اشتعال ناتج عن تفريغ المكثف

يعود تاريخ نظام الإشعال بتفريغ المكثف إلى تسعينيات القرن التاسع عشر، حيث يُعتقد أن نيكولا تيسلا كان أول من اقترح هذا النظام. في براءة الاختراع الأمريكية رقم 609250، المُقدمة لأول مرة في 17 فبراير 1897، كتب تيسلا: "يتم استخدام أي جزء متحرك مناسب من الجهاز للتحكم ميكانيكيًا في شحن المكثف وتفريغه عبر دائرة كهربائية مرتبطة حثيًا بدائرة ثانوية تؤدي إلى الأطراف التي سيحدث بينها التفريغ، بحيث يتم تفريغ المكثف عبر دائرته في الفترات الزمنية المطلوبة، مما يُحفز في الدائرة الأخرى تيارًا عالي الجهد يُنتج التفريغ المطلوب". كما تصف براءة الاختراع، بشكل عام مدعوم برسم توضيحي، وسيلة ميكانيكية لتحقيق هذا الغرض.

اخترع نظام الإشعال الإلكتروني (CDI) في الأصل لسيارة السباق ذات الست أسطوانات لهنري فورد عام 1905، وبدأ استخدامه في الإنتاج التجاري عام 1906 كتجهيز قياسي في سيارة فورد موديل K. استخدمت موديل K نظامي إشعال، أحدهما هو نظام هولي-هاف المغناطيسي، أو نظام هاف، الذي أنتجته شركة هولي براذرز. صممه إدوارد إس. هاف، وحصل على براءة اختراع أمريكية رقم 882003 بتاريخ 1 يوليو 1905، ونُسبت إلى هنري فورد. يعتمد النظام على مولد تيار مستمر يعمل بمحرك السيارة، يقوم بشحن مكثف ثم تفريغه عبر الملف الابتدائي لملف الإشعال. يصف مقتطف من مجلة "موتورواي" بتاريخ 11 يناير 1906 استخدامه في سيارات فورد ذات الست أسطوانات: "تتجلى كفاءة نظام فورد المغناطيسي في أن السيارة تكتسب سرعة بمجرد تشغيله، ودون تغيير وضع ذراع التحكم في الإشعال، تزيد سرعتها بمقدار عشرة أميال في الساعة على الأقل."

كانت شركة روبرت بوش رائدة في مجال أنظمة الإشعال الإلكترونية الأولى. (يُنسب إلى بوش أيضًا اختراع المغناطيس عالي الجهد ). خلال الحرب العالمية الثانية، زودت بوش بعض الطائرات المقاتلة ذات المحركات المكبسية بأنظمة إشعال إلكترونية من نوع الثايراترون (الأنبوبي). بفضل نظام الإشعال الإلكتروني، لم يعد محرك الطائرة بحاجة إلى فترة تسخين لضمان إشعال موثوق، مما مكّن الطائرة المقاتلة من الإقلاع بسرعة أكبر. استخدم هذا النظام الألماني المبكر محول تيار مستمر دوارًا مع دوائر أنبوبية هشة، ولم يكن مناسبًا للاستخدام في الطائرات المقاتلة، حيث كانت الأعطال تحدث في غضون ساعات قليلة. بدأ البحث الجاد عن وسيلة إلكترونية موثوقة لإنتاج نظام إشعال إلكتروني خلال خمسينيات القرن العشرين. في منتصف الخمسينيات، عمل معهد البحوث الهندسية بجامعة ميشيغان بالتعاون مع شركة كرايسلر في الولايات المتحدة على إيجاد طريقة لإنتاج حل عملي.

لم ينجحوا، لكنهم قدموا بيانات قيّمة حول مزايا هذا النظام، في حال تم بناؤه. وتتمثل هذه المزايا في سرعة ارتفاع الجهد اللازمة لإشعال شمعات الإشعال المتسخة أو المبللة ، والطاقة العالية في جميع نطاقات سرعة دوران المحرك، مما يؤدي إلى بدء تشغيل أفضل، وقوة أكبر ، واقتصاد في استهلاك الوقود، وانخفاض الانبعاثات . وقد قام عدد قليل من المهندسين والعلماء والهواة ببناء أنظمة إشعال تعمل بالتيار المضغوط خلال خمسينيات القرن الماضي باستخدام الثايراترونات . ومع ذلك، لم تكن الثايراترونات مناسبة للاستخدام في السيارات لسببين: أولهما أنها تتطلب فترة تسخين مزعجة، وثانيهما أنها عرضة للاهتزازات التي تقلل بشكل كبير من عمرها الافتراضي. ففي تطبيقات السيارات، كان نظام الإشعال بالتيار المضغوط يعمل بالتيار المضغوط ويتعطل في غضون أسابيع أو أشهر. وقد جعلت عدم موثوقية أنظمة الإشعال بالتيار المضغوط المبكرة هذه الأنظمة غير مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة، على الرغم من فوائدها قصيرة الأجل. قامت شركة واحدة على الأقل، وهي شركة تونغ-سول (المصنّعة لأنابيب التفريغ)، بتسويق نظام إشعال ثايراترون CD، طراز تونغ-سول EI-4، عام 1962، ولكنه كان باهظ الثمن. ورغم عيوب أنظمة إشعال ثايراترون CD، إلا أن تحسين الإشعال الذي توفره جعله إضافة قيّمة لبعض السائقين. وفي سيارة NSU Spider التي تعمل بمحرك وانكل عام 1964، أعادت بوش إحياء طريقة الثايراترون الخاصة بها لنظام إشعال CD، واستخدمتها حتى عام 1966 على الأقل. وقد عانى هذا النظام من نفس مشاكل الموثوقية التي عانى منها نظام تونغ-سول EI-4.

كان مقوم السيليكون المتحكم به ( SCR)، أو الثايرستور، الذي تم اختراعه في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، هو الذي حل محل الثايراترون المُسبب للمشاكل، ومهد الطريق لنظام إشعال إلكتروني موثوق به. ويعود الفضل في ذلك إلى بيل غوتزويلر وفريقه في شركة جنرال إلكتريك . تميز مقوم السيليكون المتحكم به (SCR) بمتانته وعمره الطويل، ولكنه كان عرضة لنبضات تشغيل غير مرغوب فيها تُؤدي إلى تشغيله. في المحاولات الأولى لاستخدام مقومات السيليكون المتحكم بها (SCR) في أنظمة الإشعال الإلكتروني، كانت نبضات التشغيل غير المرغوب فيها ناتجة عن تداخل كهربائي، ولكن تبين أن السبب الرئيسي هو "ارتداد نقاط التلامس". يُعد ارتداد نقاط التلامس سمة من سمات نظام الإشعال بنقاط التلامس. في النظام القياسي الذي يتكون من نقاط تلامس ، وموزع ، وملف إشعال ، ونظام إشعال (نظام كيتيرينغ)، يمنع ارتداد نقاط التلامس الملف من التشبع الكامل مع زيادة عدد دورات المحرك في الدقيقة ، مما ينتج عنه شرارة ضعيفة، وبالتالي يحد من إمكانية الوصول إلى سرعات عالية. في نظام الإشعال الإلكتروني، على الأقل في المحاولات الأولى، تسبب ارتداد نقاط التلامس في توليد نبضات تحفيز غير مرغوب فيها للثايرستور، مما أدى إلى سلسلة من الشرارات الضعيفة غير المتزامنة التي تسببت في خلل كبير في الإشعال. كان هناك حلان محتملان لهذه المشكلة. الأول هو تطوير وسيلة أخرى لتحفيز تفريغ المكثف بتفريغ واحد لكل شوط طاقة عن طريق استبدال نقاط التلامس بشيء آخر. يمكن القيام بذلك مغناطيسيًا أو بصريًا، لكن ذلك سيتطلب المزيد من الإلكترونيات وموزعًا باهظ الثمن. أما الخيار الآخر فكان الإبقاء على نقاط التلامس، لأنها كانت قيد الاستخدام وموثوقة، وإيجاد طريقة للتغلب على مشكلة "ارتداد نقاط التلامس". وقد تحقق ذلك في أبريل 1962 على يد ضابط كندي في سلاح الجو الملكي الكندي ، إف إل وينتربيرن، أثناء عمله في قبو منزله في أوتاوا ، أونتاريو . استخدم التصميم طريقة غير مكلفة تتعرف فقط على الفتحة الأولى لنقاط التلامس وتتجاهل الفتحات اللاحقة عند ارتدادها.

تأسست شركة "هايلاند إلكترونيكس" في أوتاوا مطلع عام 1963، لتصنيع أنظمة إشعال تعمل بتقنية المكثفات المدمجة (CD) باستخدام تصميم "وينتربيرن". يتميز مكثف التفريغ في نظام الإشعال هذا بقدرته على توليد شرارة قوية تفوق قوة شرارة نظام "كيترينج" بأكثر من أربعة أضعاف، وذلك باستخدام نفس الملف، مع ميزة إضافية تتمثل في إمكانية الحفاظ على طاقة الشرارة عند سرعات دوران عالية، على عكس نظام "كيترينج". يستهلك نظام "هايلاند" أربعة أمبيرات فقط عند 5000 دورة في الدقيقة (للمحركات ذات 8 أسطوانات) أو 10000 دورة في الدقيقة (للمحركات ذات 4 أسطوانات). أظهرت اختبارات الدينامومتر خلال عامي 1963 و1964 زيادة في القدرة الحصانية لا تقل عن 5% مع هذا النظام، بينما بلغت النسبة المعتادة 10%. فعلى سبيل المثال، شهدت سيارة فورد فالكون زيادة في القدرة الحصانية بنسبة 17%. كما زاد عمر شمعات الإشعال إلى 50000 ميل على الأقل، وزاد عمر نقاط التلامس بشكل كبير من 8000 ميل إلى 60000 ميل على الأقل. أصبح عمر نقاط التلامس عاملاً مرتبطاً بتآكل كتلة الاحتكاك (متابع الكامة) ودورة حياة الزنبرك، حيث يدوم بعضها لما يقرب من 100000 ميل.

كانت وحدة هايلاند تتحمل فجوات نقاط التلامس المتفاوتة. ويمكن إعادة النظام إلى نظام الإشعال القياسي بالتفريغ الحثي عن طريق تبديل سلكين. وكان نظام إشعال هايلاند بالتفريغ الحثي أول نظام إشعال بالتفريغ الحثي يعمل بالحالة الصلبة يُنتج تجاريًا، وبيعت بسعر 39.95 دولارًا كنديًا. تقدمت شركة وينتربيرن بطلبات براءات الاختراع في 23 سبتمبر 1963 (براءة الاختراع الأمريكية رقم 3,564,581). سُرّب التصميم إلى الولايات المتحدة في صيف عام 1963 عندما عرضت هايلاند التصميم على شركة أمريكية في محاولة لتوسيع مبيعاتها. بعد ذلك، بدأت العديد من الشركات في تصنيع أنظمة مماثلة خلال الستينيات والسبعينيات دون ترخيص. وكانت بعض هذه الأنظمة نسخًا مباشرة من دائرة وينتربيرن. في عام 1971، اشترت شركة بوش حقوق براءات الاختراع الأوروبية (الألمانية والفرنسية والبريطانية) من وينتربيرن.

نشرت مجلة "وايرلس وورلد" البريطانية في يناير 1970 وصفًا تفصيليًا لنظام إشعال بتفريغ المكثف، كمشروع هواية إلكترونية من تصميم آر إم مارستون. كانت دائرة هذا النظام مشابهة لبراءة اختراع وينتربيرن، حيث استخدمت مذبذبًا يعمل بنظام الدفع والسحب مع تحويل وضع التبديل لنقل الطاقة إلى مكثف تخزين وتفريغ، وقواطع تلامس تقليدية لبدء تشغيل الثايرستور الذي يُحفز تفريغ مكثف التفريغ المشحون. وقد ذُكر أن هذا النظام يُقدم العديد من المزايا مقارنةً بالإشعال التقليدي، من بينها: احتراق أفضل، وسهولة التشغيل حتى في درجات حرارة تحت الصفر، ومقاومة ارتداد نقاط التلامس، وتوفير في استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 2% و5%. وتناولت رسائل لاحقة إلى مجلة "وايرلس وورلد" (مارس ومايو 1970)، مع ردود السيد مارستون، جوانب أخرى من التصميم والبناء. وفي يوليو 1971، أجرى السيد إيه بي هاريس، الطالب الجامعي في جامعة سيتي بلندن، تحليلًا هندسيًا كهربائيًا مفصلًا لتصميم مارستون، بالإضافة إلى تجارب قياس على محركات السيارات للتحقق من كفاءة استهلاك الوقود. وقد أكدت هذه التجارب فوائد نظام الإشعال بتفريغ المكثف. ومع ذلك، وجد أن العنصر الأساسي لتصميم القرص المضغوط يعتمد على اللف اليدوي الدقيق لمحول وضع التبديل والاختيار المناسب لترانزستورات المذبذب واختيار تردد المذبذب.

لأسباب مختلفة، ربما يكون معظمها التكلفة، يبدو أن غالبية أنظمة الإشعال المتوفرة حاليًا في السوق هي من نوع التفريغ الحثي، على الرغم من أنه في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي كانت مجموعة متنوعة من وحدات التفريغ السعوي متاحة بسهولة، بعضها يحتفظ بالنقاط بينما يوفر البعض الآخر نوعًا بديلًا من مستشعر التوقيت.

تتكون وحدة الإشعال الإلكتروني (CDI) النموذجية من محول صغير ، ودائرة شحن، ودائرة تشغيل، ومكثف رئيسي . في البداية، يتم رفع جهد النظام إلى ما بين 250 و600 فولت بواسطة مصدر طاقة داخل وحدة CDI. بعد ذلك، يتدفق التيار الكهربائي إلى دائرة الشحن لشحن المكثف. ويمنع المقوم الموجود داخل دائرة الشحن تفريغ المكثف قبل لحظة الإشعال. عندما تتلقى دائرة التشغيل إشارة التشغيل، توقف دائرة الشحن، مما يسمح للمكثف بتفريغ حمولته بسرعة إلى ملف الإشعال ذي الحث المنخفض. في نظام الإشعال الإلكتروني (CD)، يعمل ملف الإشعال كمحول نبضي بدلاً من كونه وسيطًا لتخزين الطاقة كما هو الحال في النظام الحثي. يعتمد جهد الخرج إلى شمعات الإشعال بشكل كبير على تصميم نظام الإشعال الإلكتروني (CD). قد تؤدي الفولتية التي تتجاوز قدرة عزل مكونات الإشعال الحالية إلى تلفها المبكر. تُصمم معظم أنظمة الإشعال الإلكتروني (CD) لتوفير فولتية خرج عالية جدًا، ولكن هذا ليس مفيدًا دائمًا. عندما لا توجد إشارة تشغيل، يتم إعادة توصيل دائرة الشحن لشحن المكثف.

تعتمد كمية الطاقة التي يمكن لنظام الإشعال الإلكتروني (CDI) تخزينها لتوليد الشرارة على جهد وسعة المكثفات المستخدمة، ولكنها عادةً ما تكون حوالي 50 مللي جول أو أكثر. أما نظام الإشعال القياسي (النقاط/الملف/الموزع)، والذي يُسمى بشكل أدق نظام الإشعال بالتفريغ الحثي أو نظام كيتيرينغ ، فيُنتج 25 مللي جول عند السرعات المنخفضة، ثم تنخفض طاقته بسرعة مع زيادة السرعة.

أحد العوامل التي غالبًا ما تُغفل عند مناقشة طاقة شرارة نظام الإشعال الإلكتروني (CDI) هو الطاقة الفعلية المُزوَّدة لفجوة الشرارة مقابل الطاقة المُطبَّقة على الجانب الابتدائي للملف. على سبيل المثال، قد يحتوي ملف الإشعال النموذجي على مقاومة ملف ثانوي تبلغ 4000 أوم وتيار ثانوي يبلغ 400 مللي أمبير. بمجرد حدوث الشرارة، ينخفض ​​الجهد عبر فجوة الشرارة في المحرك أثناء التشغيل إلى قيمة منخفضة نسبيًا، تتراوح بين 1500 و2000 فولت. هذا، بالإضافة إلى حقيقة أن تيار الملف الثانوي البالغ 400 مللي أمبير يفقد حوالي 1600 فولت عبر مقاومة الملف الثانوي البالغة 4000 أوم، يعني أن 50% من الطاقة تُفقد في تسخين الملف الثانوي. تُظهر القياسات الفعلية أن الكفاءة الفعلية تتراوح بين 35 و38% فقط عند احتساب خسائر الملف الابتدائي.

تنقسم معظم وحدات CDI عموماً إلى نوعين:

AC-CDI

تستمد وحدة AC-CDI مصدر طاقتها الكهربائية حصراً من التيار المتردد الناتج عن المولد . ويُعد نظام AC-CDI أبسط أنظمة CDI وأكثرها شيوعاً في المحركات الصغيرة.

DC-CDI

يتم تزويد وحدة DC-CDI بالطاقة من البطارية، ولذلك تتضمن دائرة عاكس تيار مستمر/متردد إضافية لرفع جهد 12 فولت تيار مستمر إلى 400-600 فولت تيار مستمر، مما يجعل حجم وحدة CDI أكبر قليلاً. مع ذلك، تتميز المركبات التي تستخدم أنظمة DC-CDI بتوقيت إشعال أكثر دقة، كما يسهل تشغيل المحرك عندما يكون باردًا.