Bugi đánh lửa là một bộ phận đốt cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu trong động cơ đốt trong. Nó thực hiện điều này bằng cách sử dụng một dòng điện chạy qua khe hở không khí giữa hai điện cực, gây ra tia lửa điện. Nói cách khác, bugi rất quan trọng trong việc duy trì hoạt động của động cơ. Hỗn hợp không khí/nhiên liệu không thể bốc cháy mà không có tia lửa điện, khiến động cơ dừng hoạt động. Điều cần thiết là phải thừa nhận ba điều cơ bản mà động cơ đốt trong chạy bằng xăng cần phải chạy: Không khí, nhiên liệu và tia lửa.
Bugi là gì?
Bugi là một thiết bị điện được sử dụng trong động cơ đốt trong để tạo ra tia lửa đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí trong buồng đốt. Là một phần của hệ thống đánh lửa của động cơ, bugi nhận điện áp cao (được tạo ra bởi cuộn dây đánh lửa trong động cơ hiện đại và được truyền qua dây bugi) mà nó sử dụng để tạo ra tia lửa điện trong khe hở nhỏ giữa các điện cực dương và âm . Thời điểm đánh lửa là yếu tố chính trong hoạt động của động cơ và bugi thường hoạt động ngay trước khi quá trình đốt cháy bắt đầu.
Kết cấu của bugi
Các bộ phận chính của bugi là vỏ, chất cách điện, điện cực trung tâm và điện cực bên (còn được gọi là “điện cực nối đất”). Phần chính của chất cách điện thường được làm từ nhôm nung kết (Al2O3), một vật liệu gốm cứng có độ bền điện môi cao. Trong động cơ hàng hải, vỏ của bugi thường là kim loại được mạ kẽm-cromat nhúng hai lần.
1. Chất cách điện
Chất cách điện cách ly cực đầu nối, trục trung tâm và điện cực trung tâm khỏi vỏ, ngăn chặn sự thoát điện áp cao từ các điện cực. Vì phần dưới của chất cách điện chiếu vào buồng đốt, cho nên sử dụng alumina có độ tinh khiết cao với đặc tính cách nhiệt vượt trội, độ bền cơ học, cách nhiệt tuyệt vời và dẫn nhiệt ở nhiệt độ cao, vv .
2. Cực đầu nối bugi
Cực đầu nối được kết nối với một dây cao áp để dòng điện cao áp từ hệ thống đánh lửa chạy qua. Đầu cực có thể được lắp đặt đai ốc đầu cực để có thể hỗ trợ hầu hết mọi dây điện cao thế trên thế giới. Đối với các phương tiện không yêu cầu đai ốc đầu cực, thì đai ốc này có thể được gỡ bỏ.
3, 9. Vòng đệm
Làm cho lớp cách điện và vỏ vừa khít với nhau và duy trì độ kín khí.
4. Trục trung tâm (stem)
Trục trung tâm kết nối thiết bị đầu cuối và điện cực trung tâm. Trục này được làm bằng thép và có vai trò cho phép dòng điện cao áp đi từ đầu cực về điện cực trung tâm mà không bị suy hao.
5. Vỏ bugi
Vỏ tạo thành lớp vỏ bên ngoài bao quanh chất cách điện, đỡ chất cách điện và lắp bugi vào động cơ.
Ở dưới cùng, điện cực nối đất được đặt, do đó dòng điện có thể chạy qua chính động cơ đến điện cực trung tâm qua khe hở.
6. Lớp làm kín
Được gắn giữa trục trung tâm và chất cách điện để duy trì độ kín khí. Một hỗn hợp đặc biệt của bột thủy tinh và bột đồng được tích điện trong phần lắp đặt cho chất cách điện và trục trung tâm và điện cực trung tâm và được nấu chảy ở nhiệt độ cao. Điều này liên kết trục trung tâm và điện cực trung tâm và kết hợp chất cách điện với kim loại. Khả năng bịt kín cho cả hai đều tốt và tỷ lệ giãn nở nhiệt phù hợp, do đó, ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt, các khe hở cũng không xuất hiện và có thể đảm bảo độ kín khí tốt.
7. Gioăng đệm
Làm cho vỏ và động cơ khít với nhau và duy trì độ kín của buồng đốt. Có quy trình siết chặt và đảm bảo biên độ siết phù hợp.
8. Điện cực với đồng
Hợp kim niken đặc biệt được sử dụng cho điện cực trung tâm để giảm mài mòn điện cực. Đồng được hàn kín vào phần trung tâm để cải thiện khả năng dẫn nhiệt.
10. Điện cực trung tâm
Điện cực trung tâm chính là điện cực tạo ra tia lửa điện. Điện cực trung tâm có thể là Nickel, Platinum hoặc. Iridium.
Đối với điện cực Iridium, một đầu hợp kim iridi mới có đường kính 0,4 mm được hàn bằng tia laser vào đầu của điện cực trung tâm để tạo thành điện cực trung tâm. Điều này làm giảm điện áp đánh lửa, đảm bảo tia lửa đáng tin cậy, giảm hiệu ứng dập tắt và cải thiện hiệu suất đánh lửa. Iridi, giống như bạch kim, là một kim loại quý và có các đặc tính cực kỳ ưu việt đối với điện cực bugi, chẳng hạn như khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền cao và điện trở thấp.
11. Điện cực nối đất rãnh chữ U
- Vật liệu crôm niken được sử dụng cho điện cực nối đất và các biện pháp khác nhau được thực hiện với hình dạng để cải thiện hiệu suất đánh lửa. Một trong những biện pháp này là rãnh chữ U.
- (1) Bề mặt tiếp xúc của hỗn hợp không khí-nhiên liệu lớn,
- (2) Có nhiều phần cạnh và dễ dàng xảy ra tia lửa.
- (3) Lõi ngọn lửa (kích thước ngọn lửa) mở rộng dễ dàng.
- Có nhiều tính năng khác nữa và năng lượng đánh lửa lớn có thể thu được.
DENSO đã nhận được bằng sáng chế cho rãnh chữ U của bugi từ năm 1975 đến năm 1992.
12. Điện cực nối đất cắt hình côn
Điện cực nối đất có hình dạng trong đó đầu điện cực được cắt thành hình dạng thuôn nhọn. Điều này làm giảm hiệu ứng dập tắt, vì vậy nó cải thiện hiệu suất đánh lửa.
Tia lửa và đánh lửa
Khe hở Bugi
Khoảng cách giữa đầu bugi và điện cực trung tâm được gọi là “khe hở bugi” và là yếu tố chính trong chức năng của bugi. Khe hở bugi đối với động cơ ô tô thường từ 0,6 đến 1,8 mm (0,024 đến 0,071 in). Các động cơ hiện đại (sử dụng hệ thống đánh lửa thể rắn và phun nhiên liệu điện tử) thường sử dụng khe hở lớn hơn so với các động cơ cũ sử dụng bộ phân phối điểm ngắt và bộ chế hòa khí.
Kích thước khe hở bugi nhỏ hơn thường đáng tin cậy hơn trong việc tạo ra tia lửa điện, tuy nhiên tia lửa điện có thể quá yếu để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Kích thước khe hở bugi lớn hơn sẽ tạo ra tia lửa điện mạnh hơn, tuy nhiên không phải lúc nào tia lửa điện cũng có thể được tạo ra (chẳng hạn như ở RPM cao). Điều chỉnh khe hở không được khuyến nghị cho bugi iridi và bạch kim, vì có nguy cơ làm hỏng đĩa kim loại được hàn vào điện cực.
Tia lửa
Khi điện áp cao do hệ thống đánh lửa tạo ra được đặt giữa điện cực trung tâm và điện cực nối đất của bugi, lớp cách điện giữa các điện cực bị phá vỡ, dòng điện chạy trong hiện tượng phóng điện và tia lửa điện được tạo ra.
Năng lượng tia lửa này kích hoạt đánh lửa và đốt cháy trong hỗn hợp nhiên liệu không khí nén. Sự phóng điện này diễn ra trong thời gian cực ngắn (khoảng 1/1000 giây) và cực kỳ phức tạp.
Vai trò của bugi là tạo ra tia lửa điện mạnh giữa các điện cực một cách chính xác tại thời điểm xác định để tạo ngòi nổ cho quá trình đốt cháy hỗn hợp khí.
Đánh Lửa
Đánh lửa bằng tia lửa điện xảy ra do các hạt nhiên liệu giữa các điện cực được tia lửa điện kích hoạt phóng điện, một phản ứng hóa học (oxy hóa) được kích hoạt, nhiệt của phản ứng được tạo ra và lõi ngọn lửa được hình thành. Nhiệt này kích hoạt hỗn hợp nhiên liệu không khí xung quanh, cuối cùng một lõi ngọn lửa được hình thành để lan truyền quá trình đốt cháy ra môi trường xung quanh.
Tuy nhiên, nếu tác dụng dập tắt giữa các điện cực (công của các điện cực hấp thụ nhiệt và dập tắt ngọn lửa) lớn hơn tác dụng sinh nhiệt của lõi ngọn lửa, lõi ngọn lửa sẽ bị dập tắt và quá trình cháy dừng lại. Nếu khe hở đánh lửa rộng, lõi ngọn lửa lớn hơn và hiệu ứng dập tắt nhỏ hơn, do đó có thể mong đợi đánh lửa đáng tin cậy, nhưng nếu khe hở quá rộng, cần có điện áp xả lớn, vượt quá giới hạn hiệu suất của cuộn dây, và xả trở nên không thể.
Thay đổi điện áp phóng điện
Hệ thống đánh lửa thông thường tạo ra điện áp thứ cấp 10-30 kV.
- Khi dòng điện sơ cấp bị cắt tại điểm ‘a’, điện áp thứ cấp sẽ tăng lên.
- Tại điểm ‘b’, giữa quá trình tăng điện áp, bugi đạt đến điện áp phóng điện và tia lửa điện được tạo ra giữa các điện cực.
- Giữa ‘b’ và ‘c’ được gọi là tia lửa điện dung. Khi bắt đầu phóng điện, tia lửa điện được tạo ra bởi năng lượng điện được lưu trữ trong mạch thứ cấp. Dòng điện lớn nhưng thời gian tác dụng ngắn.
- Giữa ‘c’ và ‘d’ được gọi là tia lửa điện cảm. Tia lửa được tạo ra bởi năng lượng điện từ của cuộn dây. Dòng điện nhỏ nhưng thời gian kéo dài. Từ điểm ‘c’, quá trình phóng điện được tiếp tục trong khoảng 1 mili giây và tại điểm ‘d’, quá trình phóng điện kết thúc.
Các loại Bugi
Bugi có thể được phân loại dựa trên phạm vi nhiệt của tia lửa điện. Dải nhiệt của bugi được định nghĩa là khả năng truyền nhiệt của nó từ đầu đánh lửa đến buồng đốt của động cơ. Chiều dài đầu mút cách điện đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát dải nhiệt của bugi và nó thay đổi ở các loại bugi khác nhau. Theo phạm vi nhiệt, bugi được chia thành ba loại tức là chạy nóng, chạy lạnh và chạy trung bình.
Bugi lạnh (Cold spark plug)
Bugi chạy lạnh truyền nhiệt rất nhanh từ đầu đánh lửa đến buồng đốt vì nó có đầu chất cách điện nhỏ ngắn và đường thải nhiệt nhỏ. Nó được sử dụng để tránh hiện tượng quá nhiệt ở những nơi nhiệt độ buồng đốt rất cao như trong xe đua hoặc xe thể thao và trong động cơ hạng nặng.
Bugi nóng (Hot spark plug)
Nó có đầu cách điện dài và do đó nó có đường thải nhiệt cao được sử dụng để tránh hiện tượng đóng cặn lạnh ở những nơi nhiệt độ buồng đốt thấp thường thấy trong trường hợp động cơ chạy không tải hoặc khởi động và trong các hoạt động công suất thấp.
Bugi trung bình
Nó nằm ở khoảng giữa dải nóng và lạnh của bugi. Độ dài của đầu cách điện không quá nhỏ và không quá lớn. Nó là phù hợp nhất trong các ứng dụng chạy hiệu quả, xe gia đình.
Lịch sử Bugi
Kỹ sư người Bỉ gốc Pháp Étienne Lenoir thường được ghi nhận là người đã phát minh ra bugi đánh lửa vào năm 1860, do nó được sử dụng trong động cơ xăng Lenoir đời đầu. Tuy nhiên, một số nguồn cho rằng bugi thực sự được phát minh vào năm 1839, bởi Edmond Berger, một người nhập cư từ Togo.
Một số bằng sáng chế liên quan đến hệ thống đánh lửa điện đã được nộp vào cuối những năm 1890, bao gồm từ kỹ sư người Serbia Nikola Tesla, kỹ sư người Anh Frederick Richard Simms và kỹ sư người Đức Robert Bosch. Tuy nhiên, việc sử dụng bugi đánh lửa điện áp cao trong các động cơ thương mại chỉ được thực hiện sau năm 1902, do kỹ sư Gottlob Honold của Bosch đã phát minh ra hệ thống đánh lửa dựa trên nam châm. Các nhà sản xuất bugi ban đầu bao gồm công ty Champion của Mỹ, công ty Anh em nhà Lodge của Anh và KLG có trụ sở tại London (người đi tiên phong trong việc sử dụng mica làm chất cách điện).
Trong những năm 1930, nhà địa chất học người Mỹ Helen Blair Bartlett đã phát triển một chất cách điện bằng gốm alumina cho bugi.
Bugi đánh lửa bằng polonium được Firestone đưa ra thị trường từ năm 1940 đến năm 1953. Mặc dù lượng bức xạ từ bugi rất nhỏ và không phải là mối đe dọa đối với người tiêu dùng, nhưng lợi ích của những bugi như vậy nhanh chóng giảm đi sau khoảng một tháng do chu kỳ bán rã ngắn của polonium. và bởi vì sự tích tụ trên các dây dẫn sẽ chặn bức xạ. Tiền đề đằng sau bugi đánh lửa polonium, cũng như bugi radium nguyên mẫu của Alfred Matthew Hubbard đi trước nó, là bức xạ sẽ cải thiện quá trình ion hóa nhiên liệu trong xi lanh và do đó cho phép bugi đánh lửa nhanh hơn và hiệu quả hơn.
