− Theo nguồn điện sử dụng, hệ thống đánh lửa được phân biệt thành : Hệthống đánh lửa bằng ắc quy và hệ thống đánh lửa bằng ma-nhê- tô − Theo dạng năng lượng tích lũy trong hệ thống, hệ t
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ
Nhiệm vu, phân loại và yêu cầu
1.1.1 Nhiệm vụ hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa biến dòng điện một chiều ở hiệu điện thế thấp (6V, 12V hoặc 24V) thành các xung điện cao áp (12.000–40.000V) để sinh tia lửa đốt cháy hỗn hợp trong buồng đốt của động cơ Các xung này được tạo tại thời điểm phù hợp với trình tự xi-lanh và chế độ làm việc của động cơ, bảo đảm quá trình đốt cháy hiệu quả và tối ưu hiệu suất.
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 được phân biệt thành ba loại chính: hệ thống đánh lửa thường, hệ thống đánh lửa bán dẫn và hệ thống đánh lửa điện tử Mỗi loại có cơ chế điều khiển tia lửa khác nhau, ảnh hưởng đến thời điểm đánh lửa, độ tin cậy và hiệu suất đốt cháy của động cơ, từ hệ thống đánh lửa thường ở mức đơn giản đến hệ thống đánh lửa bán dẫn và hệ thống đánh lửa điện tử tiên tiến.
Hệ thống đánh lửa điện tử được phân làm hai nhóm chính: hệ thống đánh lửa điện tử có bộ chia điện và hệ thống đánh lửa điện tử không dùng bộ chia điện; các hệ thống đánh lửa điện dung (CDI) và đánh lửa ma-nhê-tô hiện nay ít được sử dụng hơn Với ưu điểm nổi bật, hệ thống đánh lửa điện tử ngày càng được ứng dụng phổ biến trên động cơ ô tô nhờ độ tin cậy và hiệu suất đánh lửa ổn định.
− Phân loại theo hệ thống đánh lửa và quá trình phát triển b) Kiểu đánh lửa bằng vít
Hệ thống đánh lửa ô tô này ra đời từ thời kỳ đầu của ô tô và tồn tại đến những năm 1974, bao gồm các thành phần chính như cuộn đánh lửa, dây cao áp, bugi và các cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng ly tâm hoặc bằng chân không Trong kiểu hệ thống này, cuộn đánh lửa sinh ra điện áp cao được truyền qua dây cao áp tới bugi để tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, đồng thời cơ cấu ly tâm hoặc chân không điều khiển góc đánh lửa sớm để tối ưu thời gian đánh lửa theo tốc độ quay của động cơ.
Trong hệ thống đánh lửa cơ, 9 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 duy trì hiệu suất đánh lửa Một điện trở phụ được sử dụng để giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp và giảm thiểu sự sụt áp của cuộn thứ cấp ở tốc độ cao, từ đó cải thiện độ ổn định của hệ thống đánh lửa.
Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa có tiếp điểm đóng mở phụ thuộc vào vấu cam; nhược điểm của hệ thống này là các tiếp điểm trên vít lửa dễ bị đóng bẩn và muội than bám vào theo thời gian, làm giảm hiệu suất đánh lửa và yêu cầu bảo trì định kỳ Bên cạnh đó, kiểu bán dẫn được xem như một lựa chọn thay thế cho hệ thống đánh lửa cổ điển.
Hệ thống đánh lửa bán dẫn xuất hiện vào những năm 1970 nhằm khắc phục nhược điểm của hệ thống đánh lửa bằng vít Trong hệ thống này, transistor đảm nhiệm việc điều khiển dòng sơ cấp và hoạt động theo chu kỳ gián đoạn phù hợp với các tín hiệu điện được phát ra từ bộ phát tín hiệu, từ đó tăng tính ổn định và hiệu suất cho động cơ.
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn
Góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng cơ học, như ở hệ thống đánh lửa bằng vít, hoặc có thể được điều chỉnh bằng các cảm biến vị trí Các cảm biến vị trí phổ biến gồm cảm biến quang và cảm biến Hall cho phép đo chính xác thời điểm đánh lửa Việc kết hợp điều khiển cơ học với cảm biến vị trí giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy, nâng cao hiệu suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu.
Hệ thống đánh lửa này có ưu điểm không cần bảo dưỡng định kỳ, giúp giảm chi phí bảo dưỡng cho người dùng, đồng thời 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) mang lại kiểm soát đánh lửa chính xác, tối ưu hóa thời điểm đánh lửa và nâng cao hiệu suất vận hành của động cơ.
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.
Hình 1.3: Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA d) Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS
Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS, được phát triển từ giữa thập kỷ 80, ban đầu cho các dòng xe sang trọng và sau đó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô Thay vì sử dụng bộ chia điện như trước, DIS dùng bô bin đơn hoặc đôi để cấp điện cao áp trực tiếp cho bugi, giúp tăng độ tin cậy và tối ưu hóa hiệu suất đánh lửa.
Hình 1.4 trình bày hệ thống đánh lửa DIS Ưu điểm nổi bật của hệ thống đánh lửa này là không có dây cao áp, từ đó giảm sự mất mát năng lượng và tăng hiệu quả đánh lửa Việc loại bỏ dây cao áp còn giúp giảm điện dung ký sinh và hạn chế nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp, mang lại sự ổn định cho hệ thống đánh lửa và nâng cao hiệu suất vận hành của động cơ.
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 bền bỉ với tuổi thọ cao và ít cần bảo dưỡng, mang lại độ tin cậy vượt trội cho người dùng Khởi động dễ dàng, vận hành êm ái ở chế độ idle và cho cảm giác lái mượt mà Nhờ hiệu suất nhiên liệu tối ưu, động cơ giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải độc hại, thân thiện với 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:
Hệ thống đánh lửa phải đảm bảo dòng thứ cấp đủ lớn để phóng điện qua khe hở bugi ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ Cường độ dòng thứ cấp mạnh và ổn định cải thiện độ nhạy của đánh lửa, quá trình cháy và hiệu suất vận hành của động cơ Vì vậy, thiết kế, lắp đặt và kiểm tra hệ thống đánh lửa nên tập trung vào nguồn cấp, độ nhạy kích điện và khả năng duy trì tia lửa mạnh dù tải trọng và vòng tua máy thay đổi.
• Tia lửa trên bugi phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự cháy bắt đầu.
• 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
1.2.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là điện áp tối đa đo được ở hai đầu cuộn thứ cấp khi ngắt kết nối dây cao áp với bugi Giá trị U2m phải đủ lớn để hình thành tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt trong thời điểm khởi động động cơ.
1.2.2 Hiệu điện thế đánh lửa U đl
Hiệu điện thế thứ cấp tại đó quá trình đánh lửa xảy ra 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 Pashen, cho phép dự đoán và tối ưu hóa giá trị Uđl dựa trên các điều kiện như áp suất, khoảng cách điện và loại khí trong hệ thống đánh lửa.
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.
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.
Trong quá trình tăng tốc của động cơ, điện áp đánh lửa (Uđl) tăng lên do áp suất nén cao hơn Tuy nhiên, nhiệt độ có xu hướng giảm dần sau đó vì nhiệt độ của điện cực bougie tăng lên và áp suất nén giảm do quá trình nạp không tối ưu, dẫn đến hiện tượng nạp xấu.
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 tia lửa điện tại bugi xuất hiện cho tới khi piston chạm điểm chết trên Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, hiệu quả tiêu hao nhiên liệu và độ ô nhiễm của khí thải động cơ Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc rất nhiều yếu tố, bao gồm tải và áp suất buồng đốt, nhiệt độ và đặc tính nhiên liệu, tỉ lệ nén và các tham số vận hành khác; hàm mục tiêu tối ưu có thể được thể hiện dưới dạng opt = f(p_bd, t_bd, p, t_wt, t_mt, n, N_o, )
Trong hệ thống động cơ, các tham số được quan tâm gồm p_bđ (áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa), tbđ (nhiệt độ buồng cháy), p (áp suất trên đường ống nạp), twt (nhiệt độ nước làm mát động cơ), tmt (nhiệt độ môi trường) và n (số vòng quay của động cơ) Việc theo dõi các tham số này giúp tối ưu quá trình cháy, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.
No: Chỉ số ôctan của xăng.
1.2.4 Hệ số dự trữ K dt
Hệ số dự trữ là tỉ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl; nó phản ánh mức dự trữ của hệ thống kích nổ Mục đích của hệ số dự trữ là đảm bảo hiệu điện thế đánh lửa luôn nằm trong giới hạn yêu cầu, từ đó duy trì quá trình kích nổ ổn định và an toàn Việc theo dõi và tối ưu hệ số dự trữ giúp ngăn ngừa quá tải, bảo vệ thiết bị và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
Động cơ có hệ thống đánh lửa thường có hệ số dự trữ nhỏ hơn 1,5, trong khi ở các động cơ xăng hiện đại dùng hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số dự trữ đạt giá trị khá cao (Kdt=1,5÷2) Nhờ mức hệ số dự trữ lớn này, chúng có thể tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay và mở rộng khe hở bugi, từ đó nâng cao hiệu suất và khả năng vận hành của động cơ.
1.2.5 Năng lượng dự trữ W dt
Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng trường từ 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 trên cuộn sơ cấp của bobine ở một giá trị xác định Việc duy trì giá trị này một cách chính xác giúp kích hoạt tia lửa đúng lúc, tối ưu quá trình đốt và nâng cao hiệu suất của hệ thống.
Trong đó: W dt : Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp.
L 1 : Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobine.
I ng : 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.
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 bugine nhanh hơn, giúp giảm rò rỉ điện qua muội than trên điện cực bugine và giảm tiêu hao năng lượng ở mạch thứ cấp.
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.
= t đ + t m 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 tăng tỉ lệ thuận với số vòng quay của trục khuỷu và số xylanh của động cơ Khi tăng số vòng quay và số xylanh, tần số đánh lửa f tăng và chu kỳ đánh lửa T giảm xuống Vì vậy, trong thiết kế động cơ, cần chú ý đồng thời hai thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo rằng ở vòng quay cao nhất, lực đánh lửa vẫn mạnh và hiệu suất hoạt động được duy trì.
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:
WP: Năng lượng của tia lửa.
WC: Năng lượng của thành phần tia lửa có điện dung.
W L : Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm.
C 2 : Điện dung ký sinh tại mạch thứ cấp của bougine (F)
U đl : Hiệu điện thế đánh lửa.
L2: Độ tự cảm của mạch thứ cấp. i2: 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, nhưng mục tiêu chung là đảm bảo năng lượng tia lửa đủ lớn và thời gian phóng điện kéo dài để hòa khí có thể được đốt cháy triệt để 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 (hoặc xoay chiều với xung điện thấp) thành hiệu điện thế cao có năng lượng đủ lớn để sinh ra 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.
Trong phần điện dung, tia lửa màu xanh xuất hiện ngay từ thời điểm đánh lửa đầu tiên, có nhiệt độ khoảng 1000°C và cường độ dòng điện rất lớn (500–1200 A) Thời gian xuất hiện rất ngắn (