کویل خودرو و کاربرد آن

سیستم جرقه‌زنی (Ignition System) در خودرو وظیفه ایجاد احتراق سالم و کامل را بر عهده دارد. این سیستم بر یک قطعه بسیار مهم تحت عنوان کوئل خودرو یا با تلفظ درست کویل خودرو (Coil) به معنای سیم‌پیچ، متکی است که وظیفه اصلی آن افزایش ولتاژ ورودی (۶ یا ۱۲ ولت استاندارد باتری) به ولتاژهای بسیار زیاد برای ایجاد قوس الکتریکی شدید (Electric Arc) در سر شمع های خودرو برای ایجاد احتراق کامل است.

کویل خودرو یا کوئل ماشین چیست؟

کویل یا سیم‌پیچ موردنظر در صنعت خودرو که تحت عنوان Ignition Coil یا کوئل جرقه نیز شناخته می‌شود، یک ترانس افزاینده ولتاژ از منبع برق ضعیف‌تر نوع DC (برق مستقیم) به ولتاژهای بالاتر برای ایجاد یک قوس الکتریکی (جهش الکترون) بسیار قدرتمند در دو سر الکترود شمع خودرو به منظور آغاز فرایند احتراق در داخل سیلندر پیشرانه احتراق داخلی است.

این جرقه به اندازه‌ای قوی است که هوای میان دو قطب الکترود شمع خودرو را یونیزه می‌کند و دمای آن را به‌شدت افزایش می‌دهد. این افزایش شدید دما و یونیزه شدن هوا ایجاد جرقه ابتدایی برای آغاز یک احتراق سالم و کامل را تضمین می‌کند.

لازم به تاکید است که کوئل خودرو یا کویل ماشین، تنها یک بخش از پازل سیستم جرقه خودرو است و این سیستم از قسمت‌های متعدد دیگری نظیر دلکو (Disturbutor/بخش تقسیم جرقه)، وایر شمع (Wire/سیم انتقال دهنده ولتاژ بالا به شمع‌ها) و در خودروهای مدرن‌تر، واحد کنترل جرقه در ECU تشکیل شده است که به موازات رفتار پیشرانه و نوع کاربری راننده از خودرو ایفای نقش می‌کنند.

انواع کوئل خودرو

در تاریخ صنعت خودروسازی جهان، سیستم جرقه خودرو نیز همانند سایر بخش‌ها با پیشرفت و تغییرات مهندسی مواجه شد. در نتیجه جای تعجب ندارد که کوئل ماشین نیز در گذر زمان از تغییرات مشابه و بهبودهای فنی بسیار بهره‌مند شده باشد.

کوئل تک

در اولین نمونه‌ خودروها تا حدود دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی، کویل به عنوان یک ترانس افزاینده بیرونی، به عنوان یک واحد مجزا بر قسمتی از خودرو (معمولا روی پیشرانه یا گلگیر) نصب می‌شد. این واحد پس از دریافت ولتاژ تقریبی ۶ یا ۱۲ ولت DC باتری خودرو، آن را به ولتاژ خروجی نزدیک به ۱۰ تا ۱۵ هزار ولت افزایش می‌داد و سپس آن را به بخش تقسیم جرقه یا به اصطلاح دلکو منتقل می‌کرد تا پس از تقسیم روانه شمع متناظر شود. این رویه طراحی در خودروهای قدیمی چون پیکان کاربراتوری مدل پایین نیز دیده می‌شود.

کویل تک درونی

در نسخه‌های عرضه‌شده از حدود دهه ۱۹۷۰ میلادی، کویل تک بیرونی به‌عنوان بخش ادغام‌شده از مجموعه دلکو تغییر طراحی داد تا نیاز به وجود یک وایر ولتاژ بالا در مسیر میان کویل خودرو تا دلکو از میان برداشته شود. همچنین این کوئل‌های جدید با افزایش توان جرقه به حدود ۲۰ تا ۳۰ هزار ولت مواجه شد تا احتمال عدم جرقه (Miss Fire) به حداقل برسد. این نوع سیستم جرقه در خودروهای کلاسیک آمریکایی، ژاپنی و اروپایی دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ بسیار رایج است.

کوئل دوبل

در خودروهای انژکتوری دهه ۱۹۸۰، به منظور دستیابی به جرقه سالم در دور موتور بالاتر و تحت ضریب تراکم بیشتر پیشرانه‌ها، بر تعداد کوئل‌های آن‌ها افزوده شد. از این رو کوئل دوبل یا دو یک کویل مجزا برای هر دو سیلندر توسعه یافت که وظیفه هر یک از آن‌ها تامین جرقه مورد نیاز برای یکی از دو سیلندر متناظر بود. در نتیجه به‌عنوان مثال یک موتور ۴ سیلندر با سیستم جرقه کویل دوبل، دارای دو کوئل (۲ کوئل برای ۴ سیلندر) بود. این نوع طراحی کوئل در سیستم جرقه در خودروهایی چون پراید انژکتوری و پژو ۴۰۵ انژکتوری که از ECU بهره می‌گیرند، دیده می‌شود.

کویل انحصاری

با پیشرفته‌تر شدن تکنولوژی در صنعت خودروسازی مخصوصا در اوایل دهه ۱۹۹۰ میلادی، پیشرانه‌هایی بسیار قدرتمند روانه بازار شدند که به‌منظور عملکرد صحیح، کاهش آلایندگی و ارائه بهترین عملکرد، نیازمند جرقه بسیار تمیز و تضمین‌شده بودند. از این رو سیستم کوئل انحصاری، یعنی یک کوئل مجزا به‌ازای هر سیلندر به بازار معرفی شد. در نتیجه یک پیشرانه مدرن امروزی، به‌ازای تعداد سیلندرها از کویل مجزا و منحصر به هر سیلندر بهره می‌گیرد. به‌عنوان مثال پیشرانه ۴ سیلندر تندر۹۰ دارای ۴ کوئل مجزا است. همچنین که پیشرانه W16 بوگاتی شیرون از ۱۶ کوئل انحصاری بهره می‌گیرد.

نحوه عملکرد کویل خودرو

از زمان عرضه انواع کوئل خودرو با طراحی جدید، این قطعات موفق شدند بر توان افزایند ولتاژ خروجی آن بیفزایند. به این معنا که اگر کوئل تک دهه ۱۹۶۰ توان تولید ۱۰ تا ۱۵ هزار ولت خروجی داشت، امروزه نمونه‌های جدید همان کوئل در بازار افترمارکت وجود دارد که می‌تواند خروجی نزدیک به ۷۰ هزار ولت را در همان شکل، اندازه و وزن تولید کند تا جرقه نهایی ارائه‌شده بر سر شمع بسیار قوی‌تر شود و احتراق کامل را تضمین کند. پس چرا در خودروهای مدرن امروزی به سیستم‌های متمایزی چون کویل دوبل و حتی کوئل انحصاری روی آوردند؟ برای پاسخ به این پرسش ابتدا باید از شیوه عملکرد درونی کوئل و نقاط ضعف آن آشنا شویم.

برای اینکه بفهمیم کوئل خودرو چگونه کار می‌کند، باید زمان را بسیار آهسته کنیم و لحظه به لحظه رفتار آن را مورد بررسی قرار دهیم.

در لحظه‌ای که راننده سوئیچ خودرو را باز می‌کند، ولتاژ ۱۲ ولت باتری به سمت کوئل روانه می‌شود و آن را شارژ می‌کند. به محض اعمال استارت از سوی راننده و چرخش میلنگ پیشرانه، سیستم تقسیم جرقه (چه از نوع مکانیکی و چه از نوع کامپیوتری)، برق شارژشده ولتاژ بالای دلکو را به سمت شمع سیلندری که نوبت احتراق آن است، می‌فرستد تا فرایند احتراق متوالی درون سیلندرها آغاز و پیشرانه روشن شود.

از آنجایی که برق ورودی ۱۲ ولت باتری به هنگام باز بودن سوئیچ دائما به کوئل متصل است، کوئل دوباره شارژ می‌شود تا برق مورد نیاز جرقه سیلندر بعدی را تامین کند. پس از روشن شدن پیشرانه، این چرخه دائما در حال تکرار است تا ترتیب احتراق متوالی را حفظ کند و موتور خودرو را روشن نگه‌ دارد. در نتیجه برق جریان‌یافته ۱۲ ولت در ورودی کوئل مسبب اصلی روشن ماندن پیشرانه است. از این رو به منظور خاموش کردن پیشرانه، تنها کافی است راننده سوئیچ را خاموش کند تا برق ورودی کوئل ماشین قطع شود و موتور در نبود جرقه، از احتراق متوالی بازایستد.

چرا یک کوئل کافی نیست؟

حالا به سوال ابتدایی خود بازمی‌گردیم که چرا تعداد کوئل‌ها در گذر سالیان و پیشرفت صنعت خودروسازی افزایش یافت؟ اگر به‌صورت فرضی یک موتور ۴ زمانه تک سیلندر را در دور درجا یا دور ایده‌آل (Ideal RPM) در نظر بگیریم، با رقم حدودی ۱۰۰۰ دور بر دقیقه مواجه هستیم که برابر با حدود ۱۶ دور در ثانیه است. پیشرانه ۴ زمانه در هر ۲ دور (هر ۷۲۰ درجه) نیازمند یک جرقه برای اجرای احتراق است. به این معنا که این پیشرانه تک سیلندر در هر ثانیه نیازمند ۸ جرقه برای روشن ماندن است.

حالا اگر این موتور در همان دور مشابه از نوع ۴ سیلندر باشد، هر یک از سیلندرهای آن در هر ثانیه نیازمند ۸ جرقه خواهد بود. یعنی این پیشرانه برای روشن ماندن در مجموع نیازمند ۳۲ جرقه در ثانیه است. این در حالی است که یک پیشرانه V8 یا V12 در همان دور مشابه به ترتیب نیازمند ۶۴ و ۹۶ جرقه است.

نه‌تنها افزایش تعداد سیلندرها به‌صورت طبیعی بر تعداد جرقه مورد نیاز در واحد زمان (در اینجا ثانیه یا دقیقه) می‌افزاید، بلکه افزایش دور موتور نیز تاثیری خیره‌کننده بر این نیاز دارد. مثلا همان پیشرانه تک سیلندر که در ۱۰۰۰ دور در دقیقه نیازمند ۸ جرقه در هر ثانیه بود، در ۵۰۰۰ دور در دقیقه نیازمند حدود ۴۱ جرقه در هر ثانیه است. حالا این رقم برای یک موتور ۴ سیلندر، V8 و V12 در دور ۵۰۰۰ به ترتیب برابر با ۱۶۴، ۳۲۸ و ۴۹۲ جرقه در ثانیه است.

خب مشکل کار کجا است؟ مسئله آنجایی است که کوئل خودرو برای هر بار شارژ شدن، نیامند اندکی زمان است. وقتی تعداد سیلندر یا دور موتور افزایش یابد، یک کویل به تنهایی فرصت کافی برای شارژ و تخلیه شدن را ندارد. در نتیجه کوئلی که به عنوان مثال قرار است خروجی ۳۰ هزار ولت داشته باشد، با افزایش دور موتور و تعداد سیلندرها و کاهش مدت زمان شارژ، خروجی تنها معادل ۱۵ هزار ولت (عدد فرضی) را به شمع‌ها می‌فرستد.

این افت خیره‌کننده در ولتاژ نهایی سر شمع‌ها موجب احتراق ناقص سوخت و افزایش خام‌سوزی پیشرانه یا احتمال بسیار بیشتر بروز پدید عدم احتراق (Miss Fire) در دورهای بالاتر می‌شود. در نتیجه عملکرد فنی پیشرانه با افزایش دور موتور یا تعداد سیلندرها به شدت تحت تاثر قرار می‌گیرد. اگرچه می‌توان به‌جای کوئل ۳۰ هزار ولت از نمونه‌های قوی‌تر ۵۰ یا ۷۰ هزار ولت بهره گرفت، اما این موضوع به دلیل نیاز کویل برای شارژ شدن، کمک چندانی به پیشرانه نمی‌کند.

حال تصور کنید که بسیاری از پیشرانه‌های عملکردمحور و مسابقه‌ای نظیر موتورهای HEMI V8 کرایسلر به‌منظور بهبود و تکامل فرایند احتراق از ۲ شمع در هر سیلندر (در مجموع ۱۶ شمع) بهره می‌گرفتند. تقسیم شدن ولتاژ خروجی میان این دو شمع نیز موجب ضعیف‌تر شدن ولتاژ جرقه نهایی سر شمع‌ها می‌شد.

به همین دلیل است که خودروهای خاص کلاسیک از کلاس سوپر اسپرت‌ها یا خودروهای لوکس نظیر لامبورگینی، فراری، بنتلی، استن مارتین، بی ام و، مرسدس بنز و… از دو سیستم جرقه موازی و همزمان برای تامین برق مورد نیاز سیستم جرقه پیشرانه‌های خود بهره می‌گرفتند.

با پیشرفت تکنولوژی و بهره‌گیری از سیستم‌های کنترلی کامپیوتری به موازات افزایش تعداد کویل‌ها، نه‌تنها فرصت کافی برای شارژ هر کویل فراهم شد بلکه با کوتاه‌تر شدن مسیر برق ولتاژ بالا مخصوصا در نمونه‌های جدید کوئل روی شمع (Coil on Plug)، قدرت جرقه حفظ شد و از اتلاف بیهوده توان الکتریکی در مسیر طولانی وایرها جلوگیری به عمل آمد.

ایراد و مشکلات رایج کوئل و علائم آن

همان‌طور که پیشتر بیان شد، کوئل تنها یکی از قطعات مربوط به سیستم جرقه (Ignition System) خودرو است. از این رو در این بخش تنها به ایرادها و علائم مربوط به خرابی کوئل می‌پردازیم. با این حال این علائم می‌تواند از سایر قسمت‌های سیستم جرقه نیز نشات بگیرد.

ضعیف شدن کوئل

همانند هر قطعه دیگری، کوئل خودرو نیز عمر مفیدی دارد. اگرچه بازه عمر مفید این قطعه بسیار زیاد است، اما می‌تواند در گذر زمان مستهلک و ضعیف شود. در صورت ضعیف شدن کوئل، این قطعه نمی‌تواند ولتاژ خروجی که باید را تامین کند. در نتیجه افت ولتاژ خروجی (مثلا از ۳۰ به ۲۰ هزار ولت)، پیشرانه دچار تنبلی، عدم احتراق و خام‌سوزی (مخصوصا در دورهای بالا)، ریپ زدن و افت عملکرد می‌شود.

برای تست می‌توان یک شمع را بر سر یکی از وایرها به بدنه خودرو اتصال داد و سپس استارت زد تا نوع جرقه را با چشم دید. جرقه قدرتمند و سالم باید به رنگ آبی یخی، ضخیم و بسیار پرصدا باشد. کویل ضعیف معمولا جرقه نازک، مایل به رنگ قرمز یا نارنجی تولید می‌کند و صدای ضعیفی به همراه دارد. همچنین پیشرانه‌ای که از ضعف کوئل رنج می‌برد، معمولا دارای شمع‌های دوده گرفته است که خبر از احتراق ناقص می‌دهد.

سوختن کوئل

کویل ضعیف می‌تواند تا سالیان دراز هرچند با عیب و ایراد کار کند. اما سوختن کوئل خودرو که معمولا به ناگه اتفاق می‌افتد، می‌تواند با ریپ زدن و لرزه شدید پیشرانه، بد روشن شدن یا روشن نشدن موتور خودرو همراه شود.

آزمایش مشابه که پیش‌تر عنوان شد می‌تواند سوختن کویل ماشین را برملا کند. به این ترتیب که در صورت اتصال شمع به وایر و برقراری اتصال بدنه، شمع خودرو به هنگام استارت زدن هیچ جرقه‌ای تولید نمی‌کند. همین آزمون در خودروهای دارای چند کوئل (کوئل دوبل یا کویل انحصاری)، با جابه‌جا کردن کویل‌ها می‌تواند نتیجه بسیار دقیق‌تری حاصل کند.

نشت روغن از داخل کوئل

برخی از کوئل‌های تک قدیمی، درون خود دارای مقداری ذخیره روغن هستند. این روغن هم از بروز اتصال داخلی جلوگیری می‌کند و هم نقش خنک‌کننده را برعهده دارد. بروز نشتی روغن بر بدنه کویل به معنای آسیب‌دیدگی یا فرسودگی این قطعه و احتمال سوختن یا اتصال کوتاه درونی و بیرونی است. در این صورت باید کوئل خراب را با نمونه نو جایگزین کرد.

اتصال کوتاه (برق دزدی)

مجموعه ولتاژ بالای مدار جرقه‌زنی خودرو با وایرها و روکش‌های سیلیکونی ضخیم (معروف به بوت یا چکمه/Boot) پوشیده شده است تا از جهش ولتاژ الکتریکی بالا به قطعات فلزی پیرامون این سیستم جلوگیری کند.

بروز جهش الکترونی مدار سیستم جرقه‌زنی پیش از رسیدن به الکترود نوک شمع به معنای بروز پدیده برق دزدی و عدم احتراق در سیلندر متناظر است که معمولا با صدای تق‌تق بارز جرقه در محیط اطراف موتور همراه می‌شود. این مهم می‌تواند از پارگی، فرسودگی، سوختگی یا زخمی شدن روکش‌های سیلیکونی محافظ نشات بگیرد، اما در صورت سلامت بودن تمامی روکش‌های محافظ، اگر این برق دزدی بر تنه فلزی کویل ادامه یابد، احتمال وجود ایراد داخلی و خرابی درونی کوئل بیشتر است و لازم است که قطعه خراب را با نمونه نو جایگزین کرد.

آیا برق گرفتگی کوئل خطرناک است؟

بسیاری از کسانی که زیر کاپوت خودرو سرک می‌کشند و برخی کارهای فنی را شخصا انجام می‌دهند، حتما دچار عارضه برق گرفتگی با ولتاژ بسیار زیاد از سیستم جرقه‌زنی خودرو شده‌اند. کوئل ماشین از نظر ساختار و نوع عملکرد دقیقا همانند یک دستگاه تیزر (Taser یا شوکر) یا سیستم جرقه اجاق گاز خانگی و فندک‌های برقی عمل می‌کند. اگرچه تجربه شخصی و حس برق گرفتگی با ولتاژی فراتر از ۳۰ هزار ولت (و حتی بیشتر مخصوصا در کویل‌های تقویت‌شده افترمارکت یا نمونه‌های کوئل انحصاری) به هیچ عنوان جذاب و مطلوب نیست، اما به دلیل کوتاه بودن مدت زمان این برق‌گرفتگی، آسیب جانی به همراه ندارد.

تجربه یک باره یا دوباره این حس برق گرفتگی می‌تواند با شوک ناگهانی در عضلات بدن همراه شود. ممکن است سر خود را به لبه کاپوت خودرو بزنید یا دست خود را در فضای تنگ اطراف پیشرانه زخمی کنید. یا همانند نگارنده این مقاله، برای کسر بسیار کوچکی از ثانیه بینایی خود را از دست بدهید و تصاویر پیرامون را تار و سیاه و سفید ببینید، اما به‌صورت کلی برق گرفتگی با ولتاژ بسیار زیاد کویل به دلیل کوتاه بودن مدت زمان گرفتگی تقریبا بی‌خطر است.

آنچه برق گرفتگی با ولتاژ زیاد دلکو را خطرناک می‌کند، عدم آگاهی فنی از عملکرد سیستم جرقه و عدم آمادگی برای برق‌گرفتگی است. برای کسانی که آمادگی و دانش کافی در این زمینه را ندارند، ممکن است بدون آن که بدانند سیم ولتاژ بالا را در دست خود نگهدارند و تعداد دفعات برق‌گرفتگی را افزایش دهند. ممکن است کنترل خود را از دست بدهند و بر اثر هول شدن زمین بخورند، دست خود را روی قطعات داغ داخل پیشرانه یا در مسیر چرخش فن خودرو بگذارند و آسیب‌های جانبی غیرمستقیم برای خود رقم بزنند. از آن گذشته باید تاکید کرد که بروز این برق‌گرفتگی برای افرادی که از مشکلات قلبی یا عصبی رنج می‌برند، می‌تواند بسیار تحریک‌کننده و حتی کشنده باشد.

هنگام کار با سیستم جرقه‌زنی خودرو، اکیدا توصیه می‌شود ابتدا دانش کافی از خطرات احتمالی را کسب کرده و حتما از دستکش کار با روکش لاستیک ضخیم استفاده کنید. همچنین تا جای ممکن به هنگام روشن بودن پیشرانه با سیستم جرقه‌زنی کلنجار نروید.

نویسنده: شهاب انیسی