Hệ thống đánh lửađiện tử không chỉ giúp chuyển đổi dòng điện áp thấpcủa ô tô thành xung điện cao thế mà còn đảm bảocung cấp tia lửa đúng thời điểm để đốt cháy hỗn hợpnhiên liệu – không k
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Hệ thống đánh lửa điện tử trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ đốt trong, giúp chuyển đổi dòng điện áp thấp thành xung điện cao thế và cung cấp tia lửa đúng thời điểm để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất động cơ mà còn tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm Sự phối hợp giữa hệ thống đánh lửa và các hệ thống liên quan như nhiên liệu, khí thải, và làm mát được kiểm soát bởi ECU, đảm bảo xe hoạt động ổn định và hiệu quả Đề tài này cung cấp kiến thức nền tảng cho nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực điện – điện tử ô tô, giúp nắm vững cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa, hỗ trợ thực tập và sửa chữa xe ô tô Ngoài ra, nó mở ra nhiều hướng nghiên cứu phát triển cho các khóa học tiếp theo, góp phần cải tiến hiệu quả và độ ổn định của hệ thống điều khiển động cơ, đồng thời thúc đẩy xu hướng giảm thiểu tác động đến môi trường.
Phương pháp nghiên cứu
1.2.1 Phương pháp phân tích tài liệu
Tìm hiểu các sách và tài liệu liên quan đến hệ thống đánh lửa giúp bạn nắm rõ nguyên lý hoạt động, vị trí và cấu tạo của hệ thống này.
Kế thừa các số liệu, tài liệu của các nghiên hơn, thuyết phục hơn.
Tiến hành thí nghiệm thực tế để đánh giá hoạt động của hệ thống đánh lửa, xác định các thông số và thời điểm đánh lửa phù hợp với động cơ, đồng thời xem xét các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến thời điểm này.
Quan sát mô hình thực nghiệm và đưa ra nhận định.
1.2.3 Phương pháp đánh giá số liệu
Sử dụng các thông số thực nghiệm từ mô phỏng để đánh giá và so sánh dữ liệu, nhằm xác định các vấn đề nghiên cứu như độ ổn định, độ hao mòn, mức tiêu thụ nhiên liệu và khả năng tiết kiệm của hệ thống.
Lấy các số liệu kế thừa và của nhà sản xuất so với các số liệu thực nghiệm, đưa ra các khoảng sai số.
Qua đó ta có thể thấy được các ưu nhược điểm của hệ thống và đưa ra hướng cải thiện.
Tổng quan nghiên cứu
Dùng code kết hợp với Arduino cảm biến các thời điểm đánh lửa Cảm biến, thay đổi hiệu chỉnh,góc đánh lửa sớm dựa trên tải và tốc độ.
Mục tiêu nghiên cứu
Hiểu rõ nguyên lý hoạt động, biết thêm về lịch sử phát triển của các hệ thống đánh lửa từ truyền thống đến hiện đại.
Hệ thống đánh lửa hiện nay đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của động cơ Phân tích các vấn đề trong hệ thống này cho thấy một số ưu điểm như khả năng khởi động nhanh và tiết kiệm nhiên liệu, nhưng cũng tồn tại nhược điểm như độ bền thấp và chi phí bảo trì cao Để cải thiện và phát triển hệ thống đánh lửa, cần chú trọng vào việc nâng cao chất lượng linh kiện, tối ưu hóa quy trình lắp đặt và bảo trì, đồng thời áp dụng công nghệ mới nhằm tăng cường hiệu quả và độ tin cậy.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm về hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa là một bộ phận quan trọng có thể nói là không thể thiếu của động cơ đốt trong.
Nó đóng vai trò quan trọng trong việc khởi động động cơ, với nhiệm vụ chính là tạo ra tia lửa để đốt cháy hỗn hợp hòa khí trong xy-lanh, từ đó sản sinh năng lượng cho hoạt động của động cơ.
Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa ( những cơ bản của một hệ thống đánh lửa)
Hệ thống đánh lửa cấu tạo gồm 4 bộ phận chính: nguồn điện, Bugi, Bobin, bộ chia điện.
+ Nguồn điện: được cung cấp bởi ắc quy, sự ổn định để tạo tia điện.
Bugi là bộ phận quan trọng trong động cơ, đóng vai trò tạo ra tia lửa điện chính để đốt cháy hỗn hợp hòa khí trong buồng đốt Thường được chế tạo từ sứ với tính dẫn nhiệt kém, giúp bugi hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ cao.
+ Bobin (cuộn cảm): Bobin là bộ phận có công dụng chuyển đổi điện áp thấp thành điện.
Bộ chia điện là thiết bị quan trọng trong hệ thống đánh lửa, có nhiệm vụ phân phối điện áp đến các bugi theo một trình tự nhất định Điều này giúp đảm bảo thời điểm đánh lửa trong các buồng đốt được chính xác và ổn định, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
2.2.1 Hệ thống đánh lửa tiếp điểm (má vít)
Hệ thống đánh lửa tiếp điểm má vít là hệ thống đánh lửa đầu tiên được phát triển và sử dụng trên ô tô, hoạt động dựa trên nguyên lý cơ khí Trước khi hệ thống đánh lửa hiện đại ra đời, nó đã được áp dụng rộng rãi Hệ thống này điều khiển thời điểm đánh lửa thông qua các thời điểm của má vít, cho thấy sự kết hợp giữa cơ học và hiệu suất trong công nghệ ô tô.
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống đánh lửa má vít [1]
Hệ thống đánh lửa có cấu tạo tương tự như các hệ thống khác nhưng được trang bị thêm má vít, đóng vai trò là tiếp điểm cơ khí để điều khiển dòng điện Khi má vít đóng, dòng điện sẽ đi qua cuộn dây sơ cấp, còn khi má vít mở, dòng điện ngừng đột ngột, tạo ra điện áp cao ở cuộn dây thứ cấp Điện áp này được truyền đến bugi để tạo ra tia lửa.
Hệ thống hoạt động dựa trên quá trình đóng mở của má vít để tạo ra điện áp cao, kích hoạt bugi và đốt cháy hòa khí Khi trục cam quay, má vít mở ra đột ngột, ngắt dòng điện qua cuộn dây sơ cấp, làm từ trường biến mất nhanh chóng Sự ngắt đột ngột này tạo ra điện áp cao trong cuộn dây thứ cấp của cuộn dây đánh lửa Điện áp cao từ cuộn dây thứ cấp được truyền qua bộ chia điện đến bugi theo thứ tự đánh lửa của động cơ Bugi nhận điện áp cao, tạo ra tia lửa điện, đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu - không khí trong buồng đốt, từ đó tạo lực đẩy piston và sinh công.
2.2.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn (thế hệ 2) Đánh lửa bằng transistor: Transistor thay thế má vít trong việc đóng ngắt dòng sơ cấp, điều này giúp tăng dòng sơ cấp Nhưng ở thế hệ thứ 2, cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa sớm vẫn sử dụng loại cơ khí.
Hình 2 Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn [2]
Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên việc khi răng trên rotor tiến gần cuộn dây, sẽ xảy ra sự thay đổi từ thông Sự thay đổi này kích thích điện vào chân B của transistor, từ đó khuếch đại dòng điện tại chân C Dòng điện từ chân C tiếp tục đi vào cuộn đánh lửa, nơi dòng điện được khuếch đại một lần nữa trước khi được dẫn đến bộ chia điện và cuối cùng đến bugi tương ứng.
2.2.3 Hệ thống đánh lửa lập trình có bộ chia điện (thế hệ 3)
Hệ thống đánh lửa thế hệ thứ 3 là một loại hệ thống đánh lửa lập trình, sử dụng bộ chia điện để điều khiển thời gian đóng ngắt dòng điện Trong hệ thống này, ECU và các cảm biến sẽ quyết định thời gian hoạt động, mặc dù góc đánh lửa sớm đã được thay thế bằng cơ cấu điện tử, bộ chia điện cơ khí vẫn được giữ lại để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Hình 3 Hệ thống đánh lửa bán dẫn [3]
Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa bắt đầu từ tín hiệu do ECU (Bộ điều khiển điện tử) phát ra, quyết định thời điểm đánh lửa Tín hiệu này kích hoạt dòng điện vào cuộn dây đánh lửa, nơi dòng điện được khuếch đại Cuối cùng, dòng điện này được phân phối qua bộ chia điện đến các bugi tương ứng, đảm bảo quá trình đánh lửa diễn ra hiệu quả.
2.2.4 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (thế hệ 4)
Hệ thống đánh lửa thế hệ thứ 4, hay còn gọi là đánh lửa trực tiếp, loại bỏ bộ chia điện và cuộn đánh lửa tích hợp trên từng bugi Cấu trúc này giúp cải thiện độ chính xác về thời điểm và góc đánh lửa, mang lại hiệu suất tốt hơn cho động cơ.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống này loại bỏ bộ chia điện và các cuộn đánh lửa trên từng bugi, cho phép ECU quyết định thứ tự và thời điểm đánh lửa Điều này giúp giảm thiểu sai sót, mặc dù đồng thời cũng làm tăng độ phức tạp về công nghệ và kỹ thuật.
Hình 4 Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp [4]
Sơ đồ cấu trúc khối và sơ đồ mạch cơ bản 1 Sơ đồ cấu trúc khối
2.3.1 Sơ đồ cấu trúc khối
Hình 5 Sơ đồ cấu trúc khối [5]
Sơ đồ cấu trúc của các hệ thống đánh lửa khác nhau cho thấy sự khác biệt chủ yếu nằm ở phương pháp tạo xung để điều khiển dòng sơ cấp qua transistor công suất trong IC đánh lửa.
2.3.2 Sơ đồ mạch điện cơ bản
Hình 6 Sơ đồ mạch điện cơ bản [6]
Hệ thống đánh lửa trên ô tô chuyển đổi điện một chiều 12V/24V thành xung điện cao từ 12.000V đến 50.000V Nguồn điện này được phân phối đến các bugi và xilanh, tạo ra tia lửa điện cao thế, giúp khởi động quá trình đốt cháy hòa khí khi xe ô tô khởi động.
Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa
Bô bin đánh lửa là linh kiện điện từ thiết yếu trong hệ thống đánh lửa của động cơ xăng, có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp thấp 12V từ ắc quy thành điện áp cao hàng nghìn vôn Điều này tạo ra tia lửa điện mạnh mẽ tại bugi, giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu hiệu quả.
Hình 7 Cấu tạo của bô bin [7]
Cấu tạo của bô bin gồm các bộ phận như hình [7]:
Lõi sắt từ là bộ phận quan trọng bên trong bô bin, thường được chế tạo từ sắt hoặc thép có tính từ cao Chức năng chính của lõi sắt là tập trung từ trường, từ đó nâng cao hiệu quả của quá trình cảm ứng điện từ.
Cuộn sơ cấp: Là cuộn dây có ít vòng dây quấn quanh lõi sắt Cuộn sơ cấp được nối với nguồn điện 12V của xe.
Cuộn thứ cấp là cuộn dây được cấu tạo bởi nhiều vòng dây quấn quanh lõi sắt, nằm bên ngoài cuộn sơ cấp Đặc biệt, cuộn thứ cấp tạo ra điện áp cảm ứng rất cao, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng điện.
Bô bin hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, tạo ra từ trường khi dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp Khi dòng điện bị ngắt, từ trường sụp đổ nhanh chóng, sinh ra suất điện động cảm ứng lớn trên cuộn thứ cấp Điện áp cao này được truyền đến bugi, tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra liên tục và ổn định, giúp động cơ hoạt động trơn tru Nếu bô bin hỏng, tia lửa điện sẽ yếu hoặc không tạo ra, dẫn đến khó khăn trong việc khởi động động cơ hoặc có thể làm động cơ chết máy.
Bugi đánh lửa là một thành phần thiết yếu trong hệ thống đánh lửa của ô tô, có vai trò quan trọng trong việc khởi động và vận hành động cơ Chức năng chính của bugi là tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xi lanh động cơ Các bộ phận chính của bugi bao gồm điện cực trung tâm, điện cực tiếp đất và vỏ cách điện.
Khi dòng điện cao áp từ bô bin được truyền đến bugi, một điện trường mạnh hình thành giữa hai điện cực Khi điện trường đạt đến mức đủ lớn, tia lửa điện sẽ xuất hiện và nhảy qua khoảng cách giữa hai điện cực, dẫn đến việc đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu.
Bộ chia điện, hay bộ phân phối đánh lửa, là một phần thiết yếu trong hệ thống đánh lửa của ô tô, có chức năng phân phối điện áp cao từ bobine đến các bugi theo thứ tự và thời điểm chính xác.
Bộ chia điện có cấu tạo gồm các bộ phận như hình [9]:
Hình 9 Cấu tạo bộ chia điện [9]
Bộ chia điện bao gồm nhiều bộ phận chính, mỗi bộ phận có vai trò cụ thể trong quá trình hoạt động Rotor (cánh quạt) quay đồng bộ với động cơ và nhận điện áp cao từ bobine qua một tiếp điểm trung tâm Khi rotor quay, nó tiếp xúc lần lượt với các tiếp điểm (điện cực) trong nắp bộ chia điện, chuyển điện áp cao đến từng bugi theo thứ tự đánh lửa của động cơ.
Nắp bộ chia điện bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi bụi bẩn và độ ẩm, trong khi trục bộ chia điện kết nối rotor với trục cam hoặc trục khuỷu, đảm bảo rotor quay đồng bộ với động cơ Bộ chia điện còn tích hợp các bộ phận điều chỉnh thời gian đánh lửa, như bộ điều chỉnh ly tâm và bộ điều chỉnh chân không, giúp tối ưu hóa thời điểm đánh lửa theo tốc độ và tải của động cơ Sự phối hợp nhịp nhàng của các bộ phận trong bộ chia điện đảm bảo tia lửa được tạo ra đúng thời điểm và thứ tự, giúp động cơ hoạt động mượt mà và hiệu quả.
Có 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.
1.1.Các cảm biến đánh lửa
1.1.1.1 Loại nam chấm đứng yên đứng yên [10]
Cảm biến đánh lửa điện từ loại nam châm đứng yên là thiết bị điện tử quan trọng, giúp xác định vị trí chính xác của piston trong động cơ Nhờ đó, thiết bị này đảm bảo điều khiển thời điểm đánh lửa một cách chính xác, nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Cảm biến đánh lửa điện từ loại nam châm đứng yên sử dụng một nam châm vĩnh cửu cố định và một đĩa kim loại có răng sắt từ gắn trên trục cam hoặc trục khuỷu Khi trục quay, các răng sắt từ tạo ra sự biến đổi từ trường, dẫn đến tín hiệu điện cảm ứng trong cuộn dây gần nam châm Tín hiệu này được bộ điều khiển ECU xử lý để xác định vị trí piston và điều chỉnh thời điểm đánh lửa So với các loại cảm biến khác, cảm biến này có độ bền cao, tín hiệu ổn định và ít bị nhiễu, giúp quá trình đánh lửa chính xác và hiệu quả, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của động cơ.
Hình 11 Vị trí tương đối rotor với cuộn nhận tín hiệu [11]
Cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên nổi bật hơn so với các loại cảm biến đánh lửa khác nhờ vào độ bền và tín hiệu đầu ra ổn định Tuy nhiên, để đảm bảo hoạt động ổn định trong điều kiện khởi động, yêu cầu về mạch điện tử phía sau thường cao hơn.
1.1.1.1 Cảm biến điện từ loại nam châm quay
Cảm biến điện từ nam châm quay là thiết bị điện tử phổ biến để đo tốc độ và vị trí Thiết bị này hoạt động dựa trên sự biến thiên từ thông khi nam châm vĩnh cửu gắn trên đĩa quay di chuyển qua cuộn dây cố định Khi đĩa quay, các răng từ trên đĩa làm thay đổi từ thông qua cuộn dây, tạo ra suất điện động cảm ứng Tần số của suất điện động này tỉ lệ thuận với tốc độ quay của đĩa.
1 Rôto nam châm ; 2 Lõi thép từ; 3 Cuộn dây cảm biến Hình 12 Cảm biến điện từ loại nam chân quay cho loại động cơ 8 xylanh [11] Ưu điểm của loại cảm biến này là cấu tạo đơn giản, độ bền cao và giá thành hợp lý Tuy nhiên, độ chính xác của cảm biến có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ và khoảng cách giữa các thành phần Nhờ những đặc tính này, cảm biến điện từ loại nam châm quay được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, từ đo tốc độ động cơ đến điều khiển vị trí của các thiết bị tự động.
Cảm biến quang trong hệ thống đánh lửa có hai loại chính, chủ yếu khác nhau ở phần tử cảm quang:
Một loại sử dụng cặp LED và photo transistor.
Một loại cảm biến khác sử dụng cặp LED và photodiode, thường là LED-phototransistor hoặc LED-photodiode, được tích hợp vào hệ thống delco Khi đĩa cảm biến gắn trên trục delco quay, các rãnh trên đĩa sẽ chắn sáng hoặc cho phép ánh sáng từ LED chiếu vào phần tử cảm quang Sự thay đổi cường độ ánh sáng này dẫn đến biến đổi mức độ dẫn điện của phototransistor hoặc photodiode, tạo ra các xung điện tương ứng với vị trí của piston.
Nguyên lí tạo ra dòng cao áp
Hiện tượng tự cảm xảy ra khi dòng điện trong cuộn dây biến đổi, tạo ra từ trường biến thiên Từ trường này sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng, có chiều ngược lại với dòng điện ban đầu trong cùng cuộn dây.
1.1.2 Hiện tượng tự cảm tương hỗ.
Hiện tượng tự cảm tương hỗ xảy ra khi dòng điện thay đổi trong cuộn sơ cấp, tạo ra từ trường biến đổi và sinh ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp gần đó Từ trường này cắt qua cuộn thứ cấp, làm cho các electron di chuyển và tạo ra suất điện động cảm ứng Chiều của suất điện động này theo định luật Lenz, sẽ chống lại sự biến đổi dòng điện trong cuộn sơ cấp.
Nguyên lí hoạt động của hệ thống đánh lửa
Hình 16 Sơ đồ nguyên lí hệ thống đánh lửa [12]
Khi bật khóa điện (2), cam (9) không đội, tiếp điểm KK’ đóng:
Khi khởi động động cơ, việc bật công tắc khởi động (4) sẽ cho phép dòng điện đi qua cuộn W1 của bô bin (cuộn sơ cấp) Dòng điện này di chuyển từ dương (+) của ắc quy đến khóa điện (2), tiếp theo là công tắc khởi động (4), rồi đến cuộn sơ cấp W1 qua cần tiếp điểm (10) và tiếp điểm KK’ đang đóng xuống “mát”, trước khi trở về âm (-) của ắc quy Dòng điện chạy qua cuộn W1 tạo ra năng lượng điện tích trữ dưới dạng từ trường trong máy biến áp (bô bin).
Khi cam (9) đội làm tiếp điểm KK’ mở dòng điện qua cuộn W1 (sơ cấp) bị ngắt đột, hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra, tạo ra suất điện động cao áp trong cuộn thứ cấp với hiệu điện thế lên đến hàng nghìn vôn (12.000V-24.000V) Điện áp này được dẫn qua bộ chia điện đến các bugi đánh lửa (7), từ đó tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hòa khí trong xi lanh theo thứ tự nổ của động cơ.
Tần số và chu kì đánh lửa
Đối với động cơ 4 kì thì, số tia lửa xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa được xác định bởi công thức: f = nZ
Trong đó: f: Tần số đánh lửa n: Số vòng quay trục khuỷu động cơ vòng/phút
Z: Số xi lanh động cơ
Chu kì đánh lửa T: là thời gian giửa 2 lần xuất hiện tia lửa.
Trong đó: t đ : thời gian tiếp điểm đóng t m : thời gian vít hở hay transistor công suất dẫn bão hòa
Tần số đánh lửa f tăng khi tốc độ quay trục khuỷu động cơ và số vòng quay của xi lanh gia tăng Sự gia tăng này dẫn đến chu kỳ đánh lửa T giảm xuống.
Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến hai thông số chu kì và tần số đánh lửa để đảm bảo ở số vòng quay cao tia lửa vẫn mạnh.
Năng lượng tia lửa và thời gian giải phóng điện
Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là thành phần điện dung và thành phần điện cảm.
Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:
W p : năng lượng của tia lửa
W C : năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung
W L : năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm
C 2 : điện dung ký sinh của mạch thứ cấp của
U đl : hiệu điện thế đánh lửa
L 2 : độ tự cảm của mạch thứ cấp (H) i 2 : cường độ dòng điện mạch thú cấp (A)
Khái niệm về góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ, tính từ thời điểm bugi phát tia lửa cho đến khi piston đạt điểm chết trên Góc này có ảnh hưởng lớn đến công suất động cơ, hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu và mức độ ô nhiễm khí thải Để đạt được hiệu suất tối ưu, góc đánh lửa sớm cần được điều chỉnh dựa trên nhiều yếu tố khác nhau như áp suất, nhiệt độ và tốc độ động cơ.
Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa (p bđ) và nhiệt độ buồng đốt (t bđ) là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ Bên cạnh đó, áp suất trên đường ống nạp (p) cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của động cơ Nhiệt độ làm mát động cơ (t wt) và nhiệt độ môi trường (t mt) cần được kiểm soát để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định Cuối cùng, số vòng quay động cơ (n) là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất tổng thể của hệ thống.
N o : chỉ số octan của xăng.
Hình 17 Góc đánh lửa sớm trên động cơ [13]
Khái niệm về thời điểm đánh lửa
Để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả, áp suất nén cực đại cần đạt sau điểm chết trên khoảng 10° Bugi cần đánh lửa trước khi piston đạt điểm chết trên để ngọn lửa có đủ thời gian lan rộng "Thời điểm bật lửa" được điều chỉnh dựa trên tốc độ và tải trọng, với sự hỗ trợ của các thiết bị như bộ điều khiển chân không và bộ điều chỉnh ly tâm.
Các yếu tố quan trọng:
Thời điểm đánh lửa cơ bản được thiết lập khi động cơ không tải, và thường được điều chỉnh bằng cách xoay bộ chia điện cho đến khi vạch trên puli thẳng hàng với chỉ thị trên nắp đai cam.
Thời điểm đánh lửa đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất động cơ Nếu đánh lửa quá sớm, áp suất cực đại sẽ xảy ra trước điểm chết trên, dẫn đến nguy cơ kích nổ và hư hại cho piston, van, và bugi Ngược lại, nếu đánh lửa quá muộn, áp suất cực đại sẽ xảy ra sau điểm chết trên, gây giảm công suất và tăng tiêu hao nhiên liệu Điều chỉnh chính xác thời điểm đánh lửa không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn bảo vệ động cơ và tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Hình 18 Góc đánh lửa sớm của động cơ [13]
Góc đánh lửa sớm = góc thời điểm đánh lửa ban đầu +0.005*tải động cơ (%) + 0.002*tốc độ động cơ (rpm)
Hình 18 Thời điểm đánh lửa của động cơ
2.11.1 Xác định góc thời điểm đánh lửa ban đầu
Xác định góc đánh lửa ban đầu:
ECU nhận tín hiệu NE (từ điểm B) sau tín hiệu G (từ điểm A) để xác định góc đánh lửa ban đầu, thường được đặt ở 5°, 7° hoặc 10° BTDC, tùy thuộc vào thiết kế của động cơ Việc điều khiển đánh lửa trong quá trình khởi động là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Trong giai đoạn khởi động, với tốc độ động cơ thấp khoảng 500 vòng/phút và luồng khí nạp không ổn định, các tín hiệu như VG hoặc PIM không được sử dụng để điều chỉnh thời điểm đánh lửa Thay vào đó, ECU duy trì góc đánh lửa ở giá trị ban đầu đã được lưu trữ trong bộ vi xử lý.
Tín hiệu NE được dùng để nhận biết trạng thái khởi động. Điều khiển đánh lửa sau khởi động:
Khi động cơ đã khởi động, ECU điều chỉnh thời điểm đánh lửa dựa trên hành ổn định và đạt hiệu suất tối ưu.
2.11.2 Góc đánh lửa sớm cơ bản
Góc đánh lửa sớm cơ bản được xác định dựa trên tín hiệu từ cảm biến NE và VG, hoặc tín hiệu áp suất khí nạp (PIM) ECU ghi nhớ các giá trị này để xác định thời điểm đánh lửa tối ưu trong quá trình vận hành.
2.11.3 Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh
ECU thực hiện hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa trong các trường hợp đặc biệt như:
Khi làm ấm động cơ thì nhiệt độ nước làm mát thấp, góc đánh lửa sớm được tăng để cải thiện khả năng vận hành.
Khi động cơ bị quá nhiệt và nhiệt độ nước làm mát tăng cao, việc điều chỉnh thời điểm đánh lửa trở nên cần thiết để giảm nguy cơ kích nổ và hạ nhiệt cho động cơ.
Để duy trì tốc độ không tải ổn định, ECU theo dõi liên tục tốc độ động cơ Nếu phát hiện tốc độ thấp hơn mức mục tiêu, ECU sẽ điều chỉnh góc đánh lửa sớm hơn nhằm ổn định tốc độ động cơ.
Khi cảm biến KNK phát hiện rung động do hiện tượng kích nổ, ECU sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa để làm muộn quá trình này, nhằm giảm thiểu tiếng gõ và bảo vệ động cơ.
Những điều chỉnh trên giúp động cơ hoạt động hiệu quả, bảo vệ các chi tiết bên trong và tối ưu hóa hiệu suất.
ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa trên tín hiệu
G, tín hiệu NE, và dữ liệu từ các cảm biến khác Sau khi xác định được thời điểm thích hợp, ECU gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa.
Khi tín hiệu IGT được kích hoạt, dòng điện sơ cấp bắt đầu lưu thông qua cuộn dây đánh lửa Ngược lại, khi tín hiệu IGT ngừng, dòng điện sơ cấp sẽ dừng lại quá trình hoạt động.
Hiện nay, hệ thống đánh lửa DIS (hệ thống đánh lửa trực tiếp) đang được sử dụng phổ biến Trong hệ thống này, ECU điều khiển dòng điện cao áp đến các xi-lanh bằng cách gửi tín hiệu IGT đến từng IC đánh lửa theo trình tự cụ thể, giúp tối ưu hóa thời điểm đánh lửa với độ chính xác cao.
Hình 19 Mạch điều khiển đánh lửa [14]
ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa tối ưu dựa trên tín hiệu từ các cảm biến Sau khi tính toán, ECU gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa, kích hoạt tín hiệu này ngay trước thời điểm đánh lửa Khi tín hiệu IGT tắt, bugi thực hiện quá trình đánh lửa.
IC đánh lửa phát tín hiệu IGF gửi đến ECU động cơ, nhờ vào lực điện động ngược khi dòng điện sơ cấp trong cuộn đánh lửa bị ngắt Tín hiệu này cũng có thể dựa trên giá trị dòng điện sơ cấp Khi ECU nhận tín hiệu IGF, nó xác nhận rằng quá trình đánh lửa đã được kích hoạt, mặc dù không đảm bảo rằng việc đánh lửa thực tế đã diễn ra.
Nếu ECU không nhận tín hiệu IGF, hệ thống chẩn đoán sẽ kích hoạt và lưu trữ mã lỗi DTC trong ECU Điều này dẫn đến việc chức năng an toàn ngắt quá trình phun nhiên liệu nhằm bảo vệ động cơ.
Cơ cấu đánh lửa sớm
Đánh lửa sớm (Ignition Timing Advance) là quá trình bugi đánh lửa trước khi piston đạt điểm chết trên trong giai đoạn nén của động cơ Việc điều chỉnh đánh lửa sớm giúp cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa hiệu quả đốt cháy nhiên liệu trong động cơ.
2.13.1 Vì sao cần đánh lửa sớm
Quá trình đốt cháy nhiên liệu cần một khoảng thời gian ngắn để hỗn hợp nhiên liệu và không khí cháy hoàn toàn Nếu bugi đánh lửa đúng lúc hoặc hơi sớm, áp suất tối đa từ việc đốt cháy sẽ xảy ra ngay sau khi piston vượt qua TDC, tạo ra lực đẩy mạnh nhất lên piston trong hành trình đi xuống Điều này giúp động cơ hoạt động hiệu quả và đạt công suất tối đa.
2.13.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đánh lửa sớm
Tốc độ động cơ (RPM): ở tốc độ cao, cần đánh lửa sớm hơn vì hỗn hợp nhiên liệu cháy cần thời gian để đạt áp suất tối đa.
Tải trọng: khi động cơ chịu tải cao, cần điều chỉnh thời điểm đánh lửa để đảm bảo đốt cháy hiệu quả.
Loại nhiên liệu: nhiên liệu có trị số octan cao cháy chậm hơn, thường yêu cầu đánh lửa sớm hơn.
2.13.3 Hậu quả nếu đánh lửa không đúng
Đánh lửa quá sớm: có thể bị hiện tượng knocking, làm giảm tuổi thọ động cơ.
Đánh lửa quá muộn: làm giảm công suất, tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn và tăng lượng khí thải.
Giới thiệu về Arduino Uno
Arduino Uno là bo mạch vi điều khiển phổ biến nhất trong gia đình Arduino, lý tưởng cho việc học lập trình và thực hiện các dự án điện tử Với thiết kế đơn giản, giá thành phải chăng và khả năng mở rộng linh hoạt, Arduino Uno là lựa chọn tuyệt vời cho người mới bắt đầu.
2.14.1 Cấu tạo của Arduino Uno
Hình 22 Các thành phần Arduino Uno [16]
Bộ vi điều khiển ATmega328P: Đây là "bộ não" của bo mạch, xử lý tất cả các lệnh mà bạn lập trình.
Cổng USB: Để nạp chương trình từ máy tính vào bo mạch và cung cấp nguồn điện.
Bảng mạch có 14 chân số (digital) cho phép điều khiển các thiết bị như đèn LED, động cơ và còi, cùng với 6 chân analog để kết nối với các cảm biến đo nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm.
Nguồn điện: Có thể cấp điện từ máy tính qua cổng USB hoặc dùng nguồn ngoài (pin hoặc adapter).
Nút reset: Giúp khởi động lại chương trình mà bạn đã nạp
2.14.2 Ứng dụng của Arduino Uno
Điều khiển tự động: bật/tắt đèn, động cơ, hoặc các thiết bị điện.
Làm robot: điều khiển robot di chuyển, tránh vật cản,
Dự án cảm biến: đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,
IoT (Internet of Things): kết nối các thiết bị với internet.
Dễ sử dụng: phù hợp cho người mới bắt đầu.
Đa năng: có thể thực hiện nhiều loại dự án khác nhau.
Cộng đồng hỗ trợ lớn: có nhiều tài liệu, hướng dẫn, và ví dụ để bạn tham khảo.
Giá thành phải chăng ( khoảng 90 000đ).
Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE
Arduino IDE (Môi trường phát triển tích hợp) là phần mềm miễn phí dùng để lập trình và nạp mã cho các vi điều khiển Arduino như Uno, Mega, Nano và nhiều board khác Đây là công cụ lý tưởng cho cả người mới bắt đầu và những người thực hiện dự án điện tử.
2.15.1 Các đặc điểm chính của Arduino IDE
The Arduino IDE features a user-friendly interface that includes essential buttons such as Verify for error checking, Upload for transferring code to the board, and Serial Monitor for monitoring data from the board.
Ngôn ngữ lập trình của Arduino IDE dựa trên C/C++, được đơn giản hóa để người dùng dễ dàng tiếp cận Nó cung cấp nhiều thư viện sẵn có, giúp quá trình lập trình trở nên nhanh chóng và hiệu quả.
Trình biên dịch tích hợp: IDE có trình biên dịch tích hợp giúp chuyển code bạn viết thành mã máy để vi điều khiển hiểu và thực thi.
Tính tương thích cao: hỗ trợ hầu hết các loại board Arduino và cả các board tương thích từ bên thứ ba.
Cộng đồng mạnh mẽ: với cộng đồng lớn, người dùng dễ dàng tìm được tài liệu hướng dẫn, ví dụ, và giải pháp cho các vấn đề thường gặp.
THIẾT KỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
Chương trình mạch hệ thống đánh lửa
The Delco signal is received through pin 2, while ignition control is managed via pins 3, 5, 6, and 4, corresponding to the firing order of cylinders 1-3-4-2 A volatile boolean variable, ignitionSignalReceived, is initialized to track the reception of the ignition signal The setup function prepares the system for operation.
To initialize the serial communication for outputting information, use `Serial.begin(9600);` Set the signal pin as an input with `pinMode(delcoSignalPin, INPUT);` In a loop, configure the ignition pins as outputs using `pinMode(ignitionPins[i], OUTPUT);` and ensure that the coils are initially turned off by writing `digitalWrite(ignitionPins[i], LOW);`.
} attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(delcoSignalPin), ignitionSignalHandler, RISING); // Gọi hàm khi có tín hiệu tăng
// Kiểm tra xem có tín hiệu đánh lửa không if (ignitionSignalReceived) {
Serial.println("Tín hiệu đánh lửa đã nhận!"); activateIgnition(); // Kích hoạt đánh lửa ignitionSignalReceived = false; // Đặt lại trạng thái
// Hàm xử lý ngắt khi nhận tín hiệu void ignitionSignalHandler() { ignitionSignalReceived = true; // Đặt cờ khi nhận tín hiệu
// Hàm kích hoạt đánh lửa theo thứ tự 1-3-4-2 void activateIgnition() {
In the sequence 1-3-4-2, the ignition pins are controlled using an array defined as `int order[4] = {0, 2, 3, 1};` The loop iterates four times, with a delay of 100 milliseconds between each iteration to manage the ignition timing During each cycle, the corresponding ignition pin is turned off by executing `digitalWrite(ignitionPins[order[i]], LOW);`, followed by another 100-millisecond delay to ensure proper spacing between ignition events.
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH
Kết quả mô hình hệ thống đánh lửa
Hình 23 Kết quả mô hình hệ thống đánh lửa trên bô bin thật
Đánh giá mô hình hệ thống đánh lửa
Đơn giản: Dễ hiểu và triển khai, phù hợp để học tập hoặc thử nghiệm.
Thứ tự đánh lửa chính xác: Tuân theo nguyên tắc động cơ 4 kỳ.
Điều chỉnh: Có thể dễ dàng mở rộng hoặc điều chỉnh thứ tự đánh lửa.
Không đồng bộ thời gian thực: Dùng delay() gây chậm trễ và không phù hợp với các ứng dụng tốc độ cao.
Thiếu cảm biến tốc độ (thay cho cảm biến G và Ne): Không tích hợp cảm biến để điều chỉnh đánh lửa dựa trên tốc độ hoặc tải động cơ.
Mô phỏng không thể áp dụng trực tiếp cho động cơ thực tế do thiếu những yếu tố quan trọng như khả năng điều chỉnh góc đánh lửa và xử lý các tín hiệu phức tạp.