Động Cơ Được Lửa Như Thế Nào? Câu Chuyện Bị Lãng Quên Về Bugi và Bộ Điện (Magneto)

Hệ thống đánh lửa là hệ thống con có nhiệm vụ đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong xi-lanh của động cơ đốt trong sau khi cửa nạp-kết thúc và bị nén lại; không có bộ phận tạo tia lửa có kiểm soát trong bugi này thì chu trình bốn thì không thể hoàn tất. Dòng chảy hơn 150 năm, từ động cơ của Étienne Lenoir năm 1860 đến các hệ thống coil-on-plug ngày nay, thực chất là câu chuyện giải quyết một vấn đề duy nhất: tạo tia lửa vào đúng thời điểm, với đủ điện áp, một cách đáng tin cậy.

Động cơ sinh ra cùng vấn đề tia lửa: Những chiếc bugi đầu tiên và Lenoir

Chiếc động cơ piston đốt trong đầu tiên đã mang theo vấn đề đánh lửa ngay từ khi chưa ra đời. Năm 1860, Étienne Lenoir đã sử dụng một bugi điện trong động cơ khí mang tên mình và thường được ghi nhận là người phát minh ra bugi. Về nguyên lý, hệ thống này giống hệ thống ngày nay một cách đáng ngạc nhiên: điện cao áp nhảy qua khoảng không khí giữa các điện cực của bugi, tạo ra tia lửa. Khái niệm bugi, tức đánh lửa bằng tia lửa (spark-ignition), chưa bao giờ thay đổi; nguyên lý hoạt động cơ bản vẫn giữ nguyên suốt hơn 150 năm.

Trên con đường đưa bugi đến độ chín thương mại, một cái tên thứ hai nổi bật lên: Frederick Richard Simms. Simms là chủ nhân của bằng sáng chế số GB 24859/1898 về một bộ magneto cho động cơ đốt trong và được biết đến là người phát minh ra bugi cao áp đầu tiên khả thi về mặt thương mại. Việc ông bắt đầu hợp tác với Bosch cũng trong năm đó không phải là sự trùng hợp ngẫu nhiên; để bugi hoạt động được, cần một nguồn cao áp đáng tin cậy đứng sau nó, và nguồn đó chính là bộ magneto.

Việc ai là người phát minh ra bugi đến nay vẫn còn gây tranh cãi. Mặc dù Lenoir là cái tên được chấp nhận rộng rãi, nhưng cũng có tư liệu cho rằng bugi điện do Oliver Lodge phát minh; tên của Edmond Berger cũng được nhắc đến. Còn nguồn gốc của hệ thống đánh lửa phóng điện tụ (CDI) có thể truy ngược về thập niên 1890, đến các nghiên cứu của Nikola Tesla. Như trong hầu hết các lĩnh vực của lịch sử kỹ thuật, ở đây đúng hơn nên nói đến vài đóng góp bổ trợ lẫn nhau thay vì một cái tên duy nhất.

Thời đại Magneto: Tia lửa không cần ắc quy và sự trỗi dậy của Bosch

Trong những năm đầu của ô tô, hệ thống điện như chúng ta hiểu ngày nay hầu như không tồn tại; mang ắc quy theo xe là nặng nề, đắt đỏ và không đáng tin cậy. Magneto đã lấp đầy khoảng trống đó: vì tự tạo ra điện nhờ chuyển động quay của mình, nó cung cấp xung tia lửa không cần ắc quy. Robert Bosch đã chế tạo thiết bị đánh lửa magneto đầu tiên cho động cơ cố định vào năm 1887; Hệ thống đánh lửa nam châm bắt đầu được thử nghiệm trên xe vào năm 1897 và sản xuất hàng loạt bắt đầu vào năm 1898. Từ thời điểm đó, Bosch trở thành nhà sản xuất đáng tin cậy thực thụ duy nhất cung cấp hệ thống đánh lửa nam châm cho ô tô.

Bước nhảy quan trọng đến vào cuối năm 1901. Giám đốc kỹ thuật của Bosch, Gottlob Honold, đã phát triển máy nam châm điện áp cao đầu tiên trên thế giới cùng với bugi đi kèm tại cơ sở ở Stuttgart. Bộ đôi này loại bỏ nhu cầu sử dụng ắc quy của ô tô và thực sự khiến bugi trở nên thực dụng. Khoảng năm 1902, Bosch giới thiệu máy nam châm hai cuộn dây với bugi cố định và bộ ngắt mạch đặt bên ngoài xi-lanh. Trước năm 1914, máy nam châm Bosch có vị trí quyết định trên thị trường; các ấn phẩm khoa học thời đó cũng bàn luận chi tiết về những cuộc tranh luận lựa chọn giữa đánh lửa nam châm và đánh lửa bằng cuộn dây.

Máy nam châm điện áp cao được định nghĩa là một sự kết hợp giữa máy nam châm và máy biến áp, gửi các xung điện áp cao đến bugi. Ngày nay nó chủ yếu vẫn được sử dụng trên các động cơ không có ắc quy - máy cắt cỏ, máy cưa động cơ - và trên các máy bay piston hiện đại. Việc một công nghệ bị loại khỏi ô tô nhưng vẫn giữ vị trí tiêu chuẩn trong hàng không là một dấu hiệu tốt cho thấy nó được xây dựng trên nền tảng vững chắc đến mức nào.

Cuộn dây Trembler: Model T và con đường mà Benz đã chọn

Máy nam châm không phải là con đường duy nhất. Benz Patent-Motorwagen năm 1886 và Ford Model T năm 1908 sử dụng một hệ thống gọi là cuộn dây trembler. Theo sơ đồ này, cuộn dây được cấp dòng điện gián đoạn bởi một cơ cấu ngắt mạch, tạo ra tia lửa rung rinh, đứt quãng. Trên Model T, mỗi xi-lanh trong bốn xi-lanh có một cuộn dây trembler riêng; đó là một giải pháp đơn giản, dễ sửa chữa và có thể chạy bằng ắc quy. Nhìn vào các xe của thời kỳ đó, có thể thấy hai trường phái chính: phe máy nam châm không ắc quy và phe cuộn dây trembler. Câu hỏi phe nào đã giành chiến thắng được làm rõ với sự phát triển trong phần tiếp theo.

Hệ thống Kettering: Tại sao bộ chia điện đủ dùng trong nửa thế kỷ?

Charles F. Kettering đã phát triển hệ thống đánh lửa ắc quy - cuộn dây vào khoảng năm 1910 - sơ đồ được biết đến với tên hệ thống Delco. Hệ thống gồm bốn thành phần chính: cuộn dây đánh lửa, các điểm ngắt (breaker points), tụ điện và bộ chia điện. Một cuộn dây duy nhất nâng điện áp thấp lên điện áp cao, và điện áp được định hướng đến bugi đúng vị trí bằng cần roto bên trong bộ chia điện. Hệ thống lần đầu được giới thiệu trên các ô tô Cadillac vào năm 1912; mặc dù các nguồn ghi năm phát triển khác nhau là 1910, 1911 và 1912, sự ra mắt của Cadillac năm 1912 là niên đại nhất quán nhất và cũng đánh dấu việc sử dụng lần đầu các hệ thống dựa trên bộ chia điện vào năm 1912.

Lý do khiến hệ thống Kettering giành chiến thắng không phải là sự thanh thoát về kỹ thuật, mà là giá rẻ và sự đơn giản tương đối. Hai đặc tính này đã đưa nó trở thành hệ thống đánh lửa chính của ngành công nghiệp ô tô trong nhiều năm. Bắt đầu từ Cadillac Model Thirty năm 1912, các cụm bộ chia điện kiểu điểm tiếp tục là hệ thống chính trên phần lớn ô tô cho đến giữa những năm 1970.

Giới hạn của hệ thống cũng đã rõ ràng ngay từ đầu. Cơ cấu cơ học có thể tạo ra khoảng 10.000 volt trong bugi; độ linh hoạt trong điều kiện tải và vòng tua thay đổi bị hạn chế. Các điểm tiếp điểm tiếp xúc hỏng do mài mòn cơ học, oxy hóa và cháy vì tia lửa hình thành trên bề mặt tiếp xúc; chúng đòi hỏi hiệu chỉnh thường xuyên và có thể dẫn đến tia lửa kém hiệu quả. Nói cách khác, hệ thống hoạt động nhưng trần kỹ thuật của nó thấp - và chính trần này đã mở cánh cửa cho đánh lửa điện tử.

Từ điểm tiếp xúc đến Transistor: Chuyển sang Đánh lửa Điện tử

Cuộc chuyển đổi bắt đầu sớm hơn người ta nghĩ. Nỗ lực đánh lửa điện tử đầu tiên được Delco-Remy thử nghiệm vào năm 1948 như một cơ cấu loại cathode lạnh. Lucas giới thiệu hệ thống đánh lửa dùng transistor vào năm 1955 và hệ thống này được sử dụng trên các động cơ Formula 1 của BRM và Coventry Climax vào năm 1962 - như thường lệ, công nghệ mới len lỏi từ đường đua trước tiên. hành trình đến sản xuất hàng loạt diễn ra như sau:

• 1963: Pontiac trở thành nhà sản xuất ô tô đầu tiên cung cấp đánh lửa điện tử tùy chọn (Delcotronic); cùng năm đó, Hyland Electronics sản xuất hệ thống đánh lửa xả tụ SCR hoàn toàn dùng chất rắn thương mại đầu tiên.
• 1964-65: Ford tiến hành thử nghiệm đội xe và bắt đầu cung cấp đánh lửa điện tử tùy chọn trên một số mẫu xe; ở phía aftermarket, Prest-O-Lite CD-65 (bảo hành 50.000 dặm) và Delta Mark 10 ra mắt thị trường.
• 1967-68: Motorola giới thiệu hệ thống CD không điểm ngắt; Fiat Dino trở thành ô tô sản xuất hàng loạt đầu tiên đi kèm đánh lửa điện tử theo tiêu chuẩn.
• 1971-75: Jaguar XJ Series 1, sau đó là chuỗi Chrysler, Ford và GM; hệ thống HEI của GM được giới thiệu trên một số xe vào cuối năm 1974.

Giữa những năm 1970, khi điểm ngắt bắt đầu được thay bằng transistor, điện áp đánh lửa tăng lên khoảng 20 kV - gấp đôi mức trần 10.000 volt của hệ thống Kettering. Bộ chia điện vẫn sống thêm một thời gian; nó tiếp tục đảm nhận nhiệm vụ phân phối nhưng thời điểm đánh lửa nay không còn do các trọng lượng cơ học mà do những "bộ não" điện tử quyết định. Bộ chia điện phần lớn được thay thế bởi các hệ thống đánh lửa điện tử trong thập niên 1980 và 1990; cơ cấu điều khiển bằng máy tính mang lại thời điểm chính xác hơn và ít bảo trì hơn nhiều.

Giấc ngủ viện của Bộ chia điện: Coil-on-Plug và Đánh lửa Trực tiếp

Sự sụp đổ của logic phân phối bắt đầu từ giữa thập niên 1980. GM bắt đầu loại bỏ bộ chia điện và bơm đơn, chuyển sang các cụm bơm nhiều bơm, mỗi bơm chỉ cấp cho hai xy-lanh; trong cơ cấu này, điện áp có thể đạt tới 100.000 volt. Cách bố trí quản lý hai xy-lanh bằng một bơm, trong đó một tia lửa bị bỏ qua (wasted spark), trở thành một trong những hình thức thực tiễn đầu tiên của đánh lửa không bộ chia. Hệ thống mang tên NDIS (Nissan Direct Ignition System) của Nissan lần đầu xuất hiện vào năm 1985 trên các động cơ RB20DET NICS và CA18DE NICS.

Từ thập niên 1990, các cơ cấu coil-on-plug trở nên phổ biến: mỗi bugi có ngay một bơm trực tiếp trên đó, hoàn toàn loại bỏ dây cao áp và rô-to của bộ chia điện. DENSO đã định hình bức tranh nắp xi-lanh ngày nay khi phát triển năm 1996 loại bugi đánh lửa dạng compact stick đầu tiên trong ngành ô tô. Trên động cơ hiện đại, ECU kiểm soát nhiều chức năng của động cơ, bao gồm đánh lửa và phun nhiên liệu, bằng một thiết bị duy nhất - một kiến trúc hoàn toàn trái ngược với các hệ thống rời rạc của những thời kỳ trước. Đánh lửa ngày nay không còn là một hệ thống con độc lập, mà là một tập hợp con của quản lý động cơ.

Hệ thống đánh lửa ngày nay ở đâu? Giới hạn và tranh luận

Giống như danh tính của người phát minh ra bugi, cuộc tranh luận giữa điểm tiếp xúc và điện tử trong thế giới xe cổ vẫn còn sống động. Về mặt kỹ thuật thì rõ ràng: các điểm tiếp xúc bị mòn, cần điều chỉnh và có thể tạo ra tia lửa kém hiệu quả. Ngược lại, trong giới chủ xe cổ, quan điểm "bộ điểm tiếp xúc được bảo dưỡng tốt thì lắp đánh lửa điện tử thông thường cũng không có ích" khá phổ biến, và trong thực tế có những trường hợp quan điểm này là đúng đắn; cũng đúng là chi phí sửa chữa các bộ phận điện tử có thể cao hơn. Giống như sự khác biệt giữa các nguồn tư liệu về năm phát triển của hệ thống Kettering, sự bất đồng quan điểm ở đây cũng bắt nguồn từ bối cảnh sử dụng nhiều hơn là từ định nghĩa đo lường: sử dụng hằng ngày và độ nguyên bản cấp concours là những yêu cầu khác nhau.

Về hướng tương lai, các đánh giá năm 2013 dự đoán rằng đánh lửa bằng tia lửa điện sẽ còn giữ vị trí thống trị một thời gian nữa so với đánh lền do nén. Động cơ HCCI (đánh lửa do nén đồng nhất) có thể chạy bằng xăng và chuyển đổi giữa hai chế độ đánh lửa tùy theo điều kiện lái, có thể đưa hiệu suất đến gần mức của động cơ diesel; điều này cho đến ngày nay vẫn phần lớn là một khung lý thuyết. Còn trên thị trường xe cổ, các bộ phân phối hiện đại dựa trên vi xử lý, có Bluetooth như 123ignition đang mang lại độ tin cậy đương thời trong khi vẫn giữ nguyên diện mạo Kettering - thẩm mỹ của quá khứ được hòa giải với điện tử của hôm nay.

Kết luận: Cùng một tia lửa điện, những kiến trúc thay đổi

Đường cong 160 năm của công nghệ đánh lửa gói gọn trong ba con số: 10.000 vôn của hệ thống Kettering, 20.000 vôn của thời kỳ chuyển tiếp điện tử và 100.000 vôn của coil-on-plug. Mục đích chưa bao giờ thay đổi; thay đổi là kiến trúc tạo ra và điều thời điểm tia lửa điện đã tiến hóa từ cơ khí sang dạng rắn. Con đường từ magneto đến bộ phân phối, từ bộ phân phối đến mỗi bugi một cuộn chính là phiên bản thu nhỏ hoàn hảo của câu chuyện chung của kỹ thuật ô tô: ít bộ phận mòn hơn, nhiều khả năng kiểm soát hơn, điện áp cao hơn.

Nguồn tài liệu

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905: Từ xưởng đầu tiên đến nhà máy
• Bosch Automotive – Lịch sử sản phẩm
• Cách thiết bị đánh lửa magneto của Bosch giúp Bugi đánh lửa ra đời
• Sự tiến hóa của hệ thống đánh lửa
• DENSO điểm qua sự tiến hóa của bobin đánh lửa
• Từ bộ chia điểm đến độ chính xác: Một thế kỷ hệ thống đánh lửa
• Đánh lửa điện tử
• Magneto hay Coil đánh lửa cho ô tô
• Frederick Richard Simms
• Étienne Lenoir
• Hiểu về bộ chia điện đánh lửa điện tử
• Bộ chia điểm hay điện tử trên ô tô đời cũ