Tất cả các hệ thống đánh lửa của động cơ xăng hiện đại đều sử dụng cuộn dây đánh lửa cho cùng một chức năng cơ bản: tạo ra điện áp cao cần thiết để tạo ra tia lửa điện ở bugi. Mọi người hầu hết đều quen với mục đích và thuộc tính cơ bản của cuộn đánh lửa – nhưng có thể không biết về các nguyên tắc khoa học chuyên sâu mà chúng dựa vào. Bài viết này, XecoV sẽ tìm hiểu và giải thích tại sao điện từ đóng vai trò cốt lõi trong vai trò thiết yếu của cuộn dây đánh lửa…
Tìm hiểu thêm: Ignition Coil – Cuộn dây đánh lửa
Lịch sử của cuộn dây đánh lửa
Mặc dù hệ thống đánh lửa chắc chắn đã phát triển theo thời gian – đặc biệt là việc kết hợp ngày càng nhiều thiết bị điện tử – nhưng chúng vẫn mang dấu ấn của hệ thống đánh lửa cuộn dây ban đầu đã được giới thiệu hơn 100 năm trước.
Hệ thống đánh lửa dựa trên cuộn dây đầu tiên được ghi nhận là của nhà phát minh người Mỹ Charles Kettering, người đã phát triển hệ thống đánh lửa cuộn dây cho một nhà sản xuất xe lớn vào khoảng năm 1910/1911. Lần đầu tiên, ông nghĩ ra một hệ thống điện cung cấp năng lượng cho động cơ khởi động và đánh lửa cùng một lúc. Ắc quy, máy phát điện và hệ thống điện hoàn thiện hơn của xe đã cung cấp nguồn điện tương đối ổn định cho cuộn dây đánh lửa.
Hệ thống Kettering (Hình 1) sử dụng một cuộn dây đánh lửa duy nhất để tạo ra điện áp cao, điện áp này được truyền đến cánh tay rôto để hướng điện áp một cách hiệu quả đến một loạt các tiếp điểm điện nằm trong cụm phân phối (một tiếp điểm cho mỗi xi lanh). Các tiếp điểm này sau đó được kết nối bằng dây bugi với bugi theo trình tự sao cho có thể phân phối điện áp cao đến bugi theo đúng thứ tự đánh lửa của xi lanh.
Hệ thống đánh lửa Kettering gần như trở thành loại hệ thống đánh lửa duy nhất dành cho ô tô chạy xăng sản xuất hàng loạt và giữ nguyên như vậy cho đến khi hệ thống đánh lửa điều khiển và chuyển mạch điện tử bắt đầu thay thế hệ thống đánh lửa cơ học trong những năm 1970 và 1980.
Nguyên lý cơ bản của cuộn dây đánh lửa
Để tạo ra điện áp cao cần thiết, cuộn dây đánh lửa sử dụng mối quan hệ tồn tại giữa điện và từ.
Khi dòng điện chạy qua một vật dẫn điện như cuộn dây, nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh cuộn dây (Hình 2). Từ trường (hay chính xác hơn là từ thông) thực chất là một kho năng lượng, sau đó có thể chuyển đổi trở lại thành điện năng.
Khi bật khóa điện lần đầu, cường độ dòng điện tăng nhanh đến giá trị cực đại. Đồng thời, từ trường hoặc từ thông sẽ tăng dần đến cường độ cực đại và sẽ ổn định khi dòng điện ổn định. Khi ngắt dòng điện thì từ trường sẽ co lại vào cuộn dây.
Có hai yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ của từ trường:
1) Tăng cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ tăng cường từ trường
2) Số lượng cuộn dây trong cuộn dây càng cao thì từ trường càng mạnh.
Sử dụng từ trường biến thiên để tạo ra dòng điện
Nếu một cuộn dây tiếp xúc với từ trường và từ trường sau đó thay đổi (hoặc di chuyển), nó sẽ tạo ra một dòng điện trong cuộn dây. Quá trình này được gọi là ‘điện cảm’.
Điều này có thể được chứng minh một cách đơn giản bằng cách di chuyển một nam châm vĩnh cửu qua một cuộn dây. Sự chuyển động hoặc thay đổi của từ trường hoặc từ thông tạo ra một dòng điện chạy vào cuộn dây (Hình 3).
Có hai yếu tố chính ảnh hưởng đến lượng điện áp được tạo ra trong cuộn dây:
- Sự thay đổi (hoặc tốc độ chuyển động) của từ trường càng nhanh và sự thay đổi cường độ của từ trường càng lớn thì điện áp cảm ứng càng lớn.
- Số vòng dây trong cuộn dây càng lớn thì điện áp cảm ứng càng lớn.
Sử dụng từ trường suy giảm để tạo ra dòng điện
Khi từ trường được tạo ra bằng cách đặt một dòng điện vào một cuộn dây, bất kỳ sự thay đổi nào trong dòng điện (tăng hoặc giảm dòng điện) đều tạo ra sự thay đổi tương tự trong từ trường. Nếu tắt dòng điện thì từ trường sẽ bị suy giảm. Từ trường suy giảm khi đó sẽ tạo ra một dòng điện chạy vào cuộn dây (Hình 4).
Tương tự như việc tăng tốc độ chuyển động của từ trường qua một cuộn dây sẽ làm tăng điện áp cảm ứng trong cuộn dây, nếu một từ trường suy giảm có thể được làm cho suy giảm nhanh hơn, điều này sẽ tạo ra một điện áp cao hơn. Ngoài ra, điện áp cao hơn cũng có thể được tạo ra trong cuộn dây nếu số lượng vòng dây trong cuộn dây tăng lên.
Điện cảm lẫn nhau và hành động biến áp
Nếu hai cuộn dây được đặt cạnh hoặc xung quanh nhau và một dòng điện được dùng để tạo ra một từ trường xung quanh một cuộn dây (mà chúng ta gọi là cuộn sơ cấp), thì từ trường cũng sẽ bao quanh cuộn dây thứ hai (hoặc cuộn thứ cấp). Khi dòng điện bị ngắt và từ trường bị suy giảm, nó sẽ tạo ra một điện áp ở cả cuộn sơ cấp và thứ cấp. Điều này được gọi là ‘tự cảm lẫn nhau’ (Hình 5).
Đối với cuộn dây đánh lửa (và nhiều loại máy biến áp điện), cuộn thứ cấp được chế tạo với số lượng cuộn dây nhiều hơn cuộn sơ cấp. Do đó, khi từ trường suy giảm, nó sẽ tạo ra một điện áp cao hơn vào cuộn thứ cấp so với vào cuộn sơ cấp (Hình 6).
Cuộn dây sơ cấp của cuộn dây đánh lửa thường chứa từ 150 đến 300 vòng dây; cuộn dây thứ cấp thường có từ 15.000 đến 30.000 vòng dây, gấp khoảng 100 lần cuộn sơ cấp.
Từ trường ban đầu được tạo ra khi hệ thống điện của xe cấp điện áp khoảng 12 volt vào cuộn sơ cấp của cuộn dây đánh lửa. Khi cần tạo tia lửa điện ở bugi, hệ thống đánh lửa sẽ ngắt dòng điện đi vào cuộn dây sơ cấp khiến từ trường bị suy giảm. Từ trường suy giảm sẽ tạo ra một điện áp vào cuộn sơ cấp ở vùng 200 volt; nhưng điện áp cảm ứng vào cuộn thứ cấp sẽ lớn hơn khoảng 100 lần, khoảng 20.000 volt.
Bằng cách sử dụng các hiệu ứng tự cảm lẫn nhau và bằng cách sử dụng cuộn dây thứ cấp có số cuộn dây gấp 100 lần cuộn sơ cấp, do đó có thể biến đổi nguồn điện 12 volt ban đầu thành điện áp rất cao. Quá trình thay đổi điện áp thấp thành điện áp cao này được gọi là ‘hành động máy biến áp’ (transformer action).
Trong cuộn dây đánh lửa, cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi sắt, giúp tập trung và tăng cường cường độ của từ trường và từ thông, giúp cuộn dây đánh lửa hoạt động hiệu quả hơn.
