Hệ thống bôi trơn cung cấp dầu máy đến các chi tiết chuyển động quay và trượt của động cơ sao cho chúng có thể làm việc êm dịu. Nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc làm mát.
Khi KK' đóng, sẽ có dòng sơ cấp i1 chạy theo mạch:
(+)AQ Kđ Rf W1 Cần tiếp điểm 2 KK' (-)AQ
Dòng điện này tăng từ 0 đến một giá trị giới hạn xác định bởi điện trở của mạch sơ cấp. Mạch thứ cấp lúc này coi như hở. Do suất điện động tự cảm, dòng i1 không thể tăng tức thời mà tăng dần trong một khoảng thời gian nào đó. Trong giai đoạn gia tăng dòng sơ cấp ta có thể viết phương trình sau:
Ung + eL1 = i1.R1 (3. 1)
Trong đó: Ung - Thế hiệu của nguồn điện (ắc quy hoặc máy phát) [V].
eL1 - SĐĐ tự cảm trong cuộn sơ cấp [V].
R1 - Điện trở thuần của mạch sơ cấp [].
Mà: (3.2)
Giải phương trình vi phân (3.2) ta xác định được:
(3.3)
Trong đó: t - Thời gian tiếp điểm đóng [s]
- Hằng số thời gian của mạch sơ cấp
Biểu thức (3.3) cho thấy: Dòng sơ cấp tăng theo quy luật đường tiệm cận.
Khi t=0 (tiếp điểm vừa đóng lại) thì i1 = 0 và (3.4)
Khi t= (tiếp điểm đóng rất lâu) thì:
Trong đó: I1ng - Giá trị dòng sơ cấp khi tiếp điểm mở [A]
tđ - Thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng [s]
Nếu ký hiệu là thời gian đóng tiếp điểm tương đối (ở đây: Tck = (tđ + tm); tm - Thời gian tiếp điểm ở trạng thái mở) thì thời gian tiếp điểm đóng có thể xác định theo công thức: (3. 7)
- Tần số đóng mở của tiếp điểm
Biểu thức này có thể chứng minh với lập luận như sau: Trong 2 vòng quay của trục khuỷu, tức là trong thời gian (60/ne)x 2 giây, tiếp điểm phải đóng mở Z lần để thực hiện đánh lửa. Vậy trong thời gian 1 giây tiếp điểm cần phải đóng mở [Z/(120/ne)] hay f=(neZ/120));
Z - Số xy lanh của động cơ 4 kỳ.
ne - Số vòng quay của động cơ. [vg/phút]
Cuối cùng ta có:
Từ biểu thức (3.8) ta rút ra các nhận xét sau:
- Giá trị dòng I1ng phụ thuộc các thông số của mạch sơ cấp (R1 và L1).
- I1ng giảm đi khi tăng số vòng quay và số xy lanh động cơ.
- I1ng tăng lên khi tăng thời gian đóng tiếp điểm tương đối, thời gian này được ấn định bởi dạng cam và việc điều chỉnh tiếp điểm. Thường đ không thể làm tăng quá 0,63 vì lúc đó cam sẽ rất nhọn, gây ra rung động và va đập cần tiếp điểm khi làm việc và mau mòn.
3.2.2. Quá trình ngắt dòng sơ cấp
Khi trasisitor công suất ngắt, dòng điện sơ cấp và từ thông do nó sinh ra giảm đột ngột. Trên cuộn thứ cấp của bô bin sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng 15kV 40kV. Giá trị của hiệu điện thế thứ cấp phụ thuộc vào rất nhiều thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp. Để tính toán hiệu điện thế thứ cấp cực đại ta sử dụng sơ đồ tương đương sau.
Rm - Điện trở mất mát []
Rr - Điện trở rò qua điện cực bugi []
Bỏ qua hiệu điện thế ắc quy vì hiệu điện thế ắc quy rất nhỏ so với sức điện động tự cảm xuất hiện trên dòng sơ cấp lúc transistor công suất ngắt, năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn sơ cấp của bô bin được chuyển thành năng lượng điện trường trên tụ điện C1 và C2 và một phần mất mát. Để xác định hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m ta lập phương trình cân bằng lúc transistor công suất ngắt:
C2 - Điện dung ký sinh của mạch thứ cấp [F]
U1m, U2m - Hiệu điện thế sơ cấp, thứ cấp lúc transistor công suất ngắt [V]
Q - Tổn thất dưới dạng nhiệt [J]
U2m= kbb.U1m
Kbb= W1/W2 - Hệ số biến áp của bô bin.
W1,W2 - Số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [vòng]
': Hệ số tính đến sự giảm U2 do tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt trong cả hai mạch sơ cấp và thứ cấp ('=0,75...0,85).
3.2.3. Quá trình phóng điện ở điện cực bugi
Khi thế hiệu U2 vừa đạt đến giá trị Uđl, đủ để xuyên qua khe hở giữa các điện cực của bugi, thì ở đó sẽ xuất hiện tia lửa điện cao thế (hình 3.6). Khi xuất hiện tia lửa điện thì U2 giảm đột ngột trước khi kịp đạt giá trị cực đại.
Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu đã xác định được rằng: Tia lửa điện có hai phần rõ rệt là phần điện dung và phần điện cảm.
Phần điện dung xuất hiện trước, vào thời điểm đầu của quá trình phóng điện. Đó là sự phóng tĩnh điện do năng lượng của điện trường tích luỹ trong điện dung C1 và C2 của hệ thống đánh lửa, tia lửa điện dung có màu xanh lam và rất chói do nhiệt độ của nó cao tới 10000OC. Thế hiệu cao và dòng điện phóng rất lớn nên công suất tức thời của nó cũng khá lớn (có thể đạt đến hàng chục kW). Tuy nhiên, thời gian tồn tại tia lửa này rất ngắn (<1s) nên năng lượng điện trường cũng không lớn lắm.
Đặc trưng của phần tia lửa điện dung là có tiếng nổ lách tách, tần số dao động lớn tới (106...107) Hz, nên gây nhiễu xạ vô tuyến mạnh.
Tia lửa điện dung làm điện thế U2 giảm đột ngột, chỉ còn khoảng 1500...2000V. Vì tia lửa xuất hiện trước khi U2 đạt giá trị cực đại, nên phần tia lửa điện dung chỉ tiêu tốn một phần năng lượng của từ trường tích luỹ trong biến áp đánh lửa là:
[J] (3. 12)
Trong đó: [F] (3. 13)
Trong điều kiện thực tế, tia lửa có thể chỉ có phần điện dung hoặc điện cảm thuần túy hoặc hỗn hợp cả hai phần, tuỳ thuộc vào các thông số của hệ thống đánh lửa và các điều kiện vật lý khi xuất hiện tia lửa. Nói chung các xoáy khí hình thành trong buồng cháy ở số vòng quay cao của động cơ, cản trở việc tạo thành phần điện cảm của tia lửa.
Đuôi lửa có tác dụng tốt khi khởi động động cơ nguội. Vì khi khởi động nhiên liệu bốc hơi kém, khó cháy. Nên khi nhiên liệu đã bén lửa của phần điện dung, nó sẽ bốc hơi và hoà trộn tiếp, đuôi lửa sau đó sẽ đốt cho nhiên liệu cháy hết.
3.3.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại phải đủ lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt lúc khởi động.
3.3.2. Hiệu điện thế đánh lửa Uđl
Hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra, được gọi là hiệu điện thế đánh lửa (Uđl). Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuân theo định luật Pasen.
Uđl = .K [V] (3. 15)
Trong đó:
Uđl – Hiệu điện thế đánh lửa [V]
P - Áp suất hỗn hợp hòa khí tại thời điểm đánh lửa [N/m2]
- Khoảng cách giữa các điện cực [m]
T - Nhiệt độ ở điện cực bugi tại thời điểm đánh lửa [ 0K ]
K - Hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí
Ngoài ra, Uđl còn hình dạng điện cực bugi, thành phần hỗn hợp, chế độ làm việc của động cơ,…
Khi tăng khoảng cách giữa các điện cực và tăng áp suất hỗn hợp hòa khí thì thế hiệu đánh lửa tăng lên.
Sự tăng nhiệt độ trong xy lanh tạo điều kiện ion hóa hỗn hợp khí, vì vậy thế hiệu đánh lửa giảm đi.
Ở chế độ khởi động lạnh, nhiệt độ thành xy lanh và các điện cực còn thấp, hỗn hợp hút vào ít bị đốt nóng và không kịp bay hơi hết. Những hạt nhiên liệu chưa bay hơi rơi vào không gian giữa các điện cực làm tăng Uđl (15%...20%)
Sự tăng số vòng quay của động cơ, lúc đầu làm tăng một chút Uđl do tăng áp suất nén (lọt khí giảm), nhưng sau đó Uđl giảm vì hệ số nạp giảm và nhiệt độ bugi tăng.
Khi tải động cơ tăng, bướm ga mở to ra, do đó năng lượng hỗn hợp đi vào xy lanh nhiều lên làm tăng áp suất nén và công suất của động cơ.
- Yếu tố thứ nhất làm tăng Uđl
- Yếu tố thứ 2 làm giảm Uđl (vì công suất tăng làm nhiệt độ tăng), nhưng ảnh hưởng không mạnh bằng yếu tố thứ nhất nên cuối cùng Uđl vẫn tăng khi phụ tải tăng.
Sau một thời gian vận hành, điện cực bugi bị mài mòn, làm cho khe hở bugi tăng, do đó Uđl tăng. Vì vậy sau một thời gian vận hành, phải hiệu chỉnh lại khe hở bugi.
3.3.3. Góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại bugi cho đến khi pít tông lên đến tận điểm chết trên.
Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ. Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc rất nhiều yếu tố:
. (3. 16)
Trong đó: pbđ - Áp suất trong buồng cháy tại thời điểm đánh lửa. [Pa]
tbđ - Nhiệt độ buồng cháy [oC]
p - Áp suất trên đường ống nạp [Pa]
twt - Nhiệt độ nước làm mát động cơ [oC]
n - Số vòng quay của động cơ [vòng/phút]
No - Chỉ số octan của xăng.
Nếu thời điểm đánh lửa xảy ra sớm hơn hay muộn hơn thời điểm tối ưu đều làm giảm công suất và chất lượng của động cơ.
- Nếu đánh lửa quá sớm: hỗn hợp cháy hoàn toàn trong ký nén. Sự tăng áp suất do khí cháy giãn nở sẽ cản trở chuyển động đi tiếp lên ĐCT của pít tông, tức là công của khí nén sinh ra ở hành trình này trở thành công âm, làm giảm công suất và tính kinh tế của động cơ, tăng tải trọng lên nhóm các chi tiết pít tông thanh truyền. Biểu hiện của hiện tượng này: có tiếng gõ kim loại, công suất động cơ giảm, làm việc không ổn định.
- Nếu đánh lửa quá muộn: quá trình cháy diễn ra trong kỳ giãn nở, thậm chí nhiên liệu có thể không kịp cháy hết trong xy lanh mà còn tiếp tục cháy rớt ở ống xả. Trong trường hợp này động cơ sẽ rất nóng vì thể tích vùng cháy và nhiệt truyền cho nước làm mát tăng, công suất động cơ giảm.
Khi số vòng quay của động cơ tăng: thời gian làm việc của chu trình bị rút ngắn, do đó góc đánh lửa sớm cần phải tăng lên. Nếu thời gian cháy của nhiên liệu không đổi thì phải tăng tuyến tính theo n. Nhưng do n tăng làm tăng áp suất và nhiệt độ trong xy lanh (do giảm lọt khí và thời gian truyền nhiệt), tăng chuyển động lốc xoáy của hỗn hợp. Vì thế tốc độ cháy tăng lên và thời gian cháy tương ứng giảm đi nên ở số vòng quay cao tăng theo quy luật phi tuyến.
Sự tăng tỷ số nén làm tăng áp suất và nhiệt độ ở cuối kỳ nén, do đó làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp. Vì thế sự tăng tỷ số nén làm giảm góc đánh lửa sớm.
Mức tải của động cơ cũng ảnh hưởng lớn đến góc đánh lửa sớm. Khi mở bướm ga lớn lượng hỗn hợp đi vào xy lanh nhiều hơn làm tăng áp suất và nhiệt độ khí nén, đồng thời còn làm giảm % khí sót dẫn đến tăng tốc độ cháy. Vì thế, khi tăng tải trọng của động cơ giảm xuống và ngược lại.
3.3.4. Hệ số dự trữ Kdt
Hệ số dự trữ là tỉ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl. Mục đích cần có hệ số dự trữ dể đảm bảo rằng hiệu điện thế đánh lửa luôn luôn đạt trong giới hạn yêu cầu.
Kdt= (3.17)
Hệ số dự trữ của những động cơ có hệ thống đánh lửa thường là bé hơn so với hệ thống đánh lửa của những động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử. Vì hiệu điện thế U2m của hệ thống đánh lửa thường bé, còn đối với hệ thống đánh lửa hiện đại có hệ số dự trữ cao nhằm đảm bảo việc đáp ứng việc tăng tỉ số nén, tăng số vòng quay và khe hở bugi.
3.3.5. Năng lượng dự trữ Wdt
Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bô bin. Để đảm bảo tia lửa có đủ năng lượng đốt cháy hoàn toàn khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng đánh lửa trên cuộn sơ cấp của bô bin ở một giá trị xác định.
(3. 18)
Trong đó: Wdt - Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp [W.s]
L1 - Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bô bin [H]
Ing - Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt. [A]
Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa khoảng 20 đến 30% do nhiệt độ cực bugi thấp.
Khi động cơ tăng tốc, Uđl tăng do áp suất nén tăng nhưng sau đó nhiệt độ giảm từ từ do nhiệt độ điện cực bugi tăng và áp suất nén giám do quá trình nạp xấu đi.
Hiệu điện thế đánh lửa cực đại ở chế độ khởi động và tăng tốc, có giá trị cực tiểu ở chế độ ổn định khi công suất cực đại.
3.3.6. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
(3. 19)
Trong đó: S - Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
- Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
- thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện tại điện cực bugi càng nhanh, nhờ đó không bị rò rỉ qua muội than trên điện cực bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm.
3.3.7. Tần số và chu kỳ đánh lửa
Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa điện xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa, được xác định bởi công thức:
(Hz) (3. 20)
Đối với động cơ 2 kỳ:
(Hz) (3. 21)
Trong đó: f - Tần số đánh lửa [Hz]
n - Số vòng quay của trục khuỷu động cơ (vòng/phút)
Z - Số xy lanh động cơ
Chu kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa
= tđ+ tm. (3. 22)
tđ - Thời gian vít đóng hay transistor công suất dẫn bão hòa [s]
Tm - Thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt [s]
Tần số đánh lửa f tỉ lệ với số vòng quay của trục khuỷu động cơ và số xy lanh. Khi tăng số vòng quay của động cơ và số xy lanh, tần số đánh lửa f tăng do đó chu kỳ đánh lửa T giảm xuống. Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến hai thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo ở vòng quay cao nhất của dộng cơ tia lửa vẫn mạnh.
Khi KK' đóng, sẽ có dòng sơ cấp i1 chạy theo mạch:
(+)AQ Kđ Rf W1 Cần tiếp điểm 2 KK' (-)AQ
Dòng điện này tăng từ 0 đến một giá trị giới hạn xác định bởi điện trở của mạch sơ cấp. Mạch thứ cấp lúc này coi như hở. Do suất điện động tự cảm, dòng i1 không thể tăng tức thời mà tăng dần trong một khoảng thời gian nào đó. Trong giai đoạn gia tăng dòng sơ cấp ta có thể viết phương trình sau:
Ung + eL1 = i1.R1 (4. 1)
Trong đó: Ung - Thế hiệu của nguồn điện (ắc quy hoặc máy phát) [V].
eL1 - SĐĐ tự cảm trong cuộn sơ cấp [V].
R1 - Điện trở thuần của mạch sơ cấp [].
Mà: (4.2)
Giải phương trình vi phân (4.2) ta xác định được:
(4.3)
Trong đó: t - Thời gian tiếp điểm đóng [s]
- Hằng số thời gian của mạch sơ cấp.
Biểu thức (4.3) cho thấy: Dòng sơ cấp tăng theo quy luật đường tiệm cận.
Khi t=0 (tiếp điểm vừa đóng lại) thì i1 = 0 và (4.4)
Khi t= (tiếp điểm đóng rất lâu) thì: