Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
LỜI NÓI ĐẦU
Trong động cơ xăng nhiên liệu được đốt cháy cưỡng bức nên hệ thống đánh
lửa là bộ phận không thể thiếu để duy trì hoạt động cũng như tính ổn định trong quá
trình làm việc.
Sau khi học xong môn Trang Bị Điện và Điện Tử Động Lực. Chúng em
được giao đồ án môn học ‘‘Trang bị điện tử động lực’’ nhằm củng cố kiến thức đã
học và hiểu hơn các Hệ thống đánh lửa thường sử dụng trong các động cơ hiện nay.
Trong quá trình làm đồ án, em đã được sự hướng dẫn tận tình của thầy Th. Phạm
Quốc Thái, và đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS. Lê Văn Tụy để em
hoàn thành đồ án Trang Bị Điện và Điện Tử Động Lực này.
Cuộc sống càng ngày càng hiện đại hơn, đầy dủ hơn nên yêu cầu về HTĐL
ngày càng nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao…đảm bảo đánh lửa đúng
với mọi trường hợp hoạt động của động cơ. Chính vì vậy sự phát triển của HTĐL
cũng rất nhanh để phù hợp với mọi yêu cầu của cuộc sống. Nên càng ngày càng có
nhiều HTĐL khác nhau, nhưng chúng vẫn dựa trên cơ sở chung để tạo ra được tia
lửa điện.
Trong quá trình làm đồ án do thời gian hạn hẹp và kiến thức còn nhiều hạn
chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận được những lời đóng góp của
quý thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành
cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày
2/12/2010
Sinh Viên
Tôn Thất Lâm
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 1
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
1.Tổng quan
1.1. Công dụng
Hệ thống đánh lửa(HTDL) trên ôtô có nhiệm vụ biến dòng một chiều thấp

5
C1
W
1
W
2
R
Hình 1.1.Sơ đồ hệ thống đánh lửa kiểu cơ khí
1- Trục cam; 2- Cần tiếp điểm; 3- Boobin đánh lửa;
4- Bộ chia điện; 5- Bugi
b. HTĐL Manhêtô
- Đặc điểm cấu tạo:Về cấu tạo, bất kỳ Manhêtô nào cũng có thể chia ra hai
phần chính là: hệ thống mạch từ và mạch điện.
-Hệ thống mạch từ: của Manhêtô thực chất là mạch từ của một máy phát và
một biến thế kết hợp lại:
Để phát ra điện, tạo ra được dòng sơ cấp, hệ thống từ của Manhêtô có: nam
châm vĩnh cửu, khung từ (lõi thép) trên có quấn cuộn dây sơ cấp W
1
;
Để nhận được điện áp cao, trên lõi thép của Manhêtô còn được quấn cuộn
dây thứ cấp W
2
để kết hợp với W
1
thành một biến thế cao áp.
Theo cấu tạo, hệ thống từ của Manhêtô có thể chia ra một số loại sau:
- Phần ứng (cuộn dây) quay (hình 1.2a); - Lõi đảo cực từ quay (hình 1.3b);
- Nam châm quay (hình 1.4c, d).
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 3
.

U
EB
> 0 làm xuất hiện dòng I
B
và transitor 6 mở cho dòng I
1
đi qua.
- Khi KK' mở: dòng I
B
bị ngắt nên transitor đóng và ngắt đột ngột dòng I
1
.
Do đó trong các cuộn dây của biến áp đánh lửa xuất hiện các suất điện động tự cảm.
Trong hệ thống đánh lửa thường E1 = 200 400V hoặc lớn hơn. Bởi vậy không thể
lấy biến áp đánh lửa tiêu chuẩn (dùng cho hệ thống đánh lửa thường) sang dùng cho
hệ thống đánh lửa bán dẫn, vì transitor không chịu được điện áp cao như vậy mà
phải dùng biến áp riêng có K
ba
lớn hơn để giảm E
1
xuống nhỏ hơn 100V.
Nếu E
1
đòi hỏi phải lớn hơn 100V để đảm bảo nhận được U
2
cao, thì có thể
mắc nối tiếp các transitor hoặc áp dụng các biện pháp bảo vệ. Nếu vẫn dùng biến áp
đánh lửa tiêu chuẩn thì hệ thống đánh lửa bán dẫn sẽ không phát huy được ưu điểm
gì trừ vấn đề tăng tuổi thọ cho tiếp điểm.
d. HTĐL bán dẫn không có tiếp điểm

3
đóng, điện trở của
T
3
(R
T3
) lúc này rất lớn nên cực gốc B của T
2
được nối với cực (-0 qua R
5
, làm T
2
mở. Do T
2
mở nên có dòng qua biến áp xung từ (+) đến Đ
2
đến W
2
' đến W1' đếnEC
(T
2
) đếnR
f1
đến R
f2
đến (-). Dòng qua biến áp xung tạo điện áp điều khiển tại cực gốc
B của T1 làm T
1
mở và cho dòng đi qua cuộn sơ cấp W
1

3
âm nên T
3
mở. T
3
mở làm T
2
và T
1
đóng nên cắt dòng I
1
để tạo tia lửa điện ở bugi. Sau đó T
1
và T
2
lại mở, tụ lại
được nạp làm T
3
mở còn T
1
và T
2
đóng. Quá trình cứ lặp lại theo một chu kỳ nhất
định, tạo nên hàng loạt tia lửa điện ở bugi hỗ trợ cho khởi động động cơ.
Ưu nhược điểm của hệ thống đánh lửa bán dẫn so với hệ thống đánh lửa
thường:
 Ưu điểm:
- Có thể đồng hoá hệ thống đánh lửa chung cho các loại động cơ ôtô khác
nhau.
- Điện thế thứ cấp U

rotor và được cố định trên vỏ delco. Khi rotor quay, các răng cảm biến sẽ lần lượt
tiến lại gần và lùi ra xa cuộn dây. Khi rotor ở vị trí như hình 2a, điện áp trên cuộn
dây cảm biến bằng 0. Khi răng cảm biến của rotor tiến lại gần cực từ của lõi thép,
khe hở giữa rotor và lõi thép giảm dần và từ trường mạnh dần lên. Sự biến thiên của
từ thông xuyên qua cuộn dây
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 8
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
Khi răng cảm biến của rotor đối diện với lõi thép, độ biến thiên của từ trường
bằng 0 và sức điện động trong cuộn cảm biến nhanh chóng giảm về 0 (hình 2c).
Khi rotor đi xa ra lõi thép, từ thông qua lõi thép giảm dần và sức điện động xuất
hiện trong cuộn dây cảm biến có chiều ngược lại (hình 2d). Hiệu điện thế sinh ra ở
hai đầu dây cuộn cảm biến phụ thuộc vào tốc độ của động cơ.
Sự tạo từ trường của cuộn nam châm đứng yên
H.ình 1.7. Vị trí tương đối của rotor với cuộn nhận tín hiệu
Cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên có ưu điểm là rất bền, xung tín
hiệu có dạng nhọn nên ít ảnh hưởng đến sự sai lệch về thời điểm đánh lửa. Tuy
nhiên, xung điện áp ra ở chế độ khởi động nhỏ, vì vậy ở đầu vào của Igniter phải sử
dụng transistor có độ nhạy cao và phải chống nhiễu cho dây tín hiệu.
Cảm biến điện từ loại nam châm quay:
Hình 1.8. Cảm biến điện từ loại nam chân quay cho loại động cơ 8 xylanh
1-Rôto nam châm ; 2-Lõi thép từ; 3- Cuộn dây cảm biến
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 9
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
Nam châm được gắn trên rotor, còn cuộn dây cảm biến được quấn quanh một
lõi thép và cố định trên vỏ delco. Khi nam châm quay, từ trường xuyên qua cuộn
dây biến thiên tạo nên một sức điện động sinh ra trong cuộn dây. Do từ trường qua
cuộn dây đổi dấu nên sức điện động sinh ra trong cuộn dây lớn.
Hệ thống đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên
Hình 1.9. Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng điện từ (HONDA)
Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến điện từ được sử dụng phổ biến

R
5
R
6
R
7
T
1
T
2
T
3
T
4
C
1
C
2
D
1
D
2
D
3
Acquy
Biãún
aïp
IG/SW
R
f

1
bị ngắt, làm cho các Transistor T
2
, T
3
, T
4
ngắt theo, còn T
5
dẫn
cho dòng điện qua cuộn sơ cấp sau đó đến vị trí masse. Khi đĩa cảm biến cho dòng
ánh sáng đi qua T
1
sẽ ở trạng thái dẫn, đồng thời T
2
, T
3
, T
4
cũng dẫn theo, T
5
lúc này
ở trạng thái đóng, làm cho dòng sơ cấp bị ngắt đột ngột. Do dòng sơ cấp bị ngắt đột
ngột nên trên cuộn thứ cấp xuất hiện một hiệu điện thế có giá trị 25÷35Kv, hiệu
điện thế này qua bộ chia điện để đến các bugi sinh ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn
hợp khí -nhiên liệu theo đúng thứ làm việc của các xilanh.
c. HTĐL sử dụng cảm biến Hall:
Cảm biến này làm việc theo nguyên lí hiệu ứng Hall như sau:
Nếu đặt một tấm bán dẫn vào trong từ trường B
0

"P2?!X=!>:/2$ !(5E)B!+,TO)B70=BP2?
4
3
5
T
2

0
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
Hình 2.12. Nguyên lý dòng điện trong cảm biến hall
*Cấu tạo:
Cảm biến kiểu Hall như hình 2.13 gồm có roto 4 có kết cấu chụp rỗng dạng
cánh chắn, bên trong lòng rôto có 1 nam châm vĩnh cửu 2. Cảm biến 1 được gắn
trên mâm 6 có 3 đầu dây dẫn đưa ra ngoài. Một đầu dây nối với dòng điện từ Acquy
qua khoá đánh lửa, một đầu lấy tín hiệu điện áp của hiệu ứng Hall để điều khiển các
Transistor, một đầu dây nối masse.
*Hoạt động của cảm biến Hall:
Khi khe hở của cánh chắn nằm giữa cảm biến Hall và nam châm thì từ
trường sẽ xuyên qua khe hở làm xuất hiện một hiệu điện thế U
H
, hiệu điện thế này
sẽ điều khiển Transistor mở để cho dòng điện từ cuộn dây sơ cấp đi qua. Khi khe hở
đi qua giữa cảm biến và nam châm làm từ trường B sẽ mất đi khi đó thì hiệu điện
thế U
H
gần bằng 0, điện thế này làm cho Transistor đóng lại, việc đóng Transistor
làm dòng sơ cấp mất đi đột ngột và xuất hiện hiệu điện thế U
2
trên cuộn dây thứ cấp
tạo tia lửa điện trên các bugi.

2
D
3
D
4
D
5
C
2
W
1
W
2
C
1
Caím biãún Hall
Acquy
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
Bề rộng của tấm chắn dùng để xác định góc độ ngậm điện (Dwell Angel), số
cánh của tấm chắn bằng số xilanh động cơ. Hình 2.14 là sơ đồ mạch điện hệ thống
đánh lửa bán dẫn dùng cảm biến Hall
Khi bật công tắt máy, một nhánh dòng điện qua điện trở phụ R
f
→W
1
→ T
3
đồng thời một nhánh sẽ qua diode D
1
, qua R

2
và T
3
ngắt theo. Dòng sơ cấp i
1
lúc này bị mất đột ngột tạo nên một
sức điện động cảm ứng trên cuộn thứ cấp W
2
, sức điện động nàysinh ra một điện thế
cao áp và qua bộ chia điện đến khe hở của bugi để sinh ra tia lử điện.
Tụ C
2
có tác dụng làm giảm sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp W
1
đặt vào mạch khi T
2
và T
3
ngắt. Trong trường hợp sức điện động tự cảm quá lớn, ví
dụ như rút dây dẫn cao áp ra quá xa chẳng hạn thì R
5
, R
6
, D
4
thì T
2
, T
3
mở trở lại để

2m
được xác định bằng công thức:
η

2
2
1
1
12
C
K
C
L
IU
ba
ngm
+
=
[V] (2.1-1)
Với : I
1ng
- dòng điện của cuộn sơ cấp tại thời điểm Transitor công suất ngắt
L
1
- độ tự cảm của cuộn sơ cấp
C
1
- điện dung của cuộn sơ cấp
C
2

và U
đl
:
( )
25,1
2
÷==
đl
m
đl
U
U
K
(2.1-3)
2.1.4. Năng lượng dự trữ.
Năng lượng dữ trữ W
dt
là năng lượng tích luỹ dưới dạng từ trường trong cuộn
dây sơ cấp của bôbin. Để đảm bảo tia lửa điện có đủ năng lượng để đốt cháy hoàn
toàn hoà khí. Hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng dự trữ trên cuộn sơ
cấp của bôbin ở một giá trị xác định.
])[15050(
2
.
11
mJ
IL
W
ng
dt

2.1.6. Góc đánh lửa sớm.
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 16
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ từ thời điểm xuất hiện
tia lửa điện tại bugi cho đến khi piston lên đến tử 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:
θ
opt
= f(P
bđ
, t
bđ
,p, t
wt
, t
mt
, n, N
o
…) (1-8)
2.1.7. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện.
Thông thường, tia lửa điện bao gồm hai thành phần là thành phần điện dung và
điện cảm. Năng lượng của tia lửa được tính theo công thức:
W
P
= W
C
+ W
L
[J] (2.1-9)

L
1
r
1
L2
r2
1
2
3
5
4
6
Hình 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa.
1-Ắc qui; 2- Công tắc; 3- Bô bin ; 4- Bugi; 5- IC đánh lửa; 6-Transistor
công suất được điều khiển nhờ tín hiệu từ cảm biến hoặc vít lửa;
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 17
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
R
f
: điện trở phụ; r
1
, r
2
: điện trở của cuộn sơ cấp và thứ cấp; L
1
, L
2
: độ tự
cảm của cuuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của Bobin.


= r
1
+ R
f
.
Ta có thể lập được phương trình vi phân sau:
i
1
.R
1
+ L
1
dt
di
1
= U
1
. ( 2.2.1).
Giải phương trình vi phân ( 2.1 ) ta được :
Gọi là hằng số điện từ của mạch.
(2.2.2).
Gọi t
d
là thời gian Transistor dẫn bão hoà thì cường độ dòng điện sơ cấp I
ng
tại
thời điểm đánh lửa khi Transitor công suất ngắt là :
(2.2.3)
Trong đó:
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 18

η − hiệ suất
chọn η= 0,8 [1]
C
1,
C
2 tụ
điện của mạch sơ cấp và thứ cấp
Chọn C
1
= 0,7.10
-6
[F] [1]
C
2
=10
-10
[F] [1]
[s]
(2.2.4)
T : chu kỳ đánh lửa (s).
n = 5100 [vòng/phút] : số vòng quay trục khuỷu động cơ. (min
1−
)
Z=6 : số xylanh của động cơ.

đ
τ
: thời gian tích luỹ năng lượng tương đối, chọn:
đ
τ

0,000 0,000 0,000 0,000
0,001 5,184 0,001 5,184
0,002 9,024 0,002 9,024
0,003 11,869 0,003 11,869
0,004 13,976 0,004 13,976
0,005 15,537 0,005 15,537
0,006 16,694 0,006 16,694
0,007 17,551 0,007 17,551
0,008 18,186 0,008 18,186
0,009 18,656 0,009 18,656
0,010 19,004 0,010 19,004
0,011 19,262 0,011 19,262
0,012 19,454 0,012 19,454
0,013 19,595 0,013 19,595
0,014 19,700 0,014 19,700
0,015 19,778 0,015 19,778
0,016 19,835 0,016 19,835
0,017 19,878 0,017 19,878
0,018 19,910 0,018 19,910
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 20
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
0,019 19,933 0,019 19,933
0,020 19,950 0,020 19,950
0,000 0,000 0,021 19,963
0,001 5,184
0,022 19,973
2.3.3. Vẽ đồ thị
0,0050
5
0,0150,010 0,0250,02

Khi t=0, tiếp điểm vừa đóng thì i
1
=0.
Khi t=∞ (đã đóng rất lâu),
0
dt
di
vµ
R
U
i
1
1
ng
1
==
.
Tốc độ tăng dòng sơ cấp rất nhanh ở giai đoạn đầu (từ lúc đóng tiếp
điểm t=0) sau đó giảm dần.
Ing tăng khi t
d
và τ
đ
phụ thuộc vào biên dạng cam.
Giá trị i
1
đạt cực đại thực tế phụ thuộc vào điện trở R
1
và thời gian
đóng tiếp điểm.

.
2
1 ng
IL
=
2
/
2
1
2
1
)1(.
2
τ
d
t
e
R
UL
−
−
. (3.1.1)
Trong đó :
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 22
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
W
dt
: năng lương tích luỹ trong dong sơ cấp.
Khi tiếp điểm mở ra (chưa xuất hiện dòng cao thế )thì W
dt

1
ng1
2
1
2
1
21
+








+








=⇒=
(3.2.2)
Với K
ba
= W

+








=
(3.1.3)
86,20623.
10.1018,0.10.7
7,0.10.2
.127,10
1027
3
2
=
+
=
−−
−
U
[V] = 20,624 [kV]
Trong đó:
C
1
- Điện dung của mạch sơ cấp (tụ điện);
C

Năng lượng Tia lửa điện gồm hai phần: phần điện dung và phần điện cảm.
3.3.1 Phần Điện Dung
Xuất hiện trước, vào thời điểm đầu của quá trình phóng điện. Đó là sự phóng tĩnh
điện do năng lượng của điện trường tích luỹ trong điện dung C
1
và C
2
của HTĐL,
tia lửa điện dung có màu xanh lam và rất chói do nhiệt độ của nó cao tới 10000
O
C.
Thời gian tồn tại tia lửa này rất ngắn (<10
-6
S) và điện lượng dịch chuyển qua không
đáng kể. Nhưng do thế hiệu cao và điện trở kênh phóng điện nhỏ, nên dòng điện
phóng và công suất tức thời của nó khá lớn. Giá trị i
2
đạt tới vài trăm, thậm chí vài
nghìn ampe.
Đặc trưng của phần tia lửa điện dung là có tiếng nổ lách tách, tần số dao động
lớn tới (10
6
10
7
) Hz, nên gây nhiễu xạ vô tuyến mạnh.
Tia lửa điện dung làm điện thế U
2
giảm đột ngột, chỉ còn khoảng 1500 2000
V. Vì tia lửa xuất hiện trước khi U
2

W
W
CC
.=3,375.10
-10
3.3.2. Phần năng lượng điện cảm
Được tiếp tục phóng qua khe hở bugi dưới dạng tia lửa điện cảm hay còn gọi
là đuôi lửa. Do U
2
đã giảm nhiều nên dòng phóng lúc này cũng rất nhỏ, chỉ khoảng
Sinh viên : Tôn Thất Lâm_Lớp: 06C4A Trang 24
Đồ án môn học: Trang bị điện và điện tử động lực
(80 100)mA. Tia lửa điện cảm có màu tím nhạt-vàng, kéo dài khoảng vài micro
giây đến vài mili giây, phụ thuộc vào giá trị năng lượng điện cảm tích luỹ trong
mạch sơ cấp:
103,0
2
127,10.10.2
2
23
2
11
===
−
ng
L
IL
W
[j]= 103 [mmj].
4. Bugi đánh lửa