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 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) ô tơ có nhiệm vụ biến dịng điện chiều điện áp thấp (12V) thành xung điện cao áp (18KV  40KV), tạo tia lửa điện bugi để đốt cháy hồ khí xi lanh động cháy cưỡng bức, vào cuối kỳ nén 4.1.1.2 Yêu cầu - Năng lượng tia lửa mạnh: cắt dòng điện sơ cấp dứt khốt để tạo dịng cao áp lớn, để đảm bảo phát tia lửa điện mạnh cực bugi - Thời điểm đánh lửa đúng: hỗn hợp khí có đủ thời gian bốc cháy giãn nở sinh cơng hiệu nhất, phải thay đổi thời điểm đánh lửa phù hợp với số vòng quay động tải trọng - Độ bền thích hợp: phải có đủ độ tin cậy để chịu đựng rung xóc nhiệt độ mà động sinh ra, điện áp cao thân HTĐL - HTĐL phải có khả tạo tia lửa cao áp chế độ làm việc động cơ, đặc biệt khởi động lạnh - Thời điểm đánh lửa phải theo thứ tự nổ động - HTĐL làm việc phải tin cậy, chắn, độ bền cao, phải chăm sóc bảo dưỡng, giá thành hạ 4.1.1.3 Phân loại a Theo cấu tạo nguyên lý làm việc, HTĐL chia ra: - HTĐL thường: dùng tiếp điểm khí để cắt, nối dịng điện qua cuộn dây sơ cấp bơ bin - HTĐL bán dẫn, lại chia ra: + HTĐL bán dẫn có tiếp điểm điều khiển + HTĐL bán dẫn khơng có tiếp điểm điều khiển, lại gồm: * HTĐL bán dẫn khơng tiếp điểm, có chia điện cao áp; * HTĐL bán dẫn không tiếp điểm, không chia điện cao áp - HTĐL manhêtô (dùng máy lai để khởi động máy xây dựng) vô lăng manhêtic (dùng xe gắn máy) b Theo phương pháp tích luỹ lượng HTĐL, chia ra: - HTĐL điện cảm: lượng đánh lửa tích luỹ cuộn dây biến áp đánh lửa - HTĐL điện dung: lượng đánh lửa tích luỹ tụ điện Khi cần đánh lửa tụ phóng điện qua cuộn dây bô bin 4.1.2 Các thông số HTĐL 4.1.2.1 Hiệu điện thứ cấp cực đại U2m Hiệu điện thứ cấp cực đại U2m hiệu điện cực đại đo hai đầu cuộn dây thứ cấp tách dây cao áp khỏi bugi Hiệu điện thứ cấp cực đại U2m phải đủ lớn để có khả tạo tia lửa điện hai điện cực bugi, đặc biệt lúc khởi động 4.1.2.2 Hiệu điện đánh lửa Uđl Hiện điện thứ cấp mà q trình đánh lửa xảy ra, gọi hiệu điện đánh lửa (Uđl) Hiệu điện đánh lửa hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuân theo định luật Pashen U đt  K p. T Trong đó: p: áp suất buồng đốt thời điểm đánh lửa δ: khe hở bugi T: nhiệt độ điện cực trung tâm bugi thời điểm đánh lửa K: số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hịa khí Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện đánh lửa Uđl tăng khoảng 20 đến 30% nhiệt độ điện cực bugi thấp Khi động tăng tốc độ, tiên, Uđl tăng, áp suất nén tăng, sau Uđl giảm từ từ nhiệt độ điện cực bugi tăng áp suất nén giảm trình nạp xấu Hiệu điện đánh lửa có giá trị cực đại chế độ khởi động tăng tốc, có giá trị cực tiểu chế độ ổn định công suất cực đại (hình 4.1) Hình 4.1: Sự phụ thuộc hiệu điện đánh lửa vào tốc độ tải động Toàn tải; Nửa tải; Tải nhỏ; Khởi động cầm chừng Trong trình vận hành xe mới, sau 2.000 km đầu tiên, Uđl tăng 20% điện cực bugi bị mài mịn Sau Uđl tiếp tục tăng khe hở bugi tăng Vì vậy, để giảm Uđl phải hiệu chỉnh lại khe hở bugi sau 10.000 km 4.1.2.3 Hệ số dự trữ Kdt Hệ số dự trữ tỷ số hiệu điện thứ cấp cực đại U2m hiệu điện đánh lửa Uđl: K dt  U 2m U ñl Đối với HTĐL thường, U2m thấp nên Kdt thường nhỏ 1,5 Trên động xăng đại với HTĐL điện tử, hệ số dự trữ có giá trị cao (Kdt = 1,5  2,0), đáp ứng việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay tăng khe hở bugi 4.1.2.4 Năng lượng dự trữ Wdt Năng lượng dự trữ Wdt lượng tích lũy dạng từ trường cuộn dây sơ cấp biến áp đánh lửa Để đảm bảo tia lửa điện có đủ lượng để đốt cháy hồn tồn hịa khí, HTĐL phải đảm bảo lượng dự trữ cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa giá trị xác định: Wdt  L x I ng 2  50  150 mJ Trong đó: Wdt : lượng dự trữ sơ cấp L1 : độ tự cảm sơ cấp biến áp đánh lửa Ing : cường độ dịng điện sơ cấp thời điểm transistor cơng suất ngắt 4.1.2.5 Tốc độ biến thiên hiệu điện thứ cấp S S du u   300  600 V/s dt t Trong đó: S : tốc độ biến thiên hiệu điện thứ cấp u2 : độ biến thiên hiệu điện thứ cấp t : thời gian biến thiên hiệu điện thứ cấp Tốc độ biến thiên hiệu điện thứ cấp S lớn tia lửa điện xuất điện cực bugi mạnh, nhờ dịng khơng bị rị qua muội than điện cực bugi, lượng tiêu hao mạch thứ cấp giảm 4.1.2.6 Tần số chu kỳ đánh lửa Đối với động kỳ, số tia lửa xảy giây hay gọi tần số đánh lửa, xác định công thức: f nZ 120 (Hz) f nZ 60 (Hz) Đối với động thì: Trong đó: f : tần số đánh lửa n : số vòng quay trục khuỷu động (min-1) Z : số xylanh động Chu kỳ đánh lửa T thời gian hai lần xuất tia lửa T = 1/f = tđ + tm tđ : thời gian vít ngậm hay transistor cơng suất dẫn bão hịa ttn : thời gian vít hở hay transistor cơng suất ngắt Tần số đánh lửa f ti lệ thuận với vòng quay trục khuỷu động số xylanh Khi tăng số vòng quay động số xylanh, tần số đánh lửa f tăng và, chu kỳ đánh lửa T giảm xuống Vì vậy, thiết kế cần ý đến thông số chu kỳ tần số đánh lửa để đảm bảo, số vòng quay cao động cơ, tia lửa mạnh 4.1.2.7 Góc đánh lửa sớm  Góc đánh lửa sớm góc quay trục khuỷu động tính từ thời điểm xuất tia lửa điện bugi piston lên tới tử điểm thượng Hình 4.2: Bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ tải động xe đời xe đời cũ Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng lớn đến cơng suất, tính kinh tế độ nhiễm khí thải động Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: opt = f(pbđ, tbđ, p, twt, tmt, n, No …) Trong đó: pbđ tbđ p : : áp suất buồng đốt thời điểm đánh lửa nhiệt độ buồng đốt : áp suất đường ống nạp twt nhiệt độ nước làm mát động : Tmt : nhiệt độ mơi trường n : số vịng quay động No : số octan xăng Ở đời xe cũ, góc đánh lửa sớm điều khiển theo hai thông số: tốc độ (bộ sớm ly tâm) tải (bộ sớm áp thấp) động Tuy nhiên, HTĐL số xe, có trang bị thêm van nhiệt sử dụng phận đánh lửa sớm theo hai chế độ nhiệt độ Trên xe đời mới, góc đánh sớm điều khiển tối ưu theo chương trình phụ thuộc vào thơng số nêu Trên hình 4.2 trình bày đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ tải động xe đời xe đời cũ 4.1.2.8 Năng lượng tia lửa thời gian phóng điện Thơng thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần thành phần điện dung thành phần điện cảm Năng lượng tia lửa tính cơng thức: WP = W C + WL Trong đó: Wc  C U đ2l WL  L i 22 WP : lượng tia lửa WC : lượng thành phần tia lửa có tính điện dung WL : lượng thành phần tia lửa có tính điện cảm C2 : điện dung ký sinh mạch thứ cấp bugi (F) Uđl : hiệu điện đánh lửa L2 : độ tự cảm mạch thứ cấp (H) i2 : cường độ dòng điện mạch thứ cấp (A) Tùy thuộc vào loại HTĐL mà lượng tia lửa có đủ hai thành phần điện cảm (thời gian phóng điện dài) điện dung (thời gian phóng điện ngắn) có thành phần 4.1.3 Lý thuyết đánh lửa ô tô Trong động xăng kỳ, hịa khí, sau đưa vào xylanh trộn nhờ xoáy lốc dịng khí, piston nén lại Ở thời điểm thích hợp cuối kỳ nén, HTĐL cung cấp tia lửa điện cao đốt cháy hòa khí sinh cơng cho động Để tạo tia lửa điện hai điện cực bugi, trình đánh lửa chia làm ba giai đoạn: trình tăng trưởng dịng sơ cấp hay cịn gọi q trình tích lũy lượng, q trình ngắt dịng sơ cấp q trình xuất tia lửa điện điện cực bugi 4.1.3.1 Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp IG/ SW Accu Rf Đến chiađđiện L1 L2 R1 Biến áp đánh lửa Cảm biến T IC đánh lửa Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý HTĐL Trong sơ đồ HTĐL trên: Rf : điện trở phụ R1 : điện trở cuộn sơ cấp L1, L2 : độ tự cảm cuộn sơ cấp thứ cấp biến áp đánh lửa T : transistor cơng suất điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến vít lửa Hình 4.4: Sơ đồ tương đương mạch sơ cấp HTĐL Khi transistor công suất T dẫn, mạch sơ cấp có dịng điện i1 từ (+) accu đến Rf  L1  T  mass Dòng điện i1 tăng từ từ sức điện động tự cảm sinh cuộn sơ cấp L1 chống lại tăng cường độ dòng điện Ở giai đoạn này, mạch thứ cấp HTĐL gần khơng ảnh hưởng đến q trình tăng dịng mạch sơ cấp Hiệu điện cường độ dòng điện xuất mạch thứ cấp không đáng kể nên ta coi mạch thứ cấp hở Vì vậy, giai đoạn ta có sơ đồ tương đương trình bày hình 4.4 Trên sơ đồ, giá trị điện trở accu bỏ qua, đó: R = R1 + Rf U = Ua -  UT Ua : hiệu điện accu  UT : độ sụt áp transistor công suất trạng thái dẫn bão hòa độ sụt áp vít lửa Từ sơ đồ hình 4.4, ta thiết lập phương trình vi phân sau: i1 R  L1 di1 U dt (4.1) Giải phương trình vi phân (4.1) ta được: U i (t )  R R    t 1  e L1      Gọi 1 = L1/R số điện từ mạch i1(t) = (U/R) (1 – e  t / 1 ) (4.2) Lấy đạo hàm (4.2) theo thời gian t, ta tốc độ tăng trưởng dịng sơ cấp (hình 4.5) Như vậy, tốc độ tăng dòng sơ cấp phụ thuộc chủ yếu vào độ tự cảm L di1 U t / 1  e dt L1 di1 dt t 0  U  tg L1 di1 dt t  0 Với biến áp đánh lửa xe đời cũ với độ tự cảm lớn (đường 1), tốc độ tăng dòng sơ cấp chậm so với biến áp đánh lửa xe đời với độ tự cảm nhỏ (đường 2) Chính vậy, lửa yếu tốc độ cao Trên xe đời mới, tượng khắc phục nhờ sử dụng biến áp đánh lửa có L1 nhỏ Hình 4.5: Q trình tăng trưởng dịng sơ cấp i1 Đồ thị cho thấy độ tự cảm L1 sơ cấp lớn tốc độ tăng trưởng dòng sơ cấp i1 giảm Gọi tđ thời gian transistor cơng suất dẫn cường độ dòng điện sơ cấp I ng thời điểm đánh lửa transistor công suất ngắt là: I ng  U (1  e t ñ / 1 ) R (4.3) Trong đó: tđ = đ.T = đ.120/ (n.Z) (4.4) T : chu kỳ đánh lửa (s) n : số vòng quay trục khuỷu động (min-1) Z : số xylanh động đ : Thời gian tích lũy lượng tương đối Trên xe đời cũ, tỷ lệ thời gian tích lũy lượng đ = 2/3, xe đời nhờ cấu hiệu chỉnh thời gian tích lũy lượng (góc ngậm) nên đ < 2/3  I ng ñ U  (1  e R 120 nZ 1 ) (4.5) Từ biểu thức (4.5), ta thấy Ing phụ thuộc vào tổng trở mạch sơ cấp (R), độ tự cảm cuộn sơ cấp (L1), số vòng quay trục khuỷu động (n), số xylanh (Z) Nếu R, L1, Z khơng đổi tăng số vịng quay trục khuỷu động (n), cường độ dòng điện Ing giảm Tại thời điểm đánh lửa, lượng tích lũy cuộn dây sơ cấp dạng từ trường: I 2ng L Wñt  Wñt   L1 U x (1  e t ñ /  ) 2 R 2 L U 2R 2  L1 U x (1  2e a  e 2a ) R (4.6) Trong đó: Wđt: Năng lượng tích lũy cuộn sơ cấp a tñ 1  R tñ L1 Hàm Wđt = f(a) (4.6) đạt giá trị cực đại, tức nhận lượng từ hệ thống cấp điện nhiều khi: a R L1 t ñ  1,256 (4.7) Đối với HTĐL thường HTĐL bán dẫn loại khơng có mạch hiệu chỉnh thời gian tích lũy lượng tđ, điều kiện (4.7) thực tđ giá trị thay đổi phụ thuộc vào tốc độ n động (4.4) Sau đạt giá trị U/R  , dòng điện qua cuộn sơ cấp gây tiêu phí lượng vơ ích, tỏa nhiệt cuộn sơ cấp điện trở phụ Trên xe đời mới, nhược điểm loại trừ nhờ mạch hiệu chỉnh thời gian tích lũy lượng tđ (Dwell Control) Lượng nhiệt tỏa cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa Wn xác định công thức sau: td Wn   i12 R1 dt Wn  tñ U2   R R1 (1  2e  t / 1  e 2 t / 1 )dt  U2 Wn  R1 t  21 (1  e 2t / 1 )  (1 / 2)(1  e 2 / t1 ) R Wn   tñ U2 R1 (t ñ  21e t / 1  (1 / 2)e 2 t / 1 R 2 (4.8) Công suất tỏa nhiệt Pn cuộn dây sơ cấp biến áp đánh lửa: t ñ Pn   i12 R1dt T Pn    U  tñ  R1   (1  e tñ / 1 )  (1  e 2tñ / 1 ) R  T T 2T  (4.9) Khi cơng tắc máy vị trí ON mà động không hoạt động, công suất tỏa nhiệt biến áp đánh lửa lớn nhất: Pn max  U2 R1 R2 Thực tế thiết kế, Pnmax phải nhỏ 30 W để tránh tình trạng nóng biến áp đánh lửa Vì Pnmax  30W, nhiệt lượng sinh cuộn sơ cấp lớn nhiệt lượng tiêu tán Trong thời gian tích lũy lượng, cuộn thứ cấp xuất sức điện động tương đối nhỏ, xấp xỉ 1.000 V e2  K bb L1 di1 dt Trong đó: e2 : sức điện động cuộn thứ cấp Kbb : hệ số biến áp biến áp đánh lửa Sức điện động dòng điện sơ cấp đạt giá trị U/R  4.1.3.2 Q trình ngắt dịng sơ cấp Khi transistor cơng suất ngắt, dịng điện sơ cấp từ thơng sinh giảm đột ngột Trên cuộn thứ cấp biến áp đánh lửa sinh hiệu điện vào khoảng từ 15 kV  40 kV Giá trị hiệu điện thứ cấp phụ thuộc vào nhiều thông số mạch sơ cấp thứ cấp Để tính tốn hiệu điện thứ cấp cực đại, ta sử dụng sơ đồ tương đương trình bày hình 4.6 Trong sơ đồ này: Rm : điện trở mát Rr : điện trở rò qua điện cực bugi R S I1 C1 R2 L1 L2 L2 Rr Rm C2 Bugi Hình 4.6: Sơ đồ tương đương HTĐL Bỏ qua hiệu điện accu hiệu điện accu nhỏ so với hiệu điện xuất cuộn sơ cấp lúc transistor công suất ngắt Ta xét trường hợp khơng tải, có nghĩa dây cao áp tách khỏi bugi Tại thời điểm transistor công suất ngắt, lượng từ trường tích lũy cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa chuyển thành lượng điện trường chứa tụ điện C1 C2 phần mát Để xác định hiệu điện thứ cấp cực đại U2m ta lập phương trình cân lượng lúc transistor cơng suất ngắt: I 2ng L  C U 12m C U 22 m  A 2 Trong đó: C1: điện dung tụ điện mắc song song với vít lửa transistor cơng suất C2: điện dung ký sinh mạch thứ cấp U1m, U2m: hiệu điện mạch sơ cấp thứ cấp lúc transistor cơng suất ngắt A: lượng mát dịng rị, dịng fucơ lõi thép biến áp đánh lửa U2m = Kbb U1m Kbb = W2/W1: hệ số biến áp biến áp đánh lửa W1 , W : số vòng dây cuộn sơ cấp thứ cấp  I 2ng L  C  U 22 m K 2bb  C U 22 m  C  U 22 m   21  C   I 2ng L K   bb  U 2m  K bb I ng U m  K bb L1 C  K 2bb C L I 2ng C  K 2bb C   ... điều chỉnh góc đánh lửa sớm nêu Góc đánh lửa sớm hệ thống tự xác định ứng với trạng thái làm việc động 4.3 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA BÁN DẪN Hiện nay, hầu hết loại ô tô trang bị hệ thống đánh lửa bán dẫn... + Hệ thống đánh lửa bán dẫn khơng có tiếp điểm: transistor cơng suất điều khiển cảm biến đánh lửa - Hệ thống đánh lửa điều khiển kỹ thuật số: Hệ thống đánh lửa điều khiển kỹ thuật số gọi hệ thống. .. để đánh lửa, phần thành sức điện động tự cảm cuộn W biến áp đánh lửa Sức điện động tự cảm cuộn W1 hệ thống đánh lửa thường có giá trị khoảng 200  400V Do vậy, dùng biến áp đánh lửa hệ thống đánh