nghiên cứu chuyển đổi hệ thống đánh lửa trực tiếp cho động cơ xe jeep

-Trong hệ thống đánh lửa có delco, nếu góc đánh lửa quá sớm sẽ xảy ra trường hợp đánh lửa ở 2 đầu dây cao áp kề nhau thường ở trên động cơ nhiều xy lanh, z >4 - Loại bỏ được những hư hỏn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

TP HỒ CHÍ MINH – 05/2009

- Không có mỏ quẹt nên không có khe hở giữa mỏ quẹt và dây cao áp

- Bỏ được các chi tiết cơ dễ hư hỏng và phải chế tạo bằng vật liệu tốt

-Trong hệ thống đánh lửa có delco, nếu góc đánh lửa quá sớm sẽ xảy ra trường hợp đánh lửa ở 2 đầu dây cao áp kề nhau (thường ở trên động cơ nhiều xy lanh, z >4)

- Loại bỏ được những hư hỏng thường gặp do hiện tượng phóng điện trên mạch cao

áp

- Giảm được chi phí bảo dưỡng

- Động cơ hoạt động hoàn hảo hơn do tính ưu việt của hệ thống đánh lửa trực tiếp là loại

hệ thống điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử nên thời điểm đánh lửa được ấn định rất phù hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, năng lượng tia lửa rất lớn nên có thể đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp nhiên cuối kỳ nén trong buồng đốt.Giảm suất tiêu hao nhiên liệu nên mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.Giảm ô nhiễm môi trường

Với những ưu điểm trên, đề tài này là cơ sở giúp cho ta cải tạo hệ thống đánh lửa cho các động cơ ôtô thuộc thế hệ cũ còn đang được lưu hành, đảm bảo được yêu cầu kinh

tế và cả việc kiểm định chất lượng khí thải theo tiêu chuẩn quy định hiện hành

Đề tài bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết về đánh lửa thường và đánh lửa điện tử, nghiên cứu các thông số có liên quan đến việc ấn định thời điểm đánh lửa để làm cơ sở cho việc lựa chọn hệ thống đánh lửa có thông số kỹ thuật phù hợp khi chuyển đổi Khảo sát, lắp đặt một hệ thống đánh lửa trực tiếp thay cho hệ thống đánh lửa thường trên động

cơ xe Jeep của trung tâm Kỹ thuật tổng hợp, trường đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố

Hồ Chí Minh

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Trên cơ sở lý thuyết về việc điều khiển đánh lửa thường và điều khiển đánh lửa bằng điện tử Từ đó, nêu lên những ưu điểm mà hệ thống đánh lửa điện tử kiểu trực tiếp đạt được so với hệ thống đánh lửa thường để khẳng định rằng việc chuyển đổi hệ thống đánh lửa cho động cơ xe Jeep là việc làm mang tính khoa học và hữu ích Đồng thời tìm hiểu các thông số kỹ thuật của động cơ xe Jeep và một hệ thống đánh lửa trực tiếp loại tương thích để có thể lắp đặt, chuyển đổi nhằm đạt được các kết quả mong muốn

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC:

Đối với các nước phát triển, việc nghiên cứu chuyển đổi hệ thống đánh lửa sẽ làm thay đổi đặc trưng của nhà chế tạo, hơn nữa việc thay đổi này là không cần thiết vì người tiêu dùng không còn sử dụng các dòng xe thuộc thế hệ cũ Trái lại đối với các nước chậm phát triển, kinh tế người tiêu dùng còn khá hạn hẹp thì việc sử dụng các dòng xe thế hệ cũ còn khá phổ biến trong đó có cả Việt Nam Vì vậy , việc nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu cho các dòng xe thế hệ cũ đã và đang được rất nhiều cơ sở sửa chữa ôtô quan tâm Kết quả đề tài sẽ mang lại hiệu quả thiết thực về mặt kinh tế và xã hội cao vì động

cơ sẽ hoạt động hoàn hảo hơn, tiết giảm nhiên liệu và hạn chế ô nhiễm môi trường

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI:

Thực tế có rất nhiều chủng loại hệ thống đánh lửa của nhiều nhà chế tạo khác nhau trên thế giới, nhưng người nghiên cứu không có điều kiện khảo sát và thử nghiệm để tìm được hệ thống thay thế tối ưu để có thể lắp đặt thật hoàn hảo.Vì vậy, người nghiên cứu chỉ tìm ra những loại hệ thống đang có sẵn tại thị trường Việt Nam nên phải cải tạo một phần cơ cấu truyền động khi chuyển đổi

Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI:

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là giảm cơng tác bảo dưỡng và sửa chữa, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng cơng suất động cơ và gĩp phần cải thiện tình trạng ơ nhiểm mơi trường do ơtơ gây ra

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Nghiên cứu lý thuyết đánh lửa thường và đánh lửa điện tử kiểu trực tiếp

Tìm hiểu thơng số kỹ thuật hệ thống đánh lửa trực tiếp đang sử dụng phổ biến cĩ trên thị trường phù hợp với động cơ xe Jeep để dự kiến thay thế

Khảo sát kết cấu, nghiên cứu và tìm biện pháp lắp đặt

Thực hiện việc thay thế, lắp đặt

Cho vận hành, điều chỉnh cho động cơ hoạt động hồn hảo

Kiểm tra tính năng hoạt động, đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật

Lập báo cáo kết quả nghiên cứu

III NỘI DUNG:

3.1- Lý thuyết đánh lửa thường:

a Sơ đồ mạch hệ thống đánh lửa thường:

Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa thường

b Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa thường:

Cam 1 của bộ chia điện quay nhờ truyền động từ trục cam của động cơ và làm nhiệm vụ mở tiếp điểm KK’, cũng có nghĩa là ngắt dòng điện sơ cấp của biến áp đánh lửa 3 Khi đó, từ thông đi qua cuộn thứ cấp do dòng điện sơ cấp gây nên sẽ

21

KK’

R f

5

4+

3

Điện áp này sẽ qua con quay chia điện 4 và dây cao áp đến các bougie đánh lửa

5 theo thứ tự thì nổ của động cơ Khi điện áp thứ cấp đạt giá trị đánh lửa, giữa hai điện cực của bougie sẽ xuất hiện tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp trong xylanh

trên vít Khi vít đã mở hẳn, tụ điện sẽ xả qua cuộn dây sơ cấp của bobine Dòng phóng của tụ ngược chiều với dòng tự cảm khiến từ thông bị triệt tiêu đột ngột

cao hiệu điện thế trên cuộn thứ cấp

Nhược điểm:

- Điện áp thứ cấp thấp

- Tốn năng lượng khi cĩ dây cao áp

- Phải thường xuyên làm sạch và điều chỉnh khe hở vít lửa

- Kết cấu phức tạp nhiều chi tiết do đĩ bảo dưỡng sửa chữa phức tạp

- Xảy ra hiện tượng mất lửa ở số vịng quay cao

- Rất dễ rị điện dây cao áp

- Lắp ráp dễ nhầm lẫn vì cĩ nhiều dây cao áp

- Do cĩ điện trở phụ nên làm tốn năng lượng ắcqui

3.2-Lý thuyết đánh lửa theo chương trình:

Hiện nay, trên các ơ tơ hiện đại đã áp dụng kỹ thuật số vào trong hệ thống đánh lửa Việc điều khiển gĩc đánh lửa sớm và gĩc ngậm điện sẽ được máy tính đảm nhận Các thơng số như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ được cảm biến mã hĩa tín hiệu đưa vào ECU xử lý và tính tốn để đưa ra gĩc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ Các bộ phận như đánh lửa sớm kiểu cơ khí đã được loại bỏ hồn tồn Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển gĩc đánh lửa sớm bằng điện tử (ESA) được chia làm 2 loại:

- Hệ thống đánh lửa sử dụng bộ phận vi xử lý

- Hệ thống đánh lửa sử dụng bộ vi xử lý kết hợp với hệ thống phun xăng (Motronic)

Nếu phân loại theo cấu tạo ta cĩ:

- Hệ thống đánh lửa theo chương trình cĩ delco

- Hệ thống đánh lửa theo chương trình khơng cĩ delco

 Những ưu điểm của hệ thống đánh lửa với cơ cấu đánh lửa sớm bằng điện tử:

- Gĩc đánh lửa được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động

- Công suất và đặc tính động học của động cơ được cải thiện rõ rệt

- Có khả năng điều khiển chống kích nổ cho động cơ

- Ít bị hư hỏng, tuổi thọ cao và ít tốn công bảo dưỡng

Với những ưu điểm như vậy, ngày nay hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử kết hợp với hệ thống phun xăng đã thay thế hoàn toàn hệ thống đánh lửa bán dẫn thông thường, giải quyết các yêu cầu ngày càng cao về tiêu chuẩn khí thải trên ô tô

Để có thể xác định chính xác thời điểm đánh lửa cho từng xy lanh của động cơ theo thứ tự thì nổ, ECU cần phải nhận các tín hiệu cần thiết sau:

1 T ín hiệu tốc độ động cơ (Ne)

Bobine

Bougie

Trong các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston và tín hiệu tải là các tín hiệu quan trọng nhất

Để xác định tốc độ động cơ, người ta có thể đặt cảm biến trên một vành răng ở đầu cốt máy, bánh đà, đầu cốt cam hoặc delco Các loại cảm biến có thể dùng loại Hall, loại điện từ, loại quang học

Để xác định tải của động cơ, ECU dựa vào tín hiệu đo gió và vị trí bướm ga khi thay đổi tải, tín hiệu này sẽ chuyển thành tín hiệu điện áp gởi về ECU và ECU nhận tín hiệu này để xử lý và quy ra mức tải tương ứng để xác định góc đánh lửa sớm

Trong các loại hệ thống đánh lửa trước đây, việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng phương pháp cơ khí kiểu ly tâm và áp thấp Đường đặc tính của loại này rất đơn giản và phù hợp cho mọi chế độ hoạt động của động cơ Trong khi đó đường đặc tính đánh lửa lý tưởng rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thông số

1000 - 4000 điểm đánh lửa sớm được lựa chọn đưa vào bộ nhớ

Một chức năng khác của ECU trong việc điều khiển đánh lửa là sự điều chỉnh góc ngậm điện Góc ngậm điện phụ thuộc vào 2 yếu tố đó là: hiệu điện thế accu và tốc độ động cơ

Trong trường hợp khởi động, hiệu điện thế accu bị giảm do sụt áp vì vậy ECU

sẽ điều khiển tăng thời gian ngậm điện nhằm tăng dòng điện trong cuộn sơ cấp

Ở tốc độ thấp, do thời gian tích luỹ năng lượng quá dài vì vậy gây lãng

phí năng lượng nên ECU giảm bớt thời gian ngậm điện nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng và tránh nĩng bobine Trong trường hợp dịng sơ cấp vẫn tăng cao hơn giá trị cho phép, bộ phận hạn chế dịng sẽ làm việc và giữ cho dịng điện sơ cấp khơng thay đổi cho đến khi đánh lửa

* Việc điều khiển gĩc ngậm điện cĩ thể được thực hiện trong ECU hay

ở igniter Vì vậy, igniter của hai loại cĩ và khơng cĩ bộ phận điều chỉnh gĩc ngậm điện khơng thể lắp lẫn

Hệ thống đánh lửa lập trình khơng cĩ bộ chia điện

Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS- Direct Ignition System) và hệ thống đánh lửa khơng cĩ bộ chia điện (DLI- Distributorless Ignition) được phát triển giữa thập kỷ

80 và cho đến nay được ứng dụng ngày càng rộng rãi vì cĩ các ưu điểm sau:

- Dây cao áp ngắn hoặc khơng cĩ dây cao áp nên giảm mất mát năng lượng, giảm điện dung ký sinh và giảm nhiễu vơ tuyến trên mạch thứ cấp

- Khơng cĩ mỏ quẹt nên khơng cĩ khe hở giữa mỏ quẹt và dây cao áp

- Bỏ được các chi tiết cơ dễ hư hỏng và phải chế tạo bằng vật liệu tốt

- Trong hệ thống đánh lửa cĩ delco, nếu gĩc đánh lửa quá sớm sẽ xảy ra trường hợp đánh lửa ở 2 đầu dây cao áp kề nhau (thường ở trên động cơ nhiều

xy lanh, z >4)

- Loại bỏ được những hư hỏng thường gặp do hiện tượng phĩng điện trên mạch cao áp

- Giảm được chi phí bảo dưỡng

• Phân loại, cấu tạo và hoạt động của hệ thống đánh lửa trực tiếp

- Hệ thống đánh lửa trực tiếp và hệ thống đánh lửa khơng delco được chia làm 3 loại chính sau:

+ Loại 1: Sử dụng mỗi bobine cho 1 bougie:

Nhờ tần số hoạt động của mỗ bobine nhỏ hơn trước nên các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ít nóng hơn Vì vậy kích thước của bobine rất nhỏ và được gắn dính với nắp chụp bougie

Trong sơ đồ (hình 6.86), ECU sau khi khi xử lý tín hiệu từ các cảm biến sẽ

gởi tín hiệu đến cực B của từng transistor công suất trong igniter theo thứ tự

thì nổ và thời điểm đánh lửa

Cuộn sơ cấp của các bobine loại này có điện trở rất nhỏ (<1 ) và trên

mạch sơ cấp không sử dụng điện trở phụ vì xung điều khiển đã được xén

sẵn trong ECU Vì vậy, không được thử trực tiếp bằng điện áp 12V

Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobine

cho một bougie

+ Loại 2: Sử dụng mỗi bobine cho từng cặp bougie

Loại này các bobine đôi phải đƣợc gắn vào bougie của 2 xylanh song hành Ví

dụ 1-4 và 2-3 cho động cơ có 4 xylanh thứ tự nổ 1-3-4-2

Ở thời điểm đánh lửa, xylanh số 1 và số 4 cùng ở vị trí gần tử điểm thƣợng nhƣng trong hai thì khác nhau nên điện trở khe hở bougie của các xylanh trên cũng khác nhau (R1 ≠ R4) Khi xylanh số 1 đang ở thì nén thì R1 rất lớn, ở xylanh số 4 đang ở thì thoát nên R4 rất nhỏ do xuất hiện nhiều ion nhờ phản ứng cháy và nhiệt độ cao Do đó R1 >> R4 , vì vậy tia lửa sẽ xuất hiện ở bougie số 1

Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobine

1 2 3

4

T1 T2 T3 T4

BougieBobine

+ Loại 3: Sử dụng một bobine cho 4 xylanh

Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng một bobine

cho 4 bougie

Trong sơ đồ trên bobine có 2 cuộn sơ cấp và 1 cuộn thứ cấp quấn ngược chiều nhau nên khi ECU điều khiển mở lần lượt T1 và T2, điện áp trên cuộn thứ cấp sẽ đổi dấu Tuỳ theo dấu của xung cao áp, tia lửa sẽ xuất hiện ở bougie tương ứng qua các diode cao áp theo chiều thuận Ví dụ: nếu cuộn thứ cấp xung dương tia lửa sẽ xuất hiện ở số 1 hoặc là số 4

Diode D5 và D6 dùng để ngăn chặn ảnh hưởng về tác động cảm ứng từ giữa 2 cuộn sơ cấp (lúc T1 hoặc T2 đóng) nhưng chúng làm tăng công suất tiêu hao trên igniter

Nhược điểm của hệ thống đánh lửa trực tiếp loại 2 và 3 là hiệu điện thế đánh lửa chênh nhau khoảng (1,5-2)KV

3.3- Nghiên cứu hệ thống đánh lửa trực tiếp được chuyển đổi cho động cơ xe Jeep:

3.3.1- Các tín hiệu đầu vào:

được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC – negative

temperature co-efficient) Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lại Các loại cảm

biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có khác nhau Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp

Trên sơ đồ mạch ta có:

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn ( điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến rồi trở về ECU về mass Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ

chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (bộ chuyển đổi ADC – analog to digital converter)

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ

biến đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và

được giải mã bằng một bộ vi xử lý để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh Khi động cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện ápgiảm,báocho ECU biết là động cơ đang nóng

Đường đặc tuyến

Mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Đường đặc tuyến của cảm biến nhiệt

độ nước làm mát

Bảng giá trị nhiệt độ và điện áp của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

 Cảm biến vị trí cánh bướm ga

Cảm biến vị trí cánh bướm ga được lắp ở thân cánh bướm ga – cảm biến này chuyển đổi vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện áp gởi đến ECU

Cảm biến vị trí bướm ga loại biến trở

Loại này có cấu tạo gồm hai con trượt, ở đầu mỗi con trượt được thiết kế có các tiếp điểm cho tín hiệu cầm chừng và tín hiệu góc mở cánh bướm ga, có cấu tạo như hình 2.6

Tín hiệu cầm chừng: dùng để điều khiển sự phun nhiên liệu khi tăng tốc và giảm tốc cũng như hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa

Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC Khi cánh bướm ga

mở, con trượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần ở cực VTA tương ứng với góc mở bướm ga Khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm cầm chừng nối cực IDL với cực E2 Trên đa số các xe trừ Toyota, cảm biến bướm ga loại biến trở chỉ

có 3 dây VC, VTA và E2 mà không có IDL

 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston

tử điểm thượng hoặc trước tử điểm thượng của piston Trong một số trường hợp, chỉ có

vị trí của piston xylanh số 1 (hoặc số 6) được báo về ECU, còn vị trí các xylanh còn lại

sẽ được tính toán Công dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun Vì vậy, trong nhiều hệ thống điều khiển động cơ, số xung phát ra từ cảm biến phụ thuộc vào kiểu phun (độc lập, nhóm hay đồng loạt) và thường bằng số lần phun trong một chu kỳ Trên một số xe, tín hiệu vị trí piston xylanh số 1 còn dùng làm xung reset để ECU tính toán và nhập giá trị mới trên RAM sau mỗi chu

kỳ (2 vòng quay trục khuỷu)

hiệu Ne) dùng để báo tốc độ động cơ để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng

nhiên liệu sẽ phun cho từng xylanh Cảm biến này cũng được dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức

Có nhiều cách bố trí cảm biến G và Ne trên động cơ: trong delco, trên bánh đà, hoặc trên bánh răng cốt cam Đôi khi ECU chỉ dựa vào một xung lấy từ cảm biến hoặc IC đánh lửa để xác định vị trí piston lẫn tốc độ trục khuỷu

Cảm biến vị trí piston và cảm biến tốc độ động cơ có nhiều dạng khác nhau như: cảm biến điện từ loại nam châm quay hoặc đứng yên, cảm biến quang, cảm biến Hall…

ECU của Nissan sử dụng một cảm biến quang để nhận biết cả hai tín hiệu tốc

độ động cơ và thứ tự làm việc các xylanh của động cơ

Trong quá trình thực hiện, nhóm nghiên cứu dùng hệ thống đánh lửa điều khiển bằng điện tử sử dụng cảm biến quang được lắp đặt trên xe Nissan

Bộ tạo tín hiệu G, Ne