Sistem penyalaan

Sistem penyalaan merupakan satu sistem untuk membakar campuran udara-bahan api. Ia dikenali dalam bidang enjin pembakaran dalaman sebagai sistem yang digunakan pada enjin petrol yang menggerakkan kebanyakan kenderaan bermotor, tetapi ia juga digunakan dalam beberapa aplikasi lain seperti pada dandang berkuasa minyak atau gas, enjin roket dsb.

Sistem penyalaan pertama yang menggunakan bunga api elektrik mungkin pistol elektrik mainan Alessandro Volta pada tahun 1780an. Boleh dikatakan kesemua enjin petrol hari ini menggunakan bunga api elektrik untuk penyalaan.

Enjin diesel pula bergantung kepada mampatan udara untuk penyalaan, tetapi biasanya turut menggunakan palam bara yang memanaskan kebuk pembakaran untuk membolehkan enjin dihidupkan semasa sejuk. Enjin lain mungkin menggunakan api atau tiub panas untuk penyalaan.

Sejarah

Sistem magneto

Gelung penyalaan magneto.

Bentuk penyalaan bunga api paling ringkas ialah menggunakan magnet. Enjin memutarkan sebatang magnet yang mengelilingi gelung, serta turut mengendalikan titik sesentuh, yang menyambung dan memutuskan arus elektrik supaya voltan boleh dinaikkan sehingga cukup tinggi untuk menghasilkan bunga api. Palam pencucuh disambung terus pada keluaran magneto. Magneto terawal hanya mempunyai satu gelung, dengan titik sesentuh (palam pencucuh) pada kebuk pembakaran. Pada tahun 1902, Bosch memperkenalkan magneto gelung berkembar, dengan palam pencucuh tetap serta titik sesentuh di luar silinder. Magneto tidak digunakan pada kereta moden, tetapi memandangkan ia menghasilkan bekalan elektrik sendiri, magneto digunakan secara meluas pada enjin kapal terbang jenis omboh serta enjin kecil seperti pada moped, mesin rumput, peniup salji, gergaji rantai, dsb. di mana sistem elektrik berasaskan bateri tidak wujud atas gabungan faktor keperluan, berat, kos dan kebolehpercayaan.

Sistem pensuisan

Keluaran magneto sangat bergantung kepada kelajuan enjin, oleh itu menghidupkannya boleh jadi bermasalah. Sesetengah magneto turut mempunyai sistem impuls, yang memutar magnet dengan cepat secara seketika untuk membolehkan enjin dihidupkan pada kelajuan rendah. Sesetengah enjin, seperti enjin kapal terbang dan Ford Model T, menggunakan satu sistem yang bergantung kepada sel kering tidak boleh cas semula (serupa seperti pada lampu suluh besar, serta tidak mempunyai sistem pengecasan seperti pada kereta moden) untuk menghidupkan enjin serta mengendalikannya pada kelajuan rendah. Pemandu perlu mengendalikan satu suis secara manual untuk bertukar kepada sistem magneto untuk pengendalian kelajuan tinggi.

Untuk menghasilkan voltan tinggi bagi menghasilkan bunga api daripada bateri voltan rendah, satu alat pemasa digunakan. Dengan alat ini, arus terus melalui gelung elektromagnet yang membuka sepasang titik sesentuh untuk memutuskan litar; medan magnet runtuh, titik sesentuh yang menggunakan spring tertutup kembali, sambungan litar terhasil semula, dan kitar berterusan dengan pantas. Medan magnet yang runtuh dengan pantas mengaruh voltan tinggi merentasi gelung dan hanya boleh dilegakan dengan menghasilkan bunga api pada palam pencucuh.

Penyalaan kendalian bateri

Setelah sistem penghidup elektrik diterima secara meluas bagi kereta serta pengeluaran bateri yang berupaya menghasilkan tenaga elektrik berterusan, sistem magneto digantikan dengan sistem yang menyampuk arus pada voltan bateri, menggunakan gelung penyalaan (sejenis transformer) untuk menaikkan voltan kepada nilai yang diperlukan untuk penyalaan, serta pengagih bagi menghalakan voltan tinggi pada palam pencucuh yang betul pada masa yang betul.

Sistem penyalaan bateri pertama yang boleh diharap telah dibangunkan oleh Dayton Engineering Laboratories Co. (Delco) serta diperkenalkan pada model kereta 1910 Cadillac. Ia terdiri daripada satu gelung, poin sesentuh (sejenis suis), kapasitor serta pengagih yang dipasang untuk menetapkan bunga api pada palam pencucuh pada silinder yang betul. Gelung secara asasnya merupakan sejenis transformer injak naik untuk menaikkan voltan rendah (6 atau 12 V) kepada voltan penyalaan tinggi yang diperlukan untuk menghasilkan bunga api.

Titik sesentuh membenarkan gelung untuk mengecas secara magnetik, dan apabila ia dibuka oleh sesondol, medan magnet runtuh dan voltan tinggi (20 kV atau lebih tinggi) dihasilkan. Kapasitor digunakan untuk menyerap balik daya gerak elektrik dari medan magnet di dalam gelung untuk meminimakan pembakaran titik sesentuh serta memanjangkan jangka hayat titik sesentuh. Sistem ini menjadi sistem penyalaan utama selama bertahun-tahun dalam industri automotif berikutan kos yang rendah, boleh diharan serta ringkas.

Sistem penyalaan moden

Sistem sebegini biasanya dikawal oleh suis penyalaan kendalian anak kunci.

Sistem pemasa mekaninal

Tudung pengagih.

Kebanyakan enjin empat lejang menggunakan sistem penyalaan elektrik dengan pemasa mekanikal. Jantung utama sistem ini ialah pengagih. Pengagih mengandungi sesondol berputar yang digerakkan oleh enjin, titik sesentuh, kondenser, rotor dan tudung pengagih. Di luar pengagih ialah gelung penyalaan, palam pencucuh, serta wayar-wayar yang menghubungkan gelung ke pengagih dan pengagih ke palam-palam pencucuh. (lihat gambar rajah di bawah)

Sistem ini ditenagai bateri asid-plumbum, yang dicas oleh sistem elektrik kenderaan menggunakan dinamo atau pengulang-alik. Enjin mengendalikan titik sesentuh, yang memutuskan sementara arus ke gelung peraruh (dikenali sebagai gelung penyalaan).

Gelung penyalaan terdiri daripada dua lilitan transformer yang berkongsi teras magnetik yang sama. Arus ulang-alik yang terhasil pada gelung primer mengaruh medan magnet ulang-alik pada teras gelung. Oleh kerana gelung sekunder mempunyai bilangan lilitan yang jauh lebih banyak daripada gelung primer, gelung menjadi satu transformer injak naik yang mengaruh voltan yang jauh lebih tinggi pada lilitan sekunder. Bagi gelung penyalaan, salah satu hujung bagi kedua-dua lilitan mesti disambungkan bersama. Titik sepunya ini disambungkan pada bateri (biasanya melalui perintang balast). Hujung satu lagi pada lilitan primer disambungkan pada titik sesentuh, manakala hujung satu lagi pada lilitan sekunder disambungkan ke palam pencucuh melalui tudung pengagih.

Gambar rajah litar penyalaan pemasa mekanikal.

Aturan penyalaan bermula apabila titik sesentuh tertutup. Cas elektrik yang stabil mengalir dari bateri, melalui perintang, melalui lilitan sekunder gelung, merentasi titik sesentuh dan kembali ke bateri. Arus yang stabil ini menghasilkan medan magnet pada teras gelung. Medan magnet ini membentuk satu takungan tenaga yang akan digunakan untuk mencetuskan bunga api penyalaan.

Sebaik enjin berputar, aci sesondol di dalam pengagih turut berputar. Sesondol terus berputar sehinggalah pada penghujung lejang mampatan, di mana titik sesentuh dibuka. Ia memutuskan litar lilitan primer dan menghentikan seketika arus yang melalui titik sesentuh. Tanpa arus yang stabil mengalir melalui titik sesentuh, medan magnet runtuh dengan serta-merta dan pantas. Perubahan medan magnet ini mengaruhkan voltan tinggi pada lilitan sekunder gelung.

Pada masa yang sama, arus keluar dari lilitan primer gelung dan mula mengecas kapasitor ("kondenser") yang terletak berhampiran titik sesentuh. Kapasitor dan lilitan primer gelung membentuk litar LC berayun. Litar LC ini menghasilkan arus berayun terlembap yang melantunkan tenaga antara medan elektrik kapasitor dan medan magnet gelung penyalaan. Arus berayun pada lilitan primer gelung, yang menghasilkan medan magnet berayun pada gelung, memanjangkan denyutan voltan tinggi pada keluaran lilitan sekunder gelung. Voltan tinggi ini terus mengalir melampaui masa denyutan runtuhan medan. Denyutan berterusan sehinggalah tenaga litar habis digunakan.

Lilitan sekunder gelung disambungkan pada tudung pengagih. Rotor berputar, yang terletak pada bahagian atas sesondol pemutus litar menyambungkan lilitan sekunder gelung pada salah satu daripada beberapa wayar palam pencucuh. Voltan yang sangat tinggi daripada lilitan sekunder gelung menyebabkan bunga api terbentuk pada jurang palam pencucuh, sekaligus membakar campuran udara-bahan api termampat di dalam enjin. Pembentukan bunga api inilah yang memakan tenaga yang tersimpan pada medan magnet gelung penyalaan.

Sistem berasaskan pengagih tidah jauh berbeza daripada sistem magneto kecuali lebih banyak komponen berasingan digunakan. Terdapat beberapa kelebihan pada reka letak sebegini. Misalnya, kedudukan titik sesentuh yang berkadaran dengan sudut putaran enjin boleh diubah pada satu kadar yang kecil secara dinamik, membolehkan pemasaan penyalaan dianjakkan mengikut peningkatan putaran seminit (RPM) dan/atau peningkatan tekanan hampagas rongga masukan, memberikan lebih kecekapan dan prestasi.

Namun demikian, adalah amat mustahak untuk memeriksa bukaan maksimum jurang titik sesentuh secara berkala, menggunakan tolok perasa, memandangkan pelarasan mekanikal memberi kesan terhadap masa mengecas gelung, dan titik sesentuh mesti ditukar sekiranya terlalu haus atau berlekuk akibat arka elektrik. Sistem sebegini digunakan secara meluas sehingga lewat 1970an, semasa sistem penyalaan elektronik muncul.

Penyalaan elektronik

Kelemahan sistem mekanikal ialah penggunaan titik sesentuh untuk memutuskan litar voltan rendah berarus tinggi melalui lilitan primer gelung; titik sesentuh boleh haus jika terbuka dan tartutup berulang kali, di samping pengoksidaan dan pembakaran permukaan sesentuh akibat pembentukan bunga api berterusan. Ia memerlukan pelarasan berkala untuk memampas kehausan, dan bukaan titik sesentuh, yang bertanggung jawab terhadap pemasaan bunga api, juga tertakluk kepada variasi mekanikal.

Selain itu, voltan bunga api juga bergantung kepada keberkesanan titik sesentuh, dan cetusan bunga api yang lemah merendahkan kecekapan enjin. Satu sistem titik sesentuh mekanikal biasa tidak berupaya mengawal arus penyalaan purata melebihi 3 A sementara memberikan jangka hayat servis yang masih berpatutan, dan faktor ini boleh mengehadkan kuasa bunga api dan kelajuan muktamad enjin.

Contoh sistem penyalaan elektronik asas.

Penyalaan elektronik (EI) menyelesaikan masalah tersebut. Dalam sistem terawal, titik sesentuh masih digunakan tetapi ia hanya mengendalikan arus rendah yang digunakan untuk mengawal arus primer tinggi melalui sistem pensuisan keadaan pepejal. Walau bagaimanapun, tidak lama kemudian, titik sesentuh digantikan dengan pengesan sudut - sama ada jenis optik, di mana rotor berbilah memutuskan aliran cahaya, ataupun penderia kesan Hall yang lebih lazim digunakan, yang bertindak balas dengan magnet berputar pada aci pengagih. Keluaran penderia dibentuk dan diproses oleh litar bersesuaian, kemudian digunakan untuk mencetus peranti pensuisan seperti tiristor, yang mensuiskan arus tinggi melalui gelung.

Pada tahun 1980an, sistem penyalaan elektronik dibangunkan bersama-sama pembaharuan lain seperti sistem suntikan bahan api. Setelah beberapa lama adalah logik untuk menggabungkan fungsi kawalan bahan api dan penyalaan dalam satu sistem elektronik yang dikenali sebagai unit kawalan enjin.

Penyalaan elektronik digital

Menjelang abad ke-21, modul penyalaan elektronik digital boleh didapati untuk enjin kecil seperti gergaji rantai, pencantas pokok, peniup daun dan mesin rumput. Ia hasil daripada pembangunan pengawal mikro kecil berkos rendah dan berkelajuan tinggi. Modul penyalaan elektronik digital boleh direka sama ada dalam bentuk penyalaan nyahcas kapasitor (CDI) ataupun penyalaan nyahcas aruhan (IDI). Penyalaan nyahcas kapasitor digital menyimpan tenaga tercas dalam sebuah kapasitor di dalam modul yang boleh dilepaskan ke palam pencucuh pada bila-bila masa sepanjang kitaran enjin melalui isyarat kawalan daripada pemproses mikro. Ia membolehkan pemasaan penyalaan menjadi lebih fleksibel, di samping prestasi enjin yang lebih baik; terutamanya apabila direka bersama-sama karburetor enjin.

Pengurusan enjin

Di dalam sisten pengurusan enjin (EMS), sistem elektronik mengawal penghantaran bahan api, pemasaan penyalaan dan aturan penyalaan. Penderia-penderia utama ialah penderia sudut enjin (kedudukan aci engkol atau titik tetap atas (TDC)), penderia aliran udara ke enjin dan penderia kedudukan pendikit. Litar elektronik menentukan silinder mana yang memerlukan bahan api serta berapa banyak yang diperlukannya, membuka pemancit yang berkenaan untuk menghantar bahan api, kemudian menyebabkan bunga api tercetus pada masa yang betul untuk membakarnya. Sistem EMS terawal menggunakan litar komputer analog untuk mencapainya, namun setelah sistem terbenam menjadi cukup pantas untuk mengikuti data-data masukan yang berubah-ubah pada kelajuan tinggi, sistem digital mula digunakan.

Sesetengah rekaan yang menggunakan EMS mengekalkan gelung, pengagih dan palam pencucuh asal yang digunakan pada kereta sepanjang zaman. Sistem lain pula memansuhkan pengagih sama sekali dan menggantikannya dengan penggunaan berbilang gelung yang ditempatkan betul-betul di atas setiap palam pencucuh. Ia menghapuskan keperluan untuk menggunakan pengagih dan wayar tegangan tinggi, dua komponen yang mempunyai rekod buruk bagi kebolehpercayaan jangka panjang.

EMS moden membaca data daripada pelbagai penderia seperti kedudukan engkol, suhu rongga, tekanan rongga (atau aliran jisim udara), kedudukan pendikit, campuran udara-bahan api melalui penderia O₂ dan ada kalanya unit tersebut membaca data daripada penderia ketukan dan penderia suhu ekzos. EMS kemudian menggunakan data-data yang dikumpulkan untuk menentukan secara tepat berapa banyak bahan api untuk dihantar, bila dan berapa jauh hendak menganjak pemasaan penyalaan. Hasilnya, sistem elektronik canggih bukan sahaja lebih jimat bahan api, malah menghasilkan prestasi lebih baik.

Lihat juga

• Keelektromagnetan
• Hukum aruhan Faraday
• Gelung penyalaan
• Peraruh
• Medan magnet
• Transformer