Các thông số cơ bản của HTĐL

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

4.2. Các thông số cơ bản của HTĐL

Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi. U2m phải đủ lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt lúc khởi động.

4.2.2. Hiệu điện thế đánh lửa Uđl

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, tuân theo định luật Pasen.

Uđl = k.

T P.

[V]

Trong đó: P : Áp suất hỗn hợp hòa khí tại thời điểm đánh lửa [N/m2

].  : Khoảng cách giữa các điện cực [m].

T : Nhiệt độ ở điện cực bugi tại thời điểm đánh lửa [ 0C ]. K : Hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí.

63 1- Toàn tải; 2- Vừa tải; 3- Toàn tải; 4- Khởi động và cầm chừng

4.2.3. Góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại bugi cho đến khi piston lên đến tận điểm chết trên.

Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ. Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc rất nhiều yếu tố:

 bd, bd, , wt, mt, , o....

opt  f p t p t t n N



Trong đó: pbđ : Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa. tbđ : Nhiệt độ buồng cháy.

p : Áp suất trên đường ống nạp. twt : Nhiệt độ nước làm mát động cơ. n : Số vòng quay của động cơ. No : Chỉ số ốc tan của xăng.

4.2.4. Hệ số dự trữ Kdt

Hệ số dự trữ là tỉ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl. Mục đích cần có hệ số dự trữ để đảm bảo rằng hiệu điện thế đánh lửa luôn luôn đạt trong giới hạn yêu cầu.

Kdt= dl m U U2

Hệ số dự trữ của những động cơ có hệ thống đánh lửa thường là bé hơn so với hệ thống đánh lửa của những động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử. Vì hiệu điện thế U2m của hệ thống đánh lửa thường bé, còn đối với hệ thống đánh lửa hiện đại có hệ số dự trữ cao nhằm đảm bảo đáp ứng việc tăng tỉ số nén, tăng số vòng quay và khe hở bugi.

4.2.5. Năng lượng dự trữ Wdt

Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bôbin. Để đảm bảo tia lửa có đủ năng lượng đốt cháy hoàn toàn hòa khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng đánh lửa trên cuộn sơ cấp của bôbin ở một giá trị xác định.

2 . 2 1 n g d t i L W 

Trong đó: Wdt: Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp. L1: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bôbin.

64 Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa giảm còn khoảng 20 đến 30% do nhiệt độ cực bugi thấp.

Hiệu điện thế đánh lửa 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.

4.2.6. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

t u dt du S     2 2

Trong đó: S : Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. u2: Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.

t : Thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.

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

4.2.7. Tần số và chu kỳ đánh lửa

Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa điện xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa, được xác định bởi công thức:

120 .Z n

f  (Hz) Đối với động cơ 2 kỳ:

60 .Z n

f  (Hz) Trong đó: f: Tần số đánh lửa.

n: Số vòng quay của trục khuỷu động cơ (vòng/phút). Z: Số xilanh động cơ.

Chu kỳ đánh lửa Tck là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa.

f

Tck  1 = tđ+ tm.

Trong đó: tđ : Thời gian vít đóng hay transistor công suất dẫn bão hòa (thời gian đóng tiếp điểm tương đối).

tm: Thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt (hay thời gian tiếp điểm ở trạng thái mở).

Tần số đánh lửa f tỉ lệ với số vòng quay của trục khuỷu và số xilanh động cơ. Khi tăng số vòng quay và số xilanh của động cơ, tần số đánh lửa f tăng do đó chu kỳ đánh lửa Tck giảm xuống. Vì vậy, khi thiết kế và tính toán cần chú ý đến hai thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo ở vòng quay cao nhất của động cơ tia lửa vẫn mạnh.

65

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