a. Cấu tạo:
Hình 4.1: Hệ thống đánh lửa trực tiếp.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp bao gồm các bộ phận sau đây:
- Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKPS): Phát hiện góc quay trục khuỷu (tốc độ động cơ). - Cảm biến vị trí của trục cam ( CMPS): Nhận biết xy lanh, kỳ và theo dõi định thời của trục cam.
- Cảm biến kích nổ (KS): Phát hiện tiếng gõ của động cơ
- Cảm biến vị trí bướm ga (TPS): Phát hiện góc mở của bướm ga
- Cảm biến nhiệt độ lưu lượng khí nạp (IATS): Phát hiện lượng không khí nạp.
- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ (ECTS): Phát hiện nhiệt độ nước làm mát động cơ
- Bô bin và IC đánh lửa: Đóng và ngắt dòng điện trong cuộn sơ cấp vào thời điểm tối ưu. Gửi các tín hiệu IGF đến ECU động cơ.
- ECU động cơ: Phát ra các tín hiệu IGT dựa trên các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, và gửi tín hiệu đến bô bin có IC đánh lửa.
- Bugi: Phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp hòa khí.
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa trực tiếp.
- Hệ thống điện điều khiển bao gồm các cảm biến để xác định tình trạng làm
việc của động cơ, ECM tính toán thời điểm và thời gian phun cho phù hợp với tín hiệu từ các cảm biến, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa và tác động điều khiển lượng nhiên liệu phun cơ bản dựa vào các tín hiệu từ ECM.
- Các cảm biến xác định lưu lượng không khí nạp, số vòng quay của động cơ, tải động cơ, nhiệt độ nước làm mát và sự tăng tốc – giảm tốc. Các cảm biến gửi tín hiệu về ECM, sau đó ECM sẽ hiệu chỉnh thời gian phun và gửi tín hiệu đến các kim phun thông qua bộ biến đổi điện áp EDU, các kim phun sẽ phun nhiên liệu vào đường ống nạp, lượng nhiên liệu phun tùy thuộc vào thời gian tín hiệu từ ECM.
- Thời gian đánh lửa được điều khiển bởi hệ thống điều khiển thời gian đánh lửa bằng điện tử. Thời điểm đánh lửa được tính toán liên tục theo điều kiện của động cơ, dựa trên giá trị thời điểm đánh lửa tối ưu đã được lưu giữ trong máy tính, dưới dạng một bản đồ ESA. So với điều khiển đánh lửa cơ học của các hệ thống thông thường thì điều khiển bằng ESA có độ chính xác cao hơn và không cần phải đặt lại thời điểm đánh lửa. Kết quả giúp cải thiện tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát ra. - Các tài liệu tham khảo tiêu chuẩn đánh lửa dữ liệu thời gian với các điều kiện hoạt động động cơ được lập trình sẵn trong bộ nhớ của ECM (bộ điều khiển trung tâm động cơ).
- Điều kiện vận hành động cơ (tốc độ, tải, tình trạng ấm lên, vv) được phát hiện bởi các cảm biến khác nhau. Dựa trên những tín hiệu cảm biến và các dữ liệu thời gian đánh lửa, tín hiệu gián đoạn chính hiện tại được gửi đến các van. Cuộn dây đánh lửa được kích hoạt, và thời gian được điều khiển.
- Hiện nay thách thức quan trọng nhất của các nhà sản suất ô tô đối mặt là phải
cung cấp những chiếc xe Huyndai với công suất cao và hiệu suất nhiên liệu tối ưu trong khi vẫn đảm bảo thải sạch và sự thoải mái cho người ngồi trên xe. Nhận thức được tình trạng ấm lên của trái đất là mối đe dọa thật sự cho chúng ta càng thử thách các nhà sản suất. Để ngăn chặn nguy cơ này chúng ta cần giảm lượng khí CO2 sinh ra, chúng ta cần nhanh chóng chế tạo ra những động cơ thải ra ít CO2 hơn những động cơ truyền thống.
- Động cơ GDI của hãng Huyndai được chế tạo đảm bảo thân thiện với môi trường bằng cách giải quyết vấn đề thường đi kèm với động cơ trước đây như những giới hạn về công suất, giá cả và thiết kế của nó. Công nghệ GDI giúp cải thiện 10 ÷ 30% hiệu suất tiêu hao nhiên liệu so với những động cơ phun xăng truyền thống.
- Bên trong động cơ GDI, nhiên liệu được phun trực tiếp vào xi lanh. Giúp loại trừ những hạn chế trước đây như không thể nạp đủ nhiên liệu sau khi van hút đóng. Để điều khiển sự cháy một cách chính xác, GDI đảm bảo phối hợp giữa tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất. Trong những động cơ xăng truyền thống nhiên liệu và không khí được trộn bên ngoài xi lanh. Điều này làm gây ra hao phí nhiên liệu cùng với sự sai lệch thời điểm phun. Vấn đề này được giải quyết với động cơ G1.6 DOHC của HuynDai.Nhiên liệu được phun trực tiếp vào xi lanh đúng thời điểm làm tăng hiệu
- Trong những năm qua, những kỹ sư thấy rằng nếu ta có thể chế tạo một loại động cơ xăng hoạt động giống như một động cơ diesel. Với động cơ xăng này nhiên liệu được phun trực tiếp vào xi lanh với hỗn hợp nghèo và hỗn hợp giàu xung quanh bugi được đánh lửa, như vậy chúng ta có được một động cơ đạt hiệu suất nhiên liệu của động cơ diesel và đồng thời cũng đạt được công suất cao như các động cơ phun xăng truyền thống.
- Để đốt cháy được xăng thì xăng và không khí phải được hòa trộn để hình thành ra hỗn hợp nhiên liệu đúng và cùng với sự chính xác về thời điểm phun thì hỗn hợp nhiên liệu sẽ được nén lại giữa các cực của bugi đúng thời điểm đánh lửa. Động cơ phun xăng trực tiếp GDI đạt được công nghệ này giúp điều khiển chính xác hỗn hợp nhiên liệu.
4.1.2.Các cơ cấu điều khiển trong hệ thống a. ECM.
ECM của xe Hyundai i30 được bố trí ở đầu xe.
Hình 4.3: Vị trí đặt ECM trên ô tô.
• Cấu tạo.
Bộ phận chủ yếu của ECM là bộ xử lý hay còn gọi là CPU, CPU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ bộ nhớ Rom và Ram chứa các chương trình và dữ liệu gõ vào ra (Input / Output ) điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển dữ liệu đã xử lý đến các cơ cấu thực hiện.
Bộ nhớ
Bộ nhớ trong ECM chia làm 4 loại. -ROM: (read only memory).
Dùng lưu trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được. Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn . ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý và được lắp cố định trong mạch.
-RAM (random access memory).
Bộ nhớ truy suất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ. RAM có hai loại:
+ Loại RAM xóa được: bộ nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung cấp.
+ Loại RAM không xóa được: vẫn duy trì bộ nhớ khi tháo nguồn cung cấp. RAM lưu trữ thông tin hoạt động của các cảm biến dùng cho hệ thống tự chẩn đoán. -PROM( programmable read only memory).
Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải nởi sản xuất như ROM. PROM cho phép sửa đổi chương trình điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau .
-RAM ( keep alive memory)
RAM dùng để lưu trữ những thông tin mới (những hoạt động tạm thời) cung cấp đến bộ vi xử lý. RAM vẫn duy trì bộ nhớ khi động cơ ngừng hoạt động hoặc tắt công tắc máy. Nếu tháo nguồn cung cấp từ ắc quy tới ECU thì bộ nhớ RAM sẽ bị mất.
Bộ vi xử lý (microprocessor)
Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó là bộ não của ECM.
Hình 4.5: Sơ đồ khối các hệ thống trong máy tính với microprocessor.
ECU với những thành phần nêu trên có thể tồn tại dưới dạng một IC hoặc trên nhiều IC. Ngoài ra người ta thường phân loại máy tính theo độ dài từ các RAM (tính theo bit).
Ở những thế hệ đầu tiên, máy tính điều khiển động cơ dùng loại 4, 8 hoặc 16 bit phổ biến nhất là loại 4 và 8 bit. Máy tính 4 bit chứa rất nhiều lệnh vì nó thực hiện các lệnh logic tốt hơn. Tuy nhiên máy tính 8 bit làm việc tốt hơn với các phép đại số và chính xác hơn 16 lần so với loại 4 bit. Vì vậy, hiện nay để điều khiển các hệ thống khác nhau trên ô tô với tốc độ thực hiện nhanh và chính xác cao, người sử dụng máy 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit.
• Cấu trúc ECM
Hình 4.6: Cấu trúc máy tính.
Ngày nay trên ô tô hiện đại có thể trang bị nhiều ECU điều khiển các hệ thống khác nhau. Bộ phận chủ yếu của nó là bộ vi xử lý (microprocessor) hay còn gọi là CPU ( control processing unit), CPU lựa chọn các lệnh và sử lý từ bộ nhớ ROM và RAM chứa các chương trình và dữ liệu và ngõ vào ra (I/O) điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển tín hiệu đã xử đến cơ cấu thực hiện. Sơ đồ cấu trúc CPU trên hình 4.6. Nó bao gồm cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, các bộ ghi nhận lưu trữ tạm thời dữ liệu và bộ điều khiển các chức năng khác nhau. Ở các CPU thế hệ mới, người ta thường chế tạo CPU, ROM, RAM trong một IC hay còn gọi là vi điều khiển.
Bộ điều khiển ECM hoạt động dựa trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao biểu hiện cho số 1, điện áp thấp biểu hiện cho số 0.
Mỗi một số dạng 0 hoặc 1 gọi là bit. Mỗi dãy 8 bit sẽ tương đương 1 byte hoặc 1 từ. Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin.
Hình 4.8: Tín hiệu ECM.
b. Bô bin và IC đánh lửa
Thiết bị này bao gồm IC đánh lửa và bô bin kết hợp thành một cụm. Trước đây, dòng điện cao áp được dẫn đến xy lanh bằng dây cao áp. Nhưng ngày nay, thì bô bin có thể nối trực tiếp đến bugi của từng xy lanh thông qua việc sử dụng bô bin kết hợp với IC đánh lửa. Khoảng cách dẫn điện cao áp được rút ngắn nhờ có nối trực tiếp bô bin với bugi, làm giảm tổn thất điện áp và nhiễu điện từ. Nhờ thế độ tin cậy của hệ thống đánh lửa được nâng cao.
Hình 4.9: Bô bin kết hợp với IC đánh lửa.
• Bô bin :
Hình 4.10: Cấu tạo bô bin.
1.Bô bin
2.Nắp chụp bugi
3. Đầu cắm giắc kết nối tới ECM
Bô bin tạo ra điện áp cao đủ để phóng tia hồ quang giữa hai điện cực của bugi. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi. Số vòng của cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp khoảng 100 lần. Một đầu của cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cấp được nối với bugi. Các đầu còn lại của các cuộn được nối với ắc quy.
Cuộn dây đánh lửa (Bô bin): là bộ phận sinh ra cao áp để tạo ra tia lửa. Rất đơn giản, điện thế cao được sinh ra do cảm ứng giữa hai cuộn dây. Một cuộn có ít vòng được gọi là cuộn sơ cấp (màu vàng), cuốn xung quanh cuộn sơ cấp (màu đen) nhưng nhiều vòng hơn là cuộn thứ cấp. Cuộn thứ cấp có số vòng lớn gấp trăm lần cuộn sơ cấp.
Dòng điên từ nguồn điện chạy qua cuộn sơ cấp của bô bin, dòng điện bị ngắt đi tại thời điểm đánh lửa do má vít (đang đóng kín mạch điện thì đột ngột mở ra). Khi dòng điện ở cuộn sơ cấp bị ngắt đi từ trường điện do cuộn sơ cấp sinh ra giảm đột ngột. Theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, cuộn thứ cấp sinh ra một dòng điện để chống lại sự thay đổi từ trường đó. Do số vòng của cuộn thứ cấp lớn gấp nhiều lần số vòng dây cuộn sơ cấp nên dòng điện ở cuộn thứ cấp có điện áp rất lớn (có thể đến 100.000V ). Dòng điện cao áp này được đưa đến trực tiếp bugi qua dây cao áp.
+ Nguyên lý hoạt động của bô bin
- Dòng điện trong cuộn sơ cấp
Khi động cơ chạy, dòng điện từ ắc quy chạy qua IC đánh lửa, vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra. Kết quả là các đường sức từ trường được tạo ra xung quanh cuộn dây có lõi ở trung tâm .
Hình 4.11: Hoạt động của bôbin.
-Ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp
Khi động cơ tiếp tục chạy, IC đánh lửa nhanh chóng ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra. Kết quả là từ thông của cuộn sơ cấp giảm đột ngột. Vì vậy, tạo ra một sức điện động theo chiều chống lại sự giảm từ thông hiện có, thông qua tự cảm của cuộn sơ cấp và cảm ứng tương hỗ của cuộn thứ cấp. Hiệu ứng tự cảm tạo ra một thế điện động khoảng 500 V trong cuộn sơ cấp, và hiệu ứng cảm ứng tương hỗ kèm theo của cuộn thứ cấp tạo ra một sức điện động khoảng 30 kV. Sức điện động này làm cho bugi phát ra tia lửa. Dòng sơ cấp càng lớn và sự ngắt dòng sơ cấp càng nhanh thì điện thế thứ cấp càng lớn
• IC đánh lửa :
IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dòng sơ cấp đi vào bô bin theo tín hiệu đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra. Khi tín hiệu IGT chuyển từ ngắt sang dẫn, IC đánh lửa bắt đầu cho dòng điện vào cuộn sơ cấp. Sau đó, IC đánh lửa truyền một tín hiệu khẳng định (IGF) cho ECU phù hợp với cường độ của dòng sơ cấp. Tín hiệu khẳng định (IGF) được phát ra khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã được ấn định IF1. Khi dòng sơ cấp vượt quá trị số qui định IF2 thì hệ thống sẽ xác định rằng lượng dòng cần thiết đã chạy qua và cho phát tín hiệu IGF để trở về điện thế ban đầu (Dạng sóng của tín hiệu IGF thay đổi theo từng kiểu động cơ). Nếu ECU không nhận được tín hiệu IGF, nó sẽ quyết định rằng đã có sai sót trong hệ thống đánh lửa. Để ngăn ngừa sự quá nhiệt, ECU sẽ cho ngừng phun nhiên liệu và lưu giữ sự sai sót này trong chức năng chẩn đoán. Tuy nhiên, ECU động cơ không thể phát hiện các sai sót trong mạch thứ cấp vì nó chỉ kiểm soát mạch sơ cấp để nhận tín hiệu IGF .
+ Tín hiệu IGT
Khi tín hiệu IGT chuyển từ ngắt sang đóng, IC đánh lửa bắt đầu cho dòng điện vào cuộn sơ cấp.
Hình 4.12: Các điều khiển của IC đánh lửa.
Điều khiển dòng không đổi
Khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã định, IC đánh lửa sẽ khống chế cường độ cực đại bằng cách điều chỉnh dòng.
+ Điều khiển góc đóng tiếp điểm
Để điều chỉnh quãng thời gian (góc đóng) tồn tại của dòng sơ cấp, thời gian này cần phải giảm xuống khi tốc độ của động cơ tăng lên (trong một số kiểu động cơ gần đây, chức năng kiểm soát này được thực hiện thông qua tín hiệu IGT). Khi tín hiệu IGT chuyển từ dẫn sang ngắt, IC đánh lửa sẽ ngắt dòng sơ cấp. Vào thời điểm dòng sơ cấp bị ngắt, điện thế hàng trăm vôn được tạo ra trong cuôn sơ cấp và hàng chục ngàn vôn được tạo ra trong cuộn thứ cấp, làm cho bugi phóng tia lửa.
Hình 4.13: Mạch tín hiệu IGT và IGF.
IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dòng sơ cấp đi vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra. Sau đó, IC đánh lửa truyền một tín hiệu khẳng định (IGF) cho ECU phù hợp với cường độ của dòng sơ cấp.
Tín hiệu khẳng định (IGF) được phát ra khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã được ấn định IF1. Khi dòng sơ cấp vượt quá trị số qui định IF2 thì hệ thống sẽ xác định rằng lượng dòng cần thiết đã chạy qua và cho phát tín hiệu IGF để trở về điện thế ban đầu.
Nếu ECU không nhận được tín hiệu IGF, nó sẽ quyết định rằng đã có sai sót