Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp điện dung và điện cảm

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp 3 LỜI CẢM ƠN Được sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.. TS Đỗ Văn Dũng và sự góp ý của các thầy ở bộ môn động cơ, cùn

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

S KC 0 0 4 2 1 7

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2014

Trang 3

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp 1

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 292 Điện Biên Phủ, phường 17, quận Bình Thạnh, Tp

Hồ Chí Minh

khanhtanvn88@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Trung học chuyên nghiệp Thời gian đào tạo từ 9/2003 đến 12/ 2006

Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng, Tp.Hồ Chí Minh

Ngành học: Sửa chữa Ô tô

2 Đại học:

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí MInh

Ngành học: Cơ Khí Động Lực

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Mô hình sử dụng LabVIEW trong thu thập

dữ liệu từ hệ thống điều khiển động cơ

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 7/2011

Người hướng dẫn: GVC.ThS Đỗ Quốc Ấm

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong

bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

Học viên thực hiện

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS TS Đỗ Văn Dũng và sự góp ý của các thầy

ở bộ môn động cơ, cùng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành nội dung đồ án đúng

thời gian quy định và đạt được các yêu cầu, nhiệm vụ đặt ra là thiết kế, thi công mô hình và

biên soạn thuyết minh của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh

lửa kết hợp điện dung và điện cảm”

Em xin chân thành cảm ơn giảng viên phản biện và các thầy cô trong hội đồng bảo vệ

luận án tốt nghiệp đã dành thời gian để đọc luận văn và cho nhận xét xác đáng kết quả mà em

đã hoàn thành trong suốt khoá học này

Một lần nữa em xin chân thành cám ơn những công lao to lớn mà Nhà trường, Khoa, Bộ

môn và các thầy cô đã dành cho em

Cuối lời, em xin chúc quí thầy cô dồi dào sức khoẻ và có nhiều công trình nghiên cứu

hơn nữa để cống hiến cho nhà trường nói riêng và xã hội nói chung

Trân trọng kính chào

Trang 6

TÓM TẮT

Trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, hoà khí được hình thành và đốt cháy

bằng tia lửa điện của bu-gi Dựa vào cách tích lũy năng lượng, hệ thống đánh lửa trên ô tô

được chia làm hai loại: Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI) và hệ thống đánh lửa điện cảm

(TI) Tuy có sự khác biệt về cách thức tích lũy năng lượng, hai hệ thống đánh lửa trên đều

giống nhau về cách tạo ra điện thế cao áp Các công trình nghiên cứu từ trước đến nay đã cố

gắng giải quyết các nhược điểm của từng loại hệ thống đánh lửa theo các cách khác nhau,

nhưng hầu hết đếu cải tiến trên một loại hệ thống đánh lửa duy nhất Đề tài này sẽ nghiên cứu

và thiết kế một hệ thống đánh lửa bao gồm 2 kiểu đánh lửa riêng biệt cho động cơ với một bộ

điều khiển được lập trình sẵn, ở vùng làm việc nào mà kiểu đánh lửa điện cảm phát huy ưu

điểm thì ta điều khiển cho nó hoạt động, và tương tự ở vùng nào mà kiểu đánh lửa điện dung

phát huy ưu điểm thì ta điều khiển cho nó hoạt động

Thực nghiệm đánh giá kết quả cho thấy hệ thống đánh lửa kết hợp điện dung và điện

cảm đã tiết kiệm được 55g nhiên liệu cho mỗi 100km Nồng độ CO và HC trong khí thải cũng

giảm xuống một lượng tương ứng là 0.02%vol và 73ppmvol

Trang 7

ABSTRACT

In spark ignition engine (SI engine), the mixture of air and fuel is usually formed

outside the engine and ignited by an electric-spark from a spark-plug Basing on the way of

energy-accumulation, the ignition systems on SI engine are divided into two types: capacitor

discharge ignition system (CDI) and transistorized ignition system (TI) Although the two

types of ignition system are differentiated basing on the way of energy-accumulation, they

have given out the same ways of producing high-voltage pulse The studies so far have tried

to solve the drawbacks of each type of ignition system in different ways, but most of the

improvements have only sorted out on a single type of ignition system This thesis presents a

combined ignition system which consists of two distinct types of ignition system above with

an available programmable controller In what range of engine opperation that the advantage

of transistorized ignition system far outweight the advantage of capacitor discharge ignition

system, we will trigger it to work and vice versa

Experiment results indicate that the combined ignition system can help to reduce fuel

comsumption up to 55g per 100km The CO and HC levels from exhaust gas are also reduced

to 0.02%vol and 73ppmvol respectively

Trang 8

MỤC LỤC

1.2.2 Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian phóng điện bằng

Trang 9

Trang 10

PHỤ LỤC 92

Trang 11

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung và điện cảm[9] 14

Hình 1.2: Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian phóng điện bằng hiệu ứng điện cảm[6] 15

Hình 1.3: Hệ thống đánh lửa điện cảm trên động cơ đốt trong[7] 16

Hình 1.4: Hệ thống đánh lửa điện cảm năng lượng cao[10] 16

Hình 1.5: Hình hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa điện[8] 17

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện cảm loại thường 19

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mô tả hệ thống đánh lửa điện cảm loại bán dẫn 20

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện cảm 22

Hình 2.4: Sơ đồ tương đương quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp 23

Hình 2.5: Sơ đồ mô tả sự tăng trưởng của cường độ dòng điện trong cuộn sơ cấp 23

Hình 2.6: Đồ thị tăng trưởng cường độ dòng điện qua bobin trên xe Honda Wave RS 24

Hình 2.7: Sơ đồ mô tả quá trình phóng điện ở cuộn thứ cấp 24

Hình 2.8: Sơ đồ mô tả qui luật biến đổi hiệu điện thế thứ cấp u2m 25

Hình 2.9: Sơ đồ mô tả quy luật biến đổi của tia lửa điện dung và điện cảm 26

Hình 2.10: Sơ đồ thể hiện biện pháp sử dụng tụ điện trong hệ thống đánh lửa điện cảm 27

Hình 2.11: Sơ đồ thể hiện ảnh hưởng của tụ điện 27

Hình 2.12: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của cường độ dòng điện và điện áp thứ cấp khi có tụ và không có tụ 28

Hình 2.13: Sơ đồ thể hiện sự biến đổi của hiệu điện thế cực đại ở cuộn thứ cấp khi dùng điện trở phụ 28

Hình 2.14: Sơ đồ mô tả hệ thống đánh lửa điện dung không có vít điều khiển 29

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện dung có vít điều khiển 30

Hình 2.16: Sơ đồ mô tả hệ thống đánh lửa DC-CDI 30

Hình 2.17: Sơ đồ mô tả hệ thống đánh lửa AC-CDI 31

Hình 2.18: Sơ đồ khối của hệ thống đánh lửa điện dung 32

Hình 2.19: Sơ đồ tương đương giai đoạn nạp tụ của hệ thống đánh lửa điện dung 33

Hình 2.20: Sơ đồ mô tả đặc tính dòng nạp tụ I= f(t) 35

Hình 2.21: Sơ đồ mô tả đặc tính điện thế nạp tụ U=f(t) 36

Hình 2.22: Sơ đồ mô tả đặc tính phóng của tụ C trong khi SCR mở 37

Hình 2.23: Sơ đồ mô tả mạch đánh lửa điện dung có diode mắc song song cuộn sơ cấp 37

Hình 2.24: Sơ đồ mô tả đặc tính phóng điện qua cuộn sơ cấp 37

Hình 2.25: Sơ đồ mô tả sự tăng trưởng của hiệu điện thế cuộn thứ cấp trong trường hợp đánh lửa TI và CDI[1] 38

Trang 12

Hình 2.26: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa áp suất trong lòng xylanh theo góc quay trục khuỷu 39

Hình 2.27: Đồ thị thể hiện dạng sóng điện áp thứ cấp của một hệ thống đánh lửa cơ bản 40

Hình 2.28: Đồ thị triển khai thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, cường độ dòng điện và thời gian đánh lửa đã của một hệ thống đánh lửa cơ bản[4] 40

Hình 2.29: Đồ thị thể hiện giới hạn cháy nghèo của hoà khí với độ rộng khe hở bugi theo đường kính điện cực trung tâm[4] 42

Hình 2.30: Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa giới hạn cháy nghèo của hoà khí và thời điểm đánh lửa theo độ rộng của khe hở bugi[4] 43

Hình 2.31: Đặc tuyến mô tả quan hệ giữa nhiệt độ điện cực bugi và điện áp yêu cầu[4] 43

Hình 2.32: Đặt tuyến thể hiện mối quan hệ giữa giới hạn cháy nghèo của động cơ với thời điểm đánh lửa theo độ nhô của bugi trong buồng đốt[4] 44

Hình 2.33: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của áp suất nén đến điện áp yêu cầu để đánh lửa[4] 44 Hình 2.34: thị thể hiện dải điện áp đánh lửa yêu cầu theo tải và tốc độ[4] 45

Hình 2.35: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của sự tăng tốc đến điện áp đánh lửa[4] 45

Hình 2.36: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp yêu cầu theo thời điểm đánh lửa[4] 46

Hình 2.37: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp yêu cầu và tỉ lệ hoà khí[4] 46

Hình 3.1: Mẫu xe gắn máy dự định sẽ thiết kế hệ thống đánh lửa kết hợp 49

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa kết hợp dự định lắp trên xe gắn máy Honda Wave RS 50

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp 51

Hình 3.4: Bộ bánh đà và mâm lửa trên xe gắn máy 52

Hình 3.5: Vị trí tương quan giữa vấu kích và cuộn kích và dạng sóng phát ra 52

Hình 3.6: Tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu 53

Hình 3.7: Dạng sóng sơ cấp của hệ thống đánh lửa CDI do tụ phóng qua cuộn sơ cấp 54

Hình 3.8: Đồ thị điện áp nạp tụ thay đổi theo số vòng quay động cơ 55

Hình 3.9: Cấu tạo bên trong của IC đánh lửa AC-CDI 55

Hình 3.10: Đồ thị năng lượng đánh lửa điện dung thay đổi theo số vòng quay động cơ 56

Hình 3.11: So sánh hình dạng của 2 loại IC đánh lửa được mang khảo sát 56

Hình 3.12: Đồ thị thể hiện góc đánh lửa sớm khi sử dụng IC đánh lửa Trung Quốc 57

Hình 3.13: Đồ thị thể hiện góc đánh lửa sớm khi sử dụng IC đánh lửa Nhật 58

Hình 3.14: Đồng hồ VOM có thang đo H và bobin đánh lửa xue Honda Wave RS 59

Hình 3.15: Dạng sóng đánh lửa điện dung và cảm biến vị trí trục khuỷu 60

Hình 3.16: Dạng sóng đánh lửa điện cảm và cảm biến vị trí trục khuỷu 60

Hình 3.17: Dạng sóng của dòng điện tăng trưởng qua cuộn sơ cấp bobin 60

Hình 3.18: Dạng sóng của dòng điện tăng trưởng qua cuộn sơ cấp bobin khi đã dẫn bảo hoà 61

Trang 13

Hình 3.19: Dạng sóng của dòng điện tăng trưởng cực đại đạt 9.3 A 61

Hình 3.20: Đồ thị thể hiện năng lượng đánh lửa khi sử dụng kiểu đánh lửa điện cảm 62

Hình 3.21: Mạch nguồn 5V cấp cho board mạch 65

Hình 3.22: Mạch Auto reset cho vi điều khiển 65

Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly quang Opto 66

Hình 3.24: Sơ đồ mạch chuyển mạch TI-CDI sử dụng 2 relay (dạng Changeover Relay) 66

Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch Igniter đánh lửa điện cảm 67

Hình 3.26: Vi xử lí trung tâm PIC 16F887 của Microchip 67

Hình 3.27: Mạch dao động thạch anh cấp xung clock cho vi xử lí trung tâm 68

Hình 3.28: Sơ đồ mạch in PCB mặt TOP 68

Hình 3.29: Sơ đồ mạch in PCB mặt BOTTOM 68

Hình 3.30: Mạch in sau khi hoàn thành mặt TOP (chưa hàn linh kiện) 69

Hình 3.31: Mạch in sau khi hoàn thành mặt BOTTOM (chưa hàn linh kiện) 69

Hình 3.32: Mạch in đã hàn linh kiện hoàn chỉnh 69

Hình 3.33: Board mạch điều khiển được lắp trên xe 70

Hình 3.34: Mạch cảm biến đo dòng sử dụng IC ASC-756 có ngưỡng đo 50A 70

Hình 3.35: Sơ đồ chân PIC 18F887 kiểu chân cắm và kiểu dán 71

Hình 3.36: Sơ đồ khối PIC 16F887 72

Hình 3.37: Sơ đồ khối chương trình điều khiển của vi điều khiển PIC 16F887 73

Hình 3.38: Thuật toán điều khiển mạch đánh lửa kết hợp 74

Hình 3.39: Sơ đồ xung kích điều khiển thời điểm đánh lửa 77

Hình 3.40: Đồ thị thể hiện góc đánh lửa sớm khi sử dụng IC đánh lửa Nhật 78

Hình 4.1: Dạng sóng điện áp sơ cấp khi sử dụng kiểu đánh lửa điện cảm 79

Hình 4.2: Dạng sóng điện áp sơ cấp khi sử dụng kiểu đánh lửa điện dung 79

Hình 4.3: Dạng sóng điện áp sơ cấp khi ta đo tại thời điểm chuyển mạch 80

Hình 4.4: Dạng sóng điện áp sơ cấp tại thời điểm chuyển mạch sau khi ta ứng dụng thuật toán điều khiển mới 80

Hình 4.5: Xe gắn máy Honda Wave RS được lắp trên băng thử tạo tải để đo lượng nhiên liệu tiêu hao 81

Hình 4.6: Băng thử tạo tải bằng máy phát điện có công suất thay đổi được từ 3kW-5kW 81

Hình 4.7: Bộ gá lắp cố định bánh trước 82

Hình 4.8: Dây chằng cố định thân xe và ép chặt bánh sau xuống rulo tạo tải 82

Hình 4.9: Cân điện tử có độ chính xác 0,5g dùng để đo lượng nhiên liệu tiêu thụ 83

Hình 4.10: Cố định đường đường ống dẫn nhiên liệu để tránh rung động từ động cơ ảnh hưởng đến kết quả đo 83

Hình 4.11: Lắp đường ống dẫn nhiên liệu từ thiết bị cân trọng chính xác đến động cơ 83

Trang 14

Hình 4.12: Phần mềm mô phỏng chu trình thử nghiệm theo tiêu chuẩn của Nhật 84

Hình 4.13: Cài đặt các thông số cuối cùng trước khi tiến hành thử nghiệm 84

Hình 4.14: Tiến hành thực nghiệm theo chu trình tiêu chuẩn 84

Hình 4.15: Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa vận tốc thực và vận tốc chuẩn của chu trình khi sử dụng hệ thống đánh lửa kết hợp TI-CDI 85

Hình 4.16: Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa vận tốc thực và vận tốc chuẩn của chu trình khi sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thuỷ CDI 86

Hình 4.17: Thiết bị đo khí thải Horiba kết nối với đường ống thải xe gắn máy 87

Hình 4.18: Thông số kết quả đo khí thải khi sử dụng kiểu đánh lửa TI 88

Hình 4.19: Thông số kết quả đo khí thải khi sử dụng kiểu đánh lửa CDI 88

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Tổn thất năng lượng trong quá trình đánh lửa[4] 41

Bảng 3.1: Thông số tỉ lệ hoà khí theo các chế độ làm việc của động cơ[1] 47

Bảng 3.2: Thông số điện áp phát ra của cảm biến MAP theo độ chân không 51

Bảng 3.3: Bảng thông số cơ bản của vi điều khiển PIC 16F887 71

Bảng 4.1: Bảng thông số đo khi sử dụng hệ thống đánh lửa kết hợp TI-CDI 85

Bảng 4.2: Bảng thông số đo khi sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thuỷ CDI 86

Trang 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, hỗn hợp được hình thành bên ngoài

động cơ và được đốt cháy bằng tia lửa điện của bu-gi Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến

dòng điện có điện áp thấp trên ô tô (12V hay 24V) thành các xung điện thế cao (từ 15.000V

đến 40.000V), các xung này sẽ được phân bố đến các bugi trên các xy-lanh theo đúng thứ tự

làm việc và đúng thời điểm để đốt cháy hòa khí trong lòng xy-lanh Với các công dụng trên,

hệ thống đánh lửa có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất làm việc, giảm

tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường trên động cơ xăng

Dựa vào cách tích lũy năng lượng, hệ thống đánh lửa trên ô tô được chia làm hai loại:

- Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI- Transistorized ignition system)

- Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI - Capacitor discharged ignition system)

Đối với hệ thống đánh lửa điện cảm, năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp bobine được

(1.1) Đối với hệ thống đánh lửa điện dung, năng lượng tích lũy trên tụ điện được viết dưới

(1.2) Trong đó: - WL: Năng lượng tích luỹ trên cuộn sơ cấp (J)

- WC: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung (J)

- C: Điện dung của tụ điện (F)

- Ung: Điện áp nạp trên tụ điện (V)

- L1: Độ tự cảm của mạch sơ cấp (H)

- Ing: Cường độ dòng điện qua mạch sơ cấp (A)

Lợi thế quan trọng nhất của hệ thống đánh lửa điện cảm là có thể tạo ra được thời gian

tồn tại tia lửa điện khá dài Đó là một trong những yếu tố quyết định để đảm bảo đốt cháy

hoàn toàn hoà khí trong xy lanh Điều này có được là vì lúc ban đầu, năng lượng chỉ cần được

cung cấp đủ để vượt qua khoảng cách khe hở bugi, phần còn lại sẽ được sử dụng để duy trì tia

lửa Đối với hệ thống đánh lửa điện dung thì nó sẽ xả gần như tất cả năng lượng của mình

ngay lập tức, do đó sẽ bị giảm đáng kể khả năng duy trì tia lửa điện Tuy nhiên do cuộn sơ cấp

có độ tự cảm nên sự tăng trưởng dòng điện trên cuộn sơ cấp sẽ diễn ra tương đối chậm Vì

vậy, khi động cơ quay ở tốc độ cao, dòng điện tăng trưởng chưa đến được giá trị cần thiết thì

đã bị ngắt, do đó năng lượng tích trữ trên cuộn sơ cấp chưa đủ, và kết quả là năng lượng đánh

lửa không cao Trong khi đó, ở tốc độ thấp, dòng điện tồn tại khá lâu nên sẽ làm nóng cuộn sơ

cấp, tiêu tốn nhiều năng lượng accu và làm bobine nhanh hỏng

Với lợi thế điện áp thứ cấp tạo ra cao, tia lửa điện dung có thể dễ dàng bén cháy lượng hoà

khí trong buồng đốt động cơ bị dư thừa dầu bôi trơn, hỗn hợp hoà khí quá giàu hoặc nhiệt độ

buồng đốt còn thấp Ngoài ra, điện áp cao có thể giúp tránh rò rỉ năng lượng trên chất cách

điện bugi và các điện cực gây ra bởi sự dẫn điện của các chất bẩn Một ưu điểm quan trọng

nữa là thời nạp xả của tụ điện rất ngắn, do đó nó vẫn đảm bảo được năng lượng đầu ra đủ cao

khi động cơ hoạt động ở số vòng quay lớn Điều này đặt biệt có lợi khi dùng cho động cơ cao

tốc Tuy nhiên, vì sự phóng điện diễn ra quá nhanh, năng lượng trên tụ sẽ nhanh chóng cạn

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	7,15 MB