CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ
3.2 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
3.2.1 Giới thiệu.
3.2.1.1. Nhiệm vụ: hệ thống đánh lửa trên động cơ có nhiệm vụ biến nguồn điện xoay chiều hoặc một chiều có hiệu điện thế thấp (12 hoặc 24V) thành các xung điện cao thế ( từ 15.000 đến 40.000V). Các xung hiệu điện thế cao này sẽ được phân bố đến bougie của các xylanh đúng thời điểm để tạo tia lửa điện cao thế đốt cháy hoà khí.
3.2.1.2 Phân loại:
Ngày nay, hệ thống đánh lửa được trang bị trên động cơ ôtô có rất nhiều loại khác nhau. Dựa vào cấu tạo, hoạt
- Hệ thống đánh lửa điện dung.
* Phân loại theo phương pháp điều khiển bằng cảm bieán:
- Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ, gồm 2 loại: loại năm châm đứng yên và loại nam châm quay.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến từ trở.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến cộng hưởng.
* Phân loại theo các phân bố điện áp:
- Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện.
- Hệ thống đánh lửa trực tiếp.
* Phân loại theo phương pháp điều khiển góc đánh lửa sớm.
- Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ khí.
- Hệ thống đánh lửa với bộ điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử.
* Phân loại theo kiểu ngắt mạch sơ cấp.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng transistor.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng thyristor.
Sơ đồ khối của hệ thống đánh lửa:
Sơ đồ trên trính bày sơ đồ cấu trúc chung của kiểu hệ thống đánh lửa khác nhau. Trong sơ đồ này điểm khác biệt chủ yếu giữa các hệ thống đánh lửa là cách tạo xung để đóng ngắt dòng sơ cấp thông qua transistor công suất trong IC đánh lửa.
Sơ đồ cấu tạo cơ bản:
Hình 3.21 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của hệ thống đánh lửa Quá trình đánh lửa:
Trong động cơ xăng 4 kỳ, hoà khí sau khi được đưa vào trong xylanh và được trộn đều nhờ sự xoáy lốc của dòng khí, sẽ được piston nén lại. Ở một thời điểm thích hợp cuối kỳ nén, hệ thống đánh lửa sẽ cung cấp một tia lửa điện cao thế đốt cháy hoà khí và sinh công cho động cơ. Để tạo được tia lửa điện giữa 2 điện cực của bougie, quá trình đánh lửa được chia làm ba giai đoạn: quá trình tăng trưởng của dòng sơ cấp hay còn gọi là quá trình tích luỹ năng lượng, quá trình ngắt dòng sơ cấp và quá trình xuất hiện tia lửa điện ở điện cực bougie.
Sau đây sẽ giới thiệu một số loại hệ thống đánh lửa thường gặp trong thực tế:
3.2.2 Hệ thống đánh lửa thường, dùng acqui
Đây là hệ thống rất thông dụng trên động cơ ôtô
Hình 3.22 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đánh lửa thường
Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa bằng acqui như sau: Khi động cơ làm việc, khoá điện đóng, có một dòng điện gọi là dòng sơ cấp đi từ cực dương của cụm nguồn, qua điện trở R vào cuộn sơ cấp của bobine rồi đến bộ tạo xung . Bộ tạo xung về thực chất có một cặp tiếp điểm đóng mở do một trục cam được dẫn động từ trục khuỷu động cơ (trục cam này thường đồng trục với bộ chia điện 10). Khi cặp tiếp điểm đóng, dòng sơ cấp qua cặp tiếp điểm rồi trở về cụm âm của nguồn. Khi cam mở cặp tiếp điểm , dòng sơ cấp đang ở một giá trị nào đó đột ngột trở về 0 gây ra biến thiên đột ngột từ thông cảm ứng sang cuộn W2 của biến áp tạo ra một suất điện động cảm ứng E2 khoảng từ 15.000 đến 40.000V. Điện thế này được dẫn tới bộ chia điện, qua rotorchia điện và qua dây cao áp đến các bugi sinh ra tia lửa điện để đốt hỗn hợp trong các xilanh theo thứ tự làm việc của động cơ. Như vậy thời điểm mở tiếp điểm chính là thời điểm tương ứng với góc đánh lửa sớm của động cơ.
Vào thời điểm mở cặp tiếp điểm của bộ tạo xung, ở cuộn dây sơ cấp của bobine sinh ra một suất điện động tự cảm E khá lớn khoảng 200 đến 300V có thể tạo ra tia lửa
tiếp xúc tốt nhất, giảm hiện tượng rỗ má vít do mật độ dòng điện tiếp xúc cục bộ quá lớn (do giảm diện tích tiếp xúc), ảnh hưởng đến chất lượng đánh lửa. Một thông số khác rất quan trọng của cặp tiếp điểm là khe hở tiếp điểm. Giá trị này có ảnh hưởng quyết định đến thời gian đóng má vít hay giá trị dòng sơ cấp khi ngắt vì dòng sơ cấp tăng từ 0 khi đóng theo một quy luật nhất định theo thời gian. Thời gian đóng tiếp điểm quá ngắn, dòng sơ cấp khi ngắt nhỏ, E2 sẽ nhỏ, do đó chất lượng đánh lửa kém. Cũng chính vì vậy, chất lượng đánh lửa giảm khi tăng tốc độ vòng quay.
Khi động cơ khởi động bằng accu, điện áp của accu sụt khá lớn do phải cung cấp điện cho động cơ điện khởi động. Lúc đó dòng sơ cấp nhỏ dẫn tới E2 nhỏ, chất lượng đánh lửa kém nên động cơ khó khởi động. Để khắc phục nhược điểm này, trong hệ thống có trang bị ổ khoá khởi động. Khi khởi động, khoá khởi động được đóng lại, điện trở R1 bị nối tắt nên dòng sơ cấp không bị giảm so với chế độ làm việc bình thường, khi kết thúc quá trình khởi động, khoá được mở ra.
Ngoài các bộ phận nêu trên, trong hệ thống đánh lửa còn có các bộ phận điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ vòng quay động cơ, theo tải trọng và theo chỉ số octan của nhiên liệu. Nguyên tắc các bộ phận điều chỉnh này là thay đổi vị trí tương đối giữa trục cam và cặp má vít đễ thay đổi góc đánh lửa sớm cho thích hợp.
Ngày nay do hạn chế về tính năng cũng như tuổi thọ nên hệ thống đánh lửa thường chỉ còn sử dụng rất ít trên thị trường, hầu hết ô tô trên thị trường hiện nay chỉ sử dụng hệ thống đánh lửa điện tử do vượt trội về mọi mặt so với hệ thống đánh lửa thường
3.2.3 Hệ thống đánh lửa điện tử.
Ngày nay với sự phát triển rất mạnh của kỹ thuật điện tử, hệ thống đánh lửa bán dẫn với nhiều dạng và phong phú được sử dụng rất rộng rãi cho các loại động cơ xăng. Về nguyên tắc làm việc có thể chia làm hai loại chính: hệ thống đánh lửa bán dẫn điều khiển trực tiếp
Hình 3.23 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điều khieồn baống vớt
- Đặc điểm của hệ thống đánh lửa này là dựa vào tính chất khoá mở của transistor theo sự điều khiển của tiếp ủieồm cụ khớ.
Nguyên lý họat động như sau:
Khi công tắc máy đóng thì cực E của Transistor T được cấp điện dương còn điện áp ở cực B và cực C có giá trị âm. Khi cam không đội, tiếp điểm K đóng sẽ xuất hiện dòng qua cực gốc của Transistor như sau: + acquy SW Rf
W1 E B Rb Vít - acquy. Rb là điện trở phân cực được tính toán sao cho transistor dẫn bão hòa. Khi transistor dẫn dòng qua cuộn sơ cấp đi theo mạch + acquy SW Rf
W1 E C - acquy. Khi tiếp điểm K mở dòng Ib = 0 transistor khóa lại dòng sơ cấp qua W1 cũng bị triệt tiêu thì năng lượng này được chuyển hóa thành năng lượng đánh lửa và mộ phần thành sức điện động tự cảm trong cuộn W1 cuûa bobine
So với hệ thống đánh lửa bằng acqui, dòng điện đi qua tiếp điểm nhỏ hơn nhiều nên tiếp điểm ít bị hỏng.
* Hệ thống đánh lửa bán dẫn không dùng tiếp điểm
Hình 3.24 Sơ đồ hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang
Xét về mặt nguyên lý hoạt động thì mặc dù hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến khác nhau nhưng về mặt nguyên lý sinh ra điện áp cao thế đều như nhau, mọi cảm biến đều lấy tín hiệu (từ động cơ) để ngắt dòng sơ cấp trong bobine. Đối với cảm biến quang thì khi tới thời điểm đánh lưả rãnh trên điã trong delco sẽ trùng với đèn LED lúc này Phototransistor hoặc Photodiode sẽ nhận tín hiện ánh sáng để điều khiển ngắt dòng sơ cấp cuả bobine.
* Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng kỹ thuật số
- Việc điều khiển đánh lưả cần chính xác tại mọi tốc độ và tương ứng với tải cuả động cơ do đó ngày nay hệ thống đánh lưả được điều khiển theo chương trình. Nếu phân loại ta có hệ thống đánh lưả theo chương trình có delco và hệ thống đánh lưả theo chương trình không có delco.
So với hệ thống đánh lưả thường và hệ thống đánh lưả không theo chương trình thì hệ thống đánh lưả điều khiển bằng kỹ thuật số có những ưu điểm sau:
- Góc đánh lưả sớm được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động cuả động cơ.
- Góc ngậm điện luôn luôn được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và theo hiệu điện thế acquy đảm bảo điện áp thứ cấp có giá trị cao tại mọi thời điểm.
- Ít bị hư hỏng, có tuổi thọ cao và ít cần bảo dưỡng.
Để có thể đánh lưả chính xác ứng với mọi tốc độ cuả động cơ ECU cần nhận tín hiệu chính xác từ các cảm biến.
Hình 3.25 Sơ đồ tổng quát hệ thống đánh lưả theo chương trình
Hình 3.26 Cấu tạo cuả HTĐL với cơ cấu điều khiển góc đánh lưả sớm bằng điện tử
Hình 3.27 Sơ đồ hệ thống đánh lưả với cơ cấu điều khiển góc đánh lưả sớm bằng điện tử có sử dụng delco trên xe TOYOTA
Hệ thống đánh lưả lập trình không có bộ chia điện.
Ưu điểm cuả việc sử dụng đánh lưả lập trình không có delco:
Dây cao áp ngắn hoặc không có ndây cao áp tránh giảm sự mất mát năng lượng, giảm điện dung ký sinh và giảm nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp.
Không còn mỏ quẹt nên không có khe hở giưã mỏ quẹt và dây cao áp.
Bỏ được các chi tiết cơ dễ hư hỏng và phải chế tạo bằng vật liệu cách điện tốtnhư mỏ quẹt, chổi than, nắp delco Trong hệ thống đánh lưả có delco, nếu góc đánh lưả quá sớm sẽ sảy ra trường hợp đánh lưả ở 2 đầu dây cao áp keà nhau.
Loại bỏ được hư hỏng thường gặp do hiện tượng phóng điện trên mạch cao áp và giảm chi phí bảo dưỡng.Hệ thống đánh lửa trực tiếp chia làm ba loại chính sau:
Hình 3.28 Các loại trong HTĐL trực tiếp
Hình 3.29 Dạng xung điều khiển đánh lửa trực tiếp
3.2.4 Giới thiệu công nghệ đánh lửa Sonex GDI
Công nghệ đốt trong mới mang tên Sonex GDI được ra mắt ngày 3/10/2005 sử dụng piston mang hợp chất hoá học gây cháy nhằm thay thế cho bugi, do đó động cơ có thể chạy xăng, diesel hoặc cồn.
Đây là phát minh của hãng nghiên cứu Sonex, Mỹ. Động cơ diesel có tỷ số nén cao nên không cần thiết bị đánh lửa (bugi). Tuy nhiên, trên thực tế, hiện tượng tự kích nổ vẫn xảy ra ở cả động cơ xăng và diesel tại thời điểm có tỷ số nén thấp. Để khắc phục hiện tượng tự kích nổ, hãng nghiên cứu Sonex cho ra đời loại piston có thể giúp đốt cháy các nhiên liệu nhẹ như cồn, xăng hay nhiên liệu nặng như diesel mà không cần bugi. Công nghệ Sonex có hiệu quả tốt nhất khi động cơ trang bị hệ thống phun xăng trực tiếp.
Piston Sonex GDI.
Phaàn beân trong piston bao goàm raát nhiều lỗ kích cỡ 1 phần triệu mét.
Công ty nghiên cứu Sonex, có trụ sở tại bang Maryland, Mỹ, tin tưởng vào mức tiết kiệm nhiên liệu đạt được khi hệ thống kiểm soát tự kích nổ SCAI (Sonex Controlled Auto
Ignition) được phát triển cùng với hệ thống phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injected). Khi kết hợp cả hai công nghệ đó, động cơ sẽ không có bugi và bướm ga. "Sonex GDI cải thiện được 25% mức tiêu hao nhiên liệu", tiến sỹ Andrew Pouring, chủ tịch phòng nghiên cứu công nghệ, thuộc Viện Hàn lâm Naval, Mỹ, tuyên bố.
Phần đỉnh piston được thiết kế thành những buồng nhỏ (micro-chamber), và liên thông với nhau nhờ các đường dẫn. Khi kim phun phun nhiên liệu vào buồng đốt chính, bộ phận SCAI cho phép một ít nhiên liệu đi vào hệ thống
buồng nhỏ trong piston. Các hoá chất cháy trong buồng sẽ kích hoạt khối nhiên liệu đó, và quá trình cháy lan truyền từ buồng này sang buồng khác trước khi thoát ra ngoài đốt cháy hoà khí bên ngoài buồng đốt chính. Như vậy, quá trình cháy diễn ra ngay khi tỷ số nén của piston còn thấp, khắc phục được hiện tượng tự kích nổ.
Hiện tại, Sonex GDI được ứng dụng rộng rãi trên các thiết bị của quân đội Mỹ ở Iraq. Tuy nhiên, ngành công nghiệp ôtô vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi. Nguyên nhân chính