4.5.1. Phân loại.
Khuynh hƣớng tăng tỷ số nén , số vòng quay n và số xy lanh của động cơ Z để tăng công suất, đòi hỏi phải tăng U2 của hệ thống đánh lửa. Mà muốn vậy phải tăng giá trị dòng sơ cấp I1.
Hệ thống đánh lửa thƣờng không đảm bảo đƣợc yêu cầu này, vì:
- Tăng n và Z làm giảm thời gian tđg dẫn đến giảm I1ng và bởi vậy giảm U2; - Tăng I1ng làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy làm việc của tiếp điểm.
Vì thế xuất hiện hệ thống đánh lửa hoàn thiện hơn đáp ứng đƣợc các yêu cầu trên đó là hệ thống đánh lửa bán dẫn.
Hệ thống đánh lửa bán dẫn có hai loại:
- HTĐL bán dẫn có tiếp điểm (dùng tiếp điểm cơ khí má vít để điều khiển quá trình đóng, mở dòng điện của mạch sơ cấp)
- HTĐL bán dẫn không có tiếp điểm.
4.5.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có má vít điều khiển.
Sơ đồ cấu tạo: của hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm nhƣ trên hình 4.31, gồm: nguồn (ắc quy) 1; bộ phận tạo xung (cặp tiếp điểm) 2 mắc trong mạch Bazơ của transito 6; biến áp đánh lửa 3; điện trở phụ và công tắc khởi động 4; khoá điện 5; transito 6.
Cuộn dây sơ cấp W1 của biến áp đánh lửa mắc trong mạch Emitơ của transito.
Sơ đồ này khác sơ đồ hệ thống đánh lửa thƣờng là không có tụ điện C mà có transito 6. Dòng sơ cấp là dòng IE còn dòng qua tiếp điểm là dòng cực gốc IB<<IE.
+ Nguyên lý làm việc của hệ thống nhƣ sau:
Hình 4.31: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm.
1- Bộ ắc quy; 4- Điện trở phụ;
2- Tiếp điểm (cặp má vít); 5- Khoá điện; 3- Biếp áp đánh lửa; 6- Transito.
1 2 3 4 5 6 IB IE W1 W2 IK
- Khi KK' đóng: cực gốc B của transito đƣợc nối với cực âm của nguồn nên UEB > 0 làm xuất hiện dòng IB và transito 6 mở cho dòng I1 đi qua.
- Khi KK' mở: dòng IB bị ngắt nên transito đóng và ngắt đột ngột dòng I1. Do đó trong các cuộn dây của biến áp đánh lửa xuất hiện các suất điện động tự cảm. Trong hệ thống đánh lửa thƣờng E1 = 200÷400V hoặc lớn hơn. Bởi vậy không thể lấy biến áp đánh lửa tiêu chuẩn (dùng cho hệ thống đánh lửa thƣờng) sang dùng cho hệ thống đánh lửa bán dẫn, vì transito không chịu đƣợc điện áp cao nhƣ vậy mà phải dùng biến áp riêng có Kba lớn hơn để giảm E1 xuống nhỏ hơn 100V.
Nếu E1 đòi hỏi phải lớn hơn 100V để đảm bảo nhận đƣợc U2 cao, thì có thể mắc nối tiếp các transito hoặc áp dụng các biện pháp bảo vệ. Nếu vẫn dùng biến áp đánh lửa tiêu chuẩn thì hệ thống đánh lửa bán dẫn sẽ không phát huy đƣợc ƣu điểm gì trừ vấn đề tăng tuổi thọ cho tiếp điểm.
* Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm TK-102:
Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm TK-102 (hình 4.32) đƣợc dùng trên xe ZIL-130.
+ Cấu tạo của nó gồm:
- Biến áp đánh lửa (3) loại B114; - Bộ cắt nối bán dẫn TK-102 (I); - Khối điện trở II;
- Bộ phận tạo xung (2) với các tiếp điểm kiểu má vít KK'; - Bộ chia điện (không thể hiện trên sơ đồ).
+ Nhiệm vụ của các linh kiện trong sơ đồ:
- Tụ hoá C2 (50 F) có nhiệm vụ san bằng các xung điện áp để ổn định điện áp nguồn.
- Transito T: để cắt nối dòng sơ cấp.
Hình 4.32: Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm TK102. 1- Khoá điện; 2- Bộ phận tạo xung; 3- Biến áp đánh lửa.
C II
- Biến áp xung (với các cuộn dây W1' và W2'): có nhiệm vụ tạo xung để đảm bảo cho transito T đóng tích cực và đƣa điện áp điều khiển đến cực gốc B để điều khiển transito.
- Điện trở R2: để tạo xung áp thích hợp. - R1, C1, ĐO, và ĐC: để bảo vệ transito.
- Đi ốt ĐO: để bảo vệ transito khi E1 > 100V (nó bị đánh thủng, hạn chế sự tăng E1 khi E1 đặt giá trị 100V.
- Đi ốt ĐC: không cho dòng đi qua ĐO theo chiều thuận.
- R1 và C1: tạo thành khung dao động, tiêu hao bớt năng lƣợng của dòng tự cảm khi transito đóng để giảm sự đốt nóng transito.
+ Nguyên lý làm việc:
- Khi bật khoá điện và tiếp điểm KK' đóng: có dòng I0 đi qua nhánh song song (R2 và W2'). Dòng I0 gây sụt áp trên R2 và W2' tạo thiên áp cho transito. Lúc này UEB > 0 nên IB > 0 và transito mở cho dòng chính IK đi qua.
Nhƣ vậy, qua W1 có ba dòng: I1 = I0 + IB + IK (7÷8)A. Dòng này biến thiên theo quy luật tƣơng tự I1 trong hệ thống đánh lửa thƣờng. Nhƣng tốc độ biến thiên nhanh hơn vì L1 nhỏ (cuộn W1 nhỏ hơn).
Tổng hai dòng I0 + IB = (0,7÷0,9)A.
- Khi KK' mở: I0 và IB mất đột ngột, làm cảm ứng trong W2' một sức điện động tự cảm E2tc' làm cho UEB < 0 đảm bảo cho transito khoá nhanh và khoá chặt. Khi transito khoá, dòng I1 mất đột ngột gây ra trong W2 một suất điện động cao thế E2=(20.000÷30.000)V, truyền qua bộ chia điện đến bu gi để tạo tia lửa điện.
4.5.3. Cảm biến đánh lửa.
- Cảm biến từ điện: loại nam châm cố định và loại nam châm quay.
Hình 4.33: Kết cấu cảm biến điện từ loại nam châm quay. 1- Sta to;
2- Rô to (nam châm vĩnh cửu); 3- Vòng ngoài ổ bi bắt chặt với vỏ bộ chia điện.
1 2
- Cảm biến quang điện.
- Cảm biến bán dẫn (cảm biến Hall).
4.5.4. Hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên.
Hình 4.34: Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ loại nam châm cố định.
Rô to
Cuộn dây
Lõi thép
Nam châm
Hình 4.35: Cấu tạo cảm biến quang.
Máy số 3
Máy số 4 Máy số 2
Vạch dấu máy 1 Đèn led
Chia độ vành ngoài
Hình 4.36: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến điện từ.
1- Ắc quy; 5- Bô bi cao áp; 9- Rô to tín hiệu;
2- Khoá điện; 6- Cuộn dây sơ cấp (W1); 10- Cuộn dây điện từ; 3- Điện trở phụ; 7- Cuộn dây thứ cấp (W2); 11- Bugi;
4- Bộ điện tử; 8- Nam châm vĩnh cữu; 12- Rô to chia điện.
1 2 3 5 6 7 11 12 T 4 + B D 8 9 10
Khi hoạt động, khoá điện 2 đóng lại (bật ON), động cơ quay sẽ kéo trục bộ chia điện (đen cô) quay theo, nam châm vĩnh cữu 8 kết hợp với rô to tín hiệu 9 sẽ tạo ra các xung từ trƣờng tác dụng lên cuộn dây điện từ 10 làm cảm ứng ra suất điện động điều khiển bộ điện tử 4 đóng ngắt dòng điện sơ cấp I1 của mạch điện đánh lửa, rô tô chia điện 12 quay sẽ phân phối dòng điện cao áp đến mỗi bu gi theo thứ tự nổ của các xy lanh của động cơ. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống đánh lửa bằng điện tử không có tiếp điểm có thể chia ra làm hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1, răng của rô to tín hiệu không trùng với cuộn dây điện từ.Trong giai đoạn này từ trƣờng đi qua cuộn dây điện từ 10 trong bộ cảm biến không thay đổi nên không có suất điện động cảm ứng trong cuộn dây điện từ 10, cuộn dây điện từ 10 đƣợc xem nhƣ một đoạn dây dẫn điện. Khi đóng khoá điện 2, với cách phân cực cho bộ điện tử 4 nhƣ sơ đồ mạch điện sẽ cho phép dòng điện đi từ chân B ra mát, lúc này dòng điện sơ cấp I1 sẽ đi từ cực dƣơng (+) của ắc quy 1 qua khoá điện 2, qua điện trở phụ 4, qua cực dƣơng (+) của bô bin cao áp 5, qua cuộn dây sơ cấp (W1) 6, qua cực âm (-) của bô bin cao áp, qua bộ điện tử 4, ra mát và về lại cực âm (-) của ắc quy.
Tƣơng tự nhƣ trong mạch đánh lửa bằng ắc quy, trong giai đoạn này do tốc độ tăng dòng điện sơ cấp I1 chƣa đủ lớn nên suất điện động cảm ứng trên cuộn dây thứ cấp W2 chƣa đạt đến điện áp đánh lửa. Tƣơng tự nhƣ hệ thống đánh lửa bằng điện tử có tiếp điểm, dòng điện sơ cấp I1 trong hệ thống này đi qua bộ điện tử 4 có thể lớn hơn 4 ampe nên công suất đánh lửa của hệ thống này có thể nâng cao hơn so với hệ thống đánh lửa bằng ắc quy. Ngoài ra hệ thống này còn có ƣu điểm hơn là không có cơ cấu điều khiển tín hiệu đánh lửa bằng cơ khí (cam và tiếp điểm) nên không cần phải bảo dƣỡng định kỳ. Dòng điện I0 có công dụng là phân cực tính cho các linh kiện bên trong bộ điện tử 4 và còn đƣợc gọi là dòng nuôi mạch điện tử.
- Giai đoạn 2, răng của rô to tín hiệu trùng với cuộn dây điện từ: khi xy lanh của động cơ ở thời điểm cuối nén đầu nổ, răng của rô to tín hiệu 9 trùng với cuộn dây điện từ 10, lúc này khe hở của mạch từ bao gồm nam châm vĩnh cữu 8, rô to tín hiệu 9 và cuộn dây điện từ 10 là bé nhất nên từ trƣờng đi qua cuộn dây điện từ 10 tăng lên, do từ trƣờng trong cuộn dây điện từ 10 thay đổi đã làm xuất hiện một suất điện động cảm ứng ngƣợc chiều với hiệu điện thế phân cực của trandito T, trandito T chuyển sang trạng thái khoá ngăn không cho dòng điện sơ cấp I1 đi qua, dòng điện sơ cấp I1 mất đi đột ngột, từ trƣờng trong bô bin cao áp 5 biến thiên (giảm đi) với tốc độ cao làm cảm ứng trong cuộn thứ cấp 7(W2) một suất điện động với điện áp từ 20 đến 30kV. Thông qua đƣờng dây dẫn điện cao áp và đầu chia điện mà điện áp thứ cấp này sẽ tạo ra dòng điện thứ cấp I2 đƣợc đƣa đến bu gi của xy lanh cần đánh lửa để bật tia lửa điện đốt cháy hoà khí trong xy lanh.
4.5.5. Hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến từ điện loại nam châm quay.
Transito T4 có nhiệm vụ đóng ngắt dòng điện sơ cấp của bô bin. Các transito T1, T2, T3 có nhiệm vụ khuếch đại các xung của cảm biến đánh lửa, vì biên độ điện áp của nó không đủ để điều khiển trực tiếp T3.
Khi bật công tắc máy và rô to của cảm biến không quay thì T1 khoá vì điện thế ở hai cực E và cực B bằng nhau (Ueb = 0). Khi đó điện thế ở cực B của T2 cao hơn điện thế ở cực E, tức là Ueb > 0, nên xuất hiện dòng điện điều khiển: (+) ắc quy
KĐ R D5 R6 điểm a D3 cực gốc T2 R3 R9 (-)ắc quy. Do vậy T2 mở làm cho T3 mở; đồng thời xuất hiện dòng điện điều khiển T4 chạy qua cực CE của T3 kích cho T4 mở. Khi T4 dẫn, điện trở của nó rất nhỏ, do đó hầu nhƣ toàn bộ dòng điện sơ cấp của bô bin sẽ qua T4 theo mạch: (+) ắc quy KĐ
cuộn sơ cấp bô bin D6 tiếp giáp phát – góp của T4 (-) ắc quy. Dòng điện sơ cấp tạo nên từ thông trong lõi thép của bô bin.
Khi rô to cảm biến quay, trong cuộn dây của nó phát ra những xung điện xoay chiều. Nửa xung dƣơng sẽ tạo nên dòng điện điều khiển transito T1 nhƣ sau: Từ cuộn dây cảm biến D1 R7 tiếp giáp E-B của T1 (-) ắc quy và T1 mở. Khi T1 mở, điểm a coi nhƣ đƣợc nối với (-) ắc quy vì độ sụt áp trên T1 lúc này không đáng kể. Khi đó cực B của T2 đƣợc nối với điện thế âm qua D3 khiến T2 khoá, đồng thời T3, T4 cũng khoá theo nên dòng điện sơ cấp của bô bin bị triệt tiêu nhanh chóng, dẫn tới sự biến thiên từ thông và sinh ra sức điện động lớn (đến 30 kV) trong cuộn dây thứ cấp của bô bin. Xung điện cao áp này tạo nên tia lửa điện ở bu gi để đốt cháy hỗn hợp nổ trong xy lanh động cơ.
4.5.6. Hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến bán dẫn (cảm biến Hall).
Sơ đồ mạch điện và đồ thị biểu diễn sự tƣơng quan giữa tín hiệu xung điện áp của cảm biến Hall và sự tăng trƣởng của dòng sơ cấp qua bô bin đƣợc trình bày trên hình.
Khi bật công tắc máy, mạch điện sau công tắc IG/SW đƣợc tách làm hai nhánh, một nhánh qua điện trở phụ Rf đến cuộn sơ cấp và cực C của transito T3, một nhánh sẽ qua đi ốt D1 cấp cho cụm điều khiển và cảm biến Hall. Nhờ R1, D2
điện áp cung cấp cho cảm biến Hall luôn ổn định. Tụ điện C1 có tác dụng lọc nhiễu cho điện áp đầu vào. Đi ốt D1 có nhiệm vụ bảo vệ IC Hall trong trƣờng hợp mắc lộn cực ắc quy, còn đi ốt D3 có nhiệm vụ ổn áp khi hiệu điện thế nguồn cung cấp quá lớn nhƣ trƣờng hợp tiết chế của máy phát bị hƣ.
Khi đầu dây tín hiệu của cảm biến Hall có điện áp ở mức cao, tức lúc cánh chắn bằng thép xen giữa khe hở trong cảm biến Hall, làm T1 dẫn. Khi T1 dẫn, T2 và T3 dẫn theo. Lúc này dòng sơ cấp i1 qua W1, qua T3 về mát tăng dần. Khi tín hiệu điện từ cảm biến Hall ở mức thấp, tức là lúc cánh chắn bằng thép ra khỏi khe hở trong cảm biến Hall, transito T1 ngắt làm T2, T3 ngắt theo. Dòng sơ cấp i1 bị ngắt đột ngột tạo nên một sức điện động ở cuộn thứ cấp W2 đƣa đến các bu gi.
Tụ điện C2 có tác dụng làm giảm sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp W1 đặt vào mạch khi T2, T3 ngắt. Trong trƣờng hợp sức điện động tự cảm quá lớn do sút dây cao áp chẳng hạn, R5, R6, D4 sẽ khiến transito T2, T3 mở trở lại để giảm xung điện áp quá lớn có thể gây hƣ hỏng cho transito. Đi ốt Zener D5 có tác dụng bảo vệ transito T3 khỏi bị quá áp vì điện áp tự cảm trên cuộn sơ cấp của bô bin.
4.5.7. Hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến quang điện.
Hình 4.39 trình bày một sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn đƣợc điều khiển bằng cảm biến quang của hãng Motorola. Cảm biến quang đƣợc đặt trong đen cô phát tín hiệu đánh lửa gởi về bộ đánh lửa để điều khiển đánh lửa.
Khi đĩa cảm biến ngăn dòng ánh sáng từ LED D1 sang phô tô transito T1 khiến nó ngắt. Khi T1 ngắt, các transito T2, T3, T4 ngắt, T5 dẫn, cho dòng qua cuộn sơ cấp về mát. Khi đĩa cảm biến cho dòng ánh sáng đi qua, T1 dẫn nên T2, T3, T4 dẫn, T5 ngắt. Dòng sơ cấp bị ngắt sẽ tạo một sức điện động cảm ứng lên cuộn thứ cấp một điện áp cao và đƣợc đƣa đến bộ chia điện.
4.5.8. Hệ thống đánh lửa điện dung.
Hệ thống đánh lửa điện dung hiện nay thƣờng đƣợc sử dụng trên xe thể thao, xe đua, động cơ có pít tông tam giác và trên xe gắn máy. Hệ thống đánh lửa điện dung có thể đƣợc chia làm hai loại: loại có vít điều khiển và loại không có vít điều khiển hoặc có thể phân loại theo cách tạo ra điện áp nạp tụ: xoay chiều (CDI –AC) và một chiều (CDI - DC).
Đối với hệ thống đánh lửa điện dung, năng lƣợng trong mạch sơ cấp của bô bin đƣợc tích lũy dƣới dạng điện trƣờng chứa trong tụ C. Thông thƣờng, ngƣời ta chọn tụ điện C có giá trị nằm trong khoảng từ 0,5 ¸ 3mF, vì theo tính toán và thực nghiệm, nếu điện dung của tụ C lớn thì khi tốc độ cao sẽ không đủ thời gian để tụ C đƣợc nạp đầy. Còn nếu điện dung nhỏ thì sẽ ảnh hƣởng đến năng lƣợng đánh lửa. Hiệu điện thế nạp trên tụ thƣờng nhỏ hơn 400V, vì nếu lớn hơn sẽ gây hiện tƣợng