تاریخچه کوئل های احتراق
اگرچه سیستم‌های احتراق مطمئناً در طول زمان تکامل یافته‌اند، به‌ویژه توسط علم روز افزون الکترونیک، اما آنها هنوز دارای نشانه‌های بارز از سیم پیچ اولیه در سیستم‌های احتراق هستند که بیش از 100 سال پیش معرفی شدند.
اولین سیستم جرقه زنی کوئل مبتنی بر سیم پیچ به مخترع آمریکایی چارلز کترینگ نسبت داده می شود که در حدود سال های 1910/1911 یک سیستم جرقه زنی سیم پیچ را برای یک تولید کننده بزرگ خودرو توسعه داد. او برای اولین بار یک سیستم الکتریکی ابداع کرد که موتور استارت و احتراق را همزمان تامین می کرد. باتری، یک ژنراتور و یک سیستم الکتریکی کامل تر خودرو، منبع الکتریکی نسبتاً پایداری را برای کوئل خودرو فراهم می کند.
سیستم کترینگ از یک سیم پیچ احتراق برای تولید ولتاژ بالا استفاده می کرد که به بازوی روتور منتقل می شد که به طور موثر ولتاژ را به یک سری از کنتاکت های الکتریکی واقع در مجموعه توزیع کننده (یک کنتاکت برای هر سیلندر) هدایت می کرد. سپس این کنتاکت‌ها توسط سیم‌های شمع به ترتیبی به شمع‌ها متصل شدند که توزیع ولتاژ بالا به شمع‌ها را به ترتیب صحیح شلیک سیلندر ممکن می‌سازد.
سیستم جرقه زنی کترینگ عملاً تنها نوع سیستم جرقه زنی برای خودروهای بنزینی تولید انبوه شد و تا زمانی که سیستم های جرقه زنی الکترونیکی با سوئیچ و کنترل شده شروع به جایگزینی سیستم های جرقه زنی مکانیکی در دهه های 1970 و 1980 کردند، همینطور باقی ماند.
اصل اساسی یک کویل احتراق
برای تولید ولتاژهای بالا مورد نیاز، کویل های احتراق از روابطی که بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد استفاده می کنند.
هنگامی که جریان الکتریکی از یک هادی الکتریکی مانند سیم پیچی عبور می کند، میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ ایجاد می کند میدان مغناطیسی (یا به طور دقیق تر، شار مغناطیسی) به طور موثر ذخیره انرژی است که می تواند دوباره به الکتریسیته تبدیل شود.
هنگامی که جریان الکتریکی در ابتدا روشن می شود، جریان به سرعت به حداکثر مقدار خود افزایش می یابد. به طور همزمان، میدان مغناطیسی یا شار به تدریج به حداکثر قدرت خود می رسد و زمانی که جریان الکتریکی پایدار است، پایدار می شود. هنگامی که جریان الکتریکی خاموش می شود، میدان مغناطیسی دوباره به سمت سیم پیچ سیم فرو می ریزد.
دو عامل اصلی بر قدرت میدان مغناطیسی تأثیر می گذارد:
1) افزایش جریان اعمال شده به سیم پیچ باعث تقویت میدان مغناطیسی می شود
2) هر چه تعداد سیم پیچ ها در سیم پیچ بیشتر باشد، میدان مغناطیسی قوی تر است.
استفاده از یک میدان مغناطیسی در حال تغییر برای القای جریان الکتریکی
اگر سیم پیچی در معرض میدان مغناطیسی قرار گیرد و سپس میدان مغناطیسی تغییر کند (یا حرکت کند)، جریان الکتریکی در سیم پیچ سیم ایجاد می کند. این فرآیند به عنوان “القاء” شناخته می شود.
این را می توان به سادگی با حرکت یک آهنربای دائمی در یک سیم پیچ نشان داد. حرکت یا تغییر در میدان مغناطیسی یا شار مغناطیسی جریان الکتریکی را به سیم سیم پیچ القا می کند.
دو عامل اصلی وجود دارد که بر میزان ولتاژ القا شده به سیم پیچ تأثیر می گذارد:
- هرچه تغییر (یا سرعت حرکت) میدان مغناطیسی سریعتر و تغییر در قدرت میدان مغناطیسی بیشتر باشد، ولتاژ القایی بیشتر است.
- هرچه تعداد سیم پیچ ها در سیم پیچ بیشتر باشد، ولتاژ القایی بیشتر است.
استفاده از یک میدان مغناطیسی در حال فروپاشی برای القای جریان الکتریکی
هنگامی که یک میدان مغناطیسی با اعمال جریان الکتریکی به سیم پیچی ایجاد می شود، هر تغییری در جریان الکتریکی (افزایش یا کاهش جریان جریان) همان تغییر را در میدان مغناطیسی ایجاد می کند. اگر جریان الکتریکی قطع شود، میدان مغناطیسی فرو می ریزد. سپس میدان مغناطیسی در حال فروپاشی جریان الکتریکی را به سیم پیچ القا می کند.
اگر جریان الکتریکی مورد استفاده برای ایجاد میدان مغناطیسی قطع شود، میدان مغناطیسی فرو می ریزد و جریان الکتریکی دیگری را به سیم پیچ القا می کند.
همانطور که افزایش سرعت حرکت یک میدان مغناطیسی در سراسر سیم پیچ باعث افزایش ولتاژ القایی به سیم پیچ می شود، اگر بتوان یک میدان مغناطیسی در حال فروپاشی را با سرعت بیشتری فروپاشی کرد، این امر باعث القای ولتاژ بالاتری می شود. علاوه بر این، در صورت افزایش تعداد سیم پیچ ها در سیم پیچ، ولتاژ بالاتری نیز می تواند به سیم پیچ القا شود.
اندوکتانس متقابل و عمل ترانسفورماتور
اگر دو سیم پیچ در کنار یا اطراف یکدیگر قرار گیرند و جریان الکتریکی برای ایجاد میدان مغناطیسی در اطراف یک سیم پیچ (که به آن سیم پیچ اولیه می گوییم) استفاده شود، میدان مغناطیسی سیم پیچ دوم (یا سیم پیچ ثانویه) را نیز احاطه می کند. . هنگامی که جریان الکتریکی قطع می شود و میدان مغناطیسی سقوط می کند، ولتاژی را به سیم پیچ های اولیه و ثانویه القا می کند. این به عنوان “القاء متقابل” شناخته می شود.
میدان مغناطیسی در سیم پیچ اولیه نیز سیم پیچ ثانویه را احاطه کرده است. فروپاشی میدان باعث القای جریان الکتریکی در هر دو سیم پیچ می شود.
برای سیم پیچ های احتراق (و بسیاری از انواع ترانسفورماتورهای الکتریکی)، سیم پیچ ثانویه با سیم پیچ های بیشتری نسبت به سیم پیچ اولیه ساخته می شود. هنگامی که میدان مغناطیسی فرو می ریزد، بنابراین ولتاژ بیشتری را به سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه القا می کند .
در اینجا سیم پیچ ثانویه دارای سیم پیچ بیشتری نسبت به سیم پیچ اولیه است. هنگامی که میدان مغناطیسی فرو می ریزد، ولتاژ در سیم پیچ ثانویه بیشتر از ولتاژ القا شده در سیم پیچ اولیه خواهد بود.سیم پیچ اولیه یک سیم پیچ احتراق معمولاً شامل 150 تا 300 دور سیم است. سیم پیچ ثانویه معمولاً شامل 15000 تا 30000 دور سیم یا حدود 100 برابر بیشتر از سیم پیچ اولیه است.
میدان مغناطیسی در ابتدا زمانی ایجاد می شود که سیستم الکتریکی خودرو تقریباً 12 ولت را به سیم پیچ اولیه سیم پیچ احتراق اعمال کند. هنگامی که جرقه در شمع مورد نیاز است، سیستم جرقه زنی جریان جریان به سیم پیچ اولیه را قطع می کند که باعث فروپاشی میدان مغناطیسی می شود. میدان مغناطیسی در حال فروپاشی ولتاژی را به سیم پیچ اولیه در ناحیه 200 ولت القا می کند. اما ولتاژ القا شده به سیم پیچ ثانویه تقریباً 100 برابر بیشتر خواهد بود، حدود 20000 ولت.
با استفاده از اثرات اندوکتانس متقابل و با استفاده از یک سیم‌پیچ ثانویه که 100 برابر سیم‌پیچ‌های بیشتری نسبت به سیم‌پیچ اولیه دارد، می‌توان منبع 12 ولتی اصلی را به یک ولتاژ بسیار بالا تبدیل کرد. این فرآیند تبدیل ولتاژ پایین به ولتاژ بالا به عنوان “عمل ترانسفورماتور” نامیده می شود.
در یک کوئل کیا و کوئل هیوندای، سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه دور یک هسته آهنی پیچیده می‌شوند که به تمرکز و افزایش قدرت میدان مغناطیسی و شار کمک می‌کند و در نتیجه سیم پیچ احتراق را کارآمدتر می‌کند.