Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140

` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 LỜI NÓI ĐẦU Với tiến phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, đặc biệt ngành điện tử kỹ thuật vi xử lí mà động ô tô ngày trang bị đầy đủ hệ thống điều khiển điện tử nhằm tối ưu hóa an toàn thuận lợi cho người sử dụng Ngành công nghiệp ô tô nước ta trình phát triển cần có nghiên cứu cụ thể hệ thống điều khiển điện tử động ô tô Mà việc cải tiến, nâng cao hiệu suất làm việc, giảm mức tiêu hao nhiên liệu giảm mức độ độc hại khí xả đóng vai trò vô quan trọng Một động muốn hoạt động tốt phải phụ thuộc vào yếu tố: hòa khí tốt, áp suất nén buồng đốt cao, đánh lửa mạnh Chính vai trò đặc biệt quan trọng hệ thống đánh lửa mà nhà sản xuất không ngừng cải tiến, việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng lớn đến công suất, tính kinh tế độ ô nhiễm khí thải động Từ lí em thực đề tài thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MERCEDES BENZ MB140 Trong trình nghiên cứu, tìm hiểu để thực đồ án, nhờ vào cố gắng nỗ lực thân với nhiệt tình hướng dẫn thầy hướng dẫn Lê Văn Tụy, thầy Nguyễn Viết Thuận giúp đỡ thầy khoa giúp em hoàn thành yêu cầu nhiệm vụ giao Với khả tài liệu hạn chế nên trình thực đồ án em không tránh sai sót, kính mong thầy cô thông cảm góp ý để em hoàn thiện kiến thức hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn thầy cô khoa giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực Đinh Quốc Phương ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Mục đích, ý nghĩa đề tài 1.1 Mục đích Góc đánh lửa sớm điều chỉnh tối ưu cho chế độ hoạt động động Công suất đặc tính động học động cải thiện rõ rệt Góc ngậm điện luôn điều chỉnh theo tốc độ động theo hiệu điện ắc quy, đảm bảo điện áp thứ cấp có giá trị cao thời điểm Động khởi động dễ dàng, tiết kiệm nhiên liệu giảm độc hại khí thải Thấy rõ vai trò quan trọng mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm đến việc tạo tia lửa điện lượng tia lửa có hiệu Tìm hiểu, nắm vững nguyên lý làm việc từ thấy ưu nhược điểm mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm sử dụng loại xe Tìm hiểu nắm vững nguyên lý hoạt động, cấu tạo mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm sử dụng hệ thống đánh lửa xe Mercedes Benz MB140 Có thể chẩn đoán cách xác nhanh chóng hư hỏng mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm hệ thống đánh lửa động M161 nói riêng động đại tương đương nói chung 1.2 Ý nghĩa đề tài Giúp cho sinh viên tiếp cận thực tế hiểu rõ vai trò, kết cấu mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm Hiểu rõ vai trò quan trọng mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm hệ thống đánh lửa Nắm vững cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm động M161 xe Mercedes Benz MB140 từ làm tiền đề để nghiên cứu mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm động khác Giúp sinh viên có nhiều kinh nghiệm thực tế nhằm hiểu biết thêm hệ thống đánh lửa điện tử động đời Tìm hiểu vi mạch công dụng nhằm tối ưu hóa phận điều khiển ô tô Giới thiệu sơ xe Mercedes Benz MB140 2.1 Tổng quan động M161 xe Mercedes Benz MB140 Động M161 khảo sát lắp xe MB140 hãng xe MercedesBenz Đây động đại, với đầy đủ hệ thống như: hệ thống phun xăng nhiều điểm điều khiển hoàn toàn điện tử, động xilanh đúc liền với thân máy, xilanh có xupáp có xupáp nạp xupáp thải Hệ thống phân phối khí có trục cam dẫn động xupáp thông qua truyền ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 xích Hệ thống thải có ống xả xúc tác, hồi lưu khí xả, cảm biến ôxy Hệ thống đánh lửa điều khiển điện tử Hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát trang bị đầy đủ tối ưu thể qua bảng thông số kỹ thuật (bảng 2-1) Với nhiều hệ thống vậy, động có hình dạng bên gọn nhẹ, chắn Bảng 2-1 Bảng thông số kỹ thuật động M161 Kiểu động Loại động Số xilanh : xăng : M161-DOHC : xilanh bố trí thẳng hàng Thứ tự làm việc Công suất cực đại (KW) / svq (v/ph) : 1-3-4-2 : 91,5/5000 Mômen cực đại (N.m) / svq (v/ph) : 185/3500 Dung tích xilanh Tốc độ cực đại Tỉ số truyền hộp số Tỉ số truyền cầu chủ động Trọng lượng toàn Tải trọng phân bố lên cầu trước/sau (kg) : 1,295 ( cm ) : 155 (km/h) : 4,22 - 2,83 - 1,54 - 1,14 - 0,88 : 4,88 : 3100 (kg) : 1500/1600 Cỡ lốp trước sau : 195,76/R16 2.2 Một số cấu hệ thống động M161 2.2.1 Piston, xilanh, truyền, trục khuỷu Piston chi tiết quan trọng động đốt Trong trình làm việc động cơ, piston chịu lực lớn, nhiệt độ cao ma sát mài mòn lớn Do điều kiện làm việc vậy, nên vật liệu dùng để chế tạo piston có độ bền cao Trên động M161 vật liệu chế tạo piston hợp kim nhôm Mỗi piston gồm có xéc măng, gồm xéc măng khí xéc măng dầu Trên đỉnh piston khoét lõm nhằm tăng dung tích buồng cháy Trên động M161 xilanh đúc liền với thân máy, với kết cấu động có độ cứng vững cao, độ biến dạng xilanh cổ trục nhỏ Vật liệu chế tạo xilanh thân máy gang, bề mặt xilanh gia công xác luyện để đảm bảo cho xilanh làm việc điều kiện nhiệt độ, áp suất mài mòn lớn ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Thanh truyền đặt nghiêng với đường tâm xilanh góc , nên triệt tiêu lực ngang cụm đầu nhỏ truyền piston Như làm giảm mài mòn cho piston xilanh, chống va đập, nâng cao tốc độ động Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật nhóm piston, xilanh Piston Đường kính đỉnh piston Chiều cao từ đỉnh piston đến đường tâm chốt piston 19.5mm Đường kính chốt piston Độ côn piston 22mm 0.013mm 90mm Xylanh 90.9mm 0.013 Chiều cao xilanh 140mm 22 Đường kính xilanh Lòng xilanh độ côn A 149 A 26  48,5 22 56 91 Hình 2-1 Kết cấu piston truyền động M161 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Trục khuỷu động M161 gồm có cổ trục cho xilanh động cơ, đầu trục khuỷu có lắp bánh dẫn động phận khác Trong thân trục khuỷu có khoan lỗ dầu bôi trơn cho chốt khuỷu truyền Kết cấu trục khuỷu hình 2-2 Hình 2-2 Kết cấu trục khuỷu động M161 1- Puly; 2- Bánh răng; 3- Cổ trục khuỷu; 4- Chốt khuỷu; 5- Má khuỷu; 6- Bánh đà Bảng 2-3 Bảng thông số trục khuỷu Tên thông số Giá trị Đơn vị Đường kính chốt khuỷu 62 mm Bề rộng chốt khuỷu 34,2 mm Đường kính cổ trục 58,6 mm Bề rộng cổ trục 32,5 mm Bề dày má khuỷu 26 mm Khoảng cách từ tâm cổ trục đến tâm chốt khuỷu 44,2 mm STT 2.2.2 Hệ thống làm mát Hệ thống làm mát động M161 hệ thống làm mát chất lỏng Ở hệ thống này, nhiệt độ từ xilanh truyền qua chất lỏng chứa áo bao quanh xilanh, sau nước qua két nước có diện tích thích ứng Ở có dòng không ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 khí tuần hoàn qua bề mặt két nước để làm mát nước Dòng không khí cung cấp quạt gió chuyển động xe, mang theo nhiệt tỏa khoảng không Sơ đồ cấu tạo sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát động M161 sau: Hình 2-3 Hệ thống làm mát động M161 1- Két nước; 2- Quạt gió; 3- Bình nước; 4- Van nhiệt; 5- Đồng hồ; 6- Nước làm mát Bảng 2-4 Các thông số kỹ thuật hệ thống làm mát Kiểu làm mát Làm mát cưỡng Kiểu tỏa nhiệt Tỏa nhiệt chéo qua luồng Kiểu bơm nước Cưỡng Dung tích chất lỏng làm việc 8lít Lưu lượng quạt làm mát 2500 m3/h Van nhiệt Bắt đầu mở: 800C Mở toàn bộ: 1150C Nhiệt độ ổn định để động làm việc tối thiểu 800C tối đa 1150C Khi động làm việc, bơm nước hoạt động, nước tuần hoàn từ két nước vào áo bao quanh xilanh làm mát cho động cơ, nắp máy họng bướm ga Khi động nguội (chưa đạt 800C) van nhiệt mở để nước qua lò sưởi điện hâm nóng ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 nước làm mát Khi nhiệt độ nước làm mát đạt 800C van nhiệt đóng lại, van máy điều nhiệt mở để nước qua máy điều nhiệt lại bơm Một phần nước két nước qua hệ thống tỏa nhiệt để hạ nhiệt độ nước làm mát nhằm ổn định nhiệt độ cho động làm việc 2.2.3 Hệ thống bôi trơn động M161 Hệ thống bôi trơn động M161 hệ thống bôi trơn áp lực cưỡng bức, với sơ đồ cấu tạo thông số kỹ thuật hệ thống sau: Hình 2-4 Sơ đồ hệ thống bôi trơn động M161 1- Cácte; 2- Phao; 3- Bơm; 5- Lọc thô; 4, 6, 13- Van; 8, 9, 10- Dầu bôi trơn; 11- Lọc tinh Bảng 2-5 Bảng thông số hệ thống bôi trơn Kiểu bôi trơn Cưỡng Bơm dầu Bơm rôto Chu kỳ thay lọc dầu 10000 Km Dung tích dầu hệ thống Áp suất dầu hệ thống 7.7L  0, Kg/cm2 Khi động làm việc bơm dầu hoạt động, bơm dầu từ cácte qua lọc dầu tới cổ trục khuỷu đến đầu to truyền, theo đường dầu truyền lên bôi trơn đầu nhỏ truyền chốt piston Một đường dầu khác lên bôi trơn cổ trục cam, đội, ống dẫn hướng xupáp, tất phận bôi trơn ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 áp lực Thành xilanh, piston, chốt piston bôi trơn lượng dầu văng từ truyền trục khuỷu Trên hệ thống bôi trơn có đồng hồ đo áp suất để báo áp suất làm việc hệ thống Áp suất ổn định hệ thống 7KN/m2, áp suất không ổn định mức cần kiểm tra sửa chữa hệ thống bôi trơn động 2.2.4 Hệ thống phân phối khí động M161 Hệ thống phân phối khí động M161 gồm hai cam dẫn động trực tiếp xupáp thông qua đội thủy lực Đặc điểm hệ thống phối khí loại phận cò mổ đũa đẩy Với hệ thống phân phối khí phần nắp động đơn giản gọn nhẹ hơn, hiệu suất làm việc cao hệ thống phối khí có phận cò mổ, đũa đẩy khe hở nhiệt bị thay đổi Đặc biệt động có xupáp gồm xupáp nạp xupáp thải, với kết cấu trình nạp nạp nhiều trình thải thải Bảng 2-6 Các thông số hệ thống phối khí Trục cam Số lượng trục cam trục cam Đường kính trục cam 28mm Hành trình nâng xupáp nạp 10mm Hành trình nâng xupáp thải 10mm Xupáp Đường kính đế xupáp nạp 35  0, 1mm Đường kính đế xupáp thải 31  0, mm Khi khởi động trục khuỷu quay truyền chuyển động đến trục cam thông qua dẫn động đai Hai bánh đai trục cam có bán kính hai lần bán kính bánh đai trục khuỷu Như hai vòng quay trục khuỷu trục cam quay vòng Các cam trục cam bố trí trục cam cho xupáp đóng mở thời điểm thứ tự làm việc động Thứ tự làm việc động M161: + Ở kỳ nạp, xupáp nạp mở, xupáp thải đóng, piston xuống hút hỗn hợp nhiên liệu vào xilanh động + Ở kỳ nén, xupáp nạp xupáp thải đóng, piston lên nén hỗn hợp không khí nhiên liệu buồng đốt động ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 + Ở kỳ nổ, xupáp nạp xupáp thải đóng, piston điểm chết bugi bật lửa đốt cháy hỗn hợp không khí nhiên liệu, áp suất tăng cao sinh công đẩy piston xuống + Ở kỳ thải, xupáp thải mở, xupáp nạp đóng, piston lên đẩy khí thải 2.2.5 Hệ thống thải động M161 Hệ thống thải động M161 bổ sung thêm nhiều phân khác như: xúc tác chức năng, hồi lưu khí xả, cảm biến nồng độ ôxy nhằm hạn chế tối đa nồng độ khí ô nhiễm khí thải động Hệ thống thải động M161 có sơ đồ kết cấu sau: Hình 2-5 Hệ thống hồi lưu khí thải EGR 1- Lò xo nén; 2- Cụm áp thấp; 3- Màng; 4- Đế van; 5- Vỏ; Khi động làm việc, hỗn hợp khí nhiên liệu đốt cháy kỳ nổ với phương trình phản ứng cháy sau: CnHm + (O2 + N2) CO2 + H2O + N2 + CO +NOx + HC + + O2 + (Gốc OH) Sản phẩm cháy gồm: NOX, CO, HC, O2 thải qua xupáp thải vào ống góp thải, sau sản phẩm cháy qua xúc tác chức Sau qua xúc tác chức chất sản phẩm cháy NO X, CO, HC, O2 trở thành chất khác N2, CO2, H2O hoàn toàn không độc hại đến môi trường Sau qua xúc tác, sản phẩm cháy qua tiêu âm để giảm tiếng ồn thải trường Từ nồng độ ôxy khí xả, cảm biến ôxy ghi nhận thông tin chuyển vi xử lý trung tâm làm tín hiệu để điều chỉnh lượng xăng phun vào cho kỳ nạp động nhằm đảm bảo nồng độ chất ô nhiễm thấp nhất, phương trình phản ứng ống thải xúc tác sau: ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Phản ứng ôxy hóa: CO + O2 CO2 CxHy + (x + y/4)O2 Phản ứng khử: NO + H2 NO + CO (2x + y/2) NO + CxHy xCO2 + y/2 H2O 1/2 N2 + H2O 1/2 N2 + CO2 (x +y/4)N2 + xCO2 +y/2 H2O Bộ hồi lưu khí xả có nhiệm vụ hồi lưu phần khí xả lại hệ thống nạp để nạp vào động nhằm giảm bớt lượng khí xả thải môi trường hạn chế nồng độ chất ô nhiễm, đồng thời cung cấp thêm phần khí nạp cho động để trình nạp tốt tăng công suất động 2.2.6 Hệ thống nhiên liệu động M161 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động M161 hệ thống phun xăng điện tử, gồm hệ thống sau: + Hệ thống nhiên liệu: phận cung cấp nhiên liệu cho động làm việc thông qua phận như: bình chứa nhiên liệu, lọc nhiên liệu, ống góp nhiên liệu (giàn ống phân phối), ổn định áp suất, vòi phun + Hệ thống nạp khí: phận quan trọng hệ thống nhiên liệu Hệ thống nạp khí có nhiệm vụ nạp không khí vào động kỳ nạp để hòa trộn với nhiên liệu tạo thành hỗn hợp cho trình cháy, hệ thống gồm thành phần sau: lọc không khí, cổ họng gió, ống góp hút, + Hệ thống điều khiển: phận gồm tất cảm biến điều khiển trung tâm ECU Cảm biến ghi nhận tín hiệu tình trạng hoạt động động biến đổi giá trị thành tín hiệu tương tự gửi vi xử lý trung tâm ECU Bộ ECU có chức xử lý gửi tín hiệu điều khiển đến vòi phun, phun lượng nhiên liệu tương ứng với yêu cầu động Trên động M161 vòi phun phun xăng trực tiếp vào họng nạp, loại bỏ hoàn toàn nhược điểm chế hoà khí cổ điển Với việc sử dụng phương pháp phun nhiều điểm cho phép thiết kế ống góp nạp nhỏ Mặt khác họng bướm ga thấp so với chiều cao chế hòa khí, khoang chứa động thấp Một ưu điểm hệ thống phun xăng điện tử lượng nhiên liệu cung cấp cho xilanh nhau, chế hòa khí xilanh xa động hỗn hợp đậm Ngày vấn đề tăng hiệu suất động giảm tiêu hao nhiên liệu đặt lên hàng đầu toàn xã hội, trước yêu cầu hãng xe Mercedes Benz trang bị cho loại xe MB140 thêm hệ thống nhằm kiểm soát trình cháy như: hệ thống hồi lưu khí xả, ống xả xúc tác, cảm biến ôxy, Bảng 2-7 Các thông số hệ thống nhiên liệu 10 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 a Nguyên lý chung: sử dụng mạch khuếch thuật toán (opamp) thực việc điều khiển thời điểm tạo xung đánh lửa dựa vào tín hiệu từ cảm biến tốc độ động (NE), cảm biến góc quay trục khuỷu (G) tín hiệu tải động b Ưu nhược điểm: Ưu điểm: + Điều khiển tín hiệu theo thuật toán + Đảm bảo độ xác cao + Dễ làm, dễ sử dụng dùng phổ biến + Thời gian đáp ứng nhanh + Giá thành hạ Nhược điểm: + Muốn thay đổi yêu cầu mạch buộc phải thay đổi phần cứng Do lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn thời gian kinh tế 4.3.2.2 Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm dùng vi điều khiển a Nguyên lý chung: sử dụng chip lập trình dùng để điều khiển xung đánh lửa dựa vào tín hiệu từ cảm biến Theo tập lệnh người lập trình, vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lí thông tin, đo thời gian độ rộng xung từ đưa xung đánh lửa tối ưu theo chế độ hoạt động động b Ưu nhược điểm: Ưu điểm: + Trong mạch sử dụng nhớ chương trình có quy mô nhỏ, tiện lợi + Điều khiển xung đánh lửa phù hợp với chế độ làm việc động + Giảm tối thiểu số lượng tổng thể thành phần + Các thao tác chương trình điều khiển làm cho thiết kế thay đổi cách thay đổi phần mềm, nên ảnh hưởng tối thiểu đến chu kỳ sản xuất + Thích hợp cho ứng dụng: giá thấp, lượng tiêu thụ tốt Nhược điểm: + Việc tìm hiểu thiết kế khó khăn + Kết cấu mạch phức tạp, giá thành cao 4.3.3 Chọn phương án Ta thấy phương án thiết kế sử dụng vi điều khiển dù có nhiều ưu điểm số thành phần giảm bớt, hiệu trực tiếp tính khả lập trình vi 66 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 điều khiển độ tích hợp cao công nghệ, thường chuyển thành thời gian phát triển ngắn hơn, giá thành sản xuất thấp hơn, công suất tiêu thụ thấp độ tin cậy cao Nhưng giải pháp dựa vi điều khiển không nhanh giải pháp dựa thành phần rời rạc Những tình đòi hỏi phải đáp ứng thật nhanh (cỡ nsec- nano giây) kiện (thường chiếm thiểu số ứng dụng) quản lý tồi dựa vào vi điều khiển Hơn việc thiết kế tính toán mạch điện tử tương tự dễ dàng Do em chọn phương án thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm xe Mercedes Benz MB140 dùng mạch điện tử tương tự 4.3.4 Thiết kế 4.3.4.1 Mục đích: Ta có góc quay trục khuỷu từ điểm chết đến thời điểm bắt đầu đánh lửa  = 360-  , với  góc đánh lửa sớm Mặt khác, tốc độ góc tương ứng là:  = 360.n = 6n (độ/giây) 60 Do ta có thời điểm góc quay trục khuỷu từ điểm chết đến thời điểm 360   đánh lửa: t = 6n Căn vào biểu thức ta thấy: Khi góc đánh lửa sớm không đổi, tăng số vòng quay động n thời gian t giảm Hình 4-8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ điện áp theo thời gian Ta có: Vmax = a.T (1) Vout = b.t1 (2) 67 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Trong đó: a, b – số t1, T – thời gian từ điểm chết đến thời điểm đánh lửa tương ứng với giá trị điện áp Vout Vmax Từ (1) (2)  Vout a.T  Vmax b.t1  V b T = out = số t1 Vmax a Khi tăng tốc độ động làm tăng tốc độ dòng khí nạp vào xilanh, mặt khác làm gia tăng tốc độ dịch chuyển píttông, làm tăng nhiệt độ hòa khí cuối kì nén tốc độ lan truyền màng lửa tăng, thời gian làm việc chu trình bị rút ngắn nên góc đánh lửa sớm tăng lên Khi giảm tải trọng động cơ, lượng hỗn hợp vào xi lanh giảm làm giảm áp suất tăng phần trăm khí sót xi lanh, tốc độ cháy giảm nên cần tăng góc đánh lửa sớm Vì nguyên tắc thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm thực dựa vào góc đánh lửa sớm ban đầu hiệu chỉnh theo thay đổi tải tốc độ động Trong đề tài em dùng mạch khuếch đại thuật toán để thực việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm dựa vào tín hiệu cảm biến tốc độ động (NE), cảm biến góc quay trục khuỷu (G), cảm biến vị trí góc mở bướm ga Ta có góc đánh lửa sớm điều chỉnh theo:  s =  cb +  hc( n, ) Trong đó:  s - Góc đánh lửa sớm thực tế  cb - Góc đánh lửa sớm (giá trị lưu sẵn nhớ ECU động cơ)  hc( n, ) - Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh theo tốc độ tải động Ta biết  hc( n, ) tăng tăng tốc độ động cơ, đồng thời tăng tải trọng góc đánh lửa sớm giảm Theo hình 3-34 ta có  s theo tốc độ động tải trọng phi tuyến Xét xấp xỉ gần ta coi mối quan hệ góc đánh lửa sớm theo tốc độ tải trọng tuyến tính nên ta có:  hc( n, ) = k1.n - k2  Trong đó: n - Tốc độ động  - Tải động k1, k2 – Các hệ số tỉ lệ 68 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Vậy ta có:  s =  cb + k1.n - k2  Ta có ứng với góc đánh lửa sớm  s ta có giá trị điện áp V , với thời gian t (tương ứng với góc quay  ) ta có giá trị điện áp V  = 360 -  s Ta có:   = 360 - (  cb +k1.n - k2  )   = 360-  cb -k1.n + k2   V = Vcb – VNE + V Trong đó: Vcb - Giá trị điện áp tương ứng với góc quay 3600-  cb VNE - Giá trị điện áp theo tốc độ động V - Giá trị điện áp theo tải Ở giá trị V giá trị điện áp tương ứng với thời điểm t, ta gọi Vout 4.3.4.2 Sơ đồ khối mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm Hình 4-9 Sơ đồ khối mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm a Tín hiệu đầu vào, đầu mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm: Tín hiệu đầu vào gồm: fNE, fG, V , Vcb Trong đó: fNE - Tín hiệu tốc độ động dạng tần số fG - Tín hiệu góc quay trục khuỷu dạng tần số V - Tín hiệu tải động dạng điện áp Vcb - Tín hiệu góc đánh lửa sớm dạng điện áp Tín hiệu đầu IGT (tín hiệu đánh lửa) b Nguyên lý hoạt động: Ta có tín hiệu đầu vào: fNE, fG, V , Vcb Sau tín hiệu fNE, fG đưa qua chuyển đổi tần số sang điện áp, sau qua chuyển đổi tín hiệu G NE 69 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 chuyển thành VNE, VG Còn tín hiệu V Vcb đưa qua chia áp chuyển thành V Vcb Thực phép toán cộng trừ khuếch đại thuật toán sau: Vout = Vcb - VNE + V Sau so sánh giá trị điện áp Vout với tín hiệu điện áp cưa VG để đưa xung đánh lửa IGT có dạng sóng tín hiệu sau: c Dạng sóng tín hiệu đánh lửa IGT: Hình 4-10 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu đánh lửa IGT tạo t- Thời điểm từ điểm chết đến thời điểm đánh lửa; t1- Độ rộng xung; t2- Độ nghỉ; T- Chu kỳ 4.3.4.3 Chức phận a Các tín hiệu cảm biến Tín hiệu cảm biến tốc độ động NE cảm biến góc trục khuỷu G: ECU động sử dụng tín hiệu G NE để nhận biết góc trục khuỷu tốc độ động Đây loại cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên: gồm có rôto để khép mạch từ cuộn dây cảm ứng mà lõi thép gắn với nam châm vĩnh cửu đứng yên Rôto tín hiệu NE có 24 răng, tức cuộn nhận tín hiệu có 24 Cuộn dây cảm ứng phát 24 xung vòng quay trục cam Rôto 70 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 tín hiệu G có cho xung dạng sin cho vòng quay trục cam, cuộn kích có Hình 4-11 Sơ đồ dạng xung cảm biến G cảm biến NE Tín hiệu cảm biến bướm ga (loại điện trở): Cảm biến vị trí bướm ga lắp trục cánh bướm ga Cảm biến đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện gởi đến ECU Hình 4-12 Mạch điện cảm biến vị trí cánh bướm ga loại biến trở Cấu tạo gồm hai trượt, đầu trượt thiết kế có tiếp điểm cho tín hiệu cầm chừng tín hiệu góc mở cánh bướm ga Khi cánh bướm ga mở, trượt trượt theo điện trở tạo điện áp tăng dần tương ứng với góc mở cánh bướm ga b Mạch tạo xung cưa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán Có nhiều sơ đồ tạo xung cưa như: sơ đồ dùng transitor, sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán, sơ đồ dùng IC định thời 555 Ở em chọn sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán dạng mạch tích phân đơn giản 71 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Nguyên lý: Xây dựng sở khuếch đại lối vào đảo thành phần hồi tiếp tụ C Điện áp lối cho phương trình sau: U (t )  QC (t ) t  [  iC (t )dt  Q0 ] C C Trong đó: Q0 điện tích tụ thời điểm t = 0, iC(t) =  U vao (t ) R t U vao (t )dt  U ra0 Do ta có điện áp lối (Ura) là: U (t )   RC 0 Thành phần Ura0 xác định từ điều kiện ban đầu tích phân: Ura0 = Ura(t=0) = Q0/C Nếu lối vào Uvao xung vuông có giá trị điện áp không đổi khoảng ÷ t Ura(t) biến thiên điện áp dạng đường thẳng U  ( U vao )t  U ra0 RC Độ xác phương trình phụ thuộc vào giả thiết U0  hay dòng điện đầu vào IC gần Hình 4-13 Mạch tạo xung cưa dùng khếch đại thuật toán dạng mạch tích phân Hình 4-14 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điện áp tạo xung cưa t- Thời điểm từ điểm chết đến thời điểm đánh lửa 72 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 c Bộ chia áp, chuyển đổi tần số sang điện áp Bộ chia áp: ta sử dụng cầu chia áp –phân áp Với U điện áp nguồn cung cấp tín hiệu tải động với U =5V, điện trở R1, R2 (giả sử R1 > R2) Cách tính V : + Cộng tổng trở R = R1+ R2 + Chia điện áp U cho R Suy ra: V = R1 U R Giá trị điện áp Vbđ tính tương tự V Hình 4-15 Sơ đồ cầu chia áp tín hiệu tải động Bộ chuyển đổi tần số sang điện áp: Do tín hiệu đầu vào mạch cảm biến tốc độ động NE cảm biến vị trí góc quay trục khuỷu G thể dạng tần số nên ta sử dụng chuyển đổi tần số sang điện áp để đưa các tín hiệu sang dạng điện áp Ta có: Vout = k.fin Trong đó: Vout - Tín hiệu qua biến đổi k - Là số fin - Tín hiệu vào chuyển đổi Bộ chuyển đổi tần số sang điện áp dùng để chuyển đổi tín hiệu tần số cảm biến tốc độ động fNE tín hiệu tần số góc quay trục khuỷu fG sang tín hiệu điện áp VNE VG 73 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 d Mạch trừ điện áp, mạch cộng điện áp, mạch so sánh Mạch trừ điện áp: tạo tín hiệu điện áp đầu độ chênh lệch tín hiệu ngõ vào Trong mạch thiết kế này, ta có tín hiệu ngõ vào mạch trừ tín hiệu Vcb tín hiệu điện áp tốc độ động VNE Hình 4-16 Mạch trừ điện áp loại không đảo Ta sử dụng phương pháp chồng chất để xác định điện áp ngõ Đầu tiên giả sử Vcb nối đất, ta có: Nên V+ = R2 Vcb R1  R2 V0cb = R3  R4  R  R4 R2 V = ( )( ) Vcb R3 R3 R1  R2 Bây giả sử VNE nối đất ta có: V0 NE   R4 VNE R3 Vì điện áp ta có điện áp ngõ ra: Vra = V0cb + V0 NE = ( R3  R4 R R2 )( ) Vcb - VNE R3 R3 R1  R2 Mạch cộng điện áp: dùng để cộng tín hiệu điện áp lại với Ở ta có: Vout = Vra + V Trong đó: Vout điện áp tổng Vra V Vra điện áp mạch trừ hai tín hiệu Vcb VNE V điện áp theo tải trọng động 74 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Trong sơ đồ mạch cộng điện áp, ta có hai tín hiệu ngõ vào Vra V cung cấp qua hai điện trở R1 R2 vào mạch khuếch đại với Rf điện trở hồi tiếp, Rc (là điện trở bù offset) Ta có phương trình dòng điện hai ngõ vào khuếch đại: if = i1 + i2 Điện áp ngõ vào – (opamp) kết hợp với phương trình if = i1 + i2 ta có: vra v v    out R1 R2 Rf Ta có điện áp ngõ vout: vout = -( Rf R1 vra  Rf R2 v ) Các giá trị R1, R2 ta chọn tùy ý để tạo hệ số tỉ lệ cần thiết phù hợp với thực tế Ở ta chọn Rf =R1 = R2 =1 Suy vout = - (Vra + V ) Hình 4-17 Mạch cộng điện áp loại đảo Mạch so sánh Hình 4-18 Mạch so sánh sử dụng IC khuếch đại thuật toán 75 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Mạch có nhiệm vụ so sánh điện áp tựa cưa VG với điện áp điều khiển Vout Tại thời điểm điện áp cưa điện áp điều khiển phát xung điều khiển đánh lửa IGT Nguyên lý: Điện áp đầu khâu tạo xung VG đưa vào đầu vào đảo khuếch đại thuật toán điện áp điều khiển V đưa vào đầu vào không đảo khuếch đại thuật toán Nếu VG > V điện áp Ura = +E, VG < V khuếch đại thuật toán lật trạng thái Ura= - E Hình 4-19 Đồ thị điện áp xung IGT 360   360   cb   n   Như ta có: t = = 6n 6n t = Vcb  VNE  V 6n t = Vout 6n Mặt khác ta có: VG = a.t với a số Khi VG = Vout ta có: a = 6n Từ đồ thị điện áp xung IGT hình 4-19, ta thấy thời gian từ điểm chết đến thời điểm đánh lửa t giảm, dẫn đến giá trị Vout giảm, thời điểm đánh lửa (tín hiệu đánh lửa IGT xuất sớm hơn) Phù hợp với t = Vout 6n Kết luận Qua đồ án tốt nghiệp này, em thấy vai trò quan trọng mạch điều khiển góc đánh lửa sớm trình làm việc động Do việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp với chế độ hoạt động động tăng công suất hiệu suất động cơ, mà giải tình trạng ô nhiễm 76 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 khí thải động Việc điều chỉnh thực khí nhờ cấu chân không hay li tâm, thực dựa vào ECU So với cấu chân không li tâm, cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử có ưu điểm sau: + Góc đánh lửa sớm điều chỉnh tối ưu cho chế độ hoạt động động + Góc ngậm điện luôn điều chỉnh theo tốc độ động theo hiệu điện ắc quy, đảm bảo điện áp thứ cấp có giá trị cao thời điểm + Động khởi động dễ dàng, cầm chừng êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu giảm độc hại khí thải + Công suất đặc tính động học động cải thiện rõ rệt + Có khả điều khiển chống kích nổ cho động + Ít bị hư hỏng, có tuổi thọ cao không cần bảo dưỡng Với ưu điểm bật vậy, ngày hệ thống đánh lửa với cấu điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử thay hoàn toàn hệ thống đánh lửa bán dẫn thông thường, giải yêu cầu ngày cao độ độc hại khí thải Qua trình nghiên cứu thực đồ án em tìm hiểu số vấn đề góc đánh lửa sớm xe Mercedes Benz MB140: + Hiểu rõ mạch điều khiển góc đánh lửa sớm điện tử + Nắm vững nguyên lý, chức cấu trúc mạch điều khiển góc đánh lửa sớm vi điều khiển + Biết cấu tạo, cách bố trí mạch điều khiển góc đánh lửa sớm hệ thống đánh lửa + Có cách thức chẩn đoán kiểm tra thiết bị hệ thống 77 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 [1] TÀI LIỆU THAM KHẢO GS TS Nguyễn Tất Tiến “Nguyên lý động đốt trong” Nhà xuất giáo dục; 2000 [2] TS Nguyễn Hoàng Việt “Trang bị điện điện tử ô tô” Lưu hành nội trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng; 2009 [3] PGS TS Trần Thanh Hải Tùng “Cảm biến kĩ thuật đo” Lưu hành nội trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng; 2009 [4] Lê Tiến Trường “Mạch điện tử 1” Nhà xuất trường Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh; 2000 [5] Tống Văn On, Hoàng Đức Hải “Họ vi điều khiển 8051” Nhà xuất Lao Động Xã Hội; 2005 [6] Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng “Cấu trúc lập trình họ vi điều khiển 8051” Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội; 2004 78 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Mục đích, ý nghĩa đề tài 1.1 Mục đích 1.2 Ý nghĩa đề tài .2 Giới thiệu sơ xe Mercedes Benz MB140 2.1 Tổng quan động M161 xe Mercedes Benz MB140 .2 2.2 Một số cấu hệ thống động M161 2.2.1 Piston, xilanh, truyền, trục khuỷu 2.2.2 Hệ thống làm mát 2.2.3 Hệ thống bôi trơn động M161 .7 2.2.4 Hệ thống phân phối khí động M161 .8 2.2.5 Hệ thống thải động M161 .9 2.2.6 Hệ thống nhiên liệu động M161 10 2.2.7 Hệ thống khung gầm xe 11 Tổng quan hệ thống đánh lửa lý thuyết điều chỉnh góc đánh lửa sớm 13 3.1 Giới thiệu tổng quan hệ thống đánh lửa 13 3.1.1 Công dụng, phân loại yêu cầu hệ thống đánh lửa 13 3.1.1.1 Công dụng 13 3.1.1.2 Phân loại 13 3.1.1.3 Yêu cầu 14 3.1.2 Giới thiệu hệ thống đánh lửa 14 3.1.2.1 Hệ thống đánh lửa thường hay hệ thống đánh lửa khí 14 3.1.2.2 Hệ thống đánh lửa Manhêtô .19 3.1.2.3 Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển 19 3.1.2.4 Hệ thống đánh lửa bán dẫn tiếp điểm .21 3.1.2.5 Hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình 24 3.2 Lý thuyết điều chỉnh góc đánh lửa sớm 27 3.2.1 Diễn biễn trình cháy động châm cháy cưỡng 27 3.2.2 Lý thuyết góc đánh lửa sớm .42 3.2.2.1 Góc đánh lửa sớm 42 3.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm 43 3.2.3 Nguyên lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm 45 79 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 3.2.3.1 Các loại hệ thống đánh lửa nguyên lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm 45 3.2.3.2 Nguyên lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm động M161 47 Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe Mercedes Benz MB140 55 4.1 Giới thiệu hệ thống đánh lửa xe Mercedes Benz MB140 55 4.1.1 Một số phận hệ thống đánh lửa lắp động M161 57 4.1.1.1 IC đánh lửa 57 4.1.1.2 Cuộn đánh lửa (Bôbin đánh lửa) 58 4.1.1.3 Bugi 58 4.1.1.4 Các cảm biến hệ thống đánh lửa động M161 58 4.2 Các thông số HTĐL .62 4.2.1 Hiệu điện thứ cấp cực đại (U2m) 62 4.2.2 Hiệu điện đánh lửa Uđl 62 4.2.3 Góc đánh lửa sớm 63 4.2.4 Hệ số dự trữ Kdt .63 4.2.5 Năng lượng dự trữ Wdt 63 4.2.6 Tốc độ biến thiên hiệu điện thứ cấp 63 4.2.7 Tần số chu kỳ đánh lửa .63 4.2.8 Năng lượng tia lửa thời gian phóng điện 64 4.3 Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 64 4.3.1 Chức mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm 65 4.3.2 Phương án thiết kế 66 4.3.2.1 Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm dùng mạch điện tử tương tự 65 4.3.2.1 Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm dùng vi điều khiển 65 4.3.3 Chọn phương án 65 4.3.4 Thiết kế 66 4.3.4.1 Mục đích 66 4.3.4.2 Sơ đồ khối mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm .68 4.3.4.3 Chức phận 68 Kết luận 75 Tài liệu tham khảo .78 80 [...]... xăng; 10- Rơle điều khiển bơm 2.2.7 Hệ thống khung gầm của xe Xe Mercedes Benz MB140 có chiều dài cơ sở là 2680mm, chiều cao xe là 2105mm Khung gầm của xe Mercedes Benz MB140 được xây dựng bằng thép ống để giảm trọng lượng của xe và hỗ trợ hấp thụ áp lực 11 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Hình 2-7 Kích thước xe Mercedes Benz MB140 Bảng 2-8 Thông số kích thước của xe Chiều dài... lửa cơ khí a Cấu tạo: Những thiết bị chủ yếu của hệ thống đánh lửa thường là: biến áp đánh lửa 3 được cung cấp từ nguồn một chiều (ắcquy hoặc máy phát), bộ chia điện 4 và các bugi đánh lửa 5 14 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Hình 3-2 Sơ đồ cấu tạo và sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa thường 1- Cam bộ chia điện; 2- Cặp tiếp điểm KK’; 3- Biến áp đánh lửa; 4- Bộ chia điện; 5- Bugi;... ra góc đánh lửa tối ưu phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ Trong hệ thống đánh lửa theo chương trình được phân loại theo: + Theo phương pháp phân phối điện áp thứ cấp: loại đánh lửa gián tiếp (có bộ chia điện) và đánh lửa trực tiếp (không có bộ chia điện) + Hệ thống đánh lửa trực tiếp có hai loại: sử dụng bôbin đôi và loại sử dụng bôbin đơn 25 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe. .. dây cao áp + Gây nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp 26 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 + Dễ gây đánh lửa đồng thời ở hai dây cao áp kề nhau khi động cơ có tốc độ cao và số xilanh lớn + Bộ chia điện cũng là chi tiết dễ hư hỏng nên cần phải thường xuyên theo dõi và bảo dưỡng b Hệ thống đánh trực tiếp: là hệ thống đánh lửa có góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng một chương trình lưu... trong điện trường của tụ điện Theo phương pháp phân bố điện cao áp hệ thống đánh lửa được chia ra: + Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện 13 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 + Hệ thống đánh lửa 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 Unit) sẽ thu thập các tín... Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Nguyên lí hoạt động: tương tự như nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa sử dụng bôbin đơn nhưng mỗi biến áp sử dụng hai bugi đánh lửa Với hệ thống đánh lửa này, tuy đã có nhiều ưu điểm nhưng vẫn còn tồn tại dây cao áp từ bôbin đến các bugi Do đó vẫn còn tổn thất năng lượng trên dây cao áp Hệ thống đánh lửa sử dụng bôbin đơn: Hệ thống đánh lửa. .. hiệu suất động cơ 28 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Hình 3-16 Quá trình cháy của động cơ xăng châm cháy cưỡng bức I – Cháy trễ, II – Cháy nhanh, III – Cháy rớt; 1- Thời điểm bắt đầu đánh lửa; 2- Thời điểm hình thành màng lửa trung tâm; 3- Thời điểm áp suất lớn nhất pz Điểm 1 là điểm bắt đầu đánh lửa, cách điểm chết trên một góc  được gọi là góc đánh lửa sớm; điểm 2 là thời điểm... phát tín hiệu đánh lửa gởi về Igniter để điều khiển đánh lửa 23 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Hình 3-10 Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến quang điện Nguyên lý làm việc: Khi đĩa cảm biến ngăn dòng ánh sáng từ LED D1 sang, transistor T1 sẽ ngắt Khi T1 ngắt, các transistor T2, T3, T4 ngắt, T5 dẫn, cho dòng qua cuộn sơ cấp về mass Khi đĩa cảm biến cho dòng ánh sáng... động cơ Hình 3-6 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đánh lửa Manhêtô 1- Khóa điện; 2- Cặp tiếp điểm KK’; 3- Khung từ; 4- Cuộn sơ cấp; 5- Cuộn thứ cấp; 6- Bugi phụ; 7- Bộ chia điện; 8- Bugi đánh lửa; 9- Nam châm vĩnh cửu b Nguyên lý làm việc: 19 ` Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140 Hệ thống đánh lửa Manhêtô về nguyên lý làm việc tương tự như hệ thống đánh lửa thường dùng ắc quy, chỉ khác là cuộn... đánh lửa trực tiếp bao gồm hai loại: + Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng biến áp đánh lửa cho từng cặp bugi đánh lửa (bôbin đôi) + Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng biến áp đánh lửa cho từng bugi đánh lửa (bôbin đơn) Hệ thống đánh lửa sử dụng bô bin đôi: Trong hệ thống đánh lửa này, bôbin đôi phải gắn vào bugi của 2 xilanh song hành Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bôbin đôi trên động cơ