EN
Chức năng cốt lõi của Bộ đánh lửa trong việc khởi động quá trình cháy
Từ tín hiệu điện áp thấp đến tia lửa năng lượng cao: quá trình chuyển đổi năng lượng của bộ đánh lửa
Một mô-đun đánh lửa hoạt động như điểm kết nối chính giữa hệ thống điện 12 volt tiêu chuẩn của ô tô và những tia lửa mạnh cần để đốt cháy nhiên liệu trong động cơ. Các mô-đun này dựa vào điện tử bán dẫn để ngắt dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp của bộ đánh lửa. Khi điều này xảy ra, từ trường sụp đổ một cách đột ngột, tạo ra một xung điện áp lớn trong cuộn thứ cấp, thường ở mức trên 30 nghìn volt. Toàn bộ thiết lập này đã thay thế các tiếp điểm cơ học cũ vốn từng bị mài mòn theo thời gian, gây ra các vấn đề về độ trễ. Lợi ích là gì? Thời điểm đánh lửa duy trì sự ổn định ở mức vi giây. Hầu hết các mô-đun đánh lửa hiện đại có thể tiếp tục hoạt động đáng tin cậy trong hơn 100 nghìn chu kỳ trước khi xuất hiện bất kỳ dấu hiệu mài mòn hay suy giảm hiệu suất.
Thời gian chính xác, tốc độ tăng điện áp và kiểm soát thời gian nạp ảnh hưởng trực tiếp như thế nào đối với quá trình hình thành nhân ngọn lửa
Việc khởi động thành công hạt ngọn lửa phụ thuộc vào ba thông số được điều chỉnh chặt chẽ do mô-đun đánh lửa kiểm soát:
- Độ chính xác định thời gian (±0,1° góc quay trục khuỷu): Rất quan trọng đối với hoạt động CNG pha loãng, nơi cửa sổ đánh lửa hẹp — giảm khoảng 40% so với xăng — đòi hỏi phải đồng bộ chính xác với vị trí piston
- Tốc độ tăng điện áp (>1 kV/µs): Đảm bảo đánh thủng khoảng cách tia lửa một cách ổn định bất chấp dao động áp suất xi-lanh lên đến 300 psi
- Điều khiển thời gian tích năng (1,5–3,5 ms): Điều chỉnh động thời gian bão hòa cuộn dây để cung cấp năng lượng tia lửa ≥3,0 mJ đồng thời kiểm soát tải nhiệt
Dữ liệu thực tế từ thử nghiệm nhiên liệu khí đã được EPA chứng nhận cho thấy độ lệch vượt quá 5% ở bất kỳ thông số nào trong số này sẽ làm tăng tần suất cháy bỏ máy lên đến 17 lần — trong điều kiện đốt lean-burn pha EGR — làm nổi bật lý do tại sao các mô-đun dựa trên vi xử lý hiện nay có thể đạt được độ ổn định cháy tới 99,97% ngay cả ở λ = 1,6.
Yêu cầu năng lượng đánh lửa cho quá trình cháy CNG ổn định
Lý do khiến khí tự nhiên nén cần nhiều năng lượng hơn khoảng 2 đến 3 lần để bắt lửa so với xăng thông thường liên quan đến một số yếu tố. Trước hết, CNG cháy chậm hơn nhiều so với xăng, với tốc độ ngọn lửa tầng lớp khoảng 0,38 mét mỗi giây so với khoảng 0,8 m/s đối với xăng. Ngoài ra, phạm vi bắt cháy của CNG cũng rộng hơn đáng kể ở mức nồng độ 5 đến 15 phần trăm, trong khi xăng chỉ từ 1,4 đến 7,6 phần trăm. Hơn nữa, khi hỗn hợp trong buồng đốt trở nên quá loãng và rối loạn, CNG dễ bị tắt hoàn toàn hơn. Tất cả những đặc tính này có nghĩa là bugi phải làm việc mạnh mẽ và lâu hơn để khởi tạo ngọn lửa ban đầu và duy trì sự ổn định trong suốt chu kỳ cháy, đặc biệt trong các động cơ hiện đại ngày nay nơi mức độ pha loãng thường khá cao.
Ngưỡng thực nghiệm: 2,5–4,5 mJ để phát triển nhân ngọn lửa CNG đáng tin cậy trong điều kiện hỗn hợp loãng, pha loãng cao
Các nghiên cứu đã được bình duyệt—bao gồm Bài báo Kỹ thuật SAE International 2021-01-0556—xác nhận rằng quá trình cháy ổn định của CNG đòi hỏi năng lượng tia lửa đánh lửa cung cấp trong khoảng 2,5–4,5 mJ. Ngưỡng cao hơn này xuất phát từ ba yếu tố liên quan chặt chẽ với nhau:
- Ràng buộc do đốt lean : Lượng không khí dư làm giảm phản ứng của hỗn hợp, kéo dài thời gian cần thiết để nhân ngọn lửa phát triển
- Pha loãng hỗn hợp nạp : EGR làm tăng nhu cầu năng lượng đánh lửa thêm 30–40% bằng cách giảm nhiệt độ hỗn hợp và nồng độ gốc tự do
- Động lực Áp suất : Các động cơ có tỷ số nén cao đặt khe hở tia lửa vào điều kiện áp suất vượt quá 300 psi, làm tăng độ bền điện môi và kìm hãm sự lan truyền ngọn lửa ban đầu
Để đáp ứng yêu cầu này, các mô-đun đánh lửa hiện đại sử dụng dãy xung nhiều lần và kéo dài thời gian đánh lửa (>1,5 ms), đảm bảo khả năng bắt lửa mạnh mẽ ngay cả ở các tỉ lệ hỗn hợp nhiên liệu-không khí trên λ = 1,5.
Thời gian tia lửa và ảnh hưởng của nó đến độ ổn định cháy
Thời gian dòng điện tối ưu (1,2–2,0 ms) để duy trì sự phát triển ngọn lửa ban đầu trong nhiên liệu khí
Khi làm việc với nhiên liệu khí như khí tự nhiên nén (CNG), tia lửa cần được duy trì lâu hơn so với thời gian thông thường ở động cơ xăng thông thường nếu muốn phát triển nhân ngọn lửa một cách ổn định. Theo các phát hiện từ Tạp chí Nghiên cứu Động cơ Quốc tế, khoảng 1,2 đến 2 mili giây dường như là khoảng thời gian lý tưởng để đạt được sự đánh lửa ổn định khi vận hành hỗn hợp loãng với mức pha loãng cao. Khoảng thời gian bổ sung này giúp khắc phục đặc tính cháy chậm của CNG và tạo điều kiện cho các ngọn lửa nhỏ phát triển đủ lớn trước khi các yếu tố như thất thoát nhiệt hoặc chuyển động không khí làm ảnh hưởng. Nếu tia lửa quá ngắn, dưới 1,2 mili giây, các vấn đề bắt đầu xuất hiện, bao gồm hiệu suất động cơ không ổn định và quá trình cháy không hoàn toàn. Tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn trong các hệ thống có tăng áp cưỡng bức hoặc hệ thống tuần hoàn khí thải được lắp cùng với nhiên liệu CNG.
Sự đánh đổi giữa thời gian đánh lửa kéo dài, giới hạn nhiệt của cuộn dây và độ tin cậy của mô-đun
Việc kéo dài thời gian tia lửa vượt quá 2,0 ms sẽ tạo ra những sự đánh đổi kỹ thuật đáng kể:
- Ứng suất nhiệt cuộn dây : Mỗi 0,5 ms bổ sung làm tăng nhiệt độ đỉnh của cuộn dây khoảng 40°C, làm gia tăng nguy cơ hỏng lớp cách điện và phóng điện hồ quang
- Suy giảm mô-đun : Dòng điện chạy lâu hơn làm tăng tốc độ mài mòn bán dẫn, đặc biệt ở các bộ điều khiển sử dụng IGBT hoặc MOSFET đang vận hành gần giới hạn thiết kế về nhiệt
- Giảm cường độ tia lửa : Thời gian kéo dài gây sụt áp, làm giảm công suất tia lửa đỉnh và có thể ảnh hưởng đến khả năng đánh lửa qua khe hở trong môi trường áp suất cao
Các mô-đun đánh lửa tiên tiến giảm thiểu những rủi ro này thông qua giám sát nhiệt độ theo thời gian thực và các thuật toán ngắt điện thích ứng—đảm bảo duy trì quá trình cháy mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy lâu dài.
Câu hỏi thường gặp
Vai trò chính của mô-đun đánh lửa là gì?
Mô-đun đánh lửa kết nối hệ thống điện của xe với các tia lửa mạnh cần thiết để đốt cháy nhiên liệu trong động cơ, biến đổi tín hiệu điện áp thấp thành các tia lửa năng lượng cao.
Tại sao CNG cần nhiều năng lượng đánh lửa hơn so với xăng?
CNG cần nhiều năng lượng hơn do tốc độ cháy chậm, phạm vi bắt lửa rộng và dễ bị tắt dưới điều kiện hỗn hợp loãng và rối loạn.
Tại sao thời gian tia lửa lại quan trọng đối với quá trình cháy của CNG?
Thời gian tia lửa dài hơn đảm bảo đánh lửa ổn định cho CNG bằng cách thích ứng với đặc tính cháy chậm của nó và hỗ trợ sự phát triển ban đầu của ngọn lửa, đặc biệt trong các hỗn hợp bị pha loãng.