›

Đồ án Trang bị điện và điện tử động lực

docx 52 trang thiennha21 14/04/2022 7681
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Trang bị điện và điện tử động lực", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docxdo_an_trang_bi_dien_va_dien_tu_dong_luc.docx

Nội dung text: Đồ án Trang bị điện và điện tử động lực

  1. MỤC LỤC Phần 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 2 1.1. Công dụng, yêu cầu: 2 1.2. Phân loại: 2 1.2.1. Hệ thống đánh lửa thường: 3 1.2.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn: 4 1.2.3. Hệ thống đánh lửa theo chương trình: 12 1.3. Các thông số cơ bản của hệ thống đánh lửa: 16 1.3.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m : 16 1.3.2. Hiệu điện thế đánh lửa Udl : 16 1.3.3. Hệ số dự trữ Kdt : 17 1.3.4. Năng lượng dự trữ Wdt : 18 1.3.5. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thê thứ cấp S: 18 1.3.6. Tần số và chu kỳ đánh lửa: 19 1.3.7. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện: 20 1.4. Ắc quy: 21 1.4.1. Công dụng của ắc quy: 21 1.4.2. Phân loại: 21 1.4.3. Yêu cầu: 22 PHẦN 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 24 2.1. Tính và vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp: 24 2.1.1. Tính dòng điện qua cuộn sơ cấp: 24 2.1.2. Vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa: 26 2.2. Tính toán các thông số cơ bản của dòng thứ cấp hệ thống đánh lửa: 29 2.2.1. Tính hiệu điện thế thứ cấp biến áp đánh lửa: 29 2.2.2. Tính thế hiệu đánh lửa Udl : 30 2.2.3. Tính năng lượng tia lửa: 31 2.3. Bugi đánh lửa: 32 2.3.1. Vật liệu chế tạo: 32
  2. 2.3.2. Đặc tính nhiệt của bugi: 33 2.3.3. Tính chọn bugi: 33 PHẦN 3: PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 35 Phân tích chọn hệ thống đánh lửa thiết kế: 35 Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa thiết kế: 36 3.1. IC đánh lửa: 36 3.3. Bugi đánh lửa: 39 3.4. Bộ điều khiển trung tâm (ECU): 41 3.4.1. Tổng quan: 41 3.4.2. Các bộ phận trong ECU 41 3.5. Các cảm biến: 42 3.5.1. Cảm biến vị trí trục khuỷu (tốc độ động cơ NE) 42 3.5.2. Cảm biến vị trí trục cam (vị trí piston G) 43 3.5.3. Cảm biến kích nổ (KNK) 44 3.5.4. Cảm biến vị trí bướm ga (VTA) 45 3.5.5. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (TWH) 46 3.5.6. Cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49
  3. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, có 2 loại động cơ đốt trong được sử dụng phổ biến nhất, là động cơ xăng và động cơ Diesel. Đối với động cơ Diesel, nhiên liệu tự bốc cháy khi đạt đến áp suất nhất định. Còn đối với động cơ xăng, nhiệm vụ đốt cháy hòa khí được thực hiện bởi hệ thống đánh lửa, đây là một hệ thống vô cùng quan trọng trong động cơ xăng. Sau khi học xong môn “Trang bị điện và điện tử động cơ đốt trong”. Chúng em được giao đồ án môn học “Trang bị điện và điện tử động lực” nhằm củng cố kiến thức đã học và hiểu hơn các hệ thống đánh lửa thường sử dụng trong các động cơ hiện nay. Trong quá trình làm đồ án, em đã tìm tòi, đọc kĩ các tài liệu liên quan để hiểu rõ hơn hệ thống đánh lửa, biết được cách tính toán, thiết kế hệ thống đánh lửa, tích lũy được các kiến thức cần thiết để có thể hoàn thành đồ án này một cách nhanh chóng và chính xác. Bên cạnh đó, em còn nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy TS. Nguyễn Việt Hải để em hoàn thành đồ án “Trang bị điện và điện tử động lực” này. Trong quá trình làm đồ án, do kiến thức còn nhiều hạn chế nên em không thể tránh khỏi những sai sót. Vậy nên, em rất mong nhận được thêm sự góp ý của các thầy để em có thêm kinh nghiệm cho việc học sau này. Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày tháng năm Sinh viên thực hiện Lê Thành Đạt Trang 1
  4. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Phần 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 1.1. Công dụng, yêu cầu: ❖ Công dụng: Hệ thống đánh lửa (HTĐL) có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thế hiệu thấp (6, 12 hay 24 V) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp (trong HTĐL Manheto hay Volang Manhetic) thành các xung điện cao thế (12000 ÷ 24000V) đủ để tạo nên tia lửa điện (phóng điện qua khe hở buji) đốt cháy hỗn hợp làm việc trong 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. ❖ Yêu cầu: Hệ thống đánh lửa phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Phải đảm bảo thế hiệu đủ lớn để tạo ra tia lửa điện phóng điện qua khe hở giữa các điện cực bugi. - Tia lửa phải có năng lượng đủ lớn để đốt cháy hỗn hợp trong mọi điều kiện làm việc của động cơ. - Thời điểm đánh lửa phải tương ứng với góc đánh lửa sớm hợp lý nhất ở mọi chế độ làm việc của động cơ. - Độ tin cậy làm việc của hệ thống đánh lửa phải tương ứng với độ tin cậy làm việc của động cơ. - Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ. 1.2. Phân loại: • Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc, hệ thống đánh lửa được chia ra làm: - Hệ thống đánh lửa thường hay hệ thống đánh lửa kiểu cơ khí: được sử dụng trên các xe ô tô trước đây, còn gọi là hệ thống đánh lửa cổ điển. Trang 2
  5. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa - Hệ thống đánh lửa Manheto: là hệ thống đánh lửa cao áp độc lập, không cần dùng acquy và máy phát, do đó, có độ tin cậy cao, được dùng trên xe cao tốc và một số máy công trình trên vùng núi. - Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm: là hệ thống đánh lửa bán dẫn kết hợp với cơ khí, hệ thống đánh lửa loại này vẫn còn dùng trên một số xe ô tô hiện nay. - Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm: là hệ thống đánh lửa bán dẫn hoàn toàn, có nhiều ưu điểm nên được dùng trên đa số các xe ô tô hiện nay. • Theo cả biến đánh lửa, hệ thống đánh lửa bán dẫn được chia thành: - Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ. - Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang. - Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall. • Theo năng lượng tích lũy trước khi đánh lửa, hệ thống đánh lửa bao gồm: - Hệ thống đánh lửa điện cảm: năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong từ trường cuộn dây biến áp đánh lửa. - Hệ thống đánh lửa điện dung: năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong điện trường của tụ điện. • Theo phương pháp phân bố điện cao áp, hệ thống đánh lửa được chia ra: - Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện. - Hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện (đánh lửa trực tiếp). Ngày nay trên các ô tô hiện đại sử dụng hệ thống đánh lửa theo chương trình. 1.2.1. Hệ thống đánh lửa thường: • Cấu tạo: Những thiết bị chủ yếu của hệ thống đánh lửa này là: biến áp đánh lửa được cung cấp từ nguồn một chiều (ắc quy hoặc máy phát), bộ chia điện và các bugi đánh lửa. Trang 3
  6. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Hình 1.1 – Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa thường Chú thích: 1- Cam 2- Cần tiếp điểm 3- Biến áp đánh lửa 4- Bộ chia điện 5- Buji 6- Má vít C1- Tụ điện R- Điện trở W1, W2- Cuộn sơ cấp và thứ cấp BAĐL Biến áp đánh lửa có 2 cuộn dây: cuộn sơ cấp W1 có khoảng 250 – 400 vòng, cuộn thứ cấp W2 có khoảng 19000 – 26000 vòng. Cam của bộ chia điện được dẫn động quay từ trục phân phối, làm nhiệm vụ đòn mở tiếp điểm KK’, tức là nối ngắt mạch sơ cấp của biến áp đánh lửa. - Khi KK’ đóng: trong mạch sơ cấp xuất hiện dòng điện sơ cấp i1 . Dòng này tạo nên 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 ra mất đi. Do đó, trong cả hai cuộn dây xuất hiện suất điện động tự cảm, tỷ lệ với biến thiên của từ thông. Bởi vì cuộn W2 có số vong dây lớn nên suất ddienj động tự cảm sinh ra trong nó cũng lớn, khoảng 12000 – 24000V. điện áp cao này truyền từ cuộn thứ cấp qua roto của bộ chia điện và các dây dẫn đến bugi đánh lửa theo thứ tự nổ của động cơ. Khi thế hiệu thứ cấp đạt giá trị Udl sẽ xuất hiện tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp. 1.2.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn: ➢ Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển: Trang 4
  7. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Hình 1.2 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm Chú thích: 1- Buji đánh lửa 2- Biến áp đánh lửa 3- Tiếp điểm KK’ T- Transistor K- Tiếp điểm Rb, Rf – Các điện trở W1, W2 – Cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp đánh lửa • Nguyên lý làm việc: Khi bật công tắc máy SW thì cực E của Transistor được cấp nguồn dương, cực C của Transistor nối với nguồn âm. - Khi tiếp điểm KK’ đóng: cực B của Transistor được nối với nguồn âm -> U BE 0 -> xuất hiện dòng ib -> Transistor dẫn làm xuất hiện dòng sơ cấp đi theo mach như sau: (+) ắc quy -> R f -> W1 -> cực E -> cực B -> Rb -> KK’ -> (-) ắc quy. cực C -> (-) ắc quy. Dòng sơ cấp: I1 Ie Ib Ic . Dòng điện này Transistorạo Transistorừ thông khép mạch qua lõi thép và 2 cuộn dây của biến áp đánh lửa. - Khi tiếp điểm KK’ mở: dòng sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị biến mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một suất điện động cao thế và xuất hiện tia lửa tại bugi. Tại thời điểm KK’ mở, cuộn sơ cấp cũng xuất hiện suất điện động E1 200 300 V -> làm hỏng Transistor -> phải dùng biến áp có Kba lớn hoặc tụ bảo vệ. ➢ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ: Trang 5
  8. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa a. Cảm biến điện từ: Hình 1.3 – Cảm biến điện từ Chú thích: 1- Nam châm vĩnh cửu 2- Giá bắt và lõi sắt từ 3- Roto tín hiệu 4- Cuộn dây tín hiệu 5- Nguồn điện cấp cho cuộn dây 6- Răng cảm biến 7- Trục quay cảm biến ω- Tốc độ góc trục cảm biến δ- Khe hở không khí • Cấu tạo: Cảm biến điện từ đặt trong bộ chia điện, bao gồm: - Roto tín hiệu: được dẫn động từ trục của bộ chia điện, trên roto có các răng, số răng của roto bằng sô xy lanh của động cơ. - Cuộn dây tín hiệu được quấn trên lõi thép, được gắn trên thanh nam châm vĩnh cửu. cuộn dây và lõi thép được đặt đối diện với răng của roto và đặt cố định bên trong bộ chia điện. khe hở không khí giữa răng của roto và lõi thép là 0,2 – 0,5 mm. • Nguyên lý làm việc của cảm biến Hall: Từ thông của nam châm vĩnh cửu móc vòng qua roto và cuộn dây tín hiệu. Khi roto quay, khe hở  sẽ thay đổi, cảm ứng sang cuộn dây tín hiệu một sức điện động xoay chiều: Trang 6
  9. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa d e kwn  dt Trong đó: K: hệ số phụ thuộc khe hở  và vật liệu chế tạo lõi thép. w: số vòng dây tín hiệu. n: tốc độ quay của roto. d : tốc độ biến thiên từ thông. dt d + Khi răng của roto đến gần vị trí đối diện với lõi thép thì cực dt đại, do đó e cực đại. + Khi răng của roto ở xa và đối diện vị trí đối diện với lõi thép thì d nhỏ nhất, do đó e 0. dt + Tín hiệu từ cuộn dây cảm biến được đưa vào mạch điện điều khiển đánh lửa. + Khi n cao thì e lớn và ngược lại. Do đó, tín hiệu ở đầu ra của cuộn dây cảm biến Transistor có độ nhạy cao. b. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ: Hình 1.4– Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ. Trang 7
  10. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Chú thích: T1, T2, T3 – Các transistor R1, R2, R3, R4, R5 – Các điện trở C –Tụ điện D – Diode W1 , W2 – Cuộn sơ cấp và thứ cấp IG/SW – Công tắc 1 – Ắc quy 2 – Cuộn dây cảm biến 3 – Bobin 4 – Đến buji • Nguyên lý làm việc: Khi bật công tắc máy sẽ xuất hiện các dòng điện sau: - Dòng I1 : (+) ắc quy -> IG/SW -> R1 -> R2 -> (-) ắc quy -> tạo ra điện áp đệm UR2 trên cực B của T1 . Tuy nhiên UR2 chưa đủ lớn để làm cho T1 mở. - Dòng I2 : (+) ắc quy -> IG/SW -> R4 -> R5 -> (-) ắc quy -> tạo ra điện áp đệm UR5 trên cực B của T3 -> T3 dẫn -> xuất hiện dòng điện sơ cấp đi từ: (+) ắc quy -> IG/SW -> Bobin -> T3 -> (-) ắc quy. Dòng điện này tạo từ thông khép mạch qua lõi thép 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 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 nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa. ➢ Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến quang: a. Cảm biến quang: Hình 1.5 – Cấu tạo cảm biến quang Trang 8
  11. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Chú thích: 1- Led phát quang 2- Đĩa cảm biến 3- Transistor cảm quang 4- Led cảm quang • Cấu tạo: Cảm biến quang đặt trong bộ chia điện, gồm: - Bộ phát quang (LED – Diot quang): biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, ngĩa là khi có dòng điện đi qua chúng sẽ phát ra ánh sáng. - Bộ cảm quang gồm hai loại: LED – Diot quang và Transistor quang. Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nghĩa là khi có ánh sáng chiếu vào chúng sẽ dẫn điện. độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào cường độ của dòng ánh sáng. - Đĩa cảm biến: được dẫn động từ trục của bộ chia điện. trên đĩa có các rãnh, số rãnh trên đĩa bằng số xy lanh động cơ. • Nguyên lý làm việc của cảm biến quang: Khi đĩa cảm biến quay, dòng ánh sáng phát ra từ bộ phát quang bị ngắt quãng liên tục làm cho phần tử cảm quang dẫn ngắt liên tục tao ra các xung vuông làm tín hiệu điều khiển dánh lửa. b. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang: Hình 1.6 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang Trang 9
  12. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Chú thích: T1, T2, T3, T4, T5 – Các transistor D1, D2, D3 – Các diode R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, Rf – Các điện trở IG/SW – Công tắc 1 - Ắc quy 2 – Bô bin 3 – Đến buji • Nguyên lý làm việc: Khi bật công tắc máy sẽ suất hiện các dòng: - Dòng I1 : (+) ắc quy -> IG/SW -> R6 -> R1 -> D1 -> (-) ắc quy : D1 phát sáng. - Dòng I2 : (+) ắc quy -> IG/SW -> R7 -> R8 -> (-) ắc quy : tạo ra điện áp đệm UR8 trên cực B của T5 -> T5 dẫn : xuất hiện dòng sơ cấp đi từ: (+) ắc quy -> IG/SW -> R f -> Bobin ->T5 -> (-) ắc quy. Dòng điện này tạo nên từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. - Khi roto quay, tại vị trí đĩa cảm quang ngăn dòng ánh sáng từ LED D1 sang Transistor T1 , T1 ngắt -> T2 ngắt -> T3 ngắt -> T4 ngắt -> T5 vẫn tiếp tục dẫn. - Tại vị trí đĩa cảm quang cho dòng ánh sáng từ 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 điện ở bugi. ➢ Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến Hall: a. Cảm biến Hall: • Cấu tạo: Cảm biến được đặt bên trong bộ chia điện, bao gồm: - Nam châm vĩnh cửu và phần tử Hall đặt gần nhau và cố định bên trong bộ chia điện, giữa chúng có các cánh chắn. Trang 10
  13. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa - Roto tín hiệu: được dẫn động từ trục của bộ chia điện, trên roto có các cánh chắn bằng thép và các khoảng hở xen kẽ nhau. Số cánh chắn bằng số xy lanh của động cơ. • Nguyên lý làm việc: Khi roto quay, các cánh chắn lần lượt vào giữa nam châm và phần tử Hall. - Khi cánh chắn ra khỏi vị trí giữa nam châm và phần tử Hall thì từ trường sẽ xuyên qua khe hở làm xuất hiện điện áp trên phần tử Hall -> Transistor T dẫn -> điện áp đầu ra của cảm biến U ra 0 . - Khi cánh chắn xen giữa vị trí của nam châm và phần tử Hall thì từ trường sẽ vòng qua tấm chắn, làm mất điện áp trên phần tử Hall -> Transistor ngắt, U ra 12 V. Tín hiệu U ra đưa về mạch điều khiển đánh lửa. b. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall: Hình 1.7 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall Chú thích: 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 buji Trang 11
  14. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa • Nguyên lý làm việc: Khi bật công tắt máy, sẽ xuất hiện dòng điện I1 : (+) ắc quy -> IG/SW -> D1 -> R1 -> cung cấp điện cho cảm biến Hall. - Khi roto quay, tại vị trí cánh chắn xen giữa nam châm và phần tử Hall thì điện áp đầu ra của cảm biến U ra 12 V -> T1 dẫn -> T2 dẫn -> T3 dẫn. Lúc này dòng điện sơ cấp đi theo mạch sau: (+) ắc quy -> IG/SW -> R f -> Bobin -> T3 -> (-) ắc quy. Dòng điện này 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 ra của cảm biến U ra 0 V -> T1 ngắt -> T2 ngắt -> T3 ngắt. Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông dó nó sinh ra bị mất đi đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa ở điện cực bugi. 1.2.3. Hệ thống đánh lửa theo chương trình: Gồm 2 loại: - Hệ thống đánh lửa gián tiếp. - Hệ thống đánh lửa trực tiếp. ➢ Hệ thống đánh lửa gián tiếp: Trang 12
  15. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 5 5V W1 W2 3 4 IGF G IGT NE W2 2 1 6 Hình 1.8 – S ơ đồ hệ thống đánh lửa gián tiếp Chú thích: T1, T2 – Các 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 – Công tắc 3 – Tín hiệu phản hồi 4 – Kiểm soát góc ngậm điện 5 – Các cảm biến khác 6 – Đến buji • Nguyên lý làm việc: Góc đánh lửa được chỉnh theo một chương trình của ECU. Sau khi nhận được tín hiệu từ các cảm biến, ECU sẽ tính toán và phát ra tín hiệu tối ưu đến IC để điều khiển việc đánh lửa. Việc phân phối điện cao thế đến các bugi theo thứ tự làm việc thông qua bộ chia điện. • Ưu điểm: Thời điểm đánh lửa chính xác, loại bó được các chi tiết dễ hư hỏng như: bộ ly tâm, bộ chân không, • Nhược điểm: - Vẫn còn tổn thất năng lượng trên bộ chia điện và dây cao áp. - Gây nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp. Trang 13
  16. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa - Khi động cơ có tốc độ cao và số xy lanh lớn, dễ xảy ra hiện tượng đánh lửa đồng thời ở hai dây cao áp gần nhau. - Phải thường xuyên theo dõi, bảo dưỡng bộ chia điện. ➢ Hệ thống đánh lửa trực tiếp: a. Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đôi: 3 5 T1 ECU G1 2 G2 T2 Ne 4 1 Hình 1.9 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đôi Chú thích: 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 – Buji 4 – Cuộn đánh lửa 5 – Các cảm biến khác • Nguyên lý làm việc: Bobin đôi được gắn vào bugi của hai xy lanh song hành. Giả sử đối với động cơ 4 xy lanh. Đến thời điểm đánh lửa của máy số 1, piston của máy 1 và 4 đều ở điểm chết trên, nhưng do máy số 4 đang ở ký thải nên vùng môi chất chứa nhiều ion -> không thể đánh lửa, chỉ máy số 1 đánh lửa. Tương tự đối với máy số 2 và máy số 3. • Ưu điểm: - Do không có bộ chia điện nên giảm được mất mát năng lượng. Trang 14
  17. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa - Bỏ được các chi tiết dễ hư hỏn như bộ chia điện, chổi than, nắp bộ chia điện. - Không có sự đánh lửa đồng thời giữa hai dây cao áp gần nhau. • Nhược điểm: Nhược điểm của hệ thống đánh lửa này là vẫn còn dây cao áp gây tổn thất. b. Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đơn: 3 B+ T1 2 E B+ 1 C T2 G U B+ Ne T3 Hình 1.10 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đơn Chú thích: G – Cảm biến vị trí trục khuỷu Ne – Cảm biến tốc độ động cơ T1, T2, T3 – Các transistor 1- Tín hiệu cảm biến khác 2 – Biến áp đánh lửa 3- Đến buji • Nguyên lý làm việc: Với hệ thống đánh lửa sử dụng bobin đơn, mỗi bobin dùng cho một buji: IC đánh lửa, bobin và buji được tích hợp vào một kết cấu gọn nhẹ, không còn dây cao áp. ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý và tính toán ra góc đánh lửa tối ưu cho từng xylanh và phát ra tín hiệu đánh lửa đến IC ứng với từng xylanh để điều khiển việc đánh lửa. Trang 15
  18. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa • Ưu điểm: Ngoài các ưu điểm như loại dùng bobbin đôi, loại này còn có các ưu điểm sau: - Kết cấu gọn nhẹ vì tích hợp luôn IC đánh lửa và bobin cho từng xylanh. - Tổn thất năng lượng ít nhất vì không còn dây cao áp. - Không còn gây nhiều sóng vô tuyến và không làm giảm tần số hoạt động của bobin. • Nhược điểm: - Hệ thống này phức tạp và đắt tiền. - Yêu cầu tay nghề cao đối với nhân viên sửa chữa, bảo dưỡng. 1.3. Các thông số cơ bản của hệ thống đánh lửa: 1.3.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m : Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m là hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi buji. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m phải đủ lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của buji, đặc biệt là lúc khởi động. 1.3.2. Hiệu điện thế đánh lửa Udl : Hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra, được gọi là hiệu điện thế đánh lửa U đl. Hiệu điện thế đánh lửa là hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuân theo định luật Pason P. Uđl K. T (2.1) Trong đó: Uđl – Thế hiệu đánh lửa [V] P – áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa [N/m2] δ – khe hở buji [m] T – nhiệt độ ở điện cực trung tâm của buji tại thời điểm đánh lửa [0C] K – hằng số phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp hòa khí. Trang 16
  19. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa U đl tăng khoảng 20 đến 30% do nhiệt độ điện cực buji thấp. Khi động cơ tăng tốc, thoạt tiên U đl tăng, do áp suất nén tăng, nhưng sau đó U đl giảm từ từ do nhiệt độ điện cực buji 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 2000km đầu tiên, U đl tăng 20% do điện cực buji bị mài mòn. Sau đó U đl tiếp tục tăng, do khe hở buji tăng. Vì vậy để giảm Uđl phải hiệu chỉnh lại khe hở buji sau mỗi 10000km. Hình 1.11 - Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải động cơ [2] 1 – Toàn tải; 2 – Nửa tải; 3 – Tải nhỏ; 4 – khởi động và cầm chừng 1.3.3. Hệ số dự trữ Kdt : Hệ số dự trữ là tỷ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl Trang 17
  20. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa U K 2m đl U đl (2.2) Trong đó: U2m – Hiệu điện thế thứ cấp cực đại [V] Uđl – Hiệu điện thế đánh lửa [V] Đối với hệ thống đánh lửa thường, do U 2m thấp nên K đl thường nhỏ hơn 1,5. Trên những động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số dự trữ có giá trị khá cao (Kđl = 1,5 ÷ 2), đáp ứng được việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay và tăng khe hở buji. 1.3.4. Năng lượng dự trữ Wdt : Năng lượng dự trữ W dt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bobin. Để đảm bảo tia lửa điện đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toàn hòa khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của bobin một giá trị xác định. 2 L1.Ing Wdt 2 (2.3) Trong đó: Wdt : năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp [mJ] Wdt = 50 – 150 [mJ] L1 : độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobin [mH] Ing:cường độ dòng điện sơ cấp thời điểm transistor công suất ngắt [A]. 1.3.5. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thê thứ cấp S: Trang 18
  21. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Theo [3]: du u S 2 2 300  600 (V/μs) (2.4) dt t Trong đó: S – tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. ΔU2 – độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. Δt – thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp càng lớn thì tia lửa điện sinh ra càng mạnh, nhờ đó dòng không bị rò qua muội than trên điện cực bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm. 1.3.6. Tần số và chu kỳ đánh lửa: Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa được xác định bởi công thức: nZ f [Hz] (2.5) 120 Đối với động cơ hai thì: nZ f [Hz] (2.6) 60 Trong đó: f – tần số đánh lửa. [Hz] n - số vòng quay trục khuỷu động cơ. z – số xi lanh động cơ. Chu kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa: Trang 19
  22. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 1 T t t (2.7) f d m tđ – thời gian vít ngậm hay transistor công suất dẫn bão hòa. tm – thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt. Tần số đánh lửa f tỉ lệ thuận với số vòng quay trục khuỷu động cơ và số xy lanh khi tăng số vòng quay của động cơ và số xy lanh, tần số đánh lửa f tăng, do đó chu kỳ đánh lửa T giảm xuống. Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến hai thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo ở số vòng quay cao nhất của động cơ, tia lửa vẫn mạnh. 1.3.7. 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 tia lửa được tính bằng công thức: W W W p c L (2.9) C .U 2 L i 2 W 2 đl (2.10) ; W 2 2 (2.11) C 2 L 2 Trong đó: 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. Uđl – hiệu điện thế đánh lửa. L2 – độ tự cảm của mạch thứ cấp. Trang 20
  23. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa i2 – cường độ dòng điện mạch thứ cấp. Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ cả hai thành phần điện cảm và điện dung hoặc chỉ có một thành phần. Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của buji 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. 1.4. Ắc quy: 1.4.1. Công dụng của ắc quy: Trong hệ thống điện của ô tô máy kéo, ắc quy là nguồn năng lượng phụ, dùng để: - Cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ. - Cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khi động cơ không làm việc, hoặc làm việc ở số vòng quay nhỏ. - Nếu phụ tải mạch ngoài lớn hơn công suất của máy phát, thì ắc quy sẽ cùng với máy phát cung cấp cho phụ tải. 1.4.2. Phân loại: Ắc quy ô tô máy kéo là ắc quy khởi động. - Theo tính chất dung dịch điện phân, ắc quy được chia ra thành: + Ắc quy axit: dung dịch điện phân là axit H 2SO4 . + Ắc quy kiềm: dung dịch điện phân là KOH hoặc NaOH. So sánh hai loại thì ắc quy axit có suất điện động mỗi ngăn cao hơn (khoảng 2V), điện trở trong nhỏ hơn, nên khi phóng với dòng lớn, độ sụt thế ít, chất lượng khởi động tốt hơn. Ắc quy kiềm có suất điện động mỗi ngăn khoảng 1,38V, giá thành cao hơn (2 – 3 lần) do phải sử dụng các loại vật liệu quý Trang 21
  24. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa hiếm như bạc, niken, cađimi, điện trở trong lớn hơn. Tuy vậy, ắc quy kiềm có độ bền cơ học và tuổi thọ cao hơn (4 – 5 lần), làm việc tin cậy hơn. - Các ắc quy axit, theo vật liệu vỏ bình chia ra: vỏ bằng ebonit, cao su cứng hay các loại vật liệu tổng hợp. - Các ắc quy kiềm, theo vật liệu chế tạo bản cực. chia ra các loại: + Sắt – Niken. + Cadium – Niken. + Bạc – Kẽm. Ngoài ra, ắc quy còn có thể phân loại theo thế hiệu, theo dung lượng, theo vật liệu tấm cách, 1.4.3. Yêu cầu: Các ắc quy trên ô tô máy kéo có nhiệm vụ quan trọng là cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ, với dòng tiêu thụ rất lớn từ 400 – 600 A, thậm chi có trường hợp 2000A, vì thế các ắc quy trên ô tô máy kéo trước hết phải đảm bảo các yêu cầu: - Phải có khả năng trong thời gian ngắn từ 5 – 10s, cung cấp một dòng phóng lớn ( tương ứng với dòng khởi động) mà sau đó trạng thái kỹ thuật của chúng hầu như không thay đổi. - Có điện trở trong nhỏ, để khi phóng với dòng lớn độ sụt thế sẽ bé, đảm bảo có thể khởi động dễ dàng động cơ trong mọi điều kiện sử dụng. Các ắc quy có những đặc điểm trên gọi là ắc quy khởi động. Ngoài ra, ắc quy còn phải: - Có điện dung lớn với khối lượng và kích thước tương đối nhỏ. - Có điện thế ổn định, hiện tượng tự phóng điện không đáng kể. - Làm việc tin cậy khi nhiệt độ mối trường dao động trong giới hạn rộng. - Phục hồi nhanh chóng điện dung khi được nạp trong các điều kiện sử dụng khác nhau. - Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa. Trang 22
  25. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa - Có độ bền cơ học cao, chịu được rung sóc, thời hạn phục vụ lớn và giá thành rẻ. 1.4.4. Phân tích chọn ắc quy cho ô tô: Sau khi phân tích các yêu cầu của ắc quy cho ô tô, ta thấy ắc quy axit có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu đó, với các ưu điểm: - Suất điện động mỗi ngăn cao (khoảng 2V), điện trở trong nhỏ, nên khi phóng điện độ sụt thế thấp, chất lượng khởi động tốt hơn. - Giá thành rẻ. Tham khảo các xe có cùng thông số kỹ thuật, chọn ắc quy khô GS MF75D23L 12V-65Ah. Trang 23
  26. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa PHẦN 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 2.1. Tính và vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp: 2.1.1. Tính dòng điện qua cuộn sơ cấp: Hình 2.1 – Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa 1-Ắc qui; 2- Công tắc; 3- Bô bin ; 4- Bugi; 5- IC đánh lửa; 6-Transistor công suất được điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến hoặc vít lửa; R f : điện trở phụ; r 1 , r2 : điện trở của cuộn sơ cấp và thứ cấp; L 1 , L 2 : độ tự cảm của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của Bobin. Ta có sơ đồ tương đương mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa: Khi Transistor công suất T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện i 1 từ (+) ắc quy đến R f đến L 1 đến T đến mass. Dòng điện i 1 tăng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp L 1 chống lại sự tăng của cường độ dòng điện.Ở giai đ Trang 24
  27. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa oan này, mạch thứ cấp của hệ thống đánh lửa hầu 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. Bỏ qua điện trở trong của ắc quy, ta có: R R1 R f Ta lập được phương trình vi phân: di i  R L  1 U 1  1 dt Giải phương trình vi phân ta được: R U  t i ( t ) 1 e L1 1 R  L1 Gọi 1 là hằng số điện từ của mạch. R t U i ( t ) 1 e1 1 R  Gọi td là thời gian Transistor dẫn bão hòa thì cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm đánh lửa khi Transistor công suất ngắt: t U d I 1 e 1 (2.1) ng R  Trong đó: 120 t  T   d d d n  Z T – chu kỳ đánh lửa, [s] n – số vòng quay trục khuỷu động cơ, [v/ph] z – số xy lanh động cơ Trang 25
  28. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa  đ - thời gian tích lũy năng lượng tương đối. Trên các xe đời mới,  đ < 2/3, chọn  đ = 0.62. Ta tìm được thời gian Transistor công suất dẫn: 120 t 0,62 0.0033 (s) d 37506 L1 - điện cảm của cuộn sơ cấp, theo [1], L1 thường có giá trị L1 ( 0,5  5 )mH . Khi L1 càng nhỏ thì xe chạy tốc độ cao lửa sẽ đủ mạnh và ngược lại. ta chọn L1 = 1,5 mH. R - Transistorổng trở mạch sơ cấp, khi bỏ qua điện trở trong của ắc quy, và điện trở phụ thì R ( 0,5 1) . Ta chọn R 1 . Vì nếu chọn R càng nhỏ thì tiết diện cuộn sơ cấp càng lớn dẫn đến tăng giá thành. 3 L1 1,510 3 1 1,510 (s) R 1 Thay tất cả vào (2.1), ta tính được: 0,0033 12 3 I 1 e 1,510 10,67 (A) ng 1 Vậy Ing 10,67 (A). 2.1.2. Vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa: Ta có: Trang 26
  29. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa t U ng i ( t )  1 e1 (2.2) 1 R  3 Thay các giá trị đã cho: U ng 12V , R 1 , 1 1,510 s vào biểu thức ta được phương trình dòng điện theo thời gian: t 12 3 i ( t )  1 e1,510 (2.3) 1 1 Để xây dựng được đặc tính quan hệ dòng điện sơ cấp với thời gian t, thì ta cho t U ng chạy từ giá trị không đến tn , mà tại tn thì giá trị i1 . R Chọn tỷ lệ xích: 0,001 1  (s/mm) ;  (A/mm) t 10 i 5 Ta lập được bảng: Bảng 2.0.1 – Bảng đặc tính quan hệ dòng sơ cấp với thời gian Giá trị thực Giá trị biểu diễn t (s) i (A) t (mm) i (mm) 0 0 0 0 0,001 5,839 10 26,19 0,002 8,837 20 44,18 0,003 10,376 30 51,88 0,0033 10,670 33 53,35 0,004 11,166 40 55,83 0,005 11,572 50 57,86 0,006 11,780 60 58,90 0,007 11,887 70 59,44 0,008 11,942 80 59,71 0,009 11,970 90 59,85 0,010 11,984 100 59,92 0,011 11,992 110 59,96 Trang 27
  30. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 0,012 11,996 120 59,98 Từ bảng số liệu, ta vẽ được đường đặc tính của dòng điện qua cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa: Hình 2.2 – Đặc tính dòng sơ cấp Nhận xét đồ thị: - Khi tiếp điểm KK’ đóng, dòng điện tăng từ i1 0 đến giá trị tới hạn xác định bởi điện trở của mạch sơ cấp. - Dòng sơ cấp i1 không tăng tức thời, mà tăng theo quy luật đường tiệm cận, bởi chịu sự ảnh hưởng của độ tự cảm L1 của cuộn sơ cấp. - Tốc độ tăng dòng sơ cấp rất nhanh ở giai đoạn đầu, sau đó chậm dần tiệm U cận giá trị ng 12( A ). R - Giá trị i1 đạt cực đại phụ thuộc chính vào điện trở mạch sơ cấp và thời gian Transistor công suất dẫn td . Kết luận: Trang 28
  31. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa - Giá trị dòng sơ cấp i1max phụ thuộc vào R và t. - Giá trị dòng I ng phụ thuộc vào R1 và L1. - I ng giảm khi tăng số xy lanh và số vòng quay của động cơ. 2.2. Tính toán các thông số cơ bản của dòng thứ cấp hệ thống đánh lửa: 2.2.1. Tính hiệu điện thế thứ cấp biến áp đánh lửa: Phương trình cân bằng năng lượng lúc tiếp điểm bắt đầu mở: L  I 2 C U 2 C U 2 1 ng 1 1 2 2 Q 2 2 2 2 W1 2 W1 2 Mà: U1 U 2  L1Ing C1 C2 U 2 Q W W 2 2 Sau biến đổi ta nhận được: L1 U 2 Ing  2 ' (2.4) W1 C1 C2 W2 Trong đó: ' - hệ số tính đến sự giảm U 2 do tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt ở cả mạch sơ cấp và thứ cấp. Theo [2], ' 0,75  0,85. Chọn ' 0,75. C1 - điện dung của mạch sơ cấp. Khi C1 giảm thì U 2 tăng. Sự giảm C1 hợp lí chỉ đến giới hạn nào đó nằm trong khoản ( 0,17  0,3)F [2], nếu C1 giảm nhỏ hơn giá trị này thì U 2 lại giảm. điều này được giải thích là do C1 qua nhỏ nên không dập tắt được tia lửa ở tiếp điểm, làm 6 tăng mất mát năng lượng và giảm I1ng . Chọn C1 0,310 ( F ). Trang 29
  32. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 10 C2 - điện dung của mạch thứ cấp, C2 110 ( F ). 3 L1 - độ tự cảm của cuộn dây sơ cấp, L1 1,510 ( H ) . Kba W2 / W1 : hệ số biến áp. Theo [2], giá trị tối ưu của Kba hiện nay là 55 – 95, khác giá trị này đều làm giảm U 2 . Chọn Kba = 55. Chọn số vòng dây của cuộn sơ cấp W1 250  400 vòng, [1]. Chọn W1 350 vòng. Số vòng dây của cuộn thứ cấp: W2 Kba W1 55350 19250 (vòng) Thay số vào (2.4) ta được: 1,510 3 U 2 10,67  2 0,75 6 350 10 0,310  10 19250 = 25358,57 (V). 2.2.2. Tính thế hiệu đánh lửa Udl : Ta có công thức tính hệ số dự trữ: U 2 Kdt (2.5) U dl Từ (2.5) ta suy ra: U 2 U dl Kdt Trang 30
  33. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Đối với hệ thống đánh lửa thường, do U 2m thấp nên Kdt thường nhỏ hơn 1,5. Trên những động cơ 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, số vòng quay và khe hở bugi. Chọn Kdt 2,0. U 2 25358,57 U dl 12679,28 (V) Kdt 2 2.2.3. Tính năng lượng tia lửa: Năng lượng tia lửa điện gồm 2 thành phần: phần điện dung và phần điện cảm. WP WC WL 2.2.3.1. Tính năng lượng tia lửa điện dung: Vì tia lửa xuất hiện trước khi U 2 đạt giá trị cực đại, nên phần tia lửa điện dung chỉ tiêu tốn một phần năng lượng của từ trường tích lũy trong biến áp đánh lửa: U 2 W C  dl C 2 Trong đó: 2 W1 Điện dung tổng C C1  C2 W2 2 6 350 10 0,310  10 19250 1,9910 10 (F). Thế số ta được: Trang 31
  34. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 12679,282 W 1,9910 10  C 2 = 0,016 (J). 2.2.3.2. Tính năng lượng tia lửa điện cảm: Phần năng lượng còn lại tiếp tục phóng qua khe hở bugi dưới dạng tia lửa điện cảm, hay còn gọi là đuôi lửa. Do U 2 đã giảm nhiều nên dòng phóng lúc này cũng rất nhỏ, chỉ khoảng (80 100 )mA. Tia lửa điện cảm có màu tím nhạt vàng kéo dài khoảng vài mili giây đến vài giây, phụ thuộc vào giá trị điện cảm tích lũy trong mạch sơ cấp: L  I 2 1,510 3 10,672 W 1 ng 0,085 (J) L 2 2 Vậy năng lượng tổng của tia lửa: WP WC WL = 0,016 + 0,085 = 0,101 (J). 2.3. Bugi đánh lửa: Bugi 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. Do điện cực bugi đặt trong buồng đốt, nên điều kiện làm việc của nó rất khắc nghiệt: nhiệt độ ở kỳ cháy có thể lên tới 2500 0 C và áp suất đạt 50 kg / cm2 . 2.3.1. Vật liệu chế tạo: Vật liệu các điện cực phải đảm bảo chịu được tác động hóa học của khí cháy và không được han gỉ trong điều kiện nhiệt độ cao, nên: Trang 32
  35. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa - Các điện cực trung tâm: thường được làm bằng Crom, hợp kim Crom-Titan 13X25T hay đồng mạ Crom. - Các điện cực bên làm bằng hợp kim Niken-Mangan (95  97% Ni và 3  5 % Mn). - Sứ cách điện: được chế tạo từ gốm có thành phần oxit cao để đảm bảo được độ bền điện và cơ ở nhiệt độ cao, như: Uralit (95% Al2O3 ), tinh thể Korunt (98% Al2O3 ), 2.3.2. Đặc tính nhiệt của bugi: Để bugi làm việc bình thường thì nhiệt độ phần sứ dưới của bugi nằm trong khoảng 500  600 0 C , đó là nhiệt độ tự tấy muội. - Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 450 0 C : nhiên liệu và dầu bôi trơn làn trong nó không cháy hết mà đọng lại ở các điện cực như muội than, làm giảm chất lượng đánh lửa. - Nếu nhiệt độ lớn hơn 700 800 0 C : nhiên liệu có thể tự bốc cháy khi tiếp xúc với bugi trước khi có tia lửa điện. Để giữ nhiệt độ tối ưu ở điện cực trung tâm bugi, người ta thiết kế chiều dài phần sứ cách điện ở điện cực này khác nhau dựa vào điều kiện làm việc của động cơ, chia làm hai loại: bugi nóng và bugi lạnh. - Nếu động cơ thường xuyên ở tải lớn, hoặc tốc độ cao dẫn tới nhiệt độ buồng đốt cao, nên sử dụng bugi lạnh, để giải nhiệt nhanh. - Nếu xe chạy ở tốc độ thấp và chở ít người, nên sử dụng bugi nóng. 2.3.3. Tính chọn bugi: Với các thông số đề cho: ε = 10,5 ne = 3750. Trang 33
  36. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Tham khảo các dòng xe có thông số kỹ thuật tương tự trên thị trường LandCruiser Prado GRI150R), và tham khảo catalog bugi Denso, ta chọn loại bugi FK20HR11, có thông số kỹ thuật: - Điện cực Iridium. - Ren M14x1,25. - Kích thước lục giác 16mm. - Chỉ số nhiệt 20. - Khoảng cách điện cực 1,1 mm. Trang 34
  37. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa PHẦN 3: PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA Phân tích chọn hệ thống đánh lửa thiết kế: Ngày nay, hầu hết các loại ô tô hiện đại đều sử dụng hệ thống đánh lửa theo chương trình. Bởi nó có các ưu điểm: - Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ. - Góc ngậm điện luôn được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và hiệu điện áp ắc quy, đảm bảo cho hiệu điện thế thứ cấp và năng lượng đánh lửa thích hợp ở mọi thời điểm. - Động cơ khởi động dễ dàng, chạy không tải êm, tiết kiệm được nhiên liệu, và giảm độc hại cho khí thải. - Công suất của động cơ được cải thiện rõ rệt. - Ít hư hỏng, tuổi thọ cao và ít cần bảo dưỡng. - Chẩn đoán hư hỏng nhanh chóng, chính xác. Với những ưu điểm như trên, ta chọn thiết kế hệ thống đánh lửa theo chương trình sử dụng bô bin đơn. Trang 35
  38. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Bä bin 1 Tæì àõc quy G CB Vë trê truûc khuyíu Xy lanh 1 IGT1 IGF Bugi THW CB Nhiãût âäü næåïc laìm maït Bä bin 2 IGT2 THA CB Nhiãût âäü khê naûp Xy lanh 2 Bä bin 3 IGT3 KNK CB Kêch näø ECU Xy lanh 3 Bä bin 4 IGT4 VTA CB Vë trê bæåïm ga Xy lanh 4 Bä bin 5 OX CB Tè lãû Khäng khê-Nhiãn liãûu IGT5 Xy lanh 5 V CB Læu læåüng khê naûp G Bä bin 6 IGT6 VPA Xy lanh 6 CB Vë trê baìn âaûp ga Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa theo chương trình ❖ Nguyên lý làm việc: ECU nhận được tín hiệu từ các cảm biến đầu vào, sau đó xử lý, tính toán các tín hiệu nhận được. Sau khi xử lý xong ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển đến từng xy lanh để thực hiện việc đánh lửa theo đúng thứ tự làm việc của xy lanh. Trang 36
  39. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Sau khi quá trình đánh lửa xảy ra thì ECU lại nhận được tín hiệu phản hồi IGF. Khi động cơ hoạt động bình thường thì quá trình xảy ra đều đặn. Khi có sự cố thì hệ thống ngắt tín hiệu vòi phun để động cơ ngừng hoạt động đảm bảo an toàn. Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa thiết kế: 3.1. IC đánh lửa: Hình 3.2- Sơ đồ mạch điện của IC đánh lửa bobin đơn. Chú thích: 1- Mạch điện tử tạo tín hiệu IGF 2- Mạch đánh lửa. IC đánh lửa là mạch điện tử được tích hợp từ các linh kiện điện tử như transistor, diot, tụ điện, các điện trở, để điều khiển đóng ngắt dòng sơ cấp và tạo ra tín hiệu phản hồi IGF về cho ECU động cơ. IC đánh lửa trong hệ thống này được làm thành một cụm chi tiết với bô bin đánh lửa nên kết cấu rất đơn giản, gọn nhẹ. IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự đóng và ngắt dòng sơ cấp đi vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra. Mạch IC đánh lửa mà ta sử dụng có bốn chân giao tiếp, đó là các chân: +B, GND, IGT, IGF. Trong đó, chân +B nối với acquy, chân GND nối mass, chân IGT và IGF nối với ECU động cơ. Trang 37
  40. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 3.2. Bobin đánh lửa: 2 3 4 1 5 8 6 7 Hình 3.3: Bobin kết hợp với IC đánh lửa Chú thích: 1- Vỏ 2- Giắc cắm 3- IC đánh lửa 4- Cuộn sơ cấp 5- Cuộn thứ cấp 6- Lớp cách điện7- Đầu cắm bugi 8- Lõi thép * Mô tả: Bobin tạo ra điện áp đủ cao để phóng tia hồ quang giữa hai cựa của bugi. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi sắt. Số vòng dây cuộn thứ cấp lớn hơn Trang 38
  41. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa cuộn sơ cấp khoảng 60 lần. Một đầu cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa. Một đầu cuộn thứ cấp được nối với bugi, đầu còn lại của các cuộn dây nối với acquy. * Hoạt động: - Khi động cơ hoạt động, dòng điện từ acquy chạy qua IC đánh lửa, vào cuộn sơ cấp về mass, 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 xung quanh cuộn dây có lõi ở trung tâm. - Sau đó, IC đánh lửa đột ngột ngắt dòng sơ cấp, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra. Kết quả là từ thông do cuộn sơ cấp phát ra mất đột ngột. Cảm ứng từ sinh ra trong cuộn thứ cấp một điện thế khoảng 30kV. Điện thế này làm bugi phát ra tia lửa điện, đốt cháy hỗn hợp làm việc trong xy lanh động cơ. 3.3. Bugi đánh lửa: Bugi đánh lửa có nhiệm vụ nhận các xung điện cao thế từ bô bin đánh lửa và bật tia lửa điện cao thế để đốt cháy hỗn hợp khí-nhiên liệu trong xy lanh. Đây là chi tiết quan trọng, quyết định sự làm việc ổn định và hiệu quả của hệ thống đánh lửa. Dựa vào các thông số đã cho, ta chọn loại bugi FK20HR11 của hãng Denso, đây là loại bugi đầu dài, sử dụng điện cực Iridium, cho khả năng đánh lửa tốt và độ bền cao. Thông số kỹ thuật: Bảng 3.1- Thông số kỹ thuật bugi đánh lửa Nhà sản xuất DENSO FK20HR11 Chiều dài phần ren [mm] Khoảng 26.5 Khe hở bugi [mm] 1.1 Kiểu ren M14x1.25 Kích thước lục giác [mm] 16 Chỉ số nhiệt 20 Điện trở trong [kΩ] 5 Trang 39
  42. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Tuổi thọ Trên 150.000 km Hình 3.4: Cấu tạo bugi Chú thích: 1- Đầu nối 2- Gân vỏ 3- Điện cực giữa 4- Sứ cách điện 5- Xi thủy tinh 6- Vòng tựa 7- Vỏ bugi 8- Điện trở 9- Vòng làm kín 10- Đệm làm kín 11- Lõi điện cực 12- Phần ren vặn vào thân máy Trang 40
  43. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 13- Điện cực trung tâm 14- Điện cực bên. 3.4. Bộ điều khiển trung tâm (ECU): 3.4.1. Tổng quan: - Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu thừa hành. - ECU là một bộ tổ hợp vi mạch và là bộ phận dùng để nhận biết tín hiệu, lưu trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi các tín hiệu điều khiển thích hợp. ECU được đặt trong vỏ kim loại để giải nhiệt tốt và được bố trí ở nơi ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm. - Các linh kiện trong ECU được sắp xếp trong một mạch in. Các linh kiện công suất tần cuối – nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành – được gắn với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt. Sự tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao. 3.4.2. Các bộ phận trong ECU a. Bộ nhớ: Bộ nhớ trong ECU gồm 3 loại: - ROM (Read only memory): Dùng để lưu trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này chỉ cho phép đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được. Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn. ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý và được lắp đặt trong mạch in. Chương trình điều khiển động cơ do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong ROM. - RAM ( Random 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 Trang 41
  44. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ. RAM vẫn duy trì bộ nhớ cho dù động cơ ngừng hoạt động hoặc tắt công tắc máy. Tuy nhiên, nếu tháo nguồn cung cấp từ acquy đến ECU 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 ở nơi sản xuất giống như ROM. PROM cho phép sửa đổi chương trình điều khiển theo những yêu cầu khác nhau. b. Bộ vi xử lý (Microprocess): MICROPROCESSOR ROM PROM RAM Hình 3.5- Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định, nó là “bộ não” của ECU. c. Đường truyền (BUS): BUS có nhiệm vụ truyền các lệnh và số liệu trong ECU theo hai chiều. Sự phát triền của ECU trên động cơ gắn liền với sự phát triển của vi xử lý. Ở những thế hệ đầu, ECU dùng loại 4 bit, 8 bit, ngày này, ECU dùng loại 16 bit, 32 bit. 3.5. Các cảm biến: 3.5.1. Cảm biến vị trí trục khuỷu (tốc độ động cơ NE) Trang 42
  45. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 1 2 3 4 5 6 Hình 3.6- Cảm biến vị trí trục khuỷu Chú thích: 1. Cuộn dây, 2. Lõi sắt, 3. Thân cảm biến 4. Nam châm, 5. Lớp cách điện, 6. Giắc cắm. - Cảm biến vị trí trục khuỷu dùng để xác định tốc độ động cơ, để giúp ECU tính toán và tìm ra góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xylanh. Cảm biến này cũng được dùng đề điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức. - Cảm biến này là loại cảm biến điện từ có nam châm đứng yên, roto tín hiệu quay gồm 24 răng. - Khi động cơ làm việc, rô to quay làm thay đổi khe hở giữa các răng của rôto và cuộn nhận tín hiệu, làm cho từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên. Sự biến thiên từ trường tạo nên sức điện động xoay chiều cảm ứng trên cuộn dây tín hiệu. Tín hiệu này được đưa về ECU. - Ngoài ra, trên rô to có 2 răng khuyết nên cảm biến này còn dùng để xác định vị trí pít tông. ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa. Trang 43
  46. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 3.5.2. Cảm biến vị trí trục cam: Hình 3.7: Cảm biến vị trí trục cam Chú thích: 1- Giắc cắm 2- Cuộn dây cảm ứng 3- Lõi thép 4- Vỏ cảm biến - Cảm biến vị trí trục cam báo cho ECU biết vị trí điểm chết trên (ĐCT) hoặc trước ĐCT của piston. Trong một số trường hợp, chỉ có vị trí của piston máy số 1 (hoặc máy số 6) được báo về ECU, vị trí các máy còn lại đều được ECU tính toán. Công dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa va cả thời điểm phun. - Cảm biến này được lắp trên đầu trục cam, sử dụng cảm biến điện từ có nam châm đứng yên, roto tín hiệu quay. Trang 44
  47. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 3.5.3. Cảm biến kích nổ (KNK) Hình 3.8: Cảm biến kích nổ Chú thích: 1- Đáy cảm biến 2- Tính thể thạch anh 3- Khối lượng quán tính 4- Ống thông 5- Nắp 6- Dây đan 7- Đầu cảm biến - Cảm biến kích nổ được lắp trên thân xylanh động cơ hoặc nắp máy để cảm nhận xung kích nổ phát sinh trong động cơ và gửi tín hiệu này đến ECU. ECU sẽ làm trễ thời gian đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ. - Cảm biến kích nổ thường làm bằng vật liệu áp điện, thành phần áp điện được chế tạo bằng tinh thể thạch anh, là vật liệu mà khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp. Phần tử áp điện được thiết kế với kích thước có tần số riêng trùng với tần số rung của động cơ khi có hiện tượng kích nổ xảy ra để có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng (f=7kHz). Như vậy, khi có kích nổ, tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lực lớn nhất và sinh ra điện áp. Trang 45
  48. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 3.5.4. Cảm biến vị trí bướm ga (VTA) Hình 3.9: Cảm biến vị trí bướm ga Chú thích: 1- Điện trở 2- Vành trượt – tiếp điểm (IDL) 3- Vành trượt – tiếp điểm I Vcc – Đến (+) acquy VTA- Tín hiệu góc mở bướm ga IDL- Tín hiệu cầm chừng - Cảm biến vị trí cánh bướm ga thường được lắp đặt ở trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp để gửi đến ECU. - Tín hiệu cầm chừng IDL dùng để điều khiển phun nhiên liệu khi tăng tốc và giảm tốc, cũng như hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa. Trên một số xe, cảm biến vị trí bướm ga còn giúp ECU điều khiển hộp số tự động. Trang 46
  49. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 3.5.5. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (TWH) Hình 3.10: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Chú thích: 1- Đầu ghim 2- Vỏ 3- Điện trở - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng để xác định nhiệt độ động cơ, có cấu tạo là một điện trở nhiệt. - Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm: khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm và ngược lại. - Ở động cơ làm mát bằng nước, cảm biến được gắn ở thân máy, gần bọng nước làm mát, một số trường hợp khác, cảm biến được đặt trên nắp máy. Trang 47
  50. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 3.5.6. Cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) Hình 3.11: Cảm biến lưu lượng khí nạp Chú thích: 1- Gió đi vào 2- Lưới ổn định dòng khí 3- Gương mỏng tráng nhôm 4- LED 5- Photo Transistor 6- Dòng xoáy 7- Vật cản tạo xoáy - Để đo lưu lượng gió đi vào, ta dùng loại đo thể tích dòng khí kiểu Karman. - Khi dòng khí đi qua vật cản tạo xoáy, các dòng xoáy theo rãnh hướng làm rung gương mỏng tráng nhôm, làm đổi hướng gương phản chiếu từ LED đến gương và phản lại Photo transistor. Như vậy, tần số đóng mở photo transistor sẽ thay đổi theo lưu lượng khí đi vào và gió nhiều thì rung nhiều, tần số f lớn. Căn cứ vào tần số f, ECU sẽ tính toán thể tích tương ứng của khí đi vào xylanh, từ đó tính ra lượng phun cần thiết. Trang 48
  51. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa KẾT LUẬN Đồ án “TRANG BỊ ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ ĐỘNG LỰC” là một đồ án rất cần thiết cho sinh viên. Sau thời gian thực hiện đồ án với đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa”, em đã củng cố thêm được những kiến thức đã học, đồng thời rèn luyện thêm kỹ năng tính toán, phân tích Trong quá trình làm đồ án, em đã cố gắng để hoàn thành tốt nhất. Tuy nhiên do sinh viên chúng em thiếu kinh nghiệm thực tế, nên không tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được các đóng góp ý kiến của quý thầy cô để giúp em tiến bộ. Em xin chân thành cảm ơn! Trang 49
  52. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PHẠM QUỐC THÁI (2009), Trang bị điện và điện tử động cơ đốt trong, Giáo trình nội bộ khoa Cơ khí Giao thông – Trường Đại học Bách khoa- ĐH Đà Nẵng. [2] PGS-TS. ĐỖ VĂN DŨNG (2007), Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại – hệ thống điện động cơ, Giáo trình trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. [3] NGUYỄN HOÀNG VIỆT (2014), Trang bị điện và điện tử trên ô tô, Giáo trình mạng nội bộ khoa Cơ khí Giao thông – Trường Đại học Bách khoa- ĐH Đà Nẵng. [4] DENSO (2015), DENSO Spark plug Catalogue. Trang 50