THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ TOYOTA 3SFE

Một hệ thống đánh lửa làm việc tốt phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Hệ thống đánh lửa phải sinh ra sức điện động thứ cấp đủ lớn để phóng điện qua khe hở bugi trong tất cả các chế độ làm

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ TOYOTA 3S-FE

Tác giả

TRƯƠNG HOÀNG TRUNG

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư nghành

Công nghệ kỹ thuật ôtô

Giáo viên hướng dẫn Th.S Bùi Ngọc Triều K.S Phan Minh Hiếu

Tháng 6 năm 2011

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô Khoa Cơ khí Trường đại học Nông Lâm TP.HCM và Th.S Bùi Công Hạnh giáo viên chủ nhiệm đã dìu dắt em qua những năm tháng đại học Đặc biệt em xin cảm ơn Th.S Bùi Ngọc Triều và K.S Phan Minh Hiếu đã hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu tham khảo cũng như tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp em trong suốt thời gian làm đề tài báo cáo tốt nghiệp này Đồng thời em xin cảm ơn các bạn trong lớp đã có những ý kiến đóng góp để đề tài được hoàn thiện hơn

Tuy đã có nhiều cố gắng để hoàn đề tài những với suy nghĩ nông cạn và sự hiểu biết còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự chỉ dẫn của quý thầy cô trong khoa Em xin chân thành cảm ơn!

Cuối cùng em xin chúc các thầy cô luôn mạnh khỏe và đạt được nhiều thành tựu

TÓM TẮT

1 Tên đề tài

“THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ TOYOTA 3S-FE”

2 Thời gian và địa điểm

 Thời gian: Từ ngày 15 tháng 03 đến ngày 15 tháng 06 năm 2011

 Địa điểm: Xưởng thực tập sửa chữa ô tô, Khoa Cơ khí, trường Đại học Nông Lâm TP.HCM

3 Mục đích của đề tài

 Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống đánh lửa động cơ Toyota 3S-FE

 Thiết kế các bài giảng thực hành phục vụ cho việc giảng dạy và thực hành trên

mô hình này

4 Kết quả

 Nghiên cứu tìm hiểu về hệ thống đánh lửa của Toyota 3S-FE

 Thiết kế mô hình hệ thống đánh lửa Toyota 3S-FE

 Cho mô hình hoạt động và đo kiểm

 Xây dựng các bài thực hành trên dạng phiếu thực hành

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

Th.S Bùi Ngọc Triều Trương Hoàng Trung

MỤC LỤC

Trang tựa i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Mục lục iv Danh sách các chữ viết tắt vi

2.1 Nhiệm vụ yêu cầu của hệ thống đánh lửa 3

2.2 Các thông số cơ bản của hệ thống đánh lửa 5

2.3 Sơ lược về các hệ thống đánh lửa 9

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 13

3.1 Địa điểm thực hiện 13

3.2 Phương tiện thực hiện 13

3.3 Phương pháp nghiên cứu 13

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 15

4.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống đánh lửa động cơ 3S – FE 15

4.1.2 Các bộ phận trong hệ thống đánh lửa của động cơ 3S – FE 16

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ECU : Electronic Control Unit

ESA : Electronic Spark Advance

CT : Công Tắc

IC : Integrated Circuit

DIS : Direct Ignition System

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 : Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải động cơ 5

Hình 2.2 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa kiểu ngắt tiếp điểm 9

Hình 2.3 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa kiểu transistor 10

Hình 2.4 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa kiểu transistor có ESA 11

Hình 2.5 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp 11

Hình 4.1 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa 16 Hình 4.2 : Sơ đồ mạch điện IC đánh lửa 17

Hình 4.4 : Sơ đồ delco đánh lửa 18

Hình 4.6 : Sơ đồ chân ECU động cơ 20

Hình 4.10 : Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa 24

Hình 4.11 : Xung điều khiển đánh lửa 25

Chính vì thế em đã nghiên cứu quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ MÔ HÌNH

HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ TOYOTA 3S – FE” nhằm giúp các bạn học

sinh, sinh viên dễ dàng tiếp thu lí thuyết để việc học đạt hiệu quả cao hơn Mô hình được thiết kế đầy đủ các bộ phận của hệ thống đánh lửa ESA Song song đó còn có các bài giảng mẫu được thiết kế dưới dạng phiếu thực hành giúp cho việc giảng dạy và học tập trên mô hình đạt kết quả cao nhất

1.2 Mục tiêu đề tài

 Thiết kế mô hình hệ thống đánh lửa động cơ Toyota 3S-FE

 Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên hướng dẫn sinh viên trong quá trình thực tập

 Giúp sinh viên ứng dụng ngay bài học lý thuyết vào bài học thực hành

 Sinh viên có điều kiện quan sát mô hình một cách trực quan, dễ cảm nhận được hình dạng và vị trí của các chi tiết trên động cơ

 Giúp sinh viên dễ dàng kiểm tra và đo đạc các thông số của hệ thống đánh lửa

 Góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong phòng thực tập

 Giúp sinh viên tiếp thu bài tốt hơn

 Thiết kế các bài giảng thực hành phục vụ cho việc giảng dạy và thực hành trên

mô hình này

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống đánh lửa

Trong động cơ xăng bốn kì, hòa khí sau khi được đưa vào trong xylanh và được trộn đều nhờ xoáy lốc của dòng khí, sẽ được piston nén lại Ở một thời điểm thích hợp cuối kì nén, hệ thống đánh lửa sẽ cung cấp một tia lửa điện cao thế, đốt cháy hòa khí và sinh công cho động cơ Để làm được điều đó, hệ thống đánh lửa phải thực hiện được hai nhiệm vụ hết sức cơ bản:

 Biến dòng điện một chiều có hiệu điện thế thấp (12V - 24V) thành xung điện thế cao (20.000V – 50.000V) để có thể sinh ra được tia lửa điện

 Phân phối xung điện thế cao áp này đến từng xylanh vào đúng thời điểm thích hợp để đốt cháy hòa khí đã được nén trong buồng cháy

Trải qua lịch sử phát triển lâu dài, hệ thống đánh lửa sử dụng trên động cơ xăng đã

có nhiều sự thay đổi lớn về mọi mặt để ngày càng hoàn thiện hơn và ngày nay đã đạt đến

sự tối ưu trong sử dụng

Một hệ thống đánh lửa làm việc tốt phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Hệ thống đánh lửa phải sinh ra sức điện động thứ cấp đủ lớn để phóng điện qua khe hở bugi trong tất cả các chế độ làm việc của động cơ

- Tia lửa trên bugi phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự cháy bắt đầu

- Góc đánh lửa sớm phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ

- Các bộ phận của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao

và rung xóc

- Mài mòn điện cực bugi phải nằm trong khoảng cho phép

Ngày nay, hệ thống đánh lửa trang bị trên ô tô có rất nhiều loại khác nhau, đặc trưng cho từng nhà sản xuất ô tô Dựa vào cấu tạo hoạt động, phương pháp điều khiển, người ta có thể phân loại hệ thống đánh lửa theo các cách sau:

- Phân loại theo phương pháp tích lũy năng lượng:

+ Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI - Transistor Ignition Systems)

+ Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI - Capacitor Discharged Ignition systems)

- Phân loại theo phương pháp điều khiển dùng cảm biến:

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến trở từ

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến cộng hưởng

- Phân loại theo cách phân bố điện cao áp:

+ Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện (delco)

+ Hệ thống đánh lửa trực tiếp hay không có delco

- Phân loại theo phương pháp điều khiển góc đánh lửa sớm:

+ Hệ thống đánh lửa với cơ cấu đánh lửa sớm kiểu cơ khí

+ Hệ thống đánh lửa với bộ điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử

- Phân loại theo phương pháp ngắt mạch sơ cấp:

sự trợ giúp đắc lực của lĩnh vực công nghiệp điện tử và điện tự động, hệ thống đánh lửa ngày nay đã trở nên hoàn hảo Động cơ ngày nay đều được trang bị hệ thống đánh lửa trực tiếp với hệ thống đánh lửa sớm điện tử được điều khiển hoàn toàn bằng máy tính dựa

vào các tín hiệu từ nhiều cảm biến khác nhau Nhờ đó, có thể xác định chính xác tình

trạng của động cơ và đưa ra tín hiệu điều khiển một cách chính xác nhất

2.2 Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa

2.2.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m

Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách

dây cao áp ra khỏi bugi Hiệu điện thế cực đại U2m phải lớn để có khả năng tạo được tia

lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt lúc khởi động

2.2.2 Hiệu điện thế đánh lửa U đl

Hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra được gọi là hiệu điện thế

đánh lửa (Uđl) Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, theo định

luật Pashen

Trong đó:

P: là áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa [kg/cm2]

δ: khe hở giữa hai điện cực bugi [m]

T: nhiệt độ ở điện cực trung tâm của bugi tại thời điểm đánh lửa [0K]

K: hằng số phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp hoà khí

Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu thế đánh lửa Uđl tăng khoảng 20 - 30% do nhiệt độ

hoà khí thấp và hoà khí không được hoà trộn tốt Khi động cơ tăng tốc độ, Uđl tăng nhưng

sau đó Uđl giảm từ từ do nhiệt độ cực bugi tăng , áp suất nén giảm do quá trình nạp xấu đi

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải động cơ

Hiệu điện thế đánh lửa có giá trị cực đại ở chế độ khởi động và tăng tốc, có giá trị cực tiểu ở chế độ ổn định khi công suất cực đại Trong quá trình vận hành xe mới, sau 2.000 km đầu tiên, Uđl tăng 20% do điện cực bằng bugi bị mài mòn

Sau đó Uđl tiếp tục tăng do khe hở bugi tăng Vì vậy để giảm Uđl phải hiệu chỉnh lại khe hở bugi sau mỗi 10.000 km

2.2.4 Năng lượng dự trữ W dt

Năng lượng dữ trữ Wdt là năng lượng tích luỹ dưới dạng từ trường trong cuộn dây

sơ cấp của bôbin Để đảm bảo tia lửa điện có đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toàn hoà khí thì hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của

bôbin ở một giá trị xác định

Trong đó:

Wdt: năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp [W.s]

L1: độ tự cảm cuộn sơ cấp của bôbin [H]

Ing: cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt [A]

2.2.5 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S

2m

dt dl

U K U



2 1 dt

Trong đó:

S: tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

ΔU2 : độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Δt: thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện tại điện cực bugi càng mạnh nhờ đó dòng không bị rò qua muội than trên cực bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm

2.2.6 Tần số và chu kỳ đánh lửa

Đối với động cơ 4 thì, số tia lửa xảy ra trong một giây được xác định bởi công thức:

Đối với động cơ 2 thì:

td : thời gian vít đóng hay transistor công suất dẫn [s]

tm : thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt [s]

Tần số đánh lửa f tỷ lệ thuận với tốc độ quay trục khuỷu động cơ và số vòng quay xylanh Khi tăng số vòng quay của động cơ và số xylanh, tần số đánh lửa f tăng và do đó chu kỳ đánh lửa T giảm xuống Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến 2 thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo ở số vòng quay cao nhất của động cơ tia lửa vẫn mạnh

120

n Z

f 

.[Hz]

60

n Z

f 

Pbđ: áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa [kg/cm2]

No : chỉ số octan của xăng

Ở các đời xe cũ, góc đánh lửa sớm chỉ được điều khiển theo hai thông số: tốc độ và tải động cơ Tuy nhiên, hệ số đánh lửa ở một số xe (Toyota, Honda…), có trang bị thêm van nhiệt và sử dụng bộ phận đánh lửa sớm theo chế độ nhiệt độ Trên các đời xe mới, góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng điện tử nên góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh theo tất cả các thông số nêu trên

2.2.8 Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện

Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là thành phần điện dung và thành phần điện cảm Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:

Trong đó:

Wp: năng lượng của tia lửa [W.s]

WC: năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung [W.s]

2 2 C

W

W

Hình 2.2 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa kiểu ngắt tiếp điểm

WL: năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm [W.s]

C2: điện dung ký sinh của mạch thứ cấp của bugi [F]

Uđl : hiệu điện thế đánh lửa [V]

L2: độ tự cảm của mạch thứ cấp [H]

i2: cường độ dòng điện mạch thứ cấp [A]

Tuỳ thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ hai thành phần hoặc chỉ có một thành phần điện cảm hoặc điện dung

Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của bugi tuỳ thuộc vào loại hệ thống đánh lửa Tuy nhiên hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng tia lửa đủ lớn và thời gian phóng điện đủ dài để đốt cháy được hoà khí ở mọi chế độ hoạt động của động cơ

2.3 Sơ lược về các hệ thống đánh lửa

2.3.1 Kiểu ngắt tiếp điểm

Kiểu hệ thống đánh lửa này có cấu tạo cơ bản nhất Trong kiểu hệ thống đánh lửa này, dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng cơ khí Dòng sơ cấp của cuộn đánh lửa được điều khiển cho chạy ngắt quãng qua tiếp điểm của bộ ngắt dòng Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm li tâm và chân không điều khiển thời điểm đánh lửa sớm Bộ chia điện sẽ phân phối điện cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi

12 -Bộ đánh lửa sớm chân không

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này các tiếp điểm của bộ ngắt điện cần được kiểm tra và điều chỉnh thường xuyên hoặc thay thế

Hình 2.3 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa kiểu transistor

Nhằm mục đích cải thiện đặc tính đánh lửa ở tốc độ cao, một điện trở phụ có hệ số điện trở dương được mắc nối tiếp vào mạch sơ cấp Khi động cơ làm việc ở tốc độ thấp, thời gian tích lũy năng lượng trong cuộn sơ cấp dài, cường độ dòng sơ cấp (Ing) lớn, làm nhiệt độ trên điện trở phụ (Rf) cao, làm tổng trở của mạch sơ cấp cao Kết quả làm cường

độ dòng sơ cấp (Ing) giảm Điều này hạn chế được một phần năng lượng lãng phí vô ích

do thời gian tích lũy trên cuộn sơ cấp quá dài

2.3.2 Kiểu transistor

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này transistor điều khiển dòng sơ cấp, để nó chạy một cách gián đoạn theo đúng các tín hiệu điện được phát ra từ bộ phát tín hiệu Thời điểm đánh lửa sớm được điều khiển bằng phương pháp cơ học như trong kiểu hệ thống đánh lửa ngắt tiếp điểm

1 - Khóa điện 2 – Bobine 3 - Dây cao áp 4 - Delco

5 - Dây cao áp 6 – Bugi 7 - IC đánh lửa 8 - Cảm biến từ

9 - Bộ đánh lửa sớm ly tâm 10 - Bộ đánh lửa sơm chân không

2.3.3 Kiểu transistor có ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử)

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này không sử dụng bộ đánh lửa sớm chân không và

li tâm Thay vào đó, chức năng ESA của bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển thời điểm đánh lửa

Hình 2.4 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa kiểu transistor có ESA

2.3.4 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)

Thay vì sử dụng bộ chia điện, hệ thống này sử dụng cuộn đánh lửa đa bội để cung cấp điện cao áp trực tiếp cho bugi Thời điểm đánh lửa được điều khiển bởi ESA của ECU động cơ Trong các động cơ gần đây, hệ thống đánh lửa này chiếm ưu thế Hệ thống đánh lửa thông dụng, được sử dụng rộng rãi hiện nay là hệ thống đánh lửa trực tiếp, một bôbin cho một bugi Loại này có kết cấu đơn giản với hệ thống được điều khiển hoàn toàn bằng ECU động cơ Nhờ đó, hệ thống đánh lửa kiểu này có độ chính xác cao, và độ bền

sử dụng cao

Hình 2.5 : Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp

Kiểu 2 đánh lửa đồng thời trong hai xy-lanh Một tia lửa xuất hiện trong kỳ nén và một trong kỳ xả Trong kiểu đánh lửa này, thời điểm đánh lửa được gửi từ ECU đến IC đánh lửa, thực hiện ngắt mạch sơ cấp, tạo dòng cao áp đánh lửa

Chương 3

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN

3.1 Địa điểm thực hiện

Xưởng thực tập bộ môn Công Nghệ Kỹ Thuật Ôtô, Khoa Cơ khí, trường Đại học Nông Lâm TP.HCM

3.2 Phương tiện thực hiện

- Tủ đồ nghề chuyên dụng ở xưởng thực tập

- Đồng hồ VOM

- Máy ảnh kĩ thuật số

- Máy tính cá nhân

3.3 Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Nghiên cứu tài liệu

Em đã sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để hoàn thành đề tài này Như tìm kiếm tài liệu có liên quan đến đề tài thông qua mạng internet, thư viện trường, sách, các bài báo…Học hỏi kiến thức, ý kiến đóng góp từ các thầy cô, bạn bè Đồng thời kết hợp với phương pháp quan sát, nghiên cứu các mô hình khác để có thể hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

3.3.2 Phương pháp thực hiện

Em tiến hành các bước thực hiện đề tài sau:

- Chọn các bộ phận của hệ thống đánh lửa, kiểm tra cấu tạo và đồng thời sửa chữa những hư hỏng nếu có

- Tính toán thiết kế, chế tạo khung để gá lắp đặt các bộ phận

- Bố trí các bộ phận cho hợp lý

- Thiết kế bộ truyền động cho delco

- Kiểm tra tình trạng của hệ thống lần cuối

- Vận hành và đo đạc để thu thập đánh giá số liệu

- Thiết kế các bài thực hành

Chương 4

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Khảo sát hệ thống đánh lửa trên động cơ 3S-FE

4.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống đánh lửa động cơ 3S – FE

Hệ thống đánh lửa trên động cơ 3S-FE là hệ thống đánh lửa kiểu transistor có ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử)

Các bộ phận chính trên hệ thống đánh lửa động cơ 3S-FE :

- Các cảm biến: có nhiệm vụ nhận biết các hoạt động khác nhau của động cơ và phát

ra các tín hiệu gửi đến ECU hay còn gọi là nhóm tín hiệu vào

- ECU: có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu

điều khiển đến cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến Ngoài ra ECU cũng giúp chẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra

- Cơ cấu chấp hành: gồm IC , bôbin và bugi Trong đó IC nhận được tín hiệu điều

khiển từ ECU , tiến hành ngắt điện ở cuộn sơ cấp bôbin, biến dòng điện thế thấp thành điện thế cao đến bugi thực hiện việc đánh lửa

Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa: Các cảm biến được bố trí xung quanh dùng để xác định tình trạng thực tế của động cơ Khi ECU tiếp nhận các tín hiệu từ các cảm biến, nó sẽ tính toán và cho ra xung tín hiệu điều khiển thời điểm đánh lửa IGT với dạng các xung vuông Khi ECU cung cấp tín hiệu IGT đến Igniter (IC đánh lửa) → transistor công suất mở và dòng điện đi qua cuộn sơ cấp như sau: + accu → contact máy

→ cầu chì → cuộn dây sơ cấp bôbin → transistor → mát → - accu