Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa trên ôtô

Động cơ đốt trong đã có lịch sử phát triển hơn 100 năm qua. Từ khi ra đời cho đến nay, các nhà thiết kế luôn tìm cách để cải tiến, tăng hiệu suất làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm mức độ độc hại trong khí xả động cơ.

Động cơ đốt trong là một “cỗ máy” có nhiều hệ thống phụ trợ như hệ thống nhiên liệu, hệ thống làm mát, hệ thống phân phối khí, hệ thống tăng áp... Riêng đối với động cơ xăng thì hệ thống đánh lửa là một trong những thành phần quan trọng nhất. Nó có tác dụng biến dòng điện một chiều điện áp thấp (6-12V, 24V) thành các xung điện cao áp (12.000-40.000) đủ để tạo nên tia lửa điện ở bugi để đốt cháy hòa khí vào đúng thời điểm quy định theo một thứ tự nhất định.

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa.

Chú thích: A, D: Dây cao áp; B: Nắp chia điện; C: Con quay; E: Vỏ chia điện; F: Cam chia điện; G: Cảm biến đánh lửa; H: IC đánh lửa; I: Bô-bin; J: Bugi đánh lửa.

Trong bài viết này đề cập đến hệ thống đánh lửa của động cơ. Bắt đầu là thời điểm đánh lửa, sau đó chúng ta hãy xem tất cả những thành phần để tạo ra tia lửa như nến điện (bugi), các cuộn tăng áp (bôbin) và bộ chia điện. Cuối cùng, chúng ta sẽ lướt qua một hệ thống đánh lửa lập trình hiện.

Tại sao phải đánh lửa sớm?

Hệ thống đánh lửa trên chiếc xe của bạn cần phải làm việc phù hợp với các hệ thống khác của động cơ. Nó cần phát ra tia lửa chính xác ở một thời điểm nhất định để đốt cháy hỗn hợp khí dãn nở trong xi-lanh phát huy hết công suất. Nếu đánh lửa sai thời điểm thì công suất động cơ bị giảm đi, tiêu hao nhiên liệu và lượng chất độc hại trong khí xả tăng lên.

Hình 2: Bugi đánh lửa trước khi piston lên tới Điểm chết trên

Chú thích: 1: Kỳ nạp; 2: Kỳ nén; 3: Kỳ nổ; 4: Kỳ xả; 5: Bugi; 6: Điểm chết trên

Khi không khí và nhiên liệu hoà trộn trong xi lanh bị đốt cháy, nhiệt độ tăng lên và nhiên liệu bị cháy thành khí xả. Điều này dẫn đến áp suất trong xi lanh tăng lên đột ngột và đẩy piston đi xuống.

Để tăng công suất và mô-men động cơ, cần thiết phải tăng áp suất trong xi lanh trong thời kỳ cháy. Áp suất lớn nhất sẽ cho hiệu suất động cơ cao và điều này hoàn toàn phụ thuộc vào thời điểm sinh tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp khí.

Sẽ có một thời gian trễ kể từ khi bu-gi phát tia lửa đến khi hỗn hợp khí bị đốt cháy hoàn toàn và áp suất trong xi-lanh đạt cao nhất. Nếu tia lửa xuất hiện khi piston chạm đến điểm chết trên của kỳ nén, piston đã sẵn sàng di chuyển xuống trước khi áp suất trong xi lanh đạt đến trị số cao nhất. Đây không phải là thời điểm tối ưu.

Để sử dụng triệt để năng lượng của nhiên liệu, tia lửa cần xuất hiện trước khi piston đạt điểm chết trên của kỳ nén để đến khi piston đi xuống đúng lúc áp suất trong xi lanh đạt trị số cao nhất.

Ta biết rằng: Công = lực * khoảng cách; Và trong xi lanh: Lực = áp suất * diện tích đỉnh piston; Khoảng cách = hành trình piston. Vì vậy: Công = áp suất * diện tích đỉnh piston * hành trình piston.

Đối với một động cơ cụ thể thì đường kính piston và hành trình là hằng số, vì vậy chỉ còn cách là tăng áp suất để tăng công suất động cơ.Thời gian đánh lửa rất quan trọng, và thời điểm đánh lửa sớm lên hay muộn đi còn tuỳ thuộc vào các điều kiện khác. Thời gian hỗn hợp cháy gần như là không đổi, nhưng tốc độ của piston sẽ tăng lên khi tốc độ động cơ tăng. Nghĩa là, tốc độ động cơ càng cao thì thời điểm đánh lửa càng phải sớm lên.

Ngoài việc tăng công suất, ta hãy xét những mục tiêu khác, ví dụ như tối thiểu hoá các chất độc hại trong khí xả. Thời điểm đánh lửa muộn đi (tức là thời điểm đánh lửa gần thời điểm piston đến điểm chết trên hơn), áp suất lớn nhất trong xi lanh và nhiệt độ có thể giảm đi. Nhiệt độ giảm sẽ làm làm giảm lượng ô xit ni tơ NoX (một chất độc hại trong khí xả). Đánh lửa muộn cũng làm giảm tiếng gõ trong máy (một vài loại xe hiện nay có cảm biến tiếng gõ động cơ để dò tìm tiếng gõ động cơ tự động).

Các thành phần chính của hệ thống đánh lửa

Bugi: về lý thuyết thì khá đơn giản, nó là công cụ để nguồn điện phát ra hồ quang qua một khoảng trống (giống như tia sét). Nguồn điện này phải có điện áp rất cao để tia lửa có thể phóng qua khoảng trống và tia lửa mạnh. Thông thường, điện áp giữa hai cực của nến điện khoảng từ 40.000 đến 100.000 vôn.

Hình 3: Bugi đặt ở chính giữa 4 van của cơ cấu phối khí

Bugi phải cách ly được điện thế cao để tia lửa xuất hiện đúng theo vị trí đã định trước của các điện cực của nến, mặt khác nó phải chịu đựng được điều kiện khắc nghiệt trong xilanh như áp suất và nhiệt độ rất cao, hơn nữa nó phải được thiết kế để các bụi than không bám lại trên các bề mặt điện cực trong quá trình làm việc.

Bugi sử dụng loại sứ cách điện để cách ly nguồn cao áp giữa các điện cực, nó phải đảm bảo để tia lửa phóng ra đúng ở hai đầu của điện cực chứ không phải ở bất cứ điểm nào thuộc hai cực. Ngoài ra chất sứ này còn có tác dụng không để các bụi than bám vào trong quá trình sử dụng. Sứ là vật liệu dẫn nhiệt rất kém, vì vậy vật liệu rất nóng trong quá trình làm việc. Sức nóng đã giúp làm sạch bụi than khỏi điện cực.

Hình 4: Cấu tạo của bugi

Một số xe đòi hỏi phải sử dụng loại bugi nóng. Loại bugi này được thiết kế có chất sứ bao bọc tiếp xúc với kim loại ít hơn do vậy việc trao đổi nhiệt kém hơn và nến nóng hơn và làm sạch bụi bẩn tốt hơn. Bugi lạnh thì ngược lại, thiết kế với vùng trao đổi nhiệt lớn hơn vì vậy sẽ nguội hơn khi hoạt động.

Nhà thiết kế đã lựa chọn nhiệt độ làm việc của nến điện phù hợp cho mỗi loại xe. Một số chiếc xe có hiệu suất cao sẽ sinh nhiều nhiệt hơn do vậy phải sử dụng nến nguội hơn. Nếu nến điện quá nóng, nó sẽ làm cho hỗn hợp cháy trước khi tia lửa phát ra, vì vậy cần lựa chọn chính xác loại nến điện phù hợp cho mỗi loại xe.

Hình 5: Bugi nóng (trái), bugi nguội (phải)

Bôbin (hình 6): là bộ phận sinh ra cao áp để tạo ra tia lửa. Rất đơn giản, điện thế cao được sinh ra do cảm ứng giữa hai cuộn dây. Một cuộn có ít vòng được gọi là cuộn sơ cấp (màu vàng), cuốn xung quanh cuộn sơ cấp (màu đen) nhưng nhiều vòng hơn là cuộn thứ cấp. Cuộn thứ cấp có số vòng lớn gấp hàng trăm lần cuộn sơ cấp.

Dòng điện từ nguồn điện chạy qua cuộn sơ cấp của bôbin, đột ngột, dòng điện bị ngắt đi tại thời điểm đánh lửa do má vít (đang đóng kín mạch điện thì đột ngột mở ra). Khi dòng điện ở cuộn sơ cấp bị ngắt đi, từ trường điện do cuộn sơ cấp sinh ra giảm đột ngột. Theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, cuộn thứ cấp sinh ra một dòng điện để chống lại sự thay đổi từ trường đó. Do số vòng của cuộn thứ cấp lớn gấp rất nhiều lần số vòng dây cuộn sơ cấp nên dòng điện ở cuộn thứ cấp có điện áp rất lớn (có thể đến 100.000 vôn). Dòng điện cao áp này được bộ chia điện đưa đến nến bugi qua dây cao áp.

Hình 6: Bôbin tăng áp

Bộ chia điện (hình 7): có một số chức năng như sau: thứ nhất, nó chia nguồn điện cao áp từ tăng điện đến các xi lanh. Điều này được thực hiện bởi trục bộ chia điện và con quay gắn ở đầu. Cuộn thứ cấp của tăng điện được kết nối với con quay, nắp bộ chia điện có các đầu nối với các dây cao áp đến các xi lanh. Khi con quay quay vòng tròn nó sẽ chia nguồn điện cao áp cho các xi lanh theo một tứ tự nhất định.

Hình 7: Bộ chia điện

Chú thích: A: Dòng cao áp đến từ bô-bin đánh lửa; B: Con quay; C: Nắp chia điện; D: Dòng cao áp tới các xi lanh.

Bộ chia điện đời cổ hơn (sử dụng má vít) (hình 8) có hai phần, phần trên là bộ chia cao áp như vừa nêu, còn phía dưới là bộ phận để ngắt dòng điện sơ cấp của bôbin. Đầu tiếp đất của tăng điện được nối với má vít của bộ chia điện.

Một trục cam ở trung tâm bộ chia điện sẽ làm cho phần động của má vít tách khỏi phần tĩnh tại thời điểm đánh lửa. Điều này lý giải tại sao dòng điện của cuộn dây sơ cấp lại bị mất đi đột ngột và sinh ra xung cao áp.

Hình 8: Bộ chia điện đời cổ sử dụng cam, má vít và tụ điện

Chú thích: A: Dây nối với bô-bin đánh lửa; B: Má vít; C: Vít chỉnh thời điểm đánh lửa sớm; D: Cam dẫn; E: Cam quay; F: Tụ điện.

Vài năm gần đây, chắc bạn đã được nghe về các xe mới chỉ cần điều chỉnh và bảo dưỡng sau 100.000 dặm. Một trong những công nghệ kéo dài được thời gian bảo trì đó là hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện, thường gọi là hệ thống đánh lửa lập trình ESA. Hệ thống này không chỉ có một bôbin tăng áp mà mỗi một xi lanh đều có một tăng điện riêng. Khối ECU trung tâm sẽ quyết định toàn bộ thời điểm đánh lửa chính xác cho các xi lanh. Ưu điểm của hệ thống đánh lửa ESA chính là: thứ nhất, không có bộ chia điện; thứ hai, không cần dây cao áp; và cuối cùng là thời điểm đánh lửa được tự động điều chỉnh theo chương trình lập sẵn. Điều này làm tăng hiệu suất động cơ, giảm tiêu thụ nhiên liệu và các chất độc hại trong khí xả đồng thời làm tăng công suất tổng thể của động cơ.

Để điều khiển thời điểm đánh lửa (thời điểm mở má vít), người ta sử dụng hệ thống làm sớm chân không hoặc hệ thống làm sớm ly tâm. Những hệ thống cơ khí này điều khiển sớm lửa theo tải trọng và theo tốc độ động cơ.

Thời điểm đánh lửa đóng vai trò rất quan trọng đối với hiệu suất của động cơ, vì vậy hiện nay các xe thường sử dụng các cảm biến đánh lửa thay cho má vít. Các cảm biến này sẽ báo cho khối ECU chính xác vị trí của piston, máy tính trên xe sẽ quyết định khi nào mở hoặc đóng dòng điện trong cuộn dây sơ cấp.

Hình 9: Hệ thống đánh lửa không dùng bộ chia điện, mỗi bugi đều có bộ tăng áp riêng

Hệ thống đánh lửa của các xe hiện đại có rất nhiều điều thú vị và đáng quan tâm. Nếu bạn là người yêu thích xe hơi, hãy thường xuyên cập nhật những thông tin về các hệ thống mới trên xe ô tô.

Đức Hùng (Biên dịch)