Giáo trình thực tập điện ô tô f1 phần 2 trường đh công nghiệp quảng ninh

Chương 4: Hệ thống đánh lửa

75

Chương 4
HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
Bài 1. Khái quát
Ba yếu tố quan trọng của động cơ xăng là: hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu (hịa khí) tốt, sức nén tốt, và
đánh lửa tốt. Hệ thống đánh lửa tạo ra một tia lửa mạnh, vào thời điểm chính xác để đốt cháy hỗn hợp
hịa khí.
1.1 u cầu của hệ thống đánh lửa
- Tia lửa mạnh
Trong hệ thống đánh lửa, tia lửa được phát ra giữa các điện cực của các bugi để đốt cháy hỗn hợp hịa
khí. Hịa khí bị nén có điện trở lớn, nên cần phải tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn để đảm bảo phát
ra tia lửa mạnh, có thể đốt cháy hỗn hợp hịa khí.
- Thời điểm đánh lửa chính xác
Hệ thống đánh lửa phải ln ln có thời điểm đánh lửa chính xác vào cuối kỳ nén của các xy lanh và
góc đánh lửa sớm phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ.
- Có đủ độ bền
Hệ thống đánh lửa phải có đủ độ tin cậy để chịu đựng được tác động của rung động và nhiệt của động
cơ.
Hệ thống đánh lửa sử dụng điện cao áp do bô bin tạo ra nhằm phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp
hịa khí đã được nén ép. Hỗn hợp hịa khí được nén ép và đốt cháy trong xi lanh. Sự bốc cháy này tạo
ra động lực của động cơ. Nhờ có hiện tượng tự cảm và cảm ứng tương hỗ, cuộn dây tạo ra điện áp cao
cần thiết cho đánh lửa. Cuộn sơ cấp tạo ra điện thế hàng trăm vơn cịn cuộn thứ cấp thì tạo ra điện thế
hàng chục ngàn vơn.
1.2 Quá trình phát triển của hệ thống đánh lửa
1.2.1. Kiểu điều khiển bằng vít
Kiểu hệ thống đánh lửa này có cấu tạo cơ bản nhất. Trong kiểu hệ thống đánh lửa này, dòng sơ cấp và
thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng cơ. Dịng sơ cấp của bơ bin được điều khiển cho chạy ngắt
quãng qua tiếp điểm của vít lửa. Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm li tâm tốc và chân không điều khiển thời

điểm đánh lửa. Bộ chia điện sẽ phân phối điện cao áp từ cựôn thứ cấp đến các bugi.

Hình 1. Hệ thống đánh lửa bằng vít
Trong kiểu hệ thống đánh lửa này tiếp điểm của vít lửa cần được điều chỉnh thường xuyên hoặc thay
thế. Một điện trở phụ được sử dụng để giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp, cải thiện đặc tính tăng
trưởng dịng của cuộn sơ cấp, và giảm đến mức thấp nhất sự giảm áp của cuộn thứ cấp ở tốc độ cao.
1.2.2. Kiểu bán dẫn


76

Chương 4: Hệ thống đánh lửa

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này transistor điều khiển dịng sơ cấp, để nó chạy một cách gián đoạn
theo đúng các tín hiệu điện được phát ra từ bộ phát tín hiệu. Góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng
cơ như trong kiểu hệ thống đánh lửa bằng vít hoặc có thể dùng các cảm biến vị trí như loại quang,
Hall.

Hình 2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn
1.2.3. Kiểu kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm bằng điện tử)
Trong kiểu hệ thống đánh lửa này không sử dụng bộ đánh lửa sớm chân khơng và li tâm. Thay vào đó,
chức năng ESA của Bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm.

Hình 3. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA
1.2.4. Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)
Thay vì sử dụng bộ chia điện, hệ thống này sử dụng bô bin đơn hoặc đôi cung cấp điện cao áp trực tiếp
cho bugi. Thời điểm đánh lửa được điều khiển bởi ESA của ECU động cơ. Trong các động cơ gần đây,
hệ thống đánh lửa này chiếm ưu thế.

Chương 4: Hệ thống đánh lửa

77

Hình 4. Hệ thống đánh lửa DIS
1.3 Điều khiển góc đánh lửa sớm
Trong động cơ xăng, hỗn hợp hịa khí được đánh lửa để đốt cháy (nổ), và áp lực sinh ra từ sự bốc cháy
sẽ đẩy píttơng xuống. Năng lượng nhiệt được biến thành động lực có hiệu quả cao nhất khi áp lực nổ
cực đại được phát sinh vào thời điểm trục khuỷu ở vị trí 100 sau Điểm Chết Trên (ATDC). Động cơ
không tạo ra áp lực nổ cực đại vào thời điểm đánh lửa; nó phát ra áp suất cực đại chậm một chút, sau
khi đánh lửa. Vì vậy, phải đánh lửa sớm, sao cho áp suất cực đại được tạo ra vào thời điểm 100 ATDC.
Thời điểm đánh lửa để động cơ có thể sản ra áp suất cực đại phải thường xuyên thay đổi, tuỳ thuộc vào
điều kiện làm việc của động cơ. Vì thế, hệ thống đánh lửa phải có khả năng thay đổi góc đánh lửa sớm
để động cơ tạo ra áp lực nổ một cách có hiệu quả nhất, phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ.

Hình 5. Góc đánh lửa sớm
1.3.1 Các giai đoạn cháy của hịa khí
- Giai đoạn cháy trễ

Hình 6. Quá trình cháy


78

Chương 4: Hệ thống đánh lửa

Sự bốc cháy (nổ) của hỗn hợp hịa khí khơng phải xuất hiện ngay sau khi đánh lửa. Thoạt đầu, một khu
vực nhỏ (hạt nhân) ở sát ngay tia lửa bắt đầu cháy, và quá trình bắt cháy này lan ra khu vực xung
quanh. Quãng thời gian từ khi hỗn hợp hịa khí được đánh lửa cho đến khi nó bốc cháy được gọi là
giai đoạn cháy trễ (khoảng A đến B trong sơ đồ). Giai đoạn cháy trễ đo gần như không thay đổi, và nó

khơng bị ảnh hưởng của điều kiện làm việc động cơ.
- Giai đoạn lan truyền ngọn lửa
Sau khi hạt nhân ngọn lửa hình thành, ngọn lửa nhanh chóng lan truyền ra xung quanh. Tốc độ lan
truyền này được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa, và thời kỳ này được gọi là thời kỳ lan truyền ngọn
lửa (B~C~D trong sơ đồ) Khi có một lượng lớn hịa khí được nạp vào, hỗn hợp hịa khí trở nên có mật
độ cao hơn. Vì thế, khoảng cách giữa các hạt trong hỗn hợp hịa khí giảm xuống, nhờ thế, tốc độ lan
truyền ngọn lửa tăng lên. Ngoài ra, luồng hỗn hợp hịa khí xốy lốc càng mạnh thì tốc độ lan truyền
ngọn lửa càng cao. Khi tốc độ lan truyền ngọn lửa cao, cần phải định thời đánh lửa sớm. Do đó cần
phải điều khiển thời điểm đánh lửa theo điều kiện làm việc của động cơ.
1.3.2 Điều khiển thời điểm đánh lửa
Hệ thống đánh lửa điều khiển thời điểm đánh lửa theo tốc độ và tải trọng của động cơ sao cho áp lực
nổ cực đại xuất hiện ở 100 ATDC.
Trước đây, các hệ thống đánh lửa sử dụng bộ đánh lửa sớm li tâm và bộ đánh lửa sớm chân không để
điều khiển đánh lửa sớm hoặc muộn. Tuy nhiên, ngày nay hầu hết các động cơ đều sử dụng hệ thống
ESA.
- Điều khiển theo tốc độ động cơ
Động cơ được coi là phát công suất hiệu quả nhất khi áp suất cực đại xuất hiện ở 100 ATDC, khi đó
thời điểm đánh lửa tối ưu là 100 BTDC, với tốc độ 1000 v/ph.
Giả sử tốc độ động cơ tăng lên đến 2000 v/ph, giai đoạn cháy trễ vẫn gần như không đổi với mọi tốc
độ động cơ. Vì thế góc quay của trục khuỷu sẽ tăng lên so với khi động cơ chạy với tốc độ 1000 v/ph.
Nếu vẫn sử dụng thời điểm đánh lửa như trong mục cũ cho tốc độ 2000 v/ph thì thời điểm mà động cơ
sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị trễ hơn 100 ATDC.
Vì vậy, để sản ra áp lực nổ cực đại tại 100 ATDC khi động cơ đang chạy 2000 v/ph thì thời điểm đánh
lửa phải sớm hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị trễ. Quá trình định thời điểm đánh lửa này
được gọi là đánh lửa sớm.

Hình 7. Điều khiển góc đánh lửa sớm
- Điều khiển theo tải trọng của động cơ
Khi động cơ mang tải thấp thì áp lực nổ cực đại được coi là xuất hiện 100 ATDC , khi thời điểm đánh
lửa tối ưu được đặt sớm 200 BTDC.

Khi tải trọng của động cơ tăng, mật độ hịa khí cũng tăng và giai đoạn lan truyền ngọn lửa giảm xuống.
Vì thế, nếu cứ sử dụng thời điểm đánh lửa như cũ thì thời điểm mà động cơ sản ra áp suất cực đại sẽ bị
sớm hơn 100 ATDC.
Để sản ra áp lực nổ cực đại tại thời điểm 100 ATDC khi động cơ mang tải nặng thì thời điểm đánh lửa
phải muộn hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị sớm.Ngược lại, khi tải trọng của động cơ thấp
thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn.


Chương 4: Hệ thống đánh lửa

79

- Điều khiển kích nổ
Kích nổ trong động cơ do sự tự bốc cháy gây ra, khi hỗn hợp hịa khí tự bắt lửa trong buồng đốt. Động
cơ trở nên dễ bị kích nổ khi thời điểm đánh lửa sớm. Hiện tượng tiếng gõ mạnh có ảnh hưởng xấu đến
hiệu suất của động cơ như tăng tiêu hao nhiên liệu, giảm công suất phát. Các hệ thống đánh lửa gần
đây có điều khiển làm giảm góc đánh lửa sớm khi kích nổ, khi cảm biến phát hiện có kích nổ thì điều
khiển cho thời điểm đánh lửa muộn, cịn khi khơng phát hiện ra kích nổ nữa thì điều khiển cho thời
điểm đánh lửa sớm hơn. Bằng cách ngăn ngừa kích nổ như vậy, hệ thống này giúp tăng tiết kiệm nhiên
liệu và tăng công suất phát.

Bài 2. Cấu tạo hệ thống đánh lửa
2.1 Bô bin
Bơ bin tạo ra điện áp cao đủ để phóng tia hồ quang giữa hai điện cực của bugi. Các cuộn sơ cấp và thứ
cấp được quấn quanh lõi. Số vòng của cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp khoảng 100 lần. Một đầu của
cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cấp được nối với bugi. Các đầu còn
lại của các cuộn được nối với ắc quy.
Hoạt động của bô bin
- Dòng điện trong cuộn sơ cấp
Khi động cơ chạy, dòng điện từ ắc quy chạy qua IC đánh lửa, vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu

thời điểm đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra. Kết quả là các đường sức từ trường được tạo ra
chung quanh cuộn dây có lõi ở trung tâm.

Hình 8. Hoạt động của bơbin
- Ngắt dịng điện vào cuộn sơ cấp
Khi động cơ tiếp tục chạy, IC đánh lửa nhanh chóng ngắt dịng điện vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín
hiệu IGT do ECU động cơ phát ra. Kết quả là từ thơng của cuộn sơ cấp giảm đột ngột. Vì vậy, tạo ra
một sức điện động theo chiều chống lại sự giảm từ thơng hiện có, thơng qua tự cảm của cuộn sơ cấp và
cảm ứng tương hỗ của cuộn thứ cấp. Hiệu ứng tự cảm tạo ra một thế điện động khoảng 500 V trong
cuộn sơ cấp, và hiệu ứng cảm ứng tương hỗ kèm theo của cuộn thứ cấp tạo ra một sức điện động
khoảng 30 kV. Sức điện động này làm cho bugi phát ra tia lửa. Dòng sơ cấp càng lớn và sự ngắt dòng
sơ cấp càng nhanh thì điện thế thứ cấp càng lớn.
2.2 IC đánh lửa
IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dịng sơ cấp đi vào bơ bin theo tín hiệu đánh lửa
(IGT) do ECU động cơ phát ra. Khi tín hiệu IGT chuyển từ ngắt sang dẫn, IC đánh lửa bắt đầu cho
dòng điện vào cuộn sơ cấp. Sau đó, IC đánh lửa truyền một tín hiệu khẳng định (IGF) cho ECU phù
hợp với cường độ của dòng sơ cấp. Tín hiệu khẳng định (IGF) được phát ra khi dòng sơ cấp đạt đến
một trị số đã được ấn định IF1. Khi dòng sơ cấp vượt quá trị số qui định IF2 thì hệ thống sẽ xác định
rằng lượng dòng cần thiết đã chạy qua và cho phát tín hiệu IGF để trở về điện thế ban đầu. (Dạng sóng
của tín hiệu IGF thay đổi theo từng kiểu động cơ). Nếu ECU khơng nhận được tín hiệu IGF, nó sẽ
quyết định rằng đã có sai sót trong hệ thống đánh lửa. Để ngăn ngừa sự quá nhiệt, ECU sẽ cho ngừng


80

Chương 4: Hệ thống đánh lửa

phun nhiên liệu và lưu giữ sự sai sót này trong chức năng chẩn đốn. Tuy nhiên, ECU động cơ không
thể phát hiện các sai sót trong mạch thứ cấp vì nó chỉ kiểm sốt mạch sơ cấp để nhận tín hiệu IGF.
Trong một số kiểu động cơ, tín hiệu IGF được xác định thơng qua điện thế sơ cấp.

Hình 9. Hoạt động của IC đánh lửa
- Điều khiển dịng khơng đổi
Khi dịng sơ cấp đạt đến một trị số đã định, IC đánh lửa sẽ khống chế cường độ cực đại bằng cách điều
chỉnh dịng.

Hình 10. Các điều khiển của IC đánh lửa
- Điều khiển góc đóng tiếp điểm
Để điều chỉnh quãng thời gian (góc đóng) tồn tại của dịng sơ cấp; thời gian này cần phải giảm xuống
khi tốc độ của động cơ tăng lên (trong một số kiểu động cơ gần đây, chức năng kiểm sốt này được
thực hiện thơng qua tín hiệu IGT). Khi tín hiệu IGT chuyển từ dẫn sang ngắt, IC đánh lửa sẽ ngắt dòng
sơ cấp. Vào thời điểm dòng sơ cấp bị ngắt, điện thế hàng trăm vôn được tạo ra trong cuôn sơ cấp và
hàng chục ngàn vôn được tạo ra trong cuộn thứ cấp, làm cho bugi phóng tia lửa.
2.3 Bugi


Chương 4: Hệ thống đánh lửa

81

Điện thế cao trong cuộn thứ cấp làm phát sinh ra tia lửa giữa điện cực trung tâm và điện cực nối mát
của bugi để đốt cháy hỗn hợp hịa khí đã được nén trong xy lanh.

Hình 11. Bugi
2.3.1 Cơ cấu đánh lửa
Sự nổ của hỗn hợp hịa khí do tia lửa từ bugi được gọi chung là sự bốc cháy. Tuy nhiên, sự bốc cháy
không phải xảy ra tức khắc, mà diễn ra như sau: Tia lửa xun qua hỗn hợp hịa khí từ điện cực trung
tâm đến điện cực nối mát. Kết quả là phần hỗn hợp hịa khí dọc theo tia lửa bị kích hoạt, phản ứng hố
học (ơxy hố) xảy ra, và sản sinh ra nhiệt để hình thành “nhân ngọn lửa”. Nhân ngọn lửa này lại kích
hoạt hỗn hợp hịa khí bao quanh, và phần hỗn hợp này lại kích hoạt chung quanh nó. Cứ như thế nhiệt

của nhân ngọn lửa được mở rộng ra trong một quá trình lan truyền ngọn lửa để đốt cháy hỗn hợp hịa
khí. Nếu nhiệt độ của các điện cực quá thấp hoặc khe hở giữa các điện cực quá nhỏ, các điện cực sẽ
hấp thụ nhiệt toả ra từ tia lửa. Kết quả là nhân ngọn lửa bị tắt và động cơ không nổ. Hiện tượng này
được gọi là sự dập tắt điện cực. Nếu hiệu ứng dập tắt điện cực này lớn thì nhân ngọn lửa sẽ bị tắt.

Hình 12. Cơ cấu đánh lửa
2.3.2 Đặc tính đánh lửa


82

Chương 4: Hệ thống đánh lửa

Các yếu tố sau đây có ảnh hưởng đến hiệu quả đánh lửa của bugi:
- Hình dáng điện cực và đặc tính phóng điện
Các điện cực trịn khó phóng điện, trong khi đó các điện cực vng hoặc nhọn lại dễ phóng điện. Qua
q trình sử dụng lâu dài, các điện cực bị làm tròn dần và trở nên khó đánh lửa. Vì vậy, cần phải thay
thế bugi. Các bugi có điện cực mảnh và nhọn thì phóng điện dễ hơn. Tuy nhiên, những điện cực như thế sẽ chóng mịn và tuổi thọ của bugi sẽ ngắn hơn. Vì thế, một số bugi có các điện cực được hàn đắp
platin hoặc iridium để chống mịn. Chúng được gọi là các bugi có cực platin hoặc iridium.

Hình 13. Đặc tính đánh lửa
Khoảng thời gian thay thế bugi: Kiểu bugi thông thường: sau 10.000 đến 60.000 km Kiểu có điện cực
platin hoặc iridium: sau 100.000 đến 240.000 km Khoảng thời gian thay bugi có thể thay đổi tuỳ theo
kiểu xe, đặc tính động cơ, và nước sử dụng.
- Khe hở điện cực và điện áp yêu cầu
Khi bugi bị ăn mịn thì khe hở giữa các điện cực tăng lên, và động cơ có thể bỏ máy. Khi khe hở giữa
cực trung tâm và cực nối mát tăng lên, sự phóng tia lửa giữa các điện cực trở nên khó khăn. Do đó, cần
có một điện áp lớn hơn để phóng tia lửa. Vì vậy cần phải định kỳ điều chỉnh khe hở điện cực hoặc thay
thế bugi.
- Nếu có thể cung cấp đủ điện áp cần thiết cho dù khe hở điện cực tăng lên thì bugi sẽ tạo ra tia lửa

mạnh, mồi lửa tốt hơn. Vì thế, trên thị trường có những bugi có khe hở rộng đến 1,1 mm.
- Các bugi có điện cực platin hoặc iridium không cần điều chỉnh khe hở vì chúng khơng bị mịn (chỉ
cần thay thế)
- Nhiệt độ tự làm sạch
Khi bugi đạt đến một nhiệt độ nhất định, nó đốt cháy hết các muội than đọng trên khu vực đánh lửa,
giữ cho khu vực này luôn sạch. Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ tự làm sạch. Tác dụng tự làm sạch
của bugi xảy ra khi nhiệt độ của điện cực vượt quá 4500 C. Nếu các điện cực chưa đạt đến nhiệt độ tự
làm sạch này thì muội than sẽ tích luỹ trong khu vực đánh lửa của bugi. Hiện tượng này có thể làm cho
bugi khơng đánh lửa được tốt.

Hình 14. Nhiệt độ tự làm sạch và tự bèn lửa


Chương 4: Hệ thống đánh lửa

83

- Nhiệt độ tự bén lửa
Nếu bản thân bugi trở thành nguồn nhiệt và đốt cháy hỗn hợp hịa khí mà khơng cần đánh lửa, thì hiện
tượng này được gọi là “nhiệt độ tự bén lửa”. Hiện tượng tự bén lửa xảy ra khi nhiệt độ của điện cực
vượt quá 9500 C. Nếu nó xuất hiện, cơng suất của động cơ sẽ giảm sút vì thời điểm đánh lửa không
đúng, và các điện cực hoặc píttơng có thể bị chảy từng phần.

Bài 3. Hoạt động của các hệ thống đánh lửa
3.1 Nguyên lí hoạt động của kiểu bán dẫn

Hình 15. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa
1. Bộ phát tín hiệu phát ra tín hiệu đánh lửa.
2. Bộ đánh lửa (IC đánh lửa) nhận tín hiệu đánh lửa và lập tức cho chạy dịng sơ cấp.
3. Cn đánh lửa, với dịng sơ cấp bị ngắt đột ngột, sinh ra dòng cao áp.

4. Bộ chia điện sẽ phân phối dòng cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi
5. Bugi nhận dòng cao áp và đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp hịa khí Thời điểm đánh lửa sớm được điều
khiển bởi bộ đánh lửa sớm li tấm và bộ đánh lửa sớm chân không.
- Bộ đánh lửa sớm li tâm
Bộ đánh lửa sớm li tâm điều khiển đánh lửa sớm theo tốc độ của động cơ. Thơng thường, vị trí các
“quả văng” của bộ đánh lửa sớm li tâm được xác định bằng lị xo của nó. Khi tốc độ của trục bộ chia
điện tăng lên cùng với tốc độ của động cơ, lực ly tâm vượt quá lực của lò xo, cho phép các quả văng
tách xa ra. Kết quả là vị trí của rotor tín hiệu dịch chuyển vượt quá một góc đã định và cho đánh lửa
sớm.

Hình 16. Bộ đánh lửa sớm li tâm


84

Chương 4: Hệ thống đánh lửa

- Bộ đánh lửa sớm chân không
Bộ đánh lửa sớm chân không điều khiển đánh lửa sớm theo tải trọng của động cơ. Màng được liên kết
với tấm ngắt thông qua thanh đẩy. 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 gây ra đánh lửa sớm.

Hình 17. Bộ đánh lửa sớm chân khơng
3.2 Ngun lí hoạt động của kiểu bán dẫn có ESA

Hình 18. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA
1. ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, tính tốn thời điểm đánh lửa tối ưu, và gửi
tín hiệu đánh lửa tới IC đánh lửa. (ECU động cơ cũng có tác dụng điều khiển đánh lửa sớm).
2. IC đánh lửa nhận tín hiệu đánh lửa và lập tức cho chạy dịng sơ cấp.

3. Bơ bin, với dịng sơ cấp bị ngắt đột ngột, sinh ra dòng cao áp
4. Bộ chia điện sẽ phân phối dòng cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi.
5. Bugi nhận dòng cao áp và đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp hịa khí
3.3 Hệ thống đánh lửa trực tiếp