Báo cáo cuối kỳ môn hệ thống Điện – Điện tử Ô tô Động cơ xăng 1 8l (không tăng Áp) trên toy Đề tài mô hình hệ thống Đánh lửa

Đồng thời, việc ứng dụng Arduino trong hệ thống này sẽ giúp dễ dàng lập trình, điều chỉnh và nâng cấp, mang lại sự linh hoạt cao trong thiết kế và kiểm soát quá trình đánh lửa, góp phần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO CUỐI KỲ

MÔN: HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Ô TÔ

ĐỘNG CƠ XĂNG 1.8L (KHÔNG TĂNG ÁP) TRÊN TOY

ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Nội dung cần thực hiện 1

1.3 Mục đích làm đề tài 2

1.4 Kết quả 2

1.5 Quá trình thực hiện mô hình 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG VÀ UNO

2.1.Khái niệm về hệ thống đánh lửa 2.2.Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa 2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa 2.4 Góc đánh lửa sớm 2.5.Sơ đồ cấu tạo hệ thống đánh lửa 2.6.Giới thiệu về Arduino CHƯƠNG 3: BẢN VẼ, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG PHẦN MỀM, CODE ARDUINO

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ, THẢO LUẬN

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp thế giới Nếu nói piston là trái tim của động cơ thì hệ thống đánh lửa chính là tĩnh mạch quan trọng quyết định sự hoạt động trơn tru cũng như số chu kỳ của động cơ.

Trong động cơ đốt trong thời gian đánh lửa nắm vai trò cực kỳ quan trong quyết định đến yếu tố hiệu suất sinh công cũng như độ hoạt động trơn tru của động cơ Qua quá trình phát triển của xã hội đã phát minh ra nhiều loại hệ thống đánh lửa

từ cơ khí tới điện tử Ngày nay hệ thống đánh lửa được ưu tiên sử dụng bởi nhiều tiện ích mà nó mang lại từ kích thước kết cấu nhỏ tới mức độ chính xác cũng như điều khiển phì hợp với vận tốc mà nó mang lại.

Chọn đề tài “Hệ thống đánh lửa bằng Arduino” là nhằm nghiên cứu và phát triển một hệ thống sử dụng vi điều khiển Arduino để điều khiển quá trình đánh lửa trong các ứng dụng động cơ, máy móc hoặc thiết bị tự động Đề tài này hướng đến việc cải tiến và tối ưu hóa hệ thống đánh lửa, giúp tăng hiệu suất hoạt động, giảm thiểu sự cố và tiết kiệm năng lượng Đồng thời, việc ứng dụng Arduino trong hệ thống này sẽ giúp dễ dàng lập trình, điều chỉnh và nâng cấp, mang lại sự linh hoạt cao trong thiết kế và kiểm soát quá trình đánh lửa, góp phần nâng cao chất lượng và độ bền của thiết bị.

1.2 Nội dung cần thực hiện

Nội dung cần thực hiện của đề tài:

- Tìm hiểu nguyên lí cấu tạo hệ thống đánh lửa;

- Vẽ sơ đồ mạch điện lý thuyết;

- Lắp mạch thực tế trên hệ thống đánh lửa trên xe ô tô;

- Dùng Arduino điều khiển hệ thống đánh lửa, đánh lửa đúng thời điểm.

1.3 Mục đích làm đề tài

- Hiểu rõ lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống đánh lửa;

- Hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa;

- Tìm hiểu về sơ đồ mạch thực tế trên ô tô;

- Dùng Arduino điều khiển hệ thống đánh lửa;

- Đánh lửa đúng thời điểm.

1.4 Kết quả

- Hiểu nguyên lý hệ thống đánh lửa;

- Hiểu sơ đồ lý thuyết hệ thống đánh lửa;

- Biết sử dụng Arduino làm hệ thống đánh lửa đơn giản.

1.5 Quá trình thực hiện mô hình

CHƯƠNG II: NỘI DUNG

2.1 Khái niệm về hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa là hệ thống quan trọng trong động cơ nhằm giúp tạo động lực để sinh sức kéo giúp động cơ hoạt động Việc đánh lửa đúng thời điểm làm tănghiệu suất động cơ giúp động cơ hoạt động trơn tru giảm việc hao mòn trong quá trình hoạt động Để tạo ra dòng diện đủ để đốt cháy nhiên liệu hệ thống đánh lửa đã suất ra một chiều điện áp thấp (12V-24V) thông qua hiện tượng tự cảm (cảm biến điện từ) biến dòng thành các xung hiệu điện thế cao (12kV-24kV) chuyền qua bugi phóng vào trong buồng đốt làm cháy nhiên liệu nhanh chóng và sạch ngay đúng thời điểm thích hợp

Các yêu cầu cơ bản:

Cường độ dòng điện: đủ mạnh để có thể đốt sạch vì hỗn hợp khí nhiên liệu được nén trong xylanh có điện trở rất lớn

Đánh chính xác thời điểm: nếu đánh sai thời điểm sẽ khiến đốt không sạch làm giảm hiệu suất động cơ, khiến động cơ không thể hoạt động trơn tru gây tiếng

ồn do mài mòn trong quá trình hoạt động

Độ bền: do hoạt động trong động cơ đốt trong hệ thống đánh lửa phải có độ bền và độ tin cậy chịu được nhiệt độ và tải được dòng điện theo đúng yêu cầu trên tường chi tiết

2.2 Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa

2.2.1 Bô bin (biến áp đánh lửa):

Bô bin là thiết bị tạo ra điện áp cao để hình thành tia lửa Điện áp này được tạo ra nhờhiện tượng cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Khi dòngđiện chạy qua cuộn sơ cấp, sự ngắt dòng đột ngột do má vít mở ra sẽ làm dòng điệntrong cuộn sơ cấp giảm nhanh chóng Sự suy giảm này làm từ trường sinh ra bởi cuộn

sơ cấp giảm mạnh, tạo điều kiện cho quá trình cảm ứng điện áp cao

Trong bô bin người ta quấn cuộn dây sơ cấp vài trăm vòng, và cuộn thứ cấp vài chụcngàn vòng (~100 lần)

Cực cao áp Cực âm Cực dương

Cuộn sơ cấp: có 2 đầu dây là cực âm và dương bô bin (điện trở 0.5-2 Ω)

Cuộn thứ cấp: 1 đầu nối với cực dương/âm bô bin, đầu còn lại là cực cao áp của bô bin(điện trở 5-20 kΩ)

2.2.2 Bộ chia điện

Bộ chia điện là một thành phần quan trọng trong hệ thống đánh lửa, với nhiệm vụchính là tạo xung điện trong mạch sơ cấp và phân phối điện cao áp đến các xy lanh Nóđảm bảo điện áp cao được truyền đúng thứ tự nổ của động cơ và tại thời điểm chínhxác, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả

Bộ phận chia điện được cấu tạo từ 3 bộ phận chính là:

1 Bộ phận tạo xung điện: Đây là phần chịu trách nhiệm tạo ra xung điện ban đầutrong cuộn dây đánh lửa Xung điện này được truyền tới các thành phần kháccủa hệ thống đánh lửa để kích hoạt tia lửa trong buồng đốt

2 Bộ phận chia điện cao thế: Sau khi xung điện được tạo ra, nó được chuyển tới

bộ chia điện cao thế Nhiệm vụ của bộ phận này là phân phối điện áp cao đếncác xy lanh, đảm bảo đủ năng lượng để kích tia lửa trong buồng đốt

3 Cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa: Phần này đảm bảo tia lửa được tạo ra đúngthời điểm và đúng góc, phù hợp với tốc độ và tải của động cơ Nhờ đó, hiệusuất đốt cháy được tối ưu, đáp ứng các điều kiện làm việc khác nhau của độngcơ

2.3 Dây cao áp

2.2.3 Dây cao áp

Dây cao áp là một bộ phận đặc biệt quan trọng trong hệ thống đánh lửa ô tô, có nhiệm

vụ dẫn điện áp cao từ 30.000 đến 50.000V từ bô bin đến bugi, tạo ra tia lửa để khởiđộng và vận hành động cơ

Để đảm bảo khả năng truyền dẫn điện áp cao, lõi dây được làm từ sợi thủy tinh thấmcacbon, giúp cách điện hiệu quả, chịu nhiệt độ cao và giảm nhiễu Đồng thời, dây cao

áp được thiết kế bền bỉ, chịu được điều kiện rung lắc và môi trường khắc nghiệt

2.2.4 Bugi đánh lửa

Bugi ô tô được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, trong đó phổ biến nhất làkhả năng tản nhiệt và vật liệu làm điện cực

a Phân loại theo khả năng tản nhiệt

Dựa trên khả năng tản nhiệt, bugi được chia thành hai loại chính: bugi lạnh và buginóng

b Phân loại theo vật liệu làm điện cực

Dựa trên vật liệu điện cực, bugi được chia thành hai loại:

+Ưu điểm lớn là ít tích tụ carbon, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.

Bugi bạch kim Bugi đồng

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa

Giai đoạn 1: Tạo dòng điện áp cao

1 Khi động cơ quay, công tắc đánh lửa được bật, dòng điện từ ắc quy chảy qua cuộn dây sơ cấp của cuộn dây đánh lửa

2 Cuộn dây đánh lửa hoạt động như một máy biến áp Khi dòng điện qua cuộn

sơ cấp bị ngắt đột ngột, từ trường trong cuộn dây sụp đổ, sinh ra dòng điện

áp cao trong cuộn dây thứ cấp

3 Điện áp cao này (có thể lên đến 20.000 – 50.000 volt) được truyền đến bugi.Giai đoạn 2: Phân phối điện áp cao

1 Trong hệ thống đánh lửa truyền thống, bộ chia điện phân phối dòng điện áp cao từ cuộn dây đánh lửa đến bugi của từng xy-lanh theo thứ tự đánh lửa

2 Trong hệ thống đánh lửa hiện đại (đánh lửa điện tử hoặc đánh lửa trực tiếp), tín hiệu điện từ cảm biến vị trí trục khuỷu sẽ được gửi đến ECU (bộ điều khiển trung tâm), giúp điều chỉnh chính xác thời điểm đánh lửa và phân phối điện áp cao trực tiếp đến từng bugi

Giai đoạn 3: Tạo tia lửa điện

1 Điện áp cao truyền đến bugi làm ion hóa không khí giữa hai điện cực của bugi, tạo điều kiện cho tia lửa điện phóng qua

2 Tia lửa điện này đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng đốt, sinh ra năng lượng đẩy piston và vận hành động cơ

2.4 Góc đánh lửa sớm

2.4.1 Khái niệm về góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ căn cứ vào thời điểm xuất hiện tia lửa điện trong bugi cho đến khi piston chạm tới điểm chết trên Góc

đánh lửa sớm ảnh hưởng lớn đến công suất động cơ và quá trình cháy của động cơ.

 2.4.2 Tại sao phải đánh lửa sớm

Cơ chế hoạt động của buồng đốt xi lanh là sẽ nén hỗn hợp nhiên liệu Bao gồm không khí và xăng hoặc dầu tới một áp suất nhất định Nghĩa là hết quãng đường

di chuyển của piston trong ống xi lanh.

Khi piston chạm điểm chết trên, bugi sẽ đánh lửa, quá trình đốt cháy nhiên liệu bắt đầu được diễn ra.

Bugi sẽ tạo nên một tia lửa điện phóng trực tiếp vào hỗn hợp nhiên liệu Tia lửa điện này phải mất một khoảng thời gian để di chuyển từ điểm chết trên tới điểm chết dưới của piston trong buồng cháy Điều này giúp đảm bảo nhiên liệu được đốt cháy một cách đồng thời và hoàn toàn.

Do vậy nên đánh lửa sớm trước khi piston chạm điểm chết trên sẽ mang đến rất nhiều lợi ích Khi piston chạm điểm chết trên thì ngay lập tức nó sẽ nhận được toàn bộ lực đẩy từ quá trình đốt cháy Lực sinh ra trong quá trình đốt cháy sẽ được dồn toàn bộ vào đây để mang lại hiệu quả vận hành tối ưu.

Nhiên liệu được đốt cháy toàn bộ thì thể tích khí thải nguy hại cho động cơ phát sinh trong quá trình này cũng sẽ được hạn chế.

Động cơ hoạt động hết công suất thì quá trình đốt cháy sẽ không phải nạp thêm nhiên liệu Do vậy đánh lửa sớm giúp cho nhiên liệu trong động cơ được tiết kiệm một cách hiệu quả.

2.4.3 Các cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa

Bộ phận này gồm ba cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa:

 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm;

 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa chân không;

 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa theo trị số octan

2.4.3.1 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm ly tâm

Sử dụng quả văng và lò xo được lắp và điều chỉnh bằng động cơ Khi động cơ hạotđộng đủ nhanh sẽ khiến lực ly tâm của quả văng thắng lực hồi của lò so giúp điềuchỉnh góc đánh lửa sớm

2.4.3.2 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa chân không

Sử dụng áp suất chân không và áp suất bướm ga, cơ cấu sẽ phụ thuộc theo mức tảitrong mà điều chỉnh áp suất chân không còn áp suất bướm ga sẽ được do người điềukhiển quyết định Sự điều chỉnh lên cây lăn làm thay đổi góc đánh lửa sớm

2.4.3.3 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa theo trị số octan của nhiên liệu

Bộ điều chỉnh này có mặt trên một số động cơ ô tô có thể dùng nhiều loại xăngkhác nhau với trị số octan và tốc độ cháy của chúng khác nhau, do vậy góc đánh lửasớm phải thay đổi theo trị số octan

2.4.4 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Cần đánh lửa chính xác theo đúng yêu cầu trên từng điều kiện hoạt động đểđảm bảo hiệu suất hoạt động và độ bền của động cơ

2.4.4.1. Đánh lửa quá sớm

Đánh lửa sớm là cho cháy khi áp suất trong buồng chưa đủ, khi tạo lực lớn nhấtpiston ở trước điểm yêu cầu Điều này không những làm nhiên liệu không được cháyhoàn toàn gây mất hiệu suất mà còn khiến hư mòn động cơ tạo tiếng ồn trong quá trìnhhoạt động

2.4.4.2 Đánh lửa quá muộn

Đánh lửa muộn là đánh lửa sau lúc piston đã chạm điểm chết trên làm chonhiên liệu được nạp không cháy hết dẫn tới áp suất không đạt yêu cầu Gây thiệt hại vềhiệu suất động cơ

2.5.Sơ đồ cấu tạo hệ thống đánh lửa

1 Bô bin (gồm cuộn sơ cấp và thứ cấp )

2 Cảm biến từ hay còn gọi là bộ chia điện (số răng bằng số xylanh động cơ làmviệc)

3 Igniter (gồm Transistor và một số cảm biến )

4 Battery

Nguyên lí hoạt động hệ thống đánh lửa

Đầu tiên thì nguồn điện cung cấp đến cuộn sơ cấp thông qua Bobin Nguồnđiện lúc nguồn điện ở cuộn sơ cấp thấp sẽ tăng dần lên đến khoảng 12V, dòng điện này

sẽ giữ ở Transistor nằm ở Igniter Đồng thời lúc này thì cảm biến từ nó sẽ hoạt động sốrăng của cảm biến bằng với số xylanh của động cơ Khi mà răng đi qua cảm biến, cảmbiến nhận dữ liệu thì sẽ ngắt nguồn điện đột ngột từ trường điện do cuộn sơ cấp sinh ra

mất đột ngột Ứng dụng cảm ứng điện từ, cuộn thứ cấp tạo một dòng điện để chống lại

sự thay đổi Vì số vòng của cuộn thứ cấp lớn gấp rất nhiều lần số vòng dây cuộn sơ cấp

nên nên tạo ra dòng điện áp rất lớn (có thể đến 100.000 V) Dòng điện lớn này sẽ được

bộ chia điện chia đến các xylanh ở cuối kì nén đầu kì nổ ở động cơ xăng theo thứ tựcông tác mà nhà sản xuất đã chế tạo

Sơ đồ nguyên lí hoạt động :

2.6.Giới thiệu về Arduino

Arduino là một bo mạch điều khiển được tổng hợp thiết kế trên nền tảng từcác vi xử lý ARV Atmel 8bit, ATmega328-8bit, RM Atmel 32-bit,… được phátminh bởi nhóm giáo sư và sinh viên ở Ý năm 2005, sau đó dược phát triển bởiArduino.cc

Arduino ra đời nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến thiết kế mạch giảmcông sức trong các dự án nhỏ cũng như giúp đồng nhất bản mạch thiết kế giúp tạo sự

Hiện nay không chỉ Việt Nam mà hầu hết các nước trên thế giới đã ứng dụngArduino vào giảng dạy cũng như tổ chức nhiều cuộc thi liên quan đến điện tử dựađược thiết kế trên arduino vì nhiều tiện ích mà nó mang lại.

Arduino IDE là phần mềm được phát triển bởi Arduino.cc, với giao diện đơngiản, dễ sử dụng và có hơn 700 thư viện được viết và chia sẽ giúp việc sử dụngArduino một cách dễ dàng Phần mềm được trang bị một mã nguồn mở, dùng để viết

và dịch các lệnh giúp có thể sử dụng một cách dễ dàng mà khôngcần có kiến thức quá chuyên sâu về lập trình Lệch sau khi đượcnhập sẽ được kiểm tra và truyền qua Arduino bằng cổng USB Nếucác code của bạn bị lỗi lệnh sẽ được giữ lại và hiển thị lỗi trên mànhình tránh việc hư hỏng Arduino trong quá hình hoạt động

Arduino nhóm sử dụng thực hiện: Arduino Uno R3

Các thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3

Điện áp đầu vào 7-12V( Khuyên dùng )

3.2 Code Arduino

int x,y; // Khai báo biến đếm

int A=2; // Khai báo giá trị cảm

int bobin; // Khai báo biến nhận từ cảm biến trên Bobin int B[]={3,4,5,6};

int Bobin = A0;// Chân đọc tín hiệu từ Bopin

Bắt đầu

Kết thúc

pinMode(A, INPUT); // Chân cảm biến là INPUT

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ, THẢO LUẬN

4.1 Kết quả mô hình hệ thống đánh lửa

4.2 Đánh giá mô hình hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa sử dụng Arduino để điều khiển hoạt động của 4 bugi thông qua bobin đánh lửa là một giải pháp sáng tạo, tích hợp công nghệ điều khiển hiện đại vào động cơ truyền thống Dưới đây là đánh giá về mô hình này:

Ưu điểm:

Độ chính xác cao: Arduino có khả năng điều khiển thời điểm đánh lửa với độ chính xác cao, giúp tối ưu hóa hiệu suất đốt cháy nhiên liệu.

Dễ dàng tùy chỉnh: Hệ thống lập trình mở của Arduino cho phép người dùng dễ dàng thay đổi các tham số như góc đánh lửa hoặc thứ tự đánh lửa phù hợp với các loại động cơ khác nhau

Tính tự động hóa: Hệ thống có thể tích hợp cảm biến (như cảm biến tốc độ động cơ hoặc vị trí trục khuỷu) để tự động điều chỉnh thời gian đánh lửa theo điều kiện vận hành thực tế

Chi phí thấp: Arduino và các linh kiện liên quan thường có giá thành hợp lý, giúp giảm chi phí phát triển so với các hệ thống đánh lửa chuyên dụng

Nhược điểm:

Độ bền và độ ổn định: Arduino và các linh kiện điện tử tiêu dùng có thể không đạt được độ bền cao trong điều kiện môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm, rung động) như trong khoang động cơ

Khả năng chịu tải của mạch: Điều khiển bobin đánh lửa đòi hỏi dòng điện cao, nên cần mạch điều khiển trung gian (như MOSFET hoặc relay), làm tăng độ phức tạp vàyêu cầu về thiết kế

Tính phức tạp trong tích hợp: Việc đồng bộ hóa tín hiệu đánh lửa với hoạt động của động cơ yêu cầu hiểu biết sâu về cả lập trình và cơ khí, điều này có thể gây khó khăn cho những người không chuyên

Dựa vào kết quả thực nghiệm trên, nhóm nghiên cứu thấy rằng thời điểm đánh lửa trên Arduino gần giống với thời điểm đánh lửa trên ECM