TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ
Nhiệm vụ
Hệ thống đánh lửa chuyển đổi dòng điện một chiều có điện áp thấp (6V, 12V, hoặc 24V) thành các xung điện cao thế (12000-40000V) để tạo ra tia lửa đốt cháy hỗn hợp trong các xylanh động cơ Điều này diễn ra vào những thời điểm chính xác, phù hợp với trình tự xylanh và chế độ hoạt động của động cơ Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ khởi động, giúp động cơ dễ dàng khởi động ở nhiệt độ thấp.
Phân loại
Hiện nay, trên thị trường ôtô có nhiều loại hệ thống đánh lửa khác nhau, nhưng có thể phân loại chúng thành ba loại chính.
Đánh lửa cơ học: được dùng rất phổ biến cho đến năm 1975, nó vận hành bằng cơ và điện, không bằng điện tử
Đánh lửa điện tử, hay còn gọi là đánh lửa bán dẫn, được phát minh vào đầu những năm 1970 và nhanh chóng trở nên phổ biến Công nghệ này đã đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về kiểm soát và độ tin cậy trong hệ thống kiểm soát khí xả.
Hệ thống đánh lửa không cần bộ chia điện, hay còn gọi là đánh lửa lập trình, được phát triển vào giữa thập kỷ 80 Hệ thống này được điều khiển bằng máy tính, không cần phụ tùng điều chỉnh, do đó tăng độ tin cậy Nó không yêu cầu bảo dưỡng định kỳ, ngoại trừ việc thay bugi sau mỗi 100.000 km hoặc 150.000 km.
Yêu cầu
Một hệ thống đánh lửa tốt phải thoả mãn các yêu cầu sau:
Hệ thống đánh lửa cần tạo ra dòng thứ cấp mạnh mẽ để có thể phóng điện qua khe hở của bugi, đảm bảo hoạt động hiệu quả trong mọi chế độ làm việc của động cơ.
Tia lửa trên bugi phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự cháy bắt đầu
Góc đánh lửa sớm phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ
Các phụ kiện của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao và độ rung xóc lớn
Sự mài mòn điện cực bugi phải nằm trong khoảng cho phép
Độ tin cậy làm việc của hệ thống đánh lửa phải tin cậy tương ứng với độ tin cậy làm việc của động cơ
Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ
Các thông số cơ bản của Hệ Thống Đánh Lửa.
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là giá trị điện áp tối đa đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi dây cao áp được tách ra khỏi bugi Để đảm bảo khả năng tạo tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt trong quá trình khởi động, hiệu điện thế thứ cấp cực đại cần đạt mức đủ lớn.
Hiệu điện thế đánh lửa U đl
Hiệu điện thế đánh lửa (Uđl) là hiệu điện thế tại đó quá trình đánh lửa diễn ra, và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, tuân theo định luật Pashen.
Trong đó: Uđl: Thế hiệu đánh lửa [V]
P: Áp suất hỗn hợp hòa khí tại thời điểm đánh lửa [N/m 2 ] : Khoảng cách giữa các điện cực [m]
T: Nhiệt độ ở điện cực bugi tại thời điểm đánh lửa [ 0 C ]
K: Hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí
Hình 1.1: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải của động cơ
1: Toàn tải; 2: Vừa tải; 3: Toàn tải; 4: khởi động và cầm chừng.
Góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu trong động cơ, được tính từ thời điểm tia lửa điện xuất hiện tại bugi cho đến khi piston đạt đến điểm chết trên.
Góc đánh lửa sớm có tác động đáng kể đến công suất, hiệu quả kinh tế và mức độ ô nhiễm khí thải của động cơ Để đạt được góc đánh lửa sớm tối ưu, cần xem xét nhiều yếu tố khác nhau.
bd , bd , , wt , mt , , o opt f p t p t t n N
Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa (pbđ) và nhiệt độ buồng cháy (tbđ) là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ Bên cạnh đó, áp suất trên đường ống nạp (p) và nhiệt độ nước làm mát động cơ (twt) cũng đóng vai trò không kém Cuối cùng, số vòng quay của động cơ (n) là yếu tố quyết định đến khả năng hoạt động của hệ thống.
No: Chỉ số ôctan của xăng
1.2.4 Hệ số dự trữ K dt
Hệ số dự trữ là tỷ lệ giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl, nhằm đảm bảo rằng hiệu điện thế đánh lửa luôn nằm trong giới hạn yêu cầu Việc duy trì hệ số dự trữ là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình hoạt động của hệ thống.
Hệ số dự trữ của động cơ có hệ thống đánh lửa truyền thống thường thấp hơn so với động cơ xăng hiện đại sử dụng hệ thống đánh lửa điện tử Điều này là do hiệu điện thế U2m của hệ thống đánh lửa truyền thống thấp, trong khi hệ thống đánh lửa hiện đại có hệ số dự trữ cao hơn để đáp ứng yêu cầu tăng tỉ số nén, tăng số vòng quay và khe hở bugi.
1.2.5 Năng lượng dự trữ W dt
Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bobin Để tia lửa có đủ năng lượng đốt cháy hoàn toàn khí, hệ thống đánh lửa cần đảm bảo năng lượng đánh lửa trên cuộn sơ cấp của bobin đạt giá trị xác định.
Trong đó: Wdt: Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp
L1: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobin
Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt là yếu tố quan trọng Trong chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa thường chỉ đạt khoảng 20 đến 30% do nhiệt độ của cực bugi thấp.
Khi động cơ tăng tốc, áp suất nén (Uđl) tăng lên, nhưng nhiệt độ lại giảm dần do nhiệt độ của bugi tăng và áp suất nén giảm do quá trình nạp không hiệu quả Hiệu điện thế đánh lửa đạt giá trị tối đa trong chế độ khởi động và tăng tốc, trong khi ở chế độ ổn định với công suất cực đại, hiệu điện thế này đạt giá trị tối thiểu.
1.2.6 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp t u dt
Trong đó: S: Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp u 2
: Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
t : thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp càng lớn, tia lửa điện tại điện cực bugi xuất hiện nhanh hơn, giúp ngăn chặn hiện tượng rò rỉ qua muội than trên điện cực bugi và giảm năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp.
1.2.7 Tần số và chu kỳ đánh lửa Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa điện xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa, được xác định bởi công thức:
Z f n (Hz) (2 9) Đối với động cơ 2 kỳ:
Trong đó: f: Tần số đánh lửa n: Số vòng quay của trục khuỷu động cơ (1/s)
Chu kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa
T 1 f = tđ+ tm (2 11) tđ: Thời gian vít ngậm hay transistor công suất dẫn bão hòa
Tm: Thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt
Tần số đánh lửa f tỷ lệ thuận với số vòng quay của trục khuỷu và số xylanh của động cơ Khi số vòng quay và số xylanh tăng, tần số đánh lửa f cũng tăng, dẫn đến chu kỳ đánh lửa T giảm Do đó, trong quá trình thiết kế, cần chú ý đến chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo rằng tia lửa vẫn mạnh ở vòng quay cao nhất của động cơ.
1.2.8 Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện
Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là phần diện dung và phần điện cảm Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:
WP: Năng lượng của tia lửa
WC: Năng lượng của thành phần tia lửa có điện dung
WL: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm
C2: Điện dung ký sinh tại mạch thứ cấp của bugi (F)
Uđl: Hiệu điện thế đánh lửa
L2: Độ tự cảm của mạch thứ cấp i2: Cường độ dòng điện mạch thứ cấp
Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ hai thành phần điện cảm và điện dung hoặc chỉ có một thành phần
Thời gian phóng điện giữa các điện cực của bugi phụ thuộc vào loại hệ thống đánh lửa Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, hệ thống đánh lửa cần cung cấp năng lượng tia lửa đủ lớn và thời gian phóng điện kéo dài, giúp đốt cháy hòa khí hiệu quả trong mọi chế độ hoạt động của động cơ.
Năng lượng dự trữ W dt
Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bobin Để đảm bảo tia lửa có đủ năng lượng đốt cháy hoàn toàn khí, hệ thống đánh lửa cần duy trì năng lượng đánh lửa trên cuộn sơ cấp của bobin ở một giá trị xác định.
Trong đó: Wdt: Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp
L1: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobin
Cường độ dòng điện sơ cấp của transistor công suất khi ngắt là rất quan trọng Trong chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa chỉ đạt khoảng 20 đến 30% do nhiệt độ của cực bugi thấp.
Khi động cơ tăng tốc, áp suất nén và Uđl tăng, nhưng nhiệt độ giảm dần do nhiệt độ của bugi tăng và áp suất nén giảm do quá trình nạp không hiệu quả Hiệu điện thế đánh lửa đạt giá trị cực đại trong chế độ khởi động và tăng tốc, trong khi đó giảm xuống mức tối thiểu khi động cơ hoạt động ổn định với công suất cực đại.
Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
Trong đó: S: Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp u 2
: Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
t : thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp càng lớn, tia lửa điện tại điện cực bugi xuất hiện nhanh hơn, giúp ngăn ngừa rò rỉ qua muội than trên điện cực bugi và giảm năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp.
Tần số và chu kỳ đánh lửa
Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa điện xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa, được xác định bởi công thức:
Z f n (Hz) (2 9) Đối với động cơ 2 kỳ:
Trong đó: f: Tần số đánh lửa n: Số vòng quay của trục khuỷu động cơ (1/s)
Chu kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa
T 1 f = tđ+ tm (2 11) tđ: Thời gian vít ngậm hay transistor công suất dẫn bão hòa
Tm: Thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt
Tần số đánh lửa f tỷ lệ thuận với số vòng quay của trục khuỷu động cơ và số xylanh Khi số vòng quay và số xylanh tăng, tần số đánh lửa f cũng tăng, dẫn đến chu kỳ đánh lửa T giảm Do đó, trong thiết kế động cơ, cần chú ý đến chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo tia lửa vẫn mạnh mẽ ở vòng quay cao nhất.
Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện
Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là phần diện dung và phần điện cảm Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:
WP: Năng lượng của tia lửa
WC: Năng lượng của thành phần tia lửa có điện dung
WL: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm
C2: Điện dung ký sinh tại mạch thứ cấp của bugi (F)
Uđl: Hiệu điện thế đánh lửa
L2: Độ tự cảm của mạch thứ cấp i2: Cường độ dòng điện mạch thứ cấp
Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ hai thành phần điện cảm và điện dung hoặc chỉ có một thành phần
Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của bugi phụ thuộc vào loại hệ thống đánh lửa Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, hệ thống này cần cung cấp năng lượng tia lửa đủ lớn và thời gian phóng điện đủ dài, giúp đốt cháy hòa khí hiệu quả trong mọi chế độ hoạt động của động cơ.
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN XE Ô TÔ
Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng má vít
Hệ thống đánh lửa cơ bản này sử dụng cơ chế điều khiển dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa Dòng sơ cấp của bobin được điều chỉnh ngắt quãng thông qua tiếp điểm của vít lửa Thời điểm đánh lửa được kiểm soát bởi bộ điều chỉnh đánh lửa sớm li tâm và chân không Bộ chia điện có nhiệm vụ phân phối điện cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi.
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống đánh lửa điều khiển bằng má vít
Trong hệ thống đánh lửa này, việc điều chỉnh hoặc thay thế tiếp điểm của vít lửa là cần thiết Sử dụng một điện trở phụ giúp giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp, từ đó cải thiện đặc tính tăng trưởng dòng và giảm thiểu sự giảm áp của cuộn thứ cấp khi hoạt động ở tốc độ cao.
Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa là một kiểu của hệ thống đánh lửa theo kiểu ngắt mạch sơ cấp
Hình 2.2: Sơ đồ đánh lửa má vít
Cam 1 của bộ chia điện quay nhờ truyền động từ trục cam của động cơ và làm nhiệm vụ mở tiếp điểm KK’, cũng có nghĩa là ngắt dòng điện sơ cấp của biến áp đánh lửa 3 Khi đó từ trường do dòng điện sơ cấp gây nên sẽ mất đi đột ngột, làm cảm ứng ra sức điện động cao thế trong cuộn thứ cấp W2 Điện thế này sẽ qua con quay chia điện 4 và dây cao áp đến các bugi đánh lửa 5 theo thứ tự thì nổ của động cơ Khi điện thế thứ cấp đạt giá trị đủ để đánh lửa thì giữa hai điện cực của bugi đánh lửa sẽ xuất hiện tia lửa điện cao thế để đốt cháy hỗn hợp nổ trong xylanh.
Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn
Trong hệ thống đánh lửa này, transistor điều khiển dòng sơ cấp, cho phép nó hoạt động gián đoạn theo tín hiệu điện từ bộ phát tín hiệu Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh bằng cơ khí, tương tự như trong hệ thống đánh lửa bằng vít, hoặc thông qua các cảm biến vị trí như cảm biến quang hoặc cảm biến Hall.
Hình 2.4: Sơ đồ mạch hệ thống đánh lửa bán dẫn Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn
Bộ phát tín hiệu phát ra tín hiệu đánh lửa
Bộ đánh lửa (IC đánh lửa) nhận tín hiệu đánh lửa và lập tức cho chạy dòng sơ cấp
Cuộn đánh lửa, với dòng sơ cấp bị ngắt đột ngột, sinh ra dòng cao áp
Bộ chia điện sẽ phân phối dòng cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi
Bugi đóng vai trò quan trọng trong việc nhận dòng cao áp và tạo ra tia lửa để đốt cháy hỗn hợp hòa khí Thời điểm đánh lửa sớm được điều khiển bởi bộ đánh lửa sớm li tấm và bộ đánh lửa sớm chân không, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của động cơ.
Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn có ESA
Hệ thống đánh lửa này không cần bộ đánh lửa sớm chân không và li tâm, mà thay vào đó, chức năng ESA của bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ đảm nhận việc điều khiển góc đánh lửa.
Hình 2.5: Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA
ECU động cơ nhận tín hiệu từ nhiều cảm biến khác nhau để tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu Sau đó, nó gửi tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa, đồng thời cũng điều khiển quá trình đánh lửa sớm.
IC đánh lửa nhận tín hiệu đánh lửa và lập tức cho chạy dòng sơ cấp
Bô bin, với dòng sơ cấp bị ngắt đột ngột, sinh ra dòng cao áp
Bộ chia điện sẽ phân phối dòng cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi
Bugi nhận dòng cao áp và đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp hòa khí.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)
Hệ thống đánh lửa hiện đại sử dụng bô bin đơn hoặc đôi để cung cấp điện cao áp trực tiếp cho bugi, thay vì sử dụng bộ chia điện Thời điểm đánh lửa được điều chỉnh bởi ESA của ECU động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất Các động cơ gần đây chủ yếu áp dụng hệ thống đánh lửa này, cho thấy sự ưu việt của nó trong công nghệ động cơ.
Hình 2.7: Hệ thống đánh lửa DIS
Ưu điểm của hệ thống đánh lửa trực tiếp
Hệ thống đánh lửa trực tiếp DFI, hay HTĐL không có bộ chia điện DLI, được phát triển từ giữa thập kỷ 80 và ban đầu được sử dụng trên các loại xe sang Ngày nay, hệ thống này ngày càng được áp dụng rộng rãi trên nhiều loại xe khác nhờ vào những ưu điểm nổi bật của nó.
Dây cao áp ngắn hoặc không có dây cao áp giúp giảm thiểu mất mát năng lượng, giảm điện dung ký sinh và hạn chế nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp.
Không còn mỏ quẹt nên không có khe hở giữa mỏ quẹt và dây cao áp
Bỏ được các chi tiết cơ dây hư hỏng và phải chế tạo bằng vật liệu cách điện tốt như mỏ quẹt, chổi than, nắp delco
Trong hệ thống đánh lửa, nếu bộ phận delco được điều chỉnh góc đánh lửa quá sớm, có thể dẫn đến hiện tượng đánh lửa ở hai đầu dây cao áp kề nhau, tình trạng này thường xảy ra ở động cơ có số xylanh lớn hơn 4.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp có thể chia làm ba loại chính sau:
Loại 1: sử dụng mỗi bobin cho từng bugi:
Nhờ tần số hoạt động giảm, các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ít bị nóng hơn, dẫn đến kích thước bobin nhỏ gọn và dễ dàng gắn kết với nắp chụp bugi.
Trong sơ đồ hệ thống đánh lửa, ECU xử lý tín hiệu từ cảm biến và gửi đến các cực B của transistor công suất trong Igniter theo thứ tự nổ và thời điểm đánh lửa Cuộn sơ cấp của bobin có điện trở rất nhỏ (> R4, dẫn đến U1 ≈ Utc và U4 ≈ 0, có nghĩa là tia lửa chỉ xuất hiện ở bugi số 1.
Trong trường hợp ngược lại R1
