Nghiên cứu vấn đề cải thiện chất lượng đánh lửa nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt trong động cơ châm cháy cưỡng bức

Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trường ĐH Sư phạm Hà
Nội 2, các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý đã tận tình giúp đỡ em trong quá
trình học tập tại trường và tạo điều kiện cho em thực hiện khóa luận tốt
nghiệp.
Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Trần Văn
Giảng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong quá trình học tập, nghiên cứu
để hoàn thành khóa luận này.
Trong quá trình nghiên cứu, không tránh khỏi những thiếu sót và hạn
chế. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các
bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 05 năm 2011

Sinh viên

Trần Thị Hợi

1

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

LỜI CAM ĐOAN

Khóa luận này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy
giáo Trần Văn Giảng. Tôi xin cam đoan: Đề tài:" Nghiên cứu vấn đề cải
thiện chất lượng đánh lửa nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt trong động cơ châm
cháy cưỡng bức” là kết quả tìm tòi nghiên cứu của riêng tôi. Nó không trùng
khớp với bất cứ công trình nghiên cứu nào đã được công bố trước đó. Nếu sai
tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, tháng 05 năm 2011
Sinh viên

Trần Thị Hợi

2

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

MỤC LỤC
Trang

MỞ ĐẦU .....................................................................................................1
1. Lí do chọn đề tài.......................................................................................1

2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ...........................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài......................................................................2
6. Kết cấu luận văn.......................................................................................2
NỘI DUNG..................................................................................................3
CHƯƠNG 1: CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG....3
1.1. Chu trình lý thuyết của động cơ bốn kì ..................................................3
1.1.1. Chu trình lý tưởng .............................................................................3
1.1.1.1. Chu trình lý tưởng tổng quát............................................................3
1.2. Chu trình thực tế ...................................................................................8
1.2.1. Thời kì cháy trễ I ............................................................................. 12
1.2.2. Thời kì cháy nhanh II ...................................................................... 13
1.2.3. Thời kì cháy rớt III .......................................................................... 15
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA VÀ VẤN ĐỀ CẢI THIỆN CHẤT
LƯỢNG ĐÁNH LỬA NHẰM NÂNG CAO HIỆU SUẤT NHIỆT TRONG
ĐỘNG CƠ XĂNG .................................................................................... 16
2.1. Hệ thống đánh lửa .............................................................................. 16
2.1.1. Hệ thống đánh lửa thường ............................................................... 16
2.1.2. Hệ thống đánh lửa điện tử................................................................ 23

3

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

2.2. Chất lượng đánh lửa ........................................................................... 27

2.2.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng đánh lửa.............................. 27
2.2.1.1. Thời điểm đánh lửa....................................................................... 27
2.2.1.2. Cường độ đánh lửa ....................................................................... 28
2.2.2. Một số giải pháp cải thiện chất lượng đánh lửa nhằm nâng cao hiệu suất
nhiệt trong động cơ châm cháy cưỡng bức ................................................ 30
KẾT LUẬN............................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 42

4

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2
MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Động cơ đốt trong là lĩnh vực khá rộng và gần gũi với con người. Nó
được phát minh từ năm 1860 và không ngừng phát triển. Trong việc thúc đẩy
kinh tế phát triển, nó giữ vai trò rất quan trọng. Do vậy, việc tìm hiểu và
nghiên cứu động cơ đốt trong để tìm giải pháp nâng cao hiệu suất của động cơ
luôn được con người quan tâm đến. Trong đó, việc cải thiện chất lượng đánh
lửa nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt là một vấn đề đang được nhiều người quan
tâm.
Xuất phát từ lí do trên và nhu cầu tìm hiểu của bản thân người viết lựa
chọn đề tài: " Nghiên cứu vấn đề cải thiện chất lượng đánh lửa nhằm nâng

cao hiệu suất nhiệt trong động cơ châm cháy cưỡng bức”.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
2.1 Mục đích
- Tìm hiểu về chất lượng đánh lửa của hệ thống đánh lửa trong động cơ
châm cháy cưỡng bức.
- Tìm ra giải pháp nhằm nâng cao chất lượng đánh lửa.
2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu về các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ đánh lửa và thời
điểm đánh lửa.
- Tìm hiểu cách nâng cao chất lượng đánh lửa trong động cơ châm cháy
cưỡng bức.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1 Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống đánh lửa trong động cơ châm cháy cưỡng bức.
3.2 Phạm vi nghiên cứu

5

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

- Nghiên cứu hệ thống đánh lửa và các linh kiện bán dẫn dùng trong hệ
thống đánh lửa.
- Nghiên cứu việc thay thế tiếp điểm bằng Triristo và thiết bị bán dẫn
trong hệ thống đánh lửa của động cơ xăng.
4. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Phát triển khả năng tư duy logic.
- Ứng dụng trong thực tế sản xuất.
6. Kết cấu luận văn
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục
Đề tài được trình bày trong 2 chương
- Chương 1: Chu trình làm việc của động cơ đốt trong.
- Chương 2: Hệ thống đánh lửa và vấn đề cải thiện chất lượng đánh lửa
nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt trong động cơ xăng.

NỘI DUNG

6

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

CHƯƠNG 1: CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Chu trình lý thuyết của động cơ 4 kỳ
1.1.1. Chu trình lý tưởng
1.1.1.1. Chu trình lý tưởng tổng quát
Chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ đốt trong gồm các quá trình:
nén đoạn nhiệt, cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp, giãn nở đoạn nhiệt, nhả
nhiệt đẳng tích, nhả nhiệt đẳng áp. Trong đó, cấp nhiệt đẳng tích đặc trưng
cho động cơ hình thành hòa khí bên ngoài, đốt cháy cưỡng bức nhờ tia lửa

điện.
Tỷ số nén:
ε=

Vo
Vc

V0, Vc: Thể tích bắt đầu và cuối quá trình nén.
Tỷ số tăng áp khi cháy:


PZ
PC

Trong đó:

Pz : Áp sất cực đại khi cháy
Pc : Áp suất cuối quá trình nén
Tỷ số giãn nở khi cháy:


Vz
Vc

V z : Thể tích cuối quá trình cấp nhiệt

Vc : Thể tích đầu quá trình cấp nhiệt hoặc cuối quá trình nén
Tỷ số giãn nở sau khi cháy:

7

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

 

Vd
Vc

Vd : Thể tích cuối quá trình giãn nở
Tỷ số giảm áp khi nhả nhiệt:

 

Pd
Pf

Qua tính toán cho ta thấy:
t   

T

d

 T f   k (T f  T 0 )

T y  Tc  k T z  T y 

Từ các quá trình của chu trình lý tưởng tổng quát ta có:
1
k

1
 1k

   1  k    k 
1


t  k 1
1

k      

(1.1)

Ta thấy ηt phụ thuộc vào ε, cách cấp nhiệt cho môi chất thể hiện qua λ,
ρ1 ,cách nhả nhiệt từ môi chất thể hiện qua σ và chỉ số đoạn nhiệt k. Như vậy
để tăng ηt ta có thể tăng ε.


Chu trình đẳng tích nguồn nóng cấp nhiệt cho môi chất trong điều
kiện V= const



Chu trình hỗn hợp nguồn nóng cấp nhiệt Q1 cho môi chất, một phần
Q1v trong điều kiện tẳng tích, còn lại Q1p cấp trong điều kiện đẳng áp
Q1= Q1v+Q1p

Trong suốt quá trình cấp nhiệt này ta coi như là một lần nhận nhiệt cụ
thể: Tại thời điểm a, môi chất có các thông số đặc trưng là Va, Ta, Pa . Tiếp
theo môi chất thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt theo đường ac và tại c các
thông số là Vc, Tc, Pc.Tiếp theo môi chất nhận một nhiệt lượng là Q1v trong
quá trình đẳng tích theo cz’ và tại z’ các thông số đặc trưng là: Vz’ = Vc, Tz’,

8

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

Pz’, sau đó môi chất nhận một nhiệt lượng nữa là Q1p theo zz’. Tại z các thông
số đặc trưng: Vz, Tz, Pz= Pz’. Sau đó môi chất thực hiện quá trình giãn đoạn
nhiệt theo zd và tại d các thông số đặc trưng Va=Vd, Td, Pd, rồi môi chất thực
hiện truyền cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q2 trong điều kiện đẳng tích rồi
trở về trạng thái ban đầu.

Q1p
P

z'

z

Q1v

Q  O

c
d

Q  O

Q2
a
V
Như vậy, các thông số đặc trưng cho trạng thái của môi chất là V, T, P,
còn đặc trưng cho chu trình động cơ là tỉ số nén ε.

 

Va
Vc

Tỷ số tăng áp (λ) là tỷ số giữa áp suất cuối của quá trình cấp nhiệt đẳng
tích và áp suất cuối quá trình nén.

 

Pz '
Pc

Hiệu suất của chu trình:



Q1  Q2
Q
 2
Q1
Q1

Đối với khí lý tưởng thì nhiệt dung riêng của nó không thay đổi

9

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2
Q1V  C v T z '  Tc 

Q1 p  C p Tz  Tz ' 

Q2  C p Tz  Tz ' 
  


C v Td  Ta 
C v Tz  Tc   C p Tz  Tz ' 

Td  Ta
Tz '  Tc  k Tz  Tz ' 
(với k 

Cp
Cv

)

Do ac là quá trình nén đoạn nhiệt nên ta có :
 k 1

Tc  Va 
 
Ta  Vc 

  k 1

Tc  Ta  k 1
Do cz’ là quá trình đẳng tích nên ta có :

T z ' Pz '


Tc
Pc
 z '  Tc  
 z '  Ta     k 1
Do z z’là quá trình đẳng áp nên ta có:

Tz Vz
 
Tz' Vz '
Tz   Tz '
Tz     Ta  k1

Do zd là quá trình giãn đoạn nhiệt nên ta có:

10

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2
Td  Vz 
 
Tz  Vd 

k 1

Trong đó:

Vd
 
Vz
   




Td

Tz

 1 
 
 k 1

 1 
 

   k1
 

k 1

k 1



 Td  Tz           Ta   k 1
 
 
 Td   k   Ta
Vậy hiệu suất là:

   k  T a  Ta
  1

   k  1  Ta  T a   k  1  k      T a   k  1  Ta     k  1 
   1

1

 k 1



   k 1
   1      1

Qua đó ta thấy khi tăng ε thì η tăng, nghĩa là khi tăng ε và không thay
đổi Q1V , Q1p sẽ làm tăng δ và như đã biết việc biến đổi nhiệt thành công xảy ra
trong quá trình giãn môi chất. Tuy nhiên, nếu tăng η với việc tăng ε sẽ chậm
lại khi ε đạt đến một giá trị cao đã cho nào đó. Việc sử dụng môi chất có nhiệt
dung lớn làm giảm chỉ số đoạn nhiệt k dẫn đến giảm hiệu suất η.
Ở chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

Q1  Q1p  Q1v
Nếu đã cho Q1 ta tăng Q1V cấp ở đoạn đẳng tích thì tương ứng với việc
tăng ε. Như vậy, chu trình cấp nhiệt đẳng áp, cấp nhiệt đẳng tích chỉ là trường

11

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

hợp riêng của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Trong đó, chu trình cấp nhiệt đẳng
tích diễn ra trong động cơ đốt trong hiện đại đốt cháy nhiên liệu do châm cháy
cưỡng bức.
Xét Chu trình cấp nhiệt đẳng tích:
Chu trình cấp nhiệt đẳng tích thực hiện trong điều kiện:
Vz  Vy  Vc và ρ= 1

Hiệu suất của chu trình đẳng tích là:

  1

1

 k 1

Như vậy, hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng tích chỉ phụ thuộc vào
tỷ số nén ε và chỉ số đoạn nhiệt k của môi chất hay do tính chất của môi chất
quyết định.
1.2. Chu trình thực tế
Theo lý thuyết chu trình công tác của động cơ đốt trong không có sự tổn
thất nhiệt, cơ giới. Nhưng thực tế, chu trình công tác của động cơ đốt trong
diễn ra bên trong xilanh của động cơ có tổn thất nhiệt, cơ giới, điều đó chỉ ảnh
hưởng đến hiệu suất động cơ. Chu trình thực tế của động cơ đốt trong là tổng
các quá trình nối tiếp nhau, một động cơ đốt trong bất kì hay chu trình của nó
cũng bao gồm bốn quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở, xả. Tùy theo động cơ mà
bốn quá trình đó được thực hiện trong mấy hành trình. Xét động cơ xăng bốn
kì các quá trình đó được thực hiện như sau:
 Quá trình nạp

Quá trình nạp môi chất mới vào xilanh được thực hiện khi pittông đi từ
ĐCT → ĐCD, áp suất trong xilanh giảm, lúc này do sự chênh lệch áp suất
trong xilanh và trên đường ống nạp không khí và nhiên liệu sẽ qua đường ống
nạp và đi vào xilanh, quá trình nạp kết thúc khi cửa nạp đóng hoàn toàn.

12

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

Trong thực tế, để nạp đầy thì xupap nạp được bố trí mở sớm và đóng
muộn để lượng không khí và nhiên liệu trong mỗi chu trình làm việc của
ĐCĐT lớn nhất làm cho hiệu suất của động cơ cũng đạt kết quả cao.
 Quá trình nén
Quá trình nén diễn ra khi pittông đi từ ĐCD → ĐCT, hai xupap đều
đóng. Quá trình nén của ĐCĐT có tác dụng:
+) Mở rộng phạm vi nhiệt độ của quá trình làm việc (nén, cháy giãn nở).
+) Đảm bảo cho sản vật cháy được giãn nở sinh công triệt để hơn.
+) Tạo điều kiện thuận lợi nhất cho hòa khí bốc cháy.
Các quá trình trên nhằm đảm bảo quá trình chuyển biến từ hóa năng của
nhiên liệu thành nhiệt năng và từ nhiệt năng chuyển thành công có ích được
thực hiện tốt làm tăng hiệu suất của chu trình.
Khác với quá trình nén của chu trình lý tưởng, diễn biến quá trình nén
của chu trình thực tế rất phức tạp, giữa môi chất và thành xilanh luôn có sự
trao đổi nhiệt qua lại với nhau. Đầu quá trình nén nhiệt độ môi chất thấp hơn
nhiệt độ trung bình của xilanh nên các chi tiết nóng sẽ truyền nhiệt cho môi

chất, do đó môi chất vừa nhận nhiệt vừa chịu nén. Pittông được trục khuỷu
dẫn động đi lên càng làm cho thể tích xilanh giảm và tăng nhiệt độ môi chất
trong xilanh làm cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa các chi tiết nóng giảm dần.
Môi chất nhận nhiệt ít dần làm cho quá trình nén càng gần quá trình đoạn
nhiệt, chỉ số nén n1 tiến sát chỉ số đoạn nhiệt k. Tiếp tục quá trình nén nhiệt độ
môi chất lớn hơn nhiệt độ vách xilanh làm cho quá trình truyền nhiệt thay đổi
về chiều dẫn đến n1 giảm dần. Như vậy, quá trình nén thực tế của động cơ là
quá trình đa biến với chỉ số đa biến n1 giảm dần từ đầu đến cuối quá trình.
Cuối quá trình nén buzi bật tia lửa điện châm cháy hòa khí. Cuối kì nén,
hòa khí đã được nén ở trong xilanh ở áp suất cao, áp suất cuối kì nén pc được
xác định:

13

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
Pa V a



n1

Pc V c

n1

( Pa : p sut u kỡ nộn)

V
Pc Pa a
Vc

n1

Pa n1

Quỏ trỡnh chỏy gión n
Quỏ trỡnh chỏy gión n din ra khi pittụng i t CT CD, hai
xupỏp vn úng, nhiờn liu c buzi chõm chỏy v chỏy nhit cao, ỏp
sut cao gión n y pittụng i xung thụng qua thanh truyn lm trc khuu
sinh cụng. Kỡ ny cũn c gi l kỡ sinh cụng.
Quỏ trỡnh thi
Quỏ trỡnh thi din ra khi pittụng i t CD CT, xupỏp np úng,
xupap thi m, khi pittụng cha xung n CD cui quỏ trỡnh chỏy gión
n xupỏp thi ó bt u m (m sm), khi ú nh chờnh lch ỏp sut sn vt
chỏy t thoỏt ra ngoi qua ca thi. õy l giai on thi t do.
Pittụng tip tc i t di lờn CT, lỳc ny th tớch trong xilanh gim,
ỏp sut tng lờn y sn vt chỏy ra ngoi, õy l giai on thi cng bc.
Khi pittụng lờn n CT xupỏp thi vn m, lỳc ny khớ ó chỏy sút li
trong xilanh vn tip tc qua ca thi ra ngoi theo quỏn tớnh, giai on ny
gi l giai on thi quỏn tớnh.
thi sch v chun b np c nhiu khớ mi vo xilanh thỡ xupap
thi cng c b trớ m sm úng mun hiu sut ca ng c c tng
cao.

Xột quỏ trỡnh chỏy trong ng c chõm chỏy cng bc: Ta bit rng
vi ng c iờzen thỡ nhiờn liu t bc chỏy, va chỏy va c phun tip
vo xilanh ng c v s chỏy c xut phỏt t nhiu tõm im. ng c
chõm chỏy cng bc hay ng c xng thỡ khỏc hn, s chỏy ca nhiờn liu

14

Trần Thị Hợi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

là nhờ tia lửa điện của buzi. Trong quá trình cháy không có sự đưa thêm nhiên
liệu và sự cháy chỉ bắt nguồn từ một tâm điểm lửa do buzi tạo nên màng lửa
rồi lan truyền với tốc độ tăng dần theo mọi hướng cho tới khi hòa khí cháy
hết.
Để nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ có nhiều phương pháp
khác nhau, thường dùng nhất là phương pháp vẽ đồ thị công p-φ tức đồ thị thể
hiện biến thiên của áp suất P trong xilanh theo góc quay φ của trục khuỷu.
Dựa vào biến thiên từ biểu thức P = f (φ) có thể biết được tình hình tiến triển
của quá trình cháy. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có ưu điểm và nhược
điểm riêng:
Ưu điểm của phương pháp này là: cho biết rõ hiệu quả thực tế của quá
trình.
Nhược điểm: Không cho biết rõ cơ lý của quá trình cháy cũng như tình
hình lan tràn màng lửa.
Nhưng phương pháp này được dùng phổ biến vì đây là phương pháp
hữu hiệu và đơn giản. Ngoài phương pháp này ra người ta còn dùng phương

pháp chụp ảnh nhanh quá trình cháy, bằng việc dựa vào một dãy các bức ảnh
liên tiếp chụp được sẽ biết tình hình tiến triển của quá trình cháy trong xilanh.
Đồ thị công p-φ điển hình của quá trình cháy được thể hiện trên hình vẽ
sau:

15

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

Đồ thị quá trình cháy của động cơ xăng châm cháy cưỡng bức.
I.

Cháy trễ; II. Cháy nhanh; III. Cháy rớt.

1. đánh lửa; 2. hình thành màng lửa trung tâm; 3. áp suất lớn nhất Pz.
Điểm 1: bắt đầu đánh lửa, cách ĐCT một góc θ được gọi là góc đánh
lửa sớm.
Điểm 2: thời điểm đường áp suất thoát khỏi đường cong nén.
Điểm 3: thời điểm đạt áp suất cực đại.
Dựa vào đồ thị biến thiên áp suất trên đồ thị p-φ ta thấy quá trình cháy
của động cơ châm cháy cưỡng bức được chia làm 3 thời kì sau:
1.2.1. Thời kì cháy trễ I (giai đoạn này diễn biến từ điểm 1đến điểm 2)
Ở điểm 1 buzi bật tia lửa điện, tia lửa điện có tác dụng phân tích nhiên
liệu thành các gốc OH, CH2, O (đó là những iôn và nguyên tử tự do).Khi các
gốc ion và nguyên tử tự do tích tụ nhiều thì mới bắt đầu có sự cháy. Giai đoạn

cháy trễ kết thúc vào lúc ở khu vực gần quanh buzi xuất hiện sự cháy và hình
thành màng lửa đầu tiên (màng lửa trung tâm) làm cho áp suất trong xilanh
bắt đầu tăng lên (đường cong cháy tách khỏi đường cong nén). Thời gian để

16

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

trục khuỷu quay từ điểm 1 đến điểm 2 được gọi là thời gian cháy trễ τi tính
theo đơn vị giây (s) hoặc tính theo góc quay trục khuỷu φi. Thời gian cháy trễ
τi và góc cháy trễ φi có tác dụng rất quan trọng tới quá trình cháy. Nếu kéo dài
τi thì nhiên liệu được chuẩn bị sẽ tích tụ quá nhiều làm cho khi nhiên liệu bắt
đầu cháy thì tốc độ tăng trung bình của áp suất rất lớn làm cho động cơ phải
chịu lực tác dụng lớn. Vì thế, τi càng ngắn thì quá trình cháy càng hoàn hảo,
còn nếu τi quá lớn thì quá trình cháy sẽ lan sang quá trình cháy rớt và điều này
không có lợi cho động cơ.
1.2.2. Thời kì cháy nhanh II (giai đoạn này diễn biến từ điểm 2 đến điểm 3)
Thời kì này cũng tương ứng thời kì lan truyền màng lửa tình từ lúc xuất
hiện màng lửa trung tâm tới khi áp suất cháy đạt giá trị lớn nhất. Trong quá
trình lan truyền, màng lửa có dạng mặt cầu nhấp nhô lồi lõm, ở thời kì này
màng lửa được lan truyền với tốc độ tăng dần, hòa khí trong xilanh có phản
ứng ôxi hóa ngày càng mãnh liệt và nhả ra một số lượng nhiệt lớn trong khi
dung tích xilanh thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất tăng lên
nhanh.
Thời kì cháy nhanh là giai đoạn chính trong quá trình cháy của động cơ

xăng, phần lớn nhiệt lượng được nhả ra trong giai đoạn này, quy luật nhả
nhiệt sẽ quyết định khả năng đẩy pittông sinh công và đảm bảo tính năng làm
việc của động cơ.
Để nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình thì cần thời gian cháy càng
nhanh càng tốt. Muốn rút ngắn thời gian cháy phải nâng cao tốc độ cháy làm
cho áp suất cực đại tại vị trí gần ĐCT khiến nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng
đầy đủ làm tăng công suất và hiệu suất của động cơ.
Trong quá trình cháy xuất hiện tốc độ lan truyền màng lửa Sr (m/s) và
tốc độ cháy U (kg/m2s).
Mối quan hệ giữa Sr và U:

17

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

U=γ. Sr
Sr: thể hiện tốc độ dịch chuyển của màng lửa theo hướng
pháp tuyến
U: thể hiện khối lượng hòa khí được 1 đơn vị diện tích
màng lửa đốt cháy trong một đơn vị thời gian
γ: khối lượng riêng của hòa khí (kg/m3 )
Lượng nhiệt Q nhả ra trong một đơn vị thời gian là:
Q= U.FT.Hm = γ. Sr .FT.Hm
Trong đó

FT: diện tích màng lửa (m2)
Hm: nhiệt trị của hòa khí (HJ/ kg)

Qua đó thấy rằng quy luật nhả nhiệt của thời kì cháy nhanh tức quy luật
biến thiên của Q phụ thuộc tốc độ lan truyền màng lửa Sr, diện tích màng FT
và mật độ môi chất γ. Màng lửa lan càng rộng, γ càng lớn do khi đó số hòa
khí chưa cháy phải chịu sự chèn ép của phần đã cháy gây ra, số hòa khí cuối
cùng bị chèn ép tới 7÷ 8 lần.
Tốc độ lan truyền màng lửa càng lớn sẽ làm cho tốc độ cháy, tốc độ nhả
nhiệt, áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh tăng rõ rệt trong thời kì cháy
nhanh và làm cho công suất và hiệu suất của động cơ được cải thiện. Tuy
nhiên tốc độ cháy không thể quá lớn nếu không sẽ làm tăng tốc độ động cơ,
tăng áp suất, gây va đập cơ khí, tăng tiếng ồn, các chi tiết bị mài mòn và làm
giảm tuổi thọ của động cơ. Tốc độ tăng áp suất của thời kì cháy nhanh được
thể hiện:
W

P



Với ∆P= P3- P2
∆φ= φ3- φ2

18

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Thường phải hạn chế

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2
P



trong giới hạn (1.75÷2.5).105Pa / độ góc quay

trục khuỷu, đồng thời phải điều khiển để áp suất đạt cực đại (tại điểm 3) được
xuất hiện sau ĐCT khoảng 10 ÷ 150 góc quay trục khuỷu, lúc đó động cơ sẽ
chạy êm nhẹ nhàng và có tính năng động lực tốt.
1.2.3. Thời kì cháy rớt III (được tính từ điểm 3 trở đi)
Cuối kì cháy nhanh, màng lửa đã lan khắp buồng cháy nhưng do hòa
khí phân bố không đều điều kiện nhiệt độ, điều kiện áp suất ở mọi khu vực
trong buồng cháy là không hoàn toàn giống nhau nên có những khu vực nhiên
liệu chưa cháy hết trong giai đoạn trước. Do điều kiện hòa trộn thay đổi làm
cho nhiên liệu chưa cháy được hòa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kì cháy
rớt. Trong thời kì này, nhiệt lượng được nhả ra tương đối ít, dung tích xilanh
dộng cơ lại tăng nhanh làm áp suất trong xilanh giảm dần theo góc quay trục
khuỷu. Thời kì cháy rớt dài hay ngắn phụ thuộc vào lượng hòa khí cháy rớt.
Cũng có trường hợp cháy rớt còn kéo dài sang cả quá trình thải thậm chí còn
kéo dài đến khi bắt đầu quá trình nạp của chu trình tiếp theo.
Thời kì cháy rớt nhiên liệu cháy không mạnh do thiếu không khí, nhiệt
độ sinh ra đốt nóng máy, giai đoạn này càng kéo dài thì càng không tốt cho
động cơ. Do vậy, cần rút ngắn thời kì cháy rớt để đảm bảo tính năng làm việc
của động cơ và cải thiện hiệu suất của động cơ. Người ta thường cố gắng tìm
cách hạn chế thời kì cháy rớt bằng cách: chọn góc phối khí, góc đánh lửa sớm
thích hợp… để tăng hiệu quả của quá trình cháy.

19

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA VÀ VẤN ĐỀ CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG ĐÁNH LỬA NHẰM NÂNG CAO HIỆU SUẤT
NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG

2.1 Hệ thống đánh lửa
2.1.1 Hệ thống đánh lửa thường
Khi tìm hiểu hệ thống đánh lửa truyền thống như đánh lửa dùng nguồn
manheto và đánh lửa dùng nguồn acqui, hiện nay vẫn còn được trang bị trên
một số động cơ. Về nguyên lý hệ thống đánh lửa dùng nguồn manhetô và
đánh lửa dùng nguồn acqui chỉ khác nhau ở cách tạo ra các tính chất của dòng
điện sơ cấp ở cuộn dây đánh lửa.
Đối với hệ thống đánh lửa acqui:
Cấu tạo:
E: nguồn điện

K o: công tắc

Rp: điện trở phụ

O: gờ cam

K: má vít

C: tụ điện

1, 2, 3, 4 các buzi

T: tiếp điểm thường mở

W1, W2: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, hai cuộn này quấn chung trên
một lõi thép.
a: con quay chia điện
 K o: Công tắc đánh lửa. Công tắc đánh lửa là công tắc nguồn hoạt động
bằng chìa khóa động cơ.
Cuộn dây đánh lửa: cuộn dây đánh lửa có vai trò như một máy biến áp
làm nâng cao điện áp tới nhiều ngàn vôn. Trong một số hệ thống đánh lửa
điện tử, điện áp này có thể lên tới 47000V hoặc cao hơn. Điện thế cao gây ra
các tia lửa để phóng qua các khe hở của buzi. Bên trong cuộn dây đánh lửa
có hai cuộn dây: cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp. Cuộn dây sơ cấp có

20

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

khoảng vài trăm vòng dây nhưng dây có tiết diện lớn là phần mạch sơ cấp.
Cuộn thứ cấp quấn nhiều ngàn vòng dây nhỏ là mạch thứ cấp. Khi công tắc

đánh lửa ở ON thì mạch sơ cấp đóng dòng điện đi qua cuộn sơ sơ cấp và làm
sinh ra từ trường xung quanh các vòng dây của cuộn sơ cấp. Khi mạch sơ cấp
hở, dòng sơ cấp và từ trường trên cuộn sơ cấp mất đột ngột, lúc này từ trường
cắt xuyên qua cuộn thứ cấp, bên trong cuộn thứ cấp làm phát ra điện áp cao
và được đưa đến các buzi thông qua bộ chia điện (động cơ nhiều xilanh) hoặc
trực tiếp tới buzi (động cơ một xilanh).

W1

W2

 Bộ chia điện: Các hệ thống đánh lửa tiếp điểm và điện tử đều có 1 bộ
chia điện. Bộ chia điện bao gồm:

21

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

+ Kích thước cuộn dây đánh lửa sinh ra hàng loạt sóng điện áp cao
bằng cách mở và đóng mạch sơ cấp. Qúa trình đó được điều khiển bởi một
công tắc cơ khí (các tiếp điểm) hoặc một công tắc điện tử (tranzito), khi công
tắc đóng dòng điện đi qua các cuộn dây, khi công tắc mở dòng điện ngưng
dẫn và cuộn dây sinh ra một điện áp cao.
+ Phân phối các sóng điện áp cao từ cuộn dây đánh lửa tới các buzi,
qúa trình này diễn ra liên tục và được xác định bởi sự quay chia điện áp cao

qua nắp bộ chia điện và roto. Bộ chia điện quay và theo trình tự thì nổ cho các
xilanh động cơ. Một cuộn dây phân phối điện áp cao từ cuộn dây đánh lửa
đến các cực giữa của nắp bộ chia điện, bên trong nắp bộ chia điện, rôto bắt
trên đỉnh của bộ chia điện, roto có một miếng kim loại, đầu cuối của lá kim
loại tiếp xúc với cực giữa của nắp bộ chia điện. Khi roto quay đầu cuối kia đi
qua gần sát cực ngoài trong nắp bộ chia điện, các đầu này được nối tới các
buzi, sóng điện áp cao phóng qua khe hở nhỏ từ roto tới trục bộ chia điện, sau
đó các dây cáp chuyển sóng điện áp cao tới các buzi tại xilanh để đốt cháy
hòa khí.
 Các dây cáp đánh lửa thứ cấp: Các dây cáp điện áp cao được bọc
cách điện để phân phối điện áp cao từ cuộn dây tới các buzi. Các dây cáp thứ
cấp này bao gồm: dây dẫn và các dây buzi, chúng nối giữa tâm của cuộn dây
đánh lửa với nắp bộ chia điện và giữa nắp bộ chia điện với các buzi.
Buzi: là một bộ phận lắp ráp bao gồm một bộ phận cách điện, một cặp
điện cực nó tạo ra khe hở phóng điện châm cháy hòa khí trong xilanh động
cơ. Buzi có cấu tạo:

22

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

1: điện cực giữa

2: điện cực bên

3: sứ cách điện

4: vỏ buzi

Điều kiện làm việc của buzi khá nặng nhọc: làm việc trong điều kiện
nhiệt độ, áp suất cao, mức thay đổi nhiệt độ là khá lớn (quá trình nạp nhiệt độ
là khá thấp đối với động cơ xăng khoảng < 400ºK; quá trình cháy nhiệt độ
khoảng 2700ºK). Sứ phải làm việc trong điều kiện bị ăn mòn hóa học, do đó
sứ phải rất tốt để đảm bảo độ bền cao.
Hoạt động: Khi K ngắt giữa hai điện cực của buzi có hiệu điện thế cỡ
hàng chục ngàn vôn. Trong thực tế, âm nguồn là vỏ máy, điện cao áp được
đưa vào điện cực giữa (1). Khe hở giữa 1 và 2 khoảng 0.7 ÷ 1mm. Điện áp
giữa hai khe hở là rất lớn. Khi điện áp giữa hai điện cực buzi đủ lớn (cường
độ điện trường đủ mạnh) sẽ xảy ra iôn hóa lớp không khí giữa hai điện cực do
va chạm, làm cho số điện tích tự do (iôn và electron) trong chất khí tăng vọt
lên và gây ra hiện tượng phóng điện tự lực giữa hai điện cực của buzi. Nếu
khe hở lớn, tia lửa dài mồi lửa càng lớn làm cho việc đốt cháy dễ hơn, khe lớn
thì ít khi chập cầu buzi.

23

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT


Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

Buzi thường được chia làm hai loại: buzi nóng và buzi nguội. Quanh
điện cực giữa (1) có một sứ cách điện, nếu sứ để hở đầu của buzi ngắn thì

buzi đó được gọi là buzi nóng, nếu dài thì buzi đó được gọi là buzi nguội.
Trong đó buzi loại nóng thường được sử dụng cho động cơ có tỉ số nén thấp,
tốc độ động cơ không cao, động cơ thường xuyên chạy ở tốc độ thấp, chạy
các quãng đường ngắn và tải nhẹ, buzi loại nguội thường sử dụng cho động cơ
tỉ số nén cao tốc độ động cơ thường hoạt động ở chế độ cao tốc độ lớn, quãng
đường dài và tải nặng.
Như vậy, việc lựa chọn buzi có phù hợp hay không cũng ảnh hưởng tới
tính năng của động cơ.
 Tụ điện C có nhiệm vụ dập tắt nhanh dòng điện sơ cấp để tạo ra sự
biến thiên từ thông trong mạch lớn, tạo ra dòng điện cảm ứng ở cuộn thứ cấp
lớn làm xuất hiện tia lửa điện ở hai cực của buzi với cường độ lớn. Ngoài ra
tụ điện còn có tác dụng bảo vệ má vít khỏi bị cháy khi có dòng qua đó lớn.
 Điện trở phụ Rp: K đóng mở nhanh hay muộn phụ thuộc vào tốc độ
vòng quay. Khi K đóng lâu dòng sơ cấp quá lớn sẽ đốt cháy W1 (vì dòng qua
là dòng một chiều chỉ có điện trở thuần, mà điện trở thuần rất nhỏ), để khắc
phục hiện tượng này người ta mắc nối tiếp W1 với điện trở phụ Rp
Rp có đặc điểm nhiệt độ càng tăng thì điện trở tăng theo, Rp càng lớn thì
khả năng cản trở dòng điện càng lớn. Do đó, Rp không cho dòng sơ cấp quá
lớn và bảo vệ W1 khi K đóng lâu. Ngược lại, khi dòng sơ cấp nhỏ thì điện áp
sơ cấp giảm dẫn đến độ biến thiên từ thông trong cuộn thứ cấp giảm làm dòng
thứ cấp giảm theo, lúc này điện áp giữa hai cực buzi nhỏ dẫn đến khó đánh
lửa. Do vậy, khi khởi động để dòng sơ cấp không quá nhỏ thì người ta sử
dụng tiếp điểm thường mở để nối tắt Rp. Sau khi kết thúc khởi động tiếp điểm
thường mở phải được mở ra.

24

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT

Khãa luËn tèt nghiÖp

Tr­êng §HSP Hµ Néi 2

W1

W2

Nguyên lý làm việc:
Khi động cơ làm việc khóa 2 đóng, có dòng điện gọi là dòng sơ cấp đi
qua cực dương của nguồn qua điện trở phụ vào cuộn sơ cấp của biến áp đánh
lửa 5 rồi đến bộ tạo xung 6. Bộ tạo xung về thực chất có một cặp tiếp điểm
đóng mở (má vít K) do trục cam liên hệ với trục khuỷu, trục cam này thường
đồng trục với bộ chia điện 8. Khi cặp tiếp điểm đóng, dòng sơ cấp qua cặp
tiếp điểm → cực âm của nguồn. Khi cam mở (ứng với thời điểm cần đánh
lửa), vào cuối kì nén của một xilanh nào đó O sẽ làm K ngắt, lúc này dòng sơ
cấp đang ở một giá trị nào đó đột ngột giảm về 0 làm xuất hiện từ thông biến
thiên, từ thông này cảm ứng lên cuộn thứ cấp W2 của biến áp đánh lửa làm
xuất hiện một sức điện động cảm ứng E2 khoảng 1500÷ 2100ºK. Điện thế này
được dẫn đến bộ chia điện 8 qua con quay phân phối và dây cáp 9 đến buzi
của xilanh tương ứng và sinh ra tia lửa điện cao áp để đốt cháy hỗn hợp trong
xilanh đó. Khi gờ cam O quay, K lại đóng, dòng sơ cấp lại xuất hiện. Đến thời

25

TrÇn ThÞ Hîi K33D - SPKT