Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện

4. Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe Mercedes Benz MB140

4.2.8. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện

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

Wp = WC+ WL WC = 2 . 2 2Udl C 2 .22 2 i L WL 

Trong đó: WP : Năng lượng của tia lửa.

WC: Năng lượng của thành phần tia lửa có điện dung. WL: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm. C2 : Điện dung ký sinh tại mạch thứ cấp của bugi (F). Uđl : Hiệu điện thế đánh lửa.

L2 : Độ tự cảm của mạch thứ cấp. i2 : Cường độ dòng điện mạch thứ cấp.

Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của bugi tùy 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 hòa khí ở mọi chế độ hoạt động của động cơ.

4.3. Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe Mercedes Benz MB140 4.3.1. Chức năng của mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm

Nhận các tín hiệu điện áp (tần số) từ các cảm biến nhằm điều khiển xung đánh lửa phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ. Điều khiển góc đánh lửa sớm phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ nhằm nâng cao công suất và hiệu suất của động cơ.

Điều chế được độ rộng xung, tạo xung chính xác. Dùng các mạch điện tử tương tự hoặc vi điều khiển để xử lí các tín hiệu và đưa ra tín hiệu đánh lửa tối ưu. Giúp cho việc đánh lửa tốt hơn, thời điểm đánh lửa tối ưu do đó cải thiện rõ rệt đặc tính động học của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và sự độc hại của khí xả. Tạo ra tín hiệu đánh lửa tối ưu dựa vào các tín hiệu cảm biến tốc độ và tải của động cơ dựa vào việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm hợp lí nhờ mạch điện tử tương tự.

4.3.2. Phương án thiết kế

4.3.2.1. Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm dùng mạch điện tử tương tự tự

66

a. Nguyên lý chung: sử dụng các mạch khuếch thuật toán (opamp) thực hiện việc

điều khiển thời điểm tạo xung đánh lửa dựa vào tín hiệu từ các cảm biến tốc độ động cơ (NE), cảm biến góc quay trục khuỷu (G) và tín hiệu tải của động cơ.

b. Ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

+ Điều khiển tín hiệu theo thuật toán. + Đảm bảo độ chính xác cao.

+ Dễ làm, dễ sử dụng và được dùng phổ biến. + Thời gian đáp ứng nhanh.

+ Giá thành hạ. Nhược điểm:

+ Muốn thay đổi một yêu cầu nào đó của mạch thì buộc phải thay đổi phần cứng. Do đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về thời gian và kinh tế.

4.3.2.2. Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm dùng vi điều khiển

a. Nguyên lý chung: sử dụng một chip có thể lập trình được dùng để điều khiển xung đánh lửa dựa vào tín hiệu từ các cảm biến. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lí thông tin, đo thời gian và độ rộng xung từ đó đưa ra xung đánh lửa tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ.

b. Ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

+ Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với những chương trình có quy mô nhỏ, rất tiện lợi.

+ Điều khiển xung đánh lửa phù hợp với mọi chế độ làm việc của động cơ. + Giảm tối thiểu số lượng các tổng thể thành phần.

+ Các thao tác trong chương trình điều khiển làm cho thiết kế có thể thay đổi bằng cách thay đổi phần mềm, nên ảnh hưởng tối thiểu đến chu kỳ sản xuất.

+ Thích hợp cho các ứng dụng: giá cả thấp, năng lượng tiêu thụ tốt. Nhược điểm:

+ Việc tìm hiểu và thiết kế khó khăn. + Kết cấu mạch phức tạp, giá thành cao.

4.3.3. Chọn phương án

Ta thấy phương án thiết kế sử dụng vi điều khiển dù có nhiều ưu điểm như số thành phần được giảm bớt, hiệu quả trực tiếp của tính khả lập trình của các bộ vi

67 điều khiển và độ tích hợp cao trong công nghệ, thường chuyển thành thời gian phát triển ngắn hơn, giá thành khi sản xuất thấp hơn, công suất tiêu thụ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn. Nhưng do các giải pháp dựa trên bộ vi điều khiển không bao giờ nhanh bằng giải pháp dựa trên các thành phần rời rạc. Những tình huống đòi hỏi phải đáp ứng thật nhanh (cỡ nsec- nano giây) đối với các sự kiện (thường chiếm thiểu số trong các ứng dụng) sẽ được quản lý tồi khi dựa vào các bộ vi điều khiển. Hơn nữa việc thiết kế và tính toán trong mạch điện tử tương tự dễ dàng hơn. Do đó em chọn phương án thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm trên xe Mercedes Benz MB140 dùng mạch điện tử tương tự.

4.3.4. Thiết kế 4.3.4.1. Mục đích: 4.3.4.1. Mục đích:

Ta có góc quay trục khuỷu từ điểm chết trên đến thời điểm bắt đầu đánh lửa là = 360-, với  là góc đánh lửa sớm. Mặt khác, tốc độ góc tương ứng là:  = 60 . 360n = 6n (độ/giây)

Do đó ta có thời điểm góc quay trục khuỷu từ điểm chết trên đến thời điểm đánh lửa: t =

n

6

360

Căn cứ vào biểu thức trên ta thấy:

Khi góc đánh lửa sớm không đổi, nếu tăng số vòng quay của động cơ n thì thời gian t giảm.

Hình 4-8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp theo thời gian Ta có: Vmax = a.T (1)

68 Trong đó: a, b – là hằng số.

t1, T – thời gian từ điểm chết trên đến thời điểm đánh lửa tương ứng với giá trị điện áp Vout và Vmax.

Từ (1) và (2)  1 max . . t b T a V Vout   1 t T = a V b Vout . . max = hằng số.

Khi tăng tốc độ động cơ sẽ làm tăng tốc độ dòng khí nạp vào xilanh, mặt khác làm gia tăng tốc độ dịch chuyển của píttông, làm tăng nhiệt độ hòa khí cuối kì nén do đó tốc độ lan truyền màng lửa tăng, thời gian làm việc của chu trình bị rút ngắn nên góc đánh lửa sớm tăng lên.

Khi giảm tải trọng động cơ, lượng hỗn hợp đi vào xi lanh giảm làm giảm áp suất và tăng phần trăm khí sót trong xi lanh, do đó tốc độ cháy giảm nên cần tăng góc đánh lửa sớm.

Vì vậy nguyên tắc thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm được thực hiện dựa vào góc đánh lửa sớm ban đầu và hiệu chỉnh theo sự thay đổi của tải và tốc độ động cơ. Trong đề tài này em dùng mạch khuếch đại thuật toán để thực hiện việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm dựa vào các tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ (NE), cảm biến góc quay trục khuỷu (G), cảm biến vị trí góc mở bướm ga.

Ta có góc đánh lửa sớm được điều chỉnh theo:

s

 = cb+hc(n,)

Trong đó: s - Góc đánh lửa sớm thực tế.

cb

 - Góc đánh lửa sớm cơ bản (giá trị được lưu sẵn trong bộ nhớ của ECU động cơ).

hc(n,)- Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh theo tốc độ và tải của động cơ. Ta đã biết hc(n,) tăng khi tăng tốc độ của động cơ, đồng thời khi tăng tải trọng thì góc đánh lửa sớm sẽ giảm. Theo hình 3-34 ta có s theo tốc độ động cơ và tải trọng là phi tuyến. Xét xấp xỉ gần đúng ta coi như mối quan hệ giữa góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải trọng là tuyến tính nên ta có:

hc(n,)= k1.n - k2. Trong đó: n - Tốc độ của động cơ.

- Tải của động cơ. k1, k2 – Các hệ số tỉ lệ.

69 Vậy ta có: s= cb+ k1.n - k2.

Ta có ứng với góc đánh lửa sớm s ta có giá trị điện áp V, thì với thời gian t (tương ứng với góc quay ) ta có một giá trị điện áp V.

Ta có:  = 360 - s

  = 360 - (cb+k1.n - k2.)

 = 360-cb-k1.n + k2.  V= Vcb – VNE +V

Trong đó: Vcb - Giá trị điện áp cơ bản tương ứng với góc quay 3600-cb VNE -Giá trị điện áp theo tốc độ động cơ.

V - Giá trị điện áp theo tải.

Ở đây giá trị V là giá trị điện áp tương ứng với thời điểm t, ta gọi Vout.

4.3.4.2. Sơ đồ khối mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm

Hình 4-9 Sơ đồ khối mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm

a. Tín hiệu đầu vào, đầu ra của mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm:

Tín hiệu đầu vào gồm: fNE, fG, V, Vcb

Trong đó: fNE - Tín hiệu tốc độ động cơ dạng tần số. fG - Tín hiệu góc quay trục khuỷu dạng tần số. V - Tín hiệu tải động cơ dạng điện áp.

Vcb - Tín hiệu góc đánh lửa sớm cơ bản dưới dạng điện áp. Tín hiệu đầu ra IGT (tín hiệu đánh lửa).

b. Nguyên lý hoạt động:

Ta có tín hiệu đầu vào: fNE, fG, V, Vcb. Sau đó tín hiệu fNE, fG được đưa qua bộ chuyển đổi tần số sang điện áp, sau khi qua bộ chuyển đổi này tín hiệu G và NE

70 chuyển thành VNE, VG. Còn tín hiệu V và Vcb được đưa qua bộ chia áp và chuyển thành V và Vcb.

Thực hiện các phép toán cộng trừ trong khuếch đại thuật toán như sau: Vout = Vcb - VNE + V

Sau đó so sánh giá trị điện áp Vout với tín hiệu điện áp răng cưa VG để đưa ra xung đánh lửa IGT có dạng sóng tín hiệu như sau:

c. Dạng sóng của tín hiệu đánh lửa IGT:

Hình 4-10 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu đánh lửa IGT được tạo ra

t- Thời điểm từ điểm chết trên đến thời điểm đánh lửa; t1- Độ rộng xung; t2- Độ nghỉ; T- Chu kỳ

4.3.4.3. Chức năng các bộ phận a. Các tín hiệu cảm biến a. Các tín hiệu cảm biến

Tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ NE và cảm biến góc trục khuỷu G:

ECU động cơ sử dụng tín hiệu G và NE để nhận biết góc của trục khuỷu và tốc độ động cơ. Đây là loại cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên: gồm có một rôto để khép mạch từ và cuộn dây cảm ứng mà lõi thép gắn với một nam châm vĩnh cửu đứng yên. Rôto của tín hiệu NE có 24 răng, tức 1 cuộn nhận tín hiệu có 24 răng. Cuộn dây cảm ứng sẽ phát ra 24 xung trong mỗi vòng quay của trục cam. Rôto của

71 tín hiệu G có 4 răng sẽ cho 4 xung dạng sin cho mỗi vòng quay của trục cam, 1 cuộn kích có 4 răng.

Hình 4-11 Sơ đồ và dạng xung cảm biến G và cảm biến NE

Tín hiệu cảm biến bướm ga (loại điện trở):

Cảm biến vị trí bướm ga được lắp ở trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện thế gởi đến ECU.

Hình 4-12 Mạch điện cảm biến vị trí cánh bướm ga loại biến trở

Cấu tạo gồm hai con trượt, ở mỗi đầu con trượt được thiết kế có các tiếp điểm cho tín hiệu cầm chừng và tín hiệu góc mở cánh bướm ga.

Khi cánh bướm ga mở, con trượt trượt theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần tương ứng với góc mở cánh bướm ga.

b. Mạch tạo xung răng cưa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán

Có nhiều sơ đồ tạo các xung răng cưa như: sơ đồ dùng transitor, sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán, sơ đồ dùng IC định thời 555. Ở đây em chọn sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán dạng mạch tích phân đơn giản.

72 Nguyên lý: Xây dựng trên cơ sở khuếch đại lối vào đảo trong đó thành phần hồi tiếp là tụ C. Điện áp lối ra được cho bởi phương trình sau:

] ) ( [ 1 ) ( ) ( 0 0     C t C ra i t dt Q C C t Q t U

Trong đó: Q0 là điện tích trên tụ tại thời điểm t = 0, iC(t) =

R t

Uvao( )



Do đó ta có điện áp lối ra (Ura) là: ra  tUvao t dtUra RC t U 0 0 ) ( 1 ) (

Thành phần Ura0 xác định từ điều kiện ban đầu của tích phân: Ura0 = Ura(t=0) = Q0/C

Nếu lối vào Uvao là một xung vuông có giá trị điện áp không đổi trong khoảng 0 ÷ t thì Ura(t) là biến thiên điện áp dạng đường thẳng.

0 ) 1 ( vao ra ra U t U RC U   

Độ chính xác của phương trình trên phụ thuộc vào giả thiết U0  0 hay dòng điện đầu vào IC gần bằng 0.

Hình 4-13 Mạch tạo xung răng cưa dùng khếch đại thuật toán dạng mạch tích phân

Hình 4-14 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điện áp tạo xung răng cưa t- Thời điểm từ điểm chết trên đến thời điểm đánh lửa

73

c. Bộ chia áp, bộ chuyển đổi tần số sang điện áp Bộ chia áp: ta sử dụng cầu chia áp –phân áp.

Với U là điện áp nguồn cung cấp của tín hiệu tải động cơ với U =5V, các điện trở R1, R2 (giả sử R1 > R2).

Cách tính V: + Cộng tổng trở R = R1+ R2. + Chia điện áp U cho R.

Suy ra: V= R1.

R U

Giá trị điện áp Vbđ cũng tính tương tự như V .

Hình 4-15 Sơ đồ cầu chia áp tín hiệu tải động cơ

Bộ chuyển đổi tần số sang điện áp:

Do tín hiệu đầu vào mạch của các cảm biến tốc độ động cơ NE và cảm biến vị trí góc quay của trục khuỷu G thể hiện dưới dạng tần số nên ta sử dụng bộ chuyển đổi tần số sang điện áp để đưa các các tín hiệu này sang dạng điện áp.

Ta có: Vout = k.fin

Trong đó: Vout - Tín hiệu ra của qua bộ biến đổi. k - Là hằng số.

fin - Tín hiệu vào bộ chuyển đổi.

Bộ chuyển đổi tần số sang điện áp dùng để chuyển đổi tín hiệu tần số của cảm biến tốc độ động cơ fNE và tín hiệu tần số góc quay của trục khuỷu fG sang tín hiệu điện áp VNE và VG.

74

d. Mạch trừ điện áp, mạch cộng điện áp, mạch so sánh

Mạch trừ điện áp: chúng ta tạo một tín hiệu điện áp đầu ra bằng độ chênh lệch của các tín hiệu ngõ vào. Trong mạch thiết kế này, ta có tín hiệu ngõ vào của mạch trừ là tín hiệu Vcb và tín hiệu điện áp của tốc độ động cơ VNE.

Hình 4-16 Mạch trừ điện áp loại không đảo

Ta sử dụng phương pháp chồng chất để xác định điện áp ngõ ra. Đầu tiên giả sử rằng Vcb được nối đất, ta có: V+ = Vcb R R R 2 1 2  Nên V0cb =   V R R R 3 4 3 = ( ) 3 4 3 R R R  ) ( 2 1 2 R R R  .Vcb

Bây giờ giả sử VNE nối đất ta có: NE VNE R R V 3 4 0 

Vì vậy điện áp ta có điện áp ngõ ra: Vra = V0cb + V0NE = ( ) 3 4 3 R R R  ) ( 2 1 2 R R R  . Vcb - VNE R R 3 4

Mạch cộng điện áp: dùng để cộng các tín hiệu điện áp lại với nhau.

Ở đây ta có: Vout = Vra + V

Trong đó: Vout là điện áp tổng của Vra và V

Vra là điện áp ra của mạch trừ hai tín hiệu Vcb và VNE. V

75 Trong sơ đồ mạch cộng điện áp, ta có hai tín hiệu ngõ vào Vra và V được cung cấp qua hai điện trở R1 và R2 vào mạch khuếch đại với Rf là điện trở hồi tiếp, Rc (là điện trở bù offset).

Ta có phương trình dòng điện tại hai ngõ vào bộ khuếch đại: if = i1 + i2

Điện áp ngõ vào – (opamp) bằng 0 kết hợp với phương trình if = i1 + i2 ta có: