LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ

Chương 8. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

8.1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ

Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thế hiệu thấp hoặc xoay chiều với thế hiệu thấp thành dòng điện với thế hiệu cao có năng lƣợng đủ lớn thì sẽ sinh ra tia lửa để phóng qua khe hở giữa hai điện cực của bugi đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu.

Để tạo đƣợc tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, quá trình đánh lửa đƣợc chia làm ba giai đoạn: Quá trình tăng trưởng của dòng sơ cấp hay còn gọi là quá trình tích luỹ năng lƣợng, quá trình ngắt dòng sơ cấp và quá trình xuất hiện tia lửa điện ở cực bugi.

8.1.1. Giai doạn tăng dòng sơ cấp:

Rf: Điện trở phụ, R1: Điện trở cuộn sơ cấp, L1, L2: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, T: Transistor công suất đƣợc điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến hoặc vít lửa.

Trong giai đoạn gia tăng dòng sơ cấp ta có thể viết phương trình sau:

Ung + eL1 = i1.R1

Trong đó: Ung - Thế hiệu của nguồn điện (ắc quy hoặc máy phát) [V].

eL1 - SĐĐ tự cảm trong cuộn sơ cấp [V].

R1 - Điện trở thuần của mạch sơ cấp [].

Mà: 1 1 1 1 1 i1R1 dt L di dt U

L di

eL   ng  Giải phương trình ta xác định được:













 

 1

t

1 ng

1 1 e

R i U

Trong đó: t - Thời gian tiếp điểm đóng [s]

1 1

1 R

 L

 - Hằng số thời gian của mạch sơ cấp Dòng sơ cấp tăng theo quy luật đường tiệm cận.

Khi t=0 (tiếp điểm vừa đóng lại) thì i1 = 0 và

1 1

L U dt

di  ng Khi t= (tiếp điểm đóng rất lâu) thì:

0

&

1

1

1 

dt di R

i Ung

Hình 8-1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa

T Accu

SW

Cảm biến

IC đánh lửa Bobine

R1

L1

Rf

Đến bộ chia điện

Từ các biểu thức trên ta thấy rõ rằng, tốc độ gia tăng dòng sơ cấp phụ thuộc vào giá trị Ung và L1. L1 càng lớn thì tốc độ tăng dòng sơ cấp càng giảm. Tốc độ này có giá trị cực đại vào thời điểm tiếp điểm bắt đầu đóng (t=0).

Giá trị nhỏ nhất của tốc độ tăng dòng sơ cấp 



 



 dt

di1 đƣợc xác định bởi thời điểm mở tiếp điểm. Trong quá trình làm việc của hệ thống đánh lửa, tốc độ này không bao giờ giảm đến 0. Vì thời gian tiếp điểm đóng ngắn nên dòng sơ cấp không kịp đạt giá trị ổn định.

Giá trị cực đại mà dòng sơ cấp có thể đạt đƣợc (i1max) phụ thuộc vào điện trở mạch sơ cấp và thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng. Thay giá trị t= tđ vào phương trình, ta xác định đƣợc:











 



  1 d

1t L R

1 ng ng

1 max

1 1 e

R I U

i

Đường (1) ứng với xe đời cũ có bô bin độ tự cảm lớn, tốc độ tăng dòng sơ cấp chậm hơn so với bô bin xe đời mới có độ tự cảm nhỏ đường (2). Chính vì điều này làm cho lửa yếu lúc xe có tốc độ cao. Trên xe đời mới đã đƣợc khắc phục nhờ sử dụng bô bin có độ tự cảm nhỏ.

Trong đó: I1ng - Giá trị dòng sơ cấp khi tiếp điểm mở [A]

tđ - Thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng [s]

Nếu ký hiệu

ck d m d

d

d T

t t t

t 

 

 là thời gian đóng tiếp điểm tương đối (ở đây: T = (tđ + t ); t - Thời gian tiếp điểm ở trạng thái mở) thì thời gian tiếp

t i(t)

2 1



Hình 8-2. Quá trình tăng dòng sơ cấp i1

Trong đó: neZ f

120  - Tần số đóng mở của tiếp điểm

Biểu thức này có thể chứng minh với lập luận nhƣ sau: Trong 2 vòng quay của trục khuỷu, tức là trong thời gian (60/ne)x 2 giây, tiếp điểm phải đóng mở Z lần để thực hiện đánh lửa. Vậy trong thời gian 1 giây tiếp điểm cần phải đóng mở [Z/(120/ne)] hay f=(neZ/120));

Z - Số xy lanh của động cơ 4 kỳ.

ne - Số vòng quay của động cơ. [vg/phút]

Cuối cùng ta có:











 

   nZ)

120 L (R

1 ng ng

1 e

d 1 1

e R 1

I U

Ta rút ra các nhận xét sau:

- Giá trị dòng I1ng phụ thuộc các thông số của mạch sơ cấp (R1 và L1).

- I1ng giảm đi khi tăng số vòng quay và số xy lanh động cơ.

- I1ng tăng lên khi tăng thời gian đóng tiếp điểm tương đối, thời gian này được ấn định bởi dạng cam và việc điều chỉnh tiếp điểm. Thường đ không thể làm tăng quá 0,63 vì lúc đó cam sẽ rất nhọn, gây ra rung động và va đập cần tiếp điểm khi làm việc và mau mòn.

8.1.2. Quá trình ngắt dòng sơ cấp:

Khi trasisitor công suất ngắt, dòng điện sơ cấp và từ thông do nó sinh ra giảm đột ngột. Trên cuộn thứ cấp của bô bin sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng 15kV  40kV. Giá trị của hiệu điện thế thứ cấp phụ thuộc vào rất nhiều thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp. Để tính toán hiệu điện thế thứ cấp cực đại ta sử dụng sơ đồ tương đương sau.

Rm - Điện trở mất mát []

Rr - Điện trở rò qua điện cực bugi []

Bỏ qua hiệu điện thế ắc quy vì hiệu điện thế ắc quy rất nhỏ so với sức điện động tự cảm xuất hiện trên dòng sơ cấp lúc transistor công suất ngắt, năng lƣợng từ

R

Hình 8-3. Sơ đồ tương đương của hệ thống đánh lửa

Rr Bugi Rm C2

L2 I2

R2

L1 I1 C1

S

trường tích lũy trong cuộn sơ cấp của bô bin được chuyển thành năng lượng điện trường trên tụ điện C1 và C2 và một phần mất mát. Để xác định hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m ta lập phương trình cân bằng lúc transistor công suất ngắt:

U Q C U C I

L ng





 2 2

2

2 2 2 2 1 1 1

2

1

Trong đó: C1 - Điện dung của tụ điện mắc song song với transistor công suất [F]

C2 - Điện dung ký sinh của mạch thứ cấp [F]

U1m, U2m - Hiệu điện thế sơ cấp, thứ cấp lúc transistor công suất ngắt [V]

Q - Tổn thất dưới dạng nhiệt [J]

U2m= kbb.U1m

Kbb= W1/W2 - Hệ số biến áp của bô bin.

W1,W2 - Số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [vòng]

Mà: C U Q

W C W I

W L U W

U ng 











  

 



 



 2 22

2

2 1 1 1

2 1 2 1 2

1

Sau khi biến đổi ta nhận đƣợc:

'

2 2

2 1 1

1 1

2 

W C C W I L

U ng

 



 



 

': Hệ số tính đến sự giảm U2 do tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt trong cả hai mạch sơ cấp và thứ cấp ('=0,75...0,85).

R U

Hình 8-4. Quy luật biến đổi dòng điện sơ cấp i và hiệu điện thế thứ cấp U i1, A

U2m

Udl

U2m Ing

t

t

8.1.3. Quá trình phóng điện ở điện cực bugi:

Khi thế hiệu U2 vừa đạt đến giá trị Uđl, đủ để xuyên qua khe hở giữa các điện cực của bugi, thì ở đó sẽ xuất hiện tia lửa điện cao thế (hình 8-6). Khi xuất hiện tia lửa điện thì U2 giảm đột ngột trước khi kịp đạt giá trị cực đại.

Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu đã xác định đƣợc rằng: Tia lửa điện có hai phần rõ rệt là phần điện dung và phần điện cảm.

Phần điện dung xuất hiện trước, vào thời điểm đầu của quá trình phóng điện.

Đó là sự phóng tĩnh điện do năng lượng của điện trường tích luỹ trong điện dung C1

và C2 của hệ thống đánh lửa, tia lửa điện dung có màu xanh lam và rất chói do nhiệt độ của nó cao tới 10000OC. Thế hiệu cao và dòng điện phóng rất lớn nên công suất tức thời của nó cũng khá lớn (có thể đạt đến hàng chục kW). Tuy nhiên, thời gian tồn tại tia lửa này rất ngắn (<1s) nên năng lượng điện trường cũng không lớn lắm.

Đặc trƣng của phần tia lửa điện dung là có tiếng nổ lách tách, tần số dao động lớn tới (106...107) Hz, nên gây nhiễu xạ vô tuyến mạnh.

Tia lửa điện dung làm điện thế U2 giảm đột ngột, chỉ còn khoảng 1500...2000V. Vì tia lửa xuất hiện trước khi U2 đạt giá trị cực đại, nên phần tia lửa điện dung chỉ tiêu tốn một phần năng lượng của từ trường tích luỹ trong biến áp đánh lửa là:

2

2 dl C

W CU [J]

Trong đó: 1(W1)2 C2 C

C  [F]

Hình 8-5. Sự thay đổi hiệu điện thế U2 khi phóng tia lửa điện a. Thời gian tia lửa điện dung, b. Thời gian tia lửa điện cảm

t t U2m

b t a

idl 1

12 20

i2, A 300

(kv)

Udl

U2m

t

Phần năng lượng còn lại được tiếp tục phóng qua khe hở bugi dưới dạng tia lửa điện cảm hay còn gọi là đuôi lửa. Do U2 đã giảm nhiều nên dòng phóng lúc này cũng rất nhỏ, chỉ khoảng (80...100)mA. Tia lửa điện cảm có màu tím nhạt-vàng, kéo dài khoảng vài s đến vài ms, phụ thuộc vào giá trị năng lƣợng điện cảm tích luỹ trong mạch sơ cấp:

2

2 1 1 ng L

I

W  L [J]

Trong điều kiện thực tế, tia lửa có thể chỉ có phần điện dung hoặc điện cảm thuần túy hoặc hỗn hợp cả hai phần, tuỳ thuộc vào các thông số của hệ thống đánh lửa và các điều kiện vật lý khi xuất hiện tia lửa. Nói chung các xoáy khí hình thành trong buồng cháy ở số vòng quay cao của động cơ, cản trở việc tạo thành phần điện cảm của tia lửa.

Đuôi lửa có tác dụng tốt khi khởi động động cơ nguội. Vì khi khởi động nhiên liệu bốc hơi kém, khó cháy. Nên khi nhiên liệu đã bén lửa của phần điện dung, nó sẽ bốc hơi và hoà trộn tiếp, đuôi lửa sau đó sẽ đốt cho nhiên liệu cháy hết.