697 chuong 3khai quat chung htdl hag7l 20130110041242

Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
3. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
3.1. Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại hệ thống đánh lửa
3.1.1. Nhiệm vụ
Hệ thống đánh lửa (HTĐL) có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều thế hiệu
thấp (6V,12V, hay 24V) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp (trong hệ
thống đánh lửa bằng Manhêtô và Vôlăng manhêtic) thành các xung điện cao thế
(12000- 40000V) đủ để tạo nên tia lửa (phóng qua khe hở bugi) đốt cháy hỗn hợp
làm việc trong các xy lanh của động cơ vào những thời điểm thích hợp và tương
ứng với trình tự xy lanh và chế độ làm việc của động cơ.
Trong một số trường hợp thì hệ thống đánh lửa cịn dùng để hỗ trợ khởi động,
tạo điều kiện động cơ khởi động được dễ dàng ở nhiệt độ thấp.
3.1.2. Yêu cầu
Một hệ thống đánh lửa tốt phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- HTĐL phải sinh ra dòng thứ cấp đủ lớn để tạo ra tia lửa điện phóng điện qua
khe hở bugi trong tất cả các chế độ làm việc của động cơ.
- Tia lửa trên bugi phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự cháy bắt đầu.
- Góc đánh lửa sớm phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ.
- Các phụ kiện của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt
độ cao và độ rung xóc lớn.
- Sự mài mịn điện cực bugi phải nằm trong khoảng cho phép.
- Độ tin cậy làm việc của hệ thống đánh lửa phải tin cậy tương ứng với chê độ
làm việc của động cơ.
- Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ.
3.1.3. Phân loại
Ngày nay, hệ thống đánh lửa được trang bị trên ơtơ có rất nhiều loại khác
nhau. Dựa vào cấu tạo, hoạt động, phương pháp điều khiển, người ta phân loại hệ
thống đánh lửa theo các cách phân loại sau:
* Phân loại theo đặc điểm cấu tạo:
- HTĐL thường hay HTĐL kiểu cơ khí: được sử dụng hầu hết trên các ô tô

trước đây – HTĐL cổ điển.
- HTĐL Manhêtô: là HTĐL cao áp độc lập, không cần dùng ắc quy và máy

20


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
phát. Do đó, có độ tin cậy cao và được dùng trên xe cao tốc và một số máy cơng
trình làm việc trên vùng núi.
- Hệ thống đánh lửa bán dẫn
+ Loại có tiếp điểm: là HTĐL bán dẫn kết hợp cơ khí
+ Loại khơng có tiếp điểm: có nhiều ưu điểm nên được dùng trên đa số
các ô tô trước đây.
* Phân loại theo phương pháp tích luỹ năng lượng trước khi đánh lửa:
- HTĐL điện cảm: năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong từ trường của
cuộn dây biến áp đánh lửa (TI – transistor ignition system)
- HTĐL điện dung: năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong điện trường
của tụ điện (CDI– capacitor discharged ignition system).
* Phân loại theo phương pháp điều khiển bằng cảm biến
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ (electromagnetic sensor) gồm
hai loại: loại nam châm đứng yên và loại nam châm quay
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang
* Phân loại theo cách phân bố điện cao áp
- Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện Delco
- Hệ thống đánh lửa trực tiếp (không có Delco)
* Phân loại theo phương pháp góc đánh lửa sớm
- Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ khí
- Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử

( ESA - electronic spark advance)
3.2. Lý thuyết chung về hệ thống đánh lửa trên ô tô
Hệ thống đánh lửa sau khi có nhiệm vụ biến đổi dịng điện một chiều thế hiệu
thấp hoặc xoay chiều với thế hiệu thấp thành dịng điện với thế hiệu cao có năng
lượng đủ lớn thì sẽ sinh ra tia lửa để phóng qua khe hở giữa hai điện cực của bugi
đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu.
Để tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, quá trình đánh lửa được
chia làm ba giai đoạn: Quá trình tăng trưởng của dịng sơ cấp hay cịn gọi là q
trình tích luỹ năng lượng, q trình ngắt dịng sơ cấp và q trình xuất hiện tia lửa

21


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
điện ở cực bugi.
3.2.1. Giai doạn tăng dòng sơ cấp khi KK’ đóng

Hình 3-1 Sơ đồ ngun lý hệ thống đánh lửa
Trong sơ đồ trên gồm có:
Rf: Điện trở phụ, R1: Điện trở cuộn sơ cấp, L 1, L2: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp
và cuộn thứ cấp, T: Transistor cơng suất được điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến
hoặc vít lửa.
Ta có thể chuyển sơ đồ mạch điện sơ cấp thành sơ đồ tương đương như bên
dưới.
Khi KK' đóng, sẽ có dịng sơ cấp i1 chạy theo mạch:
(+)AQ  Kđ  Rf  W1  Cần tiếp điểm 2  KK'  (-)AQ
R
f

L1

i
U

1

KK
’

Hình 3-2 Sơ đồ tương đương mạch sơ cấp của hệ thống
đánh lửa
Dòng điện này tăng từ 0 đến một giá trị giới hạn xác định bởi điện trở của
mạch sơ cấp. Mạch thứ cấp lúc này coi như hở. Do suất điện động tự cảm, dịng i 1
khơng thể tăng tức thời mà tăng dần trong một khoảng thời gian nào đó. Trong giai

22


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
đoạn gia tăng dịng sơ cấp ta có thể viết phương trình sau:
Ung + eL1 = i1.R1
Trong đó:

(3. 1)

Ung - Thế hiệu của nguồn điện (ắc quy hoặc máy phát) [V].
eL1 - SĐĐ tự cảm trong cuộn sơ cấp [V].
R1 - Điện trở thuần của mạch sơ cấp [].

eL1  L1

Mà:

di1
di
 U ng  L1 1 i1R1
dt
dt

(3.2)

Giải phương trình vi phân (3.2) ta xác định được:
t 

U ng 

1  e 1 
i1 
R1 



Trong đó:

(3.3)

t - Thời gian tiếp điểm đóng [s]
1 

L1
- Hằng số thời gian của mạch sơ cấp
R1

Biểu thức (3.3) cho thấy: Dòng sơ cấp tăng theo quy luật đường tiệm cận.
Khi t=0 (tiếp điểm vừa đóng lại) thì i1 = 0 và

di1 U ng

dt
L1

(3.4)

Khi t= (tiếp điểm đóng rất lâu) thì:
U
di
i1  ng & 1 0
R1
dt

(3.5)
Từ các biểu thức trên ta thấy rõ rằng, tốc độ gia tăng dòng sơ cấp phụ thuộc
vào giá trị Ung và L1. L1 càng lớn thì tốc độ tăng dịng sơ cấp càng giảm. Tốc độ này
có giá trị cực đại vào thời điểm tiếp điểm bắt đầu đóng (t=0).
 di1 
 được xác định bởi thời điểm
 dt 

Giá trị nhỏ nhất của tốc độ tăng dịng sơ cấp 

mở tiếp điểm. Trong q trình làm việc của hệ thống đánh lửa, tốc độ này không
bao giờ giảm đến 0. Vì thời gian tiếp điểm đóng ngắn nên dịng sơ cấp khơng kịp
đạt giá trị ổn định.
Giá trị cực đại mà dịng sơ cấp có thể đạt được (i 1max) phụ thuộc vào điện trở
mạch sơ cấp và thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng. Thay giá trị t= t đ vào phương
trình (3.3), ta xác định được:

23


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
i1 max I 1ng

R

U ng 
1  e L

R1 


1

td

1







(3. 6)

i (t)
1

2


t

Đường (1) ứng với xe đời cũ có bơ bin độ tự cảm lớn, tốc độ tăng dịng sơ cấp
Hình 3-3 Q trình tăng dịng sơ cấp i1
chậm hơn so với bơ bin xe đời mới có độ tự cảm nhỏ đường (2). Chính vì điều này
làm cho lửa yếu lúc xe có tốc độ cao. Trên xe đời mới đã được khắc phục nhờ sử
dụng bô bin có độ tự cảm nhỏ.
Trong đó:

I1ng - Giá trị dòng sơ cấp khi tiếp điểm mở [A]
tđ - Thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng [s]

Nếu ký hiệu

d 

td
t

 d là thời gian đóng tiếp điểm tương đối (ở đây:
td  t m Tck

Tck = (tđ + tm); tm - Thời gian tiếp điểm ở trạng thái mở) thì thời gian tiếp điểm đóng
có thể xác định theo công thức:

t d  d Tck  d

120
ne Z

(3. 7)

Trong đó:
ne Z
 f - Tần số đóng mở của tiếp điểm
120

Biểu thức này có thể chứng minh với lập luận như sau: Trong 2 vòng quay của
trục khuỷu, tức là trong thời gian (60/n e)x 2 giây, tiếp điểm phải đóng mở Z lần để
thực hiện đánh lửa. Vậy trong thời gian 1 giây tiếp điểm cần phải đóng mở [Z/(120/
ne)] hay f=(neZ/120));
Z - Số xy lanh của động cơ 4 kỳ.
ne - Số vòng quay của động cơ. [vg/phút]
Cuối cùng ta có:

24


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe

Toyota Landcruiser 2007

(3.8)
Từ biểu thức (3.8) ta rút ra các nhận xét sau:
- Giá trị dòng I1ng phụ thuộc các thông số của mạch sơ cấp (R1 và L1).
- I1ng giảm đi khi tăng số vòng quay và số xy lanh động cơ.
- I1ng tăng lên khi tăng thời gian đóng tiếp điểm tương đối, thời gian này được
ấn định bởi dạng cam và việc điều chỉnh tiếp điểm. Thường đ khơng thể làm tăng
q 0,63 vì lúc đó cam sẽ rất nhọn, gây ra rung động và va đập cần tiếp điểm khi
làm việc và mau mịn.
3.2.2. Q trình ngắt dịng sơ cấp
Khi trasisitor cơng suất ngắt, dịng điện sơ cấp và từ thơng do nó sinh ra giảm
đột ngột. Trên cuộn thứ cấp của bô bin sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng
15kV

 40kV. Giá trị của hiệu điện thế thứ cấp phụ thuộc vào rất nhiều thông số

của mạch sơ cấp và thứ cấp. Để tính tốn hiệu điện thế thứ cấp cực đại ta sử dụng sơ
đồ tương đương sau.
Rm - Điện trở mất mát []
Rr - Điện trở rò qua điện cực bugi []
R



Hình 3-4 Sơ đồ tương đương của hệ thống đánh lửa
Bỏ qua hiệu điện thế ắc quy vì hiệu điện thế ắc quy rất nhỏ so với sức điện
động tự cảm xuất hiện trên dịng sơ cấp lúc transistor cơng suất ngắt, năng lượng từ
trường tích lũy trong cuộn sơ cấp của bô bin được chuyển thành năng lượng điện
trường trên tụ điện C1 và C2 và một phần mất mát. Để xác định hiệu điện thế thứ cấp

cực đại U2m ta lập phương trình cân bằng lúc transistor cơng suất ngắt:
2

2

L1 I 21ng C1U 1 C 2U 2


Q
2
2
2

(3.9)

25


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
Trong đó: C1 - Điện dung của tụ điện mắc song song với transistor công suất [F]
C2 - Điện dung ký sinh của mạch thứ cấp [F]
U1m, U2m - Hiệu điện thế sơ cấp, thứ cấp lúc transistor công suất ngắt [V]
Q - Tổn thất dưới dạng nhiệt [J]
U2m= kbb.U1m
Kbb= W1/W2 - Hệ số biến áp của bô bin.
W1,W2 - Số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [vòng]
Mà:

  W 2

 2
W1
2
U1 U 2
 L1 I 1ng   C1  1   C2  U 2  Q (3.10)
W2
  W2 


Sau khi biến đổi ta nhận được:
U 2 I1ng

L1
2

W 
C1  1   C2
 W2 

'

(3.11)

': Hệ số tính đến sự giảm U 2 do tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt trong cả
hai mạch sơ cấp và thứ cấp ('=0,75...0,85).
U
R


Hình 3-5 Quy luật biến đổi dịng điện sơ cấp i1 và hiệu điện thế thứ cấp U2

Transistor công suất ngắt, cuộn sơ cấp sẽ sinh ra một sức điện động khoảng
100 300 V.
3.2.3. Q trình phóng điện ở điện cực bugi
Khi thế hiệu U2 vừa đạt đến giá trị Uđl, đủ để xuyên qua khe hở giữa các điện
26


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
cực của bugi, thì ở đó sẽ xuất hiện tia lửa điện cao thế (hình 3.6). Khi xuất hiện tia
lửa điện thì U2 giảm đột ngột trước khi kịp đạt giá trị cực đại.

Hình 3-6 Sự thay đổi hiệu điện thế U2 khi phóng tia lửa điện
a. Thời gian tia lửa điện dung, b. Thời gian tia lửa điện cảm
Kết quả của nhiều cơng trình nghiên cứu đã xác định được rằng: Tia lửa điện
có hai phần rõ rệt là phần điện dung và phần điện cảm.
Phần điện dung xuất hiện trước, vào thời điểm đầu của quá trình phóng điện.
Đó là sự phóng tĩnh điện do năng lượng của điện trường tích luỹ trong điện dung C 1
và C2 của hệ thống đánh lửa, tia lửa điện dung có màu xanh lam và rất chói do nhiệt
độ của nó cao tới 10000OC. Thế hiệu cao và dịng điện phóng rất lớn nên cơng suất
tức thời của nó cũng khá lớn (có thể đạt đến hàng chục kW). Tuy nhiên, thời gian
tồn tại tia lửa này rất ngắn (<1s) nên năng lượng điện trường cũng không lớn lắm.
Đặc trưng của phần tia lửa điện dung là có tiếng nổ lách tách, tần số dao động
lớn tới (106...107) Hz, nên gây nhiễu xạ vô tuyến mạnh.
Tia lửa điện dung làm điện thế U 2 giảm đột ngột, chỉ còn khoảng
1500...2000V. Vì tia lửa xuất hiện trước khi U 2 đạt giá trị cực đại, nên phần tia lửa
điện dung chỉ tiêu tốn một phần năng lượng của từ trường tích luỹ trong biến áp
đánh lửa là:
WC 

CU dl
2

2

[J]

(3. 12)

27


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
C C1 (

Trong đó:

W1 2
)  C2
W2

[F]

(3. 13)

Phần năng lượng cịn lại được tiếp tục phóng qua khe hở bugi dưới dạng tia
lửa điện cảm hay còn gọi là đuôi lửa. Do U 2 đã giảm nhiều nên dịng phóng lúc này
cũng rất nhỏ, chỉ khoảng (80...100)mA. Tia lửa điện cảm có màu tím nhạt-vàng, kéo
dài khoảng vài s đến vài ms, phụ thuộc vào giá trị năng lượng điện cảm tích luỹ

trong mạch sơ cấp:
WL 

L1 I1ng
2

2

[J]

(3. 14)

Trong điều kiện thực tế, tia lửa có thể chỉ có phần điện dung hoặc điện cảm
thuần túy hoặc hỗn hợp cả hai phần, tuỳ thuộc vào các thông số của hệ thống đánh
lửa và các điều kiện vật lý khi xuất hiện tia lửa. Nói chung các xốy khí hình thành
trong buồng cháy ở số vịng quay cao của động cơ, cản trở việc tạo thành phần điện
cảm của tia lửa.
Đi lửa có tác dụng tốt khi khởi động động cơ nguội. Vì khi khởi động nhiên
liệu bốc hơi kém, khó cháy. Nên khi nhiên liệu đã bén lửa của phần điện dung, nó
sẽ bốc hơi và hồ trộn tiếp, đi lửa sau đó sẽ đốt cho nhiên liệu cháy hết.
3.3. Các thống số cơ bản của hệ thống đánh lửa
3.3.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu
cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại
phải đủ lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt
lúc khởi động.
3.3.2. Hiệu điện thế đánh lửa Uđl
Hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra, được gọi là hiệu
điện thế đánh lửa (Uđl). Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu
tố, tuân theo định luật Pasen.

Uđl =

P.
.K [V]
T

(3. 15)

Trong đó:
Uđl – Hiệu điện thế đánh lửa [V]
28


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
P - Áp suất hỗn hợp hịa khí tại thời điểm đánh lửa [N/m2]
 - Khoảng cách giữa các điện cực [m]
T - Nhiệt độ ở điện cực bugi tại thời điểm đánh lửa [ 0K ]
K - Hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí
Uđl(KV)

4
3

2

1

n (1/
s)

Hình 3-7 Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải động cơ
1. Không tải, 2. Nửa tải, 3. Toàn tải, 4. Khởi động và cầm chừng
Ngồi ra, Uđl cịn hình dạng điện cực bugi, thành phần hỗn hợp, chế độ làm
việc của động cơ,…
Khi tăng khoảng cách giữa các điện cực và tăng áp suất hỗn hợp hịa khí
thì thế hiệu đánh lửa tăng lên.
Sự tăng nhiệt độ trong xy lanh tạo điều kiện ion hóa hỗn hợp khí, vì vậy thế
hiệu đánh lửa giảm đi.
Ở chế độ khởi động lạnh, nhiệt độ thành xy lanh và các điện cực còn thấp, hỗn
hợp hút vào ít bị đốt nóng và khơng kịp bay hơi hết. Những hạt nhiên liệu chưa bay
hơi rơi vào không gian giữa các điện cực làm tăng Uđl (15%...20%)
Sự tăng số vòng quay của động cơ, lúc đầu làm tăng một chút Uđl do tăng áp
suất nén (lọt khí giảm), nhưng sau đó Uđl giảm vì hệ số nạp giảm và nhiệt độ bugi
tăng.
Khi tải động cơ tăng, bướm ga mở to ra, do đó năng lượng hỗn hợp đi vào xy
lanh nhiều lên làm tăng áp suất nén và công suất của động cơ.
- Yếu tố thứ nhất làm tăng Uđl

29


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
- Yếu tố thứ 2 làm giảm Uđl (vì cơng suất tăng làm nhiệt độ tăng), nhưng ảnh
hưởng không mạnh bằng yếu tố thứ nhất nên cuối cùng U đl vẫn tăng khi phụ tải
tăng.
Sau một thời gian vận hành, điện cực bugi bị mài mòn, làm cho khe hở bugi
tăng, do đó Uđl tăng. Vì vậy sau một thời gian vận hành, phải hiệu chỉnh lại khe hở
bugi.
3.3.3. Góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất
hiện tia lửa điện tại bugi cho đến khi pít tơng lên đến tận điểm chết trên.
Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến cơng suất, tính kinh tế và độ ơ nhiễm
của khí thải động cơ. Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc rất nhiều yếu tố:
 opt  f  pbd , t bd , p, t wt , t mt , n, N o .... .

(3. 16)

Trong đó: pbđ - Áp suất trong buồng cháy tại thời điểm đánh lửa. [Pa]
tbđ - Nhiệt độ buồng cháy [oC]
p - Áp suất trên đường ống nạp [Pa]
twt - Nhiệt độ nước làm mát động cơ [oC]
n - Số vòng quay của động cơ [vòng/phút]
No - Chỉ số octan của xăng.
Nếu thời điểm đánh lửa xảy ra sớm hơn hay muộn hơn thời điểm tối ưu đều
làm giảm công suất và chất lượng của động cơ.
- Nếu đánh lửa quá sớm: hỗn hợp cháy hoàn toàn trong ký nén. Sự tăng áp
suất do khí cháy giãn nở sẽ cản trở chuyển động đi tiếp lên ĐCT của pít tơng, tức là
cơng của khí nén sinh ra ở hành trình này trở thành cơng âm, làm giảm cơng suất và
tính kinh tế của động cơ, tăng tải trọng lên nhóm các chi tiết pít tơng thanh truyền.
Biểu hiện của hiện tượng này: có tiếng gõ kim loại, cơng suất động cơ giảm, làm
việc không ổn định.
- Nếu đánh lửa quá muộn: quá trình cháy diễn ra trong kỳ giãn nở, thậm chí
nhiên liệu có thể khơng kịp cháy hết trong xy lanh mà còn tiếp tục cháy rớt ở ống
xả. Trong trường hợp này động cơ sẽ rất nóng vì thể tích vùng cháy và nhiệt truyền
cho nước làm mát tăng, cơng suất động cơ giảm.
Khi số vịng quay của động cơ tăng: thời gian làm việc của chu trình bị rút
30

Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
ngắn, do đó góc đánh lửa sớm cần phải tăng lên. Nếu thời gian cháy của nhiên liệu
không đổi thì  s phải tăng tuyến tính theo n. Nhưng do n tăng làm tăng áp suất và
nhiệt độ trong xy lanh (do giảm lọt khí và thời gian truyền nhiệt), tăng chuyển động
lốc xốy của hỗn hợp. Vì thế tốc độ cháy tăng lên và thời gian cháy tương ứng giảm
đi nên ở số vòng quay cao  s tăng theo quy luật phi tuyến.
Sự tăng tỷ số nén làm tăng áp suất và nhiệt độ ở cuối kỳ nén, do đó làm tăng
tốc độ cháy của hỗn hợp. Vì thế sự tăng tỷ số nén làm giảm góc đánh lửa sớm.
Mức tải của động cơ cũng ảnh hưởng lớn đến góc đánh lửa sớm. Khi mở
bướm ga lớn lượng hỗn hợp đi vào xy lanh nhiều hơn làm tăng áp suất và nhiệt
độ khí nén, đồng thời cịn làm giảm % khí sót dẫn đến tăng tốc độ cháy. Vì thế,
khi tăng tải trọng của động cơ giảm xuống và ngược lại.
3.3.4. Hệ số dự trữ Kdt
Hệ số dự trữ là tỉ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m và hiệu điện thế
đánh lửa Uđl. Mục đích cần có hệ số dự trữ dể đảm bảo rằng hiệu điện thế đánh lửa
luôn luôn đạt trong giới hạn yêu cầu.
Kdt=

U 2m
U dl

(3.17)

Hệ số dự trữ của những động cơ có hệ thống đánh lửa thường là bé hơn so với
hệ thống đánh lửa của những động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử.
Vì hiệu điện thế U2m của hệ thống đánh lửa thường bé, còn đối với hệ thống đánh
lửa hiện đại có hệ số dự trữ cao nhằm đảm bảo việc đáp ứng việc tăng tỉ số nén,
tăng số vòng quay và khe hở bugi.
3.3.5. Năng lượng dự trữ Wdt

Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn
dây sơ cấp của bô bin. Để đảm bảo tia lửa có đủ năng lượng đốt cháy hồn tồn khí,
hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng đánh lửa trên cuộn sơ cấp của bơ
bin ở một giá trị xác định.
Wdt 

Trong đó:

2
L1 .i ng

2

(3. 18)

Wdt - Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp [W.s]
L1 - Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bô bin [H]

31


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
I ng - Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt.
[A]
Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa khoảng 20 đến 30% do nhiệt
độ cực bugi thấp.
Khi động cơ tăng tốc, Uđl tăng do áp suất nén tăng nhưng sau đó nhiệt độ giảm
từ từ do nhiệt độ điện cực bugi tăng và áp suất nén giám do quá trình nạp xấu đi.
Hiệu điện thế đánh lửa cực đại ở chế độ khởi động và tăng tốc, có giá trị cực

tiểu ở chế độ ổn định khi công suất cực đại.
3.3.6. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
S

Trong đó:

du 2 u 2

dt
t

(3. 19)

S - Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp
u 2 - Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

t - thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện
tại điện cực bugi càng nhanh, nhờ đó khơng bị rị rỉ qua muội than trên điện cực
bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm.
3.3.7. Tần số và chu kỳ đánh lửa
Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa điện xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần
số đánh lửa, được xác định bởi công thức:
n.Z
f 
(Hz)
120

(3. 20)

Đối với động cơ 2 kỳ:
f 

Trong đó:

n.Z
(Hz)
60

(3. 21)

f - Tần số đánh lửa [Hz]
n - Số vòng quay của trục khuỷu động cơ (vòng/phút)
Z - Số xy lanh động cơ

Chu kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa
T 

1
f

= tđ+ tm.

(3. 22)

tđ - Thời gian vít đóng hay transistor cơng suất dẫn bão hịa [s]
Tm - Thời gian vít hở hay transistor cơng suất ngắt [s]
32

Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
Tần số đánh lửa f tỉ lệ với số vòng quay của trục khuỷu động cơ và số xy lanh.
Khi tăng số vòng quay của động cơ và số xy lanh, tần số đánh lửa f tăng do đó chu
kỳ đánh lửa T giảm xuống. Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến hai thông số chu kỳ
và tần số đánh lửa để đảm bảo ở vòng quay cao nhất của dộng cơ tia lửa vẫn mạnh.
3.3.8. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện
Thơng thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là phần diện dung và phần
điện cảm. Năng lượng của tia lửa được tính theo cơng thức:
Wp= WC+ WL

(3. 23)

Trong đó:
WC=

C 2 .U dl2
2

(3. 24)

L2 .i 22
2

(3. 25)

WL 

WP - Năng lượng của tia lửa. [W.s]

WC - Năng lượng của thành phần tia lửa có điện dung. [W.s]
WL - Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm. [W.s]
C2 - Điện dung ký sinh tại mạch thứ cấp của bugi [F]
Uđl - Hiệu điện thế đánh lửa. [V]
L2 - Độ tự cảm của mạch thứ cấp. [H]
i2 - Cường độ dòng điện mạch thứ cấp. [A]
Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ hai thành
phần điện cảm và điện dung hoặc chỉ có một thành phần.
Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của bugi tùy thuộc vào loại hệ thống
đánh lửa. Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng tia lửa đủ lớn và
thời gian phóng điện đủ dài để đốt cháy được hịa khí ở mọi chế độ hoạt động của
động cơ.

3.4. Giới thiệu sơ lược về các loại hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa của động cơ xăng có tác dụng là nguồn sinh ra tia lửa điện
châm ngịi gây cháy hỗn hợp khí- nhiên liệu. Theo phân loại hệ thống đánh lửa như

33


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
trên và để hiểu rõ hơn về quá trình phát triển của hệ thống đánh lửa. Sau đây em xin
giới thiệu một số hệ thống đánh lửa từ lúc mới ra đời của động cơ đốt trong cho đến
nay, hệ thống đánh lửa ngày một hoàn thiện và đáp ứng được yêu cầu để đảm bảo
cho động cơ ngày một hoạt động hiệu quả hơn.
3.4.1. Hệ thống đánh lửa thường
3.4.1.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc
Hệ thống đánh lửa thường bao gồm:
- Bình ắc quy: Là nguồn điện thường trực trên ôtô, cung cấp cho các

nguồn phụ tải như máy khởi động, đèn cịi..v.v…Tích luỹ điện năng do máy phát
điện nạp vào.
- Khố cơng tắc: Để nối hay ngắt dòng điện sơ cấp của hệ thống khi cần khởi
động hay tắt máy.

Hình 3-8 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa thường
1. Trục cam, 2. Cần tiếp điểm, 3. Bô bin đánh lửa, 4. Bộ chia điện, 5. Bugi
- Bơ bin đánh lửa: Có hai cuộn dây, cuộn sơ cấp W1 có khoảng 250...400
vịng, cuộn thứ cấp W2 có khoảng 19000...26000 vòng.
- Bộ chia điện: Nhận điện cao thế từ bô bin đánh lửa và phân phối đến các
xy lanh động cơ theo thứ tự nổ của động cơ.

3.4.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa thường.
- Khi KK’ đóng: Trong mạch sơ cấp xuất hiện dịng điện sơ cấp i1. Dòng này
tạo nên một từ trường khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của bô bin đánh lửa.

34


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
- Khi KK’ mở: Mạch sơ cấp bị ngắt, dịng i1 và từ trường do nó tạo nên mất.
Do đó trong cả hai cuộn dây sẽ xuất hiện các suất điện động tự cảm, tỷ lệ
thuận với tốc độ biến thiên của từ thông. Do cuộn thứ cấp có số vịng dây lớn nên
suất điện động sinh ra trong nó cũng lớn, đạt giá trị khoảng 12000...24000 V. Điện
áp cao này truyền qua roto của bộ chia điện và các dây dẫn cao áp đến bugi đánh
lửa theo thứ tự nổ của động cơ. Khi thế hiệu thứ cấp đạt giá trị Uđl thì sẽ xuất hiện
tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp làm việc trong xy lanh.
Khi KK’ mở, trong cuộn W1 cũng xuất hiện suất điện động tự cảm khoảng
200…300V. Tụ C1 mắc song song với tiếp điểm với mục đích tích điện từ các tia

lửa ở các tiếp điểm bảo vệ các tiếp điểm không bị cháy rỗ. Đồng thời tụ C 1 sẽ phóng
dịng điện ngược này về cuộn sơ cấp trong bơ bin làm cho dịng sơ cấp triệt tiêu
nhanh hơn và như vậy sẽ làm cho hiệu điện thế thứ cấp tăng lên nhanh chóng.
3.4.1.3. Ưu, nhược điểm
Hệ thống đánh lửa thường còn nhiều hạn chế trong q trình sử dụng: Dễ cháy
rỗ má vít do phóng điện, thất thốt điện cao áp do cịn phải phân phối qua bộ chia
điện, điện áp thứ cấp thấp đặc biệt là khi ne và z tăng. Vì là hệ thống đánh lửa được
điều khiển bằng cơ khí do đó quá trình hoạt động sẽ phải hiệu chỉnh thường xuyên
nên tốn công.
3.4.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn
Hệ thống đánh lửa bán dẫn về nguyên lí hoạt động như hệ thống đánh lửa
thường nhưng trong đó việc điều chỉnh đóng ngắt dòng sơ cấp i 1 để tạo hiệu điện thế
U2 bằng các tiếp điểm cơ khí được thay thế bằng việc đóng mở các transistor cơng
suất, việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo các điều kiện và chế độ làm việc của
động cơ được điều khiển thông qua tín hiệu của các cảm biến như cảm biến điện từ,
cảm biến quang, cảm biến Hall...
* Hệ thống đánh lửa bán dẫn được phân làm hai loại chính như sau:
+ Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển: Tiếp điểm điều
khiển ở đây có cấu tạo giống như trong hệ thống đánh lửa thường nhưng có nhiệm
vụ đóng mở các transistor hoạt động để tạo ra hiệu điện thế U 2 trên cuộn dây thứ
cấp.
+ Hệ thống đánh lửa bán dẫn khơng có tiếp điểm điều khiển: Loại này

35


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
điều khiển các transistor đóng mở thơng qua các cảm biến tín hiệu.
3.4.2.1. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển

Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm ra đời thay thế cho hệ thống đánh lửa
thường, đã giải quyết được cơ bản những nhược điểm mà hệ thống đánh lửa thường
chưa khắc phục được như:
- Các má vít khơng trực tiếp cắt nối dòng điện sơ cấp mà chỉ cắt nối dòng điều
khiển transistor có trị số thấp, do đó các tiếp điểm lâu mòn.
- Tăng được điện áp đánh lửa ở cuộn thứ cấp, do đó tăng được năng lượng
đánh lửa, vì vậy có thể tăng được khe hở giữa hai cực của bugi.
- Việc tăng năng lượng phóng tia lửa và tăng chiều dài tia lửa giữa hai cực
bugi, cho phép đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp làm việc nghèo. Nhờ vậy mà việc khởi
động động cơ được dễ dàng, tăng tính tăng tốc và tiết kiệm được nhiên liệu của
động cơ. Các má vít của bộ ngắt điện khơng bị oxy hố và bị cháy, giảm được sai
lệch góc đánh lửa sớm trong quá trình sử dụng.
* Sơ đồ:

ie

ib

B

+ es

5

W1

E

W2

Đến nắp bộ
chia điện

C

Rb
6

4

3

ic

Rf
2 +

- es

-

1

Hình 3-9 Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm đơn giản
1.Ắc quy, 2. Khố điện, 3. Cơng tắc nối tắt điện trở, 4. Bô bin
5. Transisto, 6. Tiếp điểm bộ ngắt điện, W1&W2. Cuộn dây sơ cấp
Sơ đồ và nguyên lí của hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển
và thứ cấp, R6. Điện trở mạch cực gốc của Transitor
được trình bày như trên hình 3.9
Trên đây là sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển loại điện

36


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
cảm đơn giản. Trong đó cuộn sơ cấp W1 của biến áp 4 được nối trực tiếp với
Transistor 5, tiếp điểm 2 của bộ chia điện được nối với cực gốc của Transistor. Do
có Transistor 5 nên điều kiện làm việc của tiếp điểm 6 được cải thiện rõ rệt (Nó chỉ
làm việc với mạch gốc của Transistor, thường khơng q 1A), cịn điện thế của
cuộn sơ cấp có thể tăng lên và chỉ phụ thuộc vào Icmax và nhiệt độ của Transistor.
* Nguyên lí làm việc của hệ thống đánh lửa này như sau:
Khi khoá điện 2 và tiếp điểm 6 đóng thì điện thế ở cực phát (Cực E) của
Transistor có giá trị dương, vì dịng qua W 1 và Rf nên cực phát E được nối với cực
dương của ắc quy. Còn điện thế ở cực gốc B được nối với cực âm, vì dịng điện từ
cực B thông qua RB, tiếp điểm 6 và nối mát. Do đó tiếp giáp phát mở cho dịng điện
cực gốc đi qua theo mạch sau:
(+) Ắc quy  Khoá điện 2  Rf  W1  Cực E Cực B RB  tiếp điểm 6  (-) Ắc
quy
Điện trở mạch cực gốc RB đã được chọn trước nên dịng I B này đạt xấp xỉ giá
trị tính tốn IBtt cho trước và Transistor cũng mở hoàn toàn cho dịng I C có giá trị lớn
qua theo mạch:
(+) Ắc quy Khoá điện 2 Rf  W1 Cực E Cực C  (-)Ắc quy
Dòng điện sơ cấp của biến áp có thể tính bằng tổng dịng điện I C + IB của
Transistor. Cũng như trong hệ thống đánh lửa thường, dịng điện này tạo nên một
năng lượng tích luỹ trong từ trường của biến áp và khi tiếp điểm 6 mở, dòng I B triệt
tiêu

(IB = 0). Do vậy Transistor bị khố lại, tức dịng sơ cấp của I 1 cũng bị triệt

tiêu, thì năng lượng này được chuyển hố thành năng lượng đánh lửa và một phần
thành sức điện động tự cảm es trong cuộn W1.
Sức điện động tự cảm es trong cuộn W1 ở hệ thống đánh lửa thường có thể đạt
200 ÷ 400 V hoặc cao hơn. Do vậy không thể dùng biến áp đánh lửa thường cho
một số sơ đồ đánh lửa bán dẫn vì Transistor không chịu được điện áp lớn như vậy
tại cực E-C của nó khi nó đang ở trạng thái khố (đường chấm gạch  es trên hình
3.9)
Trong các hệ thống đánh lửa bán dẫn người ta thường sử dụng các biến áp có
hệ số biến áp lớn và hệ số điện cảm nhỏ hơn loại thường, nhờ đó mà các Transistor
làm việc được an toàn. Sức điện động e s trong một số hệ thống đánh lửa bán dẫn

37


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
thường nhỏ hơn 100 V.
3.4.2.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn khơng có tiếp điểm điều khiển
Trong hệ thống đánh lửa bán dẫn khơng có tiếp điểm điều khiển thì thời điểm
đánh lửa được điều khiển bằng các cảm biến. Trong hệ thống đánh lửa loại này các
loại cảm biến thường được dùng như: Cảm biến điện từ, cảm biến Hall, cảm biến
quang. Các cảm biến này có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu điện (điện áp, dịng điện)
để đóng hoặc mở các Transistorr, ngồi ra các cảm biến này cịn có nhiệm vụ xác
định số vịng quay của động cơ, vị trí trục khuỷu, thời điểm phun nhiên liệu. Để
hiểu rõ hơn về nguyên lí hoạt động của hệ thống đánh lửa này ta tìm hiểu về nguyên
lí hoạt động của một loại cảm biến điển hình là cảm biến quang.
* Cảm biến quang gồm hai loại, chúng chỉ khác nhau ở phần tử cảm biến
quang:
+ Loại sử dụng một cặp Led-Photo Transistor
+ Loại sử dụng một cặp Led-Photo diode.

Phần tử phát quang (Led-Lighting Emision Diode) và phần tử cảm quang
(Photo Transistor hoặc photo diode) được đặt trong bộ chia điện. Đĩa của cảm biến
được gắn trên trục bộ chia điện, số rãnh tương ứng với xy lanh của động cơ.
1

2

1

4

5

3

Hình 3-10 Cảm biến quang
1. LED, 2. Photo Transisto, 3. Photo Diode,
4. Mâm quay, 5. Khe chiếu sáng.
* Hoạt động của cảm biến quang như sau:
Khi có ánh sáng chiếu vào giữa hai phần tử này thì nó sẽ trở nên dẫn điện và
ngược lại khi khơng có ánh sáng đi qua nó sẽ khơng dẫn điện. Độ dẫn điện của nó
phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và hiệu điện thế giữa hai đầu cực của phần tử cảm
quang.
Khi đĩa cảm biến quay, dòng ánh sáng phát ra từ LED sẽ bị ngắt quãng làm

38


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007

phần tử cảm quang dẫn ngắt liên tục, tạo ra các xung vng để dùng làm tín hiệu
đánh lửa .
Hình 3.11 là sơ đồ đánh lửa bán dẫn được điều khiển bằng cảm biến quang.
Cảm biến quang được đặt trong bộ chia điện, gửi tín hiệu đánh lửa về cho bộ điều
khiển đánh lửa. Nguyên lí hoạt động của sơ đồ hệ thống đánh lửa này như sau:
Khi đĩa cảm biến quay đến vị trí đĩa chắn ánh sáng từ LED D 1 sang photo
Transistor T1 làm T1 bị ngắt, làm cho các Transistor T 2, T3, T4 ngắt theo, còn T5 dẫn
cho dòng điện qua cuộn sơ cấp sau đó đến vị trí masse. Khi đĩa cảm biến cho dòng
ánh sáng đi qua T1 sẽ ở trạng thái dẫn, đồng thời T2, T3, T4 cũng dẫn theo, T5 lúc này
ở trạng thái đóng, làm cho dịng sơ cấp bị ngắt đột ngột. Do dòng sơ cấp bị ngắt đột
ngột nên trên cuộn thứ cấp xuất hiện một hiệu điện thế có giá trị 2535 kV, hiệu
điện thế này qua bộ chia điện để đến các bugi sinh ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn
hợp khơng khí - nhiên liệu theo đúng thứ làm việc của các xy lanh.

IG/SW

Rf
R3

R1 R2
Acquy

D1

T1

R4
T2

D3 C1

R6

D2

Biãú
n
ạp

C2
T4

R5
T3

R7

Hình 3-11 Sơ đồ mạch điện HTĐL bán dẫn dùng cảm biến quang
3.4.2.3. Ưu nhược điểm của hệ thống đánh lửa bán dẫn so với hệ thống đánh lửa
thường
a. Ưu điểm
- Có thể đồng hố hệ thống đánh lửa chung cho các loại động cơ ôtô khác
nhau.
- Điện thế thứ cấp cao U2= 25÷35 kV ở mọi chế độ làm việc của động cơ.
- Nếu là loại tiếp điểm điều khiển thì dịng điện qua tiếp điểm điều khiển khi
ngắt mạch không quá 1A.
- Với hệ thống đánh lửa bán dẫn động cơ tăng tốc rất nhanh và điều hoà,

39