Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa

Chúng em đượcgiao đồ án môn học ‘‘Trang bị điện tử động lực’’nhằm củng cố kiến thức đã học vàhiểu hơn các Hệ thống đánh lửa thường dùng trong các động cơ hiện nay.. PHẦN I:

LỜI NÓI ĐẦU

Trong động cơ xăng nhiên liệu được đốt cháy cưỡng bức nên hệ thống đánh lửa

là bộ phận không thể thiếu để duy trì hoạt động cũng như tính ổn định trong quá trìnhlàm việc

Sau khi học xong môn Trang Bị Điện và Điện Tử Động Lực Chúng em đượcgiao đồ án môn học ‘‘Trang bị điện tử động lực’’nhằm củng cố kiến thức đã học vàhiểu hơn các Hệ thống đánh lửa thường dùng trong các động cơ hiện nay Trong quá

trình làm đồ án, em đã được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Việt Hải để em

hoàn thành đồ án Trang Bị Điện và Điện Tử Động Lực này

Cuộc sống càng ngày càng hiện đại hơn, đầy đủ hơn nên yêu cầu về HTĐL ngàycàng nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao…đảm bảo đánh lửa đúng với mọitrường hợp hoạt động của động cơ Chính vì vậy sự phát triển của HTĐL cũng rấtnhanh để phù hợp với mọi yêu cầu của cuộc sống Nên càng ngày càng có nhiềuHTĐL khác nhau, nhưng chúng vẫn dựa trên cơ sở chung để tạo ra được tia lửa điện.Trong quá trình làm đồ án do thời gian hạn hẹp và kiến thức còn nhiều hạn chếnên không thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận được những lời đóng góp của quý thầy

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ÔTÔ

Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều thế hiệu thấp (6, 12 hay24V) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp (trong HTĐL bằng Manhêtô và vôlăng Manhêtic) thành các xung điện cao thế (12 – 24V) đủ đê tạo nên tia lửa đốt cháyhỗn hợp làm việc trong các xi lanh của động cơ vào những thời điểm thích hợp vàtương ứng với trình tự xi lanh và chế độ làm việc của động cơ

Trong một số trường hợp, hệ thống đánh lửa còn dùng để hổ trợ khởi động, tạođiều kiện khởi động động cơ được dễ dàng ở nhiệt độ thấp

Thời điểm đánh lửa phải tương ứng với góc đánh lửa sớm hợp lý nhất ở mọi chế

độ làm việc của động cơ

Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẽ…

1.3 Phân loại:

 Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Loại đánh lửa dùng acquy: Đây là loại hệ thống đánh lửa thông dụng, được dùngtrên hầu hết các ô tô thời gian trươc đây, còn gọi là Hệ thống đánh lửa thường, hay Hệthống đánh lửa cổ điển

Loại bán dẫn hay điện tử vứi sự có mặt của các linh kiện bán dẫn trong thànhphần Đây là loại hệ thống đánh lửa mới, có nhiều ưu điểm hơn hẳn loại hệ thống đánhlửa thường và có xu thế thay thế dần các hệ thống đánh lửa thường

Loại đánh lửa bằng Manhêtô hoặc vô lăng Manhêtic: Là loại Hệ thống đánh lửacao áp hay độc lập, không cần đến acquy máy phát và có độ tin cậy cao

Hệ thống đánh lửa theo chương trình (ECU)

 Theo dạng năng lượng được tích lũy trước khi đánh lửa,

Loại điện cảm: Bao gồm hệ thống đánh lửa thường, đánh lửa bán dẫn dùngtransistor, Manhêtô Ở loại này năng lượng đánh lửa được tích lũy trong từ trường củabiến áp đặc biệt gọi là biến áp đánh lửa.

Loại điện dung: Là loại hệ thống đánh lửa mới về nguyên lý làm việc có rất nhiều

ưu điểm, nên hiện nay được sử dụng nhiều trên các ôtô hiện đại Ở loại này, nănglượng đánh lửa mà trong một tụ điện đặc biêt gọi là tụ tích

1.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

1.4.1 Hệ thống đánh lửa thường.

Hình 1.4.1: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của HTĐL thường

1 – Cam; 2 – tiếp điểm; 3 – biến áp; 4 – Bộ chia điện; 5 – Bugi

Biến áp đánh lửa có hai cuộn dây: cuộn sơ cấp W1 có khoảng 250 – 400 vòng,cuộn thứ cấp W2 có khoảng 19000 – 26000 vòng Cam 1 của bộ chia điện được dẫnđộng quay từ trục phân phối, làm nhiệm vụ đóng mở tiếp điểm KK’, tức là nối tắtmạch sơ cấp của biến áp đánh lửa

Nguyên lý làm việc:

+ Khi KK’ đóng : Trong mạch sơ cấp xuất hiện dòng sơ cấp i1 Dòng này tạo nênmột từ trường khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đanh lửa

+ Khi KK’ mở: Mạch sơ cấp bị ngắt, dòng i1 và từ trường do nó tạo nên mất đi

Do đó, trong cả hai cuộn dây sẽ xuất hiện các suất điện động tự cảm, tỷ lệ thuận vớitốc độ biến thiên của từ thông Bởi vì cuộn W2 có số vòng dây lớn nên suất điện độngcảm ứng sinh ra trong nó cũng lớn, đạt khoảng 12000 đến 24000V Điện áp cao nàytruyền từ cuộn thứ cấp qua rôto của bộ chia điện 4 và các dây dẫn cao áp đến các bugi

đánh lửa 5 theo thứ tự nỗ của động cơ Khi thế hiệu đạt giá trị Udl thì sẽ xuất hiện tialửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hộn hợp làm việc trong xi lanh.

Vào thời điểm tiếp điểm mở, trong cuộn sơ cấp cũng xuất hiện suất điện động tựcảm khoảng 200 đên 300V Nếu như không có tụ điệ C1 mắc song song phóng qua tiếpđiểm, làm cháy rỗ các má vít, đồng thời làm cho dòng sơ cấp và từ trường của nó mất

đi chậm hơn và vì thế, thế hiệu thứ cấp sẽ không lớn

Khi có tụ C1 dòng sơ cấp và suất điện động tự cảm sẽ được dập tắt nhanh chóng,không gây ra tia lửa ở tiếp điểm và U2 tăng lên

1.4.2 Hệ thống đánh lửa Manhêtô.

Hình 1.4.2: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa Manhêtô

1 – lõi thép; 2 – cuộn sơ cấp; 3 – cuộn thứ cấp; 4 – Má cực; 5 – kim đánh lửa phụ; 6 –điện cực bộ chia điện; 7 – Rô to; 8,9 – Bánh răng; 10 – bugi; 11 – rô to nam châm; 12– cam; 13 – tiếp điểm tĩnh; 14 – tiếp điểm động; 15 – công tắc điện; 16-cam

Về cấu tạo, manhêtô chia ra hai phần chính: hệ thống mạch từ và mạch điện

+ Hệ thống mạch từ: Cử Manhêtô thực chất là mạch từ của 1 máy phát của một biếnthế kết hợp lại:

Để phát ra điện, tạo được dòng sơ cấp, hệ thống từa của Manhêtô có nam châmvĩnh cửu, khung từ (lõi thép) trên có quấn cuộn dây sơ cấp W1

Để nhận được điện áp cao, trên lõi thép của Manhêtô còn được quấn cuộn dâythứ cấp W2 để kết hợp với W1 thành một biến thê cao áp

+ Mạch từ: Có nhiệm vụ biến suất điện động cảm ứng xoay chiều thế hiêu thấp,xuất hiện trong các cuộn dây sơ cấp W1 thành các xung điện cao thế và phân phối nóđến các bugi theo trình tự cần thiết.

Bao gồm: Các cuộn dây sơ cấp W1 và thứ cấp W2 của biến áp đánh lửa (2 và 3),

bộ phận tạo xung (tiếp điểm 13, 14), tụ điện C, Bộ chia điện (6, 7 , 8, 9), công tăc đánhlửa (15 để nối tắt tiếp điểm), kim đánh lửa phụ ( 5 để bả vệ cho cách điện của cuộn thừcấp khỏi bị đánh thủng khi U2 tăng quá giới hạn cho phép (3000V) trong trường hợpđầu dây cao áp mất tiếp xúc với bugi hay với cực của bộ chia điện) và các bugi 10.Cuộn sơ cấp thường có từ 150 – 240 vòng dây với đường kính khoảng 0,8 –1mm Cuộn thứ cấp W2 thường có từ (11 – 13).103 vòng dây với đường kinh khoảng0,1mm

Nguyên lý làm việc:

Nguyên lý tạo nên điện thế cao tương tự hệ thống đánh lửa thường dùng ác quychỉ khác là dòng điện trong cuộn sơ cấp sinh ra là do suất điện động cảm ứng xuất hiệntrong cuộn dây khi nam châm quay tương tự như ở máy phát xoay chiều kích thíchbằng nam châm vĩnh cửu

1.4.3 Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm.

Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.4.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm

1 – Bộ ác quy; 2 – Tiếp điểm (căp má vít); 3 – Biên áp đánh lửa; 4 – Điện trở phụ 5 –

Khóa điện; 6 – Transistor

Nguyên lý làm việc:

Khi KK’ đóng: Cực gốc B của transistor được nối cơi cực âm của nguồn nên

UEB>0 làm xuất hiện các suất điện động tự cảm xuất hiện dòng IB và transistor mở chodòng I1 đi qua

Khi KK’ mở: Dòng IB bị ngắt nên transistor đóng và ngắt đột ngột dòng I1 Do đótrong các cuộn dây của biến áp đánh lửa xuất hiện các suất điện động tự cảm Trong hệthống đánh lửa thường E1 = 200 – 400V hoặc lớn hơn Bởi vậy không thể lấy biến ápđánh lửa tiêu chuẩn (dùng cho hệ thống đánh lửa thường) sang dùng cho hệ thốngđánh lửa bán dẫn, vì transistor không chịu được điện áp cao như vậy mà phải dùngbiến áp riêng có Kba lớn hơn để giảm E1 xuống nhỏ hơn 100V

Nếu E1 đòi hỏi phải lớn hơn 100V để đảm bảo nhận được U2 cao, thì có thể mắcnối tiếp các transistor hoặc áp dụng các biện pháp bảo vệ, Nếu vẫn dùng biến áp đánhlửa tiêu chuẩn thì hệ thống đánh lửa bán dẫn sẽ không phát huy được ưu điểm gì trừvấn để tăng tuổi thọ cho tiếp điểm

1.4.4 Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm.

Trong hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm, thời điểm đánh lửa được điềukhiển bằng bộ cảm biến đặc biệt có liên hệ cơ khí với trục khuỷu động cơ

Các bộ cảm biến có thể chia ra hai loại: Cảm biến thông số và cảm biến phát điện

 Cấu tạo của hệ thống gồm:

- Bộ ác quy 1

- Bộ cảm biến 2 (phát lệnh) lắp trong bộ chia điện;

- Bộ biến áp đánh lửa 3;

- Bộ cắt nối bán dẫn I và hộp điện trở phụ II;

- Transistor T3: đóng tích cự nhở nửa kỳ điện áp dương của bộ phát lệnh;

- Transistor T2: đóng tích cự nhơ Đ2 và R1 (mạch hồi tiếp);

- Transistor T1: đóng tích cực nhờ biến áp xung.

- Để đảm bảo chất lượng đánh lửa khi khởi động, trong sơ đồ có mạch liên hệngược (hồi tiếp) qua R3 và C2 từ cực góp K của T1 đến cực gốc của T3

Hình 1.4.4: Sơ đồ nguyên lý của HTĐL bán dẫn không tiếp điểm

B của T1 làm T1 mở và cho dòng đi qua cuộn sơ cấp W1 của biến áp đánh lửa

Khi bộ phát lệnh quay, ở nửa chu kỳ (-) của điện áp do nó phát ra thì cực gốc B

củ T3 có điện áp (-) nên T3 mở T3 mở thì RT3 giảm nhỏ nên cực gốc B của T2 coi nhưđược nối với cực (+) nên T2 đóng T2 đóng làm T1 đóng theo, cắt đột ngột dòng sơ cấp

I1 tạo nên một suất điện động tự cảm E2 rất lớn truyền qua bộ chia điện đến các bugi

để tạo tia lửa điện

Khi khởi động hoặc khi số vòng quay thấp, xung tín hiệu còn yếu thì T2 mở – tụ

C2 được nạp => làm cho thế cực gốc B của T3 âm nên T3 mở T3 mở làm T2 và T1 đóng

=> cắt dòng I để tạo tia lửa điện ở bugi Sau đó T và T lại mở => tụ lại được nạp làm

T3 mở còn T1 va T2 đóng Quá trình cứ lặp lại theo một chu kỳ nhất định, tạo nên hàngloạt tia lửa điện ở bugi hỗ trợ cho khời động động cơ.

1.4.5 Hệ thống đánh lưa theo chương trình:

1.4.5.1 Hệ thống đánh lửa gián tiếp.

Là một trong số các kiểu hệ thống đánh lửa có góc đánh lửa điều chỉnh theo mộtchương trình trong bộ nhớ của ECU Sau khi nhận các hiệu từ các cảm biến như cảm biếntốc độ động cơ NE, vảm biến vị trí trục khuỷu G, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt

độ nước làm mát, ECU sẽ tính toán và phát sinh ra các tín hiều đánh lửa tối ưu đến IC đánhlửa để điều khiển việc đánh lửa, Việc phân phối điện cao thế đến các bugi theo thứ tự làmviệc và các chế độ tương ứng của các xilanh thông qua bộ chia điện

+ Ưu điểm ( so với các HTĐL trước đây)

Thời điểm đánh lửa chính xác

Loại bỏ được các chi tiết dễ hư hỏng như: Bộ ly tâm, chân không

+ Nhược điểm:

Tổn thất nhiều năng lượng qua bộ chia điện và dây cao áp

Gây nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp

Khi động cơ có tốc độ cao và số xilanh lớn thì dễ xảy ra đánh lửa đồng thời haidây cao áp kề nhau

Bộ chia điện dễ hư hỏng

Hình 1.4.5.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa gián tiếp

G1, G2 – Cảm biến vị trí trục khuỷu; Ne – Cảm biến tốc độ động cơ

T1, T2 – Các transistor; 1 - Ắc quy; 2 – Công tắc;

3 – Bugi; 4 – Cuộn đánh lửa; 5 – Các cảm biến khác

1.4.5.2 Hệ thống đánh lửa trưc tiếp (Không có bộ chia điện):

Là HTĐL có góc đánh lửa được điề khiển bằng một chương trình lưu trong bộnhớ ECU Trong đó, điện cao thế được truyền trực tiếp từ các biến áp đánh lửa đến cácbugi không qua bộ chia điện

+ Ưu điểm:

Không có dây cao áp hoặc dây cao áp rất ngắn nên giảm được năng lượng mấtmát, giảm điện dung ký sinh và nhiễu sóng vô tuyến

Không còn bộ phân phối điện cao áp bên không còn khe hở trên đường dẫn cao áp

Bỏ được các chi tiết dễ hư hỏng và phải chế tạo bằng vật liệu cách điện tốt như

bộ phân phối, chổi than, nắp bộ chia điện

 Hệ thống đánh lửa trực tiếp bao gồm hai loại:

a Hệ thống đánh lửa sử dụng bô bin đôi

ECU

Ne G2 G1

CB khac

T1

T1

4 1

2 3

IC

IGT1

IGT2

Hình 1.4.5.2a: Sơ đồ HTĐL trực tiếp sử dụng bô bin đôi

Trong HTĐL sử dụng bô bin đôi, bô bin đôi phải được gắn vào 2 bugi của 2xilanh song hành

Trên hình thể hiên HTĐL trực tiếp sử dụng bô bin đôi trên động cơ 4 xilanh, cóthứ tự nỗ 1-3-4-2, dùng 2 bô bin đôi:

Bô bin thứ nhất được nối với bugi 1 và 4;

Bô bin thứ hai được nối với bugi 2 và 3;

Giả sử đến thời điểm thích hợp cho máy số 1, piston của máy số 1 và máy số 4đều gần đến điểm chết trên nhưng do máy số 4 đang trong kì thải nên vùng môi chấtlúc này chứa nhiều ion, tạo thành môi trường dẫn điện nên bugi ở máy số 4 sẽ khôngđánh lửa Còn máy số 1 đang trong kỳ nén nên sẽ đánh lửa ở bugi máy số 1 Việc đánhlửa ở bugi của máy số 2 và số 3 cũng tương tự

Nhược điểm: Vẫn còn tồn tại dây cao áp từ bô bin đôi đến các bugi nên vẫn còntồn tại tổn thất năng lượng trên dây cao áp

b Hệ thống đánh lửa sử dụng Bô bin đơn

Hình 1.4.5.2b: Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bô bin đơn

G – cảm biến vị trí trục khuỷu; Ne – cảm biến tốc độ động cơ;

T1, T2, T3 – các transistor;

1 – các cảm biến khác; 2 – biến áp đánh lửa; 3 – BugiVới hệ thống đánh lửa sử dụng bô bin đơn, mỗi bô bin dùng cho một bugi, ICđánh lửa, bô bin và bugi được tích hợp vào một kết cấu gọn nhẹ, không còn dây cao

áp Điều này làm hạn chế rất nhiều năng lượng mất mát, tránh làm nhiễu sóng vô tuyến

và làm giảm tần số hoạt động của bô bin nên hệ thống này được sử dụng nhiều nênnhững động cơ hiện đại trong thời gian gần đây

PHẦN II: TÍNH VÀ VẼ ĐẶC TÍNH DÒNG ĐIỆN QUA CUỘN SƠ CẤP

2.1 Chọn phương án thiết kế:

Với sự phát triễn vuợt bậc của kỹ thuật điện tử và điều khiển tự động các thiết bịđiện điện tử, trên các oto hiện đại hiện nay hầu như không tồn tại dưới các bộ phận,các cụm tương đối độc lập về chức năng như trước mà kết hợp lại thanh các vi mạchtích hợp, được xử lý và điều khiển thống nhất bởi một bộ xử lý trung tâm (ECU –Electronic Control Unit)

Hệ thống đánh lửa chương trình có những ưu điểm sau:

+ Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ.+ Không có dây cao áp nên giảm được năng lượng mất mát, giảm điện dung kýsinh và nhiễu sóng vô truyến

+ Động cơ khởi động dễ dàng, chạy không tải êm, tiết kiệm được nhiên liệu…+ Công suất của động cơ được cãi thiện

+Không còn bộ phận phân phối điện cao áp nên không còn khe hở trên đườngdẫn cao áp

+ Ít hư hỏng, tuổi thọ cao và ít bảo dưỡng

 Nhờ những ưu điểm nỗi bật như trên nên ta chọn thiết kế hệ thống đánh lửatheo chương trình sử dụng bô bin đơn, mỗi bô bin dùng cho một bugi từ loại hệ thốngđánh lửa theo chương trình IC đánh lửa, bô bin và bugi đánh lửa được tích hợp vàotrong một kết cấu gọn nhẹ

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống đánh lửa chương trình trực tiếp dùng bobine đơn

2.2 Tính và vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp:

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý.

1

2

4

5 3

6

Hình 2.2.1.a Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa

1 – Acquy; 2 – Công tắc; 3 – Bô bin; 4 – Bugi; 5 – IC đánh lửa; 6 – Transistor;

U: Điện áp của mạch sơ cấp

2.2.2 Tính dòng điện qua cuộn sơ cấp.

Cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp I1ng tại thời điểm Transistor ngắt được tínhtheo công thức:

I1ng – Giá trị dòng sơ cấp khi transistor ngắt [A].

Ung – Hiệu điện thế nguồn [V]

Ung = 12[V]

Ta có bảng số liệu sau:

0 5 10 15 20 25 30 0