3. Tổng quan về hệ thống đánh lửa và lý thuyết về điều chỉnh góc đánh lửa sớm
3.2.2. Lý thuyết về góc đánh lửa sớm
3.2.2.1. Góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ ô tô tính từ khi xuất hiện tia lửa ở hai điện cực của bugi cho đến khi píttông lên đến điểm chết trên (ĐCT) ở cuối chu kỳ nén, kí hiệu là s .
Hình 3-26 Sự thay đổi của áp suất trong xilanh vào thời điểm châm lửa 1- Đánh lửa sớm; 2- Đánh lửa đúng thời điểm; 3- Đánh lửa muộn Góc đánh lửa sớm phụ thuộc vào chế độ làm việc, tốc độ quay trục khuỷu của động cơ ô tô, trạng thái nhiệt của động cơ và thành phần hỗn hợp công tác được nạp vào xilanh…
Để đảm bảo động cơ làm việc bình thường, công suất phát ra lớn nhất thì hỗn hợp trong xilanh phải được đốt cháy vào thời điểm thích hợp.
Công suất mà động cơ phát ra đạt giá trị lớn nhất ứng với trường hợp nếu áp suất trong xilanh đạt giá trị cực đại ở sau điểm chết trên khoảng 100
…150 theo góc quay của trục khuỷu, tức là khi quá trình cháy kết thúc sau điểm chết trên một chút.
43 Do nhiên liệu không thể cháy tức thời mà cháy kéo dài trong một khoảng thời gian nào đó khoảng vài mili giây (ms). Nên để đảm bảo điều kiện trên, quá trình đánh lửa phải xảy ra ở cuối kỳ nén, trước điểm chết trên (ĐCT) một chút, tức là phải đánh lửa sớm một góc s nào đó, gọi là góc đánh lửa sớm tối ưu.
Nếu quá trình đánh lửa xảy ra sớm hơn hay muộn hơn thời điểm tối ưu đều làm giảm công suất và chất lượng làm việc của động cơ.
+ Nếu đánh lửa quá sớm (tương ứng với đường 1): thì hỗn hợp cháy hoàn toàn trong kỳ nén, sự tăng áp suất do khí cháy dãn nở sẽ cản trở chuyển động đi lên của điểm chết trên (ĐCT) của piston, tức là công của khí cháy sinh ra ở phần 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 piston thanh truyền. Biểu hiện bên ngoài của hiện tượng này: có tiếng gõ kim loại, công suất động cơ giảm, động cơ nóng và làm việc không ổn định.
+ Nếu đánh lửa quá muộn (tương ứng với đường 3): thì quá trình cháy sẽ xảy ra trong kỳ giãn nở, thậm chí nhiên liệu không kịp cháy hết trong xilanh mà tiếp tục cháy rớt ở ống xả. Trong trường hợp này động cơ sẽ rất nóng vì thể tích vùng cháy và lượng nhiệt truyền cho nước làm mát tăng, công suất động cơ giảm.
+ Quá trình đốt cháy hỗn hợp công tác trong xilanh của động cơ xảy ra tối ưu nhất khi mà góc đánh lửa sớm tương ứng với đường cong 2 trên hình 3-26.
Giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu đối với các động cơ khác nhau dao động trong khoảng 200
… 250 (theo góc quay của trục khuỷu) ở số vòng quay và tải trọng định mức. Giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu được xác định phụ thuộc vào thời gian và tốc độ cháy của hỗn hợp. Thời gian và tốc độ cháy của hỗn hợp đến lượt mình lại phụ thuộc vào các yếu tố như: số vòng quay của động cơ, thành phần khí hỗn hợp, tỷ số nén, dạng buồng cháy và vị trí bugi, loại nhiên liệu và tải trọng…
3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm
Công suất Nemax của động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu gemin chỉ nhận được ở một giá trị đánh lửa sớm xác định là góc đánh lửa sớm tối ưu. Giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu đối với các động cơ khác nhau dao động trong khoảng 200
… 250 (theo góc quay của trục khuỷu) ở số vòng quay và tải trọng định mức. Giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu được xác định phụ thuộc vào thời gian và tốc độ cháy của hỗn hợp. Thời gian và tốc độ cháy của hỗn hợp đến lượt mình lại phụ thuộc vào các yếu tố như: số vòng quay của động cơ, thành phần khí hỗn hợp, tỷ số nén, dạng buồng cháy và vị trí bugi, loại nhiên liệu và tải trọng…
44 Hình 3-27 Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến công suất và tính kinh tế động cơ
Với sự tăng số vòng quay: thời gian làm việc của chu trình bị rút ngắn, do đó góc đánh lửa sớm tăng lên. Nếu thời gian cháy của nhiên liệu không đổi thì s phải tăng tuyến tính theo n. Nhưng do n tăng làm tăng nhiệt độ và áp suất trong xilanh (do giảm lọt khí và thời gian truyền nhiệt), tăng chuyển động xoáy lốc của hỗn hợp. Vì thế tốc độ cháy của hỗn hợp tăng lên và thời gian cháy tương ứng giảm đi, nên ở số vòng quay cao s tăng theo quy luật phi tuyến.
Hình 3-28 Quan hệ giữa tốc độ cháy và số vòng quay trục khuỷu
Sự thay đổi góc đánh lửa sớm phụ thuộc vào số vòng quay trong hầu hết các động cơ ô tô được thực hiện nhờ bộ điều chỉnh li tâm. Trong hệ thống đánh lửa sớm bằng điện tử công việc này được thực hiện nhờ các cảm biến và một mạch đặc biệt.
45 Tốc độ cháy của hỗn hợp phụ thuộc vào thành phần của nó, đặc trưng bởi hệ số dư lượng không khí xác định theo biểu thức:
lt tt G G
Trong đó: Gtt - Lượng không khí thực tế cho 1 Kg nhiên liệu.
Glt - Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1Kg nhiên liệu.
Khi =0: hỗn hợp có thành phần bình thường. Khi >1: hỗn hợp được gọi là nhạt (nghèo). Khi <1: hỗn hợp được gọi là đậm (giàu).
Hình 3-29 Quan hệ giữa góc đánh lửa sớm và số vòng quay trục khuỷu Thành phần hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến việc chọn góc đánh lửa sớm hợp lý. Hỗn hợp quá đậm hoặc quá nhạt, nói chung đều không thể bốc cháy được. Tốc độ cháy của hỗn hợp đạt giá trị lớn nhất và bởi vậy góc đánh lửa sớm sẽ nhỏ nhất ứng với giá trị khi =0,8…0,9. Khi giảm hoặc tăng giá trị s đều phải tăng lên.
Hình 3-30 Ảnh hưởng của thành phần Hình 3-31 Ảnh hưởng giữa góc đánh hỗn hợp đến góc đánh lửa sớm lửa sớm và tỷ số nén
46 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 hết bướm ga lượng hỗn hợp đi vào xilanh 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 s giảm xuống và ngược lại.
Việc thay đổi s theo phụ tải được thực hiện nhờ những cơ cấu điều chỉnh tự động đặc biệt:
+ Trong hệ thống đánh lửa thường công việc này do bộ điều chỉnh ly tâm thực hiện.
+ Trong hệ thống đánh lửa điện tử (ở các ô tô hiện đại) bộ điều chỉnh chân không được thay bằng bộ cảm biến bướm ga. Sự thay đổi thông số của bộ cảm biến (điện cảm hay điện trở) sẽ tác động vào sơ đồ mạch đánh lửa và làm thay đổi góc đánh lửa sớm.
Góc đánh lửa sớm cón chịu ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu (trước hết là chỉ số ốc tan). Để thay đổi góc đánh lửa sớm phụ thuộc chỉ số ốc tan của nhiên liệu nguời ta dùng bộ phận điều chỉnh cơ khí để điều chỉnh.
Hình dạng buồng cháy và vị trí bugi ảnh hưởng đến hình dạng và bề mặt màng lửa, đến quãng đường lan truyền của nó, nên cũng ảnh hưởng đến thời gian và tốc độ cháy và bởi vậy cũng ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm tối ưu.
Trong quá trình làm việc của động cơ, tốc độ và phụ tải của động cơ luôn thay đổi, do đó cần phải thay đổi thời điểm đánh lửa để động cơ có thể sản ra áp suất cực đại. 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.
3.2.3. Nguyên lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm
3.2.3.1. Các loại hệ thống đánh lửa và nguyên lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm a. Hệ thống đánh lửa thường
Trong hệ thống đánh lửa thường, góc đánh lửa sớm được điều chỉnh theo số vòng quay nhờ bộ điều chỉnh li tâm, điều chỉnh theo tải trọng động cơ nhờ bộ điều chỉnh chân không, và có thể điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo trị số ốc tan của nhiên liệu nhờ bộ điều chỉnh ốc tan. Các bộ điều chỉnh này lắp trong bộ chia điện.
Cả ba bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm trên dùng để hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm tác động độc lập lên các phần tử trong cấu tạo của bộ chia điện, cụ thể là:
47 + Bộ điều chỉnh kiểu li tâm làm quay bánh cam của bộ chia điện.
+ Bộ điều chỉnh chân không và bộ hiệu chỉnh ốc tan làm quay vỏ của bộ chia điện.
Điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo số vòng quay:
Khi tăng tốc độ động cơ, một mặt làm tăng tốc độ dòng khí nạp vào xilanh, mặt khác tăng tốc độ dịch chuyển của píttông sẽ làm tăng cường độ dòng khí chèn khi nén, vì vậy đã cải thiện chất lượng hòa trộn của hòa khí. Ngoài ra khi tăng tốc độ cũng làm tăng nhiệt độ hòa khí cuối kì nén, gia tăng quá trình chuẩn bị cháy của hòa khí, kết quả làm tăng nhanh tốc độ lan truyền của màng lửa. Do tăng tốc độ động cơ sẽ làm giảm thời gian cháy trễ và thời gian cháy chính thức theo giây, nhưng việc gia tốc của quá trình cháy kể trên không bù trừ hết thời gian giảm suốt của mỗi chu trình do tăng tốc độ gây ra (thời gian này tỷ lệ với tốc độ). Vì vậy nếu tính thời kì cháy theo góc quay trục khuỷu, thì nó sẽ tăng khi tăng tốc độ động cơ. Nếu giữ nguyên không thay đổi góc phun sớm sẽ có thể gây ra hiện tượng kéo dài thời kì cháy rớt sang quá trình giãn nở, làm giảm hiệu suất động cơ. Muốn khắc phục hậu quả trên, đảm bảo cho quá trình cháy được tiến hành bình thường ở mọi tốc độ thì cần tăng góc đánh lửa sớm khi tăng tốc độ động cơ nhờ tác dụng li tâm của quả văng trên đĩa chia điện.
Trong hệ thống đánh lửa thường, người ta dùng bộ điều chỉnh góc đánh lửa li tâm để thay đổi góc đánh lửa sớm theo số vòng quay của động cơ.
Điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải trọng:
Khi giảm tải động cơ thông qua việc đóng bớt bướm ga, tạo lực cản đối với dòng khí nạp thì lượng hỗn hợp hòa khí đi vào xilanh giảm. Làm giảm áp suất và tăng % khí sót trong xilanh qua đó làm gia tăng độ loãng của hòa khí và tăng thời gian cháy trễ, tốc độ cháy giảm nên cần tăng góc đánh lửa sớm s.
Trong hệ thống đánh lửa thường, bộ điều chỉnh góc đánh lửa chân không dùng để thay đổi góc đánh lửa sớm theo số tải trọng của động cơ. Ngoài ra góc đánh lửa sớm còn được điều chỉnh theo trị số ốc tan:
Bộ điều chỉnh ốc tan: điều khiển góc đánh lửa sớm theo trị số ốc tan của nhiên liệu.
b. Hệ thống đánh lửa Manhêtô
Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm khó vì thời điểm mở tiếp điểm phải tương ứng với góc ngắt khi mà giá trị dòng sơ cấp i1 đạt giá trị cực đại.
48 Nếu thay đổi góc đánh lửa sớm, tức là thời điểm mở tiếp điểm bằng cách dịch chuyển cam tương đối với cụm tiếp điểm hay ngược lại dịch chuyển cụm tiếp điểm tương đối với cam, thì thời điểm mở tiếp điểm sẽ không còn tương ứng với góc ng
tối ưu nữa (ng là góc ngắt). Phương pháp điểu chỉnh góc đánh lửa sớm như vậy gọi là điều chỉnh với sự thay đổi góc ng.
+ Để dịch chuyển cam, người ta cũng dùng bộ điều chỉnh ly tâm để điều chỉnh theo số vòng quay tương tự như hệ thống đánh lửa thường.
+ Để dịch chuyển cụm tiếp điểm, người ta dùng dẫn động cơ khí điều khiển bằng tay từ chỗ người lái.
Cách điều chỉnh trên có nhược điểm lớn là làm giảm chất lượng đánh lửa của Manhêtô. Để điều chỉnh góc đánh lửa sớm mà không làm thay đổi góc ng, có thể dịch chuyển cả cam và rôtô nam châm đối với trục dẫn động nhờ bộ điều chỉnh ly tâm (quả văng lúc này phải làm nặng hơn để lực ly tâm của nó đủ sức quay cả rôto của Manhêtô) hoặc dịch chuyển vỏ của Manhêtô (hay các má cực) đồng thời với cụm tiếp điểm (điều khiển bằng tay).
c. Hệ thống đánh lửa bán dẫn
Việc điều khiển góc đánh lửa sớm trong hệ thống đánh lửa bán dẫn tương tự như trong hệ thống đánh lửa thường. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh theo sự thay đổi số vòng quay, phụ tải của động cơ và trị số ốc tan của nhiên liệu.
d. Hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình
Trong hệ thống đánh lửa này, góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng một chương trình tính toán được thiết lập trong máy tính điện tử, được bố trí trên xe gọi là ECU. Góc đánh lửa sớm được tính toán thông qua các tín hiệu vào ECU từ các cảm biến ghi nhận từ động cơ, từ các tín hiệu này bộ vi xử lí của ECU sẽ tính toán đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với điều kiện làm việc hiện tại của động cơ.
3.2.3.2. Nguyên lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm trên động cơ M161
Trên động cơ M161 người ta sử dụng cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa sớm bằng điện tử (loại hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS). Nguyên tắc điều khiển góc đánh lửa sớm trên xe được thực hiện như sau: Góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng một chương trình tính toán được thiết lập trong một máy tính điện tử, bố trí trên xe gọi là ECU. Góc đánh lửa sớm được tính toán thông qua các tín hiệu vào ECU từ các cảm biến ghi nhận từ động cơ, từ các tín hiệu này bộ vi xử lí của ECU sẽ tính toán đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với điều kiện làm việc hiện tại của động cơ.
49
a. Nguyên lý điều chỉnh:
Điều chỉnh 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 sau điểm chết trên, khi đó thời điểm đánh lửa tối ưu là 100 trước điểm chết trên với tốc độ 1000 (vòng/phút). Giả sử tốc độ động cơ tăng lên đến 2000 (vòng/phút), giai đoạn cháy trễ vẫn gần như không đổi với mọi tốc độ động cơ. Vì thế tốc độ quay của trục khuỷu sẽ tăng lên so với khi động cơ chạy với tốc độ 1000 (vòng/phút). Nếu vẫn sử dụng thời điểm đánh lửa như cũ cho tốc độ 2000 (vòng/phút) thì thời điểm mà động cơ sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị trễ hơn 100 sau điểm chết trên. Vì vậy để sản ra áp lực cực đại tại 100 sau điểm chết trên khi động cơ chạy 2000 (vòng/phút) thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị trễ, tức là phải tăng góc đánh lửa sớm phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ ở 2000 (vòng/phút). Thời điểm đánh lửa khi động cơ chạy với tốc độ 2000 (vòng/phút) được tính toán từ thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ ECU.
Điều chỉnh theo tải trọng động cơ: Khi động cơ mang tải thấp thì áp lực nổ cực đại được coi là xuất hiện 100 sau điểm chết trên (ATDC), 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 màng 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 100
ATDC. 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