GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ
Cho đến những năm 1960, chế hòa khí đã được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ thống phân phối nhiên liệu tiêu chuẩn Tuy nhiên, đến năm
Năm 1971, Toyota đã giới thiệu hệ thống phun xăng điện tử EFI (Electronic Fuel Injection), cải thiện việc phân phối nhiên liệu đến các xilanh động cơ so với chế hòa khí Hệ thống này sử dụng công nghệ phun nhiên liệu có điều khiển điện tử, mang lại hiệu suất tốt hơn Việc xuất khẩu xe trang bị động cơ EFI bắt đầu từ năm này.
1979 với xe Crown (động cơ 5M – E) và xe Cressida (4M - E) Kể từ đó, động cơ trang bị EFI sản xuất tăng dần lên về quy mô cũng như là số lượng
Việc điều khiển EFI có thể được chia thành hai loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun
Có hai loại mạch điều khiển phun: một loại là mạch tương tự, điều chỉnh lượng phun dựa vào thời gian nạp và phóng của tụ điện; loại còn lại là mạch điều khiển bằng bộ vi xử lý, sử dụng dữ liệu lưu trữ để xác định lượng phun.
Mạch tương tự là công nghệ đầu tiên được Toyota áp dụng trong hệ thống EFI Việc sử dụng điều khiển bằng bộ vi xử lý đã bắt đầu từ năm.
Hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý trên xe Toyota được gọi là TCCS (Hệ thống điều khiển bằng máy tính của TOYOTA) TCCS không chỉ kiểm soát lượng phun nhiên liệu mà còn tích hợp ESA (Đánh lửa sớm điện tử) để điều chỉnh thời điểm đánh lửa và ISC (Điều khiển tốc độ không tải) nhằm duy trì tốc độ động cơ ổn định.
6 tải ) và các hệ thống điều khiển khác; cũng như chức năng chẩn đoán và dự phòng
Vào cuối thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp ông Stevan đã nghĩ ra cách phân phối nhiên liệu khi dùng một máy nén khí
Sau đó một thời gian, người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng đốt, nhưng việc này không đạt được hiệu quả cao nên không thực hiện
Đến năm 1887 người Mỹ đã có đóng góp to lớn trong việc triển khai hệ thống phun xăng vào sản xuất, áp dụng trên động cơ tỉnh tại
Đầu thế kỷ 20, hệ thống phun xăng được áp dụng trên các loại ôtô ở Đức và nó đã thay dần động cơ sử dụng bộ chế hòa khí
Năm 1962, người Pháp triển khai nó trên ôtô Peugoet 404
Năm 1973, các kỹ sư người Đức đã đưa ra hệ thống phun xăng kiểu cơ khí gọi là K-Jetronic
Hệ thống phun xăng K-Jetronic là nền tảng của các hệ thống phun xăng điện tử hiện đại Những đặc điểm kỹ thuật của hệ thống này có thể được tóm tắt như sau:
Được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí- thuỷ lực
Không cần sử dụng dẫn động của động cơ, việc điều chỉnh lưu lượng xăng phun ra được thực hiện nhờ vào độ chân không trong ống hút.
Xăng phun ra liên tục và được định lượng tuỳ theo khối lượng không khí nạp
Hình 1: – Hệ thống phun xăng K-Jetronic
Sau K-Jetronic đã được nâng cấp với van tần số, cho phép điều chỉnh áp suất buồng dưới của các bộ chênh lệch áp suất Việc sử dụng van tần số này nhằm mục đích tối ưu hóa tỷ lệ hỗn hợp, giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn.
Vào năm 1981, hệ thống K-Jetronic đã được cải tiến thành KE-Jetronic, và đến năm 1984, nó bắt đầu được sản xuất hàng loạt Hệ thống này đã được trang bị cho các mẫu xe của hãng Mercedes.
Hệ thống phun xăng KE-Jetronic do BOSCH phát triển dựa trên nền tảng của K-Jetronic và K-Jetronic với van tần số Thiết kế của hệ thống K-Jetronic gặp khó khăn về độ chính xác do số lượng cảm biến hạn chế, ảnh hưởng đến khả năng nhận biết tình trạng làm việc của động cơ Việc sử dụng van tần số để điều chỉnh áp lực và bộ điều chỉnh áp lực theo nhiệt độ cũng chưa hoàn thiện, dẫn đến sự không đồng bộ giữa thời gian mở và đóng van cũng như áp suất trên đỉnh piston Điều này làm giảm độ tin cậy của hệ thống trong các chế độ làm việc của động cơ.
Hình 2: Sơ đ kết cấu hệ thống phun xăng KE-Jetronic
Hệ thống KE-Jetronic là một cải tiến từ K-Jetronic, với sự thay đổi trong cách điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu để phù hợp với điều kiện hoạt động của động cơ Trong hệ thống này, áp lực nhiên liệu trong các buồng dưới của bộ chênh lệch áp suất được điều chỉnh, trong khi áp suất điều khiển trên đỉnh piston được giữ cố định Ngoài ra, KE-Jetronic sử dụng nhiều cảm biến hơn xung quanh động cơ, giúp gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển điện tử để cải thiện hiệu suất hoạt động.
9 từ đó trung tâm điều khiển sẽ làm thay đổi áp suất trong hệ thống để đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc của động cơ
Hệ thống KE-Jetronic không chỉ định lượng nhiên liệu bằng cơ khí như K-Jetronic, mà còn điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp đến các kim phun dựa vào tình trạng làm việc của động cơ, bao gồm các chế độ tải, điều kiện môi trường và nhiệt độ động cơ Đặc biệt, hình dạng phễu không khí trong hệ thống KE-Jetronic được thiết kế để duy trì tỷ lệ hỗn hợp luôn ở mức =1 cho tất cả các chế độ hoạt động của động cơ.
Đến năm 1984, Toyota là hãng xe Nhật Bản đầu tiên áp dụng hệ thống phun xăng, mở ra xu hướng mới trong công nghệ động cơ Sau đó, các hãng xe Nhật Bản khác, như Nissan, cũng đã chuyển sang sử dụng hệ thống L-Jetronic thay cho bộ chế hòa khí truyền thống.
Yêu cầu của hệ thống phun xăng
Tỉ lệ không khí và nhiên liệu phải thích hợp với các chế độ làm việc của động cơ
Hạt nhiên liệu cung cấp phải nhỏ và phần lớn phải ở dạng hơi
Hỗn hợp phải đồng nhất trong xy lanh và như nhau ở mỗi xy lanh
Điều khiển cắt nhiên liệu khi giảm tốc nhằm tiết kiệm được nhiên liệu và giải quyết được vấn đề ô nhiểm môi sinh
Thời gian hình thành hỗn hợp phải đáp ứng tốt khi động cơ làm việc ở số vòng quay cao
Hỗn hợp cung cấp phải phù hợp với sự ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất môi trường và nhiệt độ của động cơ
Lượng nhiên liệu sử dụng phải có chất lượng tốt
Do không sử dụng độ chân không để hút nhiên liệu như bộ chế hoà khí
Để giảm sức cản và tận dụng quán tính lớn của dòng khí, người ta đã tăng đường kính và chiều dài của ống nạp.
Lượng khí thải được kiểm tra để hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun cho chính xác…
HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ EFI LÀ GÌ ?
Mặc dù K-Jetronic và KE-Jetronic đã cải thiện tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm, nhưng vẫn sử dụng cơ chế điều khiển kết hợp giữa cơ khí và điện tử Để nâng cao hiệu quả, hệ thống phun xăng điện tử (EFI) đã được phát triển, cung cấp tỷ lệ khí hỗn hợp tối ưu cho động cơ EFI tự động điều chỉnh tỷ lệ xăng và không khí dựa trên chế độ hoạt động của ô tô, cung cấp hỗn hợp giàu xăng khi khởi động trong thời tiết lạnh và điều chỉnh thành hỗn hợp nghèo xăng khi động cơ đạt nhiệt độ vận hành Ở các chế độ cao tốc và tăng tốc, EFI lại cung cấp hỗn hợp giàu xăng theo yêu cầu.
2.1 Ƣu điểm của hệ thống EFI so với các loại hệ thống phun xăng khác
2.1.1 Có thể cấp hỗn hợp khí – nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh
Mỗi xylanh trong động cơ đều có vòi phun riêng, với lượng phun được điều chỉnh chính xác bởi ECU theo tốc độ động cơ và tải trọng, giúp phân phối nhiên liệu đồng đều Tỷ lệ khí-nhiên liệu cũng có thể điều chỉnh linh hoạt thông qua ECU bằng cách thay đổi thời gian hoạt động của vòi phun, tạo ra hỗn hợp khí nhiên liệu tối ưu cho tất cả các xylanh Điều này không chỉ cải thiện khả năng kiểm soát khí xả mà còn nâng cao hiệu suất công suất của động cơ.
2.1.2 Có thể đạt đƣợc tỷ lệ khí - nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ
Vòi phun đơn trong chế hòa khí không thể kiểm soát chính xác tỷ lệ khí-nhiên liệu ở tất cả các dải tốc độ, dẫn đến việc cần phân chia thành các hệ thống tốc độ khác nhau như tốc độ chậm, tốc độ cao thứ nhất và tốc độ cao thứ hai Khi chuyển đổi giữa các hệ thống này, hỗn hợp khí nhiên liệu phải được làm đậm hơn một chút; nếu không, sẽ xảy ra các hiện tượng không bình thường.
Sự cố thường gặp như nổ trong ống nạp và nghẹt có thể xảy ra khi chuyển đổi, nhưng với hệ thống EFI, hỗn hợp khí – nhiên liệu được cung cấp chính xác và liên tục ở mọi chế độ tốc độ và tải trọng của động cơ Điều này mang lại lợi ích lớn về kiểm soát khí xả và tiết kiệm nhiên liệu.
2.1.3 Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga Ở động cơ lắp chế hoà khí, từ bộ phận phun nhiên liệu đến xylanh có một khoảng cách dài Cũng như, do có sự chênh lệch lớn giữa tỷ trọng riêng của xăng và không khí, nên xuất hiện sự chậm trễ nhỏ khi xăng đi vào xylanh tương ứng với sự thay đổi của luồng khí nạp Mặc dù vậy, ở hệ thống EFI, vòi phun được bố trí gần xylanh & và được nén với áp suất khoảng 2 đến 3 kgf/cm 2 , cao hơn so với áp suất đường nạp cũng như nó được phun qua một lỗ nhỏ, nên nó dễ dàng tạo thành dạng sương mù Do vậy, lượng phun thay đổi tương ứng với sự thay đổi của lượng khí nạp tuỳ theo sự đóng mở của bướm ga, nên hỗn hợp khí nhiên liệu phun vào trong các xylanh thay đổi ngay lập tức theo độ mở của bướm ga Nói tóm lại, nó đáp ứng kịp thời với sự thay đổi của vị trí chân ga
2.1.4 Hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu
Bù tại tốc độ thấp:
Khả năng tải tại tốc độ thấp được cải thiện nhờ nhiên liệu dạng sương mù được phun ra qua vòi phun khởi động lạnh khi động cơ khởi động Bên cạnh đó, lượng không khí đầy đủ được hút vào qua van khí phụ giúp duy trì khả năng tải tốt ngay sau khi khởi động.
Cắt nhiên liệu khi giảm tốc:
Trong quá trình giảm tốc, động cơ vẫn hoạt động với tốc độ cao mặc dù bướm ga đã đóng kín, dẫn đến việc lượng khí nạp vào xylanh giảm và độ chân không trong đường nạp tăng cao Khi ở chế độ hòa khí, xăng bám trên thành ống nạp sẽ bay hơi vào xylanh do sự gia tăng đột ngột của độ chân không, tạo ra một hỗn hợp nhiên liệu quá đậm Điều này dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn và làm tăng lượng khí thải không cháy hết (HC) trong khí xả Đối với động cơ EFI, việc phun nhiên liệu được điều chỉnh để giảm thiểu tình trạng này.
Khi bướm ga đóng và động cơ hoạt động ở tốc độ vượt quá một giá trị nhất định, có 12 loại nhiên liệu bị loại bỏ, dẫn đến sự giảm nồng độ HC trong khí xả và làm giảm mức tiêu hao nhiên liệu.
Nạp hỗn hợp khí-nhiên liệu hiệu quả là yếu tố quan trọng trong động cơ Trong chế hòa khí, dòng không khí bị thu hẹp tại họng khuếch tán, làm tăng tốc độ dòng khí và tạo ra độ chân không, dẫn đến việc hỗn hợp khí-nhiên liệu được hút vào xylanh trong hành trình đi xuống của piton Tuy nhiên, họng khuếch tán cũng gây cản trở dòng khí nạp, đây là nhược điểm của động cơ Ngược lại, hệ thống EFI hoạt động với áp suất xấp xỉ 2, giúp cải thiện quá trình nạp khí.
Áp suất 3 kgf/cm² được duy trì liên tục đến động cơ, giúp cải thiện hiệu suất phun sương của hỗn hợp khí và nhiên liệu Việc giảm kích thước đường ống nạp cho phép tận dụng quán tính của dòng khí nạp, từ đó tối ưu hóa quá trình trộn lẫn khí và nhiên liệu.
2.2 Kết cấu cơ bản của EFI
EFI có thể chia thành 3 khối chính: - Hệ thống điều khiển điện tử
EFI cũng có thể được chia thành điều khiển phun nhiên liệu cơ bản & điều khiển hiệu chỉnh 3 hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết sau đây
Cảm biến nhiệt độ nước
Cảm biến nhiệt khí nạp
Cảm biến vị trí bướm ga
Tín hiệu cảm biến oxy
Tín hiệu đánh lửa(NE,G)
ECU Điều khiển lượng phun nhiên liệu
Cảm biến áp suất đường nạp
Cảm nhận lượng khí nạp
Vòi phun khởi Động lạnh
Các vòi phun Tín hiệu phun phun
Các xylanh Đường ống nạp Khoang nạp khí
Hình 3: - Sơ đ kết cấu hệ thống phun xăng điện tử
1 - Thùng xăng; 2 – Bơm xăng; 3 – Lọc xăng; 4 – ECU; 5 – Kim phun; 6 –
Bộ điều áp, ống góp hút, kim phun xăng khởi động lạnh, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng không khí nạp, cảm biến Oxy, công tắc nhiệt-thời gian, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, Delco (cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston), van khí phụ, và ắcquy là những thành phần quan trọng trong hệ thống động cơ Những linh kiện này đóng vai trò thiết yếu trong việc điều chỉnh hiệu suất và hoạt động của động cơ, đảm bảo sự vận hành ổn định và tiết kiệm nhiên liệu.
Nhiều loại cảm biến quan trọng cung cấp thông tin cho ECU về tình trạng động cơ, bao gồm cảm biến lưu lượng không khí nạp, cảm biến cốt cam, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến oxy trong khí thải và cảm biến nhiệt độ không khí nạp.
Các kim phun xăng hoạt động nhờ vào bơm xăng điện và bộ điều áp xăng, cung cấp nhiên liệu dưới áp suất không đổi ECU liên tục nhận và xử lý thông tin từ các cảm biến, so sánh với dữ liệu đã cài đặt trong bộ nhớ vi xử lý Dựa trên thông tin này, ECU quyết định thời điểm và thời lượng phun xăng bằng cách điều chỉnh điện áp vào cuộn dây solenoid của kim phun Khi ECU cấp điện, cuộn dây solenoid được từ hóa, tạo ra từ trường hút lõi kim, mở van phun xăng Lượng xăng phun ra phụ thuộc vào thời gian mở van kim Khi ECU ngắt điện, cuộn dây mất từ tính, lò xo đẩy van kim đóng, chấm dứt quá trình phun xăng.
Các thiết bị phun cơ bản đảm bảo tỷ lệ lý tưởng giữa không khí và nhiên liệu trong các xylanh Để duy trì sự cân bằng này, khi lượng khí nạp tăng, lượng nhiên liệu phun vào cũng cần tăng tương ứng Ngược lại, nếu lượng khí nạp giảm, lượng nhiên liệu phun ra cũng phải giảm theo.
2.2.2 Ƣu điểm của hệ thống phun xăng điện tử so với bộ chế hòa khí thông thường
Hệ thống phun xăng có nhiều ưu điểm hơn bộ chế hòa khí là:
1) Dùng áp suất làm tơi xăng thành những hạt bụi sương hết sức nhỏ
2) Phân phối hơi xăng đồng đều đến từng xylanh một và giảm thiểu xu hướng kích nổ bởi hòa khí loãng hơn
3) Động cơ chạy không tải êm dịu hơn
4) Tiết kiệm nhiên liệu nhờ điều khiển được lượng xăng chính xác, bốc hơi tốt, phân phối xăng đồng đều
5) Giảm được các khí thải độc hại nhờ hòa khí loãng
6) Mômen xoắn của động cơ phát ra lớn hơn, khởi động nhanh hơn, xấy nóng máy nhanh và động cơ làm việc ổn định hơn
7) Tạo ra công suất lớn hơn, khả năng tăng tốc tốt hơn do không có họng khuếch tán gây cản trở như động cơ chế hòa khí
8) Hệ thống đơn giản hơn bộ chế hòa khí điện tử vì không cần đến cánh bướm gió khởi động, không cần các vít hiệu chỉnh
9) Gia tốc nhanh hơn nhờ xăng bốc hơi tốt hơn lại được phun vào xylanh tận nơi
10) Đạt được tỉ lệ hòa khí dễ dàng
11) Duy trì được hoạt động lý tưởng trên phạm vi rộng trong các điều kiện vận hành
12) Giảm bớt được các hệ thống chống ô nhiễm môi trường
2.3 Phân loại hệ thống phun xăng
2.3.1 Phân loại theo điểm phun a Hệ thống phun xăng đơn điểm (TPI): Kim phun đặt ở cổ ống góp hút chung cho toàn bộ các xi lanh của động cơ, bên trên bướm ga b Hệ thống phun xăng đa điểm(MPI): Mỗi xy lanh của động cơ được bố trí 1 vòi phun phía trước xupáp nạp
Heọ thoỏng MPI Heọ thoỏng TPI
HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
KHÁI QUÁT, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ
Ba yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của động cơ xăng bao gồm: hỗn hợp không khí và nhiên liệu (hòa khí) tối ưu, sức nén cao và hệ thống đánh lửa hiệu quả Hệ thống đánh lửa cần tạo ra tia lửa mạnh vào thời điểm chính xác để đảm bảo quá trình đốt cháy hòa khí diễn ra hiệu quả.
Hệ thống đánh lửa trên ôtô chuyển đổi dòng điện một chiều hạ áp 12V thành xung điện cao áp từ 12 kV đến 24 kV, tạo ra tia lửa điện trên bugi để đốt cháy hỗn hợp khí-xăng trong xylanh vào cuối kỳ nén Để thực hiện nhiệm vụ này, hệ thống đánh lửa cần đáp ứng các yêu cầu chính như độ tin cậy, hiệu suất và khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau.
Tia lửa mạnh trong hệ thống đánh lửa là yếu tố quan trọng giúp đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu Để tạo ra tia lửa này, điện áp cần đạt hàng chục ngàn vôn, vì không khí có điện trở ngay cả khi bị nén với áp suất cao Sự phát ra tia lửa mạnh mẽ này đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả.
Hệ thống đánh lửa cần đảm bảo thời điểm đánh lửa chính xác để phù hợp với sự biến đổi về tốc độ và tải trọng của động cơ, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
- 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
Mô tả sơ lược hệ thống đánh lửa:
Hình 22 Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa sử dụng điện cao áp từ cuộn đánh lửa để tạo ra tia lửa điện, giúp đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu đã được nén.
-Hỗn hợp không khí nhiệt liệu 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.
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
2.1 Hệ thống đánh lửa bằng vít
Hệ thống đánh lửa cơ bản này sử dụng cơ chế điều khiển dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa Trong hệ thống này, dòng sơ cấp của bobin được điều chỉnh để hoạt động ngắt quãng thông qua tiếp điểm của vít lửa.
Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm li tâm và chân không điều khiển thởi điểm đánh lửa
Bộ chia điện sẽ phân phối điện cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi
Hình 23 Hệ thống đánh lửa bằng vít
Trong hệ thống đánh lửa này, việc điều chỉnh hoặc thay thế tiếp điểm của vít lửa là rất cần thiết Sử dụng một điện trở phụ giúp giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp, từ đó cải thiện đặc tính tăng trưởng dòng điện và giảm thiểu sự giảm áp của cuộn thứ cấp khi hoạt động ở tốc độ cao.
2.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn
Trong hệ thống đánh lửa này, transistor điều khiển dòng sơ cấp hoạt động gián đoạn theo tín hiệu điện từ bộ phát tín hiệu Góc đánh lửa sớm có thể được điều khiển bằng cơ học, giống như trong hệ thống đánh lửa bằng vít, hoặc thông qua các cảm biến vị trí như cảm biến quang hoặc cảm biến Hall.
Hình 24 Hệ thống đánh lửa bán dẫn
2.3 Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử)
Hệ thống đánh lửa này không sử dụng bộ đánh lửa sớm chân không và li tâm; thay vào đó, góc đánh lửa sớm được điều khiển bởi chức năng ESA của bộ điều khiển điện từ (ECU).
Hình 25 Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA
2.4 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)
Hệ thống đánh lửa hiện đại sử dụng bobin đơn hoặc đôi để cung cấp điện cao áp trực tiếp cho bugi, thay vì sử dụng bộ chia điện Thời điểm đánh lửa được điều khiển bởi ESA của ECU động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất Hệ thống này ngày càng trở nên phổ biến trong các động cơ mới.
Hình 26 Hệ thống đánh lửa trực tiếp
CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
3.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m :
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là điện áp tại hai đầu cuộn dây thứ cấp khi dây cao áp được tách ra khỏi bugi Để tạo tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt trong quá trình khởi động, hiệu điện thế cực đại U2m cần phải đạt giá trị lớn.
3.2 Hiệu điện thế đánh lửa U dl :
Hiệu điện thế đánh lửa (Udl) là hiệu điện thế thứ cấp cần thiết để kích hoạt quá trình đánh lửa, và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau theo định luật Pashen.
- P: là áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa
- T: nhiệt độ ở điện cực trung tâm của bugi tại thời điện đánh lửa
Hằng số K phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp hoà khí Trong chế độ khởi động lạnh, hiệu thế đánh lửa Udlt tăng khoảng 20 ÷ 30% do nhiệt độ hoà khí thấp và sự trộn lẫn không đồng đều của hoà khí.
Khi động cơ tăng tốc, điện áp (U dl) ban đầu tăng lên, nhưng sau đó giảm dần do nhiệt độ cực bugi tăng cao và áp suất nén giảm do quá trình nạp không hiệu quả.
Hiệu điện thế đánh lửa đạt giá trị tối đa trong chế độ khởi động và tăng tốc, trong khi ở chế độ ổn định với công suất cực đại, giá trị này giảm xuống mức tối thiểu Trong giai đoạn vận hành xe mới, sau 2.000 km đầu tiên, hiệu điện thế đánh lửa sẽ tăng lên 20% do sự mài mòn của điện cực bugi.
Hình 27 Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa và tốc độ và tải động cơ
1 Toàn tải; 2 Nửa tải; 3 Khởi động và cầm chừng
Sau khi đó U dl tiếp tục tăng do khe hở bugi tăng Vì vậy để giảm U dl phải hiệu chỉnh lại khe hở bugi sau mỗi 10.000 km
3.3 Hệ số dự trữ K dt :
Hệ số dự trữ (Kdt) là tỷ lệ giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Udl Trong hệ thống đánh lửa thông thường, do U2m thấp, Kdt thường nhỏ hơn 1,5 Tuy nhiên, ở các động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số dự trữ có thể tăng cao, dao động từ 1,5 đến 1,8, cho phép tăng tỷ số nén, số vòng quay và khe hở bugi.
3.4 Năng lƣợng dự trữ W dt :
Năng lượng dự trữ Wdt trong cuộn dây sơ cấp của bobin là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường Để tia lửa điện có đủ năng lượng đốt cháy hoàn toàn hòa khí, hệ thống đánh lửa cần đảm bảo năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của bobin đạt một giá trị xác định.
- Wdl: Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp
- L1: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobin
- Ing: Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm công suất ngắt
3.5 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S:
- S: tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
- ΔU2 độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
- Δt: Thời gian biến thiên của hiệu thế thứ cấp
Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế cấp S cao hơn sẽ tạo ra tia lửa điện mạnh mẽ tại điện cực bugi, giúp ngăn chặn dòng điện rò rỉ qua cómuội than, từ đó giảm thiểu năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp.
3.6 Tần số và chu kỳ đánh lửa: Đối với động cơ 4 thì, số tia lửa xảy ra trong một giây được xác định bởi công thức: Đối với động cơ 2 thì:
- n: số vòng quay trục khuỷu động cơ (min-1)
Chu kỳ đánh lửa : là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa
- td : thời gian công suất dẫn
- t m : thời gian công suất ngắt
Tần số đánh lửa f tỷ lệ thuận với số vòng quay của trục khuỷu động cơ và số vòng quay của xylanh Khi số vòng quay của động cơ và xylanh tăng, tần số đánh lửa f cũng tăng, dẫn đến chu kỳ đánh lửa T giảm Do đó, trong quá trình thiết kế, cần chú ý đến hai thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo rằng tia lửa vẫn mạnh mẽ ở số vòng quay cao nhất của động cơ.
Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu từ khi tia lửa điện xuất hiện tại bugi cho đến khi piston đạt điểm chết trên Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng lớn đến công suất, hiệu suất nhiên liệu và mức độ ô nhiễm khí thải của động cơ Tối ưu hóa góc đánh lửa sớm phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
41 θopt = f(P bđ , t bđ ,p, twt, tmt, n, No…)
- P bđ : Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa
- P: Áp suất trên đường ống nạp
- twt : Nhiệt độ làm mát động cơ
- t mt : Nhiệt độ môi trường
- n: Số vòng quay động cơ
Chỉ số octan của xăng là yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở xe cũ, nơi mà việc điều khiển dựa vào tốc độ và tải động cơ Một số mẫu xe như Toyota và Honda được trang bị thêm van nhiệt, cho phép điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo hai chế độ nhiệt độ Trong khi đó, các mẫu xe mới sử dụng công nghệ điện tử để điều khiển góc đánh lửa sớm, giúp việc điều chỉnh trở nên chính xác hơn dựa trên các thông số vận hành.
3.8 Năng lƣợng tia lửa và thời gian phóng điện:
Tia lửa điện thường bao gồm hai thành phần chính: thành phần điện dung và thành phần điện cảm Năng lượng của tia lửa có thể được tính toán bằng một công thức cụ thể.
- WP: Năng lượng của tia lửa
- WC: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung
- WL: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm
- C 2 : Điện dung ký sinh của mạch thứ cấp của bugi (F)
- Udl: Hiệu điện thế đánh lửa
- L2: Độ tự cảm của mạch thứ cấp (H)
- I 2 : Cường độ dòng điện mạch thú cấp (A)
SƠ LƢỢC VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỮA TRỰC TIẾP
4.1 Ƣu điểm của hệ thống đánh lửa trực tiếp:
Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) hay còn gọi là hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện (DLI) đã được phát triển từ giữa thập kỷ 80 và ban đầu được áp dụng cho các loại xe sang Hiện nay, hệ thống này ngày càng được sử dụng rộng rãi trên nhiều loại xe khác nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
Dây cao áp ngắn hoặc không sử dụng dây cao áp giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng, giảm điện dung ký sinh và giảm nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp.
- Không còn mỏ quẹt nên không có khe hở giữa mỏ quẹt và dây cao áp
- Bỏ được các chi tiết cơ dây hư hỏng và phải chế tạo bằng vật liệu cách điện tốt như mỏ quẹt, chổi than, nắp delco
Trong hệ thống đánh lửa, nếu bộ phận phân phối (delco) có góc đánh lửa quá sớm, sẽ dẫn đến hiện tượng đánh lửa tại hai đầu dây cao áp kề nhau, thường xảy ra ở động cơ có số xylanh lớn hơn 4.
4.2 Phân loại, cấu tạo và hoạt động HTĐL trực tiếp:
Hệ thống đánh lửa trực tiếp chủ yếu sử dụng điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, trong đó ECU đảm nhiệm việc điều khiển đóng mở transistor công suất trong Igniter.
- Hệ thống đánh lửa trực tiếp có thể chia làm ba loại chính sau:
Loại 1: sử dụng mỗi bobin cho từng bugi:
Hình 28 Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobin cho từng bugi
Nhờ tần số hoạt động giảm, các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ít bị nóng hơn, dẫn đến kích thước nhỏ gọn của bobin Điều này cho phép bobin được gắn dính chắc chắn với nắp chụp bugi.
- Sơ đồ HTĐL trực tiếp loại này được trình bày trên hình 28
Trong sơ đồ này, ECU sẽ xử lý tín hiệu từ các cảm biến và sau đó gửi tín hiệu đến các cực B của từng transistor công suất trong Igniter Quá trình này diễn ra theo thứ tự thì nổ và thời điểm đánh lửa chính xác.
Cuộn sơ cấp của các bobin loại này có điện trở rất nhỏ (> R4, dẫn đến U1 ≈ Utc và U4 ≈ 0, có nghĩa là tia lửa chỉ xuất hiện ở bugi số 1.
Trong trường hợp ngược lại R1