Giáo trình Nguyên lý kết cấu động cơ đốt trong - Chương 8: Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng

Nội dung text: Giáo trình Nguyên lý kết cấu động cơ đốt trong - Chương 8: Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng

1. Chương 8 – Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng 196
2. Chương 8 – Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng Chương 8 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG I. NHIỆM VỤ, YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA I.1. Nhiệm vụ Hệ thống đánh lửa trên động cơ xăng có nhiệm vụ biến nguồn điện có điện thế thấp (12 hoặc 24 V) thành các xung điện thế cao (từ 15.000 đến 40.000 V). Các xung 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 trong xylanh động cơ. I.2. Yêu cầu Hệ thống đánh lửa phải sinh ra sức điện động thứ cấp đủ lớn để phóng tia lửa điện qua khe hở giữa hai điện cực của bougie trong mọi chế độ làm việc của động cơ. Tia lửa điện trên bougie phải đủ năng lượng và thời gian phóng để đốt cháy hoàn toàn hoà khí trong xylanh. Góc đánh lửa sớm phải phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ. Hệ thống phải hoạt động tốt và ổn định trong mọi điều kiện làm việc của động cơ. I.3. Phân loại Dựa vào cấu tạo, hoạt động, phương pháp điều khiển người ta phân loại hệ thống đánh lửa theo các cách phân loại sau: I.3.1. Phân loại theo phương pháp điều khiển bằng cảm biến Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ, gồm hai loại: cảm biến nam châm đứng yên và cảm biến nam châm quay. 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. I.3.2. Phân loại theo kiểu phân bố điện áp Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện (delco). Hệ thống đánh lửa trực tiếp hay không có bộ chia điện. I.3.3. 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. II. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘC LẬP II.1. Hệ thống đánh lửa vít Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa hay còn gọi là hệ thống đánh lửa thường, có sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 8.1. 197
3. Chương 8 – Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng Dây cao áp Dây cao áp Bộ đánh lửa Khoá điện sớm ly tâm Bộ chia điện Bougie Accu Bôbin Tụ điện Cam Tiếp điểm của bộ ngắt điện Điện trở Bộ đánh lửa sớm chân không Hình 8.1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa vít. Khi động cơ làm việc, tiếp điểm IG được đóng sẽ có dòng điện đi từ cực dương của accu (dòng sơ cấp) qua điện trở vào cuộn sơ cấp của bôbin rồi đến tiếp điểm của bộ ngắt điện. Tiếp điểm này được đóng mở bởi cam, trục cam này thường đồng trục với trục bộ chia điện. Khi tiếp điểm đóng, dòng sơ cấp qua tiếp điểm rồi về cực âm của accu. Khi cam điều khiển tiếp điểm mở, dòng sơ cấp của bôbin bị mất đột ngột, khi đó làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trên cuộn thứ cấp của bôbin. Điện thế này qua con quay của bộ chia điện và dây dẫn cao áp đến các bougie, đánh lửa theo thứ tự công tác của động cơ. Cũng vào lúc tiếp điểm của bộ ngắt điện mở, trong cuộn sơ cấp cũng sinh ra sức điện động tự cảm khá lớn (khoảng 200 ÷ 300 V) có thể tạo ra tia lửa điện, làm giảm tuổi thọ của cặp tiếp điểm. Tia lửa này được dập tắt nhờ tụ điện lắp song song với tiếp điểm để bảo vệ cho cặp tiếp điểm và đồng thời tụ còn có tác dụng làm tăng điện áp đánh lửa. Khi động cơ khởi động bằng acu, do accu vừa cung cấp năng lượng cho hệ thống khởi động và cả hệ thống đánh lửa nên accu bị sụt áp khá lớn. Lúc này dòng sơ cấp nhỏ dẫn đến dòng thứ cấp nhỏ, làm cho động cơ càng khó khởi động. Để khắc phục hiện tượng trên, trong hệ thống có tiếp điểm ST. Khi khởi động cho động cơ, tiếp điểm ST được đóng, dòng điện không qua điện trở nên dòng sơ cấp không bị giảm so với chế độ làm việc bình thường (sau khi động cơ khởi động, tiếp điểm ST được mở ra và dòng sơ cấp lại phải qua điện trở). Bộ đánh lửa sớm ly tâm và bộ đánh lửa sớm chân không có tác dụng điều chỉnh thời điểm đánh lửa cho phù hợp với sự thay đổi của tốc độ và tải trên động cơ trong quá trình làm việc. II.2. Hệ thống đánh lửa dùng transitor (không có tiếp điểm) Trong hệ thống đánh lửa vít, cặp tiếp điểm của bộ ngắt điện cần được bảo dưỡng và điều chỉnh thường xuyên thậm chí khi làm việc một thời gian phải thay mới. Đây là một hạn chế lớn đối với hệ thống đánh lửa vít. Với thống đánh lửa dùng transitor, nó sẽ khắc phục được nhược điểm này. Hệ thống đánh lửa dùng transitor có sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 8.2. 198
4. Chương 8 – Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng Trong hệ thống đánh lửa này, transitor thay thế vai trò của cặp tiếp điểm bộ ngắt điện trong hệ thống đánh lửa vít để điều khiển dòng sơ cấp. Tương tự như hệ thống đánh lửa vít, bộ đánh lửa sớm ly tâm và bộ đánh lửa sớm chân không có tác dụng điều chỉnh thời điểm đánh lửa cho phù hợp với sự thay đổi của tốc độ và tải trên động cơ trong quá trình làm việc. Dây cao áp Dây cao áp Bộ đánh lửa Khoá điện sớm ly tâm Bộ chia điện IC đánh lửa Transitor Bougie Bôbin Bộ tạo tín hiệu Bộ đánh lửa sớm chân không Hình 8.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa dùng transitor. - Bộ đánh lửa sớm ly tâm điều khiển đánh lửa sớm theo tốc độ của động cơ (hình 8.3). Thông thường, vị trí ban đầu của các quả văng được xác định bởi các lò xo. Khi tốc độ của trục bộ chia điện tăng lên cùng với tốc độ động cơ, lực ly tâm thắng lực căng của các lò xo. Kết quả là vị trí của rôto tín hiệu dịch chuyển vượt quá một góc đã định và làm tăng góc đánh lửa sớm. Quả văng Tấm điều khiển Tấm của bộ điều khiển Lò xo bộ điều khiển ly tâm Trục bộ chia điện Rôto tín hiệu Đánh lửa sớm Hình 8.3. Bộ đánh lửa sớm ly tâm. 199
5. Chương 8 – Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng – Bộ đánh lửa sớm chân không điều khiển đánh lửa sớm theo tải trọng của động cơ (hình 8.4). Màng được liên kết với tấm ngắt thông qua thanh đẩy hoặc bộ chế hoà khí. Buồng màng được nối thông với cửa trước của đường ống nạp. Khi bướm ga hé mở, áp suất chân không từ cửa trước sẽ hút màng để làm quay tấm ngắt. Kết quả là bộ phát tín hiệu dịch chuyển và tạo ra đánh lửa sớm. Tấm ngắt Bộ tạo tín hiệu Màng Thanh dẫn Đánh lửa sớm Lò xo màng Góc đánh lửa sớm Hình 8.4. Bộ đánh lửa sớm chân không. III. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA DÙNG ECU (Electronic Control Unit) III.1. Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện (hình 8.5) Dây cao áp Dây cao áp Khoá điện Bộ chia điện IC đánh lửa Transitor Bougie Accu Bôbin ECU Các cảm biến Hình 8.5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa dùng ECU, có bộ chia điện. 200
6. Chương 8 – Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng Trong hệ thống đánh lửa này không sử dụng bộ đánh lửa sớm chân không và bộ đánh lửa sớm ly tâm. Thay vào đó, chức năng đánh lửa sớm của bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển thời điểm đánh lửa. ECU của động cơ tiếp nhận tín hiệu đầu vào để xác định các chế độ làm việc của động cơ từ các cảm biến, sau đó tính toán và xuất tín hiệu điều khiển thời điểm đánh lửa tối ưu với từng chế độ làm việc của động cơ. Nguyên lý làm việc của hệ thống được diễn ra như sau: – ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và gởi tín hiệu đánh lửa đến bộ đánh lửa (ECU cũng có tác dụng điều khiển đánh lửa sớm). – Bộ 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 bougie. – Bougie nhận dòng cao áp và đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp. III.2. Hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện Trong hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện (DLI – Distributorless Ignition System), thay vào đó là một cuộn đánh lửa cùng với một IC đánh lửa độc lập cho mỗi xylanh. Vì thế nên hệ thống không cần dây cao áp, từ đó có thể giảm được tổn thất năng lượng và tăng độ bền. Ngoài ra hệ thống còn giảm đến mức tối đa tác dụng nhiễu từ, bởi vì không sử dụng tiếp điểm trong khu vực cao áp. Việc điều khiển thời điểm đánh lửa được thực hiện thông qua chức năng điều khiển đánh lửa sớm điện tử. Hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện được biết đến như hệ thống đánh lửa trực tiếp. III.3. Hệ thống đánh lửa trực tiếp Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition System), thay vì sử dụng bộ chia điện hệ thống này sử dụng cuộn đánh lửa đa bội để cung cấp điện áp cao trực tiếp cho bougie (hình 8.6). ECU Cuộn đánh lửa có IC đánh lửa Cảm biến vị trí trục cam Hính 8.6. Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition System). Thời điểm đánh lửa được điều khiển bởi chức năng đánh lửa sớm của ECU động cơ. ECU của động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, tính toán thời điển đánh lửa, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa. Thời điểm đánh lửa được tính toán liên tục theo điều kiện của động cơ, dựa trên giá trị thời điểm đánh lửa sớm tối ưu đã được lưu trữ trong máy tính. Hệ thống này giúp cải thiện tính kinh tế về nhiên liệu và tăng công suất của động cơ. 201
7. Chương 8 – Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng Ngày nay, hệ thống đánh lửa trực tiếp được ứng dụng rất rộng rãi nhờ các ưu điểm sau: – Dây cao áp ngắn hoặc không có dây cao áp nên giảm thiểu mất mát năng lượng và giảm nhiễu tín hiệu trên mạch thứ cấp. – Không dùng mỏ quẹt nên không có khe hở giữa mỏ quẹt và dây cao áp. – Không có những 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 có hai dạng được thể hiện trên hình 8.7. Loại 1: Sử dụng mỗi bôbin cho một bougie Nhờ tần số hoạt động của các bôbin nhỏ hơn trước nên các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ít nóng hơn. Trong hệ thống này, kích thước của bôbin rất nhỏ và được gắn với nắp chụp bougie. Trên hình 8.7a, sau khi ECU xử lý tín hiệu từ các cảm biến sẽ gởi tín hiệu điều khiển việc đánh lửa theo thứ tự nổ và chế độ làm việc của động cơ. Các cảm biến Các cảm biến ECU ECU IGT1 IGT2 IGT3 IGT4 IC đánh lửa IC đánh lửa Cuộn đánh lửa Cuộn đánh lửa (có IC đánh lửa) Dây cao áp Bougie Bougie Cuộn đánh lửa a) Loại 1 b) Loại 2 (Sử dụng mỗi bôbin cho (Sử dụng mỗi bôbin cho một bougie) từng cặp bougie) Hình 8.7. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa trực tiếp. 202
8. Chương 8 – Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng IC đánh lửa Cuộn đánh lửa có IC đánh lửa Thiết bị này gồm có IC đánh lửa và cuộn Cuộn sơ cấp dây đánh lửa kết hợp với nhau thành một cụm. Cuộn thứ cấp Trước đây, dòng điện cao áp được dẫn Lõi đến xylanh bằng dây cao áp. Nhưng ngày nay, cuộn dây đánh lửa được nối trực tiếp đến bougie của từng xylanh thông qua việc sử dụng cuộn đánh lửa kết hợp với IC đánh lửa. Khoảng cách dẫn điện cao áp được rút ngắn nhờ nối trực tiếp cuộn đánh lửa với bougie, làm giảm tổn thất năng lượng và nhiễu từ. Nhờ vậy, độ tin cậy của hệ thống đánh lửa được nâng cao. Nắp chụp bougie Hình 8.8. Cuộn đánh lửa có IC đánh lửa. Loại 2: sử dụng mỗi bôbin cho từng cặp bougie Các bôbin đôi phải được gắn vào bougie của hai xylanh song hành. Ví dụ: khi thứ tự công tác của động cơ 4 xylanh là 1 – 3 – 4 – 2, ta sử dụng hai bôbin. Bôbin thứ nhất có hai đầu của cuộn thứ cấp được nối trực tiếp với bougie số 1 và số 4 còn bôbin thứ hai được nối với bougie số 2 và số 3. Ở thời điểm đánh lửa, một bougie phát tia lửa trong quá trình nén và một còn lại xuất hiện trong quá trình thải. Chẳng hạn, xylanh số 1 đang ở kỳ nén và xylanh số 4 đang ở kỳ thải, piston cùng ở vị trí gần điểm chết trên nhưng trong hai quá trình khác nhau nên điện trở khe hở bougie của các xylanh này cũng khác nhau (R1 >> R4). Chính điều này đã làm cho tia lửa chỉ xuất hiện mạnh ở bougie số 1 và rất yếu ở bougie số 4. Trong trường hợp ngược lại, tia lửa sẽ xuất hiện ở bougie số 4. Quá trình tương tự cũng xảy ra đối với bougie số 2 và số 3. Đối với động cơ sáu xylanh, để đảm bảo thứ tự nổ 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4. Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng ba bôbin, một cho xylanh số 1 và số 6, một cho xylanh số 2 và số 5, và một còn lại cho xylanh số 3 và số 4. 203