Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa

MỤC LỤC 1.1. Công dụng 4 1.2. Yêu cầu 4 1.3. Phân loại 4 1.3.1. Hệ thống đánh lửa thường 4 1.3.2. Hệ thống đánh lửa Manhêtô 6 1.3.3. Hệ thống đánh lửa bán dẫn 7 1.3.4. Hệ thống đánh lửa điện tử 11 1.4. Góc đánh lửa sớm và điều chỉnh góc đánh lửa sớm 14 1.4.1. Góc đánh lửa sớm 14 1.4.2. Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm 18 1.5. Cấu tạo buji 22 2.1. Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa 24 2.1.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m 24 2.1.2. Hiệu điện thế đánh lửa U đl 24 2.1.3. Hệ số dự trữ: K dt 25 2.1.4. Năng lượng dự trữ: W dt 25 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 26 2.1.7. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện 27 2.2. Lý thuyết đánh lửa trong ô tô 28 -MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 3 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ 4 PHẦN II: TÍNH VÀ VẼ ĐẶC TÍNH DÒNG ĐIỆN QUA CUỘN SƠ CẤP 24 2.2.1. Qúa trình tăng trưởng dòng sơ cấp 28 2.2.2. Qúa trình ngắt dòng sơ cấp 32 2.2.3. Qúa trình phóng điện ở cực buji 34 2.3. Tính dòng điện qua cuộn sơ cấp 34 2.4. Vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp 36 2.5. Tính số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp 38 2.6. Kết luận 38 3.1.Hiệu điện thế đánh lửa 39 3.2. Tính hiệu điện thế thứ cấp cực đại 39 3.3. Tính toán cuộn sơ cấp 40 3.4. Tính toán cuộn thứ cấp 42 3.5. Tính năng lượng hệ thống đánh lửa 46 3.6. Kiểm tra cân bằng năng lượng 47 PHẦN III: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA DÒNG THỨ CẤP HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 39 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa LỜI NÓI ĐẦU 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ 1.1. Công dụng Hệ thống đánh lửa (HTĐL) có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều thế hiệu thấp (6, 12 hay 24) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp thành các xung điện cao thế (12000 ÷ 24000V) đủ để tạo nên tia lửa đốt cháy hỗn hợp làm việc trong các xi lanh của động cơ vào những thời điểm thích hợp và tương ứng với trình tự xi lanh và chế độ làm việc của động cơ. Trong một số trường hợp, hệ thống đánh lửa còn dùng để hỗ trợ khởi động tạo điều kiện khởi động động cơ được dễ dàng ở nhiệt độ thấp. 1.2. Yêu cầu Hệ thống đánh lửa phải đáp ứng các yêu cầu chính sau: - Phải đảm bảo thế hiệu đủ để tạo ra được tia lửa điện phóng qua khe hở giữa các điện cực của buji. - Tia lửa điện phải có năng lượng đủ lớn để đốt cháy được hỗn hợp làm việc trong mọi điều kiện làm việc của động cơ. - Thời điểm đánh lửa phải tương ứng với góc đánh lửa sớm hợp lý nhất ở mọi chế độ làm việc của động cơ. - Độ tin cậy làm việc của hệ thống đánh lửa phải tương ứng với độ tin cậy làm việc của động cơ. - Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ. 1.3. Phân loại 1.3.1. Hệ thống đánh lửa thường Biến áp đánh lửa có hai cuộn dây: cuộn sơ cấp W 1 có khoảng 250 ÷ 400 vòng, cuộn thứ cấp W 2 có khoảng 19000 ÷ 26000 vòng. Cam 1 của bộ chia điện được dẫn động quay từ trục phân phối, làm nhiệm vụ đóng mở tiếp điểm KK’, tức là nối ngắt mạch sơ cấp của biến áp đánh lửa. 4 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa thường. [3] 1- cam; 2- cần tiếp điểm; 3- bobin đánh lửa; 4- bộ chia điện 5- buji; R- điện trở; C- tụ điện; W 1 - cuộn sơ cấp; W 2 - cuộn thứ cấp + 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. + 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 sức điện động tự cảm tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông. Bởi vì cuộn W 2 có số vòng dây lớn nên sức điện động cảm ứng sinh ra trong nó cũng lớn, đạt giá trị khoảng 12000 ÷ 24000V. Điện áp cao này truyền từ cuộn thứ cấp qua rô to của bộ chia điện 4 và các dây dẫn cao áp đến các biji đánh lửa 5 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 buji đốt cháy hỗn hợp làm việc trong xi lanh. Vào thời điểm tiếp điểm mở, trong cuộn W 1 cũng xuất hiện một sức điện động tự cảm khoảng 200 ÷ 300V. Nếu như không có tụ điện C mắc song song với tiếp điểm KK’, thì sức điện động 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. Khi có tụ C dòng sơ cấp và sức điện động tự cảm e 1 được dập tắt nhanh chóng, không gây ra tia lửa ở tiếp điểm và U 2 tăng lên. 5 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 1.3.2. Hệ thống đánh lửa Manhêtô Hình 1.2. Hệ thống mạch từ của Manheto. [3] Hình 1.3. Sơ đồ mạch điện của Manheto. [6] 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 – rô to; 8,9 – bánh răng; 10 – buji; 11 – rô to nam châm; 12 – cam; 6 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 13 – tiếp điểm chính; 14 – tiếp điểm động; 15 – công tắc điện; 16 – cam Nguyên lý tạo nên điện cao thế tương tự như ở hệ thống đánh lửa thường dùng ắc quy, chỉ khác là dòng điện trong cuộn dây sơ cấp sinh ra là do sức điện động 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. Các quá trình vật lý xảy ra trong Manheto cũng tương tự như trong hệ thống đánh lửa thường, tức là cũng có thể chia làm ba giai đoạn và mô tả bằng những phương trình toán học giống nhau. 1.3.3. Hệ thống đánh lửa bán dẫn 1.3.3.1. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển Hình 1.4. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển. [3] B, C, E - Các cực của transistor SW - Công tắc W 1 , W 2 - Cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp R b , R f - Các điện trở; K – Khóa điện; → Chiều dòng điện, Z – Đến buji Khi bật công tắc máy IG/SW thì cực E của transistor được cấp nguồn dương, cực C của transistor được nối trực tiếp với nguồn âm. Khi tiếp điểm KK’ đóng: cực B của transistor được nối với nguồn âm, U BE < 0, xuất hiện dòng I b , transistor dẫn làm xuất hiện dòng sơ cấp đi theo mạch: Từ (+) ắc quy đến R f đến W 1 đến cực E đến cực B đến R b đến KK’ và sau đó đến (-) ắc quy. 7 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Dòng sơ cấp: I 1 = I c + I b = I e . Dòng điện này tạo nên từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. Khi tiếp điểm KK’ mở dòng sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa. Tại thời điểm KK’ mở, trong cuộn sơ cấp cũng xuất hiện sức điện động E 1 = (200 ÷ 300)V, làm hỏng transistor. Để giảm E 1 người ta phải dùng biến áp có K ba lớn và L 1 nhỏ hoặc dùng các mạch bảo vệ cho transistor. Trên thực tế, để giảm dòng điện qua tiếp điểm người ta dùng nhiều transistor mắc nối tiếp. 1.3.3.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn không có tiếp điểm a. Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến điện từ Hình 1.5. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ. [3] T 1 , T 2 , T 3 – Các transistor R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 – Các điện trở C –Tụ điện; D – Diode; W 1 – Cuộn sơ cấp; W 2 – Cuộn thứ cấp; IG/SW – Công tắc; 1 – Ắc quy; 2 – Cuộn dây cảm biến; 3 – Bobin; 4 – Đến buji Khi bật công tắc máy sẽ xuất hiện các dòng điện sau: - Dòng I 1 : Từ (+) AQ qua IG/SW đến R 1 đến R 2 đến (-) AQ, tạo ra điện áp đệm U R2 trên cực B của T 1 . Tuy nhiên U R2 chưa đủ để làm cho T 1 mở. 8 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa - Dòng I 2 : Từ (+) AQ qua IG/SW đến R 4 đến R 5 đến (-) AQ, tạo ra điện áp đệm U R5 trên cực B của T 3 , T 3 dẫn, xuất hiện dòng điện sơ cấp đi từ (+) AQ đến IG/SW đến bobin đến T 3 đến (-) AQ. Dòng điện này tạo nên từ thông khép kín mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. - Khi trên cuộn dây cảm biến không có tín hiệu điện áp hoặc điện áp âm thì T 1 ngắt, T 2 ngắt, T 3 vẫn tiếp tục dẫn. - Khi trên cuộn dây cảm biến có tín hiệu điện áp dương, kết hợp với điện áp đệm U R2 , làm cho T 1 dẫn, T 2 dẫn, T 3 ngắt. Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa. b. Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến quang Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến quang. [3] T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , T 5 – Các transistor R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R f – Các điện trở D 1 , D 2 , D 3 – Các diode IG/SW – Công tắc; 1 - Ắc quy; 2 – Bô bin; 3 – Đến buji Khi bật công tắc máy sẽ xuất hiện các dòng điện sau: - Dòng I 1 : Từ (+) AQ qua IG/SW đến R 6 đến R 1 đến D 1 . - Dòng I 2 : Từ (+) AQ qua IG/SW đến R 7 đến R 8 đến (-) AQ, tạo ra điện áp đệm U R8 trên cực B của T 5 , T 5 dẫn, xuất hiện dòng sơ cấp đi từ: (+) AQ qua IG/SW đến R f đến bobin đến T 5 đến (-) AQ. Dòng điện này tạo nên từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. 9 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Khi rotor quay, tại vị trí đĩa cảm quang ngăn dòng ánh sáng tử LED D 1 sang transistor T 1 , T 1 ngắt, T 2 ngắt, T 3 ngắt, T 4 ngắt, T 5 vẫn tiếp tục dẫn. Tại vị trí đĩa cảm quang cho dòng ánh sáng tử LED D 1 sang transistor T 1 , T 1 dẫn, T 2 dẫn, T 3 dẫn, T 4 dẫn, T 5 ngắt. Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa. c. Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến Hall Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến Hall. [3] IG/SW – Công tắc; C 1 , C 2 – Các tụ điện; T 1 , T 2 , T 3 – Các transistor R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R f – Các điện trở D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 – Các diode; 1 - Ắc quy; 2 – Bobin; 3 – Đến buji Khi bật công tắc máy sẽ xuất hiện dòng điện I 1 đi từ (+) AQ qua IG/SW đến D 1 đến R 1 , cung cấp điện cho cảm biến Hall. Khi rotor quay tại vị trí cánh chắn xen giữa nam châm và phần tử Hall thì điện áp đầu ra của cảm biến U ra ≈ 12V, T 1 dẫn,T 2 dẫn, T 3 dẫn. Lúc này dòng sơ cấp đi theo mạch sau: (+) AQ qua IG/SW đến R f đến bobin đến T 3 đến (-) AQ. Dòng điện này tạo nên từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. Khi cánh chắn rời khỏi vị trí giữa nam châm và phần tử Hall thì điện áp đầu ra của cảm biến Hall U ra ≈ 0V, T 1 ngắt, T 2 ngắt, T 3 ngắt. Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa. 10 [...]... nên hệ thống này được sử dụng rất nhiều trên những động cơ hiện đại trong thời gian gần đây 13 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 1.4 Góc đánh lửa sớm và điều chỉnh góc đánh lửa sớm 1.4.1 Góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm và góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại buji cho đến khi piston lên tới điểm chết trên Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính. .. điện cực của buji tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng tia lửa đủ lớn và 27 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa thời gian phóng điện đủ dài để đốt cháy được hòa khí ở mọi chế độ hoạt động của động cơ 2.2 Lý thuyết đánh lửa trong ô tô 2.2.1 Qúa trình tăng trưởng dòng sơ cấp Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa [2] 1- Ắc quy; 2 – IC; 3- Bobin;... áp gần nhau Hệ thống đánh lửa trực tiếp bao gồm hai loại: a Hệ thống đánh lửa sử dụng bobin đôi 3 5 T1 ECU 2 T2 G1 G2 Ne 4 1 Hình 1.9 Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đôi [3] G1, G2 – Cảm biến vị trí trục khuỷu; Ne – Cảm biến tốc độ động cơ T1, T2 – Các transistor; 1 - Ắc quy; 2 – Công tắc; 3 – Buji; 4 – Cuộn đánh lửa; 5 – Các cảm biến khác 12 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Giả sử đến.. .Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 1.3.4 Hệ thống đánh lửa điện tử 1.3.4.1 Hệ thống đánh lửa gián tiếp 5 W1 5V 3 W2 4 IGF IGT W2 G NE 2 1 6 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống đánh lửa gián tiếp [3] T1, T2 – Các transistor; W1, W2 – Cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp G – Cảm biến vị trí trục khuỷu; NE –... lửa hỗn hợp nghèo tốt hơn nhưng U đl lại tăng Khe hở nhỏ thì có thể bị muội lấp kín nên không tạo tia lửa được, chiều dài tia lửa giảm nên đánh lửa hỗn hợp nghèo kém 23 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa PHẦN II: TÍNH VÀ VẼ ĐẶC TÍNH DÒNG ĐIỆN QUA CUỘN SƠ CẤP 2.1 Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa 2.1.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là hiệu điện thế cực đại... khe hở buji sau mỗi 10000km 24 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Hình 2.1 Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải của động cơ [2] 1 – Toàn tải; 2 – Nửa tải; 3 – Tải nhỏ; 4 – khởi động và cầm chừng 2.1.3 Hệ số dự trữ: Kdt Hệ số dự trữ là tỷ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl K đl = U 2m U đl Đối với hệ thống đánh lửa thường, do U 2m thấp nên Kđl... về góc đánh lửa Hình 1.16 Điều khiển đánh lửa ở chế độ khởi động [3] G – Cảm biến vị trí trục khuỷu; NE – Cảm biến tốc độ động cơ; 1 – Back – up; 2 – Bộ vi xử lí 18 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa Thông thường, góc đánh lửa sớm được chọn nhỏ hơn 10 o Với góc đánh lửa này, động cơ được khởi động dễ dàng ngay cả khi nguội, đồng thời tránh sự nổ dội Việc hiệu chỉnh theo nhiệt độ góc đánh lửa sớm... áp b Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đơn 3 B+ T1 2 1 G E C U B+ T2 B+ Ne T3 Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đơn [3] G – cảm biến vị trí trục khuỷu; Ne – cảm biến tốc độ động cơ; T1, T2, T3 – các transistor; 1 – các cuộn đánh lửa; 2 – đến buji Với hệ thống đánh lửa sử dụng bobin đơn, mỗi bobin dùng cho một buji IC đánh lửa, bobin và buji được tích hợp vào một kết cấu... kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa T= 26 1 = tđ + tm f Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 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 thuận với số vòng quay trục khuỷu động cơ và số xy lanh khi tăng số vòng quay của động cơ và số xy lanh, tần số đánh lửa f tăng, do đó chu kỳ đánh lửa. .. thực tế θbđ: Góc đánh lửa sớm ban đầu 14 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa θcb: Góc đánh lửa sớm cơ bản θhc: Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh Hình 1.11 Góc đánh lửa thực tế [3] Khi số vòng quay của động cơ tăng: thời gian làm việc của chu trình bị rút ngắn, do đó góc đánh lửa sớm cần phải tăng lên Nếu thời gian cháy của nhiên liệu không đổi thì θs phải tăng tuyến tính theo n, nhưng do n tăng làm tăng áp . DÒNG THỨ CẤP HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 39 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa LỜI NÓI ĐẦU 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ 1.1 tia lửa. 10 Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa 1.3.4. Hệ thống đánh lửa điện tử 1.3.4.1. Hệ thống đánh lửa gián tiếp W 1 W 2 1 2 3 4 5 IGF IGT W 2 G NE 5V 6 Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống đánh lửa. 4 1.3.1. Hệ thống đánh lửa thường 4 1.3.2. Hệ thống đánh lửa Manhêtô 6 1.3.3. Hệ thống đánh lửa bán dẫn 7 1.3.4. Hệ thống đánh lửa điện tử 11 1.4. Góc đánh lửa sớm và điều chỉnh góc đánh lửa sớm