Thuyết minh đồ án trang bị điện và điện tử động lực

1.Tổng quan về hệ thống đánh lửa 3 1.1. Công dụng của hệ thống đánh lửa 3 1.2. Phân loại hệ thống đánh lửa 3 1.3. Yêu cầu hệ thống đánh lửa 4 1.4. Các hệ thống đánh lửa cơ bản 4 1.4.1. HTĐL thường hay HTĐL kiểu cơ khí 5 1.4.2. Hệ thống đánh lửa Manhêtô 7 1.4.3. HTĐL bán dẫn 10 1.4.4.Hệ thống đánh lửa theo chương trình 21 2. Tính và vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp. 25 2.1. Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa. 25 2.1.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m. 25 2.1.2. Hiệu điện thế đánh lửa Uđl. 25 2.1.3. Hệ số dự trữ đánh lửa Kdl : 26 2.1.4. Năng lượng dự trữ Wdt 26 2.1.5. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S 26 2.1.6. Tần số và chu kỳ đánh lửa. 27 2.1.7. Góc đánh lửa sớm. 27 2.1.8. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện. 28 2.2. Sơ đồ dòng điện qua cuộn sơ cấp 29 2.3.Vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp 31 2.3.1. Công thức tính 31 2.3.2. Lập bảng. 31 2.3.3. Vẽ đồ thị 33 2.3.4. Phân tích đồ thị 33 2.3.5. Kết luận 34 3. Tính toán các thông số cơ bản của dòng điện thứ cấp HTDL 34 3.1. Tính Hiệu Điện Thế Của Biến Áp Thứ Cấp 34 3.2. Tính Hiệu Điện Thế Đánh Lửa 35 3.3. Tính năng lượng tia lửa 36 3.3.1. Phần Điện Dung 36 3.3.2. Phần năng lượng điện cảm 36 3.4. Bugi đánh lửa 37 Đồ án môn học : Trang bị điện điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 2 LỜI NÓI ĐẦU Trong động cơ xăng nhiên liệu được đốt cháy cưỡng bức nên hệ thống đánh lửa là bộ phận không thể thiếu để duy trì hoạt động cũng như tính ổn định trong quá trình làm việc. Sau khi học xong môn Trang bị điện và điện tử trên động cơ đốt trong và môn Trang bị điện và điện tử thân xe. Chúng em được giao đồ án môn học ‘‘Trang bị điện và điện điện tử động lực’’ nhằm củng cố kiến thức đã học và hiểu hơn các hệ thống đánh lửa thường sử dụng trong các động cơ hiện nay. Trong quá trình làm đồ án, em đã được sự hướng dẫn tận tình của Th.s Nguyễn Việt Hải, và đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của TS. Lê Văn Tụy cho nên cuối cùng em cũng hoàn thành đồ án Trang bị điện và điện tử động lực này. Cuộc sống càng ngày càng hiện đại hơn, đầy dủ hơn nên yêu cầu về HTĐL ngày càng nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao…đảm bảo đánh lửa đúng với mọi trường hợp hoạt động của động cơ. Chính vì vậy sự phát triển của HTĐL cũng rất nhanh để phù hợp với mọi yêu cầu của cuộc sống. Nên càng ngày càng có nhiều HTĐL khác nhau, nhưng chúng vẫn dựa trên cơ sở chung để tạo ra được tia lửa điện. Trong quá trình làm đồ án do thời gian hạn hẹp và kiến thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận được những lời đóng góp của quý thầy cô và bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn Đà Nẵng, ngày 01112011 Sinh viên thực hiện Đỗ Như Ý Đồ án môn học : Trang bị điện điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 3 1.Tổng quan về hệ thống đánh lửa 1.1. Công dụng của hệ thống đánh lửa Hệ thống đánh lửa (HTĐL) trên ôtô có nhiệm vụ biến dòng một chiều thấp áp(6V,12V, 24V) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp (trong HTĐL Manhêtô hay vô lăng Manhêtic) thành xung điện cao thế (12 kV ÷ 24 kV) để tạo ra tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp làm việc trong xylanh ở thời điểm thích hợp và tương ứng với thứ tự làm việc của xilanh, chế độ làm việc của động cơ. 1.2. Phân loại hệ thống đánh lửa
Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc , HTĐL được chia ra làm: HTĐL thường hay HTĐL kiểu cơ khí : được sủ dụng hầu hết trên các ô tô trước đây, còn gọi là HTĐL cổ điển. HTĐL Manhêtô : là HTĐL cao áp độc lập, không cần dùng ắc quy và máy phát. Do đó có độ tin cậy cao và được dùng trên xe cao tốc và một số máy công trình trên vùng núi. HTĐL bán dẫn có tiếp điểm : là hệ thống đánh lửa bán dẫn kết hợp với cơ khí, HTĐL loại này vẫn còn được dùng trên 1 số xe hiện nay. HTĐL bán dẫn không có tiếp điểm : có nhiều ưu điểm nên được dùng đa số trên các ô tô hiện nay.
Theo cảm biến đánh lửa, HTĐL bán dẫn được chia ra làm : HTĐL sử dụng cảm biến điện từ HTĐL sử dụng cảm biến quang HTĐL sử dụng cảm biến Hall
Theo năng lượng tích lũy trước khi đánh lửa, HTĐL bán dẫn được chia ra làm : HTĐL điện cảm : năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong từ trường của cuộn dây biến áp đánh lửa. HTĐL điện dung : năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong từ trường

Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 1 MỤC LỤC Trang 1.Tổng quan về hệ thống đánh lửa 3 1.1. Công dụng của hệ thống đánh lửa 3 1.2. Phân loại hệ thống đánh lửa 3 1.3. Yêu cầu hệ thống đánh lửa 4 1.4. Các hệ thống đánh lửa cơ bản 4 1.4.1. HTĐL thường hay HTĐL kiểu cơ khí 5 1.4.2. Hệ thống đánh lửa Manhêtô 7 1.4.3. HTĐL bán dẫn 10 1.4.4.Hệ thống đánh lửa theo chương trình 21 2. Tính và vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp. 25 2.1. Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa. 25 2.1.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m . 25 2.1.2. Hiệu điện thế đánh lửa U đl . 25 2.1.3. Hệ số dự trữ đánh lửa K dl : 26 2.1.4. Năng lượng dự trữ W dt 26 2.1.5. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S 26 2.1.6. Tần số và chu kỳ đánh lửa. 27 2.1.7. Góc đánh lửa sớm. 27 2.1.8. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện. 28 2.2. Sơ đồ dòng điện qua cuộn sơ cấp 29 2.3.Vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp 31 2.3.1. Công thức tính 31 2.3.2. Lập bảng. 31 2.3.3. Vẽ đồ thị 33 2.3.4. Phân tích đồ thị 33 2.3.5. Kết luận 34 3. Tính toán các thông số cơ bản của dòng điện thứ cấp HTDL 34 3.1. Tính Hiệu Điện Thế Của Biến Áp Thứ Cấp 34 3.2. Tính Hiệu Điện Thế Đánh Lửa 35 3.3. Tính năng lượng tia lửa 36 3.3.1. Phần Điện Dung 36 3.3.2. Phần năng lượng điện cảm 36 3.4. Bugi đánh lửa 37 Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 2 LỜI NÓI ĐẦU Trong động cơ xăng nhiên liệu được đốt cháy cưỡng bức nên hệ thống đánh lửa là bộ phận không thể thiếu để duy trì hoạt động cũng như tính ổn định trong quá trình làm việc. Sau khi học xong môn Trang bị điện và điện tử trên động cơ đốt trong và môn Trang bị điện và điện tử thân xe. Chúng em được giao đồ án môn học ‘‘Trang bị điện và điện & điện tử động lực’’ nhằm củng cố kiến thức đã học và hiểu hơn các hệ thống đánh lửa thường sử dụng trong các động cơ hiện nay. Trong quá trình làm đồ án, em đã được sự hướng dẫn tận tình của Th.s Nguyễn Việt Hải, và đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của TS. Lê Văn Tụy cho nên cuối cùng em cũng hoàn thành đồ án Trang bị điện và điện tử động lực này. Cuộc sống càng ngày càng hiện đại hơn, đầy dủ hơn nên yêu cầu về HTĐL ngày càng nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao…đảm bảo đánh lửa đúng với mọi trường hợp hoạt động của động cơ. Chính vì vậy sự phát triển của HTĐL cũng rất nhanh để phù hợp với mọi yêu cầu của cuộc sống. Nên càng ngày càng có nhiều HTĐL khác nhau, nhưng chúng vẫn dựa trên cơ sở chung để tạo ra được tia lửa điện. Trong quá trình làm đồ án do thời gian hạn hẹp và kiến thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận được những lời đóng góp của quý thầy cô và bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 01/11/2011 Sinh viên thực hiện Đỗ Như Ý Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 3 1.Tổng quan về hệ thống đánh lửa 1.1. Công dụng của hệ thống đánh lửa Hệ thống đánh lửa (HTĐL) trên ôtô có nhiệm vụ biến dòng một chiều thấp áp(6V,12V, 24V) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp (trong HTĐL Manhêtô hay vô lăng Manhêtic) thành xung điện cao thế (12 kV ÷ 24 kV) để tạo ra tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp làm việc trong xylanh ở thời điểm thích hợp và tương ứng với thứ tự làm việc của xilanh, chế độ làm việc của động cơ. 1.2. Phân loại hệ thống đánh lửa  Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc , HTĐL được chia ra làm: - HTĐL thường hay HTĐL kiểu cơ khí : được sủ dụng hầu hết trên các ô tô trước đây, còn gọi là HTĐL cổ điển. - HTĐL Manhêtô : là HTĐL cao áp độc lập, không cần dùng ắc quy và máy phát. Do đó có độ tin cậy cao và được dùng trên xe cao tốc và một số máy công trình trên vùng núi. - HTĐL bán dẫn có tiếp điểm : là hệ thống đánh lửa bán dẫn kết hợp với cơ khí, HTĐL loại này vẫn còn được dùng trên 1 số xe hiện nay. - HTĐL bán dẫn không có tiếp điểm : có nhiều ưu điểm nên được dùng đa số trên các ô tô hiện nay.  Theo cảm biến đánh lửa, HTĐL bán dẫn được chia ra làm : - HTĐL sử dụng cảm biến điện từ - HTĐL sử dụng cảm biến quang - HTĐL sử dụng cảm biến Hall  Theo năng lượng tích lũy trước khi đánh lửa, HTĐL bán dẫn được chia ra làm : - HTĐL điện cảm : năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong từ trường của cuộn dây biến áp đánh lửa. - HTĐL điện dung : năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong từ trường của tụ điện.  Theo phương pháp phân bố điện cao áp, HTĐL được chia ra : Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 4 - HTĐL có bộ chia điên - HTĐL không có bộ chia điện ( Đánh lửa trực tiếp ) Ngày nay trên các ô tô hiện đại, HTĐL được điều khiển theo chương trình. Bộ điều khiển trung tâm ECU ( Electronic Control Uint ) sẽ thu thập các tín hiệu như : tốc độ động cơ , vị trí piston, vị trí bướm ga, nhiệt độ động cơ… Từ đó, ECU sẽ điều khiển thời điểm đánh lửa thích hợp nhất trong mọi chế đọ làm việc của động cơ. 1.3. Yêu cầu hệ thống đánh lửa - 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. - Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dể dàng, giá thành rẻ… 1.4. Các hệ thống đánh lửa cơ bản Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 5 1.4.1. HTĐL thường hay HTĐL kiểu cơ khí Hình 1.1 : Hệ thống đánh lửa kiểu cơ khí Những thiết bị chủ yếu của HTĐL này là: biến áp đánh lửa được cung cấp từ nguồn một chiều (ắc quy hoặc máy phát), bộ chia điện và các bugi đánh lửa . Biến áp đánh lửa có hai cuộn dây: cuộn sơ cấp W1 có khoảng 250 400 vòng, cuộn thứ cấp W2 - 19000 26000 vòng. Cam của bộ chia điện được dẫn động quay từ trục phân phối, làm nhiệm vụ đóng mở tiếp điểm , tức là nối ngắt mạch sơ cấp của biến áp đánh lửa. Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 6  Nguyên lý hoạt động : +/ Khi KK' đóng: trong mạch sơ cấp xuất hiện dòng điện sơ cấp i 1 . Dòng này tạo nên một từ trường khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa (hình 1.2 a). +/ Khi KK' mở: mạch sơ cấp bị ngắt, dòng i 1 và từ trường do nó tạo nên mất đi. Do đó, trong cả hai cuộn dây sẽ xuất hiện các SĐĐ tự cảm, tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông (hình 1.2 b). Bởi vì cuộn W2 có số vòng dây lớn nên SĐĐ cảm ứng sinh ra trong nó cũng lớn, đạt giá trị khoảng 12000 24000 V. Điện áp cao này truyền từ cuộn thứ cấp qua rôto của bộ chia điện và các dây dẫn cao áp đến các bugi đánh lửa theo thứ tự nổ của động cơ. Khi thế hiệu thứ cấp đạt giá trị U dl thì sẽ xuất hiện tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp làm việc trong xi lanh. Vào thời điểm tiếp điểm mở, trong cuộn W1 cũng xuất hiện một SĐĐ tự cảm khoảng 200 300V. Nếu như không có tụ điện C1 mắc song song với tiếp điểm KK' thì SĐĐ này sẽ gây ra tia lửa mạnh phóng qua tiếp điểm, làm cháy rỗ các má vít, đồng thời làm cho dòng sơ cấp và từ trường của nó mất đi chậm hơn và vì thế, thế hiệu thứ cấp cũng sẽ không lớn. Hình 1.2 : Sơ đồ làm việc của hệ thống đánh lửa thường Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 7 Khi có tụ C1 dòng sơ cấp và SĐĐ tự cảm e1 sẽ được dập tắt nhanh chóng, không gây ra tia lửa ở tiếp điểm và U2 tăng lên. Như vậy, quá trình đánh lửa có thể chia làm 3 giai đoạn: - Giai đoạn tăng dòng sơ cấp khi KK' đóng lại - Giai đoạn tăng xuất hiện SĐĐ cao áp trong cuộn thứ cấp khi KK' mở ra - Giai đoạn xuất hiện tia lửa điện cao thế ở bugi khi U 2 tăng đến giá trị U đl 1.4.2. Hệ thống đánh lửa Manhêtô Hình 1.3 : Hệ thống mạch từ của Manhêtô - Đặc điểm cấu tạo:Về cấu tạo, bất kỳ Manhêtô nào cũng có thể chia ra hai phần chínhlà: hệ thống mạch từ và mạch điện. -Hệ thống mạch từ: của Manhêtô thực chất là mạch từ của một máy phát và một biến thế kết hợp lại: Để phát ra điện, tạo ra được dòng sơ cấp, hệ thống từ của Manhêtô có: nam châm vĩnh cửu, khung từ (lõi thép) trên có quấn cuộn dây sơ cấp W 1 ; Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 8 Để nhận được điện áp cao, trên lõi thép của Manhêtô còn được quấn cuộn dây thứ cấp W 2 để kết hợp với W 1 thành một biến thế cao áp. Theo cấu tạo, hệ thống từ của Manhêtô có thể chia ra một số loại sau: - Phần ứng (cuộn dây) quay (hình 1.3a); - Lõi đảo cực từ quay (hình 1.3b); - Nam châm quay (hình 1.3 c, d). Mạch điện: của Manhêtô có nhiệm vụ biến SĐĐ cảm ứng xoay chiều thế hiệu thấp, xuất hiện trong cuộn dây sơ cấp W 1 thành các xung điện cao thế và phân phối nó đến các bugi theo trình tự cần thiết. Hình 1.4: Sơ đồ mạch điện của Manhêtô 1-Lõi thép; 2- Cuộn sơ cấp; 3- Cuộn thứ cấp; 4- Má cực; 5- Kim đánh lửa phụ; 6- Điện cực bộ chia điện; 7- Rôto; 8, 9- Bánh răng 10- Bugi; 11- Rôto nam châm; 12- Cam; 13- Tiếp điểm tĩnh; 14- Tiếp điểm động; 15- Công tắc điện; 16- Cam. Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 9 Hình 1.5 :Hệ thống từ của Man nhê tô với vòng dẫn từ quay ( nam châm cố định ) Hình 1.6 : Vô lăng Manhêtíc xe máy với bánh dà – Nam châm quay Đồ án môn học : Trang bị điện & điện tử động lực GVHD : TS. Lê Văn Tụy SVTH : Đỗ Như Ý – Lớp 07C4B Trang : 10  Nguyên lý làm việc: Nguyên lý tạo nên điện cao thế tương tự như ở HTĐL thường dùng ắc quy, chỉ khác là dòng điện trong cuộn dây sơ cấp sinh ra là do SĐĐ cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây khi nam châm quay tương tự như ở máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu (chứ không phải được cung cấp từ ắc quy hoặc máy phát). Các quá trình vật lý (điện từ) xảy ra trong Manhêtô cũng tương tự như trong HTĐL thường - Manhêtô là hệ thống dánh lửa cao áp độc lập, có công suất không lớn mà nguồn điện, biến thế cao áp và bộ chia điện được bố trí gọn trong một kết cấu. -HTĐL Manhêtô có độ tin cậy cao và làm việc độc lập không phụ thuộc vào ắc quy và máy phát. nên được dùng nhiều trên xe cao tốc và một số máy công trình trên vùng núi… 1.4.3. HTĐL bán dẫn 1.4.3.1. HTĐL bán dẫn có tiếp điểm điều khiển Hình 1.7. Hệ thống đánh lửa bán dẫn . - Dòng I 1 : (+) Ắc quy => IG/SW => R 6 => R 1 => D 1 => (-) Ắc quy - Dòng I 2 : (+) Ắc quy => IG/SW => R 7 => R 8 => (-) Ắc quy => tạo ra điện áp đệm U R8 . R 4 => R 5 => (-) Ắc quy => tạo ra điện áp đệm U R5 trên cựa B của T 3 => T 3 dẫn => xuất hiện dòng điện sơ cấp đi từ: (+) AQ => IG/SW => Bobin => T 3 => (-). mạch sơ cấp đi theo nguồn như sau : (+) Ắc quy => R f =>W 1 =>Cực E => Cực B => R b => KK ’ => (-) Ắc quy Cực C => (-) Ắc quy Dòng sơ cấp : I 1 = I e = I b