Động cơ đốt trong là một cỗ máy tuyệt vời đã phát triển hơn 100 năm. Nó tiếp tục phát triển khi các nhà sản xuất ô tô cố gắng đạt được hiệu quả cao hơn một chút hoặc ít ô nhiễm hơn một chút sau mỗi năm trôi qua. Kết quả là tạo ra một cỗ máy cực kỳ phức tạp và đáng tin cậy một cách đáng kinh ngạc.
Để động cơ xăng hoạt động được, một hệ thống vô cùng quan trọng đó là hệ thống đánh lửa. Hệ thống đánh lửa tạo tia lửa điện vào một thời điểm thích hợp để đốt cháy hòa khí và sinh công. Bài viết hôm nay, XecoV sẽ tìm hiểu về cách thức hoạt động của hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt cháy cưỡng bức (động cơ xăng).
Thời điểm đánh lửa – Ignition timing
Thời điểm chính xác mà hỗn hợp không khí/nhiên liệu bên trong mỗi xi-lanh bốc cháy là rất quan trọng và có ảnh hưởng quan trọng đến cách thức hoạt động của động cơ. Thời điểm hỗn hợp bốc cháy trong mỗi xi-lanh phụ thuộc vào thời điểm bugi tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp. Thời điểm phát ra tia lửa điện được gọi là thời điểm đánh lửa và điều này có thể được kiểm soát rất chính xác bởi hệ thống quản lý động cơ.
Để có được mô-men xoắn và công suất lớn nhất từ động cơ, mục tiêu là tối đa hóa áp suất trong xi-lanh trong hành trình truyền công suất. Áp suất tối đa cũng sẽ tạo ra hiệu suất động cơ tốt nhất, điều này trực tiếp dẫn đến quãng đường đi được tốt hơn. Thời điểm phát ra tia lửa là rất quan trọng để thành công.
Có một độ trễ nhỏ từ thời điểm tia lửa điện đến thời điểm hỗn hợp nhiên liệu/không khí cháy hết và áp suất trong xi lanh đạt mức tối đa. Nếu tia lửa xuất hiện ngay khi piston đạt đến đỉnh của hành trình nén, thì piston sẽ di chuyển xuống một phần hành trình công suất trước khi khí trong xi lanh đạt đến áp suất cao nhất.
Để sử dụng nhiên liệu một cách tốt nhất, tia lửa điện phải xuất hiện trước khi piston đạt đến đỉnh của hành trình nén, do đó, vào thời điểm piston bắt đầu chuyển sang hành trình công suất, áp suất đã đủ cao để bắt đầu tạo ra công có ích.
Công = Lực × Quãng đường
Trong xi lanh:
- Lực = Áp suất × Diện tích của đỉnh piston
- Khoảng cách = Chiều dài hành trình
Vì vậy, khi nói về xi lanh, công = áp suất×diện tích đỉnh piston×chiều dài hành trình. Và bởi vì chiều dài hành trình và diện tích của đỉnh piston là cố định nên cách duy nhất để tối đa hóa công là tăng áp suất.
Thời điểm đánh lửa rất quan trọng và thời điểm đánh lửa có thể sớm hơn hoặc chậm hơn tùy theo điều kiện.
Thời gian để nhiên liệu cháy gần như không đổi. Nhưng tốc độ của piston tăng khi tốc độ động cơ tăng. Điều này có nghĩa là động cơ chạy càng nhanh thì tia lửa phải xuất hiện càng sớm. Điều này được gọi là đánh lửa sớm: Tốc độ động cơ càng nhanh thì càng cần phải đánh lửa sớm.
Các mục tiêu khác, như giảm thiểu lượng khí thải, được ưu tiên khi không cần công suất tối đa. Ví dụ, bằng cách làm chậm thời điểm đánh lửa (di chuyển tia lửa đến gần đỉnh của hành trình nén), áp suất và nhiệt độ xi lanh tối đa có thể giảm xuống. Giảm nhiệt độ giúp giảm sự hình thành oxit nitơ (NOx), một chất gây ô nhiễm phảiđược kiểm soát. Việc trì hoãn thời gian cũng có thể loại bỏ hiện tượng kích nổ; một số xe có cảm biến kích nổ sẽ tự động làm việc này.
Trên hầu hết các hệ thống hiện đại, thời điểm đánh lửa thay đổi liên tục và thời điểm đánh lửa cho từng xi-lanh của động cơ được điều khiển riêng lẻ, giúp tối đa hóa hiệu suất của động cơ.
Bugi đánh lửa – Spark plug
Về lý thuyết, bugi đánh lửa khá đơn giản: Nó tạo ra dòng điện chạy qua một khe hở, giống như một tia sét. Dòng điện phải có điện áp rất cao mới có thể truyền qua khe hở và tạo ra tia lửa điện tốt. Điện áp ở bugi có thể dao động từ 40.000 đến 100.000 volt.
Bugi phải có một đường dẫn cách điện để điện áp cao này truyền xuống điện cực, nơi nó có thể nhảy qua khe hở và từ đó được dẫn vào khối động cơ và nối đất. Bugi cũng phải chịu được nhiệt độ và áp suất cực cao bên trong xi lanh, đồng thời phải được thiết kế sao cho cặn từ phụ gia nhiên liệu không tích tụ trên Bugi.
Bugi sử dụng một miếng gốm để cách ly điện áp cao ở điện cực, đảm bảo tia lửa xảy ra ở đầu điện cực chứ không phải ở bất kỳ nơi nào khác trên bugi; phần chèn này thực hiện nhiệm vụ kép bằng cách giúp đốt cháy cặn. Gốm sứ là chất dẫn nhiệt khá kém nên giữ nhiệt tốt trong quá trình hoạt động.
Cuộn dây đánh lửa
Cuộn dây là một thiết bị đơn giản – về cơ bản là một máy biến áp cao áp được tạo thành từ hai cuộn dây. Một cuộn dây gọi là cuộn sơ cấp. Bao quanh nó là cuộn dây thứ cấp. Cuộn thứ cấp thường có số vòng dây gấp hàng trăm lần cuộn sơ cấp.
Dòng điện chạy từ ắc quy qua cuộn sơ cấp của cuộn dây.
Dòng điện của cuộn sơ cấp có thể bị gián đoạn đột ngột do các điểm ngắt hoặc do thiết bị bán dẫn trong bộ đánh lửa điện tử. Cuộn thứ cấp bị nhấn chìm bởi một từ trường mạnh và biến thiên. Trường này tạo ra dòng điện trong cuộn dây – dòng điện có điện áp rất cao (lên tới 100.000 volt). Dòng điện này được phân phối tới bugi để đốt cháy hòa khí trong xilanh.
Hệ thống đánh lửa thông thường
Hệ thống đánh lửa ô tô được chia thành hai mạch điện – mạch sơ cấp và mạch thứ cấp.
Mạch sơ cấp mang điện áp thấp. Mạch này chỉ hoạt động bằng dòng điện của ắc quy và được điều khiển bởi các điểm ngắt và công tắc đánh lửa. Khi bật chìa khóa điện, dòng điện áp thấp từ ắc quy sẽ chạy qua cuộn sơ cấp của cuộn dây đánh lửa, qua các điểm ngắt và quay trở lại ắc quy. Dòng điện này tạo ra một từ trường xung quanh cuộn dây.
Mạch thứ cấp gồm các cuộn dây thứ cấp trong cuộn dây, dây dẫn điện cao thế giữa bộ phân phối và cuộn dây trên các bộ phân phối cuộn dây bên ngoài, nắp bộ phân phối, rôto bộ phân phối, dây dẫn bugi và bugi đánh lửa. . Khi động cơ quay, cam trục phân phối quay cho đến khi điểm cao trên cam làm cho các điểm ngắt tách ra đột ngột. Ngay lập tức, khi các điểm mở (riêng biệt) dòng điện dừng chạy qua cuộn sơ cấp của cuộn dây đánh lửa. Điều này làm cho từ trường sụp đổ xung quanh cuộn dây. Tụ điện hấp thụ năng lượng và ngăn ngừa phóng điện giữa các điểm mỗi khi chúng mở. Tụ điện này cũng hỗ trợ cho sự sụp đổ nhanh chóng của từ trường.
Dòng từ thông trong từ trường cắt xuyên qua các cuộn dây thứ cấp của cuộn dây đánh lửa, tạo ra một điện áp cao – đủ cao để nhảy qua các khe hở giữa rôto và các cực của nắp bộ phân phối, cũng như các điện cực ở chân bugi. Giả sử động cơ được điều chỉnh thời gian hợp lý, tia lửa điện sẽ chạm tới hỗn hợp không khí-nhiên liệu trong xi lanh và quá trình đốt cháy bắt đầu.
Khi bộ phân phối tiếp tục quay, tiếp điểm điện giữa rôto và đầu cực của nắp bộ phân phối bị ngắt, làm dừng dòng thứ cấp. Đồng thời, các điểm ngắt gần với mạch sơ cấp hoàn chỉnh, cho phép dòng điện sơ cấp chạy qua. Dòng điện sơ cấp này sẽ lại tạo ra từ trường và chu kỳ này được lặp lại cho xi lanh tiếp theo theo thứ tự đốt.
Quá trình này diễn ra trong vòng vài mili giây. Trong thực tế, nó xảy ra khoảng 18.000 lần mỗi phút ở tốc độ khoảng 150km/h.
Hệ Thống Đánh Lửa Điện Tử
Nhu cầu đi được quãng đường cao hơn, giảm lượng khí thải và độ tin cậy cao hơn đã dẫn đến sự phát triển của hệ thống đánh lửa điện tử.
Hệ thống này vẫn có bộ phân phối nhưng các điểm ngắt đã được thay thế bằng cuộn dây bán tải và có mô-đun điều khiển đánh lửa điện tử.
Giống như hệ thống đánh lửa thông thường, hệ thống điện tử có hai mạch: mạch sơ cấp và mạch thứ cấp. Toàn bộ mạch thứ cấp giống như trong hệ thống đánh lửa thông thường. Ngoài ra, phần mạch sơ cấp từ ắc quy đến cực ắc quy ở cuộn dây cũng giống như trong hệ thống đánh lửa thông thường.
Khi bật công tắc đánh lửa, dòng điện sơ cấp (ắc quy) sẽ chạy từ ắc quy qua công tắc đánh lửa đến cuộn dây sơ cấp của cuộn dây. Dòng điện sơ cấp được bật và tắt nhờ tác động của phần ứng khi nó quay qua cuộn dây thu hoặc cảm biến. Khi mỗi răng của phần ứng đến gần cuộn dây thu, nó sẽ tạo ra một điện áp báo hiệu mô-đun điện tử để tắt dòng điện sơ cấp của cuộn dây. Mạch định thời trong mô-đun sẽ bật lại dòng điện sau khi trường cuộn dây bị sập. Tuy nhiên, khi dòng điện tắt, từ trường tích tụ trong cuộn dây sẽ bị suy giảm, gây ra điện áp cao trong cuộn dây thứ cấp của cuộn dây. Tiếp tục, nó hoạt động trên mạch đánh lửa thứ cấp, giống như trong hệ thống đánh lửa thông thường.
Hệ thống đánh lửa không phân phối (Hệ thống đánh lửa trực tiếp)
- Hệ thống đánh lửa loại mới nhất.
- Rất khác so với thông thường và điện tử – cuộn dây nằm trực tiếp trên đầu bugi, không có dây bugi và hệ thống là điện tử.
Loại hệ thống đánh lửa thứ ba là đánh lửa không phân phối. Bugi được đánh lửa trực tiếp từ cuộn dây. Thời điểm đánh lửa của bugi được điều khiển bởi mô-đun đánh lửa và máy tính của động cơ. Hệ thống đánh lửa không phân phối có thể có một cuộn dây trên mỗi xi lanh hoặc một cuộn dây cho mỗi cặp xi lanh.
- Không cần điều chỉnh thời gian.
- Không có nắp phân phối và rôto.
- Không có bộ phận chuyển động nào bị mòn.
- Không có bộ phân phối để tích tụ độ ẩm và gây ra vấn đề khi khởi động.
- Không có bộ phân phối dẫn động nên lực cản của động cơ ít hơn.