TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

Tổng quan về hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa trên ô tô có nhiệm vụ biến dòng một chiều hạ áp 12V thành xung điện cao áp 12 kV ÷ 24 kV và tạo ra tia lửa điện trên bugi để đốt cháy hỗn hợp khí – xăng trong xylanh ở cuối kỳ nén. Nhiệm vụ đó đòi hỏi hệ thống đánh lửa phải bảo đảm được các yêu cầu chính sau:

• Tạo ra điện áp đủ lớn (12kV ÷ 24kV) từ nguồn hạ áp một chiều 12 V.
• Tia lửa điện phóng qua khe hở giữa hai cực của bugi trong điều kiện áp suất lớn, nhiệt cao phải đủ mạnh để đốt cháy hỗn hợp khí - xăng ở mọi chế độ.
• Thời điểm phát tia lửa trên bugi trong từng xylanh phải đúng theo góc đánh lửa và thứ tự đánh lửa quy định.

Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa

1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U_2m:

Là hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi. Hiệu điện thế cực đại U_2m phải lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt lúc khởi động.

2. Hiệu điện thế đánh lửa U_dl:

Là hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa được xảy ra. Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, theo định luật Pashen.

U_dl = K * (P.δ / T)

Trong đó:

• P: áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa.
• δ: khe hở bugi.
• T: nhiệt độ ở điện cực trung tâm của bugi tại thời điểm đánh lửa.
• K: hằng số phụ vào thành phần của hỗn hợp hoà khí.

Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu thế đánh lửa U_dl tăng khoảng 20 ÷ 30% do nhiệt độ hoà khí thấp và hoà khí không được hoà trộn tốt. Khi động cơ tăng tốc độ, U_dl tăng nhưng sau đó U_dl giảm từ từ do nhiệt độ cực bugi tăng và áp suất nén giảm do quá trình nạp xấu đi.

3. Hệ số dự trữ K_at:

Là tỷ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U_2m và hiệu điện thế đánh lửa U_dl.

K_at = U_2m / U_dl

Đối với hệ thống đánh lửa thường, do U_2m thấp nên K_at thường nhỏ hơn 1,5. Trên những động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số dự trữ có khả năng tăng cao (K_at = 1,5 ÷ 1,8) đáp ứng được việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay và tăng khe hở bugi.

4. Năng lượng dự trữ W_dt:

Là năng lượng tích luỹ dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bobin. Để đảm bảo tia lửa điện có đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toàn hoà khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của bobin ở một giá trị xác định.

W_dt = (L₁ * I_ng²) / 2 ≈ 50 ÷ 70 mJ

Trong đó:

• W_dt: Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp.
• L₁: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobin.
• I_ng: Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm công suất ngắt.

5. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S:

S = dU₂ / dt = ΔU₂ / Δt ≈ 300 ÷ 600 [V / ms]

Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện tại điện cực bugi càng mạnh, nhờ đó dòng không bị rò qua có muội than trên cực bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm.

6. Tần số và chu kỳ đánh lửa:

• Đối với động cơ 4 thì: f = (n*Z) / 120 [Hz]
• Đối với động cơ 2 thì: f = (n*Z) / 60 [Hz]

Trong đó:

• f: tần số đánh lửa
• n: số vòng quay trục khuỷu động cơ (min^-1).
• Z: số xylanh động cơ.

Chu kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa.

T = 1 / f = t_c + t_m

Tần số đánh lửa f tỷ lệ thuận với số vòng quay trục khuỷu động cơ và số xylanh. Khi tăng số vòng quay của động cơ và số xylanh, tần số đánh lửa f tăng và do đó chu kỳ đánh lửa T giảm xuống.

7. Góc đánh lửa sớm:

Là góc quay của trục khuỷu động cơ từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại bugi cho đến khi piston lên đến điểm chết thượng. Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ. Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.

8. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện:

Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là thành phần điện dung và thành phần điện cảm. Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:

W_p = W_c + W_L

Trong đó:

• W_c = (C * U_dl²) / 2
• W_L = (L₂ * I₂²) / 2

W_p: Năng lượng của tia lửa.

W_c: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung.

W_L: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm.

Phân loại các hệ thống đánh lửa điện tử

Hiện nay, trên hầu hết các loại ô tô đều sử dụng hệ thống đánh lửa bán dẫn vì loại này có ưu thế là tạo được tia lửa mạnh ở điện cực bugi, đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc của động cơ, tuổi thọ cao...

1. Hệ thống đánh lửa bán dẫn điều khiển trực tiếp:

• Hệ thống đánh lửa bán dẫn có vít điều khiển.
• Hệ thống đánh lửa bán dẫn không có vít điều khiển.

2. Hệ thống đánh lửa bằng kỹ thuật số:

Còn gọi là hệ thống đánh lửa chương trình. Dựa vào các tín hiệu như tốc độ động cơ, vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga, nhiệt độ động cơ..., bộ vi xử lý (ECU) sẽ điều khiển thời điểm đánh lửa.

Điều khiển góc đánh lửa sớm bằng kỹ thuật số

ECU có thể xác định được chính xác thời điểm đánh lửa cho từng xylanh của động cơ theo thứ tự thì nổ, ECU cần phải nhận được các tín hiệu cần thiết như số vòng quay động cơ, vị trí cốt máy, lượng gió nạp, nhiệt độ động cơ...

Ảnh hưởng của các linh kiện đến hệ thống đánh lửa

Dựa vào đường đặc tuyến của các hàm vừa nêu mà người ta có biện pháp khắc phục những nhược điểm hoặc phát huy những ưu điểm của từng thông số ảnh hưởng đến U_2max.