3. Tổng quan về hệ thống đánh lửa và lý thuyết về điều chỉnh góc đánh lửa sớm
3.2.3.2. Nguyên lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm trên động cơ M161
Trên động cơ M161 người ta sử dụng cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa sớm bằng điện tử (loại hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS). Nguyên tắc điều khiển góc đánh lửa sớm trên xe được thực hiện như sau: Góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng một chương trình tính toán được thiết lập trong một máy tính điện tử, bố trí trên xe gọi là ECU. Góc đánh lửa sớm được tính toán thông qua các tín hiệu vào ECU từ các cảm biến ghi nhận từ động cơ, từ các tín hiệu này bộ vi xử lí của ECU sẽ tính toán đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với điều kiện làm việc hiện tại của động cơ.
49
a. Nguyên lý điều chỉnh:
Điều chỉnh theo tốc độ động cơ: Động cơ được coi là phát công suất hiệu quả nhất khi áp suất cực đại xuất hiện ở 100 sau điểm chết trên, khi đó thời điểm đánh lửa tối ưu là 100 trước điểm chết trên với tốc độ 1000 (vòng/phút). Giả sử tốc độ động cơ tăng lên đến 2000 (vòng/phút), giai đoạn cháy trễ vẫn gần như không đổi với mọi tốc độ động cơ. Vì thế tốc độ quay của trục khuỷu sẽ tăng lên so với khi động cơ chạy với tốc độ 1000 (vòng/phút). Nếu vẫn sử dụng thời điểm đánh lửa như cũ cho tốc độ 2000 (vòng/phút) thì thời điểm mà động cơ sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị trễ hơn 100 sau điểm chết trên. Vì vậy để sản ra áp lực cực đại tại 100 sau điểm chết trên khi động cơ chạy 2000 (vòng/phút) thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị trễ, tức là phải tăng góc đánh lửa sớm phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ ở 2000 (vòng/phút). Thời điểm đánh lửa khi động cơ chạy với tốc độ 2000 (vòng/phút) được tính toán từ thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ ECU.
Điều chỉnh theo tải trọng động cơ: Khi động cơ mang tải thấp thì áp lực nổ cực đại được coi là xuất hiện 100 sau điểm chết trên (ATDC), thời điểm đánh lửa tối ưu được đặt sớm 200 BTDC. Khi tải trọng của động cơ tăng, mật độ hòa khí cũng tăng và giai đoạn lan truyền màng lửa giảm xuống. Vì thế, nếu cứ sử dụng thời điểm đánh lửa như cũ thì thời điểm mà động cơ sản ra áp suất cực đại sẽ bị sớm hơn 100
ATDC. Để sản ra áp lực nổ cực đại tại thời điểm 100
ATDC khi động cơ mang tải nặng thì thời điểm đánh lửa phải muộn hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị sớm. Ngược lại khi tải trọng của động cơ thấp thì thời điểm đánh lửa phải được điều chỉnh sớm hơn.
b. Phương pháp xác định góc đánh lửa sớm của ECU:
ECU sau khi nhận các tín hiệu từ đầu vào như: G, NE, PIM, PSW, THW, A/C, KNK… nó sẽ tính toán góc đánh lửa sớm, việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu là quá trình tính toán gồm ba bước sau:
Bước 1: Xác định góc đánh lửa sớm ban đầu (bd): Khi ECU động cơ nhận được tín hiệu NE (điểm B), sau khi nhận tín hiệu G (điểm A), ECU động cơ xác định đây là góc thời điểm đánh lửa ban đầu khi trục khuỷu đạt đến 50, 70 hay 100 trước điểm chết trên (khác nhau giữa các kiểu động cơ).
Điều chỉnh thời điểm ban đầu, góc đánh lửa sớm ban đầu phụ thuộc vào vị trí của delco hoặc cảm biến vị trí cốt máy (tín hiệu G) thường là bd= 5 ÷ 150trước điểm chết trên ở tốc độ cầm chừng. Để ECU điều chỉnh chính xác bd thì nó sử dụng tín hiệu G và NE.
50 Hình 3-32 Xác định góc đánh lửa ban đầu
Sự hiệu chỉnh thời điểm ban đầu là rất quan trọng đối với hoạt động của hệ thống đánh lửa sớm do ECU điều khiển. Điều khiển thời điểm ban đầu là hàm vị trí vật lí của bộ phân phối trong động cơ và là cơ sở để xác định tất cả các hàm sớm sau khi thời điểm ban đầu được hiệu chỉnh và sẽ không đổi.
Nếu vị trí bộ phân phối trong động cơ thay đổi, quan hệ giữa NE và G với điểm chết trên sẽ thay đổi. Hệ thống đánh lửa có cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ta chỉ chỉnh được bd.
Bước 2: Xác định góc đánh lửa sớm cơ bản ( cb):
Để ECU tính toán góc đánh lửa sớm cơ bản nó sẽ dựa vào tín hiệu sau: + Áp suất trên đường ống nạp (PIM).
+ Tốc độ (NE).
Dựa vào tín hiệu tải và tín hiệu tốc độ NE, ECU sẽ đọc giá trị góc đánh lửa sớm cbđã lưu trong bộ nhớ. Sự tính toán này tương đương với cơ cấu chân không và li tâm ở bộ chia điện cơ.
Biểu thức xác định góc đánh lửa sớm cơ bản theo tốc độ động cơ: Nếu tốc độ động cơ tăng thì góc đánh lửa sớm cơ bản cb tăng. Nếu tải động cơ tăng thì góc đánh lửa sớm cơ bản cb giảm.
Bước 3: Xác định góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh (hc).
Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh là góc đánh lửa sớm được cộng thêm hoặc giảm bớt khi ECU nhận được các tín hiệu khác như:
+ Tín hiệu khởi động (STA). + Nhiệt độ nước làm mát (THW).
51 + Góc mở bướm ga (PSW, IDL).
+ Kích nổ (KNK).
+ Hiệu chỉnh theo ổn định không tải. + Cao độ.
+ Hiệu chỉnh theo mômen…
Vậy: Góc đánh lửa sớm thực tế khi động cơ hoạt động được xác định bằng công thức: = bd + cb+ hc
Trong đó: : Góc đánh lửa sớm thực tế.
bd
: Góc đánh lửa sớm ban đầu.
cb
: Góc đánh lửa sớm cơ bản.
hc
: Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh.
Sau khi ECU xác định góc đánh lửa sớm , ECU sẽ gửi tín hiệu điều khiển đánh lửa (IGT) qua Igniter. Trong khi tín hiệu IGT được chuyển đến để bật IC đánh lửa, dòng điện sơ cấp chạy vào cuộn dây đánh lửa này. Trong khi tín hiệu IGT tắt đi, dòng điện sơ cấp đến cuộn dây đánh lửa sẽ bị ngắt. Đồng thời tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ. Trong động cơ M161 là hệ thống đánh lửa loại DIS (hệ thống đánh lửa trực tiếp). ECU động cơ phân phối dòng điện cao áp đến các xilanh bằng cách gửi từng tín hiệu IGT đến các IC đánh lửa theo trình tự đánh lửa. Điều này làm cho nó có thể tạo ra việc điều chỉnh thời điểm đánh lửa với độ chính xác cao.
c. Điều khiển thời điểm đánh lửa: Điều khiển đánh lửa khi khởi động:
52 Khi động cơ khởi động ECU sẽ nhận biết thông qua cực STA của ECU. Lúc này tốc độ động cơ vẫn thấp hơn tốc độ xác định (500 vòng/phút) nên lúc này các tín hiệu PIM, VS, KS không ổn định, do đó việc xác định thời điểm đánh lửa xảy ra tại một góc trục khuỷu cố định nào đó mà sẽ không tính đến các chế độ hoạt động của động cơ nên = bd lúc này phụ thuộc vào bd.
Điều khiển đánh lửa khi khởi động được thực hiện ngay sau khi nhận tín hiệu NE sau tín hiệu G, thời điểm đánh lửa ban đầu này được đặt trực tiếp bằng IC dự phòng trong ECU động cơ như hình sau:
Điều khiển sau khởi động:
Sau khi khởi động thì các tín hiệu hầu như đã ổn định IC dự phòng sẽ ngắt, lúc này không sử dụng = bd nữa mà lúc này được xác định bằng cách sau:
Thời điểm đánh lửa = góc thời điểm đánh lửa ban đầu + góc đánh lửa sớm cơ bản + góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh.
Sau khởi động thì:
+ Góc đánh lửa sớm ban đầu được đặt cố định.
+ Góc đánh lửa sớm cơ bản: góc cb trong hệ thống của ESA tương ứng với góc đánh lửa sớm chân không và li tâm trong hệ thống đánh lửa thường. Các dữ liệu về góc đánh lửa sớm cơ bản tối ưu (tương ứng với tốc độ và tải trọng trong động cơ) đã được lập và lưu sẵn trong bộ nhớ của ECU động cơ.
Nếu khi tiếp điểm không tải ON tức là lúc này ECU sẽ xác định mức độ tải là hầu như không có và cb sẽ được hiệu chỉnh theo tốc độ động cơ như đồ thị sau:
Nếu tiếp điểm không tải OFF lúc này ECU sẽ hiệu chỉnh cb theo các dữ liệu lưu trong bộ nhớ tương ứng với áp suất đường ống nạp (lưu lượng khí nạp) và tốc độ động cơ.
53 Ở một số động cơ có hai bộ dữ liệu để hiệu chỉnh cb được lưu trong bộ nhớ và được sử dụng tuỳ theo trị số ốc tan của nhiên liệu. Để đạt được góc đánh lửa sớm tối ưu thì ngoài bd và cb thì ECU còn điều khiển hc phù hợp với điều kiện nhiệt độ, điện áp accu…
d. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh Hiệu chỉnh khi hâm nóng:
Thời điểm đánh lửa được làm sớm để nâng cao khả năng tải khi nhiệt độ nước làm mát thấp.
Nhiệt độ nước làm mát oC (oF)
Hình 3-35 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ góc đánh lửa với nhiệt độ nước làm mát
Hiệu chỉnh ổn định không tải:
Ổn định không tải
Hình 3-37 Đồ thị biểu diễn quan hệ dao động không tải và góc đánh lửa sớm Khi tốc độ động cơ trong quá trình không tải bị dao động xung quanh tốc độ không tải chuẩn, ECU sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa để ổn định tốc độ động cơ.
ECU động cơ thường xuyên tính toán tốc độ trung bình. Nếu tốc độ cơ bản xuống thấp hơn tốc độ chuẩn ECU sẽ làm sớm thời điểm đánh lửa một góc xác
G óc đánh l ửa s ớm 0 60o 1400 Góc sớm 0 Góc Muộn - 0 +
54 định, còn nếu tốc độ động cơ tăng quá cao tốc độ chuẩn ECU sẽ làm muộn thời điểm đánh lửa một góc xác định.
Hiệu chỉnh nhiệt độ quá cao:
Hình 3-36 Đồ thị giới hạn góc đánh lửa lúc nhiệt độ nước quá cao
Để tránh tiếng gõ và động cơ không bị quá nóng, thời điểm đánh lửa được làm muộn đi khi nhiệt độ nước làm mát đặc biệt cao.
Hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ khí nhiên liệu:
Trong quá trình hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ khí nhiên liệu, tốc độ động cơ thay đổi theo sự tăng hay giảm lượng phun nhiên liệu. Động cơ đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi tỷ lệ khí nhiên liệu khi nó chạy không tải, nên chế độ không tải ổn định được đảm bảo bằng cách làm sớm thời điểm đánh lửa để phù hợp với lượng phun của hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ khí nhiên liệu. Hiệu chỉnh này không xảy ra khi xe đang bị kéo.
Hiệu chỉnh kích nổ:
Nếu động cơ xảy ra kích nổ, cảm biến kích nổ tiếng gõ sẽ chuyển rung động này thành tín hiệu điện áp và gửi nó về ECU động cơ.
ECU nhận biết độ lớn của sự kích nổ ở ba cấp độ: mạnh, trung bình, yếu. Tùy theo chế độ hoạt động của động cơ hay tín hiệu KNK gửi về, nó thay đổi góc đánh lửa muốn hiệu chỉnh. Nói cách khác, nếu hiện tượng kích nổ xảy ra mạnh, thời điểm đánh lửa xảy ra muộn đi nhiều, trong khi nếu tiếng gõ yếu, nó sẽ làm muộn ít hơn.
Khi hiện tượng kích nổ ngừng, ECU sẽ ngừng làm việc muộn và bắt đầu làm sớm thời điểm đánh lửa từng tí một.
Thời điểm đánh lửa này được làm sớm liên tục cho đến khi sự kích nổ động cơ xảy ra, và khi đó thời điểm đánh lửa lại được làm muộn đi. Việc làm muộn thời
0 G óc đánh l ửa s ớm Nhiệt độ nước làm mát oC (oF) 110o (230o) -5
55 điểm đánh lửa trong khi xảy ra hiện tượng kích nổ được thực hiện trong dải hiệu chỉnh tiếng gõ.
Tín hiệu gõ động cơ Hình 3-38 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi góc đánh lửa sớm theo tín hiệu gõ động cơ
Hiệu chỉnh điều khiển mômen:
Trong trường hợp xe có lắp đặt ECT (hộp số điều khiển điện tử), mỗi ly hợp và phanh trong bộ truyền bánh răng hành tinh của hộp số tạo ra va đập khi chuyển số. Trong một số loại xe va đập này được làm giảm bằng cách làm muộn thời điểm đánh lửa khi chuyển xuống hay lên số.
Khi chuyển số bắt đầu, ECU động cơ làm muộn thời điểm đánh lửa để giảm mômen của động cơ. Kết quả là va đập của ly hợp và phanh trong bộ bánh răng hành tinh giảm xuống và chuyển số diễn ra êm hơn.
Góc thời điểm đánh lửa được làm muộn đến một giá trị tối đa khoảng 200
bởi hiệu chỉnh này. Hiệu chỉnh này không xảy ra khi nhiệt độ nước làm mát hay điện áp ắc quy dưới một giá trị nhất định.
Các hiệu chỉnh khác:
Hiệu chỉnh khi chuyển đổi: Trong quá trình chuyển đổi từ giảm tốc đến tăng tốc, thời điểm đánh lửa hoặc được làm giảm hoặc tăng để phù hợp với sự tăng tốc.
Hiệu chỉnh điều khiển khi chạy chân ga tự động: Khi lái xe xuống dốc với chế độ chân ga tự động, để tạo ra sự êm dịu trong hoạt động điều khiển chân ga và giảm sự tối thiểu sự thay đổi về mômen động cơ gây ra bởi việc cắt nhiên liệu do phanh bằng động cơ, một tín hiệu gửi từ ECU điều khiển chân ga đến ECU động cơ và làm muộn thời điểm đánh lửa…
Điều khiển góc đánh lửa sớm tối đa và tối thiểu:
Nếu thời điểm đánh lửa (thời điểm đánh lửa ban đầu + góc đánh lửa sớm cơ bản + góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh) trở nên không bình thường, hoạt động của động cơ sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Để ngăn chặn điều này, ECU động cơ điều khiển
Mạnh Kích nổ động cơ yếu 0
Góc đánh lửa s
56 góc đánh lửa thực tế sao cho tổng góc đánh lửa sớm cơ bản và góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh không thể lớn hơn hay nhỏ hơn một giá trị xác định.
Góc này có giá trị là:
Bảng 3-1 Góc đánh sớm trên động cơ
Góc tối đa 35O 45O
Góc tối thiểu -10O 0O
Ta có:
Góc đánh lửa sớm = Góc đánh lửa sớm cơ bản + Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh.