Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Tổng quan về hệ thống đánh lửa và thực hành đánh lửa trên ô tô

Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Tổng quan hệ thống đánh lửa thực hành đánh lửa ô tô CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA I.1 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ Hệ thống đánh ơtơ có nhiệm vụ biến dòng chiều hạ áp 12V thành xung điện cao áp 12 kV ÷ 24 kV tạo tia lửa điện bugi để đốt cháy hỗn hợp khí – xăng xylanh cuối kỳ nén Nhiệm vụ địi hỏi hệ thống đánh lửa phải bảo đảm yêu cầu sau: - Tạo điện áp đủ lớn (12kV ÷ 24kV) từ nguồn hạ áp chiều 12 V - Tia lửa điện phóng qua khe hở hai cực bugi điều kiện áp suất lớn, nhiệt cao phải đủ mạnh để đốt cháy hỗn hợp khí – xăng chế độ Thời điểm phát tia lửa bugi xylanh phải theo góc đánh lửa thứ tự đánh lửa quy định I.2 CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA I.2.1 Hiệu điện thứ cấp cực đại U2m: Hiệu điện thứ cấp cực đại U2m hiệu điện hai đầu cuộn dây thứ cấp tách dây cao áp khỏi bugi Hiệu điện cực đại U2m phải lớn để có khả tạo tia lửa điện hai điện cực bugi, đặc biệt lúc khởi động I.2.2 Hiệu điện đánh lửa Udl: Hiệu điện thứ cấp mà q trình đánh lửa xảy gọi hiệu điện đánh lửa (Udl) Hiệu điện đánh lửa hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, theo định luật Pashen U dl = K P.δ T Trang - - Trong đó:  P: áp suất buồng đốt thời điểm đánh lửa  δ: khe hở bugi  T: nhiệt độ điện cực trung tâm bugi thời điện đánh lửa  K: số phụ vào thành phần hỗn hợp hồ khí Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu đánh lửa Udl tăng khoảng 20 ÷ 30% nhiệt độ hồ khí thấp hồ khí khơng hồ trộn tốt Khi động tăng tốc độ, Udl tăng sau Udl giảm từ từ nhiệt độ cực bugi tăng áp suất nén giảm trình nạp xấu Hiệu điện đánh lửa có giá trị cực đại chế độ khởi động tăng tốc, có giá trị cực tiểu chế độ ổn định công suất cực đại.Trong trình vận hành xe mới, sau 2.000 km đầu tiên, Udl tăng 20% điện cực bugi bị mài mòn U (KV) 16 1000 2000 3000 n(v/p) H I -1 Sự phụ thuộc hiệu điện đánh lửa tốc độ tải động Toàn tải; Nửa tải; Khởi động cầm chừng Sau Udl tiếp tục tăng khe hở bugi tăng Vì để giảm Udl phải hiệu chỉnh lại khe hở bugi sau 10.000 km I.2.3 Hệ số dự trữ Kdt: Hệ số dự trữ tỷ số hiệu điện thứ cấp cực đại U2m hiệu điện đánh lửa Udl: Trang - - K dl = U 2m U dl Đối với hệ thống đánh lửa thường, U2m thấp nên Kdt thường nhỏ 1,5 Trên động xăng đại với với hệ thống đánh lửa điện tử hệ số dự trữ có khả tăng cao (Kdt = 1,5 ÷ 1,8) đáp ứng việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay tăng khe hở bugi I.2.4 Năng lượng dự trữ Wdt: Năng lượng trữ Wdt lượng tích luỹ dạng từ trường cuộn dây sơ cấp bobin Để đảm bảo tia ửa l điện có đủ lượng để đốt cháy hồn tồn hồ khí Hệ thống đánh lửa phải đảm bảo lượng dự trữ cuộn sơ cấp bobin giá trị xác định ¦ Wdt = L1 ì I ng = 50 ữ 70mj Trong đó:  Wdl: Năng lượng dự trữ cuộn sơ cấp  L1: Độ tự cảm cuộn sơ cấp bobin  Ing: Cường độ dòng điện sơ cấp thời điểm công suất ngắt I.2.5 Tốc độ biến thiên hiệu điện thứ cấp S: S= du ΔU = = 300 ÷ 600[V / ms ] dt Δt Trong đó:  S: tốc độ biến thiên hiệu điện thứ cấp  ΔU2 độ biến thiên hiệu điện thứ cấp  Δt: Thời gian biến thiên hiệu thứ cấp Tốc độ biến thiên hiệu điện cấp S lớn tia lửa điện xuất điện cực bugi mạnh nhờ dịng khơng bị rị qua có muội than cực bugi, lượng tiêu hao mạch thứ cấp giảm Trang - - I.2.6 Tần số chu kỳ đánh lửa: Đối với động thì, số tia lửa xảy giây xác định công thức: f = nZ [Hz ] 120 Đối với động thì: f = n Z [Hz ] 60 Trong đó:  f: tần số đánh lửa  n: số vòng quay trục khuỷu động (min-1)  Z : số xylanh động Chu kỳ đánh lửa : thời gian hai lần xuất tia lửa T= = td + tm f  td : thời gian công suất dẫn  tm : thời gian công suất ngắt Tần số đánh lửa f tỷ lệ thuận với quay trục khuỷu động số vòng quay xylanh Khi tăng số vòng quay động số xylanh, tần số đánh lửa f tăng chu kỳ đánh lửa T giảm xuống Vì vậy, thiết kế cần ý đến thông số chu kỳ tần số đánh lửa để đảm bảo số vòng quay cao động tia lửa mạnh I.2.7 Góc đánh lửa sớm : Góc đánh lửa sớm góc quay trục khuỷu động từ thời điểm xuất tia lửa điện bugi piston lên đến tử điểm thượng Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng lớn đến cơng suất, tính kinh tế độ nhiễm khí thải động Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Trang - - θopt = f(Pbđ, tbđ,p, twt, tmt, n, No…) Trong đó:  Pbđ: Áp suất buồng đốt thời điểm đánh lửa  tbđ: Nhiệt độ đốt  P: Áp suất đường ống nạp  twt : Nhiệt độ làm mát động  tmt : Nhiệt độ môi trường  n: Số vòng quay động  No : Chỉ số octan xăng Ở đời xe cũ, góc đánh lửa sớm số điều khiển theo hai thông số: tốc độ tải động cơ.Tuy nhiên, hệ số đánh lửa số xe (Toyota, honda…),có trang bị thêm van nhiệt sử dụng phận đánh lửa sớm theo hai chế độ nhiệt độ Trên đời xe mới, góc đánh lửa sớm điều khiển điện tử nên góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh theo thông số nêu I.2.8 Năng lượng tia lửa thời gian phóng điện: Thơng thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần thành phần điện dung thành phần điện cảm Năng lượng tia lửa tính theo cơng thức: WP = WC + WL Trong đó: C 2U dl2 WC  WL = i22 L2  WP: Năng lượng tia lửa  WC: Năng lượng thành phần tia lửa có tính điện dung  WL: Năng lượng thành phần tia lửa có tính điện cảm Trang - -  C2: Điện dung ký sinh mạch thứ cấp bugi (F)  Uđl : Hiệu điện đánh lửa  L2: Độ tự cảm mạch thứ cấp (H)  i2: Cường độ dòng điện mạch thú cấp (A) Tuỳ thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà tăng lượng tia lửa có đủ hai thành phần có thành phần điện cảm điện dung Thời gian phóng điện hai điện cực bugi tuỳ thuộc vào loại hệ thống đánh lửa Tuy nhiên hệ thống đánh lửa phải đảm bảo lượng tia lửa đủ lớn thời gian phóng điện đủ dài để đốt cháy hồ khí chế độ hoạt động động I.3 PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ Hiện nay, hầu hết loại ô tô sử dụng hệ thống đánh lửa bán dẫn loại có ưu tạo tia lửa mạnh điện cực bugi, đáp ứng tốt yêu cầu làm việc động cơ, tuổi thọ cao…Quá trình phát triển, hệ thống đánh lửa điện tử chế tạo, cải tiến với nhiều loại khác nhau, song chia làm hai loại sau: I.3.1 Hệ thống đánh lửa bán dẫn điều khiển trực tiếp Trong hệ thống này, linh kiện điện tử tổ hợp thành cụm mạch gọi igniter Bộ phận có nhiệm vụ đóng ngắt mạch sơ cấp nhờ tín hiệu đánh lửa (tín hiệu điện áp) đưa vào Hệ thống đánh lửa bán dẫn loại chia làm hai loại là: - Hệ thống đánh lửa bán dẫn có vít điều khiển: vít điều khiển có cấu tạo giống hệ thống đánh lửa thường làm nhiệm vụ điều khiển đóng mở - Hệ thống đánh lửa khơng có vít điều khiển: cơng suất điều khiển cảm biến đánh lửa Trang - - I.3.2 Hệ thống đánh lửa kỹ thuật số Hệ thống đánh lửa kỹ thuật số gọi hệ thống đánh lửa chương trình Dựa vào tín hiệu như: tốc động động cơ, vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga, nhiệt độ động ơc ,… mà vi xử lý (ECU – electronic control unit) điều khiển thời điểm đánh lửa - Mô tả chung hệ thống đánh lửa điện tử Tiếp điểm hệ thống đánh lửa thông thường yêu cầu bảo dưỡng định kỳ chúng bị oxy hố tia lửa trình sử dụng Hệ thống đánh lửa điện tử phát triển để xoá bỏ yêu cầu bảo dưỡng định kỳ, giảm giá thành bảo dưỡng cho người sử dụng Trong hệ thống đánh lửa điện tử, phận phát tín hiệuđược đặt chia điện thay cho cam tiếp điểm, sinh điện áp, mở đánh lửa để ngắt dòng điện sơ cấp cuộn dây đánh lửa Do dùng để đóng mạch điện sơ cấp khơng có tiếp xúc kim loại nên khơng mịn hay điện áp khơng sụt áp I.4 ĐIỀU KHIỂN GĨC ĐÁNH LỬA SỚM BẰNG KỸ THUẬT SỐ I.4.1 Sơ đồ khối đặc điểm hệ thống đánh lửa với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử Để ECU xác định xác thời điểm đánh lửa cho xylanh động theo thứ tự nổ, ECU cần phải nhận tín hiệu cần thiết số vịng quay động cơ, vị trí cốt máy, lượng gió nạp, nhiệt độ động cơ… Tín hiệu vào nhiều việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu xác Sơ đồ hệ thống đánh lửa sớm điện tử chia làm ba phần: tín hiệu vào (input signal), ECU tín hiệu từ ECU điều khiển Igniter (output signal) Trang - - Tín hiệu vào Igniter Bobin ECU IG/SW Bugi Accu H.I -11 Sơ đồ khối hệ thống đánh lửa với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử 1.Tín hiệu số vịng quay động (NE) 2.Tín hiệu vị trí cốt máy (G) Tín hiệu tải Tín hiệu từ cảm biến vị trí cánh bướm ga Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát Tín hiệu điện acquy Tín hiệu kích nổ Ngồi cịn có tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến tốc độ xe, cảm biến oxy Sau nhận tín hiệu từ hiệu từ cảm biến ECU xử lý đưa xung điều khiển đến Igniter để điều khiển đánh lửa Trên hình vẽ mơ tả cảm biến động Trong loại tín hiệu vào trên, tín hiệu số vịng quay - vị trí cốt máy tín hiệu tải hai tín hiệu quan trọng Để xác định số vòng quay động cơ, người ta đặt cảm biến vành đầu cốt máy, đầu cốt cam delco Có thể sử dụng cảm biến Hall, m biến điện từ, cảm biến quang Số vành khác tuỳ thuộc Trang - - vào loại cảm biến tuỳ thuộc vào động Một số động sử dụng vòng để xác định số vịng quay vị trí cốt máy Tại khoảng cách có khoảng cách lớn khe hở cịn lại, điểm đó, xung điện cảm biến tăng vọt lên nhờ có khác biệt biên độ xung mà ECU nhận biết vị trí cốt máy Cảm biến điện từ, cảm biến quan phát xung tín hiệu số vịng quay động (NE), vị trí cốt máy (G) hai vị trí dùng chung để điều khiển phun xăng àv điều khiển đánh lửa (Motronic) Để xác định mức tải động cơ, ECU đưa vào tín hiệu áp suất đường ống nạp (hoặc tín hiệu l ợng khí nạp) Do thay đổi áp suất đường ống nạp, tín hiệu điện áp gửi ECU thay đổi ECU nhận tín hiệu để xử lý quy mức tải tương ứng để xác định góc đánh lửa sớm θ (độ) θ (độ) 1 2 (a) (b) H I - 12 Sự chênh lệch đánh lửa tối ưu Đặc tính đánh lửa lý tưởng Đặc tính đánh lửa sớm hiệu chỉnh ly tâm (a) áp thấp (b) Trong hệ thống đánh lửa trước đây, việc điều chỉnh góc đấnh lửa sớm thực phương pháp khí: hiệu chỉnh ly tâm áp thấp Đường đặc tính đánh lửa sớm tối ưu đơn giản khơng xác Trong đó, đường đặc tính lý ưt ởng xác định thực Trang - - nghiệm phức tạp, không tuân theo quy luật Đồ thị H I – 12a H.I-12 b mô tả sai lệch góc đánh lửa sớm tối ưu góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh khí Đối với hệ thống đánh lửa với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh gần sát với đặc tính lý tưởng Kết hợp hai đặc tính đánh lửa sớm theo tốc độ theo tải ta có đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng đồ có từ 1000 đến 4000 điểm đánh lửa sớm nhớ nhớ Một chức khác ECU việc điều khiển đánh lửa điều chỉnh góc ngậm điện (DWELL ANGLE Control) Bản đồ góc ngậm điện phụ thuộc hai thông số điện acquy tốc độ động Khi khởi động chẳng hạn, hiệu điện acquy bị sụt áp lớn, ECU điều khiển tăng thời gian ngậm điện nhằm mục đích bảo đảm dịng điền sơ cấp tăng trưởng đến giá trị ấn định Ở tốc độ thấp, xung điện áp điều khiển đánh lửa dài, dòng sơ cấp tăng cao, ECU điều khiển xén bớt điện áp điều khiển để giản thời gian ngậm điện nhằm mục đích tiết kiệm lượng tránh nóng bobin Trong trường hợp dịng điện sơ cấp tăng cao giá trị ấn định, phận hạn chế dòng làm việc giữ cho dòng điện sơ cấp không thay đổi thời điểm đánh lửa Một điểm cần lưu ý góc ngậm điện tuỳ thuộc loại động mà công việc thực ECU hay tải Igniter Vì Igniter hai loại có khơng có điều chỉnh góc ngậm điện khơng thể dùng lẫn cho Góc đánh lửa sớm thực tế động hoạt động xác định công thức sau: θ = θbđ + θcb + θhc Trong đó:  θ: góc đánh lửa sớm thực tế  θbđ: góc đánh lửa sớm ban đầu  θcb: góc đánh lửa sớm Trang - 10 -  θhc: góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh θ θbd θ cd θbc H I -13 Góc đánh lửa sớm thực tế Góc đánh lửa sớm ban đầu (θbđ) phụ thuộc vị trí delco vị trí cảm biến xác định vị trí cốt máy (G) Thơng thường, loại xe góc đánh lửa sớm ban đầu điều chỉnh khoảng 5o đến 15o trước tử điểm thượng tốc độ cầm chừng Đối với hệ thống đánh lửa với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử chỉnh góc đánh lửa sớm, ta chỉnh góc đánh lửa sớm ban đầu Dựa vào số vòng quay (NE) tải động (từ tín hiệu áp suất đường ống nạp thể tích khí nạp) ECU đọc giá trị góc đánh lửa sớm (θcb) lưu trữ nhớ (H.I -13) Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh (θhc) góc đánh lửa sớm cộng thêm giảm bớt ECU nhận tín hiệu khác nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, tín hiệu kích nổ, tín hiệu tốc độ xe… góc đánh lửa sớm thực tế tính góc đánh lửa sớm ban đầu cộng với góc đánh lửa sớm góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh để đạt góc đánh lửa sớm lý tưởng theo chế độ hoạt động động H.I-14 Xung điều khiển đánh lửa IGT Sau xác định góc đánh lửa sớm, xử lý trung tâm (CPU- Central Processing Unit) đưa xung điện áp để điều khiển đánh lửa ICT Trang - 11 - Tử điểm thượng 5V b, CPU c, θcb + θbc θbđ Đến Igniter IGT G NE P H I - 14 Xung điều khiển đánh lửa IGT H I -14b mơ tả q trình dịch chuyển xung IGT CPU phía trước tử điểm thượng có hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm (θcb) góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh (θhc) ngồi ra, xung IGT xén trước gửi qua Igniter (H.I -14c) Để cân lửa cho hệ thống đánh lửa với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử đa số loại xe ta nối hai đầu check connector trước lúc cân lửa Đối với xe Toyota ta nối hai đầu TEI EI ECU điều khiển động làm việc chế độ chuẩn (standard Ignition timing), yếu tố ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm bị loại trừ việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm xác I.4.2 Sơ đồ mạch điện HTĐL với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử: Trong hệ HTĐL với cấu đánh lửa sớm điện tử ut ỳ thuộc yêu câu thiết kế loại động hãng khác mà đặc điểm, cấu tạo hoạt động hệ thống khác Tuy nhiên chia làm hai loại sơ đồ nguyên lý làm việc loại mạch điện có sử dụng delco loại không sử dụng delco Trang - 12 - I.4.2.1 Mạch điện HTĐL với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử có sử dụng delco: Mạch điện gồm ba phần chính: ECU, Igniter cụm bobin-delco Sau nhận tất tín hiệu từ cảm biến ECU đưa tín hiệu vào xử lý trung tâm (CPU) Tại CPU xử lý tín hiệu đưa xung tín hiệu phù hợp với góc đánh lửa sớm để điều khiển transistor T1 tạo xung IGT đưa vào Igniter xung IGT xung dài chưa xén đưa vào kiểm sốt góc ngậm (Dwell angle control) Các xung sau xén điều khiển transistor cơng suất T2 đóng ngắt mạch sơ cấp tạo xung điện cao bobin đưa đến chia điện Cực E transistor cơng suất T2 mắc nối tiếp với cảm biến dịng sơ cấp đưa vào kiểm sốt góc ngậm để hạn chế dòng sơ cấp trường hợp dòng sơ cấp tăng cao quy định Khi transistor T2 ngắt, phát xung IGF dẫn ngược lại T2 dẫn bơn phát xung IGF ngắt, q trình tạo xung gọi xung IGF Xung IGF gửi ngược trở lại xử lý trung tâm ECU để báo HTĐL hoạt β- động Bobin Igniter ECU 5V IG/SW Accu IGF generator IGF Đến chia điện (Delco) T2 Dwell angle control CPU T1 IGT G1 G2 NE H I- 15 Sơ đồ mạch điện HTĐL với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử có sử dụng delco Trang - 13 - Trên số loại động xung điện áp từ cảm biến điện từ delco đưa thẳng vào Igniter Tại đây, qua định dạng xungsẽ chuyển thành tín hiệu NE để đưa vào ECU ECU sau xử lý đưa xung IGT để điều khiển Igniter (Toyota- Van, Cadilac, DAEWOO) I.4.2.2 Mạch điện HTĐL với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử khơng sử dụng delco (HTĐL trực tiếp): a Ưu điểm hệ thống đánh lửa trực tiếp: Hệ thống đánh lửa trực tiếp(DFI – Direct fire ignition hay cịn gọi HTĐL khơng có chia điện (DLI – Distributorless Ignition) phát triển từ thập kỷ 80, loại xe sang ngày ứng dụng rộng rãi loại xe khác nhờ có ưu điểm sau: - Dây cao áp ngắn khơng có dây cao áp nên giảm mát lượng, giảm điện dung ký sinh giảm nhiễu vô tuyến mạch thứ cấp - Khơng cịn mỏ quẹt nên khơng có khe hở mỏ quẹt dây cao áp - Bỏ chi tiết dây hư hỏng phải chế tạo vật liệu cách điện tốt mỏ quẹt, chổi than, nắp delco - Trong HTĐL có delco, góc đánh lửa sớm xảyra trường hợp đánh lửa hai đầu dây cao áp kề nhau(thường xảy động có số xylanh z > 4) b Phân loại, cấu tạo hoạt động HTĐL trực tiếp: - Đa số hệ thống đánh lửa trực iếp t thuộc loại điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử nên việc đóng mở transistor công suất Igniter thực ECU Trang - 14 - - Hệ thống đánh lửa trực tiếp chia làm ba loại sau: Loại 1: sử dụng bobin cho bugi: Bobin ECU T1 T2 T3 Bugi T4 Igniter H I - 16 Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin cho bugi Nhờ tần số hoạt động bobin nhỏ trước nên cuộn dây sơ cấp thứ cấp nóng Vì kích thước bobin nhỏ gắn dính với nắp chụp bugi - Sơ đồ HTĐL trực tiếp loại trình bày hình vẽ 1-16 - Trong sơ đồ ECU sau xử lý tín hiệu từ cảm biến gửi đến cực B transistor công suất Igniter theo thứ tự nổ thời điểm đánh lửa - Cuộn sơ cấp bobin loại có điện trở nhỏ(> R4, từ (1), (2) ta có U1 ≈ Utc; U4 ≈ Có nghĩa tia lửa xuất bugi số Trong trường hợp ngược lại R1