Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh góc đánh lửa động cơ ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM NGỌC ĐẠI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ Ô TÔ Chuyên ngành : KỸ THUẬT Ô TÔ MÁY KÉO Mã số : 60.52.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Dương Việt Dũng Phản biện 1: TS. Phan Minh Đức Phản biện 2: TS. Hồ Tấn Quyền Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 11 năm 2011. Có thể tìm hiểu Luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hệ thống ñánh lửa là một trong những hệ thống quan trọng trong ñộng cơ ñốt trong. Trong hệ thống ñánh lửa ñiều khiển góc ñánh lửa sớm có nhiều cách ñiều khiển như: ñiều khiển sớm kiểu ly tâm, kiểu chân không, kiểu bán dẫn, ñiều khiển sớm kiểu lập trình ñiện tử(ECU). Trong hệ thống ñánh lửa thường, thời ñiểm ñánh lửa phụ thuộc vào bộ ñánh lửa sớm kiểu ly tâm và kiểu chân không trong bộ chia ñiện. Tuy nhiên, thời ñiểm ñánh lửa sớm tối ưu cũng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố khác bên cạnh tốc ñộ và bộ chân không. Trong quá trình thực hành thực tập việc thay ñổi góc ñánh lửa kiểu ly tâm và chân không thì ta phải xoay bộ chia ñiện gây khó khăn trong việc xác ñịnh thời ñiểm ñánh lửa . Để nâng cao tính kinh tế nhiên liệu của ñộng cơ và giảm bớt tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải của ôtô gây ra, hầu hết các ôtô con hiện nay ñều ñược trang bị ñộng cơ phun xăng và ñánh lửa ñược ñiều khiển bằng ECU. Trên các ñộng cơ này, bộ ñiều khiển ñiện tử (ECU-Electronic Control Unit) ñiều khiển lượng nhiên liệu phun và thời ñiểm ñánh lửa tối ưu theo các chế ñộ vận hành của ñộng cơ. Thời ñiểm ñánh lửa ảnh hưởng rất lớn ñến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, ô nhiễm môi trường . Ngoài những lý do nêu trên còn thuận tiện cho việc giảng dạy, nghiên cứu thực hành thực tập trong hệ thống ñánh lửa. Với lý do nêu trên, sự hướng dẫn của Thầy TS. Dương Việt Dũng người nghiên cứu ñề tài “ Nghiên cứu thiết kế bộ ñiều chỉnh góc ñánh lửa ñộng cơ ôtô ”. 2. M ỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu thiết kế bộ ñiều chỉnh góc ñánh lửa ñộng cơ ôtô 2 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu ñề tài là bộ ñiều chỉnh góc ñánh cho ñộng cơ ôtô. Người nghiên cứu tiến hành tìm hiểu những mạch ñiện trong ECU của ñộng cơ 3S-FE, 5S-FE, 5A-FE (TOYOTA CAMRY) ñời 1997 ñến 2003. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, trong ñó chú trọng thực nghiệm ñể ñánh giá ảnh hưởng của quá trình thay ñổi góc ñánh lửa. • Phương pháp nghiên cứu tài liệu. • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. • Phương pháp lập trình ngôn ngữ C ++ . • Phương pháp thiết kế chế tạo mạch. 5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Ngoài phần mở ñầu và kết luận, ñề tài của luận văn “ Nghiên cứu thiết kế bộ ñiều chỉnh góc ñánh lửa ñộng cơ ôtô ” ñược trình bày trong 5 chương với cấu trúc như sau: Chương 1. TỔNG QUAN Chương 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ Chương 4. THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐÁNH LỬA CHO ĐỘNG CƠ 3S-FE TRÊN BĂNG THỬ CD-48” Ch ương 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Trong tình hình thế giới, nhiên liệu ngày càng khan hiếm, hiệu suất công suất ñộng cơ ñòi hỏi ngày càng ñược nâng cao. Đặc biệt là tình hình ô nhiễm môi trường của thế giới ngày càng trầm trọng thì công nghiệp ôtô-máy kéo-máy công trình phải ngày càng phát triển. Nhất là kết cấu ñộng cơ ñốt trong phải ngày càng hoàn thiện, phức tạp, hiện ñại và tối ưu hơn. 1.1. BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA SỚM LY TÂM Bộ ñiều chỉnh góc ñánh lửa ly tâm có tên gọi ñầy ñủ của nó là bộ ñiều chỉnh góc ñánh lửa sớm theo số vòng quay kiểu ly tâm. Bộ ñiều chỉnh này làm việc tự ñộng tùy thuộc vào tốc ñộ của ñộng cơ. 1.2. BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA SỚM CHÂN KHÔNG Bộ ñiều chỉnh góc ñánh lửa chân không còn có tên gọi ñầy ñủ là: bộ ñiều chỉnh góc ñánh lửa sớm theo phụ tải ñộng cơ, kiểu chân không. Cơ cấu này cũng làm việc tự ñộng tùy thuộc vào mức tải của ñộng cơ. 1.3. BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA BÁN DẪN Điều khiển góc ñóng là việc ñiều khiển bằng dòng ñiện tử khoảng thời gian khi dòng ñiện sơ cấp chạy qua cuộn ñánh lửa. Tùy thuộc vào tốc ñộ quay của trục bộ chia ñiện. 1.4. BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA DÙNG ECU ĐIỀU KHIỂN Trên các ô tô hiện ñại, kỹ thuật số ñã ñược áp dụng vào trong hệ thống ñánh lửa từ nhiều năm nay. Việc ñiều khiển góc ñánh lửa sớm và góc ngậm ñiện sẽ ñược ECU ñảm nhận. Các thông số như tốc ñộ ñộng cơ, tải, nhiệt ñộ ñược các cảm biến mã hóa tín hiệu ñưa vào 4 ECU xử lý và tính toán ñể ñưa ra góc ñánh lửa sớm tối ưu theo từng chế ñộ hoạt ñộng của ñộng cơ. 1.5. KẾT LUẬN Việc thay ñổi góc ñánh lửa sớm ñối với HTĐL thường và bán dẫn rất khó khăn, không xác ñịnh góc ñánh lửa tối ưu. HTĐL ñiều khiển bằng ECU giúp cho ñộng cơ gần ñạt ñược góc ñánh lửa lý tưởng. Hệ thống ñánh lửa bằng ECU ñược nghiên cứu ở chương 2 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GÓC ĐÁNH LỬA ECU CÓ BỘ CHIA ĐIỆN 2.1.1. Khái quát hệ thống ñiều khiển góc ñánh lửa sớm ECU có bộ chia ñiện Hệ thống ñiều khiển ñộng cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt ñộng của ñộng cơ, một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và ñưa ra tín hiệu ñiều khiển ñến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn bảo ñảm thừa lệnh ECU. Các linh kiện ñiện tử của ECU ñược sắp xếp trong một mạch in. Các linh kiện công suất của tầng cuối – nơi ñiều khiển các cơ cấu chấp hành ñược gắn với khung kim loại của ECU với mục ñích giải nhiệt. Sự tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung) giúp ECU ñạt ñộ tin cậy cao. 5 Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng ECU 2.1.2. Các cảm biến tín hiệu đầu vào Bộ phận phát tín hiệu G và NE trên các đời xe Toyota hầu hết là loại cảm biến điện từ loại nam châm đứng n. Các tín hiệu này được tạo ra bằng rơto hay các đĩa tạo tín hiệu và cuộn nhận tín hi ệu. ECU dựa vào các tín hiệu này để nhận biết vị trí của trục khuỷu và tốc độ động cơ để tính tốn, xác định thời điểm phun xăng và Tốc độ động cơ Tải động cơ (MAP) Nhiệt độ nước làm mát Nhiệt độ khí nạp Nhiệt độ nhiên liệu Vò trí bướm ga Cảm biến oxy Điện áp accu Các cảm biến khác Kim phun nhiên liệu E C U Hệ thống chẩn Hệ thống đánh lửa Điều khiển cầm chừng Tín hiệu đầu vào Tín hiệu đầu ra 6 ñánh lửa. 2.1.2.1. Tín hiệu G và NE lắp ở bộ chia ñiện Cuộn cảm nhận tín hiệu G, gắn trên thân của bộ chia ñiện. Rotor tín hiệu G có 4 răng sẽ cho 4 xung dạng sin cho mỗi vòng quay của trục cam. Hình 2.2. Sơ ñồ bố trí cảm biến G và NE trên xe TOYOTA Tín hiệu NE ñược tạo ra trong cuộn cảm cùng nguyên lý như tín hiệu G. Điều khác nhau duy nhất là rotor của tín hiệu NE có 24 răng. Cuộn dây cảm biến sẽ phát 24 xung trong mỗi vòng quay của delco. Qua khảo sát thực tế trên ñộng cơ xe Toyota thường sử dụng các các loại cảm biến ñiện từ sau: a.1. Mạch ñiện và dạng xung(loại 4-24) • Tín hiệu G: 1 cuộn nhận tín hiệu, 4 răng. • Tín hiệu NE: 1 cuộn nhận tín hiệu, 24 răng. Hình 2.3. S ơ ñồ mạch ñiện, dạng tín hiệu G và NE loại 4-24. 7 Loại cảm biến 4-24 ñặt trong bộ chia ñiện trong một chu trình làm việc sẽ có 4 xung tín hiệu G và 24 xung tín hiệu N E gửi về ECU ñiều khiển ñộng cơ. Dựa trên tín hiệu này ECU tính toán phát tín hiệu ñiều khiển phun xăng và ñánh lửa phù hợp với chế ñộ ñộng cơ. a.2. Mạch ñiện và dạng xung (loại 2-24) a.3. Mạch ñiện và dạng xung (loại 1-1-24) a.4. Mạch ñiện và dạng xung (loại 4) a.5. Mạch ñiện và dạng xung (loại 1- 4) 2.1.2.2. Tín hiệu G và NE lắp tách rời 2.1.2.3 Cảm biến nhiệt ñộ khí nạp Cảm biến nhiệt ñộ không khí nạp dùng ñể xác ñịnh nhiệt ñộ của không khí nạp vào ñộng cơ. 2.1.2.4. Cảm biến áp suất ñường ống nạp Cảm biến áp suất ống nạp ñược sử dụng trong loại D-EFI ñể cảm nhận áp suất ñường ống nạp. Cảm biến áp suất ñường ống nạp cảm nhận áp suất ñường ống nạp bằng một IC lắp trong cảm biến phát ra tín hiệu PIM. ECU ñộng cơ quyết ñịnh khoảng thời gian phun cơ bản và góc ñánh lửa sớm cơ bản dựa vào tín hiệu PIM này. 2.1.3. Cấu tạo ECU  • Bộ nhớ: Bộ nhớ trong ECU chia ra làm 4 loại : 2.1.4. Cấu trúc của ECU 2.1.5. Mạch giao tiếp ngõ vào 2.1.6. Mạch giao tiếp ngõ ra 2.1.7. Đặc ñiểm ñiều chỉnh góc ñánh lửa lập trình có sử dụng bộ chia ñiện 8 2.2. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LẬP TRÌNH KHÔNG CÓ BỘ CHIA ĐIỆN Đa số HTĐL trực tiếp thuộc loại ñiều khiển góc ñánh lửa sớm bằng ñiện tử nên việc mở transistor công suất trong Ingitor ñược thực hiện bởi ECU. Hệ thống ñánh lửa trực tiếp ñược chia làm ba loại chính sau: 2.2.1. Loại 1: Sử dụng mỗi bôbin cho một bu-gi 2.2.2. Loại 2: Sử dụng mỗi bô-bin cho từng cặp bu-gi 2.2.3. Loai 3: Sử dụng một bôbin cho 4 xy lanh 2.3. KẾT LUẬN Cơ sơ lý thuyết là nền tảng, cơ sở khoa học cho việc thiết kế bộ ñiều chỉnh góc ñánh lửa. Qua tìm hiểu cấu tạo, chức năng ñiều khiển ñộng cơ của ECU dựa vào tín hiệu từ các cảm biến, cho thấy ECU có khả năng quyết ñịnh trực tiếp ñến hoạt ñộng của ñộng cơ. Nhưng tín hiệu cảm biến gửi ñến ECU rất nhiều, trong ñó cảm biến vị trí trục khuỷu G và cảm biến tốc ñộ ñộng cơ NE, ñặc trưng cho sự hoạt ñộng của ñộng cơ và 2 tín hiệu này có mối quan hệ mật thiết với nhau. Tiến ñến tính toán việc nạp chương trình cho vi ñiều khiển, thiết kế chế tạo mạch mạch in ñược trình bày ở chương 3