Đồ án môn trang bị điện và điện tử động cơ đốt trong trang bị điện và điện tử động lực

MỤC LỤC Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, có loại động đốt sử dụng phổ biến nhất, động xăng động Diesel Đối với động Diesel, nhiên liệu tự bốc cháy đạt đến áp suất định Còn động xăng, nhiệm vụ đốt cháy hịa khí thực hệ thống đánh lửa, hệ thống vô quan trọng động xăng Sau học xong môn “Trang bị điện điện tử động đốt trong” Chúng em giao đồ án môn học “Trang bị điện điện tử động lực” nhằm củng cố kiến thức học hiểu hệ thống đánh lửa thường sử dụng động Trong trình làm đồ án, em tìm tòi, đọc kĩ tài liệu liên quan để hiểu rõ hệ thống đánh lửa, biết cách tính tốn, thiết kế hệ thống đánh lửa, tích lũy kiến thức cần thiết để hồn thành đồ án cách nhanh chóng xác Bên cạnh đó, em cịn nhận hướng dẫn tận tình thầy TS Nguyễn Việt Hải để em hoàn thành đồ án “Trang bị điện điện tử động lực” Trong trình làm đồ án, kiến thức cịn nhiều hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi sai sót Vậy nên, em mong nhận thêm góp ý thầy để em có thêm kinh nghiệm cho việc học sau Em xin chân thành cảm ơn! Trang Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa Đà Nẵng, ngày tháng năm Sinh viên thực Lê Thành Đạt Phần 1: 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA Công dụng, yêu cầu:  Công dụng: Hệ thống đánh lửa (HTĐL) có nhiệm vụ biến đổi dịng điện chiều hiệu thấp (6, 12 hay 24 V) xung điện xoay chiều hiệu thấp (trong HTĐL Manheto hay Volang Manhetic) thành xung điện cao (12000 ÷ 24000V) đủ để tạo nên tia lửa điện (phóng điện qua khe hở buji) đốt cháy hỗn hợp làm việc xylanh động vào thời điểm thích hợp tương ứng với trình tự xylanh chế độ làm việc động  Yêu cầu: Hệ thống đánh lửa phải thỏa mãn yêu cầu sau: Trang Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa - Phải đảm bảo hiệu đủ lớn để tạo tia lửa điện phóng điện qua khe hở - điện cực bugi Tia lửa phải có lượng đủ lớn để đốt cháy hỗn hợp điều kiện - làm việc động Thời điểm đánh lửa phải tương ứng với góc đánh lửa sớm hợp lý - chế độ làm việc động Độ tin cậy làm việc hệ thống đánh lửa phải tương ứng với độ tin cậy làm việc động - Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ 1.2 Phân loại: • Theo đặc điểm cấu tạo nguyên lý làm việc, hệ thống đánh lửa chia - làm: Hệ thống đánh lửa thường hay hệ thống đánh lửa kiểu khí: sử dụng - xe tơ trước đây, cịn gọi hệ thống đánh lửa cổ điển Hệ thống đánh lửa Manheto: hệ thống đánh lửa cao áp độc lập, khơng cần dùng acquy máy phát, đó, có độ tin cậy cao, dùng xe cao tốc - số máy cơng trình vùng núi Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm: hệ thống đánh lửa bán dẫn kết hợp với khí, hệ thống đánh lửa loại cịn dùng số xe ô tô - Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm: hệ thống đánh lửa bán dẫn • • - hồn tồn, có nhiều ưu điểm nên dùng đa số xe ô tô Theo biến đánh lửa, hệ thống đánh lửa bán dẫn chia thành: 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 Theo lượng tích lũy trước đánh lửa, hệ thống đánh lửa bao gồm: Hệ thống đánh lửa điện cảm: lượng đánh lửa tích lũy bên từ - trường cuộn dây biến áp đánh lửa Hệ thống đánh lửa điện dung: lượng đánh lửa tích lũy bên điện trường tụ điện Trang Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa • Theo phương pháp phân bố điện cao áp, hệ thống đánh lửa chia ra: - Hệ thống đánh lửa có chia điện - Hệ thống đánh lửa khơng có chia điện (đánh lửa trực tiếp) Ngày ô tô đại sử dụng hệ thống đánh lửa theo chương trình 1.2.1 Hệ thống đánh lửa thường: • Cấu tạo: Những thiết bị chủ yếu hệ thống đánh lửa là: biến áp đánh lửa cung cấp từ nguồn chiều (ắc quy máy phát), chia điện bugi đánh lửa Hình 1.1 – Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa thường Chú thích: 1- Cam 2- Cần tiếp điểm 3- Biến áp đánh lửa 4- Bộ chia điện 5- Buji 6- Má vít C1- Tụ điện R- Điện trở W1, W2- Cuộn sơ cấp thứ cấp BAĐL Trang Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa Biến áp đánh lửa có cuộn dây: cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp W1 có khoảng 250 – 400 vịng, W2 có khoảng 19000 – 26000 vịng Cam chia điện dẫn động quay từ trục phân phối, làm nhiệm vụ đòn mở tiếp điểm KK’, tức nối ngắt mạch sơ cấp biến áp đánh lửa - i Khi KK’ đóng: mạch sơ cấp xuất dòng điện sơ cấp Dòng tạo nên từ thông khép mạch qua lõi thép hai cuộn dây biến áp đánh lửa - i Khi KK’ mở: mạch sơ cấp bị ngắt dòng từ trường tạo Do đó, hai cuộn dây xuất suất điện động tự cảm, tỷ lệ với biến thiên từ thông Bởi cuộn W2 có số vong dây lớn nên suất ddienj động tự cảm sinh lớn, khoảng 12000 – 24000V điện áp cao truyền từ cuộn thứ cấp qua roto chia điện dây dẫn đến bugi Trang Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa đánh lửa theo thứ tự nổ động Khi hiệu thứ cấp đạt giá trị U dl xuất tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp 1.2.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn:  Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển: Hình 1.2 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm Chú thích: 1- Buji đánh lửa T- Transistor 2- Biến áp đánh lửa K- Tiếp điểm 3- Tiếp điểm KK’ R b, Rf – Các điện trở W1, W2 – Cuộn sơ cấp thứ cấp biến áp đánh lửa • Nguyên lý làm việc: Khi bật cơng tắc máy SW cực E Transistor cấp nguồn dương, cực C Transistor nối với nguồn âm Trang Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa - Khi tiếp điểm KK’ đóng: cực B Transistor nối với nguồn âm -> U BE < -> xuất dòng ib -> Transistor dẫn làm xuất dòng sơ cấp theo mach sau: (+) ắc quy -> Rf R -> W1 -> cực E -> cực B -> b -> KK’ -> (-) ắc quy cực C -> (-) ắc quy I = I e = Ib + I c Dòng điện Transistorạo Transistorừ thơng Dịng sơ cấp: - khép mạch qua lõi thép cuộn dây biến áp đánh lửa Khi tiếp điểm KK’ mở: dòng sơ cấp từ thơng sinh bị biến đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp suất điện động cao xuất tia lửa bugi Tại thời điểm KK’ mở, cuộn sơ cấp xuất suất điện động E1 = 200 − 300 V -> làm hỏng Transistor -> phải dùng biến áp có Kba lớn tụ bảo vệ  Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ: a Cảm biến điện từ: Trang Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa Hình 1.3 – Cảm biến điện từ Chú thích: 1- Nam châm vĩnh cửu 2- Giá bắt lõi sắt từ 4- Cuộn dây tín hiệu 5- Nguồn điện cấp cho cuộn dây 6- Răng cảm biến 7- Trục quay cảm biến ω- Tốc độ góc trục cảm biến 3- Roto tín hiệu δ- Khe hở khơng khí • Cấu tạo: Cảm biến điện từ đặt chia điện, bao gồm: - Roto tín hiệu: dẫn động từ trục chia điện, roto có răng, - số roto sơ xy lanh động Cuộn dây tín hiệu quấn lõi thép, gắn nam châm vĩnh cửu cuộn dây lõi thép đặt đối diện với roto đặt cố định bên chia điện khe hở khơng khí roto lõi thép 0,2 – 0,5 mm • Nguyên lý làm việc cảm biến Hall: Từ thơng nam châm vĩnh cửu móc vịng qua roto cuộn dây tín hiệu Trang Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa Khi roto quay, khe hở δ thay đổi, cảm ứng sang cuộn dây tín hiệu sức điện động xoay chiều: e = kwn × dθ dt Trong đó: K: hệ số phụ thuộc khe hở δ vật liệu chế tạo lõi thép w: số vịng dây tín hiệu n: tốc độ quay roto dθ dt : tốc độ biến thiên từ thông + Khi roto đến gần vị trí đối diện với lõi thép dθ dt cực đại, e cực đại + Khi roto xa đối diện vị trí đối diện với lõi thép dθ dt nhỏ nhất, e Trang 10 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa IC đánh lửa thực cách xác đóng ngắt dịng sơ cấp vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT ECU động phát Mạch IC đánh lửa mà ta sử dụng có bốn chân giao tiếp, chân: +B, GND, IGT, IGF Trong đó, chân +B nối với acquy, chân GND nối mass, chân IGT IGF nối với ECU động 3.2 Bobin đánh lửa: Hình 3.3: Bobin kết hợp với IC đánh lửa Trang 53 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa Chú thích: 1- Vỏ 2- Giắc cắm 5- Cuộn thứ cấp 3- IC đánh lửa 6- Lớp cách điện 7- Đầu cắm bugi 4- Cuộn sơ cấp 8- Lõi thép * Mô tả: Bobin tạo điện áp đủ cao để phóng tia hồ quang hai cựa bugi Các cuộn sơ cấp thứ cấp quấn quanh lõi sắt Số vòng dây cuộn thứ cấp lớn cuộn sơ cấp khoảng 60 lần Một đầu cuộn sơ cấp nối với IC đánh lửa Một đầu cuộn thứ cấp nối với bugi, đầu lại cuộn dây nối với acquy * Hoạt động: - Khi động hoạt động, dòng điện từ acquy chạy qua IC đánh lửa, vào cuộn sơ cấp mass, phù hợp với tín hiệu thời điểm đánh lửa IGT ECU động phát Kết đường sức từ tạo xung quanh cuộn dây có lõi trung tâm - Sau đó, IC đánh lửa đột ngột ngắt dịng sơ cấp, phù hợp với tín hiệu IGT ECU động phát Kết từ thông cuộn sơ cấp phát đột ngột Cảm ứng từ sinh cuộn thứ cấp điện khoảng 30kV Điện làm bugi phát tia lửa điện, đốt cháy hỗn hợp làm việc xy lanh động Trang 54 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa 3.3 Bugi đánh lửa: Bugi đánh lửa có nhiệm vụ nhận xung điện cao từ bô bin đánh lửa bật tia lửa điện cao để đốt cháy hỗn hợp khí-nhiên liệu xy lanh Đây chi tiết quan trọng, định làm việc ổn định hiệu hệ thống đánh lửa Dựa vào thông số cho, ta chọn loại bugi FK20HR11 hãng Denso, loại bugi đầu dài, sử dụng điện cực Iridium, cho khả đánh lửa tốt độ bền cao Thông số kỹ thuật: Bảng 3.1- Thông số kỹ thuật bugi đánh lửa Nhà sản xuất DENSO Chiều dài phần ren [mm] FK20HR11 Khe hở bugi [mm] Khoảng 26.5 1.1 Kiểu ren M14x1.25 Kích thước lục giác [mm] 16 Chỉ số nhiệt 20 Điện trở [kΩ] Tuổi thọ Trên 150.000 km Trang 55 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa Hình 3.4: Cấu tạo bugi Chú thích: 1- Đầu nối 2- Gân vỏ 3- Điện cực 4- Sứ cách điện 5- Xi thủy tinh 6- Vòng tựa 7- Vỏ bugi 8- Điện trở 9- Vòng làm kín 10- Đệm làm kín 11- Lõi điện cực 12- Phần ren vặn vào thân máy 13- Điện cực trung tâm 14- Điện cực bên Trang 56 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa 3.4 Bộ điều khiển trung tâm (ECU): 3.4.1 Tổng quan: - Hệ thống điều khiển động theo chương trình bao gồm cảm biến kiểm sốt liên tục tình trạng hoạt động động cơ, ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu đưa tín hiệu điều khiển đến cấu thừa hành - ECU tổ hợp vi mạch phận dùng để nhận biết tín hiệu, lưu trữ thơng tin, tính tốn, định chức hoạt động gửi tín hiệu điều khiển thích hợp ECU đặt vỏ kim loại để giải nhiệt tốt bố trí nơi chịu ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm - Các linh kiện ECU xếp mạch in Các linh kiện công suất tần cuối – nơi điều khiển cấu chấp hành – gắn với khung kim loại ECU với mục đích giải nhiệt Sự tổ hợp chức IC (bộ tạo xung, chia xung, dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao 3.4.2 Các phận ECU a Bộ nhớ: Bộ nhớ ECU gồm loại: - ROM (Read only memory): Dùng để lưu trữ thông tin thường trực Bộ nhớ cho phép đọc thơng tin từ ghi vào Thông tin Trang 57 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa cài đặt sẵn ROM cung cấp thơng tin cho vi xử lý lắp đặt mạch in Chương trình điều khiển động nhà sản xuất lập trình nạp sẵn ROM - RAM ( Random access memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin ghi nhớ xác định vi xử lý RAM đọc ghi số liệu theo địa RAM trì nhớ cho dù động ngừng hoạt động tắt công tắc máy Tuy nhiên, tháo nguồn cung cấp từ acquy đến ECU nhớ RAM - PROM (Programmable read only memory): Cấu trúc giống ROM cho phép lập trình (nạp liệu) nơi sử dụng nơi sản xuất giống ROM PROM cho phép sửa đổi chương trình điều khiển theo yêu cầu khác b Bộ vi xử lý (Microprocess): MICROPROCESSOR ROM PROM RAM Hình 3.5- Sơ đồ khối hệ thống ECU Bộ vi xử lý có chức tính tốn định, “bộ não” ECU Trang 58 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa c Đường truyền (BUS): BUS có nhiệm vụ truyền lệnh số liệu ECU theo hai chiều Sự phát triền ECU động gắn liền với phát triển vi xử lý Ở hệ đầu, ECU dùng loại bit, bit, ngày này, ECU dùng loại 16 bit, 32 bit 3.5 Các cảm biến: 3.5.1 Cảm biến vị trí trục khuỷu (tốc độ động NE) Hình 3.6- Cảm biến vị trí trục khuỷu Chú thích: Cuộn dây, Lõi sắt, Thân cảm biến Nam châm, Lớp cách điện, Giắc cắm Trang 59 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa - Cảm biến vị trí trục khuỷu dùng để xác định tốc độ động cơ, để giúp ECU tính tốn tìm góc đánh lửa tối ưu lượng nhiên liệu phun cho xylanh Cảm biến dùng đề điều khiển tốc độ cầm chừng cắt nhiên liệu chế độ cầm chừng cưỡng - Cảm biến loại cảm biến điện từ có nam châm đứng n, roto tín hiệu quay gồm 24 - Khi động làm việc, rô to quay làm thay đổi khe hở rơto cuộn nhận tín hiệu, làm cho từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên Sự biến thiên từ trường tạo nên sức điện động xoay chiều cảm ứng cuộn dây tín hiệu Tín hiệu đưa ECU - Ngồi ra, rơ to có khuyết nên cảm biến dùng để xác định vị trí pít tơng ECU động dùng thông tin để xác định thời gian phun thời điểm đánh lửa Trang 60 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa 3.5.2 Cảm biến vị trí trục cam: Hình 3.7: Cảm biến vị trí trục cam Chú thích: 1- Giắc cắm 2- Cuộn dây cảm ứng 3- Lõi thép 4- Vỏ cảm biến - Cảm biến vị trí trục cam báo cho ECU biết vị trí điểm chết (ĐCT) trước ĐCT piston Trong số trường hợp, có vị trí piston máy số (hoặc máy số 6) báo ECU, vị trí máy cịn lại ECU tính tốn Cơng dụng cảm biến để ECU xác định thời điểm đánh lửa va thời điểm phun - Cảm biến lắp đầu trục cam, sử dụng cảm biến điện từ có nam châm đứng n, roto tín hiệu quay Trang 61 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa 3.5.3 Cảm biến kích nổ (KNK) Hình 3.8: Cảm biến kích nổ Chú thích: 1- Đáy cảm biến 2- Tính thể thạch anh 3- Khối lượng qn tính 4- Ống thơng 5- Nắp 6- Dây đan 7- Đầu cảm biến - Cảm biến kích nổ lắp thân xylanh động nắp máy để cảm nhận xung kích nổ phát sinh động gửi tín hiệu đến ECU ECU làm trễ thời gian đánh lửa nhằm ngăn chặn tượng kích nổ - Cảm biến kích nổ thường làm vật liệu áp điện, thành phần áp điện chế tạo tinh thể thạch anh, vật liệu mà có áp lực sinh điện áp Phần tử áp điện thiết kế với kích thước có tần số riêng trùng với tần số rung động có tượng kích nổ xảy để xảy tượng cộng hưởng (f=7kHz) Trang 62 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa Như vậy, có kích nổ, tinh thể thạch anh chịu áp lực lớn sinh điện áp 3.5.4 Cảm biến vị trí bướm ga (VTA) Hình 3.9: Cảm biến vị trí bướm ga Chú thích: 1- Điện trở 2- Vành trượt – tiếp điểm (IDL) 3- Vành trượt – tiếp điểm I Vcc – Đến (+) acquy VTA- Tín hiệu góc mở bướm ga IDL- Tín hiệu cầm chừng - Cảm biến vị trí cánh bướm ga thường lắp đặt trục cánh bướm ga Cảm biến đóng vai trị chuyển vị trí góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp để gửi đến ECU Trang 63 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa - Tín hiệu cầm chừng IDL dùng để điều khiển phun nhiên liệu tăng tốc giảm tốc, hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa Trên số xe, cảm biến vị trí bướm ga giúp ECU điều khiển hộp số tự động 3.5.5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (TWH) Hình 3.10: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Chú thích: 1- Đầu ghim 2- Vỏ 3- Điện trở - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng để xác định nhiệt độ động cơ, có cấu tạo điện trở nhiệt - Điện trở nhiệt phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ Làm vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm: nhiệt độ tăng điện trở giảm ngược lại - Ở động làm mát nước, cảm biến gắn thân máy, gần bọng nước làm mát, số trường hợp khác, cảm biến đặt nắp máy Trang 64 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa 3.5.6 Cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) Hình 3.11: Cảm biến lưu lượng khí nạp Chú thích: 1- Gió vào 2- Lưới ổn định dịng khí 3- Gương mỏng tráng nhơm 4- LED 5- Photo Transistor 6- Dịng xốy 7- Vật cản tạo xốy - Để đo lưu lượng gió vào, ta dùng loại đo thể tích dịng khí kiểu Karman - Khi dịng khí qua vật cản tạo xốy, dịng xốy theo rãnh hướng làm rung gương mỏng tráng nhôm, làm đổi hướng gương phản chiếu từ LED đến gương phản lại Photo transistor Như vậy, tần số đóng mở photo transistor thay đổi Trang 65 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa theo lưu lượng khí vào gió nhiều rung nhiều, tần số f lớn Căn vào tần số f, ECU tính tốn thể tích tương ứng khí vào xylanh, từ tính lượng phun cần thiết KẾT LUẬN Đồ án “TRANG BỊ ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ ĐỘNG LỰC” đồ án cần thiết cho sinh viên Sau thời gian thực đồ án với đề tài “Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa”, em củng cố thêm kiến thức học, đồng thời rèn luyện thêm kỹ tính tốn, phân tích… Trong q trình làm đồ án, em cố gắng để hoàn thành tốt Tuy nhiên sinh viên chúng em thiếu kinh nghiệm thực tế, nên khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến q thầy để giúp em tiến Em xin chân thành cảm ơn! Trang 66 Tính tốn thiết kế hệ thống đánh lửa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PHẠM QUỐC THÁI (2009), Trang bị điện điện tử động đốt trong, Giáo trình nội khoa Cơ khí Giao thơng – Trường Đại học Bách khoa- ĐH Đà Nẵng [2] PGS-TS ĐỖ VĂN DŨNG (2007), Hệ thống điện điện tử ô tô đại – hệ thống điện động cơ, Giáo trình trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [3] NGUYỄN HỒNG VIỆT (2014), Trang bị điện điện tử tơ, Giáo trình mạng nội khoa Cơ khí Giao thơng – Trường Đại học Bách khoa- ĐH Đà Nẵng [4] DENSO (2015), DENSO Spark plug Catalogue Trang 67 ... khí thực hệ thống đánh lửa, hệ thống vô quan trọng động xăng Sau học xong môn ? ?Trang bị điện điện tử động đốt trong? ?? Chúng em giao đồ án môn học ? ?Trang bị điện điện tử động lực? ?? nhằm củng cố kiến... hồn thành đồ án cách nhanh chóng xác Bên cạnh đó, em cịn nhận hướng dẫn tận tình thầy TS Nguyễn Việt Hải để em hoàn thành đồ án ? ?Trang bị điện điện tử động lực? ?? Trong trình làm đồ án, kiến thức... hiệu điện, nghĩa có ánh sáng chiếu vào chúng dẫn điện độ dẫn điện chúng phụ thuộc vào cường độ dòng - ánh sáng Đĩa cảm biến: dẫn động từ trục chia điện đĩa có rãnh, số rãnh đĩa số xy lanh động