tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa trên ô tô

Công dụng : Hệ thống đánh lửa HTĐL có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thế hiệuthấp 6, 12 hay 24 V hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp trong HTĐLManheto hay Volang Manhetic

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU -1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ -2

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu : -2

1.1.1 Công dụng : -2

1.1.2 Phân loại : -2

1.1.3 Yêu cầu : -3

1.2 Hệ thống đánh lửa thường : -3

1.2.1 Sơ đồ cấu tạo : -3

1.2.2 Nguyên lý hoạt động : -4

1.2.3 Các thông số đánh lửa : -5

1.2.4 Lý thuyết đánh lửa : -8

1.2.4.1 Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp : -8

1.2.4.2 Quá trình ngắt dòng sơ cấp: -13

1.2.4.3 Quá trình phóng điện ở điện cực bugi: -15

1.3 HTĐL bán dẫn : -17

1.3.1 HTĐL bán dẫn có tiếp điểm : -17

1.3.1.1 Sơ đồ cấu tạo: -17

1.3.3 HTĐL sử dụng cảm biến quang : -19

1.4 Hệ thống đánh lửa theo chương trình : -21

1.4.1 Hệ thống đánh lửa gián tiếp (HTĐL có bộ chia điện ) : -21

1.4.2 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (không có bộ chia điện): -22

1.4.2.1 Hệ thống đánh lửa sử dụng bôbin đôi: -22

2.1 Chọn phương án thiết kế : -24

2.2 Các bộ phận dùng trong hệ thống đánh lửa : -25

2.2.1 ECU : -25

2.2.5.1 Bộ nhớ : -25

2.2.5.2 Bộ vi xử lý : -26

2.2.5.3 Đường truyền bus : -26

2.2.2.Cấu tạo IC đánh lửa : -27

2.2.3.Biến áp đánh lửa (bobin) : -27

2.2.4 Bộ chia điện : -29

2.2.5 Bugi đánh lửa : -31

2.2.6 Các cảm biến : -34

2.2.6.1 Cảm biến tốc độ động cơ -NE và vị trí piston –G : -34

2.2.6.2 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát -THW (Coolant Water Temperature Sensor) : -35

2.2.6.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp –THA (Intake Air Temperature Sensor): -36

2.2.6.4 Cảm biến vị trí bướm ga -VTA (Throttle position sensor) : -37

2.2.6.5 Cảm biến lưu lượng khí nạp –VS : -38

2.2.6.6 Cảm biến kích nổ-KNK : -39

2.3 Quá trình điều khiển đánh lửa : -41

2.3.1 Điều khiển đánh lửa khi khởi động : -41

2.3.2 Điều chỉnh đánh lửa sau khi khởi động : -41

2.3.2.1 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ : -43

2.3.2.2 Hiệu chỉnh ổn định không tải : -44

2.3.2.3 Hiệu chỉnh phản hồi tỉ lệ khí – nhiên liệu : -44

2.3.2.4 Hiệu chỉnh tránh kích nổ : -44

2.3.2.5 Hiệu chỉnh góc ngậm điện : -45

2.3.2.6 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ : -46

2.3.2.7 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải trọng của động cơ : -47

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ VẼ ĐẶC TÍNH DÒNG ĐIỆN QUA CUỘN SƠ CẤP -48

3.1 Xác định giá trị cường độ dòng sơ cấp theo thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng : -48

3.2 Vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp : -48

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

ĐÁNH LỬA -53

4.1 Tính hiệu điện thế của biến áp thứ cấp : -53

4.2 Tính thế hiệu đánh lửa : -54

4.3 Tính năng lượng tia lửa điện : -54

4.3.1 Năng lượng phần điện dung : -54

4.3.2 Năng lượng phần điện cảm : -55

TÀI LIỆU THAM KHẢO : -61

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 quátrình làm việc

Chúng em được giao đồ án môn học “Thiết kế hệ thống điện tử ô tô” nhằmcủng cố kiến thức đã học và hiểu hơn các hệ thống đánh lửa sử dụng trong các động

cơ hiện nay

Trong quá trình làm đồ án, em phải tìm tòi, học hỏi, đọc kĩ các tài liệu liên quan

để hiểu rõ hơn hệ thống đánh lửa, biết được cách tính toán, thiết kế hệ thống đánhlửa, tích lũy được các kiến thức cần thiết để có thể hoàn thành đồ án này một cáchnhanh chóng và chính xác Bên cạnh sự tìm tòi, học hỏi của bản thân, em đã được

sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Phạm Quốc Thái để em hoàn thành đồ án “

Thiết kế hệ thống điện tử ô tô ” này

Trong quá trình làm đồ án, do thời gian hạn hẹp và kiến thức còn nhiều hạn chếnên em không thể tránh khỏi những sai sót Vậy em rất mong nhận được thêm sựgóp ý của thầy để em có thể rút ra kinh nghiệm cho đồ án tiếp theo

Em xin chân thành cám ơn thầy !

Đà Nẵng, ngày 12 tháng 4 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Hiếu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu :

1.1.1 Công dụng :

Hệ thống đánh lửa (HTĐL) có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thế hiệuthấp (6, 12 hay 24 V) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp (trong HTĐLManheto hay Volang Manhetic) thành các xung điện cao thế (12000 … 24000V) đủ

để tạo nên tia lửa điện (phóng điện qua khe hở bugi) đốt cháy hỗn hợp làm việctrong các xylanh của động cơ vào những thời điểm thích hợp và tương ứng với trình

tự xylanh và các chế độ làm việc của động cơ

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

- Loại bán dẫn hay điện tử: Với sự có mặt của các linh kiện bán dẫn trong thànhphần cấu tạo Đây là loại HTĐL mới, có nhiều ưu điểm hơn hẳn loại HTĐL thường

và có xu hướng thay thế dần các HTĐL thường

- Loại đánh lửa bằng Manheto hoặc Vô lăng Manhetic: Là loại HTĐL cao ápđộc lập, không cần đến acquy máy phát và có độ tin cậy cao

- Loại nhiều tia lửa điện liên tục: Là loại cơ cấu đánh lửa dùng để sấy nóng cácmôi chất, hỗ trợ khởi động cho động cơ diesel hoặc động cơ máy bay

+ Theo cảm biến đánh lửa, HTĐL bán dẫn được chia làm:

- HTĐL sử dụng cảm biến điện từ

- HTĐL sử dụng cảm biến quang

- HTĐL sử dụng cảm biến Hall

+ Theo năng lượng tích lũy trước khi đánh lửa:

- HTĐL điện cảm: năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong từ trườngcuộn dây biến áp đánh lửa

- HTĐL điện dung:năng lượng đánh lửa được tích lũy trong điện trường của tụđiện

+ Theo phương pháp phân bố điện cao áp:

- HTĐL có bộ chia điện ( đánh lửa gián tiếp )

- HTĐL không có bộ chia điện (đánh lửa trực tiếp)

1.1.3 Yêu cầu :

Hệ thống đánh lửa phải đáp ứng các yêu cầu chính sau:

- Phải đảm bảo thế hiệu đủ để tạo ra được tia lửa điện phóng qua khe hở giữacác điện cực của bugi

- Tia lửa điện phải có năng lượng đủ lớn để đốt cháy hỗn hợp làm việc trongmọi điều kiện làm việc của động cơ

- Thời điểm đánh lửa phải tương ứng với góc đánh lửa sớm hợp lý nhất ở mọichế độ làm việc của động cơ

- Độ tin cậy làm việc của hệ thống đánh lửa phải tương ứng với độ tin cậy làmviệc của động cơ

- Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ

1.2 Hệ thống đánh lửa thường :

1.2.1 Sơ đồ cấu tạo :

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa thường

1-Cam; 2-Cần tiếp điểm; 3-Biến áp đánh lửa; 4-Bộ chia điện; 5-Bugi; 6-Má vít

1.2.2 Nguyên lý hoạt động :

Hình 1.2 Sơ đồ làm việc của HTĐL thường

Khi KK’ đóng: trong mạch sơ cấp xuất hiện dòng điện sơ cấp i1 Dòng này tạonên một từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh 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 sức điện động tự cảm tỷ lệ thuận vớitốc độ biến thiên của từ thông Bởi vì cuộn W2 có số vòng dây lớn nên sức điệnđộng cảm ứng sinh ra trong nó cũng lớn, đạt giá trị khoảng 12000 ÷ 24000V Điện

áp cao này truyền từ cuộn thứ cấp qua rô to của bộ chia điện 4 và các dây dẫn cao

áp đến các biji đánh lửa 5 theo thứ tự nổ của động cơ Khi thế hiệu thứ cấp đạt giátrị Udl thì sẽ xuất hiện tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp làm việctrong xylanh

Vào thời điểm tiếp điểm mở, trong cuộn W1 cũng xuất hiện một SĐĐ tự cảmkhoảng 200 … 300V Nếu như không có tụ điện C1 mắc song song với tiếp điểmKK’, thì SĐĐ này sẽ gây ra tia lửa mạnh phóng qua tiếp điểm, làm cháy rỗ các mávít, đồng thời làm cho dòng sơ cấp và từ trường của nó mất đi chậm hơn và vì thếthế hiệu thứ cấp cũng sẽ không lớn

Khi có tụ C1 dòng sơ cấp và sức điện động tự cảm e1 được dập tắt nhanh chóng,không gây ra tia lửa ở tiếp điểm và U2 tăng lên

1.2.3 Các thông số đánh lửa :

+ Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m

Hiệu điện thế thứ cấp cực đại là hiệu điện thế đo được ở hai đầu cuộn dâythứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi

+ Hiệu điện thế đánh lửa Uđl

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

tuân theo định luật Pashen Uñt=K

Trên những động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số dự trữ có giá

trị khá cao (Kdt = 1,5  2,0), đáp ứng được việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay

và tăng khe hở bugi

+ Năng lượng cần thiết để đánh lửa Wdt

Là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp củabobine Tùy theo loại động cơ, tia lửa điện có đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toànhòa khí, thì hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng để đánh lửa trên cuộc

sơ cấp của bobine ở một giá trị xác định:

W dt=

L1×I

ng2

2 =50÷150 mJ [1.3]

Wdt: Năng lượng dự trữ trên cuộc sơ cấp

L1 : Độ tự cảm của cuộc sơ cấp của bobine.

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

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

Δuu2Δut =300÷600 V /ms [1.4]

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

u2: Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

t: 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 hiệntại điện cực bugi càng mạnh Nhờ đó dòng không bị rò qua muội than trên điệncực bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm

tđ: Thời gian vít ngậm hay transistor công suất dẫn bão hòa ttn: Thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt

Khi thiết kế cần chú ý đến 2 thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo ở sốvòng quay cao nhất của động cơ tia lửa vẫn mạnh

p : Áp suất trên đường ống nạp

twt : Nhiệt độ nước làm mát động cơ

Tmt : Nhiệt độ môi trường

n : Số vòng quay của động cơ

No : Chỉ số octan của xăng

+ 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 được tính bằng công thức:

WP = WC + WL

W c=C2 U ñl2

2 [1.7]

W L=L2.i22

2 [1.8]

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 ký sinh của mạch thứ cấp của bugi (F)

Uđl: Hiệu điện thế đánh lửa

L2: Độ tự cảm của mạch thứ cấp (H)

i2 : Cường độ dòng điện mạch thứ cấp (A)

Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ cả hai thànhphần điện cảm và điện dung hoặc chỉ có một thành phần

Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của bugi tùy thuộc vào loại hệ thốngđánh 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 độngcủa động cơ

- Quá trình xuất hiện tia lửa ở điện cực bugi

1.2.4.1 Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp :

Bô bin

IC đánh lửaaccu

Cảm biến

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống đánh lửa Rf: Điện trở phụ

R1: Điện trở của cuộn sơ cấp

L1, L2: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp của bobin

T: Transistor công suất được điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến hoặc

vít lửa

Hình 1.4: Sơ đồ tương đương của mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa

Khi transistor công suất T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện i1 từ (+) accu đến Rf  L1  T  mass Dòng điện i1 tăng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra

trên cuộn sơ cấp L1 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 tăngdòng ở mạch sơ cấp Hiệu điện thế và cường độ dòng điện xuất hiện ở mạch thứ cấpkhông đáng kể nên ta có thể coi như mạch thứ cấp hở Vì vậy, ở giai đoạn này ta có

sơ đồ tương đương được trình bày trên hình 1-4 Trên sơ đồ, giá trị điện trở trongcủa accu được bỏ qua, trong đó:

R = R1 + Rf [1.9]

U = Ua -  UT [1.10] Ua: Hiệu điện thế của accu

U

S

L1R

 UT: Độ sụt áp trên transistor công suất ở trạng thái dẫn bão hòa hoặc độsụt áp trên vít lửa

Từ sơ đồ hình 1.4, ta có thể thiết lập được phương trình vi phân sau:

i1(t )= U R

∑¿

(1−e−(R∑¿L1 )t)

¿

[1.12] Gọi 1 = L1/R là hằng số điện từ của mạch

Hình 1.5: Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp i1.

Đồ thị cho thấy độ tự cảm L1 của cuộc sơ cấp càng lớn thì tốc độ tăng trưởng

dòng sơ cấp i1 càng giảm

Gọi tđ là thời gian transistor công suất dẫn thì cường độ dòng điện sơ cấp Ing tại

thời điểm đánh lửa khi transistor công suất ngắt là:

I ng= U R

n: Số vòng quay trục khuỷu động cơ (min-1)

Z: Số xylanh của động cơ

đ: Thời gian tích lũy năng lượng tương đối

Trên các xe đời cũ, tỷ lệ thời gian tích lũy năng lượng đ = 2/3, còn ở các xe đờimới nhờ cơ cấu hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng (góc ngậm) nên đ < 2/3

Từ biểu thức [1.15] ta thấy Ing phụ thuộc vào tổng trở của mạch sơ cấp (R), độ

tự cảm của cuộn sơ cấp (L1), số vòng quay trục khuỷu động cơ (n), và số xylanh (Z).

Nếu R, L1, Z là không đổi thì khi tăng số vòng quay trục khuỷu động cơ (n), cường

độ dòng điện Ing sẽ giảm

Tại thời điểm đánh lửa, năng lượng đã được tích lũy trong cuộn dây sơ cấp dướidạng từ trường:

Hàm Wđt = f(a) [1.16] đạt được giá trị cực đại, tức nhận được năng lượng từ hệ

thống cấp điện nhiều nhất khi: a=

R

∑ ¿

Đối với hệ thống đánh lửa thường và hệ thống đánh lửa bán dẫn loại không có

mạch hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng tđ, điều kiện [1.17] không thể thực hiện được vì tđ là giá trị thay đổi phụ thuộc vào tốc độ n của động cơ [1.14a] Sau khi đạt được giá trị U/R , dòng điện qua cuộn sơ cấp sẽ gây tiêu phí năng lượng vôích, tỏa nhiệt trên cuộn sơ cấp và điện trở phụ Trên các xe đời mới, nhược điểm

trên được loại trừ nhờ mạch hiệu chỉnh thời gian tích lũy năng lượng tđ (Dwell

W n= U2R

−2 tñ/τ1

)]¿

[1.19] Khi công tắc máy ở vị trí ON mà động cơ không hoạt động, công suất tỏa nhiệt trên bobine là lớn nhất:

P n max≈ U2R

∑ ¿ 2

R1¿ [1.20]

Thực tế khi thiết kế, Pnmax phải nhỏ hơn 30W để tránh tình trạng nóng bobine.

Vì nếu Pnmax  30W, nhiệt lượng sinh ra trên cuộn sơ cấp lớn hơn nhiệt lượng tiêu

tán

Trong thời gian tích lũy năng lượng, trên cuộn thứ cấp cũng xuất hiện một sức

điện động tương đối nhỏ, chỉ xấp xỉ 1.000 V

e2=K bb L1di 1

dt [1.21]

Trong đó: e2: Sức điện động trên cuộn thứ cấp.

Kbb: Hệ số biến áp của bobine.

Sức điện động này bằng 0 khi dòng điện sơ cấp đạt giá trị U/R 

1.2.4.2 Quá trình ngắt dòng sơ cấp:

Khi transistor công suất ngắt, dòng điện sơ cấp và từ thông do nó sinh ra giảmđột ngột Trên cuộn thứ cấp của bobine sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng từ

15 KV  40 KV Giá trị của hiệu điện thế thứ cấp phụ thuộc vào rất nhiều thông số

của mạch sơ cấp và thứ cấp Để tính toán hiệu điện thế thứ cấp cực đại, ta sử dụng

sơ đồ tương đương được trình bày trên hình 1.6

Trong sơ đồ này: Rm: Điện trở mất mát và Rr: Điện trở rò qua điện cực bugi

Hình 1.6: Sơ đồ tương đương của hệ thống đánh lửa.

Bỏ qua hiệu điện thế accu vì hiệu điện thế accu rất nhỏ so với hiệu điện thếxuất hiện trên cuộn sơ cấp lúc transistor công suất ngắt Ta xét trường hợp khôngtải, có nghĩa là dây cao áp được tách ra khỏi bugi Tại thời điểm transistor công suấtngắt, năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn sơ cấp của bobine được chuyển

thành năng lượng điện trường chứa trên tụ điện C1 và C2 và một phần mất mát Để xác định hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m ta lập phương trình cân bằng năng lượng

lúc transistor công suất ngắt:

W1, W2: Số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp

Hình1.7: Qui luật biến đổi của dòng điện sơ cấp i1 và hiệu điện thế thứ cấp U2m

Khi transistor công suất ngắt, cuộn sơ cấp sẽ sinh ra một sức điện động khoảng

100 – 300V

1.2.4.3 Quá trình phóng điện ở điện cực bugi:

Khi điện áp thứ cấp U2 đạt đến giá trị Uđl, tia lửa điện cao thế sẽ xuất hiện giữa

hai điện cực của bugi Bằng thí nghiệm người ta chứng minh được rằng tia lửa xuấthiện ở điện cực bugi gồm hai thành phần là thành phần điện dung và thành phầnđiện cảm

Thành phần điện dung của tia lửa do năng lượng tích lũy trên mạch thứ cấp được

qui ước bởi điện dung ký sinh C2 Tia lửa điện dung được đặc trưng bởi sự sụt áp và

tăng dòng đột ngột Dòng có thể đạt vài chục Amper (hình 1.8)

a Thời gian tia lửa điện dung.

b Thời gian tia lửa điện cảm

Hình 1.8: Qui luật biến đổi hiệu điện thế thứ cấp U2m và cường độ

dòng điện thứ cấp i2 khi transistor công suất ngắt.

Mặc dù năng lượng không lớn lắm (C2.U 2 dl)/2 nhưng công suất phát ra bởi thành phần điện dung của tia lửa nhờ thời gian rất ngắn (1s) nên có thể đạt hàng chục, có

khi tới hàng trăm KW Tia lửa điện dung có màu xanh sáng kèm theo tiếng nổ láchtách đặc trưng

Dao động với tần số cao (10 6  10 7 Hz) và dòng lớn, tia lửa điện dung gây nhiễu

vô tuyến và mài mòn điện cực bugi Để giải quyết vấn đề vừa nêu, trên mạch thứcấp (như nắp delco, mỏ quẹt, dây cao áp) thường được mắc thêm các điện trở.Trong các ôtô đời mới, người ta dùng dây cao áp có lõi bằng than để tăng điện trơ

Do tia lửa xuất hiện trước khi hiệu điện thế thứ cấp đạt giá trị U2m nên năng

lượng của tia lửa điện dung chỉ là một phần nhỏ của năng lượng phóng qua bugi.Phần năng lượng còn lại sẽ hình thành tia lửa điện cảm Dòng qua bugi lúc này chỉ

vào khoảng 20  40 mA Hiệu điện thế giữa hai cực bugi giảm nhanh đến giá trị

400  500 V Thời gian kéo dài của tia lửa điện cảm gấp 100 đến 1.000 lần thời

gian tia lửa điện dung và thời gian này phụ thuộc vào loại bobine, he hở bugi và chế

độ làm việc của động cơ Thường thì thời gian tia lửa điện cảm vào khoảng 1 đến 1,5 ms Tia lửa điện cảm có màu vàng tím, còn được gọi là đuôi lửa.

Trong thời gian xuất hiện tia lửa điện, năng lượng tia lửa Wp được tính bởi

tp: Thời gian xuất hiện tia lửa điện trên điện cực bugi.

Trên thực tế, ta có thể sử dụng công thức gần đúng:

Wp  0,5 IPtb UPtb tPtb [1.26] Trong đó: IPtb, UPtb và tPtb lần lượt là cường độ dòng điện trung bình, hiệu điện

thế trung bình và thời gian xuất hiện tia lửa trung bình giữa hai điện cực của bugi Kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng, ở tốc độ thấp của động cơ,

B, C, E - Các cực của transistor

SW - Công tắc W1, W2 - Cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp

Rb, Rf - Các điện trở; K – Khóa điện;

→ Chiều dòng điện, Z – Đến bugi

Khi bật công tắc máy IG/SW thì cực E của transistor được cấp nguồn dương,cực C của transistor được nối trực tiếp với nguồn âm

Khi tiếp điểm KK’ đóng: cực B của transistor được nối với nguồn âm, UBE < 0,xuất hiện dòng Ib, transistor dẫn làm xuất hiện dòng sơ cấp đi theo mạch: Từ (+) ắcquy đến Rf đến W1 đến cực E đến cực B đến Rb đến KK’ và sau đó đến (-) ắc quy.Dòng sơ cấp: I1 = Ic + Ib = Ie Dòng điện này tạo nên từ thông khép mạch qua lõithép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa

Khi tiếp điểm KK’ mở dòng sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị mất đột ngột,cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa

Tại thời điểm KK’ mở, trong cuộn sơ cấp cũng xuất hiện sức điệnđộng E1 = (200 ÷ 300)V, làm hỏng transistor Để giảm E1 người ta phải dùng biến

áp có Kba lớn và L1 nhỏ hoặc dùng các mạch bảo vệ cho transistor Trên thực tế, đểgiảm dòng điện qua tiếp điểm người ta dùng nhiều transistor mắc nối tiếp

1.3.2 HTĐL sử dụng cảm biến điện từ:

Hình 1.10 Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ [2]

T1, T2, T3 – Các transistor R1, R2, R3, R4, R5 – Các điện trở

C –Tụ điện; D – Diode; W1 – Cuộn sơ cấp;

W2 – Cuộn thứ cấp; IG/SW – Công tắc; 1 – Ắc quy;

2 – Cuộn dây cảm biến; 3 – Bobin; 4 – Đến bugi

Khi bật công tắc máy sẽ xuất hiện các dòng điện sau:

- Dòng I1: Từ (+) AQ qua IG/SW đến R1 đến R2 đến (-) AQ, tạo ra điện áp đệm

UR2 trên cực B của T1 Tuy nhiên UR2 chưa đủ để làm cho T1 mở

- Dòng I2: Từ (+) AQ qua IG/SW đến R4 đến R5 đến (-) AQ, tạo ra điện áp đệm

UR5 trên cực B của T3, T3 dẫn, xuất hiện dòng điện sơ cấp đi từ (+) AQ đến IG/SWđến bobin đến T3 đến (-) AQ Dòng điện này tạo nên từ thông khép kín mạch qua lõithép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa

- Khi trên cuộn dây cảm biến không có tín hiệu điện áp hoặc điện áp âm thì T1

ngắt, T2 ngắt, T3 vẫn tiếp tục dẫn

- Khi trên cuộn dây cảm biến có tín hiệu điện áp dương, kết hợp với điện áp đệm

UR2, làm cho T1 dẫn, T2 dẫn, T3 ngắt Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông do nósinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế vàxuất hiện tia lửa

1.3.3 HTĐL sử dụng cảm biến quang :

Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến quang [2]

T1, T2, T3, T4, T5 – Các transistor R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, Rf – Các điện trở D1, D2, D3 – Các diode

IG/SW – Công tắc; 1 - Ắc quy; 2 – Bô bin; 3 – Đến bugi

- Dòng I1: Từ (+) AQ qua IG/SW đến R6 đến R1 đến D1.

- Dòng I2: Từ (+) AQ qua IG/SW đến R7 đến R8 đến (-) AQ, tạo ra điện áp đệm UR8

trên cực B của T5, T5 dẫn, xuất hiện dòng sơ cấp đi từ: (+) AQ qua IG/SW đến Rf

đến bobin đến T5 đến (-) AQ Dòng điện này tạo nên từ thông khép mạch qua lõithép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa

Khi rotor quay, tại vị trí đĩa cảm quang ngăn dòng ánh sáng tử LED D1 sangtransistor T1, T1 ngắt, T2 ngắt, T3 ngắt, T4 ngắt, T5 vẫn tiếp tục dẫn

Tại vị trí đĩa cảm quang cho dòng ánh sáng tử LED D1 sang transistor

T1, T1 dẫn, T2 dẫn, T3 dẫn, T4 dẫn, T5 ngắt Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông

do nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế

và xuất hiện tia lửa

1.3.4 HTĐL sử dụng cảm biến Hall :

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến Hall [2]

IG/SW – Công tắc; C1, C2 – Các tụ điện; T1, T2, T3 – Các transistor R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, Rf – Các điện trở

D1, D2, D3, D4, D5 – Các diode; 1 - Ắc quy; 2 – Bobin; 3 – Đến bugi

Khi bật công tắc máy sẽ xuất hiện dòng điện I1 đi từ (+) AQ qua IG/SW đến D1

đến R1, cung cấp điện cho cảm biến Hall

Khi rotor quay tại vị trí cánh chắn xen giữa nam châm và phần tử Hall thì điện

áp đầu ra của cảm biến Ura ≈ 12V, T1 dẫn,T2 dẫn, T3 dẫn Lúc này dòng sơ cấp đi

theo mạch sau: (+) AQ qua IG/SW đến Rf đến bobin đến T3 đến (-) AQ Dòng điệnnày tạo nên từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa.Khi cánh chắn rời khỏi vị trí giữa nam châm và phần tử Hall thì điện áp đầu racủa cảm biến Hall Ura≈ 0V, T1 ngắt, T2 ngắt, T3 ngắt Dòng điện qua cuộn sơ cấp và

từ thông do nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điệnđộng cao thế và xuất hiện tia lửa

1.4 Hệ thống đánh lửa theo chương trình :

1.4.1 Hệ thống đánh lửa gián tiếp (HTĐL có bộ chia điện ) :

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống đánh lửa gián tiếp

T–transistor; W1, W2 – Cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp

G – Cảm biến vị trí trục khuỷu; NE – Cảm biến tốc độ động cơ

1 - Ắc quy; 2-cầu chì ; 3 – Công tắc; 4-role; 5-bobin;

6-IC đánh lửa; 7-ECU; 8-bộ chia điện; 9-đến bugi;

Hệ thống đánh lửa này là một trong số các kiểu hệ thống đánh lửa điều chỉnhtheo một chương trình trong bộ nhớ của ECU Sau khi nhận các tín hiệu từ các cảmbiến như cảm biến tốc độ động cơ NE, cảm biến vị trí trục khuỷu G, cảm biến nhiệt

độ khí nạp… ECU sẽ tính toán và phát ra tín hiệu đánh lửa tối ưu đến IC đánh lửa

để điều khiển việc đánh lửa Việc phân phối điện cao thế đến các bugi theo thứ tựlàm việc và các chế độ tương ứng của các xi lanh thông qua bộ chia điện

- Ưu điểm: thời điểm đánh lửa chính xác, loại bỏ được các chi tiết dễ hư hỏngnhư: bộ ly tâm, chân không.

- Nhược điểm:

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

+ Gây nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp

+ Khi động cơ có tốc độ cao và số xi lanh lớn thì dễ xảy ra đánh lửa đồng thời ởhai dây cao áp kề nhau

+ Bộ chia điện cũng là chi tiết dễ hư hỏng nên cần phải thường xuyên theo dõi

và bảo dưỡng

1.4.2 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (không có bộ chia điện):

1.4.2.1 Hệ thống đánh lửa sử dụng bôbin đôi:

ECU

5

G1

G2Ne

Hình 1.14 Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đôi [2]

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

Giả sử đến thời điểm đánh lửa thích hợp cho máy nổ số 1, piston của máy số 1

và máy số 4 đều đến gần điểm chết trên nhưng do máy số 4 đang trong kỳ thải nênvùng môi chất lúc này chứa nhiều ion, tạo thành môi trường dẫn điện nên bugi ở

máy số 4 sẽ không đánh lửa Còn máy số 1 đang trong kỳ nén nên sẽ đánh lửa ởbugi máy số 1 Việc đánh lửa ở bugi của máy số 2 và 3 cũng tương tự.

Với hệ thống đánh lửa này, tuy đã có nhiều ưu điểm nhưng vẫn còntồn tại dây cao áp từ bobin đôi đến các bugi Do đó vẫn còn tổn thất năng lượng trên

T1

T2

T3

2 3

1 G Ne

Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đơn [2]

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

T1, T2, T3 – các transistor;

1 – các cuộn đánh lửa; 2 – đến bugi

Với hệ thống đánh lửa sử dụng bobin đơn, mỗi bobin dùng cho một bugi ICđánh lửa, bobin 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 vôtuyến và làm giảm tần số hoạt động của bobin nên hệ thống này được sử dụng rấtnhiều trên những động cơ hiện đại trong thời gian gần đây

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ PHẬN DÙNG TRONG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA VÀ

QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐÁNH LỬA

2.1 Hệ thống đánh lửa gián tiếp (HTĐL có bộ chia điện )

- Với sự phát triển vuợt bậc của kỹ thuật điện tử và điều khiển tự động các thiết

bị điện điện tử, trên các ô tô hiện đại hiện nay hầu như không tồn tại dưới các bộphận, các cụm tương đối độc lập về chức năng như trước mà kết hợp lại thành các

vi mạch tích 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 độngcơ

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

+ Thời điểm đánh lửa chính xác, loại bỏ được các chi tiết dễ hư hỏng như: bộ

ly tâm, chân không

 Nhờ những ưu điểm nỗi bật như trên nên ta chọn thiết kế hệ thống đánh lửatheo chương trình có bộ chia điện , hệ thống đánh lửa có góc đánh lửa điềuchỉnh theo một chương trình trong bộ nhớ của ECU Việc phân phối điện caothế đến các bugi theo thứ tự làm việc và các chế độ tương ứng của các xilanh động cơ thông qua bộ chia điện

- Nhược điểm:

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

+ Gây nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp

+ Khi động cơ có tốc độ cao và số xi lanh lớn thì dễ xảy ra đánh lửa đồngthời ở hai dây cao áp kề nhau

+ Bộ chia điện cũng là chi tiết dễ hư hỏng nên cần phải thường xuyên theodõi và bảo dưỡng

- Theo đề tài được giao, với số xylanh Z = 6 và HTĐL có bộ chia điện Vì vậychọn sơ đồ mạch đánh lửa như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống đánh lửa gián tiếp

T–transistor; W1, W2 – Cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp

G – Cảm biến vị trí trục khuỷu; NE – Cảm biến tốc độ động cơ

1 - Ắc quy; 2-cầu chì ; 3 – Công tắc; 4-role; 5-bobin;

6-IC đánh lửa; 7-ECU; 8-bộ chia điện; 9-đến bugi;

2.2 Các bộ phận dùng trong hệ thống đánh lửa :

2.2.1 ECU :

2.2.1.1 Bộ nhớ :

- Bộ nhớ trong của ECU chia ra làm 4 loại:

+ ROM: Dùng lưu 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 cungcấp thông tin cho bộ xử lý và được lắp cố định trên mạch in

+ RAM: Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin mới được ghitrong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địachỉ bất kỳ RAM có hai loại:

Loại RAM xóa được: Bộ nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung cấp

Loại RAM không xóa được: Vẫn duy trì bộ nhớ dù khi khóa nguồncung cấp ô tô RAM lưu trữ những thông tin về hoạt động của cảm biến dùng cho

hệ thống tự chẩn đoán

+ PROM: cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình ở nơi sửdụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM PROM cho phép sữa đổi chương trìnhđiều khiển theo những đòi hỏi khác nhau

+ KAM: dùng để lưu trữ thông tin mới cung cấp đến bộ vi xử lý KAM vẫnduy trì bộ nhớ cho dù động cơ ngừng hoạt động hoặc tắt công tắc máy Tuy nhiênnếu tháo nguồn cung cấp từ ắc quy đến máy tính thì bộ nhớ KAM sẽ bị mất

2.2.1.2 Bộ vi xử lý :

- Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định, nó là bộ não của ECU

- Sơ đồ khối của hệ thống được thể hiện ở hình sau:

Hình 2.9:Sơ đồ khối của các hệ thống.

1- Bộ vi xử lý; 2- ROM; 3- PROM; 4- RAM

2.2.1.3 Đường truyền bus :

- Chuyển các lệnh và số liệu máy tính theo hai chiều ECU với những thành phầnnêu trên có thể tồn tại dưới dạng 1 IC hoặc trên nhiều IC Ngoài ra người ta thườngphân loại máy tính theo độ dài từ các RAM ở những thế hệ đầu tiên, máy tính điềukhiển động cơ dùng loại 4,8 hoặc 16 bit phổ biến nhất là loại 4 và 8 bit Máy tính 4bit chứa rất nhiều lệnh vì nó thực hiện các lệnh logic tốt hơn Tuy nhiên máy tính 8bit làm việc tốt hơn với các phép đại số và chính xác hơn 16 lần so với loại 4 bit Vìvậy hiện nay để điều khiển các hệ thống khác nhau trên ô tô với tốc độ thực hiệnnhanh và chính xác cao người ta sử dụng máy 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit

2.2.2.Cấu tạo IC đánh lửa :

Hình 2.6: Cấu tạo của IC đánh lửa 1-bộ tạo tín hiệu phản hồi IGF; 2-bộ kiểm soát góc ngậm điện; T- là transistor công suất; R- là điện trở trong IC; B- là chân nối tới một đầu của cuộn sơ cấp của bobin; E- là chân nối mass; IGT- chân tín hiệu đánh lửa; IGF- chân tín hiệu phản

hồi.

IC đánh lửa dùng để nhận tín hiệu từ ECU đóng hay cắt dòng sơ cấp của bobinđánh lửa để tạo ra tín hiệu phản hồi IGF đưa về ECU giúp ECU nhận biết tình tạnghoạt động của hệ thống

- Cấu tạo của IC đánh lửa: Gồm bộ tạo tín hiệu phản hồi IGF, bộ kiểm soát gócngậm điện, transistor công suất, điện trở trong IC, chân nối tới một đầu của cuộn sơcấp của bobin, chân nối mass, chân tín hiệu đánh lửa, chân tín hiệu phản hồi

- IC đánh lửa có cấu tạo gồm: các linh kiện bán dẫn chủ yếu là các transistor lắplại thành mạch điện để tạo ra tín hiệu phản hồi hay tạo thành mạch điện các bộ kiểmsoát góc ngậm … trong IC có transistor công suất để tiến hành đóng mở dòng điệnqua cuộn sơ cấp của bobin khi có tín hiệu IGT

- Kết cấu của IC rất đơn giản và nhỏ gọn dễ dàng bố trí lên động cơ, tuổi thọ caohơn nữa giá thành chế tạo tương đối rẻ

2.2.3 Biến áp đánh lửa (bobin) :

- Biến áp đánh lửa là loại biến áp cao thế đặc biệt , nhiệm vụ của biến áp làbiến những xung điện thế hiệu thấp (6,12 hay 24 V) thành các xung điện cao thế(12000…24000V) để tạo ra tia lửa phục vụ việc đánh lửa cho động cơ

-Lõi thép : được ghép từ các lá thép kỹ thuật dày 0,35 mm ,có sơn cách điện

để tránh dòng phu cô Lõi thép được chèn chặc trong một ống các tông cách điện

-Cuộn dây thứ cấp : có rất nhiều vòng (W2=19000…26000 vòng) đườngkhính dây khoảng 0,07…0,1mm,được quấn phía ngoài ống các tông Chiều rộngcủa lớp giấy cách điện lớp hơn khoảng dây quấn khá nhiều để tránh chạm các lớpdây và tránh bị phóng điện qua phần mặt bên của cuộn dây ,hai đầu dây của cuộnthứ cấp được dẫn ra hai đầu cao áp ra của hai xilanh đôi phụ trách đánh lửa

Hình 2.7: Biến áp đánh lửa B13.

1.Đầu thấp áp;2.Mạch từ ngoài;3.Cuộn thứ cấp;4.Cuộn thứ cấp;5.Sứ cách

điện;6.Lõi thép;7.Vỏ;8.Điện trở phụ;9.Hộp cách điện của điện trở phụ;10.Đầu thấp áp BK-B;11.Nắp cao áp;12.Đầu cao áp;13.Đầu thấp áp;14.Kẹp lắp đặt.

Hình 2.8: Sơ đồ mạch điện biến áp đánh lửa

-Cuộn dây sơ cấp : được quấn trên ống các tông cách điện bao ngoài cuộn thứ

cấp Số vòng của cuộn sơ cấp không nhiều (khoảng 250…400 vòng) đường kínhdây lớn hơn khoảng 0,72…0,86mm

Tất cả cuộn dây và lõi thép được bao ngoài bởi hợp chất khuôn, ống xilanhđược làm từ nhựa exopy bên trong được đổ đầy dầu biến thế,dầu có khả năng nóngchảy ở nhiệt độ cao và tạo bọt khí,điều này giúp cho các cuộn dây thoát nhiệt tốt

32 bit

2.2.4 Bộ chia điện :

Bộ phận chia điện cao thế nhận điện cao thế từ biến áp đánh lửa và phânphối đến xi lanh động cơ theo một thứ tự xác định

Hình 2.5: Bộ chia điện trong hệ thống đánh lửa lập trình.

1- Bộ chia điện;2-Nắp chia điện;3-Con quay chia điện;4-Bobine;5-Ic đánh

lửa;6-Ecu