Thiết kế chế tạo bộ giao tiếp giữa máy tính và mô hình hệ thống đánh lửa điện tử bằng ECU

ESA : Đánh lửa sớm bằng điện tử DIS : Hệ thống đánh lửa trực tiếp ECU : Bộ điều khiển điện tử NE :Tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ G : Tín hiệu cảm biến vị trí pittông IGT :Tín hiệu thời

HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HÀO THIỆN

MSSV : 48132295

Lớp : 48CTU Ngành : CƠ - ĐIỆN TỬ Khoa : CƠ KHÍ Tên đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ GIAO TIẾP GIỮA MÁY TÍNH VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN BẰNG ECU” Số trang: 72 trang Số chương: 5 Số tài liệu tham khảo: 5 Hiện vật: Mô Hình Hệ Thống Đánh Lửa Điều Khiển Bằng ECU NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

-

-

Nha Trang, ngày… , tháng… , năm 2010

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(ký, ghi rõ họ tên)

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HÀO THIỆN

MSSV : 48132295

Lớp : 48CTU Ngành : CƠ - ĐIỆN TỬ Khoa : CƠ KHÍ Tên đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ GIAO TIẾP GIỮA MÁY TÍNH VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN BẰNG ECU” Số trang: 72 trang Số chương: 5 Số tài liệu tham khảo: 5 Hiện vật: Mô Hình Hệ Thống Đánh Lửa Điều Khiển Bằng ECU NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

-

-

Nha Trang, ngày… , tháng… , năm 2010 CÁN BỘ PHẢN BIỆN

(ký, ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày… , tháng… , năm 2010 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (ký, ghi rõ họ tên)

ĐIỂM PHẢN BIỆN

Bằng số Bằng chữ

ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

ESA : Đánh lửa sớm bằng điện tử

DIS : Hệ thống đánh lửa trực tiếp

ECU : Bộ điều khiển điện tử

NE :Tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ

G : Tín hiệu cảm biến vị trí pittông

IGT :Tín hiệu thời điểm đánh lửa

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa……… 9

Hình 1.3: Sơ đồ của hệ thống đánh lửa kiểu ngắt tiếp điểm……… 11

Hình 1.4: Sơ đồ của hệ thống đánh lửa kiểu transitor……… 11

Hình 1.5: Sơ đồ của hệ thống đánh lửa kiểu transitor có ESA……… 12

Hình 1.6: Sơ đồ của hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)……… 13

Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống đánh lửa với mạch điều khiển thời gian tích lũy năng lượng tđ……… 15

Hình 1.8: Điều khiển góc đánh lửa sớm ở chế độ khởi động……… 16

Hình 1.9: Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ……… 18

Hình 1.10: Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo sự ổn định của động cơ ở chế độ cầm chừng……… 19

Hình 2.1: Mô hình hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển bằng ECU ……… 21

Hình 2.2: Sơ đồ bố trí cảm biến G và NE……… 22

Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE……….……… 23

Hình 2.4: Sự thay đổi từ thông theo tốc độ động cơ……… …… 23

Hình 2.5: Hình ảnh của igniter trên mô hình ……….… 24

Hình 2.6: Sơ đồ thể hiện quá trình đánh lửa khi có xung IGT………….….…… 25

Hình 2.7: Tín hiệu IGT và IGF……… … 26

Hình 2.8: Hình ảnh của bobine trên mô hình ……… … 27

Hình 2.9: Cấu tạo bobine……… … 27

Hình 2.10 : Hoạt động của dòng điện trong cuộn sơ cấp……… 28

Hình 2.11: Hình ảnh của bộ chia điện trên mô hình ……… … 29

Hình 2.12: Cấu tạo bougie……….…… … 30

Hình 2.13: Hình ảnh của ECU trên mô hình……….… 31

Hình 2.14: Sơ đồ khối của các hệ thống trong máy tính với microprocessor… ….32 Hình 2.15 : Cấu trúc máy tính……… 33

Hình 3.1: Sơ đồ khối của phương pháp nghiên cứu……… ……… …38

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cho vi điều khiển……… 39

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển……… …40

Hình 3.4: Hình ảnh thực của ATmega 32……… ……… …40

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông giữa cổng COM với Vi Điều Khiển……… … 41

Hình 3.6: Sơ đồ điện hệ thống khởi động điều khiển bằng công tắc khóa trên mô hình……….………… …….42

Hình 3.7: Phương án thiết kế hệ thống điều khiển công tắc khóa bằng máy tính……….……… … 43

Hình 3.8: Sơ đồ điện các nút đánh lỗi trên mô hình……… .44

Hình 3.9: Phương án thiết kế các nút nhấn đánh lỗi được điều khiển bằng máy tính……… …….… 44

Hình 3.10: Sơ đồ kết nối với vi điều khiển……… 45

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối chấp hành……….……… … 46

Hình 3.12: Lưu đồ chương trình truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi điều khiển……….… ……47

Hình 3.13 : Lưu đồ chương trình nhận dữ liệu từ máy tính …… ……… …48

Hình 3.14: Sơ đồ xác định tốc độ động cơ……… ……… …49

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi thành xung vuông……… …… …49

Hình 3.16: Lưu đồ truyền tốc độ động cơ lên máy tính……… … …51

Hình 3.17: Lưu đồ nhận dữ liệu từ vi điều khiển……… ….52

Hình 3.18: Phương pháp vẽ đồ thị xung……… …… .53

Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển điện áp……….… …54

Hình 3.20: Lưu đồ truyền giá trị adc lên máy tính……… ……55

Hình 4.1: Giao diện của phần điều khiển trên máy tính……….…… 61

Hình 4.2: Kết quả của phần điều khiển trên máy tính……… … 62

Hình 4.3 : Kết quả khi tăng tốc độ động cơ……… … 64

Hình 4.4 : Kết quả khi giảm tốc độ động cơ……… … 64

Hình 4.5: Kết quả của phần vẽ đồ thị xung NE khi tốc độ động cơ thấp…… … 65

Hình 4.6: Kết quả của phần vẽ đồ thị xung NE Khi tăng tốc độ động cơ……… 65

Hình 4.7: Kết quả khi khảo sát tín hiệu xung NE bằng OSCILLOSCOPE khi tăng tốc độ động cơ……… 66

Hình 4.8: Kết quả phần vẽ đồ thị xung G khi tốc độ động cơ thấp……… 67

Hình 4.9: Kết quả phần vẽ đồ thị xung G khi tăng tốc độ động cơ……… …… 67

Hình 4.10: Kết quả khi khảo sát tín hiệu xung G bằng OSCILLOSCOPE khi tăng tốc độ động cơ……… 68

Hình 4.11: Kết quả phần vẽ đồ thị xung IGT khi tốc độ động cơ thấp 69

Hình 4.12: Kết quả phần vẽ đồ thị xung IGT khi tăng tốc độ 69

LỜI NÓI ĐẦU 1

LỜI CẢM ƠN 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 3

1.1 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 4

1.2 CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 4

1.2.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m 4

1.2.2 Hiệu điện thế đánh lửa Uđl 4

1.2.3 Hệ số dự trữ Kđl 5

1.2.4 Năng lượng dự trữ Wđt 6

1.2.5 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S 6

1.2.6 Tần số và chu kì đánh lửa 7

1.2.7 Góc đánh lửa sớm 7

1.2.8 Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện 8

1.3 LÝ THUYẾT ĐÁNH LỬA TRONG ÔTÔ 9

1.3.1 Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp 9

1.3.2 Quá trình ngắt dòng sơ cấp 10

1.3.3 Quá trình phóng điện ở điện cực bougie 10

1.4 CÁC KIỂU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 11

1.4.1 Kiểu ngắt tiếp điểm 11

1.4.2 Kiểu transitor 11

1.4.3 Kiểu transitor có ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử) 12

1.4.4 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) 12

1.5 PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ 13

1.5.1 Hệ thống đánh lửa bán dẫn điều khiển trực tiếp 13

1.5.2 Hệ thống đánh lửa bằng kỹ thuật số 13

1.6 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐÁNH LỬA TRONG HỆ THỐNG 14

1.6.1 Hiệu chỉnh góc ngậm điện trong hệ thống đánh lửa 14

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KHỐI TRÊN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

ĐIỀU KHIỂN BẰNG ECU 22

2.1.1 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston 22

2.1.2 Igniter (IC đánh lửa) 24

2.1.3 Biến áp đánh lửa (bobine) 26

2.1.4 Bộ chia điện 29

2.1.5 Bougie 30

2.1.6 Bộ điều khiển điện tử (ECU-electronic control unit) 31

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỀU KHIỂN BẰNG ECU 35

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 37

3.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

3.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 39

3.2.1 Mạch giao tiếp giữa mô hình và máy tính 39

3.2.2 Nội dung giao tiếp giữa mô hình với máy tính 41

3.2.3 Phương pháp truyền thông 57

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM – PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 60

4.1 PHẦN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY TÍNH 61

4.2 PHẦN KHẢO SÁT TÍN HIỆU TRONG ECU 64

4.2.1 Tốc độ động cơ 64

4.2.2 Xung cảm biến tốc độ động cơ (NE) 65

4.3.3 Xung cảm biến vị trí pittông 67

4.3.4 Xung tín hiệu IGT 69

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 70

5.1 KẾT LUẬN 71

5.2 ĐỀ XUẤT 71

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kĩ thuật và trong dân dụng Từ các dây chuyền sản xuất lớn đến các thiết bị gia dụng, chúng ta đều thấy sự hiện diện của vi điều khiển Các bộ vi điều khiển có khả năng

xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các

tủ điều khiển lớn và phức tạp bằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dang thao tác

Là sinh viên thuộc ngành Cơ - Điện tử, bản thân người làm đề tài từ lâu đã có mong muốn trước khi ra trường sẽ có cơ hội sử dụng những kiến thức đã học để tạo

ra một sản phẩm có ích cho xã hội cũng như chính bản thân, qua đó cũng là dịp để mỗi sinh viên chúng ta đánh giá lại kiến thức đã học trong suốt quá trình rèn luyện trên giảng đường đại học Luận văn tốt nghiệp có lẽ là cơ hội tốt nhất của mỗi sinh viên chúng ta, để bản thân người làm có dịp thử thách chính mình trước khi tiếp cận với thực tế

Được sự hướng dẫn của thầy Vũ Thăng Long, em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ GIAO TIẾP GIỮA MÁY TÍNH VÀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN BẰNG ECU” nhằm phục vụ cho quá trình giảng dạy của trường được sinh động và dễ hiểu hơn

Do kiến thức thời gian còn hạn chế và khả năng thực tiễn chưa sâu nên tập luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em mong sự góp ý chân thành của quý Thầy Cô và bạn bè để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn

Nha Trang, ngày… , tháng… , năm 2010

Sinh Viên Thực Hiện

Nguyễn Hào Thiện

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã học hỏi được nhiều điều bổ ích từ

thầy hướng dẫn, các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy Vũ Thăng Long và thầy Trần Ngọc

Anh trên cương vị là người hướng dẫn đề tài đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện

thuận lợi để em hoàn thành tốt đề tài

Em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy trong khoa Cơ Khí, bộ môn Cơ

Điện Tử, bộ môn ÔTô cùng các bạn trong Khoa đã đóng góp ý kiến và kinh nghiệm

quý báu trong quá trình thực hiện đề tài này

Nha Trang, ngày… , tháng… , năm 2010

Sinh Viên Thực Hiện

Nguyễn Hào Thiện

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

ĐÁNH LỬA

1.1 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

Hệ thống đánh lửa trên ô tô có nhiệm vụ biến dòng hạ áp 12V thành xung điện cao áp 15KV ÷ 40KV để tạo ra tia lửa điện trên bougie nhằm đốt cháy hỗn hợp xăng - khí trong xi lanh ở cuối kì nén Nhiệm vụ đó đòi hỏi hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được các yêu cầu chính sau:

- Sức điện động thứ cấp phải đủ lớn để phóng điện qua khe hở của bougie

- Tia lửa trên bougie phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự cháy bắt đầu

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

- Các phụ kiện của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt

độ cao

- Sự mài mòn điện cực bougie phải nằm trong giới hạn cho phép

1.2 CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

1.2.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m

Hiệu điện thế thứ cấp cực đại [U2m] là hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bougie Hiệu điện thế thứ cấp [U2m] phải lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực bougie, đặc biệt là lúc khởi động

1.2.2 Hiệu điện thế đánh lửa U đl

Hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra được gọi là hiệu điện thế đánh lửa [Uđl ] Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu

tố, theo định luật Pashen

T

P K

Trong đó:

P : Là áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa

d : Là khe hở bougie

T : Là nhiệt độ trung tâm của bougie tại thời điểm đánh lửa

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

Ở chế độ khởi động lạnh hiệu điện thế đánh lửa tăng khoảng 20÷30% do nhiệt độ hòa khí thấp và hòa khí không được hòa trộn tốt Khi động cơ tăng tốc độ [Uđl ] tăng nhưng sau đó [Uđl] giảm từ từ do nhiệt độ cực bougie tăng và áp suất nén giảm do quá 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 Trong quá trình vận hành xe mới, sau 2.000 km đầu tiên [Uđl] tăng 20% do bougie bị mài mòn

Hình 1.1: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải động cơ

Trong đó:

1: Chế độ toàn tải 2: Chế độ nửa tải 3: Chế độ khởi động và cầm chừng

Sau đó [Uđl] tiếp tục tăng do khe hở bougie ngày một tăng Vì vậy để giảm [Uđl] phải hiệu chỉnh lại khe hở bougie sau mỗi 10.000km

1.2.3 Hệ số dự trữ K đl

Hệ số dự trữ [Kđl] là tỉ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại [U2m]và hiệu điện thế đánh lửa [Uđl]

m đl

Wdt : Năng lượng dự trữ trên cuôn sơ cấp

L1 : Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobine

Ing :Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm công suất ngắt

1.2.5 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S

t

U dt

Chu kì đánh lửa: Là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa

m

t f

T = 1 = +

Trong đó:

td: Thời gian transitor công suất dẫn bão hòa

tm: Thời gian transitor công suất ngắt Tần số đánh lửa f tỉ lệ thuận với vòng quay trục khuỷa động cơ và số vòng quay xi lanh Khi tăng số vòng quay của động cơ và số xi lanh, tần số đánh lửa f tăng và do đó chu kì đánh lửa T giảm Vì vậy khi thiết kế cần chú ý đến 2 thông số là: chu kì và tần số đánh lửa để đảm bảo ở số vòng quay cao nhất ở động cơ tia lửa vẫn mạnh

1.2.7 Góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷa động cơ 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, độ ô nhiễm của khí thải động cơ Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:

) ,

, , , , ,

tmt: Nhiệt độ môi trường

n : Số vòng quay của động cơ

N0: Chỉ số octan của xăng

Ở các đời xe cũ, góc đánh lửa sớm được điều chỉnh bởi 2 thông số: tốc độ và tải động cơ Tuy nhiên hệ số đánh lửa ở một số xe (Toyota, honda…) có trang bị thêm van nhiệt và sử dụng bộ phận đánh lửa sớm theo 2 chế độ nhiệt độ Trên các đời xe mới, góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng điện tử nên góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh theo các thông số nêu trên

1.2.8 Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện

Thông thường tia lửa điện gồm 2 thành phần: là thành phần điện dung và thành phần điện cảm Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:

Wp=Wc+Wl Trong đó:

2

2

2 dl c

U C

W = ´

2

2 2

2 i L

W l ´

=

Wp:năng lượng của tia lửa

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

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

C2: điện dung kí sinh của mạch thứ cấp của bougie

Udl:hiệu điện thế đánh lửa

L2:độ tự cảm của mạch thứ cấp

I2:cường độ dòng điện mạch thứ cấp Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ 2 thành phần hoặc có 1 thành phần điện cảm hoặc điện dung

Thời gian phóng điện giữa 2 điện cực của bougie tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa Tuy nhiên hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng tia lửa đủ lớn và thời gian phóng điện đủ dài để đốt cháy được hòa khí ở mọi chế độ hoạt động của động cơ

1.3 LÝ THUYẾT ĐÁNH LỬA TRONG ÔTÔ

1.3.1 Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa

Khi transitor công suất T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện từ (+) ắcquy về mass Dòng điện tăng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra trong cuộn dây sơ cấp chống lại sự tăng của cường độ dòng điện Ở giai đoạn này, mạch thứ cấp của hệ thống đánh lửa gần như không ảnh hưởng đến quá trình tăng dòng ở mạch sơ cấp Hiệu điện thế và cường độ dòng điện xuất hiện ở mạch thứ cấp không đáng kể nên ta có thể coi như mạch thứ cấp hở

1.3.3 Quá trình phóng điện ở điện cực bougie

Khi điện áp thứ cấp đạt đến giá trị [Uđl] tia lửa điện cao thế sẽ xuất hiện giữa hai điện cực của bougie Bằng thí nghiệm, người ta chứng minh được rằng tia lửa xuất hiện ở điện cực bougie gồm hai thành phần là thành phần điện dung và thành phần điện cảm

Thành phần điện dung của tia lửa do năng lượng tích lũy trên mạch thứ cấp được qui ước bởi điện dung kí sinh C2 Tia lửa điện dung được đặc trưng bởi sự sụt

áp và tăng dòng đột ngột

Dao động với tần số cao (106

÷ 107Hz) và dòng lớn, tia lửa điện dung gây nhiễu vô tuyến và mài mòn điện cực bougie

Do tia lửa xuất hiện trước khi hiệu điện thế thứ cấp đạt giá trị cực đại U2mnên năng lượng của tia lửa điện dung chỉ là một phần nhỏ của năng lượng phóng qua bougie Phần năng lượng còn lại sẽ hình thành tia lửa điện cảm Dòng qua bougie lúc này vào khoảng 20 ÷ 40 mA Hiệu điện thế giữa hai cực bougie giảm nhanh đến giá trị 400 ÷ 500 V Thời gian kéo dài của tia lửa điện cảm gấp 100 đến

1000 lần thời gian tia lửa điện dung Thường thì thời gian tia lửa điện cảm vào khoảng 1 đến 1,5ms

1.4 CÁC KIỂU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

1.4.1 Kiểu ngắt tiếp điểm

Hình 1.3: Sơ đồ của hệ thống đánh lửa kiểu ngắt tiếp điểm

Kiểu hệ thống đánh lửa này có cấu tạo cơ bản nhất Trong kiểu đánh lửa này, dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng cơ học Dòng sơ cấp của cuộn dây đánh lửa được điều khiển cho chạy ngắt quãng qua tiếp điểm của bộ ngắt dòng Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm kiểu li tâm và chân không điều khiển thời điểm đánh lửa Bộ chia điện sẽ phân phối điện cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bougie

1.4.2 Kiểu transitor

Hình 1.4: Sơ đồ của hệ thống đánh lửa kiểu transitor

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này transitor điều khiển dòng sơ cấp, để nó chạy một cách gián đoạn theo đúng các tín hiệu điện được phát ra từ bộ phát tín hiệu Thời điểm đánh lửa sớm được điều chỉnh bằng phương pháp cơ học như trong kiểu hệ thống đánh lửa ngắt tiếp điểm

1.4.3 Kiểu transitor có ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử)

Hình 1.5: Sơ đồ của hệ thống đánh lửa kiểu transitor có ESA

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này không sử dụng bộ đánh lửa sớm kiểu chân không và li tâm Thay vào đó chức năng ESA của bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển thời điểm đánh lửa

1.4.4 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)

Hình 1.6: Sơ đồ của hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)

Thay vì sử dụng bộ chia điện, hệ thống này sử dụng bộ đánh lửa đa bội để cung cấp điện cao áp trực tiếp cho bougie Thời điểm đánh lửa được điều khiển bởi ESA của ECU động cơ Trong các động cơ gần đây, hệ thống đánh lửa này chiếm

ưu thế

1.5 PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ

Hiện nay, trên hầu hết các loại ô tô đều sử dụng hệ thống đánh lửa bán dẫn vì loại này có ưu thế là tạo được tia lửa mạnh ở điện cực bougie, đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc của động cơ, tuổi thọ cao…Quá trình phát triển, hệ thống đánh lửa điện tử được chế tạo, cải tiến với nhiều loại khác nhau, song có thể chia ra làm hai loại chính như sau:

1.5.1 Hệ thống đánh lửa bán dẫn điều khiển trực tiếp

Trong hệ thống này, các linh kiện điện tử được tổ hợp thành một cụm mạch được gọi là Igniter Bộ phận này có nhiệm vụ đóng ngắt mạch sơ cấp nhờ các tín hiệu đánh lửa (tín hiệu điện áp) đưa vào Hệ thống đánh lửa bán dẫn loại này còn chia làm hai loại là:

Ø Hệ thống đánh lửa bán dẫn có vít điều khiển: vít điều khiển có cấu tạo giống như hệ thống đánh lửa thường nhưng chỉ làm nhiệm vụ điều khiển đóng mở

Ø Hệ thống đánh lửa không có vít điều khiển: hệ thống được điều khiển bằng một cảm biến đánh lửa

1.5.2 Hệ thống đánh lửa bằng kỹ thuật số

Hệ thống đánh lửa bằng kỹ thuật số còn gọi là hệ thống đánh lửa chương trình Dựa vào các tín hiệu như: tốc động động cơ, vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga, nhiệt độ động cơ… mà bộ vi xử lý (ECU – electronic control unit) sẽ điều khiển thời điểm đánh lửa

Trong các hệ thống đánh lửa thông thường, tiếp điểm của hệ thống đánh lửa yêu cầu bảo dưỡng định kỳ vì chúng bị oxy hoá bởi các tia lửa trong quá trình sử dụng

Hệ thống đánh lửa điện tử được phát triển để xoá bỏ yêu cầu bảo dưỡng định

kỳ, như vậy giảm được giá thành bảo dưỡng cho người sử dụng Trong hệ thống đánh lửa điện tử, bộ phận phát tín hiệu được đặt trong bộ chia điện thay thế cho

cam và tiếp điểm, nó sinh ra một điện áp, mở đánh lửa để ngắt dòng điện sơ cấp trong cuộn dây đánh lửa Do dùng để đóng mạch điện sơ cấp không có tiếp xúc giữa kim loại nên nó không mòn hay điện áp không sụt áp

1.6 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐÁNH LỬA TRONG HỆ THỐNG

Ngoài chức năng hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm trong việc điều khiển đánh lửa, một chức năng khác của ECU trong việc điều khiển đánh lửa là sự điều chỉnh góc ngậm điện (dwell angle control)

1.6.1 Hiệu chỉnh góc ngậm điện trong hệ thống đánh lửa

Như đã biết, thời gian tích lũy năng lượng tđ hay góc ngậm điện trên cuộn sơ cấp phụ thuộc vào vòng quay n của xylanh và số xylanh Z

Z n

td

.

120 3

2

=

Đối với một động cơ bất kỳ, số xylanh Z là cố định Vì vậy, thời gian tích lũy năng lượng tđ chủ yếu phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ Ở số vòng quay thấp, thời gian tích lũy năng lượng tđ rất dài, mà thời gian tích lũy năng lượng dài sẽ gây lãng phí một năng lượng khá lớn và làm nóng bougie Ngược lại ở tốc độ cao, tđquá nhỏ, không đủ thời gian để dòng cuộn sơ cấp kịp đạt đến giá trị U/RΣ, có nghĩa

là năng lượng đánh lửa và hiệu điện thế thứ cấp sẽ giảm

Để tiết kiệm năng lượng và gây nóng bougie khi động cơ làm việc ở số vòng quay thấp, người ta đưa vào Igniter mạch hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng, sao cho đặc tính của nó có dạng gần giống như đường đặc tính lý tưởng Bộ phận này chỉ làm việc khi số vòng quay động cơ nhỏ hơn 4000 vòng/phút

Để tăng giá trị Ing ở tốc độ cao, người ta sử dụng bobine có L1 rất nhỏ (4 ÷ 5 mH), do đó R1 cũng nhỏ (0,5 ÷ 1 Ω) nhưng không cần sử dụng điện trở phụ Vì vậy, trong Igniter phải có mạch tự hạn chế cường độ dòng qua cuộn sơ cấp của bobine Một Igniter được thiết kế có chức năng hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng tđ

và một vài chức năng khác có sơ đồ khối như sau:

Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống đánh lửa với mạch điều khiển thời gian

tích lũy năng lượng t đ

7 : Cổng ra

8 : Hạn chế dòng sơ cấp

9 : Bảo vệ mạch khi mắc lộn cực ắcquy Tín hiệu từ cảm biến được đưa vào (1) Tín hiệu đưa vào nếu là xung nhọn thì (1) có nhiệm vụ biến xung nhọn thành xung vuông trước khi biến đổi độ hỏng xung (2) tức giảm bớt thời gian tích lũy năng lượng Cụm hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng tđ (3) sẽ nhận tín hiệu từ (2) và điện thế nguồn ắcquy cung cấp để hiệu chỉnh thời gian tđ, sau đó gởi tín hiệu đến cổng ra (7) Cổng ra (7) là transitor công suất nhận tín hiệu từ (3), (4), (6), (8) để đóng mở transitor cho dòng sơ cấp tại thời điểm transitor ngắt đạt giá trị mong muốn Ổn áp (5) có nhiệm vụ ổn áp cho cụm (3) để cụm này làm việc chính xác Cụm điều khiển ngắt dòng (4) sẽ tự động ngắt dòng qua bobine, nếu như bật công tắc máy sau 2 ÷ 7 giây mà không khởi

động, để tránh tình trạng cháy bobine Cụm (9) có tác dụng bảo vệ mạch khi mắc ngược cực ắcquy, đảm bảo cho các linh kiện điện tử trong Igniter không bị phá hủy Cụm (6) có nhiệm vụ hạn chế biên độ xung điện áp sơ cấp khi xung điện áp tăng quá cao trong trường hợp sút dây cao áp chẳng hạn, để bảo vệ mạch Bộ mạch hạn chế dòng (8) sẽ hạn chế để dòng điện sơ cấp ở một giá trị nhất định cũng với mục đích là bảo vệ mạch igniter

1.6.2 Hiệu chỉnh góc đánh lửa theo các chế độ làm việc của động cơ

Động cơ trên ô tô có khả năng thích ứng rất cao Từ lúc khởi động và trong suốt quá trình làm việc, chế độ làm việc của động cơ luôn liên tục thay đổi Tùy từng chế độ làm việc của động cơ mà ECU thực hiện việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm lý tưởng ở chế độ khởi động, chế độ cầm chừng, chế độ hâm nóng sau khởi động…đảm bảo hiệu suất động cơ cao nhất cũng như giảm ô nhiễm và tiêu hao nhiên liệu

a.Chế độ khởi động

Góc đánh lửa sớm được đặt ở một giá trị nhất định, không thay đổi trong suốt quá trình khởi động Giá trị của góc đánh lửa sớm phụ thuộc vào back-up IC trong ECU đã lưu trữ các số liệu về góc đánh lửa

Hình 1.8: Điều khiển góc đánh lửa sớm ở chế độ khởi động

Thông thường góc đánh lửa sớm được chọn nhỏ hơn 100 Với góc đánh lửa này, động cơ được khởi động dễ dàng ngay cả khi nguội, đồng thời tránh sự nổ dội Việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ khi khởi động không cần thiết vì thời gian khởi động rất ngắn

Khi có tín hiệu khởi động, mạch chuyển đổi trạng thái sẽ nối đường IGT sang vị trí ST Khi đó, xung IGT được điều khiển bởi Back – up IC thông qua hai tín hiệu G và NE Nếu động cơ đã nổ, đường IGT sẽ nối sang vị trí After ST (sau khởi động) và việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm sẽ được thực hiện bởi ECU

b.Chế độ sau khởi động

Khi động cơ đã khởi động xong, góc đánh lửa sớm sẽ được chỉnh theo công thức

θ= θbđ + θcb + θhc Trong đó, góc đánh lửa hiệu chỉnh (θhc) là tổng của tất cả các góc đánh lửa được hiệu chỉnh theo các điều kiện làm việc của động cơ:

· Hiệu chỉnh theo nhiệt độ nước làm mát của động cơ

· Hiệu chỉnh theo sự ổn định của động cơ trong chế độ cầm chừng

· Hiệu chỉnh theo sự kích nổ

· Hiệu chỉnh theo nhiệt độ của khí nạp

· Hiệu chỉnh theo các điều kiện khác (như điều kiện khí thải, chế độ ga

tự động, chế độ vượt tốc, quá trình thay đổi lực kéo của động cơ khi xe có hiện tượng trượt…)

Tùy loại động cơ mà một số chức năng hiệu chỉnh của ECU có hoặc không

Ví dụ chức năng hiệu chỉnh góc đánh lửa theo sự kích nổ, theo sự trượt của xe cũng chỉ có ở các loại xe hạng sang

Để ngăn ngừa các trường hợp xấu ảnh hưởng đến hoạt động và tuổi thọ của động cơ do đánh lửa quá sớm hoặc quá trễ, ECU chỉ thực hiện việc chỉnh góc đánh lửa sớm trong giới hạn từ 100 ÷ 450 trước tử điểm thượng

Tùy thuộc vào nhiệt độ của động cơ được nhận biết từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát mà góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh tăng hoặc giảm cho thích hợp với điều kiện cháy của hòa khí trong buồng đốt Khi nhiệt độ của động cơ nằm trong khoảng -200 ÷ 600C, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh sớm hơn từ 00 đến

150 Sở dĩ phải tăng góc đánh lửa sớm khi động cơ nguội là vì ở nhiệt độ thấp tốc độ cháy chậm, nên phải kéo dài thời gian để nhiên liệu cháy hết nhằm tăng công suất động cơ

Khi nhiệt độ động cơ nằm trong khoảng từ 600 ÷ 1100C, ECU không thực hiện sự hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ

Hình 1.9: Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ

Trong trường hợp động cơ quá nóng (>1100C) sẽ gây ra hiện tượng kích nổ

và làm tăng hàm lượng NOX trong khí thải, vì vậy ECU sẽ điều khiển giảm góc đánh lửa xuống một góc tối đa là 50C

c Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo sự ổn định của động cơ ở chế độ cầm chừng

Ở chế độ cầm chừng, tốc độ động cơ bị dao động do tải của động cơ thay đổi Việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm có tác dụng làm ổn định tốc độ động cơ

Hình 1.10: Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo sự ổn định của động cơ

ở chế độ cầm chừng

Khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn, tín hiệu từ công tắc cánh bướm ga (hoặc cảm biến vị trí bướm ga) báo về ECU cho biết động cơ đang làm việc ở chế độ cầm chừng Kết hợp với tín hiệu tốc độ động cơ (NE) và tốc độ xe, ECU sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm và ngược lại Góc hiệu chỉnh tối đa trong trường hợp này là ±50C

Khi tốc độ tăng cao, ECU không hiệu chỉnh Trên một số loại động cơ, việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm này phụ thuộc vào điều kiện sử dụng máy lạnh hoặc chỉ hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm khi tốc độ cầm chừng bị giảm xuống dưới mức quy định

Hình 2.1: Mô hình hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển bằng ECU

Mô hình hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển bằng ECU (Hình 2.1) gồm: Khối điều khiển (ECU), khối các tín hiệu cảm biến: tín hiệu G và NE (được đặt trong bộ chia điện), khối tín hiệu điều khiển IGT (Igniter), khối thực hiện (bougie),

và các bộ phận khác như bobine, bộ chia điện

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KHỐI TRÊN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỀU

Cảm biến tốc độ động cơ (Engine speed ; crankshaft angle sesor hay còn gọi

là tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động cơ để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối

ưu và lượng nhiêu liệu sẽ phun cho từng xylanh Cảm biến này cũng được dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiêu liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức

Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE

Mỗi cảm biến gồm có rotor để khép mạch từ và cuộn dây cảm ứng mà lõi gắn với một nam châm vĩnh cửu đứng yên Số răng trên rotor và số cuộn dây cảm ứng thay đổi tùy thuộc vào loại động cơ Tín hiệu G gồm có một cuộn dây cảm ứng, một rotor 4 răng Tín hiệu NE gồm có một cuộn dây cảm ứng và một rotor 24 răng Hai rotor này gắn đồng trục với bộ chia điện, bánh răng tín hiệu G nằm trên, còn bánh răng phát tín hiệu NE ở phía dưới

c Nguyên lý hoạt động

Hình 2.4: Sự thay đổi từ thông theo tốc độ động cơ

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn dây cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu và một roto dùng để khép mạch từ có số răng tùy loại động cơ Khi cựu răng của rotor không nằm đối diện cực từ, từ thông đi qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe hở không khí lớn có từ trở cao Khi một cựa răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở của không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh Như vậy, nhờ

sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động Khi cựa răng rotor đối diện với cực từ của cuộn dây, từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không Khi cựa răng của roror di chuyển ra khỏi cực từ, thì khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại

2.1.2 Igniter (IC đánh lửa)

b Nguyên lý hoạt động

Hình 2.6: Sơ đồ thể hiện quá trình đánh lửa khi có xung IGT

Ø Tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT)

Dòng trong cuộn sơ cấp được điều khiển bởi ECU thông qua tín hiệu thời điểm đánh lửa IGT Tín hiệu IGT là một tín hiệu điện áp dùng để ON/ OFF transitor công suất trong IC đánh lửa Tín hiệu IGT có dạng xung vuông, từ 0 ÷5 V

Khi tín hiệu điện áp IGT ở 5V thì transitor công suất được thông (ON), lúc này dòng sơ cấp qua transitor công suất trong IC đánh lửa về mass ắcquy Khi tín hiệu điện áp IGT ở 0V thì transitor công suất ngắt (OFF), bởi vậy dòng qua cuộn sơ cấp bị ngắt, vào thời điểm này điện thế hàng trăm vôn được tạo ra trong cuộn sơ cấp

và hàng chục ngàn vôn được tạo ra ở trong cuộn thứ cấp

Hình 2.7: Tín hiệu IGT và IGF

Ø Tín hiệu hồi tiếp (IGF)

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 IGF cho ECU Tín hiệu IGF được phát ra khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã được ấn định

Nếu ECU không nhận được tín hiệu IGF, nó đã 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 phần chức năng chuẩn đoán Tuy nhiên ECU động cơ không thể phát hiện ra các sai sót trong mạch thứ cấp vì nó chỉ kiểm sót mạch sơ cấp để nhận tín hiệu IGF

2.1.3 Biến áp đánh lửa (bobine)

Hình 2.8: Hình ảnh của bobine trên mô hình

b Cấu tạo

Hình 2.9: Cấu tạo bobine

Boubine gồm hai cuộn sơ cấp và thứ cấp quấn quanh lõi Lõi thép từ được ghép bằng các lá thép biến thế dày 0,35mm và có lớp cách mặt để giảm ảnh hưởng

của dòng điện xoáy (dòng fucô) Số vòng của cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp khoảng 100 lần

Một đầu của cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cấp được nối với bougie

c Hoạt động

Hình 2.10 : Hoạt động của dòng điện trong cuộn sơ cấp

Khi động cơ chạy, dòng điện từ ắcquy chạy vào cuộn sơ cấp, qua IC đánh lửa, phù hợp với tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra Kết quả là các đường sức từ được tạo ra chung quanh cuộn dây có lõi ở trung tâm

Khi động cơ tiếp tục chạy, IC đánh lửa nhanh chóng ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra Kết quả là từ thông của cuộn sơ cấp bắt đầu giảm Vì vậy tạo ra một sức điện động theo chiều chống lại

sự giảm của từ thông hiện có, thông qua tự cảm của cuộn sơ cấp và cảm ứng tương

hỗ của cuộn thứ cấp

Hiện tượng tự cảm tạo ra một thế điện động khoảng 500V trong cuộn sơ cấp

và hiệu ứng cảm ứng tương hỗ kèm theo của cuộn thứ cấp tạo ra một sức điện động khoảng 40KV Thế điện động này làm cho bougie phát ra tia lửa Dòng sơ cấp càng lớn và sự ngắt dòng sơ cấp càng nhanh thì điện thế thứ cấp càng lớn

2.1.4 Bộ chia điện

Bộ chia điện là một thiết bị quan trọng trong hệ thống đánh lửa Nó có nhiệm

vụ tạo nên những xung điện ở mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa và phân phối điện cao thế đến các xi lanh theo thứ tự nổ của động cơ đúng thời điểm quy định

Hình 2.11: Hình ảnh của bộ chia điện trên mô hình

Bộ chia điện được gắn với trục của động cơ, hai cảm biến tốc độ động cơ (NE) và cảm biến vị trí pittông (G) được đặt trong bộ chia điện Bên trong bộ chia điện có mỏ quẹt được nối với trục của động cơ Khi động cơ quay, mỏ quẹt cũng quay theo, đồng thời tiếp xúc với 4 tiếp điểm tương ứng với 4 bougie trên mô hình Như vậy, bộ chia điện sẽ phân phối điện cao thế từ cuộn thứ cấp của bobine đến 4 bougie theo thứ tự nổ của động cơ

2.1.5 Bougie

Bougie bao gồm có chức năng chính là đốt cháy hỗn hợp khí, nhiên liệu và truyền nhiệt từ buồng đốt

Hình 2.12: Cấu tạo bougie

Bougie đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động của động cơ xăng Đó là nơi xuất hiện tia lửa ban đầu để đốt cháy hòa khí Vì vậy, nó ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu cũng như độ ô nhiễm của khí thải

Do điện cực bougie đặt trong buồng đốt nên điều kiện làm việc của nó rất khắc nghiệt: nhiệt độ ở kì cháy có thể lên đến 2500о C và áp suất đạt 50kg/cm2 Ngoài ra bougie còn chịu sự thay đổi đột ngột về áp suất lẫn nhiệt độ, các dao động cơ khí, sự

ăn mòn hóa học và điện thế cao áp Chính vì vậy các hư hỏng trên động cơ xăng thường liên quan đến bougie

Hiệu điện thế cần thiết đặt vào bougie để có thể phát sinh tia lửa tuân theo định luật Pashen Khả năng xuất hiện tia lửa trên điện cực bougie ở hiệu điện thế cao hay điện thế thấp phụ thuộc vào áp suất trong xi lanh ở cuối kì nén, khe hở bougie và nhiệt độ điện cực trung tâm bougie Áp suất trong xi lanh càng cao thì