Hệ thống đánh lửa

Ba yếu tố quan trọng của động cơ xăng là: hỗn hợp không khí-nhiên liệu tốt, nén ép tốt, và đánh lửa tốt. Hệ thống đánh lửa tạo ra một tia lửa mạnh, vào thời điểm chính xác để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu. 1. Tia lửa mạnh Trong hệ thống đánh lửa, tia lửa đợc phát ra giữa các điện cực của các bugi để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu. Vì ngay cả khi bị nén ép với áp suất cao, không khí vẫn có điện trở, nên cần phải tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn để đảm bảo phát ra tia lửa mạnh, có thể đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu. 2. Thời điểm đánh lửa chính xác Hệ thống đánh lửa phải luôn luôn có thời điểm đánh lửa chính xác để phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ. 3. Có đủ độ bền Hệ thống đánh lửa phải có đủ độ tin cậy để chịu đựng đợc tác động của rung động và nhiệt của động cơ. (1/ Hệ thống đánh lửa sử dụng điện cao áp do cuộn đánh lửa tạo ra nhằm phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu đã đợc nén ép. Hỗn hợp không khí nhiệt liệu đợc nén ép và đốt cháy trong xi lanh. Sự bốc cháy này tạo ra động lực của động cơ. Nhờ có hiện tợng tự cảm và cảm ứng t ơng hỗ, cuôn dây tạo ra điện áp cao cần thiết cho đánh lửa. Cuộn sơ cấp tạo ra điện thế hàng trăm vôn còn cuộn thứ cấp thì tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn.

Trong hệ thống đánh lửa, tia lửa được phát ra giữa các

điện cực của các bugi để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu

Vì ngay cả khi bị nén ép với áp suất cao, không khí vẫn

có điện trở, nên cần phải tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn để đảm bảo phát ra tia lửa mạnh, có thể đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu

2 Thời điểm đánh lửa chính xác

Hệ thống đánh lửa phải luôn luôn có thời điểm đánh lửa chính xác để phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ

3 Có đủ độ bền

Hệ thống đánh lửa phải có đủ độ tin cậy để chịu đựng

được tác động của rung động và nhiệt của động cơ

được nén ép và đốt cháy trong xi lanh

Sự bốc cháy này tạo ra động lực của động cơ Nhờ có hiện tượng tự cảm và cảm ứng tương

hỗ, cuôn dây tạo ra điện áp cao cần thiết cho

đánh lửa Cuộn sơ cấp tạo ra điện thế hàng trăm vôn còn cuộn thứ cấp thì tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn

(1/2)

-2-

Thay đổi trong hệ thống đánh lửa

Có các kiểu hệ thống đánh lửa như sau:

1 Kiểu ngắt tiếp điểm

Kiểu hệ thống đánh lửa này có cấu tạo cơ bản nhất Trong kiểu hệ thống đánh lửa này, dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng cơ học

Dòng sơ cấp của cuôn đánh lửa được điều khiển cho chạy ngắt quãng qua tiếp điểm của

bộ ngắt dòng

Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm li tâm tốc và chân không điều khiển thời điểm đánh lửa

Bộ chia điện sẽ phân phối điện cao áp từ cuôn thứ cấp đến các bugi

GợI ý

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này các tiếp điểm của bộ ngắt điện cần được điều chỉnh thường xuyên hoặc thay thế

Một điện trở ngoài được sử dụng để giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp, cải thiện tăng áp của cuộn sơ cấp, và giảm đến mức thấp nhất

sự giảm áp của cuôn thứ cấp ở tốc độ cao Giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp là giảm

điện trở, tăng dòng sơ cấp, và tăng sự phát nhiệt Vì thế, cần có một điện trở ngoài để ngăn ngừa sự tăng quá mạnh dòng sơ cấp

đánh lửa

(3/4)

4 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)

Thay vì sử dụng bộ chia điện, hệ thống này

sử dụng cuộn đánh lửa đa bội để cung cấp

điện cao áp trực tiếp cho bugi Thời điểm

đánh lửa được điều khiển bởi ESA của ECU

động cơ Trong các động cơ gần đây, hệ thống đánh lửa này chiếm ưu thế

(4/4)

GợI ý

Kiểu 2, đánh lửa đồng thời trong hai xy-lanh Một tia lửa xuất hiện trong kỳ nén và một trong kỳ xả

-4-

Sự cần thiết phải điều khiển thời điểm đánh lửa

Trong động cơ xăng, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được

đánh lửa để đốt cháy (nổ), và áp lực sinh ra từ sự bốc cháy

sẽ đẩy píttông xuống

Năng lượng nhiệt được biến thành động lực có hiệu quả cao nhất khi áp lực nổ cực đại được phát sinh vào thời điểm trục khuỷu ở vị trí 10o sau Điểm Chết Trên (ATDC)

Động cơ không tạo ra áp lực nổ cực đại vào thời điểm đánh lửa; nó phát ra áp lực nổ cực đại chậm một chút, sau khi

đánh lửa

Vì vậy, phải đánh lửa sớm, sao cho áp lực nổ cực đại được tạo ra vào thời điểm 10o ATDC Thời điểm đánh lửa để động cơ có thể sản ra áp lực nổ cực đại vào 10o trước điểm chết trên (BTDC) lại thường xuyên thay đổi, tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ Vì thế, hệ thống đánh lửa phải

có khả năng đánh lửa vào thời điểm để động cơ tạo ra áp lực nổ một cách có hiệu quả nhất, phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ

1 Giai đoạn cháy trễ

Sự bốc cháy (nổ) của hỗn hợp không khí-nhiên liệu không phải xuất hiện ngay sau khi đánh lửa Thoạt đầu, một khu vực nhỏ (hạt nhân) ở sát ngay tia lửa bắt đầu cháy, và quá trình bắt cháy này lan ra khu vực chung quanh

Quãng thời gian từ khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu

được đánh lửa cho đến khi nó bốc cháy được gọi là giai

đoạn cháy trễ (khoảng A đến B trong sơ đồ)

Giai đoạn cháy trễ đo gần như không thay đổi, và nó không bị ảnh hưởng của điều kiện làm việc của động cơ

-5-

2 Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

Sau khi hạt nhân ngọn lửa hình thành, ngọn lửa nhanh chóng lan truyền ra chung quanh Tốc độ lan truyền này

được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa, và thời kỳ này

được gọi là thời kỳ lan truyền ngọn lửa (B~C~D trong sơ

đồ) Khi có một lượng lớn không khí được nạp vào, hỗn hợp không khí-nhiên liệu trở nên có mật độ cao hơn Vì thế, khoảng cách giữa các hạt trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu giảm xuống, nhờ thế, tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng lên Ngoài ra, luồng hỗn hợp không khí-nhiên liệu xoáy lốc càng mạnh thì tốc độ lan truyền ngọn lửa càng cao Khi tốc độ lan truyền ngọn lửa cao, cần phải định thời đánh lửa sớm Do đó cần phải điều khiển thời điểm đánh lửa theo điều kiện làm việc của

động cơ

(1/3)

ã Điều khiển thời điểm đánh lửa

Hệ thống đánh lửa điều khiển thời điểm

đánh lửa theo tốc độ và tải trọng của động cơ sao cho áp lực nổ cực đại xuất hiện ở 10oATDC

GợI ý

Trước đây, các hệ thống đánh lửa sử dụng

bộ đánh lửa sớm li tâm và bộ đánh lửa sớm chân không để điều khiển đánh lửa sớm hoặc muộn Tuy nhiên, ngày nay hầu hết các động cơ đều sử dụng hệ thống ESA (2/3)

-6-

t : Khoảng chỏy trễ

Thời điểm đỏnh lửa

Thời điểm đỏnh lửa để cú ỏp lực nổ cực đại

Ranh giới giữa giai đoạn chỏy trễ và tốc độ lan truyền

ngọn lửa

Giai đoạn chỏy trễ

Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

10o BTDC, với tốc độ 1000 v/ph

(2) Giả sử tốc độ động cơ tăng lên đến 2000 v/ph, giai đoạn cháy trễ vẫn gần như không

đổi với mọi tốc độ động cơ Vì thế góc quay của trục khuỷu sẽ tăng lên so với khi động cơ chạy với tốc độ 1000 v/ph Nếu vẫn sử dụng thời điểm đánh lửa như trong mục (1) cho tốc độ 2000 v/ph thì thời điểm mà động cơ sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị trễ hơn 10o ATDC

(3) Vì vậy, để sản ra áp lực nổ cực đại tại 10o ATDC khi động cơ đang chạy 2000 v/ph thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị trễ trong mục (2) Quá trình định thời đánh lửa sớm này

được gọi là đánh lửa sớm, và sự làm trễ thời

điểm đánh lửa được gọi là đánh lửa muộn

-7-

2 Điều khiển theo tải trọng của động cơ

(1) Khi động cơ mang tải thấp thì áp lực nổ cực

đại được coi là xuất hiện 10o ATDC , khi thời

điểm đánh lửa tối ưu được đặt sớm 20oBTDC

(2) Khi tải trọng của động cơ tăng, mật độ không khí cũng tăng và giai đoạn lan truyền ngọn lửa giảm xuống Vì thế, nếu cứ sử dụng thời điểm đánh lửa như trong mục (1) thì thời điểm mà động cơ sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị sớm hơn 10o ATDC

(3) Để sản ra áp lực nổ cực đại tại thời điểm 10o ATDC khi động cơ mang tải nặng thì thời

điểm đánh lửa phải muộn hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị sớm trong mục (2)

Ngược lại, khi tải trọng của động cơ thấp thì

th ời điểm đánh lửa phải sớm hơn (Tuy nhiên, khi động cơ chạy không tải, thì khoảng thời gian đánh lửa sớm phải nhỏ hoặc bằng không để ngăn ngừa hiện tượng

nổ không ổn định)

(2/3)

ã Điều khiển tiếng gõ động cơ

Tiếng gõ trong động cơ do sự tự bốc cháy gây ra, khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu tự bắt lửa trong buồng đốt

Động cơ trở nên dễ bị gõ khi thời điểm đánh lửa sớm Hiện tượng tiếng gõ mạnh có ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của động cơ như tăng tiêu hao nhiên liệu, giảm công suất phát Trái lại, tiếng gõ nhẹ lại có tác dụng nâng cao tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất

Các hệ thống đánh lửa gần đây có điều khiển thời điểm

đánh lửa làm muộn thời điểm đánh lửa theo tiếng gõ, khi cảm biến phát hiện có tiếng gõ thì điều khiển cho thời

điểm đánh lửa muộn, còn khi không phát hiện ra tiếng

gõ nữa thì điều khiển cho thời điểm đánh lửa sớm hơn Bằng cách ngăn ngừa tiếng gõ như vậy, hệ thống này giúp tăng tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát

(3/3)

Một đầu của cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một

đầu của cuộn thứ cấp được nối với bugi Các đầu còn lại của các cuộn được nối với ắc quy

(1/1)

Hoạt động của cuộn đánh lửa

1 Dòng điện trong cuộn sơ cấp

Khi động cơ chạy, dòng điện từ ắc quy chạy qua IC đánh lửa, vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra

Kết quả là các đường sức từ trường được tạo ra chung quanh cuộn dây có lõi ở trung tâm

(1/2)

-9-

2 Ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp

Khi động cơ tiếp tục chạy, IC đánh lửa nhanh chóng ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra

Kết quả là từ thông của cuộn sơ cấp bắt đầu giảm Vì vậy, tạo ra một sức điện động theo chiều chống lại sự giảm từ thông hiện có, thông qua tự cảm của cuộn sơ cấp và cảm ứng tương hỗ của cuộn thứ cấp Hiệu ứng tự cảm tạo ra một thế điện động khoảng 500 V trong cuộn sơ cấp, và hiệu ứng cảm ứng tương hỗ kèm theo của cuộn thứ cấp tạo ra một sức điện động khoảng 30 kV Thế điện động này làm cho bugi phát ra tia lửa

Dòng sơ cấp càng lớn và sự ngắt dòng sơ cấp càng nhanh thì điện thế thứ cấp càng lớn

(2/2)

-10-

Đại cương

IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dòng sơ cấp đi vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra

Tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT)

Khi tín hiệu IGT chuyển từ ngắt sang đóng, IC

đánh lửa bắt đầu cho dòng điện vào cuộn sơ cấp

ã Điều khiển dòng không đổi

Khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã định,

IC đánh lửa sẽ khống chế cường độ cực đại bằng cách điều chỉnh dòng

ã Điều khiển góc đóng tiếp điểm

Để điều chỉnh quãng thời gian (góc đóng) tồn tại của dòng sơ cấp; thời gian này cần phải giảm xuống khi tốc độ của động cơ tăng lên (trong một số kiểu động cơ gần

đây, chức năng kiểm soát này được thực hiện thông qua tín hiệu IGT)

Khi tín hiệu IGT chuyển từ đóng sang ngắt, IC

đánh lửa sẽ ngắt dòng sơ cấp Vào thời điểm dòng sơ cấp bị ngắt, điện thế hàng trăm vôn

được tạo ra trong cuôn sơ cấp và hàng chục ngàn vôn được tạo ra trong cuộn thứ cấp, làm cho bugi phóng tia lửa

(1/2)

-11-

Tín hiệu IGT

IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dòng sơ cấp đi vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra Sau đó, IC đánh lửa truyền một tín hiệu khẳng

định (IGF) cho ECU phù hợp với cường độ của dòng sơ cấp

Tín hiệu khẳng định (IGF) được phát ra khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã được ấn định IF1 Khi dòng sơ cấp vượt quá trị số qui định IF2 thì hệ thống sẽ xác định rằng lượng dòng cần thiết đã chạy qua và cho phát tín hiệu IGF

để trở về điện thế ban đầu (Dạng sóng của tín hiệu IGF thay đổi theo từng kiểu động cơ) Nếu ECU không nhận được tín hiệu IGF, nó sẽ quyết định rằng đã có sai sót trong hệ thống

đánh lửa Để ngăn ngừa sự quá nhiệt, ECU sẽ cho ngừng phun nhiên liệu và lưu giữ sự sai sót này trong chức năng chẩn đoán Tuy nhiên, ECU động cơ không thể phát hiện ra các sai sót trong mạch thứ cấp vì nó chỉ kiểm soát mạch sơ cấp để nhận tín hiệu IGF

GợI ý

Trong một số kiểu động cơ, tín hiệu IGF được xác định thông qua điện thế sơ cấp

(2/2)

-12-

Điện thế cao trong cuộn thứ cấp làm phát sinh ra tia lửa giữa

điện cực trung tâm và điện cực nối đất của bugi để đốt cháy

hỗn hợp không khí-nhiên liệu đã được nén trong xy-lanh

(1/1)

-13-

Cơ cấu đánh lửa

Sự nổ của hỗn hợp không khí-nhiên liệu do tia lửa từ bugi

được gọi chung là sự bùng cháy Tuy nhiên, sự bùng cháy không phải xẩy ra tức khắc, mà diễn ra như sau:

Tia lửa xuyên qua hỗn hợp không khí-nhiên liệu từ điện cực trung tâm đến điện cực tiếp đất Kết quả là phần hỗn hợp không khí-nhiên liệu dọc theo tia lửa bị kích hoạt, phản ứng hoá học (ôxy hoá) xảy ra, và sản sinh ra nhiệt để hình thành cái gọi là “nhân ngọn lửa”

Nhân ngọn lửa này lại kích hoạt hỗn hợp không khí-nhiên liệu bao quanh, và phần hỗn hợp này lại kích hoạt chung quanh nó Cứ như thế nhiệt của nhân ngọn lửa được mở rộng ra trong một quá trình được gọi là lan truyền ngọn lửa

để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu

Nếu nhiệt độ của các điện cực quá thấp hoặc khe hở giữa các điện cực quá nhỏ, các điện cực sẽ hấp thụ nhiệt toả ra

từ tia lửa Kết quả là nhân ngọn lửa bị tắt và động cơ không

(1/1)

GợI ý

Khoảng thời gian thay thế bugi:

Kiểu bugi thông thường: sau 10.000 đến 60.000 km Kiểu có điện cực platin hoặc iridium: sau 100.000 đến 240.000 km

Khoảng thời gian thay bugi có thể thay đổi tuỳ theo kiểu

xe, đặc tính động cơ, và nước sử dụng

2 Khe hở điện cực và điện áp yêu cầu

Khi bugi bị ăn mòn thì khe hở giữa các điện cực tăng lên,

và động cơ có thể bỏ máy

Khi khe hở giữa cực trung tâm và cực tiếp đất tăng lên,

sự phóng tia lửa giữa các điện cực trở nên khó khăn Do

đó, cần có một điện áp lớn hơn để phóng tia lửa Vì vậy cần phải định kỳ điều chỉnh khe hở điện cực hoặc thay thế bugi

GợI ý

ã Nếu có thể cung cấp đủ điện áp cần thiết cho dù khe

hở điện cực tăng lên thì bugi sẽ tạo ra tia lửa mạnh, mồi lửa tốt hơn Vì thế, trên thị trường có những bugi

có khe hở rộng đến 1,1 mm

ã Các bugi có điện cực platin hoặc iridium không cần

điều chỉnh khe hở vì chúng không bị mòn (chỉ cần thay thế)

(1/1)

-15-

Vùng nhiệt

Nhiệt lượng do một bugi bức xạ ra thay đổi tuỳ theo hình dáng và vật liệu của bugi Nhiệt lượng bức xạ đó được gọi là vùng nhiệt

Kiểu bugi phát xạ ra nhiều nhiệt được gọi là kiểu bugi lạnh, bởi vì nó không bị nóng lên nhiều Kiểu bugi phát xạ ít nhiệt

được gọi là kiểu nóng, vì nó giữ lại nhiệt

Mã số của bugi được in trên bugi, nó mô tả cấu tạo và đặc tính của bugi Mà số có khác nhau đôi chút, tuỳ theo nhà chế tạo Thông thường, con số vùng nhiệt càng lớn thì bugi càng lạnh vì nó phát xạ nhiệt tốt Bugi làm việc tốt nhất khi nhiệt độ tối thiểu của điện cực trung tâm nằm trong khoảng nhiệt độ tự làm sạch: 450o C, và nhiệt độ tự bén lửa: 950oC

GợI ý KHI SửA CHữA

Vùng nhiệt thích hợp của bugi thay đổi tuỳ theo kiểu xe Việc lắp một bugi có vùng nhiệt khác đi sẽ gây nhiễu cho nhiệt độ tự làm sạch và nhiệt độ tự bén lửa Để ngăn ngừa hiện tượng này, cần sử dụng kiểu bugi đã quy định

độ của điện cực vượt quá 450o C Nếu các điện cực chưa

đạt đến nhiệt độ tự làm sạch này thì muội than sẽ tích luỹ trong khu vực đánh lửa của bugi Hiện tượng này có thể làm cho bugi không đánh lửa được tốt

(2/2)

2 Nhiệt độ tự bén lửa

Nếu bản thân bugi trở thành nguồn nhiệt và đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu mà không cần đánh lửa, thì hiện tượng này được gọi là “nhiệt độ tự bén lửa” Hiện tượng tự bén lửa xảy ra khi nhiệt độ của điện cực vượt quá 950 o C Nếu nó xuất hiện, công suất của động cơ sẽ giảm sút vì thời điểm đánh lửa không đúng, và các điện cực hoặc píttông có thể bị chảy từng phần

(2/2)

-16-

Bugi có cực platin hoặc iriđi

Trên các bugi kiểu này, điện cực trung tâm và

điện cực tiếp đất được phủ một lớp mỏng platin hoặc iriđi Vì vậy, tuổi thọ của những bugi này dài hơn bugi thông thường

Vì platin và iriđi chống được ăn mòn nên điện cực trung tâm có thể vẫn nhỏ, tạo điều kiện

đánh lửa tốt

1 Bugi có cực platin

Trong loại bugi này, platin được hàn đắp lên

đầu điện cực trung tâm và điện cực tiếp đất

Đường kính của điện cực trung tấm nhỏ hơn

so với bugi thông thường

2 Bugi có cực iriđi

Trong loại buji này, iriđi (có khả năng chống ăn mòn cao hơn platin) được hàn đắp lên đầu điện cực trung tâm và điện cực tiếp

đất Đường kính điện cực trung tâm nhỏ hơn

so với của bugi cực platin

Gợi ý

Một số trong số các bugi này không được hàn đắp platin lên điện cực nối đất

(1/2)