Thời điểm đánh lửa động cơ đốt trong

Trong động cơ xăng, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được đánh lửa để đốt cháy (nổ), và áp lực sinh ra từ sự bốc cháy sẽ đẩy píttông 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 10o sau Điểm Chết Trên (ATDC).
Động cơ không tạo ra áp lực nổ cực đại vào thời điểm đánh lửa; nó phát ra áp lực nổ cực đại chậm một chút, sau khi đánh lửa.

Vì vậy, phải đánh lửa sớm, sao cho áp lực nổ cực đại được tạo ra vào thời điểm 10o ATDC.
Thời điểm đánh lửa để động cơ có thể sản ra áp lực nổ cực đại vào 10o trước điểm chết trên (BTDC) lại thường xuyên thay đổi, tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ.
Vì thế, hệ thống đánh lửa phải có khả năng đánh lửa vào thời điểm để động cơ tạo ra áp lực nổ một cách có hiệu quả nhất, phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ.
1. Giai đoạn cháy trễ

Sự bốc cháy (nổ) của hỗn hợp không khí-nhiên liệu không 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 chung quanh.
Quãng thời gian từ khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu 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 không bị ảnh hưởng của điều kiện làm việc của động cơ.

2. Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

Sau khi hạt nhân ngọn lửa hình thành, ngọn lửa nhanh chóng lan truyền ra chung 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 không khí được nạp vào, hỗn hợp không khí-nhiên liệu trở nên có mật độ cao hơn. Vì thế, khoảng cách giữa các hạt trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu giảm xuống, nhờ thế, tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng lên.

Ngoài ra, luồng hỗn hợp không khí-nhiên liệu xoáy 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.

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 10o ATDC

GỢI Ý:

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 tốc độ động cơ bằng thời điểm đánh lửa

t : Khoảng cháy trễ

 1. Thời điểm đánh lửa

 2. Thời điểm đánh lửa để có áp lực nổ cực đại

 3. Ranh giới giữa giai đoạn cháy trễ và tốc độ lan truyền ngọn lửa

 A. Giai đoạn cháy trễ

 B. Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

 C. Đánh lửa muộn

 D. Góc quay của trục khuỷu

(1) Động cơ được coi là phát công suất hiệu quả nhất khi áp lực nổ tối đa xuất hiện ở 10o ATDC, khi đó thời điểm đánh lửa tối ưu là 10o BTDC, với tốc độ 1000 v/ph. 

(2) 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 (1) cho tốc độ 2000 v/ph thì thời điểm mà động cơ sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị trễ hơn 10o ATDC. 

(3) Vì vậy, để sản ra áp lực nổ cực đại tại 10o 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 trong mục (2). Quá trình định thời đánh lửa sớm này được gọi là đánh lửa sớm, và sự làm trễ thời điểm đánh lửa được gọi là đánh lửa muộn. 

Điều khiển theo tải trọng của động cơ bằng thời điểm đánh lửa

 1. Thời điểm đánh lửa

 2. Thời điểm đánh lửa để có áp lực nổ cực đại

 3. Ranh giới giữa giai đoạn cháy trễ và tốc độ lan truyền ngọn lửa

 A. Giai đoạn cháy trễ

 B. Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

 C. Đánh lửa muộn

 D. Góc quay của trục khuỷu

(1) Khi động cơ mang tải thấp thì áp lực nổ cực đại được coi là xuất hiện 10o ATDC , khi thời điểm đánh lửa tối ưu được đặt sớm 20o BTDC. 

(2) Khi tải trọng của động cơ tăng, mật độ không khí cũng tăng và giai đoạn lan truyền ngọn lửa giảm xuống. Vì thế, nếu cứ sử dụng thời điểm đánh lửa như trong mục (1) thì thời điểm mà động cơ sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị sớm hơn 10o ATDC. 

(3) Để sản ra áp lực nổ cực đại tại thời điểm 10o 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 trong mục (2).

Ngược lại, khi tải trọng của động cơ thấp thì th ời điểm đánh lửa phải sớm hơn. (Tuy nhiên, khi động cơ chạy không tải, thì khoảng thời gian đánh lửa sớm phải nhỏ hoặc bằng không để ngăn ngừa hiện tượng nổ không ổn định.) 

 Điều khiển tiếng gõ động cơ bằng thời điểm đánh lửa

Tiếng gõ trong động cơ do sự tự bốc cháy gây ra, khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu tự bắt lửa trong buồng đốt. Động cơ trở nên dễ bị gõ 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. Trái lại, tiếng gõ nhẹ lại có tác dụng nâng cao tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất.

Các hệ thống đánh lửa gần đây có điều khiển thời điểm đánh lửa làm muộn thời điểm đánh lửa theo tiếng gõ, khi cảm biến phát hiện có tiếng gõ thì điều khiển cho thời điểm đánh lửa muộn, còn khi không phát hiện ra tiếng gõ nữa thì điều khiển cho thời điểm đánh lửa sớm hơn. Bằng cách ngăn ngừa tiếng gõ như vậy, hệ thống này giúp tăng tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát.