Thuyết minh nghiên cứu và mô phỏng hệ thống đánh lửa xe toyota vios

Trong đề tài này em đi sâu tìm hiểu tính năng hoạt động của hệ thống đánh lửa trên động cơ, các nguyên lý làm việc của các loại cảm biến... Qua đây em thêm hiểu hơn về hệ đánh lửa trên xe camry và các xe hiện đại ngày nay. Nắm được nguyên lý làm việc và hư hỏng cũng như phương pháp kiểm tra hệ thống một cách khoa học, từ đó có thể sửa chữa được hệ thống của xe. Mô phỏng mạch đánh lửa trên phần mềm Proteus. Đồ án còn giúp em có thêm phương pháp học tập và thao tác trên xe.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 9

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống đánh lửa 9

1.2 Tổng quan hệ thống đánh lửa 10

1.3 Công dụng 10

1.4 Phân loại 11

1.5 Yêu cầu 14

1.6 Một số thông số của hệ thống đánh lửa 14

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 20

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA XE VIOS 2020 21

2.1 Giới thiệu về hệ thống đánh lửa trên xe Vios 21

2.2 Sơ đồ và nguyên lí hoạt động 22

2.2.1 Sơ đồ tổng quan 22

2.2.2 Sơ đồ mạch điện 23

2.2.3 Nguyên lí hoạt động 24

2.3 Cấu tạo của hệ thống đánh lửa 25

2.3.1 IC đánh lửa 25

2.3.2 Bô bin đánh lửa 27

2.3.3 Rơ le 28

2.3.4 Bugi 29

2.3.5 Bộ xử lí và điều khiển trung tâm ECU 31

2.4 Các cảm biến trong hệ thống đánh lửa 33

2.4.1 Cảm biến vị trí trực khuỷu (NE) 33

2.4.2 Cảm biến vị trí trục cam (Tín hiệu G) 34

2.4.3 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp (VG) 35

2.4.4 Cảm biến vị trí bướm ga 36

2.4.5 Cảm biến Oxy 37

2.4.6 Cảm biến tiếng gõ 37

2.4.7 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 38

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 39

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG MẠCH ĐÁNH LỬA XE VIOS 2020 TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS 40

3.1 Giới thiệu về phần mềm Proteus 40

3.2 Những cải tiến và thông số kỹ thuật của xe 42

3.2.1 Sự cải tiến so với động cơ trước 43

3.2.2 Thông số kĩ thuật 44

3.3 Xây dựng mô hình 47

3.3.1 Khối điều khiển 47

3.3.2 Khối hiển thị 49

3.3.3 Khối giả lập cảm biến trục cam và trục khuỷu 50

3.4 Thuật toán và chương trình điều khiển 50

3.5 Hiệu chỉnh mô hình 62

3.6 Kết quả mô phỏng và kiểm tra đánh giá 63

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 64

CHƯƠNG 4 KIỂM TRA, CHUẨN ĐOÁN, SỬA CHỬA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 65

4.1 Quy trình kiểm tra của hệ thống đánh lửa 65

4.1.1 Quy trình kiểm tra 65

4.1.2 Kiểm tra hệ thống đánh lửa trực tiếp trên xe 65

4.1.3 Kiểm tra bugi 66

4.2 Chuẩn đoán những hư hỏng và sửa chửa 69

4.2.1 Chẩn đoán hư hỏng theo tình trạng động cơ 69

4.2.3 Chuẩn đoán hư hỏng các bộ phận hệ thống đánh lửa 72

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 73

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC HÌN

Hình 1 1 Hệ thống đánh lửa bán dẫn 11

Hình 1 2 Hệ thống đánh lửa điện tử loại trực tiếp (DIS) 12

Hình 1 3 Hệ thống đánh lửa sớm điện tử (ESA) 12

Hình 1 4 Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải của động cơ 14

Hình 1 5 Bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải động cơ trên ô tô đời mới 18

YHình 2 1 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử loại trực tiếp (DIS) 21

Hình 2 2 Sơ đồ tổng quan hệ thống đánh lửa xe Vios 22

Hình 2 3 Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa xe Toyota Vios 23

Hình 2 4 Sơ đồ nguyên lí hệ thống đánh lửa 24

Hình 2 5 Điều khiển dòng không đổi 25

Hình 2 6 Tín hiệu IGT 26

Hình 2 7 Bô bin đánh lửa 28

Hình 2 8 Cấu tạo chính của một rơ le điện cơ 29

Hình 2 9 Cấu tạo của bugi 29

Hình 2 10 Điện cực trung tâm 30

Hình 2 11 Vùng nhiệt bugi 31

Hình 2 12 Vị trí các cảm biến trong hệ thống đánh lửa 33

Hình 2 13 Cảm biến vị trí trục khuỷu 34

Hình 2 14 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp 35

Hình 2 15 Cảm biến vị trí buớm ga 36

Hình 2 16 Cảm biến oxy 37

Hình 2 17 Cảm biến tiếng gõ 38

Hình 2 18 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 39

YHình 3 1 Giao diện của phần mềm Proteus 41

Hình 3 2 Tạo 1 file Project mới 41

Hình 3 3 Tạo file mới để sử dụng 42

Hình 3 4 Xe Toyota Vios 42

Hình 3 5 Động cơ thế hệ mới và cũ 43

Hình 3 6 Giả lập cảm biến trục khủy và trục cam bằng hai chân INT0 và INT1 của Atmega64 50

Hình 3 7 Lý thuyết điều khiển 50

Hình 3 8 Thuật toán điều khiển động cơ 51

Hình 3 9 Thuật toán hệ thống đánh lửa 52

Hình 3 10 Hiệu chỉnh vi điều khiển Atemega64 62

Hình 3 11 Hiệu chỉnh trong chương trình điều khiển 63

Hình 3 12 Kết quả mô phỏng mạch điều khiển đánh lửa 63

YHình 4 1 Kiểm tra điện cực 66

Hình 4 2 Quan sát điện cực bugi 67

Hình 4 3 Đo kiểm cực của bugi 67

Hình 4 4 Vệ sinh bugi 68

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 Bảng so sánh thông số kĩ thuật động cơ 1 NZ-FE và 2NR-FE 47

Bảng 3 2 Bảng so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu động cơ cũ và mới 47

Bảng 3 3 Bảng thông số động cơ 49

Bảng 3 4 Bảng thông số kích thước xe 50

Bảng 3 5 Các thông số chính của vi điều khiển Atmega64 52

Bảng 3 6 Các thông số chính của Transistor 2N3390 53

Bảng 3 7 Các thông số chính màn hình hiển thị LCD 16x2 53

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trên thế giới, nghành Công nghệ ô tô ở Việt Nam nói riêng đã có những bước phát triển mạnh mẽ cả về số lượng và chất lượng đóng góp cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Đặc biệt ô tô có bước phát triển để đáp ứng các yêu cầu: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm độc hại của khí thải, tăng tính an toàn và tiện nghi của ô tô

Một vấn đề lớn được đặt ra lúc này là ô nhiễm môi trường, ô nhiễm không khí và sự nóng lên toàn cầu được cả thế giới quan tâm, xuất phát từ vấn đề này các nhà thiết kế luôn tìm cách để cải tiến, tăng hiệu suất làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, tăng tính kinh tế, cũng như mức độ an toàn sử dụng

và giảm mức độ độc hại trong khí xả động cơ Do đó các hệ thống trên động

cơ không ngừng thay đổi Hệ thống đánh lửa là một trong những hệ thống được quan tâm trong số đó, là yếu tố quan trọng đến hiệu suất làm việc hiệu quả của động cơ Để hiểu thêm về hệ thống đánh lửa em đã chọn đề tài

“Nghiên cứu, mô phỏng hệ thống đánh lửa trên xe TOYOTA VIOS 2020” Nội dung đề tài đề cập đến các vấn đề sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống đánh lửa

Chương 2: Hệ thống đánh lửa trên xe Toyota Vios 2020

Chương 3: Mô phỏng mạch đánh lửa trên xe Toyota Vios 2020

Chương 4: Kiểm tra, chuẩn đoán, sửa chữa hệ thống đánh lửa

Do kiến thức còn nhiều hạn chế do thời gian dịch bệnh, kinh nghiệm chưa nhiều, tài liệu tham khảo còn ít và điều kiện thời gian không cho phép nên đồ

án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy

cô giáo bộ trong bộ môn chỉ bảo để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Qua đây cho em kính gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong trường mà đặc biệt là các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Ô tô đã tận tình dạy bảo em trong suốt bốn năm học vừa qua.

Dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo ThS Nguyễn Minh Thắng đã tạo điều kiện cho em hoàn thiện đồ án tốt nghiệp một cách tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Phan Quang Linh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống đánh lửa

Sự ra đời của hệ thống đánh lửa gắn với sự ra đời của động cơ trong đánh dầu bước khởi động cho nền công nghiệp ô tô Ban đầu động cơ sử dụng hệ thống đánh lừa điều khiển bằng má vít Hệ thống này có nhược điểm thời điểm đánh lửa không chính xác cùng với kết cấu cơ khí nên hay phải bảo dưỡng Năm 1964 hệ thống CDI đã được nghien cứu và ứng dụng trên xe NSU sprider

Bên cạnh đó khi xã hội phát triển, các yêu cầu ngày càng cao về môi

trường, sự tiêu hao nhiên liệu cho hệ thống lửa thường và hệ thống đánh lửa CDI không còn đáp ứng được những yêu cầu đặt ra Chính điều đó khiến cho các nhà khoa học phát minh ra hệ thống đánh lửa mới: ứng dụng tốt hơn tính kinh tế nhiên liệu và tinh ô nhiễm môi tnường Đến năm 1978 các hãng như: BMW, Fiat, Leyland, Mercedes, Peigeot, Porsche và Volvo, cho ra đời hệ thống đánh lửa bán dẫn TCI (Transistorized coil ignition) sự phát triển tiếp theo của đảnh lửa CDI

Với sự hỗ trợ của khoa học kỹ thuật, lịch sử phát triển cho ra đời hệ thống đánh lửa điện tử SI (Đánh lửa bán dẫn) và hệ thống đánh lửa không có bộ chiađiện BSI (Đánh lửa bán dẫn không ngắt) Trong đó hệ thống lửa SI vẫn sử dụng bộ chia điện và một bô bin còn BSI sử dụng với nhiều bobin hơn và không có bộ chia điện Ứng dụng dầu tiên của hệ thống BSI trên xe Citroen Visa giới thiệu ra công chúng vào năm 1978.Với đà phát triển đó năm 1979 hãng Bosch đã cho ra đời hệ thống điều khiển động cơ ‘Motronic’ với sự tích hợp điều khiển nhiều hệ thống như điều khiển thời điểm, điều khiển nhiên liệu, điều khiển tốc độ không tải Giúp cho quá trình điều khiển linh hoạt hơn,

độ chính xác cao hơn tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm

1.2 Tổng quan hệ thống đánh lửa.

Trong động cơ xăng, hỗn hợp không khí – nhiên liệu được đánh lửa để đốt cháy và áp lực sinh ra từ sự bốc cháy sẽ đẩy piston 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 100 sau điểm chết trên

(ATDC- After Top dead center) Vì vậy phải đánh lửa sớm sao cho áp lực nổ cực đại được tạo ra vào thời điểm 100 sau TDC Thời điểm đánh lửa để động

cơ có thể sinh ra áp lực nổ cực đại thường xuyên thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện làm việc của động cơ

Góc đánh lửa sớm θ opt là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa tại bu gi cho đến khi piston lên tới TDC

Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ

ô nhiễm của khí thải động cơ Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:

θ opt=f ( p bđ ,t bđ , p,t wt ,t mt ,n, N o )

Trong đó:

- p bđ :Áp suất buồng đốt tại thời điểm đánh lửa

- t bđ : nhiệt độ buồng đốt

- P : Áp suất trên đường ống nạp

- t wt : nhiệt độ nước làm mát động cơ

- t mt : nhiệt độ môi trường

- n : số vòng quay của động cơ

- N0 : chỉ số octan của động cơ xăng

1.3 Công dụng

Hệ thống đánh lửa trên động cơ có nhiệm vụ biến nguồn điện xoay chiều hoặc một chiều có hiệu điện thế thấp (12 hoặc 24 V) thành các xung điện thế cao (từ 15.000 V đến 40.000 V) Các xung hiệu điện thế cao này sẽ được phân bố đến bu gi của các xy lanh đúng thời điểm để tạo tia lửa điện caothế màu xanh nhạt để đốt cháy hòa khí

1.4 Phân loại

Ngày nay, hệ thống đánh lửa được trang bị trên ô tô có rất nhiều loại hệ thốngđánh lửa khác nhau Dựa vào cấu tạo, hoạt động, phương pháp điều khiển, người ta phân loại hệ thống đánh lửa theo các cách phân loại sau:

* Phân loại theo đặc điểm cấu tạo:

+ Hệ thống đánh lửa thường

+ Hệ thống đánh lửa bán dẫn

- Loại có tiếp điểm

- Loại không có tiếp điểm

+ Hệ thống đánh lửa Manhêto

+ Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng chương trình

* Phân loại theo phương pháp điều khiển bằng cảm biến

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng tiếp điểm (breaker)

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ (electromaagnetic sensor) gồmhai loại: loại nam châm đứng yên và loại nam châm quay

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến từ trở

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến cộng hưởng

* Phân loại theo phương pháp tích luỹ năng lượng:

+ Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI – transistor ignition system)

Hình 1 1 Hệ thống đánh lửa bán dẫn+ Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI– capacitor discharged ignition system)

* Phân loại theo các phân bố điện cao áp

+ Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện Delco

+ Hệ thống đánh lửa trực tiếp hay không có Delco.(DIS)

Hình 1 2 Hệ thống đánh lửa điện tử loại trực tiếp (DIS)

* Phân loại theo phương pháp góc đánh lửa sớm

+ Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ khí.+ Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng bằng điện

tử ( ESA- electronic spark advance)

Hình 1 3 Hệ thống đánh lửa sớm điện tử (ESA)

1.5 Yêu cầu

Một hệ thống đánh lửa làm việc tốt phải đảm bảo các yêu cầu sau :

- Hệ thống đánh lửa phải sinh ra sức điện động thứ cấp đủ lớn để phóng điện qua khe hở bu gi trong tất cả các chế độ làm việc của động cơ

- Tia lửa trên bu gi phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự đốt cháy hòa khí bắt đầu

- Góc đánh lửa sớm phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ

- Các chi tiết của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao và độ rung xóc lớn

- Sự mài mòn điện cực bu gi phải nằm trong khoảng cho phép.

1.6 Một số thông số của hệ thống đánh lửa

Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m U 2 m

Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2 m U 2 mlà hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bu gi Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2 m phải đủ lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bu gi, đặc biệt là lúc khởi động

Hiêu điện thế đánh lửa U đl

Hiệu điện thế thứ cấp mà ở đó quá trình đánh lửa xảy ra, được gọi là hiệu điện thế đánh lửa U đl Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố dưới đây, tuân theo định luật Pashen

Trong đó:

P : là áp suất buồng đốt tại thời điểm đánh lửa.

δ : khe hở bougie

T : nhiệt độ ở điện cực trung tâm của bougie tại thời điểm đánh lửa

K : hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí

Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa U dl U đl tăng khoảng 20

đến 30 % %do nhiệt độ điện cực bougie thấp

Khi độn-g cơ tăng tốc độ, thoạt tiên, U đl tăng, do áp suất nén tăng nhưng sau đó Uđl giảm từ từ do nhiệt độ điện cực bougie tăng và áp suất nén giảm doquá trình nạp xấu đi

Hiệu điện thế đánh lửa có giá trị cực đại ở chế độ khởi động và tăng tốc, có giá trị cực tiểu ở chế độ ổn định khi công suất cực đại ( hình 1.1)

Trong quá trình vận hành xe mới, sau 2.000 km đầu tiên, Uđl tăng 20% do điện cực bougie bị mài mòn Sau đó U đl tiếp tục tăng do khe hở bougie tăng Vì vậy để giảm U đl phải hiệu chỉnh lại khe hở bougie sau mỗi 10.000

km (đối với loại bougie điện cực thường)

Hình 1 4 Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải của

số dự trữ đánh lửa có giá trị khá cao ( K dt=1,5÷2,0 ), đáp ứng được việc tăng

tỷ số nén, tăng số vòng quay và tăng khe hở bougie

Năng lượng dự trữ W dt

Năng lượng dự trữ W dt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bobine Để đảm bảo tia lửa điện có đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toàn hòa khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo rằng năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của bô bin đánh lửa ở một giá trị xác định:

W dt =

L1×I ng

Trong đó:

W dt : Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp.

L1 : Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bô bin

I ng : Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt.Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S.

S : Là tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Δuu2 : Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Δut :Thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện ở điện cực bougie càng mạnh nhờ đó dòng không bị rò qua muội than trên điện cực bu gi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm

t đ : Thời gian vít ngậm hay transistor đạt công suất bão hòa.

t m : Thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt.

Tần số đánh lửa f tỷ lệ thuận với vòng quay trục khuỷu động cơ và số xylanh Khi tăng số vòng quay của động cơ và số xylanh, tần số đánh lửa ftăng và do đó chu kỳ đánh lửa T giảm xuống Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến 2 thống số là chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo ở số vòng quay cao nhất của động cơ tia lửa vẫn mạnh

Góc đánh lửa sớm θ opt θ

Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại bougie cho đến khi piston lên tới điểm chết trên.Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc rất nhiều yếu tố:

θ opt=f ( p bđ ,t bđ , p,t wt ,t mt ,n, N o )

Trong đó:

P bđ : Áp suất buồng đốt tại thời điểm đánh lửa.

t b đ t bđ : nhiệt độ buồng đốt

P : Áp suất trên đường ống nạp

t wt : nhiệt độ nước làm mát động cơ.

t mt

: nhiệt độ môi trường

n : số vòng quay của động cơ

N0 : chỉ số octan của động cơ xăng.

Ở các xe đời cũ, góc đánh lửa sớm chỉ được điều khiển theo hai thông số: tốc độ ( bộ sớm ly tâm) và tải( bộ sớm áp thấp) của động cơ Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa ở một số xe( TOYOTA, HONDA…), có trang bị thêm van nhiệt và sử dụng bộ phận đánh lửa sớm theo hai chế độ nhiệt độ Trên các xe đời mới, góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng điện tử nên góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh theo các thống số nêu trên Trên hình 1.3 trình bày bản

đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải động cơ trên xe đời mới

Hình 1 5 Bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải động cơ trên ô tô đời

mới

Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện.

Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là thành phần điện dung và thành phần điện cảm Năng lượng của tia lửa điện được tính theo công thức:

W P : năng lượng tia lửa

: năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung

W L :năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm

C2 :điện dung ký sinh của mạch thứ cấp của bu gi

U đl : hiệu điện thế đánh lửa.

L2 L2: độ tự cảm của mạch thứ cấp

i2 :cường độ dòng điện mạch thứ cấp

Tùy loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ cả hai thành phần điện cảm ( thời gian phóng điện dài) và điện dung ( thời gian phóng điện ngắn) hoặc chỉ có một thành phần

Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của bu gi tùy theo vào loại hệ thốngđánh lửa Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng của tia lửa phải đủ lớn và thời gian phóng đủ dài để đốt cháy được hòa khí ở mọi chế độ hoạt động của động cơ

C

W

- Yêu cầu, công dụng, phân loại hệ thống đánh lửa

- Nêu được các thông số cơ bản trong hệ thống đánh lửa

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA XE VIOS 2020

2.1 Giới thiệu về hệ thống đánh lửa trên xe Vios

Hệ thống đánh lửa trên xe Vios là hệ thống đánh lửa trực tiếp mỗi bô bin cho 1 IC đánh lửa độc lập cho mỗi xy lanh (bô bin đơn)

Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp, bộ chia điện không còn được sử dụng nữa Thay vào đó, hệ thống đánh lửa trực tiếp cung cấp một bô bin cùng với một IC đánh lửa độc lập cho mỗi xi lanh Đồng thời nó cũng giảm đến mức tối thiểu nhiễu điện từ, bởi vì không sử dụng tiếp điểm trong khu vực cao áp Chức năng điều khiển thời điểm đánh lửa được thực hiện thông qua việc sử dụng ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử) ECU của động cơ nhận được các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, tính toán thời điểm đánh lửa, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa

Hình 2 1 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử loại trực tiếp (DIS)ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó tính toán xử lý và đưa ra tín hiệu đến các Transistor theo đúng thứ tự nổ của động cơ Khi có tín hiệu thì

Transistor sẽ dẫn tạo ra dòng điện trong cuộn sơ cấp, khi mất tín hiệu thì thứ cấp của bobin và đưa đến các bugi đánh lửa

+ Ưu điểm:

- Không có dây cao áp nên ít tổn thất năng lượng đánh lửa

- Không còn bộ chia điện nên ít bị hư hỏng

- Mỗi bobin được điều khiển riêng biệt bởi một chân của ECU nên có khả năng hoạt động độc lập

- Thời điểm đánh lửa chính xác và tối ưu theo mọi chế độ làm việc nên tăng hiệu suất của động cơ

+ Nhược điểm:

- Cấu tạo phức tạp, mỗi xi lanh là một bobin nên làm tăng giá thành

- Tổn nhiều chân điều khiển của ECU

- Yêu cầu nguồn điện cung cấp phải ổn định

2.2 Sơ đồ và nguyên lí hoạt động

2.2.1 Sơ đồ tổng quan

Hình 2 2 Sơ đồ tổng quan hệ thống đánh lửa xe Vios

Hình 2 3 Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa xe Toyota ViosBao gồm các chi tiết:

2.2.3 Nguyên lí hoạt động

Hình 2 4 Sơ đồ nguyên lí hệ thống đánh lửaECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và xác định thời điểm đánh lửa tối ưu ECU động cơ gửi tín hiệu đánh lửa IGT đến cuộn đánh lửa có IC đánh lửa, tín hiệu đánh lửa IGT được gửi đến IC đánh lửa theo thứ

tự đánh lửa của động cơ (1-3-4-2) Cuộn đánh lửa, với dòng sơ cấp được ngắt đột ngột sẽ sinh ra dòng điện cao áp (khoảng 25 – 40 kV) Tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ khi dòng sơ cấp vượt quá một trị số đã định Dòng cao

áp phát ra từ cuộn thứ cấp sẽ được dẫn đến bugi và gây đánh lửa

Nhờ vào chính cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston – thì công dụng củacảm biến này có chức năng sẽ giúp cho ECU xác định được thời điểm đánh lửa, cùng với thời điểm phun xăng tối ưu nhằm giúp cho việc cải thiện hiệu suất và khả năng tiêu thụ của nhiên liệu

Bên cạnh đó, đối với những cảm biến khác như: vị trí bướm ga giúp xác định lưu lượng không khí nạp, sau đó gửi đến ECU giúp tính toán lại lượng nhiên liệu phun thích hợp với từng chế độ tải, song song với đó chính là các

dữ liệu về tốc độ động cơ, tải, và nhiệt độ… nhờ vậy mà các cảm biến mã hoá

tín hiệu rồi đưa vào ECU xử lý rồi tính toán để có thể đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ.

2.3 Cấu tạo của hệ thống đánh lửa

2.3.1 IC đánh lửa

IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dòng sơ cấp đi vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT)

Khi tín hiệu IGT chuyển từ ngắt sang đóng, IC đánh lửa bắt đầu cho dòng điện vào cuộn sơ cấp

Hình 2 5 Điều khiển dòng không đổiKhi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã định, IC đánh lửa sẽ khống chế cường độ cực đại bằng cách điều chỉnh dòng

Điều khiển góc đóng tiếp điểm

Để điều chỉnh quãng thời gian (góc đóng) tồn tại của dòng sơ cấp; thời giannày cần phải giảm xuống khi tốc độ của động cơ tăng lên (trong một số kiểu

động cơ gần đây, chức năng kiểm soát này được thực hiện thông qua tín hiệu IGT.)

Khi tín hiệu IGT chuyển từ đóng sang ngắt, IC đánh lửa sẽ ngắt dòng sơ cấp

Vào thời điểm dòng sơ cấp bị ngắt, điện thế hàng trăm vôn được tạo ra trong cuôn sơ cấp và hàng chục ngàn vôn được tạo ra trong cuộn thứ cấp, làm cho bugi phóng tia lửa

Tín hiệu IGT

IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dòng sơ cấp đi vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra Sau đó, IC đánh lửa truyền một tín hiệu khẳng định (IGF) cho ECU phù hợp với cường độ của dòng sơ cấp

Hình 2 6 Tín hiệu IGT

Nếu ECU không nhận được tín hiệu IGF, nó sẽ quyết định rằng đã có sai sót trong hệ thống đánh lửa Để ngăn ngừa sự quá nhiệt, ECU sẽ cho ngừng phun nhiên liệu và lưu giữ sự sai sót này trong chức năng chẩn đoán.

Tuy nhiên, ECU động cơ không thể phát hiện ra các sai sót trong mạch thứ cấp vì nó chỉ kiểm soát mạch sơ cấp để nhận tín hiệu IGF

Trong một số kiểu động cơ, tín hiệu IGF được xác định thông qua điện thế

sơ cấp

2.3.2 Bô bin đánh lửa.

Bô bin đánh lửa là loại biến áp cao thế đặc biệt dùng để biến dòng điện hiệu điện thế thấp (12V) thành các xung có hiệu điện thế cao đảm bảo cho việc đánh lửa trong động cơ được tối ưu nhất

Động cơ TOYOTA VIOS 2020 sử dụng bô bin đơn cho từng máy, các IC đánh lửa cũng được bố trí ngay trên các cuộn đánh lửa tạo thành cụm chi tiết

có kết cấu rất nhỏ gọn Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi, số vòng quay của cuộn thứ cấp lớn hơn rất nhiều so với cuộn sơ cấp Một đầu cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cấp được nốivới bugi Các đầu còn lại của các cuộn được nối với dòng cấp từ ắc quy thôngqua giắc cắm

Hình 2 7 Bô bin đánh lửa

2.3.3 Rơ le

Rơ le được sử dụng phổ biến ở các bo mạch điều khiển tự động, chuyên dụng để đóng cắt những cái dòng điện lớn mà những hệ thống mạch điều khiển không thể trực tiếp can thiệp thì người ta sẽ sử dụng rơ le để đóng cắt dòng điện cao rơ le có rất nhiều hình dáng và kích thước và chân cắm khác nhau rơ le có 2 trạng thái ON và OFF Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không

Cấu tạo chính của một Rơ le điện cơ

 Rơ le gồm nam châm điện (1), cần dẫn động (2) và các ngõ vào ra (3)

 Khi có dòng điện chạy ở cuộn dây nam châm điện (1), cơ năng làm đổimạch lối ra từ ngõ "thường đóng" (normally closed, ngõ vẽ bên trên trong sơ đồ) sang ngõ "thường mở" (normally open)

 Các thanh đổi mạch có thể có lắp lẫy lò xo để quá trình đóng cắt diễn radứt khoát

Hình 2 8 Cấu tạo chính của một rơ le điện cơ

2.3.4 Bugi

Sau đây là các bộ phận quan trọng của bugi:

Hình 2 9 Cấu tạo của bugi

Điện cực trung tâm

Điểm cực trung tâm còn có tên khác là điện cực dương, là nơi tập trung tạo

ra tia lửa điện Vì thế nó được tạo nên từ các vật liệu chuyên biệt, thích hợp tạo ra tia lửa điện, có khả năng hoạt động ổn định trong môi trường có nhiệt

độ và áp suất luôn biến thiên, khả năng chống mài mòn cao Đồng được dùng

để chế tạo lõi điện cực, các hợp kim Nikel, Iridium, Platinum được dùng cho các đầu điện cực.

Hình 2 10 Điện cực trung tâmCác điện cực tròn khó phóng điện, trong khi đó các điện cực vuông hoặc nhọn lại dễ phóng điện Qua quá trình sử dụng lâu dài, các điện cực bị làm tròn dần và trở nên khó đánh lửa Vì vậy, cần phải thay thế bugi Các bugi có điện cực mảnh và nhọn thì phóng điện dễ hơn Tuy nhiên, những điện cực như thế sẽ chóng mòn và tuổi thọ của bugi sẽ ngắn hơn Vì thế, một số bugi

có các điện cực được hàn đắp platin hoặc iridium để chống mòn Chúng được gọi là các bugi có cực platin hoặc iridium

Vỏ cách điện

Gốm oxit nhôm là vật liệu phổ biến làm nên vỏ các điện Bởi bộ phận này cần đảm bảo chắc chắn không rò rỉ điện cao áp, truyền nhiệt tốt, chịu được nhiệt độ cao, độ bền cơ học tốt Để ngăn ngừa hiện tượng phóng điện cao áp

từ đầu tiếp xúc của bugi đến phần kim loại, người ta tạo ra một số nếp nhăn sóng ở thân vỏ cách điện Nếu hiện tượng này xả ra sẽ làm giảm hiệu quả đánh lửa trong buồng đốt

Vùng nhiệt bugi

Là khoảng trống giữa 2 điện cực Dung tích càng nhỏ và nông khả năng tảnnhiệt của bugi càng nhanh, ngược lại dung tích khoảng trống càng lớn và sâu thì khả năng tản nhiệt của bugi càng kém

ECU nhận các tín hiệu từ các cảm biến và tính toán thời điểm đánh lửa tối

ưu theo các tình trạng của động cơ và truyền tín hiệu IGT (tín hiệu đánh lửa) tới IC đánh lửa

2.3.5.2 Cấu tạo ECU

ROM (Read Only Memory):

Dùng trữ thông tin thường trực Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn ROM cung cấpthông tin cho bộ xử lý và được lắp trên mạch in Chương trình điều khiển động cơ do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong bộ nhớ ROM

RAM (Ramdom Access Memory):

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong

bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý RAM có thể đọc và ghi các các số liệu theo địa chỉ bất kỳ RAM vẫn duy trì bộ nhớ cho đến khi mất nguồn cung cấp từ ắcquy đến máy tính thì bộ nhớ RAM sẽ mất

PROM (Programmable Read Only Memory):

Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM PROM cho phép sửa đổi chương trình điều khiển theo nhưng yêu cầu khác nhau

Bộ nhớ KAM (Keep Alive Memory): Bộ nhớ này dùng để lưu trữ các thông tin mới (thông tin tạm thời) Bộ nhớ KAM vẫn được duy trì lưu trữ các thông tin khi động cơ đã tắt hoặc tắt khoá điện

Để đảm bảo được vấn đề này một phần của bộ nhớ được cấp nguồn điện độc lập từ Accu nên những thông tin được cập nhật trong vùng nhớ này theo yêu cầu của bộ xử lý không bị mất đi khi tắt khoá điện

Thông tin lưu trữ trong vùng nhớ này gọi là thông tin hiệu chỉnh ví dụ như các thông tin về tình trạng hư hỏng mà bộ xử lý phát hiện khi động cơ đang hoạt động

2.4 Các cảm biến trong hệ thống đánh lửa

Hình 2 12 Vị trí các cảm biến trong hệ thống đánh lửa

2.4.1 Cảm biến vị trí trực khuỷu (NE)

Tín hiệu NE được ECU động cơ sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu

và tốc độ động cơ ECU động cơ dùng tín hiệu NE và tín hiệu G để tính toán thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản

Đối với tín hiệu G,tín hiệu NE được tạo bởi khe hở không khí giữa cảm biến vị trí trục khuỷu và các răng trên rotor tín hiệu NE được lắp trên trục khuỷu

Hình minh họa trình bày một bộ tạo tính hiệu có 34 răng ở chu vi của rotor tín hiệu NE và một khu vực có hai răng khuyết Khu vực có hai răng khuyết này có thể được sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu nhưng nó không thể xác định xem đó là TDC của chu kỳ nén hoặc TDC của kỳ xả ECU động cơ kết hợp tín hiệu NE và tín hiệu G để xác định đầy đủ và chính xác góc của trục khuỷu Ngoài loại này,một số bộ phát tín hiệu có 12, 24 hoặc 1 răng khác, nhưng độ chính xác của việc phát hiện góc của trục khuỷu sẽ thay đổi theo

số răng

Hình 2 13 Cảm biến vị trí trục khuỷu

2.4.2 Cảm biến vị trí trục cam (Tín hiệu G)

Trên trục cam đối điện với cảm biến vị trí trục vam có các răng Số răng là 1 hoặc 3 hoặc một số khác tùy theo kiểu động cơ ( trong hình vẽ có 3 răng) Khi trục cam quay , khe hở không khí giữa các vấu nhô ra trên trục cam

và cảm biến này sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G Tín hiệu G này được chuẩn đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU động cơ, kết hợp với tín hiệu NE để xác định DTC ở kỳ nén của mỗi xylanh ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa.

Chú ý: Khi ECU không nhận được tín hiệu G từ cảm biến này, có kiểu

động cơ vẫn chạy và có kiểu động cơ sẽ tắt máy

2.4.3 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp (VG)

Hình 2 14 Cảm biến đo lưu lượng khí nạpPhát hiện khối lượng khí nạp Khi dây sấy Rh được khí nạp làm mát, điện thế tại A-B sẽ chênh nhau Bộ khuếch đại tín hiệu sẽ xử lý và làm tăng điện

áp đặt vào dây sấy Nhiệt độ dây sấy tăng dẫn đến việc tăng tương ứng của điện trở cho đến khi điện thế tại A và B bằng nhau (các điện áp của các điểm A,B trở nên cao hơn) Bằng cách sử dụng mạch cầu này cảm biến lưu lượng khí nạp có thể đo khối lượng khí nạp bằng tín hiệu điện áp tại điểm B

Nguyên lý của cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy dựa trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt thoát ra từ một phần tử nhiệt được nung nóng

và đặt trong dòng khí nạp Khi có dòng điện đi qua làm cho dây sấy nóng lên khi không khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp, bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp Trong trường hợp này, dòng điện chuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ

2.4.4 Cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga được lắp ở trên trục cánh bướm ga Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bớm ga thành tín hiệu điện áp đến ECU

Tín hiệu cầm chừng (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng cũng như hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa

Tín hiệu toàn tải (PSW) dùng để tăng lượng xăng phun ở chế độ toàn tải để tăng công suất động cơ Trên một số xe, cảm biến vị trí bướm ga còn giúp ECU điều khiển hộp số tự động

Hình 2 15 Cảm biến vị trí buớm ga

2.4.5 Cảm biến Oxy

Cảm biến oxy dùng để xác định lượng oxy trong khí xả để điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp hòa khí lý thuyết, tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao công suất, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Loại này được chế tạo chủ yếu từ chất Zirconium dioxide (ZrO2) có tính chất hấp thụ những ion oxy âm tính Thực chất, cảm biến oxy loại này là một pin điện có sức điện động phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải với ZrO2 là chất điện phân Mặt trong ZrO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc với oxy trong khí thải Ở mỗi mặt của ZrO2 được phủ một lớp điện cực bằng plantin để dẫn điện Lớp plantin này rất mỏng và xốp để oxy dễ khuyếch tán vào Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc khí thải ít hơn số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc không khí Sự chênh lệch số ion này sẽ tạo một tín hiệu điện áp khoảng 600-900mV Ngược lại, khi độ chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ trong trường hợp nghèo xăng, pin oxy sẽ phát ra tín hiệu điện áp thấp khoảng 100-400 mV

Hình 2 16 Cảm biến oxy

2.4.6 Cảm biến tiếng gõ

Cảm biến này phát hiện tiếng gõ động cơ Được gắn vào thân máy, gồm phần tửáp điện tạo ra một điện áp AC khi tiếng gõ gây ra rung động trong