Simms
• Étienne Lenoir
• ทำความเข้าใจตัวจ่ายไฟจุดชนวนอิเล็กทรอนิกส์
• หน้าสัมผัสกับอิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์รุ่นเก่า