Tìm hiểu hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng cảm biến đo tín hiệu g và ne kiểu cảm ứng

1 LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển khoa học kỹ thuật khơng ngừng thúc đẩy việc tìm tòi nghiên cứu Việc áp dụng thành tựu khoa học kỹ thuật cao vào ngành cơng nghiệp nói chung ngành cơng nghiệp tơ nói riêng, đạt tựu đáng kể Trong trình phát triển ngành cơng nghệ tơ HTĐL có vai trị quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ, ô nhiểm môi trường tiêu hao nhiên liệu Vì hệ thống đánh lửa(HTĐL) ô tô không ngừng cải tiến ngày tối ưu Trong trình phát triển HTĐL có nhiều HTĐL sử dụng ưu điểm HTĐL trực tiếp Với ưu điểm thời điểm đánh lửa xác,góc đánh lửa sớm ln điều chỉnh phù hợp với chế độ hoạt động động giúp tiết kiệm nhiên liệu tăng cơng suất phát ra…Vì sử dụng rộng rãi tơ đại Với mục đích củng cố kiến thức học, tìm hiểu sâu kiến thức chuyên môn sở điều khiển điện – điện tử PTCG, em thực tiểu luận mơn học với nội dung: Tìm hiểu Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng cảm biến đo tín hiệu G Ne kiểu cảm ứng Sau thời gian sưu tầm tài liệu sách mạng Internet, tiểu luận em hoàn thành thời gian có hạn cộng vói han chế trình độ chun mơn nên nội dung tiểu luận khơng tránh khỏi thiếu xót Kính mong thầy đồng chí góp ý để đề tài hồn thiện Cuối em xin chân thành giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Hữu Nam trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.Em xin chân thành cám ơn thầy khoa công nghệ ô tô tạo điều kiện giúp đỡ em suốt qua trình học tập trường Sinh viên thực CHƯƠNG NHIỆM VỤ VÀ ĐẶC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ 1.1 Nhiệm vụ yêu cầu HTĐL điện tử 1.1.1 Nhiệm vụ HTĐL điện tử Hệ thống đánh lửa tơ có nhiệm vụ biến dịng chiều hạ áp (1224V) thành dòng xung điện cao áp (12-24KV) tạo tia lửa điện bugi để đốt cháy hỗn hợp khí – xăng xi lanh cuối kỳ nén thứ tự nổ thời điểm - Đúng thứ tự nổ phải đánh lửa theo thứ tự công tác xi lanh (ví dụ động xi lanh 1-3-4-2 1-2-4-3 ) - Đúng thời điểm phải có góc đánh lửa sớm phù hợp: + Q trình đốt cháy hỗn hợp công tác xi lanh động ô tô không xảy tức thời, mà phải trải qua khoảng thời gian định.công suất,tuổi thọ động ô tô phụ thuộc nhiều vào việc chọn thời điểm bật tia lửa cao áp đốt cháy hỗn hợp công tác xi lanh động cơ.Do phải có góc đánh lửa sớm Ө phù hợp + Góc đánh lửa sớm góc quay trục khuỷu động tơ tính từ xuất tia lửa hai điện cực bugi piston đạt tới điểm chết cuối chu kỳ nén, kí hiệu Ө 1.1.2 Yêu cầu HTĐL điện tử - điện áp cao áp HTĐL phải có khả tạo tia lửa cao áp chế độ làm việc động ( không tải, khởi động, tăng tốc, đầy tải ) + Hiệu điện thứ cấp cực đại u2m Hiệu điện thứ cấp cực đại U2m hiệu điện hai đầu cuộn dây thứ cấp tách dây cao áp khỏi bugi Hiệu điện cực đại U 2m phải lớn để có khả tạo tia lửa điện hai điện cực bugi, đặc biệt lúc khởi động + Hiệu điện đánh lửa Uđl Hiệu điện thứ cấp mà q trình đánh lửa xảy gọi hiệu điện đánh lửa (Udl) Hiệu điện đánh lửa hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, theo định luật Pashen Udl = K (1.1) Trong đó: P: áp suất buồng đốt thời điểm đánh lửa δ: khe hở bugi T: nhiệt độ điện cực trung tâm bugi thời điểm đánh lửa K: số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hồ khí + Hệ số dự trữ Kdt Hệ số dự trữ tỷ số hiệu điên thứ cấp cực đại U 2m hiệu điện đánh lửa Udl Kdl = (1.2) Đối với hệ thống đánh lửa thường, U 2m thấp nên Kdt thường nhỏ 1,5 Trên động xăng đại với với hệ thống đánh lửa điện tử hệ số dự trữ có khả tăng cao (K dt = 1,5 ÷ 1,8) đáp ứng việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay tăng khe hở bugi - Năng lượng tia lửa (A tl) thời gian tồn tia lửa t tl điện cực bugi phải đủ lớn để châm lửa chắn cho chế độ làm việc động (đặc biệt chế độ khởi động) +Năng lượng dự trữ Wdt: Năng lượng trữ Wdt lượng tích luỹ dạng từ trường cuộn dây sơ cấp bobin Để đảm bảo tia lửa điện có đủ lượng để đốt cháy hồn tồn hồ khí Wdt = Trong đó: Wdt: Năng lượng dự trữ cuộn sơ cấp (1.3) L1: Độ tự cảm cuộn sơ cấp bobin Ing: Cường độ dòng điện sơ cấp thời điểm công suất ngắt - Tốc độ biến thiên hiệu điện thứ cấp (S) có ý nghĩa lớn đảm bảo cho việc hình thành tia lửa điện cực bugi cách chắn kể chân sứ bugi bị bám muội S = = = 200 ữ 700 (V/às) (1.4) Trong ú: S: tốc độ biến thiên hiệu điện thứ cấp ΔU2 độ biến thiên hiệu điện thứ cấp Δt: Thời gian biến thiên hiệu thứ cấp Tốc độ biến thiên hiệu điện cấp S lớn tia lửa điện xuất điện cực bugi mạnh nhờ d ịng khơng bị rị qua có muội than cực bugi, lượng tiêu hao mạch thứ cấp giảm - Góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm góc quay trục khuỷu động từ thời điểm xuất tia lửa điện bugi piston lên đến điểm chết Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng lớn đến cơng suất, tính kinh tế độ nhiễm khí thải động Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Өopt = f(Pbđ, tbđ,p, twt, tmt, n, No…) Trong đó: Pbđ: Áp suất buồng đốt thời điểm đánh lửa tbđ: Nhiệt độ đốt P: Áp suất đường ống nạp twt : Nhiệt độ làm mát động tmt : Nhiệt độ mơi trường n: Số vịng quay động No : Chỉ số octan xăng 1.2 Phân loại HTĐL điện tử 1.2.1 Theo nguyên lý tích lũy lượng -Hệ thống đánh lửa kiểu điện cảm (HTĐL CI) Trong hệ thống đánh lửa CI , lượng đánh lửa tích lũy từ trường cuộn dây biến áp đánh lửa.Năng lượng tính theo cơng thức: WL = (1.5) Trong đó: WL- lượng tích lũy từ trường cuộn dây (J) L – Điện cảm cuộn dây sơ cấp biến áp đánh lửa (H) I1 – Dòng điện sơ cấp biến áp đánh lửa (A) Hệ thống đánh lửa kiểu điện dung (HTĐL CDI) Trong HTĐL CDI , lượng đánh lửa tích lũy điện trường tụ điện đặc biệt (gọi tụ tích điện) tính theo cơng thức: Wc = (1.6) Trong : Wc – lượng tích lũy điện trường tụ điện,J C1 - điện dung tụ điện,F U1 – trị số điện áp nạp cho tụ điện trước thời điểm xuất tia Lửa điện,V 1.2.2 Theo cảm biến sử dụng - Cảm biến cảm ứng Cảm biến loại cảm ứng gồm có hai loại: + Loại nam châm đứng yên + Loại nam châm quay Hình 1.1 Cảm biến đánh lửa kiểu cảm ứng - Cảm biến quang Hình 1.2 Cảm biến đánh lửa quang - Cảm biến đánh lửa kiểu Hall Hình 1.3 Cảm biến đánh lửa kiểu Hall 1.2.3 Phân loại theo biến áp đánh lửa - HTĐL điện tử dùng biến áp đánh lửa cho tất bugi Hình 1.4 HTĐL dùng biến áp cho tất bugi - HTĐL điện tử trực tiếp sử dung bôbin cung cấp cho bugi cung cấp cho bugi Hình 1.5 HTĐL điện tử dùng bobin cung cấp cho bugi bugi 1.2.4 Phân loại theo phương pháp điều khiển - kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm điện tử) Trong kiểu hệ thống đánh lửa không sử dụng đánh lửa sớm chân không li tâm Thay vào đó, chức ESA Bộ điều khiển điện tử (ECU) điều khiển góc đánh lửa sớm Hình 1.6 kiểu bán dẫn có ESA - Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) Hình 1.7 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) - Thay sử dụng chia điện, hệ thống sử dụng bô bin đơn đôi cung cấp điện cao áp trực tiếp cho bugi Thời điểm đánh lửa điều khiển ESA ECU động Trong động gần đây, hệ thống đánh lửa chiếm ưu 1.3 Đặc điểm HTĐL điện tử 1.3.1 Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn có ESA Hình 1.8 Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn có ESA Trong kiểu hệ thống đánh lửa không sử dụng đánh lửa sớm chân khơng li tâm Thay vào đó, chức ESA Bộ điều khiển điện tử (ECU) điều khiển góc đánh lửa sớm -ECU động nhận tín hiệu từ cảm biến khác nhau, tính tốn thời điểm đánh lửa tối ưu, gửi tín hiệu đánh lửa tới IC đánh lửa (ECU động có vai trị việc tác dụng điều khiển đánh lửa sớm) - IC đánh lửa nhận tín hiệu đánh lửa cho chạy dòng sơ cấp - Bơ bin, với dịng sơ cấp bị ngắt đột ngột, sinh dòng cao áp - Bộ chia điện phân phối dòng cao áp từ cuộn thứ cấp đến bugi - Bugi nhận dòng cao áp đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp hịa khí 1.3.2 Hệ thống đánh lửa trực tiếp - Đặc điểm Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp (ĐLTT), chia điện khơng cịn sử dụng Thay vào đó, hệ thống ĐLTT cung cấp bô bin với IC đánh lửa độc lập cho xy-lanh Vì hệ thống không cần sử dụng chia điện dây cao áp nên giảm tổn thất lượng khu vực cao áp tăng độ bền Đồng thời giảm đến mức tối 10 Hình1.9 Hệ thống đánh lửa trực tiếp thiểu nhiễu điện từ, khơng sử dụng tiếp điểm khu vực cao áp Chức điều khiển thời điểm đánh lửa thực thông qua việc sử dụng ESA (đánh lửa sớm điện tử) ECU động nhận tín hiệu từ cảm biến khác nhau, tính tốn thời điểm đánh lửa, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa Thời điểm đánh lửa tính tốn liên tục theo điều kiện động cơ, dựa giá trị thời điểm đánh lửa tối ưu lưu giữ máy tính, dạng đồ ESA So với điều khiển đánh lửa học hệ thống thơng thường phương pháp điều khiển ESA có độ xác cao không cần phải đặt lại thời điểm đánh lửa Kết hệ thống giúp cải thiện tiết kiệm nhiên liệu tăng công suất phát Sơ đồ HTĐL trực tiếp Hình 1.10 Sơ đồ bố trí HTĐL trực tiếp 48 - Có điều kiện tìm hiểu rõ cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống - Nâng cao kỹ đấu nối, kiểm tra, sửa chữa cách điều chỉnh hệ thống - Biết rõ liên hệ hệ thống, tổng thành ôtô 3.2 Yêu cầu mơ hình - Có đầy đủ thiết bị HTĐL diện tử trực tiếp - Hệ thống phải hoạt động nguyên lý - Thể trạng thái hoạt động hệ thống đánh lửa chế độ làm việc khác động 3.3 Sơ đồ mơ hình Trên hình 3.1 xa bàn bố trí hai hệ thống đánh lửa hoạt động độc lập với nhau: - Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến đo tín hiệu G Ne kiểu cảm ứng - Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến đo tín hiệu G Ne kiểu photo diode Hình 3.1 sơ đồ mơ hình 3.4 Thành phần ý nghĩa phận mơ hình 49 3.4.1 Các cảm biến sử dụng mơ hình Cảm biến tín hiệu G Ne sử dụng mơ hình - Cảm biến sử dụng mơ hình la cảm biến cảm ứng loai nam châm đứng yên Hình 3.2 Cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên Cảm biến đặt delco bao gồm rotor có số cảm biến tương ứng với số xy lanh động cơ, cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ cạnh nam châm vĩnh cữu Cuộn dây lõi sắt đặt đối diện với cảm biến rotor cố định vỏ delco Khi rotor quay, cảm biến tiến lại gần lùi xa cuộn dây Khi rotor vị trí hình 3.3a, điện áp cuộn dây cảm biến Khi cảm biến rotor tiến lại gần cực từ lõi thép, khe hở rotor lõi thép giảm dần từ trường mạnh dần lên Sự biến thiên từ thông xuyên qua cuộn dây Khi cảm biến rotor đối diện với lõi thép, độ biến thiên từ trường sức điện động cuộn cảm biến nhanh chóng giảm (hình 3.3c) Khi rotor xa lõi thép, từ thông qua lõi thép giảm dần sức điện động xuất cuộn dây cảm biến có chiều ngược lại (hình 4.3d) Hiệu điện sinh hai đầu dây cuộn cảm biến phụ thuộc vào tốc độ động Sự tạo từ trường cuộn nam châm đứng yên 50 Hình 3.3 Sự tạo từ trường cuộn nam châm Cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên có ưu điểm bền, xung tín hiệu có dạng nhọn nên ảnh hưởng đến sai lệch thời điểm đánh lửa Tuy nhiên, xung điện áp chế độ khởi động nhỏ, đầu vào Igniter phải sử dụng transistor có độ nhạy cao phải chống nhiễu cho dây tín hiệu Các cảm biến khác - Cảm biến lưu lượng khí nạp (VG) - Cảm biến nhiệt độ nước (THW) - Cảm biến vị trí bướm ga (IDL) Các cảm biến có nhiệm vụ gửi tín hiệu đến mạch điều khiển đánh lửa.Mạch điều khiển sử lý tín hiệu cảm biến đưa tín hiệu điều khiển (IGT) điều khiển đánh lửa thời điểm có góc đánh lửa sớm tối ưu 3.4.2 IC đánh lửa IC đánh lửa thực cách xác ngắt dịng sơ cấp vào bơ bin theo tín hiệu đánh lửa (IGT) ECU động phát Khi tín hiệu IGT chuyển từ ngắt sang dẫn, IC đánh lửa bắt đầu cho dòng điện vào cuộn sơ cấp Sau đó, IC đánh lửa truyền tín hiệu khẳng định (IGF) cho ECU phù hợp với cường độ dịng sơ cấp 51 Hình 3.4 IC đánh lửa 3.4.3 Bô bin Nhiệm vụ Bô bin có nhiệm vụ tạo điện áp cao đủ để phóng tia hồ quang hai điện cực bugi Cấu tạo Bô bin cồm cuộn sơ cấp thứ cấp quấn quanh lõi sắt Số vòng cuộn thứ cấp lớn cuộn sơ cấp khoảng 100 lần Một đầu cuộn sơ cấp nối với IC đánh lửa, đầu cuộn thứ cấp nối với bugi Các đầu lại cuộn nối với ắc quy Hình 3.5 Bơ bin chân giắc bơbin mơ hình 52 Hình 3.6 Sơ đồ đấu dây bô bin IC đánh lửa Hoạt động Khi IC ngắt dòng cuộn sơ cấp phù hợp với tín hiệu IGT ECU động phát Kết từ thông cuộn sơ cấp giảm đột ngột Vì vậy, tạo sức điện động theo chiều chống lại giảm từ thơng có, thơng qua tự cảm cuộn sơ cấp cảm ứng tương hỗ cuộn thứ cấp Hiệu ứng tự cảm tạo điện động khoảng 500 V cuộn sơ cấp, hiệu ứng cảm ứng tương hỗ kèm theo cuộn thứ cấp tạo sức điện động khoảng 30 kV Sức điện động làm cho bugi phát tia lửa Dòng sơ cấp lớn ngắt dòng sơ cấp nhanh điện thứ cấp lớn 3.5 Sơ đồ đấu dây mơ hình • Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển tốc độ động 53 Hình 3.7 Sơ đồ dây mạch điều khiển tốc độ 54 55 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH HỆ THỒNG ĐÁNH LỬA Mạch điều khiển tốc độ động • Sơ đồ mạch: 56 Hình 4.1 Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ động Nhiệm vụ: Mạch điều khiển tốc độ động có nhiệm vụ điều khiển tốc độ động thay đổi với tốc độ khác mô theo chế độ làm việc khác động Các linh kiện điện tử sử dụng mạch a IC 555 e Tụ C1 10n f Tụ C2 100n b Điện trở R1 1k g diode c Điện trở R2 220 h Biến trở to d Điện trở R3 1k i IRF 540 4.2 Mạch điều khiển đánh lửa 4.2.1 Sơ đồ mạch điều khiển ATMEGA8 Hình 4.2 Mạch điều khiển ATMEGA8 Nhiệm vụ mạch điều khiển - Xử lý tín hiệu cảm biến: Phương pháp xử lý tín hiệu chuẩn xung: Các tín hiệu từ cảm biến (tốc độ động cơ, thời điểm đánh lửa…) có đặc tính phụ thuộc vào loại cảm biến nguyên lý làm việc cảm biến Với loại cảm biến điện từ, tín hiệu có dạng dao động theo chu kỳ…, nhìn chung tín hiệu đưa trực tiếp vào vi điều khiển điều khiển được, vi điều khiển làm việc với tín hiệu điện có thơng số điện áp, cường độ dòng điện, mức độ nhiễu dạng tín hiệu… có giới hạn Vì trước đưa tín hiệu từ cảm biến vi điều khiển điều khiển, phải tiến hành xử lý tín hiệu chuẩn xung Với tín hiệu tốc độ động cơ, thường sử dụng khuếch đại thuật toán theo kiểu so sánh ngưỡng để xử lý chuẩn xung cho tín hiệu từ cảm biến gửi Hình 4.3 Sơ đồ chuẩn xung tín hiệu mạch so sánh ngưỡng Tín hiệu đầu chân SP1 SP2 cảm biến có dạng gần hình sin Sau qua mạch so sánh ngưỡng, đầu SP có dạng xung vng, giá trị điện áp 5V thích hợp để đưa vào vi điều khiển để xử lý Bộ điều khiển Mạch điều khiển điều khiển sử dụng vi điều khiển ATMega8 với ưu điểm: • Có đủ só lượng cổng IN/OUT cho q trình xử lý tín hiệu điều khiển đánh lửa •Tốc độ xử lý đảm bảo cho q trình xử lý tín hiệu điều khiển • Có đủ mơ-đun phục vụ cho q trình xử lý tín hiệu điều khiển • Giá thành rẻ so với loại vi điều khiển khác sử dụng mơ hình thị trường Các mô-đun vi điều khiển ATMega8 sử dụng q trình xử lý tín hiệu điều khiển phun xăng/đánh lửa là: •Khối Timer • Khối ngắt ngồi Counter • Khối chuyển đổi ADC0 Vi điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến sau dược sử lý đưa tín hiệu điều khiển đánh lửa (IGT) tới IC đánh lửa điều khiển đóng ngắt mạch cuộn sơ cấp KẾT LUẬN Trong thời gian thực đề tài tốt nghiệp em thực số vấn đề cụ thể sau: Các cơng việc thực - Tìm hiểu hệ thống đánh lửa điện tử ô tô - Tìm hiểu dược cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống đánh lửa trực tiếp - Nắm cấu trúc mạch điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp - Xây dựng mơ hình hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng cảm biến tín hiệu G Ne kiểu cảm ứng Những thuận lợi khó khăn trình thực đề tài - Thuận lợi:Trong thời gian thực đề tài tốt nghiệp em nhận giúp đỡ tận tình thầy giáo khoa công nghệ kỹ thuật ô tô, đặc biệt thầy Phạm Hữu Nam thầy giáo khoa khí trường đại học Bách Khoa Hà Nội - Khó khăn: Do cịn nhiều hạn chế trình độ chun mơn thời gian thực gấp rút lên đề tài không tránh khỏi thiếu xót Em mong đóng góp thầy giáo bạn sinh viên để đề tài tốt nghiệp hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS- TS Đỗ Văn Dũng: Trang bị điện điện tử ô tô đại Nhà xuất ĐHQG Tp.HCM [2] Nguyễn Văn Chất: Giáo trình trang bị điện tơ Nhà xuất Giáo Dục [3] Nguyễn Khắc Trai: kỹ thuật chẩn đốn tơ Nhà xuất Giao Thơng Vận Tải [4] Tài liệu khai thác mạng internet: webside: www.autoshop101