Với sự phát triển không ngừng của công nghệ ô tô, hệ thống đánh lửa đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ. Hệ thống này không chỉ đảm bảo việc đánh lửa diễn ra đúng thời điểm mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và mức độ gặp sự cố của động cơ ô tô. Vì vậy, tìm hiểu về cách điều khiển hệ thống đánh lửa trở nên cực kỳ quan trọng để nắm bắt và tận dụng tối đa tiềm năng của động cơ ô tô trong môi trường ngày nay đòi hỏi sự hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, và giảm khí thải. Đề tài này không chỉ giúp hiểu rõ về nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa mà còn tạo cơ hội để nghiên cứu và đề xuất những cải tiến trong việc điều khiển hệ thống này.
Trên các ô tô hiện đại, kỹ thuật số đã được áp dụng vào trong hệ thống đánh lửa (HTĐL) từ nhiều năm nay. Việc điều khiển góc đánh lửa sớm và góc ngậm điện (dwell angle) sẽ được ECU thực hiện. Các thông số như: tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ động cơ được các cảm biến thu nhận và gửi về ECU xử lý và tính toán để đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ.
Các bộ phận như: cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm kiểu cơ khí (chân không, ly tâm) đã được loại bỏ hoàn toàn. HTĐL với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử (ESA-electronic spark advance)được chia làm 2 loại sau :
– HTĐL sử dụng bộ vi xử lý (Microprocessor ignition system).
– HTĐL sử dụng bộ vi xử lý kết hợp với hệ thống phun xăng (Motronic).
Nếu phân loại theo cấu tạo ta có:
– Hệ thống đánh lửa theo chương trình có delco
– Hệ thống đánh lửa theo chương trình không có delco (đánh lửa trực tiếp).
So với các hệ thống đánh lửa trước đó, HTĐL với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử có những ưu điểm sau:
– Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ.
– Góc ngậm điện luôn luôn được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và theo hiệu điện thế ắc qui, bảo đảm điện áp thứ cấp có giá trị cao ở mọi thời điểm.
– Động cơ khởi động dễ dàng, chạy ở chế độ cầm chừng êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm độc hại của khí thải.
– Công suất và đặc tính động học của động cơ được cải thiện rõ rệt.
– Có khả năng điều khiển chống kích nổ cho động cơ.
– Ít bị hư hỏng, có tuổi thọ cao và không cần bảo dưỡng.
Với những ưu điểm nổi bật như vậy, ngày nay HTĐL với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử kết hợp với hệ thống phun xăng đã thay thế hoàn toàn HTĐL bán dẫn, giải quyết các yêu cầu ngày càng cao về độ độc hại của khí thải.
Để có thể xác định chính xác thời điểm đánh lửa cho từng xy lanh của động cơ theo thứ tự thì nổ thì ECU cần phải nhận được các tín hiệu cần thiết như:tốc độ động cơ, vị trí vị trí piston, lượng không khí nạp, nhiệt độ động cơ, … Số tín hiệu vào càng nhiều thì việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác.
Sơ đồ HTĐL với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử có thể chia thành ba phần: tín hiệu vào (Input signals), ECU và tín hiệu từ ECU ra điều khiển ingiter (output signals).
Sơ đồ khối HTĐL với cơ cấu điều kiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử
1-Tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ (NE); 2-Tín hiệu từ cảm biến vị trí piston (G); 3-Tín hiệu tải; 4-Tín hiệu từ cảm biến bướm ga; 5-Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 6-Tín hiệu điện áp ắc qui; 7-Tín hiệu từ cảm biến kích nổ
Ngoài ra còn có thể có các tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến tốc độ xe, cảm biến ôxy. Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến ECU sẽ xử lý và đưa ra xung điều khiển đến igniter để điều khiển đánh lửa. Hình vẽ mô tả vị trí của các cảm biến trên động cơ.
Sơ đồ bố trí các cảm biến trên động cơ xăng
Trong các loại tín hiệu ngõ vào, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston và tín hiệu tải là các tín hiệu quan trọng nhất. Để xác định tốc độ động cơ, người ta có thể đặt cảm biến trên một vành răng ở đầu trục khuỷu, bánh đà, đầu trục cam hoặc trong delco. Có thể sử dụng cảm biến Hall, cảm biến điện từ, cảm biến quang. Số răng trên các vành răng khác nhau tuỳ thuộc loại cảm biến và tuỳ thuộc loại động cơ. Trong một số trường hợp, chỉ sử dụng một vòng răng để dùng chung cho việc xác định tốc độ động cơ và vị trí piston.
Để xác định tải của động cơ, ECU dựa vào tín hiệu áp suất trên đường ống nạp hoặc tín hiệu lượng khí nạp. Tín hiệu điện thể hiện sự thay đổi về áp suất trên đường ống nạp khi tải thay đổi đượcgửi về ECU. ECU nhận tín hiệu này để xử lý và quy ra mức tải tương ứng để xác định góc đánh lửa sớm.
So sánh đặc tính điều chỉnh góc đánh lửa sớm kiểu cơ khí và điện tử
1-Đặc tính đánh lửa sớm bằng điện tử; 2-Đặc tính đánh lửa sớm hiệu chỉnh bằng cơ khí
Trong các HTĐL trước đây, việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm được thực hiện bằng phương pháp cơ khí với cơ cấu ly tâm và chân không. Đường đặc tính đánh lửa sớm tối ưu rất đơn giản và không chính xác. Trong khi đó, đường đặc tính đánh lửa lý tưởng được xác định bằng thực nghiệm rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thông số. Đồ thị hình 1.80 mô tả sự sai lệch giữa 2 kiểu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử và cơ khí. Đối với HTĐL sử dụng cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh gần sát với đặc tính lý tưởng. Kết hợp hai đặc tính đánh lửa sớm theo tốc độ và theo tải có bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng với khoảng 1000 đến 4000 điểm đánh lửa sớm được chọn lựa nạp vào bộ nhớ của ECU động cơ.
Bản đồ góc đánh lửa sớm
a-HTĐL theo chương trình; b-HTĐL thường
Bản đồ góc ngậm điện
Một chức năng khác của ECU trong việc điều khiển đánh lửa là điều khiển góc ngậm điện (dwell angle control). Góc ngậm điện phụ thuộc vào hai thông số:điện ápắc qui và tốc độ động cơ. Khi khởi động chẳng hạn, điện ápắc qui bị giảm do sụt áp, vì vậy ECU sẽ điều khiển tăng thời gian ngậm điện nhằm mục đích tăng dòng điện trong cuộn sơ cấp. Ở tốc độ thấp, do thời gian tích luỹ năng lượng quá dài(góc ngậm điện lớn) gây lãng phí năng lượng nên ECU sẽ điều khiển xén bớt xung điện áp điều khiển để giảm thời gian ngậm điện nhằm mục đính tiết kiệm năng lượng và tránh nóng bô bin. Trong trường hợp dòng sơ cấp vẫn tăng cao hơn giá trị ấn định, bộ phận hạn chế dòng sẽ làm việc và giữ cho dòng điện sơ cấp không thay đổi cho đến thời điểm đánh lửa.
Một điểm cần lưu ý là việc điều chỉnh góc ngậm điện có thể được thực hiện trong ECU hay ở igniter. Vì vậy, igniter của hai loại có và không có bộ phận điều chỉnh góc ngậm điện không thể lắp lẫn.
Góc đánh lửa sớm thực tế khi động cơ hoạt động được xác định bằng công thức sau: θ = θ(bd) + θ(cb) + θ(hc)
Trong đó: θ – góc đánh lửa sớm thực tế; θ(bd) – góc đánh lửa sớm ban đầu; θ(cb)- góc đánh lửa sớm cơ bản; θ(hc) – góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh.
Góc đánh lửa sớm thực tế
Góc đánh lửa sớm ban đầu (θ(bd)) phụ thuộc vào vị trí của delco hoặc cảm biến vị trí piston (tín hiệu G). Thông thường, trên các loại xe góc đánh lửa sớm ban đầu được hiệu chỉnh trong khoảng từ 5° đến 15° trước điểm chết trên ở tốc độ cầm chừng. Đối với HTĐL với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm, ta chỉ chỉnh được góc đánh lửa sớm ban đầu.
Dựa vào tốc độ (tín hiệu NE) và tải của động cơ (từ tín hiệu áp suất trên đường ống nạp hoặc lưu lượng khí nạp), ECU sẽ đọc giá trị của góc đành lửa sớm cơ bản (θ(cb)) được lưu trữ trong bộ nhớ.
Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh (θ(hc)) là góc đánh lửa sớm được cộng thêm hoặc giảm bớt khi ECU nhận được các tín hiệu khác như: nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, tín hiệu kích nổ, tín hiệu tốc độ xe, … Vì vậy góc đánh lửa sớm thực tế được tính bằng góc đánh lửa sớm ban đầu cộng với góc đánh lửa sớm cơ bản và góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh để đạt được góc đánh lửa sớm lý tưởng theo từng chế độ hoạt động của động cơ.
Xung điều khiển đánh lửa IGT
Sau khi xác định được góc đánh lửa sớm, bộ xử lý trung tâm (CPU- Central Processing Unit) sẽ đưa ra xung điện áp để điều khiển đánh lửa (IGT) Hình mô tả quá trình dịch chuyển xung IGT trong CPU về phía trước của điểm chết trên khi có sự hiệu chỉnh về góc đánh lửa cơ bản (θ(cb)) và góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh (θ(hc)) ngoài ra, xung IGT có thể được xén trước khi gửi qua Igniter.
Để đặt lửa cho HTĐL với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, trên đa số các loại xe ta phải báo cho ECU biết. Ví dụ, trên xe Toyota, khi đặt lửa ta nối hai đầu TE1 và E1 của check connector trước lúc đặt lửa. Khi đó ECU sẽ loại trừ các yếu tố ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm và việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm mới chính xác.
Đánh lửa không chỉ là quá trình tạo ra lửa trong buồng đốt, mà còn là yếu tố quyết định đến hiệu suất, tiêu thụ nhiên liệu và khả năng bảo vệ môi trường của xe ô tô. Nghiên cứu về điều khiển hệ thống đánh lửa ô tô không chỉ giúp ta định rõ những vấn đề thường gặp mà còn mở rộng tầm nhìn về những khía cạnh kỹ thuật và công nghệ mới có thể được tích hợp vào hệ thống này trong tương lai. Với sự đóng góp của các nhà nghiên cứu và kỹ sư, chúng ta có thể mong đợi sự tiến bộ đáng kể trong việc nâng cao hiệu suất và bảo vệ môi trường của các xe ô tô tiếp theo.
