سیستم‌های جرقه‌زنی COP و جرقه‌ هرز (Wasted Spark) در خودروها

در خودروهای مجهز به موتورهای احتراق داخلی، سیستم جرقه‌زنی یکی از حیاتی‌ترین بخش‌ها برای عملکرد بهینه و بازدهی بالای موتور محسوب می‌شود. دو سیستم رایج و پرکاربرد در جرقه‌زنی خودروها عبارت‌اند از سیستم Coil-On-Plug یا COP و جرقه هرز (Wasted Spark). در این مقاله به صورت جامع و فنی به بررسی این دو سیستم، نحوه عملکرد، معایب، مزایا و تفاوت‌هایشان می‌پردازیم تا مکانیزم‌های آنها به خوبی برای علاقه‌مندان و مهندسین خودرو تبیین شود.

مقدمه‌ای بر سیستم‌های جرقه‌زنی در موتورهای احتراق داخلی

سیستم جرقه‌زنی مسئول ایجاد جرقه الکتریکی به منظور اشتعال مخلوط سوخت و هوا در سیلندرهای موتور است. کیفیت و زمان‌بندی جرقه تأثیر مستقیمی بر عملکرد موتور، مصرف سوخت، تولید آلاینده‌ها و کاهش لرزش‌ها دارد.

سیستم‌های قدیمی جرقه‌زنی از کویل مرکزی با دیستر استفاده می‌کردند اما به مرور زمان سیستم‌های الکترونیکی پیشرفته‌تر طراحی شده‌اند که از نظر دقت، بازده و سهولت نگهداری بسیار بهتر هستند. از جمله این سیستم‌ها می‌توان به سیستم COP و سیستم Wasted Spark اشاره کرد.

سیستم جرقه‌زنی Coil-On-Plug (COP)

تعریف و ساختار سیستم COP

سیستم Coil-On-Plug، به معنای "کویل روی شمع" است که در آن هر شمع احتراق، کویل اختصاصی خود را دارد و کویل مستقیماً بالای شمع نصب می‌شود. در این طراحی کابل‌های جرقه حذف شده و تعامل الکتریکی بین کویل و شمع به صورت مستقیم صورت می‌گیرد.

این ساختار اجازه می‌دهد که جرقه بدون اتلاف انرژی و با شدت و زمان‌بندی مناسب، به شمع برسد.

نحوه عملکرد سیستم COP

1. واحد کنترل موتور (ECU) بر اساس مکان و فشار موتور، زمان‌بندی جرقه را تعیین می‌کند.
2. ECU سیگنال کنترل را به هر کویل ارسال می‌کند که شامل جریان عبوری برای شارژ سیم‌پیچ اولیه است.
3. وقتی جریان قطع می‌شود، سیم‌پیچ ثانویه ولتاژ بالایی تولید می‌کند که منجر به ایجاد جرقه در شمع می‌شود.
4. هر کویل به صورت مستقل و همزمان با حرکت پیستون، جرقه را می‌زند.

مزایای سیستم COP

• افزایش راندمان جرقه‌زنی: با حذف کابل جرقه، افت ولتاژ کاهش می‌یابد.
• کاهش تداخلات الکترومغناطیسی: کابل‌های جرقه می‌توانند باعث ایجاد نویز شوند که در COP این مشکل تا حد زیادی حذف می‌شود.
• کاهش استهلاک و نگهداری آسان‌تر: عدم وجود کابل جرقه به کاهش خرابی‌ها منجر می‌شود.
• کنترل دقیق‌تر زمان‌بندی و شدت جرقه: هر کویل به صورت مجزا کنترل می‌شود.

معایب سیستم COP

• هزینه تولید و تعمیر بالا: وجود چندین کویل در خودرو باعث افزایش هزینه می‌شود.
• فضای بیشتر در موتور: نصب کویل روی شمع در برخی طراحی‌ها ممکن است محدودیت فضایی به وجود آورد.
• نیاز به عایق‌بندی مناسب: کویل‌ها در معرض حرارت و رطوبت هستند و نیازمند حفاظت ویژه می‌باشند.

سیستم جرقه‌زنی جرقه هرز (Wasted Spark)

تعریف و ساختار سیستم جرقه هرز

در سیستم جرقه هرز (Wasted Spark)، هر کویل جرقه‌زنی به صورت مشترک برای دو سیلندر که در دو ضربه همزمان کار می‌کنند، استفاده می‌شود. بدین معنی که در یک سیکل ۴ زمانه موتور، هر جرقه‌ای که باید به سیلندر کار (Power Stroke) زده شود، به سیلندر مقابل آن نیز به صورت اضافی (هرز) و بدون تأثیر اشتعال می‌زند.

به عنوان مثال، در موتوری ۴ سیلندر خطی، دو کویل وجود دارد که هر کویل دو شمع را به صورت موازی کنترل می‌کند. زمانی که کویل جرقه را ایجاد می‌کند، یکی از سیلندرها در ضربه فشرده‌سازی و آماده احتراق است و سیلندر مقابل آن در ضربه اگزوز قرار دارد و جرقه در آن اثری ندارد.

نحوه عملکرد سیستم Wasted Spark

1. سیگنال ECU بار شارژ سیم‌پیچ اولیه را کنترل می‌کند.
2. هر کویل به طور همزمان به دو شمع جرقه می‌زند، یکی در ضربه فشرده‌سازی و دیگری در ضربه اگزوز.
3. جرقه سیلندر اوّل باعث احتراق مخلوط سوخت و هوا می‌شود در حالی‌که جرقه سیلندر دوم به دلیل حضور در فاز اگزوز، تاثیری در احتراق ندارد.
4. این چرخه در هر دور موتور تکرار می‌شود.

مزایای سیستم Wasted Spark

• سادگی ساختار کویل‌ها: تعداد کویل کمتر و یکپارچگی بهتر.
• کاهش هزینه ساخت: نسبت به COP هزینه تولید هموارتر و کمتر است.
• افزایش عمر سیستم: در مقایسه با سیستم‌های تک کویلی مستقل، ممانعت از قطعی‌های ناگهانی.

معایب سیستم Wasted Spark

• مصرف انرژی بیشتر: کویل‌ها باید همزمان دو جرقه بزنند که باعث مصرف انرژی بیشتر می‌شود.
• احتمال سایش سریع‌تر شمع‌ها: جرقه بدون احتراق در سیلندر اگزوز ممکن است باعث تحمیل بار حرارتی بیشتری روی شمع شود.
• کاهش دقت در زمان‌بندی جرقه نسبت به COP: کنترل جرقه روی سیلندرهای دوگانه سخت‌تر است.

مقایسه فنی سیستم COP و Wasted Spark

ویژگی	سیستم COP	سیستم Wasted Spark
تعداد کویل	یک کویل برای هر شمع (مثلاً ۴ کویل برای ۴ سیلندر)	هر کویل برای دو شمع (نیم تعداد شمع‌ها)
وجود کابل جرقه	ندارد، کویل مستقیماً روی شمع است	کویل‌ها معمولا پایین شمع‌ها قرار دارند با کابل جرقه
راندمان جرقه	بالا، ولتاژ مستقیم و کنترل مستقل	کمی پایین‌تر به علت اشتراک کویل
هزینه تولید و تعمیر	بالاتر	پایین‌تر
تعمیر و نگهداری	ساده‌تر به علت مداخله کمتر کابل‌ها	ممکن است به علت حضور کابل‌ها بیشتر باشد
زمان بندی جرقه	کنترل بسیار دقیق به صورت مستقل برای هر شمع	کنترل جفت شمع‌ها همزمان، دقت کمتر
تأثیر بر عمر شمع	طول عمر بیشتر	کاهش عمر به علت جرقه هرز

مثال‌های کاربردی در خودروهای مختلف

سیستم COP در خودروهای مدرن

برندهایی نظیر ب‌ام‌و، مرسدس بنز و تویوتا در خودروهای نسل جدید خود از سیستم COP استفاده می‌کنند. این سیستم به علت دقت بالای کنترل ECU و بهینه‌سازی مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌ها به کار گرفته می‌شود.

برای مثال در موتور ۴ سیلندر خطی تویوتا تویوتا کمری ۲۰۱۸، هر سیلندر مجهز به کویل اختصاصی COP است که مستقیماً روی شمع نصب شده است. این طراحی موجب بهبود بازده احتراق و کاهش لرزش موتور شده است.

سیستم Wasted Spark در خودروهای اقتصادی

خودروهای اقتصادی مانند برخی مدل‌های هیوندای و کیا از سیستم جرقه هرز استفاده می‌کنند. این سیستم به علت هزینه پایین‌تر برای خودروهای مقرون به صرفه مناسب است. برای نمونه، موتور ۴ سیلندر خطی در هیوندای اکسنت ۲۰۱۶ از این سیستم بهره می‌برد.

چالش‌ها و مشکلات متداول در سیستم‌های COP و Wasted Spark

مشکلات رایج در سیستم COP

• خرابی کویل به علت حرارت بالا و وجود رطوبت.
• اتصالی بر اثر خرابی عایق کویل.
• خطاهای الکترونیکی در ECU که منجر به جرقه‌زنی نامناسب می‌شود.

مشکلات رایج در سیستم Wasted Spark

• سایش شمع‌ها سریع‌تر به علت جرقه هرز.
• خطاهای دوبل یا ایجاد اشتباه در ECU در زمان‌بندی جرقه.
• مشکلات کابل جرقه و اتصالات مرتبط.

نتیجه‌گیری

سیستم‌های Coil-On-Plug (COP) و Wasted Spark هرکدام کاربردها، مزایا و معایب خاص خود را دارند. سیستم COP به عنوان نسل جدیدتر، دقت و بازده بالاتری ارائه می‌دهد و در خودروهای مدرن به کار گرفته می‌شود؛ اما هزینه ساخت و تعمیر آن بالاتر است. در مقابل، سیستم جرقه هرز به علت پیچیدگی کمتر و هزینه پایین‌تر همچنان در خودروهای اقتصادی و بعضی موتورهای سنتی کاربرد دارد.

انتخاب سیستم مناسب بستگی به طراحی موتور، بودجه تولید، استانداردهای آلایندگی و نیازهای بازاریابی خودرو دارد. مهندسین خودرو باید با توجه به این فاکتورها سیستم جرقه‌زنی مطلوب را طراحی یا انتخاب نمایند.

منابع و مراجع

• Bosch, "Automotive Handbook", 10th Edition, 2018.
• Heywood, J.B., "Internal Combustion Engine Fundamentals", McGraw-Hill, 1988.
• بارزگر، علی، "مکانیزم‌های پیشرفته سیستم احتراق در موتورهای چهارزمانه"، انتشارات دانشگاه تهران، ۱۳۹۵.
• مجله فنی خودرو، شماره ۱۲۳، "تحلیل سیستم‌های جرقه‌زنی مدرن"، ۱۴۰۰.