• Thấy được tầm quan trọng trong việc thay thế hệ thống đánh lửa điều khiển tiếp điểm cơ khí bằng hệ thống đánh lửa điều khiển bằng điện tử trên các loại xe đời mới hiện nay.. ECM sẽ luâ
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Với sự phát triển nhanh và mạnh của thị trường ô tô Việt Nam, một yêu cầu đặt ra đó là làm thế nào để khai thác hiệu quả nhất một chiếc ô tô Trong đó đánh lửa trực tiếp là một vấn đề rất cần thiết Một vấn đề đặt ra là làm thế nào chúng ta có thể hiểu rõ bản chất, đặc điểm cấu tạo và sự vận hành của các hệ thống đánh lửa Do đó em tiến hành chọn đề tài về “Khảo sát hệ thống đánh lửa trực tiếp của động cơ 1NZ-FE Xây dựng mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp trên xe Toyota Vios 2007’’.
Mục tiêu đề tài
• Thấy rõ vai trò quan trọng trong việc tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu vào đúng thời điểm
• Tìm hiểu nắm vững nguyên lý làm việc và từ đó thấy được ưu nhược điểm của các hệ thống đánh lửa trong các động cơ châm cháy cưỡng bức
• Thấy được tầm quan trọng trong việc thay thế hệ thống đánh lửa điều khiển tiếp điểm cơ khí bằng hệ thống đánh lửa điều khiển bằng điện tử trên các loại xe đời mới hiện nay
• Tìm hiểu và nắm vững nguyên lý hoạt động của các cảm biến sử dụng trong hệ thống đánh lửa trên động cơ 1NZ-FE
• Có thể chẩn đoán một cách chính xác và nhanh chóng các hư hỏng trong hệ thống đánh lửa của động cơ 1NZ-FE nói riêng và các động cơ hiện đại tương đương nói chung.
• Nắm được lịch sử ra đời và phát triển của các hệ thống đánh lửa
• Biết được cấu tạo, sơ đồ mạch điện,nguyên lý hoạt động và phương pháp thay đổi thời điểm đánh lửa phù hợp nhất
• Nắm được các lưu ý cơ bản trong kiểm tra, bảo dưỡng, chẩn đoán và sửa chữa hệ thống
Nội dung đề tài
- Đồ án sẽ giới thiệu sơ lược về sự hình thành và phát triển của mẫu xe Toyota vios 2007 và giới thiệu về hệ thống đánh lửa đang được sử dụng trong các loại phương tiện ô tô hiện nay Bên cạnh đó chúng em sẽ khảo sát và nghiên cứu về nguyên lí hoạt động của hệ thống đánh lửa, hiểu rõ hơn về quá trình hình thành và phát triển của hệ thống này
Phương pháp nghiêm cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài em sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:
• Tra cứu tài liệu, giáo trình kĩ thuật, sách vở Đặc biệt là cuốn cẩm nang sửa chữa của hãng Toyota
• Nghiên cứu tìm kiếm thông tin trên mạng
• Tham khảo ý kiến của Thầy cô giảng viên trong khoa Nghiên cứu trực tiếp trên xe
• Tổng hợp và phân tích các nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó đưa ra những đánh giá và nhận xét của riêng mình.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TOYOTA VIOS – Lịch sử phát triển dòng xe VIOS ( 2002- 2016)
- Năm 2002, hãng xe Nhật Toyota giới thiệu ra thị trường châu Á, cụ thể là khu vực Đông Nam Á và Trung Quốc, một mẫu sedan bốn cửa cỡ nhỏ được thiết kế dành riêng cho thị trường này Ở thời điểm đó, ít ai ngờ mẫu xe hạng B này có thể đạt được những thành công nằm ngoài mong đợi trong suốt gần hai thập kỷ về sau Quay trở lại thời điểm 17 năm trước, mẫu xe sedan hạng B được Toyota chính thức giới thiệu lần đầu vào năm 2002 nhằm thay thế Toyota Tercel (còn mang tên gọi khác là Soluna tại các thị trường Đông Nam Á như Thái Laan, Indonesia, Malaysia và cả Singapore).Toyota từng cho biết, hãng quyết định chọn cái tên Vios bởi cái tên này được bắt nguồn từ chữ “Vio” trong tiếng Latin, mang ý nghĩa tiến lên phía trước Bản thân Vios cũng là cái tên đơn giản, dễ đọc, dễ nhớ, mang trong mình biểu tượng của một mẫu xe sedan bền bỉ sẽ không ngừng cải tiến, ở thời điểm ấy, đó là những gì hãng xe Nhật gửi gắm cho “tân binh” của mình.
* 2002 – Khởi đầu đầu hứa hẹn
- Trên thực tế, “gà đẻ trứng vàng” của Toyota vốn không được “sinh ra” ở quê nhà Nhật Bản mà chào đời ở một quốc gia Đông Nam Á trong một dự án hợp tác của Toyota Chiếc Vios đầu tiên chính thức xuất xưởng tại nhà máy Toyota Geteway Plant Thái Lan vào năm 2002 Do được sản xuất tại Thái Lan nên đây cũng chính là đất nước được Toyota chọn làm điểm ra mắt Vios đầu tiên trên thế giới Sau đó, Vios được giới thiệu tại 1 quốc gia Đông Nam Á khác là Indonesia trước khi về Việt Nam.
- Ban đầu, định hướng của Toyota là thuần thúy tập trung phát triển Vios thành mẫu xe dành cho thị trường châu Á – Thái Bình Dương, đặc biệt là Đông Nam Á nhưng khá bất ngờ, mẫu xe hạng B nhanh chóng chinh phục người dùng toàn cầu nhờ độ thực dụng, khả năng vận hành bền bỉ, tiết kiệm nhiên liệu và giá trị sử dụng cao.
- Thế hệ đầu tiên mở đầu cho những thành công của Vios cho đến tận ngày nay mang mã hiệu NCP42, chủ yếu dựa trên Toyota Plazt – tên gọi khác của Toyota Yaris tại Thái Lan Tồn tại trong 4 năm (từ 2002 cho đến năm 2007), nhưng tiềm năng của thế hệ đầu tiên đã đủ cơ sở để Toyota kỳ vọng về sự thành công của mẫu xe này trong những năm tiếp theo
-Ở thời kỳ này, vẻ bề ngoài mang hơi hướng của Camry, hãng xe Nhật hy vọng Vios có thể tạo dựng được thành công như Camry hay Altis lúc bấy giờ nhưng mọi thứ còn vượt xa mong đợi của hãng xe Nhật Xe sở hữu cụm đèn pha trước và lưới tản nhiệt trông khá bắt mắt Đuôi xe không được thiết kế bằng phẳng mà tạo thành một đường lượn mềm mại chạy từ cụm đèn hậu xuống thanh cản sau.
- Điểm độc đáo của nội thất xe là bảng đồng hồ thay vì đặt thẳng với vô-lăng thì được chuyển ra chính giữa, ngay phía trên bảng điều khiển trung tâm Xe Vios thế hệ đầu trang bị động cơ cam kép với hệ thống điện tử điều khiển van nạp biến thiên VVT- i 1.5L sản sinh ra công suất 107 mã lực ở mức 6.000 vòng/phút.
- Tháng 8/2003, Toyota Vios có mặt ở thị trường Việt Nam và nhanh chóng chiếm công đầu tiên khi trở thành cái tên quen thuộc với người Việt Thực tế, Toyota nhận ra được “sức mạnh” của Vios với sự thành công ở các thị trường khác trong khu vực.
* Từ thế hệ thứ 2 đến ngôi vị xe bán chạy nhất Đông Nam Á
- Đến mùa hè năm 2007, Vios thế hệ thứ 2 chính thức được Toyota trình làng mùa hè năm nay trong một diện mạo và đẳng cấp hoàn toàn mới Sự kiện này đã được báo chí khu vực Đông Nam Á hết sức quan tâm, cũng từ thế hệ này Vios chính thức bước sang phiên bản toàn cầu model Toyota Vios cũ chủ yếu nhắm đến thị trường Đông Nam Á Vios thế hệ thứ hai được lắp ráp tại Nhà máy Toyota Gateway của Thái Lan và Nhà máy Santa Rosa, Laguna của Philippines.
- Tại Mỹ, Canada, Trung Đông và Úc, Vios được bán trên thị trường với tên gọi Yaris sedan, thay thế cho chiếc Echo sedan Tại Nhật Bản, Vios thế hệ thứ 2 từng có tên gọi khách “Toyota Belta” So với Vios thế hệ cũ, Vios 2007 được xem là một cuộc lột xác: kiểu dáng thiết kế hoàn toàn mới cả ngoại lẫn nội thất, tiện nghi lẫn các trang thiết bị an toàn đều được nâng cấp
- Một trong những điểm mới được người tiêu dùng rất quan tâm ở Vios 2007 là việc đưa thêm phiên bản hộp số tự động bốn cấp (model G) bên cạnh hộp số tay năm cấp
(model E) Động cơ của Vios mới vẫn là VVT-i 1.5L với ưu điểm là khả năng tiết kiệm nhiên liệu và độ bền bỉ nổi tiếng của Toyota.
- Vios 2007 thể hiện rõ ràng sự vượt trội so với các mẫu xe sedan hạng nhỏ đang có mặt trên thị trường (kể cả các model lắp ráp lẫn nhập khẩu) Đối tượng của dòng xe này thường là những người lần đầu mua xe hơi nhưng muốn sở hữu ngay một mẫu xe thời trang của một thương hiệu uy tín và giá trị cao.
- Dẫu không thay đổi lớn, nhưng sau khi nâng cấp, Vios lại tạo ra một “cơn sốt” mới Kết quả là sau đó, Vios liên tiếp dẫn đầu doanh số tại 1 số thị trường, trong đó có Việt Nam trước khi trở thành mẫu xe bán chạy nhất ở Đông Nam Á năm 2009.
- Đến năm 2010, Vios lại có phiên bản nâng cấp nhẹ giữa dòng đời tại Việt Nam.
Về cơ bản, Toyota chỉ biến đổi đôi chút ngoại thất, thêm bản mới 1.5C để tạo thêm lựa chọn cho người tiêu dung, giữ nguyên hệ truyền động Chiếc 1.5C nằm giữa Vios 1.5E và Vios Limo vốn dành cho taxi Mục tiêu của Toyota Việt Nam là hướng 1.5C tới khách hàng mua xe lần đầu Dẫu không thay đổi lớn, nhưng sau khi nâng cấp, Vios lại tạo ra sức hút mãnh liệt hơn Kết quả là sau đó, Vios liên tiếp dẫn đầu doanh số tại 1 số thị trường, trong đó có Việt Nam.
- Thế hệ thứ 3 của Toyota Vios chính thức trình làng toàn cầu tại Thái Lan vào tháng 3/2013 tại Triển lãm Ô tô Bangkok nhưng đến năm 2014 mới chính thức ra mắt thị trường Việt Mẫu xe hạng nhỏ tiếp tục được Toyota dần nhào nặn theo phong cách trẻ trung, sắc nét và tích cực hơn với những ảnh hưởng lớn từ dòng Yaris 2012 Tuy nhiên hốc gió của Vios mới theo kiểu hình thang xuôi và rộng hơn hẳn Yaris nên hầm hố hơn Cụm đèn đuôi hình bình hành, ôm dọc theo thân giống như Camry thế hệ cũ Bên cạnh kiểu dáng mới có thiết kế trẻ trung và năng động hơn, Vios cũng đã được gia tăng kích thước đáng kể về chiều dài và chiều cao mang đến không gian thoải mái cho người dùng Thế hệ mới tại nước ngoài được “cách tân” từ trong ra ngoài khi sử dụng hệ thống động cơ 2NR-FE hoàn toàn mới.
- Nhưng phải đến năm 2014, Vios thế hệ thứ 3 hoàn toàn mới mới chính thức về Việt Nam với các phiên bản Vios 1.5G số tự động và hai phiên bản số sàn Vios 1.5E và Vios Limo Ngoài ra, để tăng thêm lựa chọn cho nhóm khách hàng cá nhân, TMV còn cung cấp thêm phiên bản Vios 1.3J số sàn Tuy nhiên khi ra mắt thế hệ mới, Vios tại Việt Nam vẫn tiếp tục sử dụng thế hệ động cơ cũ dù ở các thị trường khác đều được đồng loạt nâng cấp động cơ Cụ thể, Vios G và Vios E được trang bị động cơ 1.5L DOHC, trong khi đó Vios J sử dụng động cơ VVT-i 1,3 lít, DOHC.
Giới thiệu tổng quan về động cơ 1NZ-FE trên xe ô tô
2.2.1 Thông số kĩ thuật động cơ 1NZ-FE của xe Vios
Bảng 2.1 Trọng lượng và kích thước xe
Trọng lượng toàn tải 1450kg
Trọng lượng không tải 950kg
Dài x rộng x cao toàn bộ
Chiều dài cơ sở 2550mm
Chiều rộng cơ sở 1480mm
Khoảng sáng gầm xe 150mm
Loại động cơ 1ZN-FE
Kiểu 4 xilanh thẳng hàng, 16 van, cam kép DOHC có VVT-I, dẫn động xích Dung tích công tác 1597cm3 Đường kính xilanh D 78mm
Công suất tối đa 77 kw
Hệ thống phun nhiên liệu
Chỉ số Octan của nhiên liệu RON
Cơ cấu phân phối khí 16 xuppap dẫn động bằng xích,có VVT-i
Nạp Mở -3~37⁰BTDC Đóng 13~53⁰ABDC
Xả Mở 53⁰BTDC Đóng 3 ABDC⁰
Thứ tự nổ 1-3-4-2 Đường kính cổ trục cam
25mm Đường kính nấm xupap nạp
27,8mm Đường kính nấm xupap xả
Hình 2.1 Sơ đồ mạch điện điểu khiển động cơ xe Toyota Vios ( động cơ 1NZ-FE)
2.2.2 Đặc điểm kết cấu các cụm chi tiết chính trên động cơ 1NZ-FE
2.2.2.1 Cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền-piston
Hình 2.2 : Trục khuỷu 1-Đầu trục khuỷu, 2-Roto cảm biến trục khuỷu, 3-Lỗ dẫn dầu bôi trơn, 4-Cổ trục, 5- Chốt khuỷu, 6-Đối trọng, 7-Đuôi trục khuỷu
Trục khuỷu của động cơ 1NZ-FE được chế tạo gồm một khối liền, vật liệu chếtạo bằng thép cacbon, các bề mặt gia công đạt độ bóng cao, có 5 cổ trục và 4 cổbiên, má có dạng hình ô van Đường kính và bề rộng của chốt khuỷu và cổ trục khuỷu được giảm để giảm khối lượng
Hình 2.3: Thanh truyền 1-Nắp đầu to thanh truyền, 2-Bu-lông đầu to thanh truyền, 3-Thân thanh truyền, 4- Đầu nhỏ thanh truyền
Tiết diện thanh truyền của động cơ 1NZ-FE có dạng chữ I Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng và được lắp tự do với chốt piston Đầu to thanh truyền được cắt thành 2 phần, phần trên nối liền với phần thân, phần dưới là nắp đầu to thanh truyền và lắp với nhau bằng bulong thanh truyền, mặt phẳng lắp ghép vuông góc với đường tâm thanh truyền Bulong thanh truyền là loại bulong chỉ chịu lực kéo, có mặt gia công đạt độ chính xác cao để định vị
− Piston có buồng đốt hiệu quả cao và tiết kiệm nhiên liệu
2.2.2.2 Nhóm thân máy-nắp máy
Hình 2.5: Nắp máy 1-Đường nạp , 2-Đường thải
- Nắp máy được đúc bằng hợp kim nhôm nhẹ, các trục cam đều dược phân bố trên đầu nắp máy Lắp đặt kim phun trong cửa nạp khí của nắp máy kết quả là sự tiếp xúc của nhiên liệu đập vào thành cửa nạp được tối thiểu hóa và kinh tế hóa nhiên liệu được nâng cao Áo nước được lắp đặt giữa cửa xả và lỗ bugi trên nắp máy để giữ nhiệt độ đồng đều cho thành buồng cháy, điều này làm nâng cao chất lượng làm mát cho buồng cháy và khu vực xung quanh bugi.
- Thân máy được làm bằng hợp kim nhôm mà mục đích của việc này là giảm khối lượng cho động cơ Bơm nước xoáy lốc và đường hút đến bơm được cung cấp đến thân máy Đặt tâm trục khuỷu lệch với đường tâm xilanh Đường tâm xylanh được dịch chuyển 12mm về phía đường nạp Như vậy tác dụng của lực ngang khi áp suất khí thể lớn nhất sẽ giảm Sử dụng ống lót xylanh thành mỏng, khoảng cách giữa 2 xilanh là 8mm nên chiều dài động cơ ngắn hơn.
Hình 2.6: Thân máy 1-Đường tâm trục khuỷu, 2-Đường tâm các xilanh A-Phía đầu động cơ, B-Phía đường thải, C-Phía đường hút
2.2.2.3 Cơ cấu phân phối khí:
Hình 2.7: Sơ đồ bố trí cơ cấu phân phối khí
1-tay căng xích, 2-thiết bị kéo căng, 3-bộ điều khiển phối khí thông minh (vvt-i), 4-xích dẫn động trục cam, 5-trục cam nạp, 6-trục cam thải, 7-bộ phận dẫn hướng xích
- Động cơ 1NZ-FE sử dụng hệ thống phân phối khí thông minh VVT-I, hệ thống này sử dụng áp suất dầu thủy lực để xoay trục cam nạp và làm thay đổi thời điểm phối khí Điều này làm tăng công suất động cơ, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm khí thải độc hại ra môi trường Ở mỗi xilanh có 2 xuppap nạp và 2 xuppap thải, các xupspap được đóng mở trực tiếp bởi 2 trục cam Các trục cam dẫn động bằng xích, bước xích là 8mm diều này giúp cho không gian bố trí được gọn hơn.
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống bôi trơn
- Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu bôi trơn đến bôi trơn các bề mặt masat, làm giảm tổn thất ma sát, làm mát ổ trục, tẩy rửa các bề mặt ma sát và bao kín khe hở giữa piston và xylanh, giữa xéc măng với piston , ngoài ra trong động cơ 1NZFE dầu bôi trơn còn tham gia điều kiển trục cam Loại dầu bôi trơn sử dụng trên động cơ 1NZ-
FE thường là API SM, SL hay ILSAC
- Dầu bôi trơn từ cacte thông qua vỉ lọc, bơm dầu, bầu lọc dầu rồi đến ống dãn dầu chính, sau đó dầu sẽ đi bôi trơn các bộ phận công tác như sơ đồ.
- Hệ thống làm mát được thiết kế để giử các chi tiết trong động cơ ở nhiệt độ ổn định, thích hợp với mọi điều kiện làm việc của động cơ Động cơ 1NZ-FE có hệ thống làm mát kiểu kín, tuần hoàn theo áp suất cưỡng bức, trong đó bơm nước tạo áp lực đẩy nước lưu thông vòng quanh động cơ.
- Hệ thống bao gồm: áo nước xilanh, nắp máy, két nước, bơm nước, van hằng nhiệt , quạt gió và các đường ống dẫn nước Nếu nhiệt độ nước làm mát vượt quá nhiệt độ cho phép thì van hằng nhiệt sẽ mở để nước lưu thông qua két nước để giải nhiệt bằng gió Hệ thống làm mát sử dụng nước làm mát siêu bền chính hiệu Toyota SLLC ( là dung dịch pha sẵn 50% dung dịch chất làm mát và 50% nước sạch)
Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống làm mát 1-Van hằng nhiệt, 2-Bơm,3-Nắp máy, 4-Thân máy, 5-Giàn sưởi, 6-Van tiết lưu, 7-Két nước
- Nguyên lý hoạt động: Nước từ bình chứa nước qua két làm mát, được dẫn vào bơm và đi làm mát động cơ Trong thời gian chạy ấm máy, nhiệt độ động cơ nhỏ hơn nhiệt độ làm việc của van hằng nhiệt (80 :84 ) thì nước bơm từ bơm nước đi vào⁰ ⁰ thân máy, nắp máy đến dàn sưởi rồi về lại bơm, trên dường ống tới dàn sưởi có nhánh rẽ tới van tiết lưu, van này có tác dụng điều tiết lưu lượng nước nóng qua dàn sưởi để sưới ấm trong xe.
- Khi nhiệt độ động cơ lớn hơn nhiệt độ làm viếc của van hằng nhiệt thì van sẽ mở ra cho nước từ động cơ qua két làm mát, tại đây nước sẽ đưuọc làm mát bằng gió rồi về lại bơm Như vậy nước sẽ được tuần hoàn cưỡng bức trong quá trình làm việc của động cơ.
Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống đánh lửa
- Động cơ 1NZ-FE trang bị hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển bằng điện tử Hệ thống đánh lửa trực tiếp không sử dụng bộ chia điện giúp cho thời điểm đánh lửa được chính xác hơn, giảm sự sụt thế điện áp và có độ tin cậy cao Ở mỗi xylanh được trang bị 1 bôbin đơn Khi ngắt dòng chạy qua cuộn sơ cấp thì sẽ tạo ra diên áp cao ở cuộn thứ cấp tác động đến bugi và tạo ra tia lửa điện ECM sẽ luân phiên bật và tắt transitor bên trong cuộn dây đánh lửa làm cho các dòng sơ cấp ngắt đóng luân phiên nhau và cho phép dòng điện tạo ra tia lửa đốt cháy trong các xilanh theo thứ tự nổ của động cơ. ECM sẽ xác định cuộn dây đánh lửa nào sẽ được điều khiển bằng các tín hiệu từ các cảm biến vị trí trục khuỷu và cảm biến góc quay trục khuỷu Ngoài ra nó còn dò tìm vị trí của trục cam để tạo ra sự đánh lửa vào thời điểm thích hợp nhất ứng với tình trạng hoạt động của động cơ.
Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu 1-Tín hiệu từ cảm biến lưu lượng khí nạp; 2-Tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga; 3- Tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam; 4-Tín hiệu từ cảm biến oxy; 5-Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát;6-Tín hiệu từ cảm biến vị trí trục khuỷu; 7-Tín hiệu từ cảm biến túi khí; 8-Bình chứa nhiên liệu; 9-Bơm xăng ; 10-Bầu lọc xăng; 11-Bộ điều áp;
12-Bộ giảm rung; 13-Ống phân phối; 14-Vòi phun nhiên liệu.
- Hệ thống nhiên liệu động cơ 1NZ-FE đóng vai trò rất quan trọng, nó không đơn thuần là hệ thống phun nhiên liệu độc lập, mà nó còn liên kết với các hệ thống đó là hệ thống điều khiển điên tử (ECU), hệ thống đánh lửa điện tử, điều khiển tốc độ động cơ, tạo ra sự tối ưu hóa cho quá trình hoạt động của động cơ, kim phun 12 lỗ được sử dụng để nâng cao tính phun sương của nhiên liệu, điều khiển cắt nhiên liệu khi túi khí hoạt động Đường ống nhiên liệu với các giắc đấu nối nhanh để nâng cao khả năng sửa chữa Bình xăng làm bằng chất liệu dẻo 6 lớp với 4 loại vật liệu có bột lọc than hoạt tính trong bình.
Khảo sát hệ thống đánh lửa trên xe ô tô
- Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến nguồn điện một chiều có hiệu điện thế thấp (12V hoặc 24V) thành các xung hiệu điện thế cao (từ 12.000V đến 50.000V) Các xung hiệu điện thế cao này sẽ được phân bố đến các buji của các xylanh đúng thời điểm để tạo tia lửa điện cao thế đốt cháy hòa khí.
- Tia lửa mạnh: Trong hệ thống đánh lửa, tia lửa được phát ra giữa các điện cực của các bugi để đốt cháy hỗn hợp hòa khí Hòa khí bị nén có điện trở lớn, nên cần phải tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn để đảm bảo phát ra tia lửa mạnh, có thể đốt cháy hỗn hợp hòa khí.
- Thời điểm đánh lửa chính xác: Hệ thống đánh lửa phải luôn luôn có thời điểm đánh lửa chính xác vào cuối kỳ nén của các xy lanh và góc đánh lửa sớm phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ.
- Có đủ độ bền: Hệ thống đánh lửa phải có đủ độ tin cậy để chịu đựng được tác động của rung động và nhiệt của động cơ Hệ thống đánh lửa sử dụng điện cao áp do bô bin tạo ra nhằm phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp hòa khí đã được nén ép. Hỗn hợp hòa khí được nén ép và đốt cháy trong xi lanh Sự bốc cháy này tạo ra động lực của động cơ Nhờ có hiện tượng tự cảm và cảm ứng tương hỗ, cuộn dây tạo ra điện áp cao cần thiết cho đánh lửa Cuộn sơ cấp tạo ra điện thế hàng trăm vôn còn cuộn thứ cấp thì tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn.
Các thành phần của hệ thống đánh lửa
2.4.1.1 Điều kiện làm việc của bugi
- Bugi là bộ phận tạo tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp làm việc trong xy lanh, khi nhận được các xung điện cao thế từ bộ chia điện truyền đến.
Bugi là chi tiết khá đơn giản song điều kiện làm việc lại đặc biệt khắc nghiệt.
Khi làm việc nó chịu tác dụng của ba loại tải trọng là:
- Tải trọng cơ khí: do các xung áp suất của khí cháy sinh ra trong xy lanh (với giá trị có thể tới (5 ÷ 6 [MPa]), do rung xóc của bản thân động cơ gây ra.
- Tải trọng nhiệt: sinh ra do sự thay đổi đột ngột nhiệt độ trong xy lanh: từ (40OC ÷ 60OC) trong kỳ hút, tới (500OC ÷ 700OC) trong kỳ xả và (1800OC ÷ 2500OC) trong kỳ nổ.
- Tải trọng điện: do các xung điện cao thế truyền đến trong thời điểm đánh lửa. Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa
Hình 2.13 Kết cấu bugi IK20
1 Đầu nối; 2 Gân vỏ; 3 Điện cực giữa; 4 Sứ cách điện; 5,9 Chất làm kín dẫn điện;6 Đệm làm kín; 7 Vỏ bugi; 8 Điện trở; 10 Vòng làm kín; 11 Đệm đồng;
12 Lõi điện cực; 13 Phần ren vặn vào thân máy; 14 Điện cực trung tâm;
* Vật liệu các điện cực phải đảm bảo chịu được tác động hoá học của khí cháy và không được han rỉ trong điều kiện nhiệt độ cao, nên:
- Các điện cực giữa: thường được làm bằng crôm, hợp kim crôm - titan 13X25T hay đồng mạ crôm.
- Các điện cực bên: làm bằng hợp kim niken - mangan (95 ÷ 97% Ni và 3 ÷ 5% Mn).
- Sứ cách điện: được chế tạo từ vật liệu gốm có thành phần ôxýt nhôm cao để đảm bảo độ bền điện và cơ ở nhiệt độ cao, như: Uralít (95% Al 2O3), tinh thể Korunt
(98% Al2O3) và Bo-Korunt (95% Al2O3+0,16%B2O3).
* Hiện nay, để tăng độ bền của bugi, người ta sử dụng các hợp kim chống mòn rất tốt gắn lên đầu điện cực trung tâm như: iridium, platin Khi sử dụng các kim loại này, ta có thể giảm đường kính điện cực trung tâm xuống còn 0,4 [mm] Điều này giúp cho sự đánh lửa diễn ra dễ dàng hơn và tia lửa điện được tạo ra cũng mạnh hơn do tăng được khe hở điện cực.
2.4.1.4 Đặc tính nhiệt của bugi
- Để bugi làm việc bình thường thì nhiệt độ phần sứ dưới của bugi cần phải nằm trong khoảng (500OC ÷ 600OC), đó là nhiệt độ tự tẩy muội.
- Nếu nhiệt độ phần sứ dưới của bugi < 450OC thì nhiên liệu và dầu bôi trơn lẫn trong nó sẽ không cháy hết hoàn toàn mà đọng lại ở các điện cực dưới dạng muội than dẫn điện, làm giảm chất lượng cách điện của bugi, tức là xuất hiện điện trở rò làm giảm U2 và chất lượng đánh lửa Nếu muội nhiều thì dòng điện rò lớn sẽ làm mất tia lửa hoặc tia lửa không liên tục, làm giảm công suất động cơ và tăng suất tiêu hao nhiên liệu.
Ngược lại, nếu nhiệt độ phần sứ dưới của bugi lớn hơn (700OC ÷ 800OC) thì nhiên liệu có thể tự bốc cháy do tiếp xúc với bugi trước khi có tia lửa điện.
- Nhiệt độ của bugi phụ thuộc nhiệt lượng sinh ra trong buồng cháy, vào hình dạng và kích thước của nó Cùng làm việc trên một động cơ, những bugi có kết cấu và kích thước khác nhau sẽ có nhiệt độ khác nhau.
- Như vậy có thể nói: các bugi có kết cấu và kích thước khác nhau sẽ có đặc tính nhiệt khác nhau.
- Mỗi bugi có kết cấu và kích thước khác nhau sẽ có đặc tính nhiệt khác nhau.
Mà mỗi động cơ lại có tỷ số nén, công suất và số vòng quay khác nhau, do đó nhiệt lượng sinh ra trong buồng cháy của chúng khác nhau, nên để đảm bảo cho nhiệt độ phần sứ dưới của bugi nằm trong giới hạn cần thiết, cần phải sử dụng các bugi có đặc tính nhiệt thích hợp.
- Đặc tính nhiệt của bugi phụ thuộc chủ yếu vào chiều dài phần sứ dưới, điều kiện làm mát nó và được đánh giá thông qua một đại lượng, gọi là trị số bén lửa.
- Đây là trị số quy ước bằng khoảng thời gian (tính theo giây) làm việc của bugi trên động cơ thử nghiệm đặc biệt ở chế độ xác định, cho đến khi xảy ra hiện tượng tự bén lửa Trị số bén lửa càng cao thì khả năng thoát nhiệt của bugi càng lớn.
- Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa:
Hình 2.14 Phân phối dòng nhiệt và nhiệt độ theo chiều cao bugi
- Các bugi có phần sứ dưới dài, nhận được nhiều nhiệt, đường truyền nhiệt dài nên thoát nhiệt chậm, có trị số bén lửa từ (100 ÷ 260 [đơn vị]) được gọi là bugi nóng, thích hợp cho động cơ có tỷ số nén thấp, công suất và số vòng quay nhỏ.
- Các bugi có phần sứ dưới ngắn, nhận ít nhiệt, đường truyền nhiệt ngắn nên thoát nhiệt nhanh, có trị số bén lửa từ (280 ÷ 500 [đơn vị]) được gọi là bugi nguội, dùng thích hợp cho động cơ có tỷ số nén cao, công suất và số vòng quay lớn.
2.4.2 Hệ thống điều khiển ECU
2 1 Vai trò của ECU điều khiển.
- Thật sự, có thể nghĩ rằng ECU (hay còn gọi là hộp đen) chính là “bộ não” điều khiển chi phối tất cả mọi hoạt động của động cơ thông qua việc tiếp nhận dữ liệu các cảm biến trên động cơ hoặc ô tô, sau đó được truyền về ECU xử lý tín hiệu và đưa ra
“mệnh lệnh” buộc các cơ cấu chấp hành phải thực hiện như việc điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa, góc phối cam, ga tự động, lực phanh ở mỗi bánh
Các thông số cơ bản của HTĐL
2.5.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại.
- Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn đây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi Hiệu điện thế thứ cấp cực đại phải đủ lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt lúc khởi động.
2.5.2 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 (Uđl) Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuân theo định luật Pashen.
Trong đó: Uđl: Hiệu điện thế đánh lửa [V].
P: Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa [N/m2]. δ: Khe hở bugi [m].
T: Nhiệt độ ở điện cực trung tâm bugi tại thời điểm đánh lửa [ 0C ].
K: Hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí.
Hình 2.19: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải của động cơ
1 Toàn tải, 2 Vừa tải, 3 Toàn tải, 4 khởi động và cầm chừng.
- Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa khoảng 20 đến 30% do nhiệt độ cực bougine thấp.
- Khi động cơ tăng tốc, Uđl tăng, do áp suất nén tăng, nhưng sau đó nhiệt độ giảm từ từ do nhiệt độ điện cực bougie tăng và áp suất nén giám do quá trình nạp xấu đi. Hiệu điện thế đánh lửa 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.
- Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại bougie cho đến khi piston lên đến tận điểm chết trên.
Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc rất nhiều yếu tố: θ otp = f ( p bd , t bd , p, t wt , t mt , n, N o ) (1.3)
Trong đó: pbđ: Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa. tbđ: Nhiệt độ buồng cháy. 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 ôctan của xăng.
2 5.4 Hệ số dự trữ Kdt.
- Hệ số dự trữ là tỉ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl Mục đích cần có hệ số dự trữ dể đảm bảo rằng hiệu điện thế đánh lửa luôn luôn đạt trong giới hạn yêu cầu.
- Hệ số dự trữ của những động cơ có hệ thống đánh lửa thường là bé hơn 1,5 Hệ thống đánh lửa của 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), đáp ứng được việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay và tăng khe hở bougie.
2.5.5 Năng lượng dự trữ Wdt.
- Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bobine Để đảm bảo tia lửa có đủ năng lượng đốt cháy hoàn toàn khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng đánh lửa trên cuộn sơ cấp của bobine ở một giá trị xác định.
Trong đó: Wdt: Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp.
LI: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobine.
Ing: Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt.
2.5.6 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.
Trong đó: 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 điên thế thứ cấp càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện tại điện cực bougine càng nhanh, nhờ đó không bị rò rỉ qua muội than trên điện cực bugine, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm.
2.5.7 Tần số và chu kỳ đánh lửa.
- Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa điện xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa, được xác định bởi công thức: f = n Z 120 (Hz) (1.7) Đối với động cơ 2 kỳ: f = n Z 60 (Hz) (1.8)
Trong đó: f: Tần số đánh lửa. n: Số vòng quay của trục khuỷu động cơ (1/s)
- Chu kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa.
T = 1 f = t đ + t m (1.9) 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 với số vòng quay của trục khuỷu động cơ và số xylanh Khi tăng số vòng quay của động cơ và số xylanh, 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 vòng quay cao nhất của dộng cơ tia lửa vẫn mạnh.
2.5.8 Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện.
- Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là phần diện dung và phần điện cảm Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:
WP: Năng lượng của tia lửa.
WC: Năng lượng của thành phần tia lửa có điện dung.
WL: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm.
C2: Điện dung ký sinh tại mạch thứ cấp của bougine (F)
Uđl: Hiệu điện thế đánh lửa.
L2: Độ tự cảm của mạch thứ cấp. i2: Cường độ dòng điện mạch thứ cấp.
- Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ hai thành phần điện cảm va điện dung hoặc chỉ có một thành phần.
- Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của bougine tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng tia lửa đủ lớn và hời gian phóng điện đủ dài để đốt cháy được hòa khí ở mọi chế độ hoạt động của động cơ.
Lý thuyết chung về hệ thống đánh lửa trên ô tô
- Hệ thống đánh lửa sau khi có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thế hiệu thấp (hoặc xoay chiều với xung điện thấp) thành dòng điện với thế hiệu cao có năng lượng đủ lớn thì sẽ sinh ra tia lửa để phóng qua khe hở giữa hai điện cực của bugi đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu Qua nghiên cứu người ta xác định tia lửa này có hai phần rõ rệt:
- Phần điện dung: Tia lửa có màu xanh, xảy ra ở thời điểm đầu khi đánh lửa, nhiệt độ khoảng 10000C, cường độ dòng điện rất lớn (từ 500÷1200 A) thời gian xuất hiện ngắn < 10-6 s, tần số cao 106 ÷ 107 hz, có tiếng nổ lách tách và gây ra nhiễu xạ vô tuyến Tia lửa này xuất hiện làm điện thế U2 trên cuộn thứ cấp giảm nhanh còn khoảng 1500 ÷ 2000v Tia lửa này có tác dụng đốt cháy nhiên liệu trong buồng cháy động cơ.
* Năng lượng của phần điện dung:
Trong đó: C - Điện dung thứ cấp của biến áp đánh lửa.
Uđl - Điện thế đủ lớn để tạo tia lửa phóng qua giữa hai điện cực bugi.
- Phần điện cảm: Là phần "đuôi lửa" do mạch điện có thành phần điện cảm của cuộn dây sinh ra Tia lửa điện cảm có màu vàng hoặc tím nhạt, cường độ dòng điện nhỏ khoảng 80÷100 mA nguyên nhân do sự tụt áp của U2 ở giai đoạn trước đó.
- Tia lửa điện cảm có tác dụng làm động cơ khởi động tốt hơn khi động cơ còn nguội Do nhiên liệu lúc này khó bay hơi, tia lửa này có tác dụng làm nhiên liệu bay hơi hết và đốt cháy kiệt nhiên liệu.
Trong đó: L: Điện cảm của mạch điện.
Ing: Cường độ dòng điện sơ cấp khi bị ngắt.
- Để tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của Bugi, quá trình đánh lửa được chia làm ba giai đoạn: Quá trình tăng trưởng của dòng sơ cấp hay còn gọi là quá trình tích luỹ năng lượng, quá trình ngắt dòng sơ cấp và quá trình xuất hiện tia lửa điện ở cực Bugi.
2.6.1 Giai doạn tăng dòng sơ cấp khi KK’ đóng.
Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa
Trong sơ đồ trên gồm có:
R1: Điện trở cuộn sơ cấp.
L1, L2: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
T: Transistor công suất được điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến hoặc vít lửa.
Ta có thể chuyển sơ đồ mạch điện sơ cấp thành sơ đồ tương đương như sau.
Hình 2.21: Sơ đồ tương đương mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa
- Khi transistor dẫn, sẽ có dòng sơ cấp i1 chạy theo mạch:
(+)Accu→ 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 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 Vì vậy ở giai đoạn này ta có sơ đồ tương đương được trình bày trên hình 2.13 Trên sơ đồ, giá trị điện trở trong của accu được bỏ qua, trong đó:
Ua : Hiệu điện thế của accu
∆UT: Độ sụt áp trên transistor công suất ở trạng thái dẫn bão hòa hoặc độ sụt áp trên vít lửa
Hình 2.22 Quá trình tăng dòng sơ cấp i1
- Đường (1) ứng với xe đời cũ có bobine độ tự cảm lớn, tốc độ tăng dòng sơ cấp chậm hơn so với bobine xe đời mới có độ tự cảm nhỏ đường (2) Chính vì điều này làm cho lửa yếu lúc xe có tốc độ cao Trên xe đời mới đã được khắc phục nhờ sử dụng bobine có độ tự cảm nhỏ.
- Đồ thị cho thấy độ tự cảm L1 của cuộn sơ cấp càng lớn thì tốc độ tăng trưởng dòng sơ cấp i1 càng giảm.
2.6.2 Quá trình ngắt dòng sơ cấp.
- Khi trasisitor công suất ngắt, dòng điện sơ cấp và từ thông do nó sinh ra giảm đột ngột Trên cuộn thứ cấp của bobine sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng 15kV ÷ 40kV 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 hình
Rm: Điện trở mất mát.
Rr: Điện trở rò qua điện cực bougie
Hình 2.23: Sơ đồ tương đương của hệ thống đánh lửa
- Bỏ qua hiệu điện thế accu vì hiệu điện thế accu rất nhỏ so với sức điện động tự cảm xuất hiện trên dòng sơ cấp lúc transistor công suất ngắt, năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn sơ cấp của bobine được chuyển thành năng lượng điện trường trên tụ điện C1 và C2 và một phần mất mát
Hình 2.24: Qui luật biến đổi dòng điện sơ cấp i1 và hiệu điện thế thứ cấp U
- Transistor công suất ngắt, cuộn sơ cấp sẽ sinh ra một sức điện động khoảng 100 ÷ 300 V.
2 6 3 Quá trình phóng điện ở điện cực bugi.
- Khi thế hiệu U2 vừa đạt đến giá trị Uđl, đủ để xuyên qua khe hở giữa các điện cực của bugi, thì ở đó sẽ xuất hiện tia lửa điện cao thế (hình 2.17) Khi xuất hiện tia lửa điện thì U2 giảm đột ngột trước khi kịp đạt giá trị cực đại.
Hình 2.25: Sự thay đổi thế hiệu U 2 khi phóng tia lửa điện a Thời gian tia lửa điện dung, b Thời gian tia lửa điện cảm.
- Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu đã xác định được rằng: Tia lửa điện có hai phần rõ rệt: phần điện dung và phần điện cảm.
- Phần điện dung xuất hiện trước, vào thời điểm đầu của quá trình phóng điện Đó là sự phóng tĩnh điện do năng lượng của điện trường tích luỹ trong điện dung C1 và
C2 của hệ thống đánh lửa, tia lửa điện dung có màu xanh lam và rất chói do nhiệt độ của nó cao tới 10000 O C Thế hiệu cao và dòng điện phóng rất lớn nên công suất tức thời của nó cũng khá lớn (có thể đạt đến hàng chục kW) Tuy nhiên, thời gian tồn tại tia lửa này rất ngắn (
