Chương 4 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA pptx

Chương 4 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 1. Khái quát Ba yếu tố quan trọng của động cơ xăng là: hỗn hợp không khí-nhiên liệu (hòa khí) tốt, sức nén 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 hòa khí. 1.1 Yêu cầu của hệ thống đánh lửa - Tia lửa mạnh Trong hệ thống đánh lửa, tia lửa được phát ra giữa các điện cực của các bugi để đốt cháy hỗn hợp hòa khí. Hòa khí bị nén có điện trở lớn, 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 hòa khí. - Thời điểm đánh lửa chính xác Hệ thống đánh lửa phải luôn luôn có thời điểm đánh lửa chính xác vào cuối kỳ nén của các xy lanh và góc đánh lửa sớm phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ. - 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. Hệ thống đánh lửa sử dụng điện cao áp do bô bin tạo ra nhằm phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp hòa khí đã được nén ép. Hỗn hợp hòa khí 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, cuộn 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 Quá trình phát triển của hệ thống đánh lửa 1.2.1. Kiểu điều khiển bằng vít 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. Dòng sơ cấp của bô bin được điều khiển cho chạy ngắt quãng qua tiếp điểm của vít lửa. Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm li tâm tốc và chân không điều khiển thời điểm đánh lửa. Bộ chia điện sẽ phân phối điện cao áp từ cựôn thứ cấp đến các bugi. Hình 1. Hệ thống đánh lửa bằng vít Trong kiểu hệ thống đánh lửa này tiếp điểm của vít lửa cần được điều chỉnh thường xuyên hoặc thay thế. Một điện trở phụ được sử dụng để giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp, cải thiện đặc tính tăng trưởng dòng của cuộn sơ cấp, và giảm đến mức thấp nhất sự giảm áp của cuộn thứ cấp ở tốc độ cao. 1.2.2. Kiểu bán dẫn Trong kiểu hệ thống đánh lửa này transistor điều khiển dòng sơ cấp, để nó chạy một cách gián đoạn theo đúng các tín hiệu điện được phát ra từ bộ phát tín hiệu. Góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng cơ như trong kiểu hệ thống đánh lửa bằng vít hoặc có thể dùng các cảm biến vị trí như loại quang, Hall. Hình 2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn 1.2.3. Kiểu kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm bằng điện tử) Trong kiểu hệ thống đánh lửa này không sử dụng bộ đánh lửa sớm chân không và li tâm. Thay vào đó, chức năng ESA của Bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm. Hình 3. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA 1.2.4. Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) Thay vì sử dụng bộ chia điện, hệ thống này sử dụng bô bin đơn hoặc đôi 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. Hình 4. Hệ thống đánh lửa DIS 1.3 Điều khiển góc đánh lửa sớm Trong động cơ xăng, hỗn hợp hòa khí 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 10 0 sau Điểm Chết Trên (ATDC). Động cơ không tạo ra áp lực nổ cực đại vào thời điểm đánh lửa; nó phát ra áp suất cực đại chậm một chút, sau khi đánh lửa. Vì vậy, phải đánh lửa sớm, sao cho áp suất cực đại được tạo ra vào thời điểm 10 0 ATDC. Thời điểm đánh lửa để động cơ có thể sản ra áp suất cực đại phải thường xuyên thay đổi, tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ. Vì thế, hệ thống đánh lửa phải có khả năng thay đổi góc đánh lửa sớm để động cơ tạo ra áp lực nổ một cách có hiệu quả nhất, phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ. Hình 5. Góc đánh lửa sớm Hình 6. Quá trình cháy 1.3.1 Các giai đoạn cháy của hòa khí - Giai đoạn cháy trễ Sự bốc cháy (nổ) của hỗn hợp hòa khí 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 xung quanh. Quãng thời gian từ khi hỗn hợp hòa khí 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 động cơ. - Giai đoạn lan truyền ngọn lửa Sau khi hạt nhân ngọn lửa hình thành, ngọn lửa nhanh chóng lan truyền ra xung 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 hòa khí được nạp vào, hỗn hợp hòa khí trở nên có mật độ cao hơn. Vì thế, khoảng cách giữa các hạt trong hỗn hợp hòa khí giảm xuống, nhờ thế, tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng lên. Ngoài ra, luồng hỗn hợp hòa khí 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. 1.3.2 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 10 0 ATDC. 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. - Điều khiển theo tốc độ động cơ Động cơ được coi là phát công suất hiệu quả nhất khi áp suất cực đại xuất hiện ở 10 0 ATDC, khi đó thời điểm đánh lửa tối ưu là 10 0 BTDC, với tốc độ 1000 v/ph. 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 cũ cho tốc độ 2000 v/ph thì thời điểm mà động cơ sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị trễ hơn 10 0 ATDC. Vì vậy, để sản ra áp lực nổ cực đại tại 10 0 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. Quá trình định thời điểm đánh lửa này được gọi là đánh lửa sớm. Hình 7. Điều khiển góc đánh lửa sớm - Điều khiển theo tải trọng của động cơ Khi động cơ mang tải thấp thì áp lực nổ cực đại được coi là xuất hiện 10 0 ATDC , khi thời điểm đánh lửa tối ưu được đặt sớm 20 0 BTDC. Khi tải trọng của động cơ tăng, mật độ hòa khí cũng tăng và giai đoạn lan truyền ngọn lửa giảm xuống. Vì thế, nếu cứ sử dụng thời điểm đánh lửa như cũ thì thời điểm mà động cơ sản ra áp suất cực đại sẽ bị sớm hơn 10 0 ATDC. Để sản ra áp lực nổ cực đại tại thời điểm 10 0 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.Ngược lại, khi tải trọng của động cơ thấp thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn. - Điều khiển kích nổ Kích nổ trong động cơ do sự tự bốc cháy gây ra, khi hỗn hợp hòa khí tự bắt lửa trong buồng đốt. Động cơ trở nên dễ bị kích nổ 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. Các hệ thống đánh lửa gần đây có điều khiển làm giảm góc đánh lửa sớm khi kích nổ, khi cảm biến phát hiện có kích nổ thì điều khiển cho thời điểm đánh lửa muộn, còn khi không phát hiện ra kích nổ nữa thì điều khiển cho thời điểm đánh lửa sớm hơn. Bằng cách ngăn ngừa kích nổ như vậy, hệ thống này giúp tăng tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát. 2. Cấu tạo hệ thống đánh lửa 2.1 Bô bin Bô bin tạo ra điện áp cao đủ để phóng tia hồ quang giữa hai điện cực của bugi. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi. Số vòng của cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp khoảng 100 lần. 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. Hoạt động của bô bin - 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. Hình 8. Hoạt động của bôbin - 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 giảm đột ngột. 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. Sức 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 IC đánh lửa IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dòng sơ cấp đi vào bô bin theo tín hiệu đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra. Khi tín hiệu IGT chuyển từ ngắt sang dẫn, IC đánh lửa bắt đầu cho dòng điện vào cuộn sơ cấp. 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 các sai sót trong mạch thứ cấp vì nó chỉ kiểm soát mạch sơ cấp để nhận tín hiệu IGF. Trong một số kiểu động cơ, tín hiệu IGF được xác định thông qua điện thế sơ cấp. Hình 9. Hoạt động của IC đánh lửa - 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. Hình 10. Các điều khiển của IC đánh lửa - 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 dẫn 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. 2.3 Bugi Điện thế cao trong cuộn thứ cấp làm phát sinh ra tia lửa giữa điện cực trung tâm và điện cực nối mát của bugi để đốt cháy hỗn hợp hòa khí đã được nén trong xy lanh. [...]... được gửi đến IC đánh lửa theo thứ tự đánh lửa (1-3 -4- 2) 3 Cuộn đánh lửa, với dòng sơ cấp được ngắt đột ngột, sẽ sinh ra dòng cao áp 4 Tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ khi dòng sơ cấp vượt quá một trị số đã định 5 Dòng cao áp phát ra từ cuộn thứ cấp sẽ được dẫn đến bugi và gây đánh lửa Hình 23 Sơ đồ của hệ thống đánh lửa 1NZ-FE 4 Kiểm tra hệ thống đánh lửa 4. 1 Kiểm tra thời điểm đánh lửa ban đầu -... dòng cao áp 4 Bộ chia điện sẽ phân phối dòng cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi 5 Bugi nhận dòng cao áp và đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp hòa khí 3.3 Hệ thống đánh lửa trực tiếp Hình 19 Hệ thống đánh lửa trực tiếp Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp (ĐLTT), bộ chia điện không còn được sử dụng nữa Thay vào đó, hệ thống ĐLTT cung cấp một bô bin cùng với một IC đánh lửa độc lập cho mỗi xy-lanh Vì hệ thống này... hiệu đánh lửa 2 Bộ đánh lửa (IC đánh lửa) nhận tín hiệu đánh lửa và lập tức cho chạy dòng sơ cấp 3 Cuôn đánh lửa, với dòng sơ cấp bị ngắt đột ngột, sinh ra dòng cao áp 4 Bộ chia điện sẽ phân phối dòng cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi 5 Bugi nhận dòng cao áp và đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp hòa khí Thời điểm đánh lửa sớm được điều khiển bởi bộ đánh lửa sớm li tấm và bộ đánh lửa sớm chân không - Bộ đánh. .. dịch chuyển, và gây ra đánh lửa sớm Hình 17 Bộ đánh lửa sớm chân không 3.2 Nguyên lí hoạt động của kiểu bán dẫn có ESA Hình 18 Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA 1 ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu, và gửi tín hiệu đánh lửa tới IC đánh lửa (ECU động cơ cũng có tác dụng điều khiển đánh lửa sớm) 2 IC đánh lửa nhận tín hiệu đánh lửa và lập tức cho chạy... một bản đồ ESA So với điều khiển đánh lửa cơ học của các hệ thống thông thường thì phương pháp điều khiển bằng ESA có độ chính xác cao hơn và không cần phải đặt lại thời điểm đánh lửa Kết quả là hệ thống này giúp cải thiện tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát ra Hệ thống đánh lửa trực tiếp bao gồm các bộ phận sau đây: Hình 20 Các thành phần của hệ thống đánh lửa trực tiếp 1 Cảm biến vị trí trục... 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 9500 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 3 Hoạt động của các hệ thống đánh lửa 3.1 Nguyên lí hoạt động của kiểu bán dẫn Hình 15 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa. .. cậy của hệ thống đánh lửa được nâng cao Hình 22 Bô bin kết hợp với IC đánh lửa Sau đây là một thí dụ về vận hành dựa trên DIS của động cơ 1NZ-FE, dùng bô bin kết hợp với IC đánh lửa 1 ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và xác định thời điểm đánh lửa tối ưu (ECU của động cơ cũng có tác động đến việc điều khiển đánh lửa sớm) 2 ECU động cơ gửi tín hiệu IGT đến bô bin có IC đánh lửa Tín... vực cao áp Chức năng điều khiển thời điểm đánh lửa được thực hiện thông qua việc sử dụng ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử) ECU của động cơ nhận được các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, tính toán thời điểm đánh lửa, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa Thời điểm đánh lửa được tính toán liên tục theo điều kiện của động cơ, dựa trên giá trị thời điểm đánh lửa tối öu đã được löu giữ trong máy tính,... IC đánh lửa 9 Bugi: Phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp hòa khí Hình 21 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa trực tiếp Bô bin có IC đánh lửa: Thiết bị này bao gồm IC đánh lửa và bô bin kết hợp thành một cụm Trước đây, dòng điện cao áp được dẫn đến xy lanh bằng dây cao áp Nhöng nay, thì bô bin có thể nối trực tiếp đến bugi của từng xy lanh thông qua việc sử dụng bô bin kết hợp với IC đánh lửa. .. Nối kẹp của đèn soi thời điểm đánh lửa vào mạch nguồn của cuộn đánh lửa - Kiểm tra thời điểm đánh lửa với bướm ga đóng hoàn toàn - Thời điểm đánh lửa ban đầu được cài đặt bằng cách nối tắt các cực TE1 và E1 trên DLC1, hoặc TC và CG trên DLC3 - Có hai kiểu kẹp của đèn soi thời điểm đánh lửa: kiểu dò theo Đóng/Ngắt dòng sơ cấp và kiểu theo điện áp thứ cấp - Vì thời điểm đánh lửa sẽ được đặt sớm khi bướm . Chương 4 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 1. Khái quát Ba yếu tố quan trọng của động cơ xăng là: hỗn hợp không khí-nhiên liệu (hòa khí) tốt, sức nén tốt, và đánh lửa tốt. Hệ thống đánh lửa tạo ra một tia lửa. Trong các động cơ gần đây, hệ thống đánh lửa này chiếm ưu thế. Hình 4. Hệ thống đánh lửa DIS 1.3 Điều khiển góc đánh lửa sớm Trong động cơ xăng, hỗn hợp hòa khí được đánh lửa để đốt cháy (nổ),. hoạt động của hệ thống đánh lửa 1. Bộ phát tín hiệu phát ra tín hiệu đánh lửa. 2. Bộ đánh lửa (IC đánh lửa) nhận tín hiệu đánh lửa và lập tức cho chạy dòng sơ cấp. 3. Cuôn đánh lửa, với dòng sơ