Hệ thống đánh lửa thường (Đánh lửa má vít)

4.2.1 Sơ đồ và nguyên lí làm việc 4.2.1.1 Sơ đồ

Trong hệ thống đánh lửa cĩ hai mạch điện: Mạch thấp áp và mạch cao áp. Mạch thấp áp được nguồn ắc quy hoặc một máy phát điện một chiều cung cấp.

Hình 4.2. Sự thay đổi của áp suất trong xy lanh phụ thuộc vào thời điểm đánh lửa.

50 - Mạch thấp áp gồm: Ắc quy 2, khố điện 1, cuộn dây sơ cấp W1 (10) của bơ bin 3, điện trở phụ 12, bộ ngắt điện 8 và mát.

- Mạch cao áp gồm: Cuộn dây thứ cấp W2 (11) của bơ bin 3, bộ chia điện 6, các dây cao áp, bu gi 4 và mát.

Dịng cao áp được sản sinh trên cơ sở nguyên tắc của dịng điện cảm ứng khi đĩng khố điện 1 và bộ tiếp điểm cơ khí 8 đĩng mạch, dịng điện đi từ cực dương (+) của ắc quy 2 hoặc máy phát điện vào cuộn sơ cấp 10 (W1) tạo ra từ trường xung quanh cuộn sơ cấp.

4.2.1.2 Nguyên lý làm việc

- Khi tiếp điểm trong bộ chia điện đĩng: Dịng điện từ ắc quy chạy qua cực dương của cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa (BAĐL), cực âm của cuộn sơ cấp, tiếp điểm và tới mát. Vì vậy, các đường sức sinh ra xung quanh cuộn dây.

Hình 4.3. Sơ đồ hệ thống đánh lửa thường

a. Sơ đồ cấu tạo; b. Sơ đồ nguyên lý

1. Cơng tắc đánh lửa; 2. Bình ắc quy; 3. Biến áp đánh lửa; 4. Bu gi; 5. Đầu dẫn điện cao áp đến bu gi; 6. Đầu chia điện; 7. Cam đĩng mở tiếp điểm; 8. Tiếp điểm bằng bạch kim; 9. Tụ điện; 10. Cuộn dây sơ cấp của biến áp đánh lửa; 11. Cuộn dây thứ cấp của biến áp đánh lửa; Rp. Điện trở phụ (lắp trong rơle kéo của HTKĐ); Rrị. Điện trở rị của bu gi.

51 - Khi tiếp điểm trong bộ chia điện mở:

Trục khuỷu quay trục cam, vấu cam của bộ chia điện mở tiếp điểm, dịng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp bị ngắt đột ngột. Do đĩ, từ thơng trong cuộn sơ cấp bắt đầu giảm, vì hiện tượng tự cảm của cuộn sơ cấp và cảm ứng tương hỗ của cuộn thứ cấp, suất điện động sinh ra trong mỗi cuộn, ngăn cản sự giảm của từ thơng. Suất điện động tự cảm tăng khoảng 400V, trong khi đĩ suất điện động cảm ứng tương hỗ tăng lên khoảng 40 KV, gây nên phĩng tia lửa điện tại bu gi.

Sự biến thiên của từ thơng tăng khi thời gian ngắt dịng điện ngắn hơn, kết quả sinh ra điện áp rất cao trên một đơn vị thời gian.

- Khi tiếp điểm đĩng trở lạị, dịng điện bắt dầu chạy qua cuộn sơ cấp và từ thơng của cuộn sơ cấp bắt đầu tăng. Vì hiện tượng tự cảm trong cuộn sơ cấp, sinh ra suất điện động ngược chiều, tránh sự tăng đột ngột của dịng điện trong cuộn sơ cấp. Kết quả là, dịng điện khơng tăng đột ngột và sinh ra suất điện động cảm ứng tương hỗ khơng đáng kể trong cuộn thứ cấp.

Hình 4.4. Khi tiếp điểm đĩng

a )

b )

Hình 4.5. Khi tiếp điểm mở

a )

b )

52

4.2.2 Quy luật biến đổi dịng sơ cấp khi tiếp điểm đĩng mở

Quá trình đánh lửa được chia ra làm 3 giai đoạn - Giai đoạn tăng dịng I1

Khi đĩng cơng tắc đánh lửa 1 và tiếp điểm 8 của bộ chia điện đang ở trạng thái đĩng, trong cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa của dịng I1 chạy qua theo mạch: Từ cực (+) của ắc quy hoặc máy phát  cơng tắc đánh lửa 1 cuộn dây sơ cấp của biến áp đánh lửa 10  tiếp điểm của HTĐL 8 mát (vỏ máy)  cực âm (-) của ắc quy hoặc của máy phát. Do cuộn dây sơ cấp 10 của biến áp đánh lửa cĩ điện áp L1 rất lớn cho nên cường độ dịng điện I1 tăng đến trị số xác lập khơng tức thời mà phải sau một khoảng thời gian nhất định do cĩ sức điện động (s.đ.đ.) tự cảm trong cuộn dây.

Trên hình 4.6 biểu diễn đồ thị thay đổi của cường đồ dịng điện I1, điện áp trong cuộn dây sơ cấp U1, điện áp trong cuộn dây thứ cấp U2 của biến áp đánh lửa.

Trong quá trình tăng trưởng của dịng I1, trong cuộn dây thứ cấp của biến áp đánh lửa (BAĐL) xuất hiện một s.đ.đ cảm ứng E2 cĩ trị số khoảng (1000  1200)V, cịn trong cuộn dây sơ cấp 10 xuất hiện một s.đ.đ tự cảm E1 cĩ trị số khoảng ( 50  60)V.

Lúc này trong cuộn dây thứ cấp khơng cĩ dịng điện vì s.đ.đ E2 nhỏ hơn rất nhiều với trị số điện áp đánh lửa (Uđl).

Thời gian đĩng của tiếp điểm 8 của HTĐL càng lâu trị số dịng điện I1 đạt được trị số càng lớn, tuy nhiên khơng được vượt quá trị số I1max = Uaq/R1 (Trong đĩ R1 là điện trở tổng cộng của mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa).

- Giai đoạn ngắt tiếp điểm 8 của HTĐL và xuất hiện điện áp cao áp U2: Khi tiếp điểm 8 mở ra, dịng điện trong cuộn sơ cấp I1 giảm nhanh về khơng. Từ thơng mĩc vịng qua cuộn dây thứ cấp của biến áp đánh lửa 11 biến thiên rất nhanh sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây thứ cấp của biến áp đánh lửa 11 một s.đ.đ. cảm ứng E2 cĩ trị số rất lớn ( tới hàng trục kV). Trị số sức điện động E2 phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của dịng điện I1 ( tốc độ giảm của dịng I1 - di1/dt).

- Giai đoạn xuất hiện dịng điện I2: Khi s.đ.đ. E2 đạt bằng giá trị của Udl sẽ xảy ra hiện tượng phĩng điện qua khe hở của bu gi, trong mạch thứ cấp lúc này dịng I2 đi theo mạch: Đầu p của cuộn dây thứ cấp 11  cam quay của đầu chia điện 6  bugi 4  mát(vỏ máy)  cực âm (-) của ắc quy (hoặc của máy phát)  cực dương (+) của ắc quy (hoặc của máy phát)  cơng tắc đánh lửa  cuộn dây sơ cấp 10.

Khi dịng điện I1 mất đột ngột trong cuộn sơ cấp của BAĐL sẽ xuất hiện s.đ.đ. tự cảm E1  (300  400)V cĩ xu hướng duy trì và làm chậm tốc độ giảm của dịng I1. S.đ.đ. E1 gây ra tia lửa ở tiếp điểm 8 tạo thành mạch vịng dao động L1 - C1 (L1 - Điện cảm của cuộn dây sơ cấp của BAĐL).

53 Đặc tính biến thiên của dịng điện I1 khi

cĩ tụ điện C1 và khơng cĩ nĩ ở thời điểm ngắt tiếp điểm 8 được biểu diễn sự biến thiên của điện áp trong mạch sơ cấp và điện áp U2 giữa các cực của bugi. Khi điện áp U2 đạt đến trị số Uđ1, giữa các cực của bu gi sẽ xuất hiện tia lửa đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu cơng tác trong xi lanh của động cơ ơ tơ.

Trên hình 4.7 biểu diễn sự thay đổi của điện áp thứ cấp khi chưa cĩ hiện tượng phĩng điện giữa các cực của bu gi.

Ví dụ như trường hợp động cơ ơ tơ đã làm việc nhưng đường dây cao áp khơng nối đến bu gi (đường 1).Và khi hiện tượng phĩng điện giữa các cực của bu gi (đường 2).

Các đường cong đĩ cĩ thể thu nhận được nhờ

máy hiện sĩng khi tiến hành kiểm tra hệ thống đánh lửa. Điện áp cần thiết để đánh thủng

Hình 4.7. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện áp thứ cấp

1. Khi khơng cĩ tia lửa điện. 2. Khi cĩ tia lửa điện.

Hình 4.6. Đồ thị thay đổi của cường độ dịng điện, điện áp trong các cuộn dây của biến áp đánh lửa tương ứng với trạng thái đĩng mở của tiếp điểm

I1. Cường độ dịng điện trong cuộn dây sơ cấp; U1: Điện áp cuộn dây sơ cấp; U2: Điện áp cuộn dây thứ cấp

54 khe hở khơng khí của bugi được gọi là “điện áp đánh thủng”,trị số điện áp đĩ phụ thuộc vào các yếu tố chính sau:

- Khe hở khơng khí giữa các cực của bugi. - Áp suất trong buồng đốt.

- Nhiệt độ của các cực của bugi và nhiệt độ của hỗn hợp cơng tác.

Bởi vậy, trị số điện áp đánh thủng phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ. Đối với động cơ khi làm việc vơi tốc độ vịng quay lớn, đầy tải, điện áp đánh thủng yêu cầu tối thiểu là (4÷5) kV, cịn đối với chế độ khởi động khơng tải điện áp đánh thủng yêu cầu trị số lớn nhất (912)kV. Khi khởi động động cơ, BAĐL được cấp nguồn từ ắc quy ,trị số điện áp giảm xuống chút ít do máy khởi động tiêu thụ dịng rất lớn. Trị số điện áp thấp đặt lên BAĐL trong thời điểm khởi động sẽ dẫn đến hiện tượng làm giảm dịng điện I1 và điện áp U2 .Để khắc phục hiện tượng trên, trong một số BAĐL người ta dùng một điện trở phụ (Rp) mắc nối tiếp với cuộn dây sơ cấp của BAĐL.

Trong quá trình khởi động, tiếp điểm của rơ le kéo trong HTKĐ sẽ nối ngắn mạch điện trở phụ Rp, kết quả điện trở tổng cộng của mạch sơ cấp R1 giảm đi, vì vậy năng lượng tích lũy trong cuộn sơ cấp của BAĐL tăng lên,

thuận lợi cho quá trình khởi động.

Sơ đồ tương đương của mạch sơ cấp của BAĐL để tính tốn giá trị tức thời của dịng điện I1 được trình bày trên hình 4.8.

Viết phương trình Kiếc-khốp II cho mạch điện sơ cấp ta cĩ.

Uaq =i1 R1 +es =i1 R1 +L1 (4 - 1) Giai phương trình trên ta xác định được nghiệm i1 ) 1 ( 1 1 1 1 t L R aq e R U i   (4 - 2) Trong đĩ:

t - Thời gian đĩng của tiếp điểm 8 trong HTĐL.

es - S.đ.đ. cảm ứng trong cuộn sơ cấp của BAĐL

Khi tiếp điểm 8 đĩng ,quá trình tăng của dịng điện i1 tuân theo quy luật hàm mũ,cĩ giá trị tiệm cận bằng: 1 max R U il  aq (4 - 3)

Sự biến thiên của dịng điện i1 phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Hình 4.8. Sơ đồ tương đương mạch sơ cấp BAĐL

55 - Thời gian đĩng của tiếp điểm 8 trong hệ thống đánh lửa (HTĐL).

- Hằng số thời gian của mạch sơ cấp

1 1

R L

T 

Trong cơng thức (4 - 2) khi t = T thì trị số tức thời của dịng i1 = 0,63 i1max khi t = 3T, thì i1 = 0,95 i1max.

Sơ đồ mạch tương đương để tính tốn quá trình biến đổi năng lượng trong mạch đánh lửa khi tiếp điểm 8 của HTĐL đươc trình bày trên hình 4.9.

Năng lượng tích lũy trong từ trường của cuộn dây sơ cấp của BAĐL được biến đổi thành năng lượng trong các mạch dao động qua các tụ điện C1 và C2 trong mạch thứ cấp thành phần Rdd là tổng trở của dây dẫn cao áp nối từ BAĐL đến đầu bu gi và điện trở của cuộn dây thứ cấp của BAĐL, cịn Rrị đặc trưng cho độ cách điện giữa các điện cực của bugi, khi thân sứ của bu gi khơng bị ám muội than, Rrị, khi thân sứ bị bám muội than, Rrị 4MΩ bu gi được coi là đạt yêu cầu, Khi Rrị < 2MΩ bu gi được coi là khơng bình thường bị bám muội than quá mức cho phép.

Phương trình cân bằng năng lượng trong mạch của HTĐL cĩ dạng như sau:

Q U C U C ng I L    2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 1 1 (4 - 4) Trong đĩ :

I1ng - Giá trị dịng điện sơ cấp trước thời điểm tiếp điểm 8 bị ngắt. C1 - Tụ điện mắc song song với tiếp điểm 8.

C2 - Tụ điện tương đương của mạch thứ cấp.

Q - Phần năng lượng mất mát dưới dạng nhiệt trong quá trình xuất hiện tia lửa cao áp. Tụ C2 là tụ tương đương cho các thành phần điện dung kí sinh (so với mát) của các phần tử trong mạch thứ cấp khi cĩ điện áp cao: C2 = Cw2 + Cd + Cn + Cb (4 - 5)

Trong đĩ :

Cw2 - Điện dung ký sinh của cuộn dây thứ cấp 11 của BAĐL, cĩ trị số bằng khoảng (30  60) pF.

Cd - Điện dung ký sinh của dây dẫn cao áp từ BAĐL đến các bugi, cĩ trị số khoảng (20  80) pF.

Hình 4.9. Sơ đồ tương đương mạch thứ cấp BAĐL

56 Cn - Điện dung ký sinh của nắp và cam quay của bộ chia điện cao áp, cĩ trị số khoảng (8  11) pF.

Cb - Điện dung ký sinh của bu gi, cĩ trị số khoảng (30  60) pF.

Ở các HTĐL khơng cĩ các bộ phận chống nhiễu vơ tuyến, trị số của C2 phụ thuộc vào số lượng xi lanh cĩ trong động cơ. Trường hợp động cơ cĩ 4 xi lanh, C2  (40  50) pF, động cơ 6 xi lanh, C2  (60  70) pF; động cơ 8 xi lanh, C2  (75  85) pF. Trị số C2 càng lớn, trị số U2max sẽ càng giảm đi. Giá trị của điện áp U2 được tính theo cơng thức sau:

2 2 1 1 2 1 2 C K C L K I U ba ba ng   (4 - 6)

Trong đĩ : - Hệ số xét đến tổn thất nhiệt trong quá trình đánh lửa cịn gọi là hiệu suất của mạch đánh lửa. = 0,75  0,83.

Kba= U2/U1 - Hệ số biến áp của mạch đánh lửa.

Điện áp thứ cấp U2 tăng tỉ lệ với giá trị dịng điện I1ng với hệ số biến áp của mạch đánh lửa Kba, và với trị số điện cam L1 của cộn sơ cấp của BAĐL . Trị số U2 giảm khi điện dung của tụ C1 và điện dung tổng cộng của mạch thứ cấp C2 tăng lên.

Trong quá trình điện áp thứ cấp tăng, khi trị số của điện áp U2 đạt bằng trị số Uđl sẽ xẩy ra hiện tượng phĩng điện trong khe hở khơng khí giữa các điện cực của bugi. Quá trình phĩng điện này chia ra hai giai đoạn: Giai đoạn phĩng điện điện dung và giai đoạn phĩng điện điện cảm.

- Giai đoạn phĩng điện điện dung: Là giai đoạn phĩng điện i-ơn hĩa, khi đĩ thành phần điện kháng L2 khơng tham gia vào quá trình phĩng điện.

Cường độ dịng điện lúc này rất lớn (tới hàng trục A) nhưng thời gian tồn tại rất ngắn từ (0,1 1)µs. Trong HTĐL khơng cĩ các phần tử chống nhiễu, tần số dao động của mạch cĩ thể đạt tới (1÷10)MHz, tốc độ tăng trưởng của dịng điện i2 cĩ thể đạt tới trị số 5.1010A/s.

Trong HTĐL cĩ các phần tử chống nhiễu, trị số các điện trở này từ (8- 13)kΩ nên dịng điện dung khơng vượt quá 1,5 A và thời gian tồn tại của tia lửa từ (13)µs.

Giai đoạn phĩng điện điện dung tiêu tốn năng lượng khoảng từ (5 15)mJ. Tia lửa trong giai đoạn phĩng điện điện dung cĩ tác dụng châm lửa đốt cháy hỗn hợp cơng tác trong xi lanh của động cơ với phụ tải trung bình hoặc đầy tải một cách tức thời, tuy nhiên thời gian tồn tại của tia lửa quá ngắn, tia lửa điện dung khơng thể châm lửa đốt cháy được hỗn hợp cơng tác khi động cơ làm việc với phụ tải nhỏ và đặc biệt trong chế độ khơng tải. Tia lửa điện dung cĩ mầu tím sẫm và khi xuất hiện thường kèm theo tiếng nổ “lách tách”.

- Phĩng điện điện cảm: Là giai đoạn phĩng điện duy trì tia lửa điện giữa các cực của bu gi sau giai đoạn phĩng điện I ơn hĩa.

Trong giai đoạn này, trị số của dịng điện bị hạn chế bởi điện cảm L2 và điện trở R2 của cuộn thứ cấp BAĐL.

57 Thời gian phĩng điện trong gian đoạn này kéo dài cho đến khi tiêu tán hết năng lượng của mạch dao động L2 - C2.

Thời gian kéo dài của tia lửa điện cảm cĩ thể đạt tới 3 ms, với cường độ dịng điện bằng khoảng (1030)mA. Phần năng lượng tiêu hao trong giai đoạn phĩng điện điện cảm khoảng (3060)mJ. Do thời gian tồn tại dài, nên tia lửa điện cảm cĩ ý nghĩa rất lớn đối với việc châm lửa đốt cháy hỗn hợp cơng tác trong quá trình khởi động, nhiệt độ thấp và trongchế độ tải nhỏ của động cơ. Tia lửa điện cảm cĩ mầu da cam.

Đặc tính của HTĐL là quan hệ giữa điện áp thứ cấp U2 với các yếu tố ảnh hưởng đối với nĩ như: Tốc độ làm việc của động cơ, số lượng xi lanh cĩ trong động cơ, cấu tạo của BAĐL, điện trở rị của bugi…

Khi tốc độ làm việc của động cơ tăng lên, trị số điện áp thứ cấp U2 giảm do trị số của dịng điện sở cấp I1ng giảm. Ở chế độ khởi động, trị số U2 thực tế khơng tăng mà cịn bị giảm