Thiết kế hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến từ điện

LỜI NÓI ĐẦUTrong 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 Động Lực. Chúng em được giao đồ án môn học ‘‘Trang bị 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 thầy Th. Phạm Quốc Thái, và đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS. Lê Văn Tụy để em 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

Nguyễn Hải Triều 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 Động Lực. Chúng em được giao đồ án môn học ‘‘Trang bị 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 thầy Th. Phạm Quốc Thái, và đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS. Lê Văn Tụy để em 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! 1 Nguyễn Hải Triều 1.Tổng quan 1.1. Công dụng Hệ thống đánh lửa(HTDL) trên ôtô có nhiệm vụ biến dòng một chiều thấp áp(12V, 24V) hoặc dòng điện xoay chiều thấp áp(trong HTĐL Manheto hay vô lăng Manheto) thành xung điện cao áp (12 kV ÷ 24 kV) và tạo ra tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp cháy (khí – xăng) 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. Yêu cầu đó đòi hỏi hệ thống đánh lửa phải bảo đảm được các yêu cầu chính sau: - Phải đảm bảo tạo ra điện áp đủ lớn (12kV ÷ 24kV) để tạo ra tia lửa điện phóng qua khe hở giữa các điện cực bugi. - Tia lửa phải có năng lượng và thời gian tồn tại đủ lớn để đốt cháy hỗn hợp làm việc trong mọi điều kiện làm việc của động cơ. - HTĐL phải có khả năng tự động điều chỉnh góc đánh lửa sớm để thời điểm đánh lửa tương ứng với góc đánh lửa sớm hợp lý nhất ở mọi chế độ làm việc của động cơ. - Độ tin cậy của hệ thống đánh lửa phải tương ứng với độ tin cậy làm việc của động cơ. - Các phụ kiện của hệ thống đánh lửa phải đảm bảo làm việc tốt trong môi trường nhiệt độ cao và rung xóc lớn. - Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ… 1.3. Phân loại 1.3.1. Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc HTĐL chia ra làm các loại sau: a. HTĐL kiểu cơ khí(loại thường):Được sử dụng trên hầu hết các loại ô tô trước đây. 2  Nguyễn Hải Triều 1 2 3 4 5 C1 W 1 W 2 R Hình 1.1.Sơ đồ hệ thống đánh lửa kiểu cơ khí 1- Trục cam; 2- Cần tiếp điểm; 3- Boobin đánh lửa; 4- Bộ chia điện; 5- Bugi b. HTĐL Manhêtô - Đặc điểm cấu tạo:Về cấu tạo, bất kỳ Manhêtô nào cũng có thể chia ra hai phần chính là: 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 ; 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 1.2a); - Lõi đảo cực từ quay (hình 1.3b); - Nam châm quay (hình 1.4c, d). 3 .  !"#$%& !"#$'& !()*! +,)  /!01*2$!345!6789):; <9#!45=!"!>? @A! (>? @$!+"B!0" Nguyễn Hải Triều 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. + 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 4 (.#C-D) 2)EFGH? @ 9$BI#C!>? @JK )LMN!9? ) ) ! (1:O /!+,5)!0>:%5: Nguyễn Hải Triều - 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… c. HTĐL bán dẫn có tiếp điểm + Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau: - Khi KK' đóng: cực gốc B của transitor được nối với cực âm của nguồn nên U EB > 0 làm xuất hiện dòng I B và transitor 6 mở cho dòng I 1 đi qua. - Khi KK' mở: dòng I B bị ngắt nên transitor đóng và ngắt đột ngột dòng I 1 . Do đó trong các cuộn dây của biến áp đánh lửa xuất hiện các suất điện động tự cảm. Trong hệ thống đánh lửa thường E1 = 200 400V hoặc lớn hơn. Bởi vậy không thể lấy biến áp đánh lửa tiêu chuẩn (dùng cho hệ thống đánh lửa thường) sang dùng cho hệ thống đánh lửa bán dẫn, vì transitor không chịu được điện áp cao như vậy mà phải dùng biến áp riêng có K ba lớn hơn để giảm E 1 xuống nhỏ hơn 100V. Nếu E 1 đòi hỏi phải lớn hơn 100V để đảm bảo nhận được U 2 cao, thì có thể mắc nối tiếp các transitor hoặc áp dụng các biện pháp bảo vệ. Nếu vẫn dùng biến áp đánh lửa tiêu chuẩn thì hệ thống đánh lửa bán dẫn sẽ không phát huy được ưu điểm gì trừ vấn đề tăng tuổi thọ cho tiếp điểm. d. HTĐL bán dẫn không có tiếp điểm 5 Nguyễn Hải Triều Trong hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm, thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng bộ cảm biến đặc biệt có liên hệ cơ khí với trục khuỷu động cơ. Các bộ cảm biến có thể chia ra hai loại: - Cảm biến thông số: Tín hiệu được tạo thành bằng cách thay đổi các thông số của mạch điện như: điện trở, điện cảm, hỗ cảm, điện dung, - Cảm biến phát điện: Tín hiệu là giá trị suất điện động do bộ cảm biến tạo ra. Một yêu cầu quan trọng đối với các bộ cảm biến không tiếp điểm là phải đảm bảo độ tin cậy làm việc ở số vòng quay thấp của trục khuỷu. Cấu tạo của hệ thống gồm: - Bộ ắc quy 1; Bộ cảm biến (phát lệnh) 2 lắp trong bộ chia điện; Biến áp đánh lửa 3; Bộ cắt nối bán dẫn I và hộp điện trở phụ II; Bộ chia điện (không thể hiện trên hình vẽ); Transitor T3: đóng tích cực nhờ nửa kỳ điện áp dương của bộ phát lệnh; Transitor T2 đóng tích cực nhờ Đ2 và R1 (mạch hồi tiếp); Transitor T1 đóng tích cực nhờ biến áp xung. Để đảm bảo chất lượng đánh lửa khi khởi động (lúc độ dốc của tín hiệu không đủ lớn) , trong sơ đồ có mạch liên hệ ngược (hồi tiếp) qua R3 và C2 từ cực góp K của T1 đến cực gốc của T3. 6 Nguyễn Hải Triều Nguyên lý làm việc: - Lúc đầu khi khoá điện K đ đóng: bộ phát lệnh chưa quay, cực gốc B của T 3 nối với cực (+) của nguồn qua R 4 và cuộn dây của bộ PL, nên T 3 đóng, điện trở của T 3 (R T3 ) lúc này rất lớn nên cực gốc B của T 2 được nối với cực (-0 qua R 5 , làm T 2 mở. Do T 2 mở nên có dòng qua biến áp xung từ (+) đến Đ 2 đến W 2 ' đến W1' đếnEC (T 2 ) đếnR f1 đến R f2 đến (-). Dòng qua biến áp xung tạo điện áp điều khiển tại cực gốc B của T1 làm T 1 mở và cho dòng đi qua cuộn sơ cấp W 1 của biến áp đánh lửa. - Khi bộ PL quay, ở nửa chu kỳ (-) của điện áp do nó phát ra thì cực gốc B của T 3 có điện áp (-) nên T 3 mở. T 3 mở thì R T3 giảm nhỏ nên cực gốc B của T 2 coi như được nối với cực (+) nên T 2 đóng. T 2 đóng làm T 1 đóng theo, cắt đột ngột dòng sơ cấp I 1 tạo nên một suất điện độgn tự cảm E 2 rất lớn truyền qua bộ chia điện đến các bugi để tạo tia lửa điện. - Khi khởi động hoặc khi số vòng quay thấp, xung tín hiệu còn yếu thì khi T1 mở nên tụ C 2 được nạp, làm cho thế cực gốc B của T 3 âm nên T 3 mở. T 3 mở làm T 2 và T 1 đóng nên cắt dòng I 1 để tạo tia lửa điện ở bugi. Sau đó T 1 và T 2 lại mở, tụ lại được nạp làm T 3 mở còn T 1 và T 2 đóng. Quá trình cứ lặp lại theo một chu kỳ nhất định, tạo nên hàng loạt tia lửa điện ở bugi hỗ trợ cho khởi động động cơ. Ưu nhược điểm của hệ thống đánh lửa bán dẫn so với hệ thống đánh lửa thường:  Ưu điểm: - Có thể đồng hoá hệ thống đánh lửa chung cho các loại động cơ ôtô khác nhau. - Điện thế thứ cấp U 2 = 25÷50kV ở mọi chế độ làm việc của động cơ. - Nếu là loại tiếp điểm điều khiển thì dòng điện qua tiếp điểm điều khiển khi ngắt mạch không quá 1A, do đó tiếp điểm làm việc được bảo đảm, còn dòng điện sơ cấp I 1 ngắt có thể đạt đến 7÷ 25 A và hơn nữa. - Với hệ thống đánh lửa bán dẫn động cơ tăng tốc rất nhanh và điều hoà, không có sự ngắt quãng trong làm việc. - Khả năng tăng tốc của ôtô tăng lên 10÷30% so với khi ôtô sử dụng hệ thống đánh lửa thường. 7 Nguyễn Hải Triều - Nhiên liệu được đốt cháy hết ở cả số vòng quay thấp và số vòng quay cao, do đó tiết kiệm nhiên liệu được 10%. - Ít phải chăm sóc bảo dưỡng.  Nhược điểm: - Giá thành còn khá cao vì sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn. - Đôi khi sơ đồ phức tạp và suất tiêu hao năng lượng riêng cho hệ thống đánh lửa lớn (khoảng gấp đôi hệ thống đánh lửa thường). Tuy còn những nhược điểm như vậy nhưng hệ thống đánh lửa bán dẫn vẫn được ưa chuộng và ngày càng được phát triển rộng rãi, đặc biệt trong các loại xe đời mới hiện nay. 1.3.2. Theo cảm biến đánh lửa: (HTĐL bán dẫn không tiếp điểm) a. HTĐL sử dụng cảm biến điện từ: Có hai loại: - Loại nam châm đứng yên: Hình 1.6. Cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên Cảm biến được đặt trong delco bao gồm một rotor có số răng cảm biến tương ứng với số xy lanh động cơ, một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt từ cạnh một thanh nam châm vĩnh cữu. Cuộn dây và lõi sắt được đặt đối diện với các răng cảm biến rotor và được cố định trên vỏ delco. Khi rotor quay, các răng cảm biến sẽ lần lượt tiến lại gần và lùi ra xa cuộn dây. Khi rotor ở vị trí như hình 2a, điện áp trên cuộn dây cảm biến bằng 0. Khi răng cảm biến của rotor tiến lại gần cực từ của lõi thép, khe hở giữa rotor và lõi thép giảm dần và từ trường mạnh dần lên. Sự biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn dây 8 Nguyễn Hải Triều Khi răng cảm biến của rotor đối diện với lõi thép, độ biến thiên của từ trường bằng 0 và sức điện động trong cuộn cảm biến nhanh chóng giảm về 0 (hình 2c). Khi rotor đi xa ra lõi thép, từ thông qua lõi thép giảm dần và sức điện động xuất hiện trong cuộn dây cảm biến có chiều ngược lại (hình 2d). Hiệu điện thế sinh ra ở hai đầu dây cuộn cảm biến phụ thuộc vào tốc độ của động cơ. Sự tạo từ trường của cuộn nam châm đứng yên H.ình 1.7. Vị trí tương đối của rotor với cuộn nhận tín hiệu Cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên có ưu điểm là rất bền, xung tín hiệu có dạng nhọn nên ít ảnh hưởng đến sự sai lệch về thời điểm đánh lửa. Tuy nhiên, xung điện áp ra ở chế độ khởi động nhỏ, vì vậy ở đầu vào của Igniter phải sử dụng transistor có độ nhạy cao và phải chống nhiễu cho dây tín hiệu. Cảm biến điện từ loại nam châm quay: Hình 1.8. Cảm biến điện từ loại nam chân quay cho loại động cơ 8 xylanh 1-Rôto nam châm ; 2-Lõi thép từ; 3- Cuộn dây cảm biến 9 Nguyễn Hải Triều Nam châm được gắn trên rotor, còn cuộn dây cảm biến được quấn quanh một lõi thép và cố định trên vỏ delco. Khi nam châm quay, từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên tạo nên một sức điện động sinh ra trong cuộn dây. Do từ trường qua cuộn dây đổi dấu nên sức điện động sinh ra trong cuộn dây lớn. Hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên Hình 1.9. Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng điện từ (HONDA) Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến điện từ được sử dụng phổ biến trên các loại xe ôtô vì nó có cấu tạo khá đơn giản, dễ chế tạo và ít hư hỏng. Sơ đồ mạch điện loại này được trình bày trên hình 4 Khi cuộn dây cảm biến không có tín hiệu điện áp hoặc điện áp âm, transistor T1 ngắt nên T2 ngắt, T3 dẫn cho dòng qua cuộn sơ cấp về mass. Khi răng của rotor cảm biến tiến lại gần cuộn dây cảm biến, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động xoay chiều, nửa bán kỳ dương cùng với điện áp rơi trên điện trở R2 sẽ kích cho transistor T1 dẫn, T2 dẫn theo và T3 sẽ ngắt. Dòng qua cuộn sơ cấp ở bobine bị ngắt đột ngột tạo nên một sức điện động cảm ứng lên cuộn thứ cấp một điện áp cao và được đưa đến bộ chia điện. b. HTĐL sử dụng cảm biến quang - Cảm biến quang gồm hai loại, chúng chỉ khác nhau ở phần tử cảm biến quang. 10 . sức điện động sinh ra trong cuộn dây lớn. Hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên Hình 1.9. Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng điện từ (HONDA) Hệ thống đánh lửa bán. của biến áp đánh lửa xuất hiện các suất điện động tự cảm. Trong hệ thống đánh lửa thường E1 = 200 400V hoặc lớn hơn. Bởi vậy không thể lấy biến áp đánh lửa tiêu chuẩn (dùng cho hệ thống đánh lửa. cơ. Ưu nhược điểm của hệ thống đánh lửa bán dẫn so với hệ thống đánh lửa thường:  Ưu điểm: - Có thể đồng hoá hệ thống đánh lửa chung cho các loại động cơ ôtô khác nhau. - Điện thế thứ cấp U 2 =