Chương 4 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

Chương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬAChương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬAChương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬAChương 4Chương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬAChương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬAChương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬAHỆ THỐNG ĐÁNH LỬAChương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬAChương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬAChương 4HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

1

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

2

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

3

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 100 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 100 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

4

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 100 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 100 ATDC, khi đó thời điểm đánh lửa tối ưu là 100 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

5

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 100

ATDC

Vì vậy, để sản ra áp lực nổ cực đại tại 100 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 100 ATDC , khi thời điểm đánh lửa tối ưu được đặt sớm 200

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 100ATDC

Để sản ra áp lực nổ cực đại tại thời điểm 100 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

6

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

7

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

8

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

Hình 11 Bugi

2.3.1 Cơ cấu đánh lửa

Sự nổ của hỗn hợp hòa khí do tia lửa từ bugi được gọi chung là sự bốc cháy Tuy nhiên, sự bốc cháy không phải xảy ra tức khắc, mà diễn ra như sau: Tia lửa xuyên qua hỗn hợp hòa khí từ điện cực trung tâm đến điện cực nối mát Kết quả là phần hỗn hợp hòa khí dọc theo tia lửa bị kích hoạt, phản ứng hoá học (ôxy hoá) xảy ra, và sản sinh ra nhiệt để hình thành

“nhân ngọn lửa” Nhân ngọn lửa này lại kích hoạt hỗn hợp hòa khí 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 lan truyền ngọn lửa để đốt cháy hỗn hợp hòa khí 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 nổ Hiện tượng này được gọi

là sự dập tắt điện cực Nếu hiệu ứng dập tắt điện cực này lớn thì nhân ngọn lửa sẽ bị tắt

9

Hình 12 Cơ cấu đánh lửa

2.3.2 Đặc tính đánh lửa

Các yếu tố sau đây có ảnh hưởng đến hiệu quả đánh lửa của bugi:

- Hình dáng điện cực và đặc tính phóng điện

Các điện cực tròn khó phóng điện, trong khi đó các điện cực vuông hoặc nhọn lại dễ phóng điện Qua quá trình sử dụng lâu dài, các điện cực bị làm tròn dần và trở nên khó đánh lửa

Vì vậy, cần phải thay thế bugi Các bugi có điện cực mảnh và nhọn thì phóng điện dễ hơn Tuy nhiên, những điện cực như thế sẽ chóng mòn và tuổi thọ của bugi sẽ ngắn hơn Vì thế, một số bugi có các điện cực được hàn đắp platin hoặc iridium để chống mòn Chúng được gọi là các bugi có cực platin hoặc iridium

Hình 13 Đặc tính đánh lửa

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

- 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 nối mát 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

- 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

- Các bugi có điện cực platin hoặc iridium không cần điều chỉnh khe hở vì chúng không bị mòn (chỉ cần thay thế)

- Nhiệt độ tự làm sạch

Khi bugi đạt đến một nhiệt độ nhất định, nó đốt cháy hết các muội than đọng trên khu vực đánh lửa, giữ cho khu vực này luôn sạch Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ tự làm sạch Tác dụng tự làm sạch của bugi xảy ra khi nhiệt độ của điện cực vượt quá 4500 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

10

Hình 14 Nhiệt độ tự làm sạch và tự bèn lửa

- Nhiệt độ tự bén lửa

Nếu bản thân bugi trở thành nguồn nhiệt và đốt cháy hỗn hợp hòa khí 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 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

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 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 lửa sớm li tâm

Bộ đánh lửa sớm li tâm điều khiển đánh lửa sớm theo tốc độ của động cơ Thông thường, vị trí các “quả văng” của bộ đánh lửa sớm li tâm được xác định bằng lò xo của nó Khi tốc độ của trục bộ chia điện tăng lên cùng với tốc độ của động cơ, lực ly tâm vượt quá lực của lò

xo, cho phép các quả văng tách xa ra Kết quả là vị trí của rotor tín hiệu dịch chuyển vượt quá một góc đã định và cho đánh lửa sớm