CHƢƠNG 5 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA VIT LỬA – TRANSISTOR
5.1. Cơng dụng – phân loại – yêu cầu
5.1.1. Cơng dụng
Ở động cơ đốt trong, cơng suất của động cơ sinh ra do sự đốt cháy hỗn hợp khơng khí nhiên liệu trong xy lanh. Đối với động cơ xăng, tia lửa điện từ bu gi phải đủ khả năng đốt cháy hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu ở cuối q trình nén.
Chức năng của hệ thống đánh lửa là dùng để biến đổi điện áp của ắc quy hoặc máy phát điện thành điện cao áp từ 10KV hoặc cao hơn đủ khả năng phĩng điện qua hai cực của bu gi để đốt cháy hỗn hợp khơng khí nhiên liệu trong xy lanh ở mọi chế độ làm việc của động cơ.
5.1.2. Phân loại
Hệ thống đánh lửa ắc quy cĩ thể chia làm các loại nhƣ sau. - Hệ thống đánh lửa dùng vít lửa.
- Hệ thống đánh lửa transistor.
- Và hệ thống đánh lửa điều khiển từ máy tính ( ECU ).
Ở hệ thống đánh lửa điều khiển từ ECU ( Electronic Control Unit ) cĩ thể chia làm các loại sau.
Page 116/157 - Hệ thống đánh lửa khơng cĩ bộ chia điện.
- Và hệ thống đánh lửa trực tiếp.
5.1.3. Yêu cầu
Hệ thống đánh lửa phải thỏa mãn 3 yêu cầu sau:
- Tia lửa điện phải mạnh, đủ khả năng phĩng qua lực cản của hỗn hợp ở giữa hai cực bu gi ở cuối quá trình nén ở mọi chế độ làm việc của động cơ.
- Thời điểm đánh lửa phải chính xác ở mọi chế độ làm việc của động cơ.
- Hệ thống đánh lửa phải cĩ độ tin cậy cao, chịu đƣợc rung động và nhiệt độ cao.
5.2. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA DÙNG VÍT LỬA 5.2.1. Cấu trúc của hệ thống
Hệ thống đánh đánh lửa dùng vít lửa quá lỗi thời và hiện nay khơng cịn sản xuất nữa. Chúng cịn tồn tại một số xe đời cũ ở nƣớc ta. Nĩ bao gồm: ắc quy, bơ bin, bộ chia điện, dây cao áp và các bu gi.
5.2.1.1. Ắc quy
Ắc quy là nguồn điện hĩa học, đƣợc dùng để cung cấp điện cho hệ thống khởi động, hệ thống đánh lửa, hệ thống ánh sáng, tín hiệu và một số hệ thống khác.
CẤU TẠO
Bình ắc quy tích trử điện ở dạng năng lƣợng hố học và cung cấp điện khi cần thiết. Trong qúa trình sử dụng, năng lƣợng ắc quy bị tổn thất. Để nạp lại năng lƣợng cho nĩ thì ngƣời ta phải dùng hệ thống cung cấp điện.
Ắc quy cịn đĩng vai trị bộ lọc và ổn định điện áp trong hệ thống điện ơtơ khi điện áp máy phát điện dao động.
Trên ơtơ chỉ sử dụng hai loại ắc quy: ắc quy axit và ắc quy kiềm. Hiện nay ắc quy axit đƣợc sử dụng phổ biến, vì so với ắc quy kiềm thì nĩ cĩ sức điện động ở mỗi cặp bản cực cao hơn, cĩ điện trở trong nhỏ và đảm bảo chế độ khởi động tốt mặc dù ắc quy kiềm cĩ khá nhiều ƣu điểm.
Ắc quy axit bao gồm vỏ bình, bên trong đƣợc chia làm nhiều ngăn. Trong mỗi ngăn đặt các bản điện cực dƣơng, các bản điện cực âm và dung dịch điện phân là axit sunfuric. Các bản cực đƣợc chế tạo từ chì hoặc vật liệu cĩ nguồn gốc từ chì.
Page 117/157 Vỏ ắc quy đƣợc chế tạo bằng nhựa êbơnit hoặc cao su cứng, cĩ độ bền cao và cĩ khả năng chịu đƣợc axit. Bên trong vỏ đƣợc chia thành các ngăn riêng biệt, dƣới đáy bình cĩ các gờ để đỡ các tấm bản cực và tránh đƣợc sự chập mạch của các bản cực trong quá trình sử dụng.
Khung của các bản cực đƣợc chế tạo từ hợp kim chì – Stibi. Các bản cực dƣơng gồm khung cĩ phủ một lớp bột diơxyt chì (PbO2) ở dạng xốp, các bản cực âm phủ một lớp bột chì. Tấm ngăn giữa hai bản cực là tấm lƣới làm bằng nhựa PVC và sợi thủy tinh.
Sức điện động của mỗi hộc bình là 2,1 vơn. Nếu bình ắc quy cĩ sáu học bình mắc nối tiếp với nhau thì chúng ta sẽ đƣợc nguồn điện là 12vơn ( 12,6v ).
Dung dịch sử dụng cho ắc quy là hỗn hợp của axit sunfuric và nƣớc cất. Khi bình ắc quy nạp đầy điện, tỉ trọng của dung dịch từ 1,260 đến 1,280 ở nhiệt độ 20°C. Dung dịch cĩ tỉ trọng là 1.260 gồm
Page 118/157 65% là nƣớc cất và 35% axit
sunfuric. Nếu tỉ trọng là 1,280, dung dịch gồm 63% nƣớc cất và 37% axit sunfuric.
Vỏ ắc quy chứa dung dịch điện phân và các thành phần của ắc quy. Ắc quy 12 vơn, vỏ ắc quy đƣợc chia làm 6 ngăn. Các bản cực đƣợc đặt trên các gờ ở dƣới đáy bình để tránh sự ngắn mạch. Bên ngồi vỏ bình cĩ đánh dấu mức dung dịch cao nhất và thấp nhất.
Lỗ thơng hơi đƣợc bố trí trong nắp đậy ắc quy. Nắp cịn sử dụng để nạp dung dịch hoặc nƣớc cất. Các lỗ thơng hơi đƣợc chế tạo để khí hydro và hơi axit thốt ra ngồi.
NGUYÊN LÝ
Trong ắc quy thƣờng xảy ra hai quá trình hĩa học thuận nghịch đặc trƣng cho sự nạp và phĩng điện.
PbO2 + Pb + 2H2SO4 ⇔ 2PbSO4 + 2H2O
Trong quá trình phĩng điện, hai bản cực PbO2 và Pb biến thành PbSO4. Nhƣ vậy khi phĩng điện, axit Sunfuric bị hấp thụ để tạo thành Sunfat chì và nƣớc làm cho nồng độ của axit Sunfuric giảm.
Khi nạp điện bằng thiết bị bên ngồi hoặc máy phát điện, dƣới tác dụng của dịng điện, phản ứng hố học sẽ xảy ra ngƣợc lại. Cĩ nghĩa là Sunfat chì tác dụng với nƣớc để cho ra axit Sunfuric và ơxýt chì ở bản cực dƣơng, chì ở bản cực âm, làm cho điện áp của ắc quy tăng, điện trở trong ắc quy giảm và nồng độ axit Sunfuric tăng.
Dung lƣợng của ắc quy là lƣợng điện năng mà ắc quy cĩ thể cung cấp cho phụ tải trong một giới hạn phĩng điện cho phép. Thơng số dung lƣợng ắc quy là Ampe-giờ. Khi dung lƣợng của ắc quy càng lớn thì bình ắc quy càng to. Dung lƣợng của ắc quy phụ thuộc vào các yếu tố sau.
- Khối lƣợng và diện tích chất tác dụng trên bản cực. - Dung dịch điện phân.
- Nhiệt độ mơi trƣờng.Dịng điện phĩng. - Và thời gian sử dụng.
5.2.1.2. Bơ bin
Tiếp nhận điện áp 12 vơn từ ắc quy để tạo ra một điện áp cao khoảng 10KV hoặc cao hơn để tạo ra một tia lửa mạnh phĩng qua hai cực của bu gi.
Page 119/157 Trong bơ bin, cuộn sơ cấp và cuộn
thứ cấp đƣợc quấn xung quanh một lõi cực. Nĩ dùng để gia tăng điện áp ắc quy thành điện áp cao thế nhờ vào sự cảm ứng điện từ.
Lõi cực sử dụng là thép silic, gồm nhiều lá thép mỏng ghép chặt lại với nhau và nĩ cĩ dạng trịn. Xung quanh lõi đƣợc quấn các cuộn dây.
Cuộn dây thứ cấp cĩ đƣờng kính 0,05 đến 0,1 mm và số vịng dây từ 15.000 đến 30.000 vịng đƣợc quấn xung quanh lõi của bơ bin. Cuộn sơ cấp cĩ đƣờng kính khoảng 0.5 đến 1,0 mm và số vịng dây từ 150 đến 300 vịng. Cuộn sơ cấp đƣợc quấn xung quanh cuộn thứ cấp.
Giữa các lớp dây đƣợc quấn cách điện bằng một lớp giấy cĩ điện trở cao. Bên trong bơ bin đƣợc đổ đầy dầu biến thế để làm nguội.
Page 120/157 Một đầu cuộn sơ đƣợc nối với cọc âm của bơ bin và đầu cịn lại của cuộn sơ đƣợc nối với cực dƣơng. Ở cuộn thứ cấp, một đầu đƣợc nối với cực dƣơng của cuộn sơ cấp và đầu cịn lại đƣợc nối với cực thứ cấp qua trung gian của một lị xo. Cả hai cuộn dây đƣợc quấn cùng chiều nhau và cuộn sơ cấp bố trí ở bên ngồi.
5.2.1.3. Delco (bộ chia điện)
Delco đƣợc chia làm 4 bộ phận là bộ chia điện, bộ ngắt điện, bộ đánh lửa sớm chân khơng và bộ đánh lửa sớm li tâm.
- Bộ ngắt điện dùng để ngắt dịng sơ cấp bơ bin để tạo điện áp cao trong cuộn thứ cấp. Bộ ngắt điện gồm vít lửa, cam ngắt điện và tụ điện.
- Bộ chia điện dùng để phân phối điện cao áp từ cuộn thứ cấp của bơ bin đến các bu gi của mỗi xy lanh theo đúng thứ tự cơng tác của động cơ. Nĩ bao gồm nắp delco và rotor.
- Bộ đánh lửa sớm li tâm thƣờng đƣợc bố trí bên dƣới delco. Nĩ dùng để thay đổi thời điểm đánh lửa theo số vịng quay của động cơ. Nĩ bao gồm hai quả văng và hai lị xo.
- Bộ đánh lửa sớm chân khơng dùng để thực hiện đánh lửa sớm hoặc trễ khi tải của động cơ thay đổi. Nĩ bao gồm một mâm lửa và bộ màng chân khơng đƣợc điều khiển bởi độ chân khơng trong đƣờng ống nạp.
5.2.1.4. Dây cao áp
Dây cao áp dùng để dẫn điện cao áp từ cực trung tâm của bơ bin đến cực trung tâm của nắp delco và từ nắp delco đến các bu gi. Dây cao áp đƣợc sử dụng hiện nay là dây cĩ
Page 121/157 điện trở cao để chống nhiễu. Lõi đƣợc chế tạo từ sợi thuỷ tinh thấm các bon và đƣợc bọc bởi một lớp cao su cách điện và một vỏ bọc ở bên ngồi. Điện trở của một dây cao áp khơng quá 25KΩ ở nhiệt độ 20°C.
5.2.1.5. BU GI
Dịng điện cĩ điện áp cao từ delco đƣợc tạo thành tia lửa cĩ nhiệt độ cao giữa điện cực trung tâm và cực bên của bu gi để đốt cháy hỗn hợp khơng khí nhiên liệu ở cuối quá trình nén.
Điều kiện làm việc của bu gi rất khắc nghiệt. Nhiệt độ điện cực bu gi cĩ thể đạt tới 2000°C ở quá trình cháy, nhƣng nĩ nhanh chĩng giảm rất nhanh ở quá trình nạp do đƣợc làm mát bởi hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu. Sự thay đổi nhiệt độ bất thƣờng trên đƣợc thực hiện trong hai vịng quay của trục khuỷu.
Ngồi phải chịu ứng suất nhiệt, bu gi cịn chịu áp suất thay đổi từ áp suất bé hơn 1 at ở quá trình nạp đến 45 at ở quá trình cháy và phải cĩ khả năng cách điện tốt ở điện áp 30KV và phải chịu đựng mài mịn cao.
Page 122/157 - Sứ cách điện bao bọc điện cực trung tâm và bảo đảm sự cách điện giữa điện cực trung tâm và vỏ bu gi. Các rãnh trên sứ cách điện ở gần đầu bu gi dùng để gia tăng khoảng cách từ cực đầu bu gi đến vỏ bọc kim loại nhằm ngăn cản sự phĩng điện cao áp.
- Chất cách điện đƣợc làm từ sứ cao cấp. Nĩ phải chịu đƣợc nhiệt độ cao, ứng suất cơ học, ứng suất nhiệt, truyền nhiệt và cách điện tốt ở nhiệt độ cao.
- Vỏ bọc là phần kim loại bao bọc ở bên ngồi bu gi và nĩ cịn để gá lắp bu gi vào động cơ.
- Điện cực trung tâm và điện cực bên ( Điện cực nối mát).
VÙNG NHIỆT
Vùng nhiệt của bu gi biểu thị một lƣợng nhiệt tỏa ra từ bu gi. Bu gi cĩ lƣợng nhiệt toả ra nhiều gọi là bu gi lạnh và một bu gi cĩ lƣợng nhiệt toả ra ít thì gọi là bu gi nĩng. Nhiệt độ thấp nhất của bu gi khi hoạt động gọi là nhiệt độ tự làm sạch và nhiệt độ cao nhất là nhiệt độ chống lại hiện tƣợng cháy sớm.
Nhiệt độ làm việc của bu gi tốt nhất nằm trong khoảng 450 đến 950°C.
- Nếu nhiệt độ điện cực bu gi bé hơn 450°C, muội than hình thành do sự đốt cháy khơng hồn tồn của nhiên liệu sẽ bám vào bề mặt của sứ cách điện và làm giảm khả năng cách điện giữa sứ cách điện và vỏ. Kết quả tạo ra sự rị điện giữa hai cực và dẫn đến sự mất lửa giữa hai cực của bu gi.
- Nếu nhiệt độ điện cực bu gi cao hơn 950°C, điện cực chính là nguồn nhiệt đốt cháy hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu trƣớc khi tia lửa điện bu gi xuất hiện ở quá trình nén. Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng cháy sớm.
Page 123/157 - Bu gi lạnh là bu gi cĩ phần sứ cách điện ở điện cực trung tâm ngắn. Do diện tích tiếp xúc với nhiệt bé và đƣờng truyền nhiệt từ sứ cách điện ra nƣớc làm mát cũng nhƣ khơng khí ngắn, nên nhiệt độ làm việc của bu gi thấp.
- Nếu phần sứ cách điện dài, diện tích tiếp xúc với nhiệt lớn, đồng thời quảng đƣờng truyền nhiệt để làm mát dài, nên nhiệt độ làm việc của bu gi cao. Bu gi này đƣợc gọi là bu gi nĩng.
- Sĩng điện từ cĩ tần số cao đƣợc hình thành khi bu gi đánh lửa là nguyên nhân sinh ra nhiễu. Để tránh điều này một điện trở khoảng 5KΩ đƣợc bố trí giữa điện cực trung tâm để giảm sự hình thành sĩng điện từ.
- Nếu trên đầu bu gi cĩ 5 vịng màu xanh đậm, điện cực trung tâm và điện cực bên đƣợc phủ một lớp mỏng bạch kim. Khe hở bu gi là 1,1 mm và thời gian sử dụng là 100.000Km. Trong quá trình sử dụng khơng đƣợc điều chỉnh khe hở bu gi.
5.2.2. Nguyên lý hoạt động
- Khi contact máy On và vít ngậm, dịng điện sơ cấp đi nhƣ sau: Ắc quy -> contact máy -> điện trở -> bơ bin -> cuộn sơ cấp -> – bơ bin -> vít búa -> vít đe -> mát -> âm ắc quy. Dịng điện sơ cấp khoảng 3 – 4 A, nĩ sinh ra một từ trƣờng quanh cuộn sơ cấp.
- - - - - - - - - - -
- Khi trục delco tiếp tục quay, cam ngắt điện điều khiển vít mở, dịng điện sơ cấp mất đột ngột sinh ra một từ thơng thay đổi trong cuộn sơ làm cảm ứng một sức điện động trong cuộn thứ cĩ thể lên đến 30KV. Dịng điện này đƣợc dẫn đến nắp delco và đƣợc rotor phân phối đến các bu gi. Trong khi đĩ trong cuộn sơ cấp cũng sinh ra một sức điện động khoảng 500V.
Page 124/157 - Cải thiện đặc tính đánh lửa khi khởi động: khi khởi động, dịng sơ cấp đi từ cực ST của contact máy cung cấp trực tiếp đến cực dƣơng bơ bin để đảm bảo điện áp thứ cấp cần thiết khi khởi động (Do khi khởi động, dịng điện cung cấp cho động cơ khởi động rất lớn làm cho điện áp của ắc quy giảm mạnh). Tụ điện sử dụng trong hệ thống đánh lửa là tụ giấy, nĩ đƣợc bố trí bên trong hoặc bên ngồi của delco. Tụ đƣợc mắc song song với vít lửa, dùng để dập tắt hồ quang sinh ra giữa hai bề mặt vít khi vít mở. Khi vít mở, dịng điện sinh ra do hiện tƣợng tự cảm đƣợc nạp bởi tụ điện để dịng sơ cấp mất đi nhanh chĩng.
GĨC NGẬM ĐIỆN
- Khi số vịng quay của trục khuỷu càng tăng, thời gian dịng điện đi qua cuộn sơ của bơ bin ngắn, làm cƣờng độ dịng sơ cấp cũng giảm theo nên điện áp đánh lửa thứ cấp giảm.
- Để đảm bảo đủ điện áp đánh lửa ở số vịng quay cao, phải đảm bảo thời gian dịng điện đi qua cuộn sơ cấp của bơ bin. Thơng số này đƣợc thể hiện qua gĩc ngậm điện.
- Gĩc ngậm điện là gĩc tính từ lúc vít bắt đầu đĩng đến khi vít bắt đầu mở ở trên cam ngắt điện. Gĩc ngậm điện cĩ liên quan đến khe hở đội tối đa của vít.
- Khi khe hở đội tối đa của vít nhỏ, gĩc ngậm điện sẽ lớn và hồ quang dễ xảy ra khi vít mở làm cho dịng sơ cấp khơng mất đột ngột nên điện áp đánh lửa sẽ yếu.
Page 125/157 - Khi khe hở đội tối đa của vít lớn, gĩc ngậm điện sẽ nhỏ. Ở tốc độ cao dịng sơ cấp nhỏ nên điện áp đánh lửa giảm, khơng đủ khả năng đánh lửa qua hai cực của bu gi.
ĐÁNH LỬA SỚM
- Trong thực nghiệm ngƣời ta thấy rằng cơng suất của động cơ đạt lớn nhất khi áp suất cháy đạt cực đại cách sau điểm chết trên một gĩc là 10°.
- Tại điểm 1 tia lửa điện bu gi bắt đầu xuất hiện và cho đến điểm 2, áp suất cháy trong