− Theo nguồn điện sử dụng, hệ thống đánh lửa được phân biệt thành : Hệ thống đánh lửa bằng ắc quy và hệ thống đánh lửa bằng ma-nhê- tô − Theo dạng năng lượng tích lũy trong hệ thống, hệ
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ
Nhiệm vu, phân loại và yêu cầu
Hệ thống đánh lửa biến nguồn điện một chiều có hiệu điện thế thấp (6V, 12V hoặc 24V) thành các xung điện cao áp (khoảng 12.000–40.000V) để tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí trong xilanh của động cơ ở đúng thời điểm, tương ứng với trình tự xilanh và chế độ làm việc của động cơ, nhằm đảm bảo quá trình cháy diễn ra hiệu quả và ổn định.
1.1.2 Phân loại hệ thống đánh lửa
Cấu trúc hệ thống đánh lửa được nhận dạng thông qua các đặc điểm sau.
− Theo nguồn điện sử dụng, hệ thống đánh lửa được phân biệt thành : Hệ thống đánh lửa bằng ắc quy và hệ thống đánh lửa bằng ma-nhê- tô
− Theo dạng năng lượng tích lũy trong hệ thống, hệ thống đánh lửa phân biệt thành : Hệ thống đánh lửa điện cảm và hệ thống đánh lửa điện dung.
− Theo thiết bị điều khiển quá trình đánh lửa, hệ thống đánh lửa phân biêt thành :
Hệ thống đánh lửa thường, hệ thông đánh lửa bán dẫn và hệ thống đánh lửa điện tử
Hệ thống đánh lửa điện tử được phân làm hai nhóm chính: hệ thống có bộ chia điện và hệ thống không dùng bộ chia điện; ngoài ra, các hệ thống đánh lửa điện dung và đánh lửa ma-nhê-tô hiện nay ít được sử dụng Với ưu điểm nổi bật, hệ thống đánh lửa điện tử ngày càng được sử dụng phổ biến trên động cơ ô tô.
− Phân loại theo hệ thống đánh lửa và quá trình phát triển b) Kiểu đánh lửa bằng vít
Hệ thống này ra đời từ khi có ô tô tới những năm 1974 Nó gồm các bộ phận chính là cuộn đánh lửa, dây cao áp, bugi và các cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng ly tâm, bằng chân không Trong kiểu hệ thống đánh lửa này, việc điều khiển góc đánh lửa sớm cho phép tối ưu quá trình đốt cháy nhiên liệu, nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu hiện tượng kích nổ ở các chế độ vận hành khác nhau.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng cơ Dòng sơ cấp của bô bin được điều khiển cho chạy ngắt quãng qua tiếp điểm của vít lửa Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm li tâm và chân không điều khiển thời điểm đánh lửa.
Bộ chia điện sẽ phân phối điện cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi.
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống đánh lửa điều khiển bằng vít
Trong kiểu đánh lửa này, tiếp điểm của vít lửa cần được điều chỉnh thường xuyên hoặc thay thế để đảm bảo tia lửa ổn định Một điện trở phụ được đưa vào mạch để giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp và đồng thời giảm sụt áp tối thiểu của cuộn thứ cấp khi vận hành ở tốc độ cao.
Trong hệ thống đánh lửa, vít lửa có tiếp điểm đóng mở phụ thuộc vào vấu cam; nhược điểm của thiết kế này là tiếp điểm dễ bị đóng bẩn và muội than tích tụ theo thời gian, khiến hiệu suất đánh lửa giảm sút và phải bảo trì thường xuyên Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường xem xét kiểu bán dẫn (b) Kiểu bán dẫn như một giải pháp thay thế nhằm cải thiện độ tin cậy và tối ưu hóa hiệu suất đánh lửa.
Hệ thống đánh lửa bán dẫn ra đời vào những năm 1970 nhằm khắc phục nhược điểm của hệ thống đánh lửa bằng vít Trong thiết kế này, transistor đảm nhận việc điều khiển dòng sơ cấp và cho phép quá trình đánh lửa hoạt động theo chu kỳ gián đoạn đúng với tín hiệu điện được phát ra từ bộ phát tín hiệu, giúp tăng độ ổn định và chính xác của ngọn lửa.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn
Góc đánh lửa sớm có thể được điều khiển bằng cơ, như trong hệ thống đánh lửa bằng vít, hoặc có thể dùng các cảm biến vị trí như cảm biến quang học và cảm biến Hall để xác định thời điểm đánh lửa một cách chính xác Sự kết hợp này cho phép tối ưu hóa góc đánh lửa, cải thiện hiệu suất động cơ và giảm tiêu thụ nhiên liệu.
Hệ thống đánh lửa này có ưu điểm không cần bảo dưỡng định kỳ, từ đó giảm chi phí bảo dưỡng cho người dùng và tạo tia lửa mạnh ở điện cực, đáp ứng tốt ở các chế độ làm việc của động cơ và có tuổi thọ cao Kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa sớm bằng điện tử).
Trong hệ thống đánh lửa này, không sử dụng bộ đánh lửa sớm chân không và li tâm Thay vào đó, chức năng ESA của bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm, tối ưu hóa quá trình đốt cháy và hiệu suất của động cơ.
Hình 1.3: Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA d) Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat
Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS được phát triển từ giữa thập kỷ 80 trên các loại xe sang trọng và ngày càng được ứng dụng rộng rãi Khác với hệ thống dùng bộ chia điện, DIS sử dụng bô bin đơn hoặc đôi để cung cấp điện cao áp trực tiếp cho bugi, mang lại hiệu quả đánh lửa nhanh hơn và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Hình 1.4 trình bày hệ thống đánh lửa DIS và cho thấy ưu điểm nổi bật là không có dây cao áp, giúp giảm mất mát năng lượng, giảm điện dung ký sinh và giảm nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp.
Công suất và đặc tính động học của động cơ ô tô được cải thiện rõ rệt
Có khả năng điều khiển chống kích nổ cho động cơ.
Động cơ này được thiết kế bền bỉ với tuổi thọ cao và ít cần bảo dưỡng, giúp người dùng tiết kiệm thời gian và chi phí bảo trì Nó khởi động dễ dàng, vận hành ổn định và êm ái ngay từ lần khởi động đầu tiên, mang lại trải nghiệm lái mượt mà Hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu được tối ưu, giúp giảm khí thải độc hại và bảo vệ môi trường.
1.1.3 Yêu cầu của hệ thống đánh lửa
Một hệ thống đánh lửa tốt phải thoả mãn các yêu cầu sau:
Để động cơ hoạt động ổn định ở mọi chế độ làm việc, hệ thống đánh lửa phải sinh ra dòng thứ cấp đủ lớn để phóng điện qua khe hở bugi Dòng thứ cấp này đảm bảo tia lửa hình thành và duy trì qua các điều kiện vận hành, giúp quá trình cháy bắt đầu đúng lúc và tối ưu hóa hiệu suất, công suất và độ tin cậy của động cơ trong mọi trường hợp.
• Tia lửa trên bugi phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự cháy bắt đầu.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat
• Góc đánh lửa sớm phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ
• Các phụ kiện của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao và độ rung xóc lớn
• Sự mài mòn điện cực bugi phải nằm trong khoảng cho phép.
• Độ tin cậy làm việc của hệ thống đánh lửa phải tin cậy tương ứng với độ tin cậy làm việc của động cơ.
• Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ
Các thông số cơ bản của hệ thống đánh lửa
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại (U2m) là điện áp tối đa đo được giữa hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tháo dây cao áp khỏi bugi Giá trị này phải đủ lớn để tạo tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt quan trọng trong quá trình khởi động động cơ.
1.2.2 Hiệu điện thế đánh lửa U đl
Hiệu điện thế thứ cấp nơi xảy ra quá trình đánh lửa được gọi là hiệu điện thế đánh lửa (Uđl) Hiệu điện thế đánh lửa là một tham số phụ thuộc vào nhiều yếu tố và tuân theo định luật Paschen, cho thấy sự phụ thuộc của quá trình đánh lửa vào các tham số như áp suất, khoảng cách điện cực và thành phần khí Hiểu rõ Uđl giúp mô phỏng và thiết kế hệ thống đánh lửa hiệu quả hơn.
Trong đó: Uđl: Hiệu điện thế đánh lửa [V].
P: Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa [N/m 2 ].
T: Nhiệt độ ở điện cực trung tâm bugi tại thời điểm đánh lửa [ 0 C ].
K: Hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat
Hình 1.5: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải của động cơ
1 Toàn tải, 2 Vừa tải, 3 Toàn tải, 4 khởi động và cầm chừng. Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa khoảng 20 đến 30% do nhiệt độ cực bougine thấp.
Khi động cơ tăng tốc, điện áp đánh lửa Uđl tăng lên do áp suất nén tăng Tuy nhiên, nhiệt độ lại giảm dần sau đó vì nhiệt độ của điện cực bu-gi tăng lên và áp suất nén giảm do quá trình nạp xấu đi, làm giảm chất lượng cháy và hiệu quả vận hành của động cơ.
Hiệu điện thế đánh lửa 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.
Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa tại bugi cho đến khi piston đạt tới điểm chết trên Đây là chỉ số quan trọng trong hệ thống đánh lửa của động cơ đốt trong, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, công suất và mức tiêu hao nhiên liệu Việc tối ưu góc đánh lửa sớm giúp động cơ khởi động ổn định và vận hành êm ái, tăng hiệu quả đốt cháy, trong khi sai lệch ở góc này có thể gây ping động cơ, làm nóng máy và giảm hiệu suất.
Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ Giá trị tối ưu của góc đánh lửa sớm phụ thuộc vào nhiều yếu tố và có thể được diễn đạt dưới dạng opt = f(p_bd, t_bd, p, t_wt, t_mt, n, N_o, …) Trong thực tế, các tham số như áp suất p_bd, nhiệt độ t_bd, áp suất tổng thể p, nhiệt độ t_wt, nhiệt độ t_mt, tốc độ quay n và các thông số khác liên quan đến cấu hình và tình trạng làm việc đều ảnh hưởng đến thời điểm đánh lửa tối ưu Việc nắm bắt đúng mối quan hệ này giúp tối ưu công suất khi cần thiết, cân bằng giữa chi phí vận hành và mức phát thải, và duy trì động cơ hoạt động ổn định ở các chế độ vận hành khác nhau.
Trong hệ thống động cơ, các tham số cơ bản bao gồm pbđ (áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa), tbđ (nhiệt độ buồng cháy), p (áp suất trên đường nạp), twt (nhiệt độ nước làm mát động cơ), tmt (nhiệt độ môi trường) và n (số vòng quay của động cơ) pbđ cho biết mức áp suất khi đánh lửa, tbđ thể hiện điều kiện nhiệt tại buồng cháy, p phản ánh áp suất ở đường nạp, twt ảnh hưởng tới khả năng làm mát và kiểm soát nhiệt động cơ, tmt ảnh hưởng tới quá trình đốt và hiệu suất, còn n cho biết tốc độ vận hành của động cơ Hiểu rõ các tham số này giúp tối ưu hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải, đồng thời kéo dài tuổi thọ của động cơ.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat
No: Chỉ số ôctan của xăng.
1.2.4 Hệ số dự trữ K dt
Hệ số dự trữ được định nghĩa là tỉ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl Mục đích của hệ số dự trữ là đảm bảo hiệu điện thế đánh lửa luôn nằm trong phạm vi giới hạn yêu cầu, từ đó tăng độ tin cậy và an toàn cho hệ thống kích nổ Việc duy trì hệ số dự trữ phù hợp giúp phòng ngừa sự cố do lệch điện thế và tối ưu hiệu suất vận hành của thiết bị.
Hệ số dự trữ của các động cơ có hệ thống đánh lửa thường nhỏ hơn 1,5 Tuy nhiên, ở động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số dự trữ có giá trị cao hơn, khoảng từ 1,5 đến 2, cho phép tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay và mở rộng khe hở bugi.
1.2.5 Năng lượng dự trữ W dt
Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn sơ cấp của bobine Để tia lửa có đủ năng lượng đốt cháy hoàn toàn khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng đánh lửa tại cuộn sơ cấp của bobine đạt một giá trị xác định.
Trong đó: W dt : Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp.
L 1 : Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobine.
Ing: Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt.
1.2.6 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.
Trong đó: S: Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. u
2 : Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. t: thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat
Trong hệ thống đánh lửa, tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện tại điện cực bugi càng nhanh, giúp ngăn ngừa rò rỉ điện qua muội than bám trên điện cực bugi Nhờ đó, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm đi, từ đó nâng cao hiệu quả kích nổ và độ ổn định của quá trình đánh lửa.
1.2.7 Tần số và chu kỳ đánh lửa. Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa điện xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa, được xác định bởi công thức: f = n.Z
120 Đối với động cơ 2 kỳ: f = n.Z
Trong đó: f: Tần số đánh lửa. n: Số vòng quay của trục khuỷu động cơ (1/s) Z: Số xylanh động cơ.
Chu kỳ đánh lửa :T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa.
= tđ+ tm. f tđ: Thời gian vít ngậm hay transistor công suất dẫn bão hòa.
Tm: Thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt.
Tần số đánh lửa f tỉ lệ thuận với số vòng quay của trục khuỷu và số xylanh của động cơ Khi tăng cả số vòng quay và số xylanh, f tăng và chu kỳ đánh lửa T giảm xuống, khiến hệ thống đánh lửa hoạt động nhanh hơn ở tần số cao Do đó, trong thiết kế động cơ, cần chú ý đồng thời đến chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo tia lửa vẫn mạnh ở vòng quay cao nhất, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của động cơ.
1.2.8 Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện
Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là phần diện dung và phần điện cảm Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat
WP: Năng lượng của tia lửa.
W C : Năng lượng của thành phần tia lửa có điện dung.
W L : Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm.
C2: Điện dung ký sinh tại mạch thứ cấp của bougine (F)
Uđl: Hiệu điện thế đánh lửa.
L2: Độ tự cảm của mạch thứ cấp. i 2 : Cường độ dòng điện mạch thứ cấp.
Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ hai thành phần điện cảm va điện dung hoặc chỉ có một thành phần.
Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của bugi phụ thuộc vào loại hệ thống đánh lửa được sử dụng Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng tia lửa đủ lớn và thời gian phóng điện đủ dài để đốt cháy hòa khí ở mọi chế độ hoạt động của động cơ.
Lý thuyết chung về hệ thống đánh lửa trên ô tô
Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều có thế hiệu thấp (hoặc xoay chiều với xung điện thấp) thành dòng điện có thế hiệu cao và năng lượng đủ lớn để sinh tia lửa phóng qua khe hở giữa hai điện cực của bugi đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu Qua nghiên cứu người ta xác định tia lửa này có hai phần rõ rệt: một phần liên quan đến sự hình thành và phóng tia, và một phần liên quan đến sự duy trì và ổn định của tia lửa để quá trình cháy diễn ra hiệu quả.
Phần điện dung mô tả tia lửa xanh xuất hiện ở thời điểm đầu khi đánh lửa; nhiệt độ khoảng 1000°C, cường độ dòng điện rất lớn từ 500–1200 A, xuất hiện trong thời gian cực ngắn (