Trong động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức, thời điểm đánh lửa là thời điểm, liên quan đến vị trí hiện tại của pít-tông và góc trục khuỷu, của việc giải phóng tia lửa điện trong buồng đốt gần cuối hành trình nén.

Có rất nhiều bộ phận chuyển động trong động cơ ô tô. Từ trục khuỷu và trục cam đến piston, thanh truyền và puli, tất cả các thành phần này đều chuyển động nhanh và vào những thời điểm cụ thể để hệ thống có thể hoạt động bình thường.

Trong quá trình này, động cơ ô tô của bạn sử dụng bốn chu kỳ piston riêng biệt để chạy hiệu quả. Có bốn giai đoạn liên quan: nạp, nén, công suất và xả. Thời điểm đánh lửa của ô tô phát huy tác dụng trong chu kỳ nén. Thời điểm đánh lửa kiểm soát thời điểm bugi đánh lửa trong quá trình này.

Thời điểm đánh lửa là một quá trình quan trọng đóng vai trò lớn trong hiệu suất của động cơ. Vì vậy, có lý khi có nhiều cách tác động đến quá trình đánh lửa để tăng hiệu suất của xe. Cách tốt nhất để tối đa hóa hiệu suất của động cơ là thông qua việc đẩy nhanh hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa.

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về thời điểm đánh lửa, cách thức hoạt động của thời điểm này và cách bạn có thể điều chỉnh thời điểm này để tác động đến hiệu suất của xe, hãy tiếp tục đọc.

Thời điểm đánh lửa là gì?

Thời điểm đánh lửa là một quá trình quan trọng khi vận hành động cơ. Nếu bugi đánh lửa quá sớm hoặc quá muộn trong quá trình nén, động cơ có thể bị hư hỏng theo thời gian. Trong quá trình này, các bước sau đây diễn ra:

• Bugi đánh lửa trong quá trình nén.
• Hỗn hợp không khí/nhiên liệu trong buồng đốt được đánh lửa.
• Áp suất được tạo ra trong xi lanh khi khí cháy giãn nở.
• Ngay khi piston chạm vào điểm chết trên (TDC), áp suất sẽ đạt mức tối đa.
• Áp suất đẩy piston xuống càng mạnh càng tốt.

Sau quá trình đánh lửa, kỳ xả xảy ra để giải phóng khí cũ để quá trình có thể diễn ra lần nữa. Thời điểm đánh lửa cực kỳ quan trọng để duy trì hiệu suất cao của động cơ.

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến thời điểm đánh lửa trong động cơ, bao gồm tình trạng của bugi, nhiệt độ của động cơ và áp suất nạp. Những thay đổi hoặc nâng cấp động cơ sẽ yêu cầu những thay đổi tiếp theo đối với cài đặt thời điểm đánh lửa.

Đánh lửa sớm so với đánh lửa trễ

Thời điểm đánh lửa được đo bằng độ quay của trục khuỷu trước điểm chết trên (BTDC). Bugi cần đánh lửa đúng thời điểm, có thể đạt được bằng cách đẩy nhanh hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa của động cơ.

Định thời đánh lửa sớm có nghĩa là bugi đánh lửa sớm hơn trong quá trình nén, xa điểm chết trên hơn. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong buồng đốt không cháy ngay lập tức. Thời điểm đánh lửa sớm hơn có thể cần thiết để có thời gian đánh lửa cho mọi thứ.

Lợi ích chính của việc đánh lửa sớm hơn tăng công suất của động cơ. Việc đánh lửa sớm hơn giúp tăng công suất ở vòng tua cao nhưng sẽ làm giảm ở vòng tua thấp. Nó cũng giúp tia lửa vượt qua độ trễ đánh lửa và chạy ở công suất cực đại.

Định thời đánh lửa trễ khiến bugi đánh lửa muộn hơn trong quá trình nén. Tác dụng của việc làm chậm thời điểm đánh lửa bao gồm giảm khả năng kích nổ của động cơ, tức là quá trình đốt cháy bên trong xi-lanh sau khi bugi đánh lửa. Hiện tượng này còn được gọi là tiếng gõ động cơ.

Khi nói đến động cơ tăng áp hoặc siêu nạp đang hoạt động ở mức áp suất cao hơn, việc làm chậm thời điểm đánh lửa của động cơ có thể có lợi hơn. Việc trì hoãn thời gian hoạt động của các loại động cơ này giúp bù đắp cho hỗn hợp không khí và nhiên liệu đậm đặc hơn, đồng thời cho phép chúng chạy hiệu quả hơn.

Nhu cầu đẩy nhanh (hoặc làm chậm) thời điểm đánh lửa là do nhiên liệu không cháy hoàn toàn ngay khi đánh lửa. Khí cháy cần một khoảng thời gian để giãn nở và tốc độ góc hoặc tốc độ quay của động cơ có thể kéo dài hoặc rút ngắn khung thời gian xảy ra quá trình cháy và giãn nở. Trong phần lớn các trường hợp, góc đánh lửa sẽ được mô tả là một góc nhất định được đẩy nhanh trước điểm chết trên (BTDC). Đẩy nhanh đánh lửa BTDC có nghĩa là tia lửa được kích hoạt trước thời điểm buồng đốt đạt kích thước nhỏ nhất, vì mục đích của kỳ công suất trong động cơ là buộc buồng đốt giãn nở. Các tia lửa điện xuất hiện sau điểm chết trên (ATDC) thường phản tác dụng (tạo ra tia lửa lãng phí, đánh lửa ngược, tiếng gõ động cơ, v.v.) trừ khi cần có tia lửa bổ sung hoặc tiếp tục trước hành trình xả.

Thiết lập thời điểm đánh lửa chính xác là rất quan trọng đối với hiệu suất của động cơ. Tia lửa xuất hiện quá sớm hoặc quá muộn trong chu kỳ động cơ thường gây ra rung động quá mức và thậm chí là hư hỏng động cơ. Thời điểm đánh lửa ảnh hưởng đến nhiều biến số bao gồm tuổi thọ động cơ, khả năng tiết kiệm nhiên liệu và công suất động cơ. Động cơ hiện đại được điều khiển theo thời gian thực bởi một bộ điều khiển động cơ sử dụng máy tính để điều khiển thời điểm trong suốt vòng tua máy và phạm vi tải của động cơ. Động cơ cũ sử dụng bộ phân phối cơ học dựa vào quán tính (bằng cách sử dụng trọng lượng quay và lò xo) và chân không ống góp để thiết lập thời điểm đánh lửa trong suốt vòng tua máy và phạm vi tải của động cơ.

Những chiếc xe đời đầu yêu cầu người lái điều chỉnh thời gian thông qua các bộ điều khiển tùy theo điều kiện lái xe, nhưng việc này hiện đã được tự động hóa.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới thời điểm đánh lửa thích hợp cho một động cơ nhất định. Những yếu tố này bao gồm thời điểm của van nạp hoặc kim phun nhiên liệu, loại hệ thống đánh lửa được sử dụng, loại và tình trạng của bugi, thành phần và tạp chất của nhiên liệu, nhiệt độ và áp suất nhiên liệu, tốc độ và tải của động cơ, nhiệt độ không khí và động cơ, áp suất tăng áp turbo hoặc áp suất không khí nạp, các thành phần được sử dụng trong hệ thống đánh lửa và cài đặt của các thành phần hệ thống đánh lửa. Thông thường, bất kỳ thay đổi hoặc nâng cấp lớn nào của động cơ sẽ yêu cầu thay đổi cài đặt thời điểm đánh lửa của động cơ.

Xu hướng định thời điểm đánh lửa

• Khi RPM tăng lên, cần có thêm thời điểm đánh lửa.
• Đối với nhiên liệu có chỉ số octan cao hơn, cần thời điểm đánh lửa dài hơn do tốc độ ngọn lửa chậm hơn.
• Đối với buồng đốt lớn, cần thời điểm đánh lửa dài hơn.
• Đối với quá trình nạp cưỡng bức, cần thời điểm đánh lửa ngắn hơn do tốc độ ngọn lửa nhanh hơn.
• Đối với kiểm soát khí thải, cần thời điểm đánh lửa ngắn hơn để giảm hợp chất khói bụi.
• Đối với hỗn hợp nhiên liệu giàu hơn, cần thời điểm đánh lửa dài hơn do tốc độ ngọn lửa chậm hơn.
• Đối với nhiên liệu cồn được sử dụng giàu hơn nhiên liệu xăng, thời điểm đánh lửa thường dài hơn.
• Đối với nhiên liệu nitro giàu hơn nhiên liệu methanol, thời điểm đánh lửa thậm chí còn dài hơn nữa.

Thiết lập thời điểm đánh lửa

Timing advance – Định thời đánh lửa sớm đề cập đến số độ trước điểm chết trên (Before top dead center – BTDC) mà bugi sẽ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu trong buồng đốt trước khi kết thúc hành trình nén. Định thời đánh lửa muộn có thể được định nghĩa là thay đổi thời gian để đánh lửa nhiên liệu xảy ra muộn hơn thời gian do nhà sản xuất chỉ định. Ví dụ, nếu thời điểm do nhà sản xuất chỉ định được đặt ở 12 độ BTDC ban đầu và được điều chỉnh thành 11 độ BTDC, thì thời điểm này sẽ được gọi là chậm. Trong hệ thống đánh lửa cổ điển có các điểm ngắt, thời gian cơ bản có thể được đặt tĩnh bằng cách sử dụng đèn thử hoặc động bằng cách sử dụng dấu thời gian và đèn định giờ.

Cần phải định thời gian đánh lửa sớm vì cần thời gian để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu. Đánh lửa hỗn hợp trước khi piston đạt TDC sẽ cho phép hỗn hợp cháy hoàn toàn ngay sau khi piston đạt TDC. Nếu hỗn hợp được đánh lửa đúng thời điểm, áp suất tối đa trong xi lanh sẽ xảy ra sau khi piston đạt TDC, cho phép hỗn hợp được đánh lửa đẩy piston xuống xi lanh với lực lớn nhất. Lý tưởng nhất là thời điểm hỗn hợp sẽ được đốt cháy hoàn toàn là khoảng 20 độ sau TDC (ATDC). Điều này sẽ tối đa hóa tiềm năng tạo ra công suất của động cơ. Nếu tia lửa đánh lửa xảy ra ở vị trí quá sớm so với vị trí piston, hỗn hợp cháy nhanh thực sự có thể đẩy piston vẫn đang di chuyển lên trong hành trình nén của nó, gây ra tiếng gõ (kích nổ) và có thể làm hỏng động cơ, điều này thường xảy ra ở RPM thấp và được gọi là đánh lửa sớm hoặc trong trường hợp nghiêm trọng là phát nổ. Nếu tia lửa xảy ra quá chậm so với vị trí piston, áp suất xi lanh tối đa sẽ xảy ra sau khi piston đã ở quá xa trong xi lanh trong hành trình công suất của nó. Điều này dẫn đến mất công suất, có xu hướng quá nhiệt, lượng khí thải cao và nhiên liệu không cháy hết.

Thời điểm đánh lửa sẽ cần phải trở nên ngày càng sớm hơn (so với TDC) khi tốc độ động cơ tăng lên để hỗn hợp không khí-nhiên liệu có đủ thời gian thích hợp để đốt cháy hoàn toàn. Khi tốc độ động cơ (RPM) tăng lên, thời gian có sẵn để đốt cháy hỗn hợp giảm xuống nhưng bản thân quá trình đốt cháy diễn ra ở cùng một tốc độ, nó cần phải được bắt đầu ngày càng sớm hơn để hoàn thành kịp thời. Hiệu suất thể tích kém ở tốc độ động cơ cao hơn cũng đòi hỏi phải tăng thời điểm đánh lửa sớm hơn. Thời điểm đánh lửa sớm chính xác cho một tốc độ động cơ nhất định sẽ cho phép đạt được áp suất xi lanh tối đa ở vị trí góc trục khuỷu chính xác. Khi cài đặt thời điểm cho động cơ ô tô, cài đặt thời điểm của nhà máy thường có thể được tìm thấy trên nhãn dán trong khoang động cơ.

Thời điểm đánh lửa cũng phụ thuộc vào tải của động cơ với tải lớn hơn (độ mở bướm ga lớn hơn và do đó tỷ lệ không khí:nhiên liệu) yêu cầu thời điểm ít sớm hơn (hỗn hợp cháy nhanh hơn). Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ của động cơ với nhiệt độ thấp hơn cho phép và yêu cầu thời điểm sớm nhiều hơn. Tốc độ hỗn hợp cháy phụ thuộc vào loại nhiên liệu, lượng nhiễu loạn trong luồng khí (liên quan đến thiết kế của đầu xi lanh và hệ thống truyền động van) và tỷ lệ không khí-nhiên liệu. Có một quan niệm sai lầm phổ biến rằng tốc độ đốt có liên quan đến chỉ số octan.

Điều chỉnh động lực kế

Thiết lập thời điểm đánh lửa trong khi theo dõi công suất đầu ra của động cơ bằng động lực kế Dynamometer là một cách để thiết lập thời điểm đánh lửa chính xác. Sau khi tăng hoặc giảm thời điểm, thường sẽ xảy ra sự thay đổi tương ứng về công suất đầu ra. Dynamometer loại tải là cách tốt nhất để thực hiện điều này vì động cơ có thể được giữ ở tốc độ và tải ổn định trong khi thời điểm được điều chỉnh để có công suất đầu ra tối đa.

Sử dụng cảm biến kích nổ để tìm thời điểm đánh lửa chính xác là một phương pháp được sử dụng để điều chỉnh động cơ. Trong phương pháp này, thời điểm đánh lửa sớm được tăng lên cho đến khi xảy ra kích nổ (tiếng gõ). Sau đó sẽ điều chỉnh chậm một hoặc hai độ và được thiết lập ở đó. Phương pháp này kém hơn so với việc điều chỉnh bằng động lực kế vì nó thường dẫn đến thời điểm đánh lửa sớm tăng quá mức, đặc biệt là trên các động cơ hiện đại không yêu cầu tăng quá nhiều để tạo ra mô-men xoắn cực đại. Khi tăng thời điểm đánh lửa sớm quá mức, động cơ sẽ dễ bị kích nổ khi các điều kiện thay đổi (chất lượng nhiên liệu, nhiệt độ, sự cố cảm biến, v.v.). Sau khi đạt được các đặc tính công suất mong muốn cho tải động cơ/vòng tua máy nhất định, cần kiểm tra bugi để tìm dấu hiệu động cơ bị phát nổ. Nếu có bất kỳ dấu hiệu nào như vậy, làm chậm thời điểm đánh lửa cho đến khi không còn dấu hiệu nào nữa.

Cách tốt nhất để thiết lập thời điểm đánh lửa trên động lực kế loại tải là từ từ tăng thời điểm đánh lửa cho đến khi đạt được mô-men xoắn cực đại. Một số động cơ (đặc biệt là động cơ tăng áp hoặc siêu nạp) sẽ không đạt được mô-men xoắn cực đại ở một tốc độ động cơ nhất định trước khi chúng bắt đầu kích nổ. Trong trường hợp này, thời điểm đánh lửa của động cơ phải chậm lại một chút so với giá trị thời điểm này (được gọi là “giới hạn gõ”). Hiệu suất đốt cháy và hiệu suất thể tích của động cơ sẽ thay đổi khi thời điểm đánh lửa thay đổi, điều này có nghĩa là lượng nhiên liệu cũng phải thay đổi khi thời điểm đánh lửa thay đổi. Sau mỗi lần thay đổi thời điểm đánh lửa, nhiên liệu cũng được điều chỉnh để cung cấp mô-men xoắn cực đại.

Hệ thống đánh lửa cơ học

Hệ thống đánh lửa cơ học sử dụng bộ phân phối tia lửa cơ học để phân phối dòng điện cao áp đến đúng bugi vào đúng thời điểm. Để thiết lập thời điểm đánh lửa sớm ban đầu hoặc thời điểm đánh lửa trễ cho động cơ, động cơ được phép chạy không tải và bộ phân phối được điều chỉnh để đạt được thời điểm đánh lửa tốt nhất cho động cơ ở tốc độ không tải. Quá trình này được gọi là “thiết lập thời điểm đánh lửa sớm cơ sở”. Có hai phương pháp để tăng thời điểm đánh lửa sớm vượt quá thời điểm đánh lửa sớm cơ sở. Các thời điểm đánh lửa sớm đạt được bằng các phương pháp này được cộng vào số thời điểm đánh lửa sớm cơ sở để đạt được số thời điểm đánh lửa sớm tổng thể.

Định thời điểm đánh lửa cơ học

Định thời đánh lửa sớm cơ học sẽ càng tăng khi tốc độ động cơ tăng. Điều này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng định luật quán tính. Trọng lượng và lò xo bên trong bộ phân phối quay và ảnh hưởng đến sự định thời sớm theo tốc độ động cơ bằng cách thay đổi vị trí góc của trục cảm biến định thời so với vị trí thực tế của động cơ. Kiểu định thời sớm này còn được gọi là định thời ly tâm. Lượng định thời sớm cơ học chỉ phụ thuộc vào tốc độ mà bộ phân phối đang quay. Trong động cơ 2 kỳ, điều này giống như RPM của động cơ. Trong động cơ 4 kỳ, đây là một nửa RPM của động cơ. Mối quan hệ giữa định thời sớm theo độ và RPM của bộ phân phối có thể được vẽ dưới dạng đồ thị 2 chiều đơn giản.

Có thể sử dụng trọng lượng nhẹ hơn hoặc lò xo nặng hơn để giảm thời điểm đánh lửa sớm ở vòng tua máy thấp hơn và ngược lại. Thông thường, tại một thời điểm nào đó trong phạm vi vòng tua máy của động cơ, các trọng lượng này sẽ tiếp xúc với giới hạn di chuyển của chúng và lượng thời điểm đánh lửa sớm ly tâm sau đó được cố định trên vòng tua máy đó.

Định thời điểm đánh lửa chân không

Phương pháp thứ hai được sử dụng để đẩy nhanh (hoặc làm chậm) thời điểm đánh lửa được gọi là định thời đánh lửa chân không. Phương pháp này hầu như luôn được sử dụng cùng với định thời đánh lửa cơ học. Nó thường làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu và khả năng lái, đặc biệt là ở hỗn hợp nghèo. Nó cũng làm tăng tuổi thọ của động cơ thông qua quá trình đốt cháy hoàn toàn hơn, để lại ít nhiên liệu chưa cháy hơn để rửa trôi lớp bôi trơn thành xi lanh (mài mòn vòng piston) và ít pha loãng dầu bôi trơn hơn (ổ trục, tuổi thọ trục cam, v.v.).

Định thời điểm đánh lửa sớm chân không hoạt động bằng cách sử dụng nguồn chân không của ống góp nạp để đẩy nhanh thời điểm đánh lửa ở điều kiện tải động cơ thấp đến trung bình bằng cách xoay tấm gắn cảm biến vị trí (điểm tiếp xúc, hiệu ứng Hall hoặc cảm biến quang học, stato từ trở, v.v.) trong bộ phân phối so với trục phân phối. Định thời đánh lửa sớm chân không giảm đi khi bướm ga mở hoàn toàn (WOT), khiến thời điểm đánh lửa chân không trở về thời điểm đánh lửa cơ bản cùng với định thời điểm đánh lửa cơ học.

Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng máy tính

Động cơ mới hơn thường sử dụng hệ thống đánh lửa được vi tính hóa. Máy tính có bản đồ thời gian (bảng tra cứu) với các giá trị đánh lửa sớm cho tất cả các kết hợp tốc độ động cơ và tải động cơ. Máy tính sẽ gửi tín hiệu đến cuộn dây đánh lửa tại thời điểm được chỉ định trong bản đồ thời gian để đánh lửa bugi. Hầu hết các máy tính từ nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) không thể được sửa đổi nên không thể thay đổi đường cong thời gian sớm. Những thay đổi về thời gian tổng thể vẫn có thể xảy ra, tùy thuộc vào thiết kế động cơ. Các bộ điều khiển động cơ hậu mãi cho phép bộ điều chỉnh thực hiện các thay đổi đối với bản đồ thời gian. Điều này cho phép định thời gian được đưa ra sớm hơn hoặc chậm lại dựa trên các ứng dụng động cơ khác nhau. Cảm biến gõ có thể được hệ thống đánh lửa sử dụng để cho phép thay đổi chất lượng nhiên liệu.