Chương IV: Hệ thống đánh lửa trên ô tô

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 4 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG 4 1 1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại 4 1 1 1 Nhiệm vụ Hệ thống đánh lửa (HTĐL) trên ô tô có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều điện áp thấp (12V) thành xung điện cao áp (18KV  40KV), tạo ra tia lửa điện trên bugi để đốt cháy hoà khí trong xi lanh động cơ cháy cưỡng bức, vào cuối kỳ nén 4 1 1 2 Yêu cầu Năng lượng tia lửa mạnh cắt dòng điện sơ cấp dứt khoát để tạo ra dòng cao áp lớn, để đảm bảo phát ra tia lửa.

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 4.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG

4.1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại

4.1.1.1 Nhiệm vụ

Hệ thống đánh lửa (HTĐL) trên ô tô có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều điện áp thấp (12V) thành xung điện cao áp (18KV  40KV), tạo ra tia lửa điện trên bugi để đốt cháy hoà khí trong xi lanh động cơ cháy cưỡng bức, vào cuối kỳ nén

4.1.1.2 Yêu cầu

- Năng lượng tia lửa mạnh: cắt dòng điện sơ cấp dứt khoát để tạo ra dòng cao áp lớn, để đảm bảo phát ra tia lửa điện mạnh giữa các cực của bugi

- Thời điểm đánh lửa đúng: để cho hỗn hợp khí có đủ thời gian bốc cháy và giãn

nở sinh công hiệu quả nhất, thì phải thay đổi thời điểm đánh lửa phù hợp với số vòng quay của động cơ và tải trọng

- Độ bền thích hợp: phải có đủ độ tin cậy để chịu đựng sự rung xóc và nhiệt độ

mà động cơ sinh ra, cũng như điện áp cao trong bản thân HTĐL

- HTĐL phải có khả năng tạo ra tia lửa cao áp ở mọi chế độ làm việc của động cơ, đặc biệt là khi khởi động lạnh

- Thời điểm đánh lửa phải đúng theo thứ tự nổ của động cơ

- HTĐL làm việc phải tin cậy, chắc chắn, độ bền cao, ít phải chăm sóc bảo dưỡng, giá thành hạ

4.1.1.3 Phân loại

a Theo cấu tạo và nguyên lý làm việc, HTĐL chia ra:

- HTĐL thường: dùng tiếp điểm cơ khí để cắt, nối dòng điện qua cuộn dây sơ cấp của bô bin

- HTĐL bán dẫn, lại chia ra:

+ HTĐL bán dẫn có tiếp điểm điều khiển

+ HTĐL bán dẫn không có tiếp điểm điều khiển, lại gồm:

* HTĐL bán dẫn không tiếp điểm, có chia điện cao áp;

* HTĐL bán dẫn không tiếp điểm, không chia điện cao áp

- HTĐL manhêtô (dùng trên máy lai để khởi động máy xây dựng) và vô lăng manhêtic (dùng trên xe gắn máy)

b Theo phương pháp tích luỹ năng lượng trong HTĐL, chia ra:

- HTĐL điện cảm: năng lượng đánh lửa tích luỹ trong các cuộn dây của biến áp đánh lửa

- HTĐL điện dung: năng lượng đánh lửa tích luỹ trong tụ điện Khi cần đánh lửa thì tụ phóng điện qua các cuộn dây của bô bin

4.1.2 Các thông số cơ bản của HTĐL

4.1.2.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m

Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m phải đủ lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt là lúc khởi động

4.1.2.2 Hiệu điện thế đánh lửa Uđl

Hiện điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra, được gọi là hiệu điện thế đánh lửa (Uđl) Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuân theo định luật Pashen

p

T: nhiệt độ ở điện cực trung tâm của bugi tại thời điểm đánh lửa

K: hằng số phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp hòa khí

Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa Uđl tăng khoảng 20 đến 30% do nhiệt

độ điện cực bugi thấp

Khi động cơ tăng tốc độ, thoạt tiên, Uđl tăng, do áp suất nén tăng, nhưng sau đó Uđlgiảm từ từ do nhiệt độ điện cực bugi tăng và áp suất nén giảm do quá trình nạp xấu đi Hiệu điện thế đánh lửa có giá trị cực đại ở chế độ khởi động và tăng tốc, có giá trị cực tiểu ở chế độ ổn định khi công suất cực đại (hình 4.1)

Hình 4.1: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải của động cơ

1 Toàn tải; 2 Nửa tải; 3 Tải nhỏ; 4 Khởi động và cầm chừng

Trong quá trình vận hành xe mới, sau 2.000 km đầu tiên, Uđl tăng 20% do điện cực bugi bị mài mòn Sau đó Uđl tiếp tục tăng do khe hở bugi tăng Vì vậy, để giảm Uđl phải hiệu chỉnh lại khe hở bugi sau mỗi 10.000 km

U

U K

4.1.2.4 Năng lượng dự trữ Wdt

Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của biến áp đánh lửa Để đảm bảo tia lửa điện có đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toàn hòa khí, HTĐL phải đảm bảo được năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa ở một giá trị xác định:

150 50 2

I x L W

2 ng 1

Trong đó:

Wdt : năng lượng dự trữ trên cuộc sơ cấp

L1 : độ tự cảm của cuộc sơ cấp của biến áp đánh lửa

Ing : cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt 4.1.2.5 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S

600 300 t

u dt

S : tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

u2 : độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

t : thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện tại điện cực bugi càng mạnh, nhờ đó dòng không bị rò qua muội than trên điện cực bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm

4.1.2.6 Tần số và chu kỳ đánh lửa

Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa, được xác định bởi công thức:

) Hz ( 120

tđ : thời gian vít ngậm hay transistor công suất dẫn bão hòa

ttn : thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt

Tần số đánh lửa f ti lệ thuận với vòng quay trục khuỷu động cơ và số xylanh Khi tăng số vòng quay của động cơ và số xylanh, tần số đánh lửa f tăng và, do đó chu kỳ đánh lửa T giảm xuống Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến 2 thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo, ở số vòng quay cao nhất của động cơ, tia lửa vẫn mạnh

4.1.2.7 Góc đánh lửa sớm 

Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại bugi cho đến khi piston lên tới tử điểm thượng

Hình 4.2: Bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải động cơ trên xe đời mới và xe đời cũ

Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:

twt : nhiệt độ nước làm mát động cơ

Tmt : nhiệt độ môi trường

n : số vòng quay của động cơ

No : chỉ số octan của xăng

Ở các đời xe cũ, góc đánh lửa sớm chỉ được điều khiển theo hai thông số: tốc độ (bộ sớm ly tâm) và tải (bộ sớm áp thấp) của động cơ Tuy nhiên, HTĐL ở một số xe, có trang bị thêm van nhiệt và sử dụng bộ phận đánh lửa sớm theo hai chế độ nhiệt độ Trên các xe đời mới, góc đánh sớm được điều khiển tối ưu theo chương trình phụ thuộc vào các thông số nêu trên Trên hình 4.2 trình bày bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải động cơ trên xe đời mới và xe đời cũ

4.1.2.8 Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện

Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là thành phần điện dung và thành phần điện cảm Năng lượng của tia lửa được tính bằng công thức:

WP = WC + WLTrong đó:

L 

WP : năng lượng của tia lửa

WC : năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung

WL : năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm

C2 : điện dung ký sinh của mạch thứ cấp của bugi (F)

Uđl : hiệu điện thế đánh lửa

L2 : độ tự cảm của mạch thứ cấp (H)

i2 : cường độ dòng điện mạch thứ cấp (A)

Tùy thuộc vào loại HTĐL mà năng lượng tia lửa có đủ cả hai thành phần điện cảm (thời gian phóng điện dài) và điện dung (thời gian phóng điện ngắn) hoặc chỉ có một thành phần

4.1.3 Lý thuyết đánh lửa trong ô tô

Trong động cơ xăng 4 kỳ, hòa khí, sau khi được đưa vào trong xylanh và được trộn đều nhờ sự xoáy lốc của dòng khí, sẽ được piston nén lại Ở một thời điểm thích hợp cuối kỳ nén, HTĐL sẽ cung cấp một tia lửa điện cao thế đốt cháy hòa khí và sinh công cho động cơ Để tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, quá trình đánh lửa được chia làm ba giai đoạn: quá trình tăng trưởng của dòng sơ cấp hay còn gọi là quá

trình tích lũy năng lượng, quá trình ngắt dòng sơ cấp và quá trình xuất hiện tia lửa điện

R1 : điện trở của cuộn sơ cấp

L1, L2 : độ tự cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến áp đánh lửa

T : transistor công suất được điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến hoặc vít lửa

Hình 4.4: Sơ đồ tương đương của mạch sơ cấp của HTĐL

Khi transistor công suất T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện i1 từ (+) accu đến

Rf  L1 T  mass Dòng điện i1 tăng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn

sơ cấp L1 chống lại sự tăng của cường độ dòng điện Ở giai đoạn này, mạch thứ cấp của HTĐL gần như không ảnh hưởng đến quá trình tăng dòng ở mạch sơ cấp Hiệu điện thế

và cường độ dòng điện xuất hiện ở mạch thứ cấp không đáng kể nên ta có thể coi như mạch thứ cấp hở Vì vậy, ở giai đoạn này ta có sơ đồ tương đương được trình bày trên hình 4.4 Trên sơ đồ, giá trị điện trở trong của accu được bỏ qua, trong đó:

R = R1 + Rf

U = Ua -  UT

Ua : hiệu điện thế của accu

 UT : độ sụt áp trên transistor công suất ở trạng thái dẫn bão hòa hoặc độ sụt áp trên vít lửa

Biến áp đánh lửa

IC đánh lửa Accu

Cảm biến

Từ sơ đồ hình 4.4, ta có thể thiết lập được phương trình vi phân sau:

U dt

di L R

R

U ) t(

i

Gọi 1 = L1/R là hằng số điện từ của mạch

i1(t) = (U/R) (1 – e  / 1) (4.2) Lấy đạo hàm (4.2) theo thời gian t, ta được tốc độ tăng trưởng của dòng sơ cấp (hình 4.5) Như vậy, tốc độ tăng dòng sơ cấp phụ thuộc chủ yếu vào độ tự cảm L1

1 / 1

L

U dt

L

U dt

di

1 0

dt di

Với biến áp đánh lửa xe đời cũ với độ tự cảm lớn (đường 1), tốc độ tăng dòng sơ cấp chậm hơn so với biến áp đánh lửa xe đời mới với độ tự cảm nhỏ (đường 2) Chính vì vậy, lửa sẽ yếu khi tốc độ càng cao Trên các xe đời mới, hiện tượng này được khắc phục nhờ sử dụng biến áp đánh lửa có L1 nhỏ

Hình 4.5: Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp i 1

Đồ thị cho thấy độ tự cảm L1 của cuộc sơ cấp càng lớn thì tốc độ tăng trưởng dòng sơ cấp i1 càng giảm

Gọi tđ là thời gian transistor công suất dẫn thì cường độ dòng điện sơ cấp Ing tại thời điểm đánh lửa khi transistor công suất ngắt là:

) e 1 ( R

tđ = đ.T = đ.120/ (n.Z) (4.4)

T : chu kỳ đánh lửa (s)

n : số vòng quay trục khuỷu động cơ (min-1)

Z : số xylanh của động cơ

đ : Thời gian tích lũy năng lượng tương đối

Trên các xe đời cũ, tỷ lệ thời gian tích lũy năng lượng đ = 2/3, còn ở các xe đời mới nhờ cơ cấu hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng (góc ngậm) nên đ < 2/3

).

e 1 ( R

U

1 nZ

120 ñ

2 1

2

) 1

( 2



)2

1(2

2

2

2 1 2

LR

UL

a

1 1

1

, t L

R

Đối với HTĐL thường và HTĐL bán dẫn loại không có mạch hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng tđ, điều kiện (4.7) không thể thực hiện được vì tđ là giá trị thay đổi phụ thuộc vào tốc độ n của động cơ (4.4) Sau khi đạt được giá trị U/R , dòng điện qua cuộn sơ cấp sẽ gây tiêu phí năng lượng vô ích, tỏa nhiệt trên cuộn sơ cấp và điện trở phụ Trên các xe đời mới, nhược điểm trên được loại trừ nhờ mạch hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng tđ (Dwell Control)

Lượng nhiệt tỏa ra trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa Wn được xác định bởi công thức sau:



td

2 1

n i R dt

W

dt ) e e

1 ( R R

U

1 ñ t

1 / 2 1 1

t

0

2 1

(2)1

(

1 2

tRR

Trong thời gian tích lũy năng lượng, trên cuộn thứ cấp cũng xuất hiện một sức điện động tương đối nhỏ, chỉ xấp xỉ 1.000 V

dt

di L K

1

2 

Trong đó:

e2 : sức điện động trên cuộn thứ cấp

Kbb : hệ số biến áp của biến áp đánh lửa

Sức điện động này bằng 0 khi dòng điện sơ cấp đạt giá trị U/R

Trong sơ đồ này:

Rm : điện trở mất mát

Rr : điện trở rò qua điện cực bugi

Hình 4.6: Sơ đồ tương đương của HTĐL

Bỏ qua hiệu điện thế accu vì hiệu điện thế accu rất nhỏ so với hiệu điện thế xuất hiện trên cuộn sơ cấp lúc transistor công suất ngắt Ta xét trường hợp không tải, có nghĩa là dây cao áp được tách ra khỏi bugi Tại thời điểm transistor công suất ngắt, năng lượng

từ trường tích lũy trong cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa được chuyển thành năng lượng điện trường chứa trên tụ điện C1 và C2 và một phần mất mát Để xác định hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m ta lập phương trình cân bằng năng lượng lúc transistor công suất ngắt:

A U

C U C L

2

2 2

2 1 1 1

2

Trong đó:

C1: điện dung của tụ điện mắc song song với vít lửa hoặc transistor công suất

C2: điện dung ký sinh trên mạch thứ cấp

U1m, U2m: hiệu điện thế trên mạch sơ cấp và thứ cấp lúc transistor công suất ngắt

A: năng lượng mất mát do dòng rò, dòng fucô trong lõi thép của biến áp đánh lửa

U2m = Kbb U1m

Kbb = W2/W1: hệ số biến áp của biến áp đánh lửa

W1, W2: số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp

2 2 2 2

2 2 1 1



1

2 2 2 1 2

2 1

1 2

CKC

LI

KU

bb ng

bb m







.

.

2

2 1

2 1 2

C K C

I L K

U

bb

ng bb

2

2

2 1 2

CKC

WK

U

bb

dt bb

: Hệ số tính đến sự mất mát trong mạch dao động,  = 0,7  0,8

Hình 4.7: Qui luật biến đổi của dòng điện sơ cấp i 1 và hiệu điện thế thứ cấp U 2m Qui luật biến đổi dòng điện sơ cấp i1 và hiệu điện thế thứ cấp u2m được biểu diễn trên hình 4.7 Khi transistor công suất ngắt, cuộn sơ cấp sẽ sinh ra một sức điện động khoảng

100 – 300V

4.1.3 Quá trình phóng điện ở điện cực bugi

Khi điện áp thứ cấp U2 đạt đến giá trị Uđl, tia lửa điện cao thế sẽ xuất hiện giữa hai điện cực của bugi Bằng thí nghiệm người ta chứng minh được rằng tia lửa xuất hiện ở điện cực bugi gồm hai thành phần là thành phần điện dung và thành phần điện cảm Thành phần điện dung của tia lửa do năng lượng tích lũy trên mạch thứ cấp được qui ước bởi điện dung ký sinh C2 Tia lửa điện dung được đặc trưng bởi sự sụt áp và tăng dòng đột ngột Dòng có thể đạt vài chục Ampe (hình 4.8)

Mặc dù năng lượng không lớn lắm (C2.U2

dl)/2 nhưng công suất phát ra bởi thành phần điện dung của tia lửa nhờ thời gian rất ngắn (1s) nên có thể đạt hàng chục, có khi tới hàng trăm kW Tia lửa điện dung có màu xanh sáng kèm theo tiếng nổ lách tách đặc trưng

Dao động với tần số cao (106  107Hz) và dòng lớn, tia lửa điện dung gây nhiễu vô tuyến và mài mòn điện cực bugi Để giải quyết vấn đề vừa nêu, trên mạch thứ cấp (như nắp delco, mỏ quẹt, dây cao áp) thường được mắc thêm các điện trở Trong các ô tô đời mới, người ta dùng dây cao áp có lõi bằng than để tăng điện trở

l 2 , A 300

t

a Thời gian tia lửa điện dung

b Thời gian tia lửa điện cảm

Hình 4.8: Qui luật biến đổi hiệu điện thế thứ cấp U 2m và cường độ

dòng điện thứ cấp i 2 khi transistor công suất ngắt

Do tia lửa xuất hiện trước khi hiệu điện thế thứ cấp đạt giá trị U2m nên năng lượng của tia lửa điện dung chỉ là một phần nhỏ của năng lượng phóng qua bugi Phần năng lượng còn lại sẽ hình thành tia lửa điện cảm Dòng qua bugi lúc này chỉ vào khoảng 20

 40 mA Hiệu điện thế giữa hai cực bugi giảm nhanh đến giá trị 400  500 V Thời gian kéo dài của tia lửa điện cảm gấp 100 đến 1.000 lần thời gian tia lửa điện dung và thời gian này phụ thuộc vào loại biến áp đánh lửa, he hở bugi và chế độ làm việc của động

cơ Thường thì thời gian tia lửa điện cảm vào khoảng 1 đến 1,5 ms Tia lửa điện cảm có màu vàng tím, còn được gọi là đuôi lửa

Trong thời gian xuất hiện tia lửa điện, năng lượng tia lửa Wp được tính bởi công thức:

dt ) t ( i U

Kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng, ở tốc độ thấp của động cơ, Wp có giá trị khoảng 20  50 mJ

4.2 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA THƯỜNG

4.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cấu trúc của HTĐL của động cơ 4 xi lanh, thứ tự đánh lửa 1,3,4,2, được thể hiện trên hình 4.9a, sơ đồ của HTĐL dùng cho với thứ tự đánh lửa 1,2,4,3 - trên hình 4.9b

a Cấu tạo

Bộ điều khiển đánh lửa (ĐKĐL) gồm cam 5, tiếp điểm 6 và tụ điện 8 Cam có số đỉnh lồi đúng bằng số lượng nến đánh lửa, được dẫn động từ trục cam (với tỷ số truyền bằng 1) hay từ trục khủy động cơ (với tỷ số truyền bằng 1/2) trên động cơ 4 kỳ Cam quay thực hiện đóng mở mạch điện thấp áp (sơ cấp) tạo dòng điện 1 chiều thành dạng nhấp nháy Khi cam quay đến đỉnh lồi, đỉnh cam tách tiếp điểm, khi cam quay tới điểm bằng, nối tiếp điểm Bộ điều khiển đánh lửa được bố trí trong vỏ chung của bộ chia điện Biến áp đánh lửa 9 (BADL) gồm hai cuộn dây: sơ cấp W1, cuộn thứ cấp W2 cùng đặt trên một khung từ Một đầu cuộn dây sơ cấp nối với tiếp điểm 6, đầu kia nối đến cực dương của ắc quy 11 thông qua khóa điện 10, và tạo thành mạch sơ cấp (thấp áp) Mạch điện cao áp gồm: bugi 1, các dây cao áp 2, bộ chia điện cao áp nằm trong nắp

4 và con quay chia điện 3 Con quay chia điện 3 được lắp và cùng quay trên trục của cam 5 Các bugi 1 được lắp ở phần buồng đốt của xi lanh động cơ, một cực tiếp mát (điểm nối chung cực âm của ắc quy), một cực nối với điểm chia điện của con quay 3 Bugi có nhiệm vụ phát tia lửa điện khi có dòng điện cao áp đi tới Một sợi dây cao áp nối từ con quay 3 đến đầu cuộn dây thứ cấp W2 của biến áp đánh lửa 11 Đầu kia của cuộn dây W2 được nối chung với đầu cuộn dây W1 và được nối với mát của hệ thống

b Nguyên lý làm việc

Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý của HTĐL thường

M- Cực âm chung

1 Bu gi (nến)

2 Dây cao áp

3 Con quay

4 Nắp chia điện

5 Cam

6 Tiếp điểm (cặp má vít)

7 Thân chia điện

13 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm

Mạch thấp áp

Mạch cao áp

13

Khi bật khóa điện sang vị trí đóng mạch với cực dương ắc quy (ON), dòng điện từ cực dương của ắc quy 11 chạy trong mạch sơ cấp qua khóa điện 10, cuộn sơ cấp W1 của biến áp đánh lửa 9, đến cặp tiếp điểm 6 (cam 6 ở vị trí thấp), về cực mát Dòng điện này

đi qua cuộn sơ cấp W1 của biến áp đánh lửa, tích lũy năng lượng ở dạng từ trường trên cuộn sơ cấp đó nên được gọi là dòng điện sơ cấp Khi động cơ quay, cam 5 và con quay chia điện 3 quay theo Nếu pit tông của xi lanh I của động cơ đi lên đến cuối quá trình nén, cam 5 quay đến vị trí đỉnh lồi, tiếp điểm 6 tách ra, mạch sơ cấp bị ngắt đột ngột và dòng sơ cấp giảm về 0 Đồng thời, con quay chia điện 3 (được bố trí sẵn) quay đến vị trí nối thông mạch điện với nến đánh lửa của xi lanh số I Dòng điện sơ cấp giảm nhanh

về 0 tạo nên từ thông biến thiên trong khung từ, sức điện động cảm ứng trên cuộn dây W2 nhanh chóng đạt giá trị lớn (khoảng 10 kV đến 40 kV) Sức điện động cảm ứng này được gọi là sức điện động cao áp hay điện áp đánh lửa Điện áp cao này truyền qua dây cao áp đến nắp bộ chia điện, tới bugi của xi lanh I làm phát sinh tia lửa điện giữa các điện cực nằm trong buồng đốt, hỗn hợp bắt cháy

Khi cặp tiếp điểm 6 mở, dòng điện sơ cấp biến thiên nhanh về 0, trong cuộn W1 cũng xuất hiện sức điện động tự cảm khá lớn Sức điện động này có thể gây ra tia lửa điện phóng qua cặp má vít đang mở, gây cháy rỗ cặp má vít Tụ điện 8 được nối song song với cặp má vít 6 sẽ tích một phần lớn điện năng (khi có sức điện động tự cảm), hạn chế tia lửa điện phóng qua cặp má vít Tuy nhiên để nâng cao tuổi thọ làm việc, cặp má vít 6 được làm bằng bạch kim có khả năng chống ăn mòn cao dưới tác dụng của tia lửa HTĐL thường này còn được gọi là “HTĐL tiếp điểm”

Điện áp đánh lửa phụ thuộc chính vào giá trị dòng điện sơ cấp tại thời điểm bắt đầu

bị triệt tiêu Khi cặp tiếp điểm 6 đóng, dòng điện sơ cấp không đạt ngay giá trị cực đại

mà tăng dần theo thời gian Khoảng thời gian cặp tiếp điểm đóng ảnh hưởng đến giá trị dòng điện sơ cấp trước khi nó bị triệt tiêu, tức là ảnh hưởng đến điện áp đánh lửa Khi tốc độ động cơ tăng cao, khoảng thời gian cặp tiếp điểm đóng bị giảm, cường độ dòng điện sơ cấp giảm, điện áp đánh lửa giảm, chất lượng tia lửa tại nến đánh lửa kém Để tránh hiện tượng đó, trên mạch sơ cấp mắc nối tiếp thêm một điện trở phụ Điện trở phụ này có hệ số nhiệt điện trở lớn (điện trở nhiệt) Khi tốc độ động cơ tăng, cường độ trung bình của dòng điện sơ cấp giảm, nhiệt lượng do dòng điện sơ cấp sinh ra tại điện trở phụ nhỏ, nhiệt độ giảm dẫn tới giá trị điện trở của nó giảm đi Tổng trở của toàn mạch sơ cấp nhỏ nên cường độ dòng điện sơ cấp và điện áp đánh lửa không bị giảm nhiều Khi khởi động động cơ bằng máy khởi động điện, máy khởi động tiêu thụ dòng điện rất lớn, gây sụt áp trên toàn bộ HTĐL, chất lượng đánh lửa kém Để hạn chế hậu quả

đó, trong rơ-le khởi động có bố trí một mạch nối tắt điện trở phụ khi khởi động Khi khóa điện 10 bật sang vị trí khởi động, dòng điện đi qua rơ-le khởi động, đóng mạch

khởi động, đồng thời đóng mạch nối tắt điện trở phụ Tổng trở của mạch sơ cấp giảm, đảm bảo dòng sơ cấp lớn và chất lượng đánh lửa tốt

Thời điểm đánh lửa có ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của động cơ Thời điểm đánh lửa của động cơ được xác định bởi góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào tốc độ động cơ, tải động cơ, nhiệt độ động cơ, theo chất lượng (trị số Ốc-tan) của xăng … Các HTĐL đều thực hiện điều chỉnh góc đánh lửa sớm HTĐL bố trí cơ cấu cơ khí tự động điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo 2 cách: cơ cấu quả văng ly tâm điều chỉnh theo tốc độ động cơ, cơ cấu điều chỉnh bằng chân không điều chỉnh theo tải động cơ Ngoài ra HTĐL tiếp điểm này còn có cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo chất lượng xăng sử dụng (điều chỉnh khi lắp ráp, sửa chữa) Cơ cấu điều chỉnh này được

bố trí bên cạnh bộ chia điện nhằm thay đổi vị trí tương đối của mâm đỡ tiếp điểm và trục cam của bộ ĐKĐL

Động cơ xăng được tắt máy bằng cách ngắt điện của HTĐL nhờ khóa điện 10 Khóa điện đồng thời đảm nhiệm các chức năng điều khiển cấp điện cho hệ thống khởi động, HTĐL, và cho một số thiết bị tiêu thụ điện trên ô tô

Sự có mặt của cặp má vít (tiếp điểm) trong hệ thống thực hiện tốt chức năng đánh lửa, nhưng lại dễ bị cháy rỗ, giảm độ tin cậy của HTĐL, do vậy ngày nay ít được dùng trên động cơ ô tô

4.2.2 Các bộ phận chính trong hệ thống

4.2.2.1 Bugi

Bugi (nến đánh lửa) là bộ phận tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt xi lanh

Cấu tạo chung của bugi được trình bày trên hình 4.10 Bên ngoài ống sứ cách điện

3 là thân bằng kim loại Phần dưới 7 của thân nến có ren để bắt vào nắp máy Phần giữa bugi bố trí điện trở 5 với giá trị điện trở nhỏ chỉ cho phép điện áp lớn đi qua, nhằm tăng khả năng phóng điện của bugi Phần ren kim loại được hàn với cực âm của bugi và bắt với mát của hệ thống điện nhằm tạo nên cực âm 10 Phần trung tâm của bugi bố trí thanh kim loại nối với dòng điện cao áp, đóng vai trò cực dương của bugi 8 Khe hở giữa các điện cực có vai trò quan trọng trong việc tạo tia lửa điện, giá trị khe hở nằm trong khoảng (0,5  1,1) mm

Một số dạng cấu trúc cuả cực bugi trình bày trên hình 4.10d

Khe hở giữa các điện cực của bugi lớn, cần có điện áp đánh lửa cao, dễ dàng đốt cháy nhiên liệu, nhất là khi hỗn hợp nghèo Ngược lại, khe hở điện cực nhỏ không cần điện áp đánh lửa lớn, nhưng tia lửa điện ngắn, khó đốt cháy hỗn hợp và dễ bị muội than lấp kín làm giảm khả năng đánh lửa

Phần điện cực của bugi nằm trong buồng đốt tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ rất cao và dễ bị bám muội Trong quá trình động cơ làm việc, muội than bám dần lên khu vực điện cực, và có thể lấp kín khe hở giữa hai điện cực, gây rò điện cao áp từ điện cực trung tâm đến cực mát Hiện tượng này làm giảm độ mạnh của tia lửa điện, gây khó khăn cho quá trình bắt cháy của nhiên liệu

Nếu nhiệt độ phần điện cực cao, muội than bị đốt cháy và điện cực được tự làm sạch Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao, hỗn hợp nhiên liệu có thể tự bắt cháy trước khi bugi phóng tia lửa điện và gây hiện tượng kích nổ Nhiệt độ thích hợp nhất của phần điện cực vào khoảng 500oC đến 600oC

Nhiệt độ phần đuôi nến phụ thuộc vào cấu tạo của bugi, điều kiện làm việc của động

cơ Tùy theo nhiệt độ của phần điện cực trong quá trình làm việc, nến được phân biệt thành loại “bugi nóng” (b) và loại “bugi lạnh” (c) Bugi nóng có phần sứ truyền nhiệt nằm sâu trong bugi, do vậy điện cực có nhiệt độ cao Bugi lạnh có phần sứ truyền nhiệt đuôi nằm sát gần buồng đốt, khả năng thoát nhiệt tốt hơn Loại bugi lạnh thích hợp cho các động cơ cao tốc, loại bugi nóng thích hợp với các động cơ tốc độ thấp

Trong quá trình phóng tia lửa điện giữa hai điện cực, các điện cực bị mòn nhanh chóng, làm thay đổi hình dáng các điện cực và tăng khoảng cách giữa chúng Khi khoảng cách giữa các điện cực quá lớn cần phải điều chỉnh lại cho phù hợp Tuổi thọ của bugi phụ thuộc vào số lần đánh lửa và tương đương vào khoảng 1 vạn km đến 6 vạn km hành trình xe hoạt động Để tăng tuổi thọ, điện cực được phủ lớp platin mỏng lên bề mặt Loại nến này có khả năng chống mòn ở nhiệt độ cao và không cần phải điều chỉnh khe hở giữa các điện cực và làm sạch điện cực bằng cách rửa sạch bằng dung môi chuyên dụng

Hình 4.10: Bugi

S, N, L: Chiều dài sứ truyền

nhiệt của bugi

*) Cách đọc thông số trên bugi

Do ký hiệu trên các loại bugi khác nhau, trong khuôn khổ quyển sách này, chỉ giới thiệu cách đọc dòng chữ ghi trên bugi NGK (Nhật) là loại phổ biến nhất ở nước ta

- Chữ đầu tiên cho ta biết đường kính ren và lục giác:

- Chữ thứ năm là ký hiệu của chiều dài phần ren:

Không có chữ 12.0mm đối với đường kính ren 18mm

9.5mm đối với đường kính ren 14mm

- Chữ thứ sáu chỉ đặc điểm chế tạo: S - loại thường; A hoặc C - loại đặc biệt; G, GP hoặc

GV - dùng cho xe đua có điện cực làm bằng kim loại hiếm; P- có điện cực Platin

- Chữ thứ bảy ký hiệu khe hở bugi:

4.2.2.2 Biến áp đánh lửa

Biến áp đánh lửa là bộ phận phát ra xung điện cao áp trong HTĐL Đây là một loại máy biến thế tự ngẫu, có kích thước rất nhỏ gọn nhưng có thể biến những xung điện áp thấp thành xung điện áp rất cao

Cấu tạo của biến áp đánh lửa được thể hiện trên hình 4.11a, sơ đồ nguyên lý hoạt động - trên hình 4.11b Các cuộn dây thứ cấp 8 và cuộn dây sơ cấp 9 được cuốn xung quanh lõi sắt từ 11 Cuộn sơ cấp thường có từ 150 đến 300 vòng, được quấn bằng dây đồng có đường kính 0,5 đến 1 mm Cuộn thứ cấp thường có 15.000 đến 30.000 vòng với đường kính dây khoảng 0,05 đến 0,1 mm Nhờ vậy, sức điện động trên cuộn thứ cấp

có điện thế cao Cuộn dây sơ cấp phát nhiệt nhiều, bố trí ở ngoài vỏ tạo khả năng thoát nhiệt tốt Hai cuộn dây được nối chung một đầu, là cực dương 13 của biến áp Đầu cuộn thứ cấp (cực cao áp 1) được nối tới bộ chia điện Đầu cuộn sơ cấp (cực âm 3) được nối với mát qua bộ điều khiển đánh lửa

Ngoài ra trong biến áp còn có các tấm cách điện 7 để tránh đoản mạch Nắp 2 của biến áp được làm từ vật liệu cách điện Để tăng khả năng dẫn nhiệt, bên trong biến áp được đổ đầy dầu biến thế

Trong các HTĐL trực tiếp không sử dụng bộ chia điện, các biến áp đánh lửa nhỏ gọn hơn, được bố trí ngay trên đầu nến đánh lửa chung với bộ điều khiển đánh lửa 4.2.2.3 Bộ chia điện

Trên HTĐL tiếp điểm và bán dẫn, bộ chia điện cao áp thường được bố trí trong một cụm gồm: bộ điều khiển đánh lửa, trục dẫn động, và các cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa sớm Cụm này được gọi tên chung là bộ chia điện

Các bộ phận cơ bản của bộ điều khiển đánh lửa trên HTĐL tiếp điểm (hình 4.12) gồm: cam 5, các má vít 27, tụ điện 15, bộ phận điều chỉnh khe hở cặp má vít, các dây dẫn… được bố trí trên mâm tiếp điểm 7 Cam 5 được dẫn động nhờ trục 12 thông qua

bộ điều chỉnh xoay góc đánh lửa sớm Dòng sơ cấp được dẫn qua cực nối dây 14 tới má

Hình 4.11: Cấu tạo (a) và sơ đồ nguyên

lý (b) của biến áp đánh lửa

vít động 27 của cặp tiếp điểm Má vít cố định được bố trí trên một mâm đỡ 7 có thể điều chỉnh được vị trí nhờ vít chỉnh 25 và nối mát với thân bộ chia điện 13 Bằng cách xoay vít chỉnh 25 có thể dịch chuyển má vít tĩnh, hiệu chỉnh khe hở cực đại của tiếp điểm Tụ điện 15 (điện dung  0,170,35 μF) mắc song song với tiếp điểm

Hình 4.12: Cấu tạo bộ chia điện trong HTĐL tiếp điểm

1 Tiếp điểm than

15 Tụ điện

16 Bộ điều chỉnh

Bộ phận chia điện cao áp được bố trí ở phần nắp bộ chia điện 2 Con quay 4, đặt trên đầu trục 17, có lá đồng 3 dẫn dòng điện cao áp đến các tiếp điểm của nắp bộ chia điện Các tiếp điểm băng đồng được bố trí trong nắp 2 bộ chia điện Nắp bộ chia điện được làm từ vật liệu cách điện tốt Phía trên nắp là các lỗ để cắm các đầu dây cao áp Lỗ giữa nối với dây cao áp từ biến áp đánh lửa đến, các lỗ xung quanh nối với các đầu dây cao áp dẫn tới các bugi đánh lửa Xung điện cao áp từ biến áp đánh lửa được đưa tới cực

b) Bộ điều chỉnh bằng ly tâm

c) Bộ điều chỉnh bằng chân không

trung tâm trên nắp bộ chia điện và từ đó qua tiếp điểm bằng than 1 đến lá đồng của con quay 4 Khi động cơ hoạt động, lá đồng trên con quay 4 quay và lần lượt tiếp xúc với các tiếp điểm của bộ chia điện, cấp điện cao áp đến từng bugi theo thứ tự làm việc của các xi lanh

Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm bằng ly tâm (hình 4.12b) có nhiệm vụ tự động điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ làm việc của động cơ Cấu tạo gồm: hai quả văng

19 liên kết bằng khớp bản lề với mâm 7 Các quả văng này được các lò xo 21 luôn kéo

về tâm trục Trên mỗi quả văng có chốt 20, các chốt này nằm lọt trong rãnh xiên của đòn dẫn quay 18 dẫn quay trục cam 5 Khi tốc độ động cơ tăng, trục 12 quay nhanh và các quả văng bị văng ra phía ngoài do lực ly tâm lớn Khi đó, các chốt 20 trượt trong các rãnh xiên đòn dẫn quay 18 và xoay cam 5 đi một góc theo chiều quay của trục cam Cam 5 xoay đi một góc đưa tiếp điểm động mở sớm hơn, thực hiện dịch chuyển thời điểm đánh lửa sớm Ngược lại, khi tốc độ động cơ nhỏ, trục 12 quay chậm, lực ly tâm trên các quả văng nhỏ, các lò xo 21 kéo quả văng 19 vào tâm Đòn 18 và cam 5 xoay ngược chiều quay của cam thực hiện giảm góc đánh lửa sớm Kết cấu điều chỉnh góc đánh lửa sớm được gọi là bộ điều chỉnh bằng ly tâm

Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm bằng chân không có nhiệm vụ điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo chế độ tải trọng đặt lên động cơ Nguyên lý làm việc của nó dựa trên độ chênh áp suất (độ chân không) sau bướm ga để tạo lực làm xoay mâm tiếp điểm đi một góc đối với cam điều khiển đánh lửa Cấu tạo của bộ điều chỉnh này trình bày trên hình 4.12a, các trạng thái làm việc thể hiện trên hình 4.12c Bầu chân không bằng thép, trong

đó có màng 23 tạo thành hai buồng Buồng phía bên trái nối với họng hút của động cơ (dưới bộ CHK) bằng ống dẫn 16, buồng bên phải thông với khí trời Lò xo 22 có xu hướng đẩy màng về phía bên phải Thanh kéo 24 một đầu được nối với màng 23 và đầu kia nối với mâm tiếp điểm 7 Mâm tiếp điểm được đặt trên mâm cố định (gắn với vỏ bộ chia điện) thông qua ổ bi và có thể được quay tương đối với mâm cố định và trục cam

Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo trị số ốc-tan của xăng nằm ở phía dưới bộ chia điện Cấu tạo của nó gồm bảng chia độ 9 (hình 4.12a) được cố định với thân động cơ

bằng bu lông, giá đỡ bộ điều chỉnh 10 gắn với thân bộ chia điện bằng vít 11 Giá 10 có rãnh bắt vít 11 dạng vòng cung, cho phép thân bộ chia điện có thể quay tương đối với giá đỡ khi đặt lửa ban đầu Vị trí tương đối của bộ điều chỉnh 10 (so với bảng chia độ 9) được điều chỉnh bởi các ê-cu 8 trên thanh vít điều chỉnh Khi xoay ê-cu 8 có thể thay đổi vị trí của thân bộ chia điện đối với trục chia điện, thực hiện điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp với trị số ốc tan của loại nhiên liệu sử dụng

Trong các HTĐLĐT không có các bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm nêu trên Góc đánh lửa sớm được hệ thống tự xác định ứng với mỗi trạng thái làm việc của động cơ 4.3 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA BÁN DẪN

Hiện nay, hầu hết các loại ô tô đều được trang bị hệ thống đánh lửa bán dẫn vì loại này có ưu thế là tạo được tia lửa mạnh ở điện cực bugi, đáp ứng tốt ở các chế độ làm việc của động cơ, tuổi thọ cao … Qua quá trình phát triển hệ thống đánh lửa điện tử được chế tạo, cải tiến với nhiều loại khác nhau, song có thể chia thành hai loại chính sau:

- Hệ thống đánh lửa bán dẫn điều khiển trực tiếp:

Trong hệ thống này, các linh kiện điện tử được tổ hợp thành một mạch được gọi là igniter, bộ phận này có nhiệm vụ đóng ngắt mạch sơ cấp nhờ các tín hiệu đánh lửa từ cảm biến Hệ thống đánh lửa bán dẫn loại này còn có thể chia làm hai loại:

+ Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm: vít điều khiển có cấu tạo giống như trong hệ thống đánh lửa thường nhưng chỉ làm nhiệm vụ điều khiển đóng mở transistor

+ Hệ thống đánh lửa bán dẫn không có tiếp điểm: transistor công suất được điều khiển bằng một cảm biến đánh lửa

- Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng kỹ thuật số:

Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng kỹ thuật số còn được gọi là hệ thống đánh lửa theo chương trình Dựa vào các tín hiệu như: tốc độ động cơ, vị trí cốt máy, vị trí bướm

ga, nhiệt độ động cơ… mà bộ điều khiển (ECU – Electronic Control Unit) sẽ điều khiển

để Igniter tạo ra tia lửa ở mạch thứ cấp vào đúng thời điểm đánh lửa Trong hệ thống đánh lửa loại này, góc đánh lửa sớm tối ưu và góc ngậm điện được lưu trong bộ nhớ của ECU Vì vậy, trong bộ chia điện không còn cơ cấu đánh lửa sớm ly tâm và áp thấp nữa 4.3.1 Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm

4.3.1.1 Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm cơ bản

a Sơ đồ cấu tạo

Hệ thống đánh lửa bán dẫn có vít điều khiển hiện nay rất ít được sản xuất Tuy nhiên,

ở Việt Nam vẫn còn nhiều loại xe cũ trước kia có trang bị hệ thống này Hình 4.13 trình bày một sơ đồ đơn giản của hệ thống đánh lửa bán dẫn có vít điều khiển Cuộn sơ cấp

W1 của biến áp đánh lửa được mắc nối tiếp với transistor T, còn tiếp điểm K được nối

với cực gốc của transistor T Do có transistor T nên điều kiện làm việc của tiếp điểm được cải thiện rất rõ, bởi vì dòng qua tiếp điểm chỉ là dòng điều khiển cho transitor nên thường không lớn hơn 1A

Hình 4.13: Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn có vít điều khiển

b Nguyên lý làm việc

Khi công tắt máy IG/SW đóng thì cực E của transistor T được cấp điện thế dương Còn điện thế ở cực C của transistor có giá trị âm Khi cam không đội, tiếp điểm K đóng,

sẽ xuất hiện dòng điện qua cực gốc của transistor theo mạch sau: (+) accu  IG/SW 

Rf  Wt  cực E  cực B  Rb  K  (-) accu Rb là điện trở phân cực được tính toán sao cho dòng Ib vừa đủ để transistor dẫn bão hòa Khi transistor dẫn dòng qua cuộn

sơ cấp đi theo mạch: (+) accu  IG/SW Rf  Wt  cực E  cực C  mass (âm accu) Dòng sơ cấp của biến áp đánh lửa có thể được tính bằng tổng dòng điện Ib + Iccủa transistor T Dòng điện này tạo nên một năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa và khi tiếp điểm K mở, dòng Ib = 0, transistor T khóa lại, dòng sơ cấp I1 qua W1 bị ngắt thì năng lượng này được chuyển hóa thành năng lượng để đánh lửa, và một phần thành sức điện động tự cảm trong cuộn W1 của biến áp đánh lửa

Sức điện động tự cảm trong cuộn W1 ở hệ thống đánh lửa thường có giá trị khoảng

200  400V Do vậy, không thể dùng các biến áp đánh lửa của hệ thống đánh lửa thường cho một số sơ đồ đánh lửa bán dẫn vì transistor sẽ không chịu nổi điện áp cao đặt vào giữa các cực E – C của transistor khi nó ở trạng thái khóa Trong các hệ thống đánh lửa bán dẫn người ta thường sử dụng các biến áp đánh lửa có hệ số biến áp lớn và có độ tự cảm L1 nhỏ hơn loại thường hoặc người ta có thể mắc thêm các mạch bảo vệ cho transistor

4.3.1.1 Một số hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm khác

Trên thực tế, sơ đồ của hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm phức tạp hơn Để sử dụng transistor công suất loại NPN, người ta có thể dùng hai transistor như trong sơ đồ

hình 4.14 của hãng Motorola, hoặc như sơ đồ hình 4.15 cho loại TK 102 với transistor loại PNP

Hình 4.14: Sơ đồ hệ thống đánh lửa của hãng Motorola

Sơ đồ hình 4.15 bao gồm một hộp điện trở CÝ107, igniter TK 102, biến áp đánh lửa 114 và bộ chia điện

Hình 4.15: Sơ đồ hệ thống đánh lửa TK 102

*) Nguyên lý làm việc

Bật công tắc máy IGIG/SW, điện được cung cấp đến igniter qua Rf1 và Rf2 Nếu vít

hở, transistor T ở trạng thái khóa, trong cuộn sơ cấp không có dòng điện Khi vít K đóng lại, xuất hiện ba dòng điện đi theo các nhánh sau: