کنترل زمانبندی جرقه و زاویه داول (Dwell) در سیستمهای احتراق خودرو
در سیستمهای احتراق خودرو، کنترل دقیق زمانبندی جرقه و زاویه داول (Dwell) نقش بسیار حیاتی در بهبود عملکرد موتور، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی دارد. این مقاله به بررسی جامع مفاهیم، اهمیت و روشهای کنترل زمانبندی جرقه و زاویه داول در سیستمهای مختلف احتراق میپردازد و نکات فنی و کاربردی مرتبط را ارائه میدهد.
مقدمهای بر سیستم احتراق خودرو
سیستم احتراق خودرو وظیفه ایجاد جرقه الکتریکی در فاصله مناسب زمانی داخل سیلندر را بر عهده دارد تا مخلوط سوخت و هوا مشتعل شده و فرآیند احتراق به شکلی بهینه صورت پذیرد. دو پارامتر کلیدی در این سیستم عبارتند از:
- زمانبندی جرقه (Ignition Timing): زمان دقیق ایجاد جرقه نسبت به حرکت میللنگ.
- زاویه داول (Dwell Angle): مدت زمان یا زاویه دوران که کلید یا ترانزیستور کویل فعال میماند تا سیمپیچ کویل شارژ شود.
فلسفه کنترل زمانبندی جرقه
زمانبندی جرقه به معنی زمان دقیق اشتعال مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق است که باید به گونهای تنظیم شود که موتور بیشترین توان، کمترین مصرف سوخت و کمترین آلایندگی را داشته باشد.
تعریف و اندازهگیری زمانبندی جرقه
زمانبندی جرقه معمولاً برحسب درجه موتور قبل از نقطه مرگ بالا (BTDC - Before Top Dead Center) بیان میشود. برای مثال، 10 درجه BTDC یعنی جرقه 10 درجه قبل از رسیدن پیستون به بالاترین نقطه حرکت خود زده میشود.
تأثیر زمانبندی جرقه بر عملکرد موتور
اگر جرقه خیلی زود زده شود (اصطلاحاً پیشاحتراق بیش از حد) موتور دچار کاکینگ و تنشهای مکانیکی میگردد. اگر دیر باشد، احتراق ناقص بوده و قدرت موتور کاهش مییابد و مصرف سوخت بالا میرود. بنابراین کنترل زمانبندی دقیق و تطبیق آن با سرعت موتور، بار و شرایط کاری بسیار حیاتی است.
روشهای کنترل زمانبندی جرقه
- کنترل مکانیکی: استفاده از وزنههای گریز از مرکز در دلکو برای تغییر زاویه روتور بدنه نسبت به میللنگ متناسب با سرعت موتور.
- کنترل وکیوم: اعمال فشار وکیوم به دلکو برای تغییر زمانبندی بر اساس بار موتور.
- کنترل الکترونیکی: سیستمهای ECU با پردازش سیگنالهای حسگرهای موقعیت میللنگ (CMP) و سرعت (RPM) زمانبندی بهینه را محاسبه و اعمال میکنند.
زاویه داول (Dwell Angle) چیست؟
زاویه داول یا مدت زمان داول، به مقدار زاویه دوران میللنگ گفته میشود که در آن کلید مدار کویل در وضعیت بستن قرار دارد و جریان الکتریکی به سیمپیچ اولیه کویل دسترسی دارد تا انرژی مغناطیسی در آن ذخیره شود.
نقش زاویه داول در عملکرد کویل احتراق
در سیستمهای احتراق القایی، ولتاژ بالا توسط تغییر سریع میدان مغناطیسی در کویل ایجاد میشود. برای رسیدن به ولتاژ بالا، سیمپیچ اولیه کویل باید به مدت کافی شارژ شود. اگر زاویه داول خیلی کم باشد، شارژ کویل ناقص شده و جرقه ضعیف میشود. اگر زاویه داول زیاد باشد، ممکن است به دلیل گرمای زیاد کلید یا ترانزیستور، آسیب به قطعات الکترونیکی وارد شود.
پارامترهای مؤثر بر زاویه داول
- سرعت موتور: با افزایش سرعت موتور، زاویه داول کاهش مییابد زیرا زمان دوران هر چرخه کمتر میشود.
- پیکربندی کویل: نوع و مقاومت سیمپیچ اولیه تاثیر بر زمان شارژ دارد.
- نوع سیستم احتراق: سیستمهای بینایی با استفاده از ترانزیستورها و سیستمهای قدیمی با کنداکتور مکانیکی زاویه داول متغیر دارند.
روشهای اندازهگیری و تنظیم زاویه داول
در سیستمهای خودرو، زاویه داول معمولاً به صورت درصد یا درجه دوران میللنگ بیان میشود که در بازه استاندارد (مثلاً 20 تا 55 درجه) تنظیم میشود. برای اندازهگیری آن از ابزارهای تخصصی یا اسکوپ دیجیتال همراه با سنسورهای نوری یا مغناطیسی استفاده میشود.
نمونهای از محاسبه زاویه داول
فرض کنید موتور با دور 3000 RPM در حال کار است. زمان کل یک دور میللنگ برابر است با:
T = 60 / N = 60/3000 = 0.02 ثانیه
اگر زاویه داول برابر 30 درجه باشد، زمان داول برابر است با:
t_dwell = (30/360) × 0.02 = 0.00167 ثانیه (1.67 میلیثانیه)
بهینهسازی کنترل زمانبندی جرقه و زاویه داول
به منظور افزایش عملکرد موتور و کاهش عیوب احتراق باید زمانبندی جرقه و زاویه داول به صورت هماهنگ و دقیق با شرایط کاری تنظیم شوند. در ادامه به برخی روشهای بهینهسازی اشاره میشود:
استفاده از ECU (واحد کنترل الکترونیکی)
در سیستمهای پیشرفته، ECU با دریافت اطلاعات از حسگرهای مختلف نظیر سنسور موقعیت میللنگ، سنسور فشار منیفولد، دمای هوا و موتور، به طور لحظهای زمانبندی جرقه و زاویه داول را تنظیم میکند. به عنوان مثال، در شرایط بار کم و سرعت بالا زاویه جرقه تنظیم میشود تا احتراق بهینه گردد.
پایش و تنظیم زاویه داول با سنسورهای الکترونیکی
در سیستمهای جدید، زاویه داول توسط ECU کنترل میشود تا جریان بیش از حد به کلید ترانزیستور نرسد و از آسیب جلوگیری شود. مثلاً اگر مقاومت کویل دچار تغییر شود، ECU میتواند زمان داول را جبران کند.
کنترلهای تطبیقی و فازی
الگوریتمهای پیشرفته مانند کنترل تطبیقی یا کنترل فازی میتوانند پاسخ دینامیکی به نوسانات بار، دما و کیفیت سوخت داشته باشند و تنظیمات زمانبندی و داول را بهینه کنند.
تأثیر نواقص در زمانبندی جرقه و زاویه داول
هرگونه ناهماهنگی در کنترل این دو پارامتر میتواند عواقب زیادی در پی داشته باشد:
مشکلات ناشی از زمانبندی نادرست جرقه
- کوبش (Knock) و ارتعاشات شدید موتور
- کاهش کارایی و افزایش مصرف سوخت
- افزایش آلایندههای خروجی مانند NOx
مشکلات ناشی از زاویه داول نامناسب
- ضعف جرقه و احتراق ناقص
- گرمای بیش از حد و آسیب به کلید یا ترانزیستور کویل
- افزایش ناپایداری عملکرد سیستم احتراق و استارت نابهنگام
مثال عملی: بررسی سیستم احتراق خودرو پژو 405
در خودرو پژو 405 که از سیستم اشتعال بینیاز از دلکو استفاده میکند، تنظیم زمانبندی جرقه توسط ECU بر اساس سیگنالهای حسگر میللنگ و میل سوپاپ انجام میشود. زاویه داول نیز به شکلی برنامهریزی شده که جریان به کویل به میزان بهینه برسد. معمولاً زاویه داول در بازه 30 تا 40 درجه تنظیم میشود که باعث ایجاد جرقه با انرژی بالا و احتراق کامل میگردد.
نتیجهگیری
کنترل دقیق زمانبندی جرقه و زاویه داول از مولفههای کلیدی در بهبود بهرهوری و عملکرد سیستمهای احتراق خودرو است. با استفاده از روشهای مکانیکی، وکیومی و به ویژه الکترونیکی میتوان این پارامترها را متناسب با شرایط کاری تغییر داد.
پیادهسازی تکنولوژیهای نوین مانند ECU با الگوریتمهای هوشمند، امکان تنظیم دقیق این دو پارامتر کلیدی را فراهم کرده و در نتیجه مصرف سوخت را کاهش، قدرت موتور را بهینه و عمر مفید قطعات را افزایش میدهد.
در نهایت، آگاهی و نگهداری صحیح سیستم احتراق و تنظیم دقیق زمانبندی جرقه و زاویه داول نقش مهمی در جلوگیری از مشکلات عملکردی و افزایش طول عمر موتور دارند.