(Đồ án hcmute) chuyên đề hệ thống đánh lửa

TỔNG QUÁT

Lý do chọn đề tài

Động cơ đốt trong là loại động cơ phổ biến trong nhiều phương tiện và thiết bị Mặc dù động cơ điện đang ngày càng được ưa chuộng nhờ sự phát triển công nghệ, động cơ đốt trong vẫn giữ vai trò quan trọng và không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực.

Trong động cơ đốt trong sử dụng xăng, hệ thống đánh lửa đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi dòng điện áp thấp thành dòng điện áp cao, giúp kích hoạt Bu-gi để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong các xy lanh Hệ thống này không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ và mức tiêu hao nhiên liệu mà còn góp phần vào tính ổn định và giảm thiểu khí thải ô nhiễm môi trường.

Chuyên đề về hệ thống đánh lửa sẽ phân tích đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các chi tiết trong hệ thống này.

Đối tượng nghiên cứu

Đề tài “Chuyên Đề Hệ Thống Đánh Lửa” thực hiện các công việc sau:

− Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện cảm, hệ thống đánh lửa điện dung

− Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến áp đánh lửa và Bu-gi của hệ thống đánh lửa.

Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu:

− Phương pháp thu thập các tài liệu liên quan đến hệ thống đánh lửa từ các nguồn như: giáo trình, sách

− Phương pháp biên dịch tài liệu

− Phương pháp phân tích, tổng hợp và tham khảo ý kiến của các chuyên gia để tìm ra hướng nghiên cứu và giải quyết vấn đề.

Nội dung nghiên cứu

− Tổng quan Hệ thống đánh lửa: Trình bày các chức năng và phân loại hệ thống đánh lửa

− Các thông số làm việc của Hệ thống đánh lửa; phân tích năng lượng của tia lửa và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đánh lửa

− Lý thuyết về hệ thống đánh lửa: Trình bày các giai đoạn hình thành tia lửa trong hệ thống đánh lửa điện cảm và điện dung

− Kết cấu các thành phần trên Hệ thống đánh lửa

+ Nguyên lý hoạt động của Bu-gi và Biến áp đánh lửa

− Điều khiển trong Hệ thống đánh lửa

+ Các hệ thống điều khiển dòng điện sơ cấp

+ Các tín hiệu đánh lửa IGT và IGF

TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

Nhiệm vụ hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa trên động cơ chuyển đổi nguồn điện xoay chiều hoặc một chiều với hiệu điện thế thấp (12 hoặc 24V) thành các xung điện thế cao từ 15.000 đến 40.000V Những xung điện thế cao này được phân phối đến bu-gi của các xy lanh đúng thời điểm, tạo ra tia lửa điện cao thế để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu vào cuối kỳ nén trong lòng xy lanh.

Yêu cầu của hệ thống đánh lửa

Một hệ thống đánh lửa làm việc tốt phải bảo đảm các yêu cầu sau:

Hệ thống đánh lửa cần tạo ra sức điện động thứ cấp đủ lớn để đảm bảo việc phóng điện qua khe hở Bu-gi diễn ra hiệu quả trong mọi chế độ làm việc của động cơ.

Năng lượng đánh lửa cần được điều chỉnh để đảm bảo thời gian xuất hiện tia lửa giữa hai điện cực của Bu-gi đủ lâu, nhằm đốt cháy hiệu quả hỗn hợp nhiên liệu trong lòng xy lanh.

− 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 Bu-gi phải nằm trong giới hạn cho phép.

Phân loại hệ thống đánh lửa

Ngày nay, có nhiều loại hệ thống đánh lửa được trang bị cho động cơ ôtô Các hệ thống này được phân loại dựa trên cấu tạo, hoạt động và phương pháp điều khiển.

❖ Theo phương pháp tích lũy năng lượng

+ Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI – Transistor Ignition system)

+ Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI – Capacitor Discharged Ignition system)

❖ Theo cách phân bố điện cao áp

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng bộ chia điện (distributor ignition system)

+ Hệ thống đánh lửa trực tiếp (distributorless ignition system)

❖ Theo kiểu ngắt mạch sơ cấp

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng Transistor (transistor ignition system)

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng Thyristor (CDI)

❖ Theo phương pháp điều khiển

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa (breaker)

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến biến Hall

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến biến quang

❖ Theo phương pháp điều khiển góc đánh lửa sớm

+ Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ khí (Mechanical Spark advance)

+ Hệ thống đánh lửa với bộ điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử (ESA – Electronic Spark advance)

❖ Đánh lửa dùng nhiều tia lửa

Hệ thống đánh lửa hybrid, hay còn gọi là đánh lửa lai, kết hợp giữa đánh lửa điện dung và điện cảm Nhiều biến thể của hệ thống này được phát triển, trong đó các tác giả chủ yếu chú trọng vào việc kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa trên bu-gi Điều này giúp tăng cường thời gian tiếp xúc giữa tia lửa điện và hỗn hợp hòa khí, từ đó làm cho quá trình cháy diễn ra dễ dàng hơn.

Trong hệ thống đánh lửa hỗn hợp trên động cơ đốt trong, Michael J Frech và các cộng sự đã phát triển một biến áp đánh lửa với ba cuộn sơ cấp Dòng điện từ tụ điện sẽ phóng qua cuộn sơ cấp, tạo ra tia lửa "mồi" đầu tiên trên Bu-gi Sau đó, ECU điều khiển cặp transistor để tạo ra tia lửa trên Bu-gi, với việc điều khiển đồng bộ mạch nạp và xả tụ nhằm đảm bảo tia lửa có thời gian đủ để đốt cháy hỗn hợp hòa khí.

Hình 2.1: Hệ thống đánh lửa hỗn hợp trên động cơ đốt trong [1]

Trong bài báo của tác giả Audris Šimakauskas từ Đại học Kỹ thuật Vilnius Gediminas, hệ thống đánh lửa lai được đề xuất có khả năng điều chỉnh thời gian xuất hiện tia lửa Hệ thống này bao gồm hai thành phần chính: hỗn hợp điện dung và điện cảm.

− Mạch đánh lửa điện dung: bộ khuếch đại điện áp, thyristor, tụ điện C1

− Mạch đánh lửa điện cảm: bộ tạo xung, mạch điều biên, bộ khuếch đại

Bộ chia điều khiển hoạt động của hai mạch chính: mạch đánh lửa điện dung và mạch đánh lửa điện cảm Mạch đánh lửa điện dung cung cấp xung điện áp lên đến 30-40 kV, đủ để tạo ra tia lửa trên Bu-gi Sau đó, mạch đánh lửa điện cảm cung cấp các xung điện áp vài kV, giúp kéo dài thời gian hình thành tia lửa trên Bu-gi.

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống đánh lửa lai có thể thay đổi thời gian xuất hiện tia lửa [2]

Hình 2.3: Điện thế đánh lửa thứ cấp trên hệ thống đánh lửa lai [2]

+ tc - Thời gian đánh lửa điện dung

+ tL - Thời gian đánh lửa điện cảm

Hệ thống đánh lửa laser đa điểm trên động cơ đốt trong là một giải pháp sáng tạo để đốt cháy hỗn hợp hòa khí nghèo, yêu cầu tia lửa có năng lượng cao Tuy nhiên, việc tăng năng lượng đánh lửa có thể làm giảm tuổi thọ của bu-gi do sự ăn mòn các điện cực Đánh lửa laser đa điểm khắc phục vấn đề này bằng cách tập trung năng lượng từ nguồn laser, cho phép đốt cháy hỗn hợp tại nhiều vị trí khác nhau trong buồng đốt.

Hình 2.4: Hệ thống đánh lửa Laser [3]

Các thông số làm việc trên hệ thống đánh lửa

2.4.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại

Hiệu điện thế V2m là giá trị cực đại đo được ở đầu cuộn thứ cấp, cần đạt từ 15-40 kV để tạo ra tia lửa giữa hai điện cực của Bu-gi, đặc biệt quan trọng trong quá trình khởi động.

2.4.2 Hiệu điện thế đánh lửa

Là hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra (V đl ) [4]

Theo định luật Paschen:

+ P: Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa (atm)

+ δ: Khe hở Bu-gi (mm)

+ T: Nhiệt độ ở điện cực trung tâm của Bu-gi tại thời điểm đánh lửa ( 0 K)

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

− Đối với động cơ sử dụng bộ chia điện V đl = 4 - 18kV

− Đối với động cơ đánh lửa trực tiếp V đl = 6 - 14kV [6]

2.4.3 Hệ số dự trữ năng lượng K dt

Hệ số dự trữ K dt, hay còn gọi là hệ số dự trữ điện thế, được định nghĩa là tỷ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại V 2m và hiệu điện thế đánh lửa V đl.

Hệ số K dt < 1,5 đối với hệ thống đánh lửa thường và bằng 1,5 ÷ 2 đối với động cơ xăng dùng hệ thống đánh lửa điện tử

2.4.4 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S

+ ∆𝑢 2 : Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

+ ∆𝑡: Thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Tốc độ biến thiên S cao làm tăng nhanh sự xuất hiện tia lửa tại điện cực Bu-gi, giúp ngăn ngừa hiện tượng rò rỉ dòng điện qua muội than trên cực điện Bu-gi và giảm thiểu năng lượng tiêu hao trong mạch thứ cấp.

2.4.5 Tần số và chu kỳ đánh lửa

Tần số đánh lửa là số lần tia lửa xuất hiện trong một giây Đối với động cơ 4 kỳ, tần số đánh lửa được tính bằng công thức f = nZ (Hz), trong khi đối với động cơ 2 kỳ, công thức là f = nZ (Hz).

+ f: Tần số đánh lửa (Hz)

+ n: Tốc độ động cơ (vòng/phút)

+ Z: Số xy lanh động cơ

Chu kỳ T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa

T = 1/f = t đ + t m (2.6) + t đ : Thời gian vít ngậm hay transistor dẫn bão hòa

+ t m : Thời gian vít hở hay transistor ngắt

Tần số f tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ và số xy lanh, nhưng tỷ lệ nghịch với chu kỳ Trong các hệ thống đánh lửa được điều khiển bằng máy tính, thời gian t do máy tính xác định đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của động cơ.

8 tính điều khiển nhằm bảo đảm năng lượng đánh lửa đủ lớn ở mọi chế độ hoạt động của động cơ

2.4.6.1 Thời gian tích lũy năng lượng

Thời gian tích lũy năng lượng (t đ) là khoảng thời gian mà dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa, ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng tích lũy trên cuộn này Thời gian này được gọi là thời gian tích lũy năng lượng và trong hệ thống đánh lửa trực tiếp, ECU (Electronic Control Unit) điều khiển giá trị t đ để đảm bảo năng lượng đánh lửa ổn định khi tốc độ động cơ thay đổi.

2.4.6.2 Phân tích năng lượng của tia lửa điện

Quá trình cháy của hỗn hợp xăng và không khí trong xy lanh bắt đầu khi tia lửa điện giữa hai điện cực Bu-gi xuất hiện, thường xảy ra từ 10° đến 30° trước điểm chết trên của trục khuỷu, tùy thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ và hình dạng buồng đốt Tia lửa điện tạo ra dòng plasma có nhiệt độ cao, đốt cháy hoà khí xung quanh, nhưng ban đầu, tốc độ cháy diễn ra chậm do nhiệt độ của Bu-gi và hoà khí còn thấp Sau đó, màng lửa lan nhanh, dẫn đến sự bùng nổ cháy mạnh mẽ của khối hoà khí, với thời gian cháy trễ khoảng 60° ở điều kiện làm việc bình thường.

Hình 2.5: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, cường độ dòng điện và thời gian đánh lửa [9]

Nghiên cứu của Maly và Vogel đã phân chia quá trình hình thành tia lửa điện trên bu-gi thành ba giai đoạn chính: giai đoạn xuyên thủng, giai đoạn phóng tia lửa điện và giai đoạn phát sáng (glow discharge).

❖ Giai đoạn xuyên thủng (Breakdown phase)

Quá trình phóng điện giữa hai điện cực chỉ xảy ra khi điện áp đủ lớn, và khi điện thế đạt đến giá trị nhất định, ion trong hỗn hợp giữa hai điện cực sẽ phát sinh tia lửa điện Giai đoạn này được gọi là giai đoạn xuyên thủng hay ion hóa, với điện áp rất cao (~10kV) và cường độ dòng điện tăng từ ~10 mA lên 200A trong khoảng thời gian ngắn (~10ns) Tại thời điểm này, một kênh plasma hình thành giữa hai điện cực Bu-gi với đường kính khoảng 40 µm, nơi 94% năng lượng được truyền qua Nhiệt độ của kênh plasma nhanh chóng đạt đến 60.000 K, với áp suất vài trăm atm, tạo ra sóng xung kích và làm giãn rộng kênh plasma, dẫn đến giảm áp suất và nhiệt độ Khoảng 30% năng lượng trên kênh plasma bị mất do sóng xung kích.

❖ Giai đoạn phóng tia lửa điện (Arc phase)

Trong giai đoạn phóng tia lửa, điện áp thường dưới 100V và cường độ dòng điện phụ thuộc vào điện trở của mạch Giai đoạn xuyên thủng diễn ra khi hòa khí giữa hai điện cực bị phân cực và có mức độ ion hóa cao, trong khi giai đoạn phóng tia lửa vẫn duy trì mức độ phân cực cao tại điện cực nhưng mật độ ion hóa chỉ đạt khoảng 1% Một lượng năng lượng đáng kể, khoảng 50%, bị mất mát do truyền nhiệt cho các điện cực và hỗn hợp trong buồng cháy.

Giai đoạn phát sáng (Glow phase) xảy ra khi cường độ dòng điện nhỏ hơn 200mA, với điện áp duy trì trong khoảng 300 - 500 V và quá trình ion hóa chỉ đạt khoảng 0,01% Trong giai đoạn này, tổn thất năng lượng cao hơn so với giai đoạn phóng tia lửa điện, dẫn đến nhiệt độ của cột plasma giảm xuống, với mức cao nhất khoảng 3.000 K Thời gian của giai đoạn phát sáng kéo dài khoảng 1ms.

Năng lượng cần thiết để đốt cháy một tỷ lệ hòa khí lý thuyết trong điều kiện vận hành bình thường của động cơ là 0,2 mJ Tuy nhiên, khi hòa khí quá loãng hoặc quá đậm, năng lượng yêu cầu sẽ tăng lên trên 3 mJ Do ảnh hưởng của các đặc tính vật lý, chỉ một phần nhỏ năng lượng cung cấp qua khe hở được truyền đến hỗn hợp nhiên liệu Trong giai đoạn xuyên thủng, công suất đạt mức cao nhất là 1MW, nhưng năng lượng cung cấp lại khá nhỏ, dao động từ 0,3 đến 1 mJ Ngược lại, trong giai đoạn phát sáng, công suất thấp hơn đáng kể.

Trong giai đoạn cuối của quá trình xuyên thủng, khi điện cực dương nóng lên, hiện tượng phóng tia lửa điện xảy ra, gây ra tổn thất nhiệt lớn ở các điện cực Do đó, việc giảm thiểu mất mát nhiệt trên các điện cực trở nên rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất.

2.4.7 Một số các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng đánh lửa

Nghiên cứu về năng lượng đánh lửa cho thấy, đối với hỗn hợp đồng nhất, ổn định với tỷ lệ A/F khoảng 14,7/1, năng lượng yêu cầu là 0,2 mJ Trong khi đó, đối với hỗn hợp quá nghèo hoặc quá giàu, năng lượng đánh lửa cần thiết tăng lên 3 mJ Khi động cơ đã được làm nóng, năng lượng yêu cầu giảm còn khoảng 0,1 mJ Đối với các hệ thống đánh lửa sử dụng bộ chia điện, năng lượng cần thiết là 15 mJ Bên cạnh đó, năng lượng đánh lửa cũng bị ảnh hưởng bởi hình dạng điện cực, khoảng cách giữa các khe hở điện cực, thành phần hỗn hợp và thời gian xuất hiện tia lửa.

Hình 2.6 trình bày kết quả từ hai phòng thí nghiệm khác nhau về điện áp đánh lửa trong không khí ở áp suất khí quyển, sử dụng các cấu hình điện cực khác nhau Kết quả cho thấy, điện áp đánh lửa tăng khi khoảng cách giữa các điện cực tăng lên Đặc biệt, với cùng một khe hở, điện áp đánh lửa thấp hơn đáng kể khi sử dụng điện cực dạng kim so với điện cực dạng tròn.

Hình 2.6: Điện áp đánh lửa theo quan hệ của độ rộng khe hở và dạng điện cực khi phóng điện trong không khí ở điều kiện áp suất khí trời [13]

Ghi chú: “H” hiển thị các dữ liệu từ Handbook of Chemistry and Physics (1959/60) và

“S” hiển thị các dữ liệu từ Smithsonian Physical Tables (1959)

LÝ THUYẾT ĐÁNH LỬA

Hệ thống đánh lửa điện cảm

Hệ thống đánh lửa điện cảm TI (Transistorized Ignition system) là công nghệ phổ biến trong ô tô, nơi năng lượng đánh lửa được lưu trữ trên cuộn dây sơ cấp của biến áp đánh lửa Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này được thể hiện trong Hình 3.1.

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống đánh lửa điện cảm [4, 7]

+ Rf : Điện trở phụ (một số hệ thống không dùng điện trở phụ)

+ R1: Điện trở của cuộn sơ cấp

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

+ T: Transistor công suất được điều khiển bởi tín hiệu từ các cảm biến hay từ máy tính điều khiển động cơ (ECU)

Quá trình đánh lửa bao gồm ba giai đoạn chính: đầu tiên là giai đoạn tăng trưởng của dòng điện sơ cấp, hay còn gọi là giai đoạn tích lũy năng lượng; tiếp theo là giai đoạn ngắt dòng điện ở cuộn sơ cấp; và cuối cùng là giai đoạn phóng điện tại điện cực Bu-gi.

3.1.1 Giai đoạn tăng trưởng dòng điện sơ cấp

Hình 3.2: Sơ đồ tương đương giai đoạn tăng trưởng dòng sơ cấp i 1 [4,7]

Khi transistor T dẫn dòng điện i 1 từ (+) Ắc quy qua điện trở phụ (Rf) và cuộn dây sơ cấp L 1 đến transistor T (S) và (-) Ắc quy, sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp L 1 làm chậm sự tăng trưởng của cường độ dòng điện i 1 Trong giai đoạn này, mạch thứ cấp không bị ảnh hưởng.

+ V a : Hiệu điện thế của ắc quy

+ ∆𝑉 𝑇 : Độ sụt áp trên transistor công suất ở trạng thái dẫn bão hòa

Ta lập được phương trình vi phân sau: i 1 R 𝚺 + L 1

Giải phương trình ta được: i 1 (t) = 𝑉

Hình 3.3: Đồ thị tăng trưởng cường độ dòng điện sơ cấp i 1

Gọi t đ là thời gian transistor dẫn bão hòa, cường độ dòng điện sơ cấp tương ứng là i đ i đ = 𝑉

𝑅 Ĩ (1 – e -(R𝚺/L 1) tđ ) (2.10) Tại thời điểm đánh lửa, năng lượng tích lũy trong cuộn sơ cấp dưới dạng từ trường:

3.1.2 Giai đoạn ngắt dòng điện ở cuộn sơ cấp

Hình 3.4: Sơ đồ mô tả quá trình phóng điện ở cuộn thứ cấp [4,7]

Khi dòng điện ngắt qua cuộn sơ cấp (transistor ngắt), cuộn thứ cấp sẽ tạo ra hiệu điện thế từ 15kV đến 40kV, giá trị này phụ thuộc vào các thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp như điện trở mất mát và điện trở rò qua điện cực Bu-gi Sơ đồ Hình 3.4 được áp dụng để tính toán điện thế thứ cấp cực đại.

+ Rm: Điện trở mất mát trên cuộn thứ cấp

+ Rr: Điện trở rò qua điện cực Bu-gi

Năng lượng điện từ tích lũy trên mạch từ của cuộn sơ cấp lúc transistor ngắt

Nếu không xuất hiện tia lửa điện cao thế, năng lượng sẽ chuyển hóa thành điện trường tích lũy trong điện dung C1 của mạch sơ cấp và điện dung C2 của mạch thứ cấp Một phần năng lượng cũng sẽ bị mất do tỏa nhiệt, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của biến áp đánh lửa (A).

Như vậy, phương trình cân bằng năng lượng lúc transistor ngắt có thể viết:

2 + 𝐴 (2.12) Sau khi biến đổi, hiệu điện thế cực đại trên cuộn thứ cấp V 2m được xác định bởi công thức:

+ K bb = W 2 /W 1: Hệ số biến áp đánh lửa

+ 𝜂: Hệ số tính đến sự mất mát trong mạch dao động (0,7 0,8)

+ W 1 , W 2 : Số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

+ C 1 : Điện dung của tụ điện mắc song song với vít lửa hay với transistor công suất

+ C 2 : Điện dung ký sinh trên mạch thứ cấp

Hình 3.5: Đồ thị mô tả quy luật biến đổi hiệu điện thế thứ cấp V 2m [4,7]

Khi transistor ngắt trên cuộn sơ cấp sẽ sinh ra một sức điện động khoảng 100V đến 300V [4, 7]

3.1.3 Giai đoạn phóng điện ở điện cực Bu-gi

Khi điện áp V 2m đạt giá trị V đl, tia lửa cao thế sẽ xuất hiện giữa hai cực của Bu-gi Tia lửa điện trên Bu-gi bao gồm cả tia lửa điện dung và tia lửa điện cảm.

Phần tia lửa điện dung, được xác định bởi điện dung C 2 ký sinh, đặc trưng bởi sự sụt áp và tăng dòng đột ngột Cường độ dòng điện có thể đạt hàng trăm Ampere, trong khi công suất của tia lửa điện dung có thể lên tới hàng chục hoặc hàng trăm kW.

Tia lửa điện dung với tần số cao (10^6 - 10^7 Hz) gây ra hiện tượng ăn mòn trên điện cực Bu-gi, thường có màu xanh sáng và phát ra tiếng nổ lách tách Khi tia lửa điện cảm xuất hiện, cường độ dòng điện đạt khoảng 20 - 40 mA, trong khi hiệu điện thế giữa hai cực của Bu-gi giảm nhanh xuống còn 400 - 500 V.

Thời gian kéo dài tia lửa điện cảm có thể gấp 100 - 1000 lần so với tia lửa điện dung, với khoảng thời gian xuất hiện từ 1-2,5ms Điều này cho thấy tia lửa điện dung chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng thể tia lửa, và thời gian này phụ thuộc vào loại Bu-gi, khe hở Bu-gi và chế độ làm việc của động cơ.

Hình 3.6 : Đồ thị mô tả quy luật biến đổi của tia lửa điện dung và điện cảm

[4, 5] a Thời gian hình thành tia lửa điện dung b Thời gian hình thành tia lửa điện cảm

3.1.4 Ưu, nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện cảm

+ Thời gian phóng điện kéo dài (khoảng 1 - 2,5ms) nên sẽ đốt sạch hòa khí trong xy lanh ở hầu hết các chế độ làm việc của động cơ [9, 11, 14]

+ Khe hở Bu-gi không cần phải chỉnh quá lớn như đánh lửa điện dung nên tăng tuổi thọ của Bu-gi [4]

+ Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn so với đánh lửa điện dung [4]

Thời gian tích lũy năng lượng kéo dài, đặc biệt khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp, có thể dẫn đến lãng phí năng lượng và làm nóng biến áp đánh lửa, gây hư hỏng cho transistor.

+ Ở tốc độ cao do không đủ thời gian tăng trưởng dòng sơ cấp nên điện áp thứ cấp sẽ giảm [4, 5]

+ Hiệu điện thế thứ cấp tăng trưởng chậm hơn đánh lửa CDI, nên có hiệu suất làm việc kém khi có điện trở rò ở Bu-gi [4, 7].

Hệ thống đánh lửa điện dung

Hệ thống đánh lửa điện dung thường được áp dụng cho các phương tiện có động cơ hoạt động ở số vòng quay cao như xe đua, mô-tô và xe gắn máy Trong hệ thống này, năng lượng trên mạch sơ cấp của biến áp đánh lửa được tích lũy dưới dạng điện trường trên tụ điện C.

+ C: điện dung của tụ điện (F)

+ V: điện áp trên tụ điện (V)

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa điện dung

Hệ thống đánh lửa CDI bao gồm bộ tạo dao động, biến áp, tụ tích năng và bộ điều khiển quá trình xả năng lượng qua biến áp đánh lửa Cụm CDI có mạch kích nhận tín hiệu từ cảm biến đánh lửa để điều khiển hoạt động của công tắc chuyển mạch.

Hình 3.7: Sơ đồ khối của hệ thống đánh lửa điện dung [7]

❖ Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa CDI

Dòng điện từ ắc quy qua bộ tạo dao động tạo ra các xung 12V, dẫn đến việc xuất hiện các xung điện áp khoảng 300 - 400V ở cuộn thứ cấp Các xung này được chỉnh lưu qua diode và nạp vào tụ tích năng Khi có tín hiệu đánh lửa, công tắc chuyển mạch (SCR) mở, cho phép năng lượng từ tụ điện phóng qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa, tạo ra điện áp cao từ 30.000 đến 60.000V ở cuộn thứ cấp Năng lượng này được truyền đến các Bu-gi để đốt cháy hòa khí trong các xy lanh.

3.2.2 Ưu và nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện dung

Đặc tính đánh lửa của hệ thống gần như không bị ảnh hưởng bởi tốc độ động cơ, nhờ vào khả năng nạp nhanh của tụ điện, được thiết kế để luôn đạt mức nạp đầy ngay cả khi động cơ hoạt động ở vòng quay cao nhất.

+ Hiệu điện thế thứ cấp tăng trưởng nhanh nên tăng được độ nhạy đánh lửa, không phụ thuộc vào điện trở rò ở Bu-gi [4,12]

+ Hiệu điện thế thứ cấp trên hệ thống đánh lửa điện dung (>40kV) lớn hơn trên hệ thống đánh lửa điện cảm (15- 40kV) [4, 12]

Hình 3.8: Đồ thị mô tả sự tăng trưởng của hiệu điện thế trên cuộn thứ cấp của biến áp đánh lửa trong trường hợp đánh lửa TI và CDI [4]

Thời gian phóng nạp của tụ điện là rất ngắn nên thời gian tồn tại tia lửa Bu-gi là rất ngắn, chỉ từ (0,1 - 0,3) ms [9] nên:

+ Hòa khí sẽ khó bén lửa nếu quá loãng [4, 9]

+ Khe hở điện cực Bu-gi lớn (để tăng diện tích tiếp xúc với hỗn hợp) nên điện cực Bu-gi mau mòn [4, 7]

Dựa trên sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa hỗn hợp, ba tụ điện mắc song song có thể được thay thế bằng một tụ điện Cd có điện dung tương đương Trong đó, mỗi tụ điện C1, C2, C3 có dung lượng 1µF Quá trình giải phóng năng lượng tích lũy trên tụ điện đến cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa 4 tương đương với quá trình tụ điện phóng trong mạch R-L-C.

Vì vậy, trong tính toán có thể sử dụng mô hình mạch R-L-C (Hình 3.9) trong đó: + Cd: Tụ điện

+ S: Công tắc đóng/mở thể hiện hai trạng thái đóng/ngắt của SCR

+ Ld: Hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa điện dung

Tổng trở của mạch sơ cấp đánh lửa điện dung bao gồm điện trở của các linh kiện, điện trở cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa, và điện trở của các mối nối.

Hình 3.9: Mô hình tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp - giai đoạn đánh lửa điện dung

❖ Xây dựng phương trình tổng quát cường độ dòng điện i d (t), sức điện động tự cảm e d (t)

Dựa vào mô hình tính toán mạch đánh lửa điện dung Ta có thể xây dựng phương trình cân bằng năng lượng trên mạch:

+ C d : Dung lượng của tụ trên mạch đánh lửa điện dung

+ L d : Hệ số tự cảm cuộn sơ cấp trên mạch đánh lửa điện dung

+ i d : Cường độ dòng điện lúc tụ C d nạp đầy

Năng lượng tiêu hao trên điện trở R d được biểu diễn bởi công thức:

𝑑𝑡 = −𝑖 𝑑 2 𝑅 𝑑 (3.25) Với R d là tổng trở mạch sơ cấp đánh lửa điện dung

Từ (3.24) và (3.25), ta có phương trình vi phân như sau:

Mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và điện tích trên tụ điện C d được thể hiện qua công thức 𝑖 𝑑 = − dQ/dt Khi chia cả hai vế của phương trình (3.26) cho i d, ta có thể phân tích thêm về sự tương tác giữa các yếu tố trong mạch điện.

𝐿 𝑑 𝐶 𝑑Q = 0 (3.28) Tại thời điểm ban đầu t = 0, Q(t = 0) =Q0 , với Q0 là điện tích cực đại ban đầu của tụ

Nghiệm tổng quát của phương trình (3.28) là:

Từ công thức: 𝑖 𝑑 (t) = − dQ dt (3.33)

❖ Xây dựng phương trình tổng quát sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp e d (t)

Phương trình tổng quát của sức điện động tự cảm được viết dưới dạng

Tiến hành đạo hàm phương trình (3.34) ta được:

⇔ 𝑒 𝑑 (t) = 𝐿 𝑑 Q 0 ω ′ e −γt [(ω ′ − γ 2 ω ′ ) cosω ′ t − 2γsinω ′ t] (3.36) Tiến hành xây dựng đồ thị cường độ dòng điện i d (t) và sức điện động tự cảm của cuộn sơ cấp e d (t)

Hình 3.10: Đáp ứng tính toán dòng điện i d (t) và sức điện động tự cảm e d (t)

Khi đóng khóa S, năng lượng từ tụ C d sẽ được giải phóng qua cuộn dây L d

Cường độ dòng điện i d (t) và sức điện động tự cảm e d (t) trên cuộn sơ cấp chịu ảnh hưởng bởi các hàm sin, cos và hàm mũ 𝑒 −𝛾𝑡, dẫn đến dao động dạng sin tắt dần Hai đại lượng này lệch pha nhau một góc π.

2 Khi cường độ dòng điện đạt giá trị cực đại cũng chính là lúc sức điện động tự cảm bằng 0 i d (t) e d (t) i d (A ) e d (V )

Sức điện động tự cảm

Sự thay đổi từ trường quanh một dây dẫn gây ra sức điện động cảm ứng trong dây Khi một dòng điện có trị số biến đổi đi qua dây dẫn, từ trường xung quanh cũng biến đổi, dẫn đến sự phát sinh sức điện động cảm ứng Sức điện động này được gọi là sức điện động tự cảm, và nó xảy ra ngay khi có dòng điện biến đổi trong dây dẫn.

Hình 3.11: Từ trường B đi qua cuộn dây có diện tích mặt cắt A [15]

Xét một cuộn dây có N vòng dây với dòng điện I chạy ngược chiều kim đồng hồ Từ thông Ф qua cuộn dây được tính bằng công thức Ф = 𝐵𝐴 cos(𝐵⃗ , 𝑛⃗ ), trong đó 𝑛⃗ là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng vòng dây.

Cảm ứng từ B được tính: [16]

+ 𝜇 0 : Độ từ thẩm trong môi trường chân không: 𝜇 0 = 4𝜋10 −7 (𝐻 𝑚⁄ ) [16] + 𝑙: Chiều dài cuộn dây (m)

Cường độ dòng điện qua cuộn dây được đo bằng ampe (A), trong khi độ từ thẩm của chân không là 𝜇₀ = 4𝜋 × 10⁻⁷ (H/m) Sự khác biệt giữa độ từ thẩm của chân không và không khí là không đáng kể, vì vậy độ từ thẩm của không khí có thể được coi là xấp xỉ 4𝜋 × 10⁻⁷ (H/m).

Khi dòng điện qua cuộn dây không đổi, từ thông qua cuộn dây không có sự biến thiên, sức điện động cảm ứng không xuất hiện

Khi dòng điện trong cuộn dây thay đổi theo thời gian, từ thông qua cuộn dây cũng biến đổi, dẫn đến sự xuất hiện của sức điện động cảm ứng nhằm chống lại sự thay đổi này Hiện tượng tự cảm mô tả cách mà từ trường sinh ra trong cuộn dây phản ứng để ngăn cản sự thay đổi của dòng điện trong mạch Sức điện động cảm ứng được sinh ra trong cuộn dây được gọi là sức điện động tự cảm, ký hiệu là ℰ L.

Sức điện động tự cảm được tính theo công thức [15]:

Hệ số tự cảm có thể tính theo qua công thức:

Từ hai biểu thức (2.17) và (2.18) ta có thể suy ra:

Hệ số tự cảm L của cuộn dây là yếu tố chính cản trở sự biến thiên của dòng điện; khi hệ số tự cảm tăng, tốc độ biến thiên của dòng điện sẽ giảm.

Hệ số tự cảm của cuộn dây được tính theo công thức [15]:

+ L: Hệ số tự cảm cuộn dây (H)

+ à 0 : Độ từ thẩm của chõn khụng

Hình 3.12: Mô tả các kích thước cuộn dây [15]

KẾT CẤU CÁC CHI TIẾT TRÊN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

Bu-gi đánh lửa

4.1.1 Chức năng của Bu-gi

Bu-gi có vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng đánh lửa cho buồng đốt, khởi đầu quá trình đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu thông qua tia lửa điện giữa hai điện cực Bên cạnh đó, Bu-gi cũng được thiết kế để đảm bảo sự kín khít của buồng đốt động cơ.

Bu-gi, kết hợp với các bộ phận khác của hệ thống đánh lửa, đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hiệu suất hoạt động của động cơ xăng.

− Đảm bảo động cơ hoạt động tốt kể cả dưới điều kiện khởi động lạnh

− Đảm bảo hoạt động liên tục trong suốt thời gian đánh lửa

Để duy trì hiệu suất tối ưu và giảm thiểu khí thải trong suốt vòng đời sử dụng của Bu-gi, các yêu cầu về Bu-gi cần được xác định ngay từ giai đoạn thiết kế động cơ Điều này giúp động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả hơn.

Hình 4.1: Bu-gi trong động cơ xăng

4.1.2 Ứng dụng của các loại Bu-gi

Bu-gi là linh kiện thiết yếu cho tất cả các loại xe và máy móc sử dụng động cơ xăng, bao gồm cả động cơ 2 thì và 4 thì.

− Xe đường đơn (xe máy, xe tay ga, xe đạp có động cơ hỗ trợ)

− Máy móc nông nghiệp và xây dựng

Thiết bị làm vườn như máy cắt cỏ đã thúc đẩy sự phát triển của hơn 1200 thiết kế Bu-gi khác nhau để đáp ứng nhu cầu sử dụng Động cơ xe du lịch thường có nhiều xy lanh, mỗi xy lanh cần ít nhất một Bu-gi, dẫn đến việc Bu-gi được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực này Trong khi đó, máy móc nông nghiệp và xây dựng thường chỉ có một xy lanh đơn và sử dụng một Bu-gi do công suất động cơ thấp hơn Ở châu Âu, hầu hết xe thương mại, đặc biệt là xe hạng nặng, sử dụng động cơ diesel, hạn chế việc sử dụng Bu-gi trong phân khúc này Ngược lại, tại Mỹ, động cơ xăng là loại phổ biến nhất trong xe hạng nặng.

❖ Đa dạng các loại Bu-gi

Từ năm 1902, các loại động cơ chỉ cung cấp khoảng 6 HP cho mỗi 1000 cc dung tích xy lanh, nhưng hiện nay con số này đã tăng lên gần 100 HP Đặc biệt, động cơ xe đua có thể đạt tới 300 HP Sự đầu tư mạnh mẽ vào kỹ thuật và sản xuất bu-gi đã giúp đạt được hiệu suất ấn tượng này.

Bu-gi hiện đại được thiết kế để đánh lửa từ 15 đến 25 lần mỗi giây, nhưng ngày nay, yêu cầu này đã tăng gấp năm lần Nhiệt độ hoạt động của bu-gi đã nâng giới hạn từ 600°C lên khoảng 900°C, với điện áp đánh lửa dao động từ 10.000 V đến 30.000 V Thêm vào đó, bu-gi hiện nay có thể hoạt động ít nhất 30.000 km trước khi cần thay thế, so với chỉ 1.000 km của các loại bu-gi đời đầu.

Mặc dù khái niệm cơ bản về bu-gi đã không thay đổi trong suốt 100 năm, Bosch đã phát triển hơn 20.000 loại bu-gi khác nhau để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các cấu hình động cơ Dòng sản phẩm bu-gi hiện tại bao gồm nhiều mô hình phong phú, đáp ứng nhu cầu cao trong các lĩnh vực hiệu suất cơ điện và khả năng chịu tải trọng, hóa học, cũng như nhiệt độ cao.

Bu-gi không chỉ cần đạt tiêu chí hiệu suất mà còn phải tương thích với các điều kiện kết cấu của từng động cơ, chẳng hạn như chiều dài của bu-gi trong đầu xy lanh.

Bosch hiện đang cung cấp hơn 1250 loại Bu-gi khác nhau, phù hợp với nhiều loại động cơ đang được sản xuất Những yêu cầu đa dạng này thúc đẩy việc sản xuất thêm nhiều loại Bu-gi, tất cả đều có sẵn tại các xưởng dịch vụ, nhà máy sản xuất xe và các nhà phân phối thương mại.

4.1.3 Các yêu cầu của Bu-gi

Điện áp hoạt động của Bu-gi có thể lên tới 30.000 V, trong khi các cặn bẩn từ quá trình đốt cháy như muội than và cặn carbon có khả năng dẫn điện dưới một số điều kiện nhiệt độ nhất định Để đảm bảo hiệu suất, điện trở sứ cách điện của Bu-gi cần chịu được nhiệt độ lên đến 1000°C mà không bị biến đổi trong suốt quá trình hoạt động.

❖ Yêu cầu về cơ khí

Bu-gi cần phải chịu được áp suất lên đến khoảng 50 bar trong buồng đốt, với yêu cầu cao về độ bền cơ khí, đặc biệt là ở lớp sứ để đối phó với sự gia tăng ứng suất và các điều kiện khắc nghiệt Vỏ Bu-gi cũng phải có khả năng chịu đựng các lực căng và kéo mà không bị biến dạng.

❖ Yêu cầu về hoá học

Một phần của Bu-gi trong buồng đốt có thể bị nóng đỏ và ăn mòn hóa học do nhiệt độ cao Khi hơi nhiên liệu ngưng tụ và rơi xuống, sự ăn mòn xảy ra do các thành phần hóa học của nhiên liệu, dẫn đến việc tích lũy chất này trên đầu Bu-gi, làm thay đổi đặc tính của nó.

❖ Yêu cầu về nhiệt độ

Trong quá trình hoạt động, bu-gi hấp thụ nhiệt từ sản phẩm cháy và giải nhiệt cho chúng bằng cách hòa khí mới vào chu trình tiếp theo Quá trình này diễn ra nhanh chóng và liên tục, do đó yêu cầu chất cách điện phải có khả năng chống lại hiện tượng sốc nhiệt.

Bu-gi cần tự giải nhiệt, vì nhiệt độ này được hấp thu trong buồng đốt, và khả năng hấp thu nhiệt sẽ tăng theo thời gian Do đó, điện cực bên giữ nên có khả năng giữ nhiệt càng ít càng tốt.

Hình 4.2: Nhiệt độ và áp suất trên Bu-gi ở động cơ hai thì và bốn thì [18]

4.1.4 Cấu tạo của Bu-gi

Biến áp đánh lửa

Biến áp đánh lửa là thiết bị quan trọng trong việc nâng cao điện áp và lưu trữ năng lượng, hỗ trợ quá trình tạo ra tia lửa điện mạnh giữa hai điện cực của Bu-gi.

− Điện áp thứ cấp đủ lớn để phóng điện qua khe hở Bu-gi trong tất cả các chế độ làm việc của động cơ

Năng lượng đánh lửa cần được điều chỉnh để đảm bảo thời gian xuất hiện tia lửa giữa hai điện cực của bu-gi là đủ để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong lòng xy lanh.

− Nhiệt độ làm việc từ -40 … + 150 0 C

− Chịu rung động và có khả năng làm việc ổn định trong môi trường có nhiều tạp chất như xăng, dầu bôi trơn , dầu thắng

4.2.3 Cấu tạo biến áp đánh lửa

Biến áp đánh lửa báo gồm hai cuộn dây quấn quanh một lõi thép từ:

Cọc dương của cuộn sơ cấp (Term15) được kết nối với cọc dương của ắc quy (1), trong khi cọc âm của cuộn sơ cấp (Term1) được nối với thiết bị đóng ngắt (4) Đường kính của cuộn sơ cấp dao động khoảng từ 0,69 đến 0,8 mm.

Cuộn thứ cấp có đường kính khoảng 0,1mm và tỷ lệ số vòng quấn từ 1:50 đến 1:150 Một đầu của cuộn thứ cấp được kết nối với Bu-gi hoặc bộ chia điện, trong khi đầu còn lại được nối ra mass hoặc vào cọc dương của cuộn sơ cấp Việc kết nối trực tiếp này có thể khiến nhiễu điện từ từ quá trình đánh lửa ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống điện trên xe.

Hình 4.33: Cấu tạo của biến áp đánh lửa [19]

Biến áp đánh lửa có cấu trúc đặc biệt, trong đó một đầu cuộn thứ cấp không kết nối trực tiếp với cuộn sơ cấp mà được nối ra mass hoặc vào một bu-gi.

Khi dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra một từ trường ảnh hưởng đến cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Cường độ dòng điện tại thời điểm ngắt và hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp sẽ quyết định năng lượng của từ trường.

Khi dòng điện trong cuộn sơ cấp bị ngắt đột ngột, từ trường cũng bị ngắt, dẫn đến sự xuất hiện của sức điện động thứ cấp đủ lớn để tạo ra tia lửa giữa hai điện cực của Bu-gi Đồng thời, cuộn sơ cấp sẽ có một điện áp tự cảm đạt từ 100-300V.

Trong quá trình tăng trưởng sơ cấp, điện áp thứ cấp đạt mức 1-2 kV, nhưng giá trị này không đủ để tạo tia lửa trên Bu-gi trong hệ thống sử dụng bộ chia điện Để ngăn chặn hiện tượng này trong hệ thống đánh lửa trực tiếp, một diot được mắc trên cuộn thứ cấp.

4.2.4.1 Nguyên lý tạo ra từ trường trong cuộn dây

Từ trường trong cuộn dây sơ cấp được tạo ra khi bộ điều khiển khép kín mạch điện, với hiện tượng tự cảm sinh ra điện áp tự cảm Theo định luật Lenz, điện áp này chống lại từ thông sinh ra, dẫn đến việc dòng điện qua cuộn dây không tăng trưởng nhanh Tốc độ tăng trưởng của dòng điện phụ thuộc vào hệ tự cảm L, chịu ảnh hưởng bởi số vòng quấn, hình dạng cuộn dây và vật liệu làm lõi từ.

Khi dòng điện đạt đến một mức nhất định, hiện tượng bão hòa từ xảy ra trong mạch từ, với mức độ phụ thuộc vào vật liệu từ Tổn thất trong cuộn dây đánh lửa cũng gia tăng đáng kể Vì vậy, việc chọn điểm hoạt động dưới mức bão hòa từ là hợp lý hơn, càng xa càng tốt.

Hình 4.34: Điểm đánh lửa trước lúc xảy ra bảo hoà từ [19]

Lõi của biến áp đánh lửa được làm từ vật liệu từ tính mềm, khác với nam châm vĩnh cửu có từ tính cứng Vật liệu này có đặc tính của đường cong từ hóa, thể hiện mối quan hệ giữa cường độ từ trường H và mật độ từ thông B trong lõi từ Đối với vật liệu sắt từ, khi cường độ từ trường đạt đến một mức nhất định, từ thông sẽ không thể tăng thêm, hiện tượng này được gọi là bão hòa từ.

Một thuộc tính quan trọng của vật liệu từ tính là độ trễ trong đường cong từ hóa Khi vật liệu sắt từ được từ hóa bởi từ trường bên ngoài và sau đó giảm cường độ từ trường về 0, nó sẽ vẫn giữ lại một phần từ tính gọi là từ dư Đường cong từ hóa sẽ khác nhau giữa quá trình từ hóa (tăng cường độ từ trường) và quá trình khử từ (giảm cường độ từ trường) Tổn thất trong vật liệu từ tính tỷ lệ thuận với độ trễ từ, trong đó đường cong trễ là chỉ số đo lường tổn thất này.

Cuộn dây đánh lửa chủ yếu được chế tạo từ tấm thép điện, có độ dày và thông số kỹ thuật khác nhau Tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, vật liệu này có thể là hướng hạt với mật độ thông lượng tối đa cao, nhưng giá thành đắt, hoặc không hướng hạt với mật độ thông lượng tối đa thấp hơn.

Các tấm kim loại với độ dày từ 0,3 đến 0,5 mm là loại phổ biến nhất, thường được sử dụng trong các ứng dụng cách điện Những tấm thép này giúp giảm thiểu tổn thất do dòng điện xoáy gây ra Quá trình dập và hợp thành các tấm này đảm bảo đạt được độ dày cần thiết cho hiệu suất tối ưu.

Hình 4.35: Đường cong từ hoá với đường cong trễ [19]

1 Đường cong mới (vật liệu chưa chưa bị nhiễm từ bao giờ)

Hình 4.36: Mạch từ trên cuộn dây thu gọn với lõi từ O và I [19]

4 Lõi từ dạng chữ O Để đáp ứng các yêu cầu về điện (thời gian tia lửa xuất hiện, thời gian xuất hiện tia lửa giữa hai điện cực, điện áp thứ cấp tăng, mức độ tăng điện áp thứ cấp), cần có một khe hở không khí để tác động đến sự ngắt trong mạch từ tránh lãng phí sự gia tăng cường độ dòng điện (Hình 4.36, vị trí 1) Một khe hở không khí vừa đủ cho phép cường độ từ trường cao hơn trong mạch từ và do đó dẫn đến năng lượng từ trường cao hơn có thể tích lũy được

Bộ điều khiển trong hệ thống đánh lửa

4.3.1 Điều khiển ngắt dòng sơ cấp

Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa dòng sơ cấp với thời điểm đánh lửa được điều khiển cơ học Dòng sơ cấp của biến áp đánh lửa hoạt động ngắt quãng qua tiếp điểm má vít, trong khi bộ chia điện phân phối điện cao áp từ cuộn thứ cấp đến các Bu-gi.

Trong quá trình hoạt động, điện áp từ ắc quy đi qua công tắc máy vào cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa, tạo ra từ trường lưu trữ năng lượng đánh lửa Đối với động cơ 4 xy lanh, có 4 vấu cam dẫn động từ trục cam, khiến dòng điện tăng dần do điện cảm và điện trở trong cuộn sơ cấp Thời gian tích lũy năng lượng được xác định bởi góc ngậm điện, trong khi cam quay đóng mở dòng điện trong cuộn dây Cuối thời gian ngậm điện, vấu cam mở tiếp điểm, ngắt dòng điện trong cuộn dây, với số lượng vấu cam tương ứng với số xy lanh của động cơ.

Tụ điện giúp bảo vệ tiếp điểm, tăng độ bền và giảm nguy cơ cháy, hạn chế vết rỗ trên bề mặt Sử dụng điện trở phụ để giảm số vòng dây cuộn sơ cấp, cải thiện đặc tính dòng sơ cấp và giảm thiểu sụt áp trên cuộn thứ cấp ở tốc độ cao.

Khi dòng sơ cấp của biến áp đánh lửa bị ngắt đột ngột, cuộn sơ cấp sẽ tạo ra một điện áp cao, truyền đến bộ chia điện Rotor trong bộ chia điện quay và phân phối điện đến từng xy lanh theo đúng thứ tự làm việc của động cơ Điện áp cao từ bộ chia điện được dẫn đến Bu-gi, nơi thực hiện quá trình đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong lòng xy lanh.

4.3.1.2 Dùng cảm biến Điện từ

Máy phát xung cảm ứng bao gồm nam châm vĩnh cửu, cuộn dây cảm ứng và lõi, tạo thành bộ phận stato cố định Rôto quay, làm phát sinh các xung AC, với cả rôto và lõi được sản xuất từ vật liệu dẫn từ.

Khi roto quay, từ thông qua các cuộn dây sẽ thay đổi, tạo ra điện áp xoay chiều trong cuộn dây cảm ứng Điện áp đỉnh thay đổi theo tốc độ động cơ, với khoảng 0,5 V ở vòng quay thấp và khoảng 100 V ở vòng quay cao Điện áp cảm ứng AC này có thể được sử dụng trực tiếp để điều khiển góc ngậm.

Hình 4.39: Cảm biến điện từ [20] a Thiết kế mô hình b Đường cong điện áp cảm ứng

2 Cuộn dây cảm ứng có lõi

Hình 4.38: Hệ thống đánh lửa kiểu vít lửa [19]

7 Bộ điều khiển đánh lửa sớm

Trong hệ thống đánh lửa này, cảm biến Hall thay thế cho tiếp điểm đánh lửa và được tích hợp trong bộ phân phối Khi trục phân phối quay, các tấm chắn của roto di chuyển qua khe hở trong bộ kích từ, tạo ra từ thông mà không cần tiếp xúc cơ học Khi khoảng trống được bỏ trống, trường thông lượng xuyên qua IC Hall Khi rảnh đi vào khe hở, phần lớn từ thông bị tiêu tán xung quanh thay vì tác động vào vi mạch, dẫn đến việc tạo ra tín hiệu điện áp dạng số.

❖ Kiểm soát dòng điện và góc ngậm

Việc sử dụng cuộn dây với điện trở thấp và khả năng nạp nhanh là rất quan trọng để giảm thiểu tổn thất điện và năng lượng trên cuộn sơ cấp Các chức năng này được tích hợp trong hộp kích hoạt của hệ thống đánh lửa.

Dòng điện sơ cấp được điều chỉnh nhằm hạn chế dòng trong cuộn dây và kiểm soát sự tích tụ năng lượng Việc sử dụng transistor trong điều khiển dòng điện dẫn đến tổn thất điện áp lớn hơn so với cơ cấu điều khiển bằng công tắc, gây ra tổn thất công suất đáng kể trong mạch.

❖ Điều khiển góc ngậm (thời gian tích lũy năng lượng)

Để giảm thiểu tổn thất điện năng, cần bố trí điều chỉnh điểm đặt vào thời gian thích hợp Việc này có thể thực hiện thông qua công nghệ tương tự (analog), trong đó tín hiệu sóng vuông từ bộ kích hoạt hiệu ứng Hall được chuyển đổi thành điện áp dốc bằng cách nạp và xả tụ điện.

Dòng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa được kích hoạt khi điện áp xả trên tụ đạt đến giá trị nhất định (điểm ON) và sẽ bị ngắt khi điện áp xả của tụ đạt giá trị nhất định khác (điểm OFF).

Bộ kích hoạt hiệu ứng Hall trong bộ phân phối đánh lửa bao gồm các thành phần chính: sơ đồ minh họa thiết kế roto, tín hiệu xuất ra từ cảm biến Hall, điện áp dốc của điều khiển dừng, và dòng cuộn dây sơ cấp.

4 Khe hở t1 thời gian ngậm điện t1* Thời gian giảm tức thời tz điểm đánh lửa

Cảm biến quang bao gồm hai loại, khác nhau chủ yếu ở phần tử cảm quang:

− Loại sử dụng một cặp LED – photo transistor

− Loại sử dụng một cặp LED – photo diode

Phần tử phát quang (LED) và phần tử cảm quang (photo transistor hoặc photo diode) được bố trí đối diện trong bộ chia điện, với chức năng chính là phát hiện ánh sáng Khi ánh sáng chiếu vào phần tử cảm quang, nó dẫn điện, ngược lại, khi không có ánh sáng, nó không dẫn điện Độ dẫn điện của phần tử này phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và hiệu điện thế Đĩa cảm biến gắn trên trục bộ chia điện có số rãnh tương ứng với số xy lanh của động cơ Khi đĩa cảm biến quay, ánh sáng từ LED bị ngắt quãng, làm cho phần tử cảm quang dẫn điện ngắt liên tục, từ đó tạo ra các xung vuông để điều khiển đánh lửa.

4.3.2.1 Điều khiển dòng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa

Cường độ dòng điện sơ cấp đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến cường độ từ trường của cuộn dây đánh lửa và năng lượng đánh lửa Cường độ dòng điện sơ cấp càng lớn thì hiệu suất càng cao, nhưng cần lưu ý không để cường độ này quá lớn để tránh làm hỏng cuộn dây sơ cấp do nhiệt Ảnh hưởng này trở nên rõ rệt hơn khi động cơ hoạt động ở số vòng quay thấp, khi thời gian tích lũy năng lượng dài Đối với các động cơ được điều khiển từ ECU, máy tính sẽ quản lý thời gian tích lũy năng lượng để đảm bảo dòng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa đạt giá trị định mức.

Hình 4.42: Quan hệ cường độ dòng điện sơ cấp, tín hiệu IGT và IGF [21]

Trong các công cụ chẩn đoán hệ thống đánh lửa, thời gian tích lũy năng lượng được thể hiện qua góc ngậm điện (Dwell angle) Khái niệm này được mượn từ hệ thống đánh lửa sử dụng má vít.