Lời cảm ơn
Qua 5 năm học tập tại trờng đại học Giao Thông Vận Tải, em đợc sự
dạy bảo tận tình của các thầy cô trong trờng, đặc biệt là các thầy cô trong bộ
môn Cơ Khí ô tô, Khoa Cơ Khí. Đến nay, em đã hoàn thành nội dung học tập
theo yêu cầu của nhà trờng đề ra và em đã đợc nhận đề tài thiết kế tốt
nghiệp.
Hoàn thành đề tài này em đã đựơc sự hớng dẫn tận tình, chu đáo của
thầy giáo đào mạnh hùng. Sau 3 tháng làm đồ án tốt nghiệp, đến nay em đã
hoàn thành nhiệm vụ đợc giao.
Với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế còn rất ít, nên đồ án
tốt nghiệp của em không tránh khỏi những sai sót. Rất mong đợc sự tiếp tục
chỉ bảo của các thầy cô để em đợc học hỏi, hiểu biết thêm để quá trình công
tác sau này của em đợc tốt hơn.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo
đào mạnh hùng cùng toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ Khí Ô tô đã
giúp đỡ em trong quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2003
Sinh viên
Trần Minh Đông
Phần I
mở đầu
I. Đặt vấn đề:
Ngày nay các kỹ thuật hiện đại đợc áp dụng trên ô tô ngày càng nhiều
và không ngừng đợc cải tiến, thay đổi sau mỗi loạt sản xuất. So với những
chiếc xe hơi đợc sản xuất từ trớc những năm 80 về trớc, ôtô hiện đại khá
phức tạp, mọi hệ thống trên ô tô đều đợc tối u hoá với những hệ thống điều
khiển, kiểm soát bằng điện tử đễ đạt đợc mục đích cao nhất là tiết kiệm
nhiên liệu, tăng công suất của xe, tăng tuổi thọ của xe, giảm ô nhiễm môi
trờng và tính tiện nghi cho ngời sử dụng.
Tại Việt Nam, số lợng ôtô hiện đại đợc sử dụng ngày càng nhiều.
Theo các chuyên gia buôn bán xe thì nhu cầu tiêu thụ xe của Việt Nam vào
1.1.1 Nhiệm vụ.
Hệ thống đánh lửa trên động cơ có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều
có hiệu điện thế thấp (từ 12V hoặc 24V) thành các xung điện thế cao (từ 15kV
đến 35kV). Các xung hiệu điện thế cao này sẽ đợc phân bố đến bugi của các
xilanh đúng thời điểm để tạo tia lửa điện cao thế đốt cháy hoà khí trong
xilanh.
1.1.2 Yêu cầu.
Một hệ thống đánh lửa làm việc tốt phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Hệ thống đánh lửa phải sinh ra sức điện động thứ cấp đủ để phóng
điện qua khe hở bugi trong tất cả các chế độ làm việc của động cơ.
- Tia lửa trên bugi phải đủ năng lợng và thời gian để phóng đốt cháy
hoàn toàn hoà khí.
- Góc đánh lửa sớm phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ.
- Các phụ kiện của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt
trong điều kiện nhiệt độ cao và độ rung xóc lớn .
- Sự mài mòn điện cực bugi phải nằm trong khoảng cho phép.
1.2 Cấu tạo của hệ thống đánh lửa
Hình 1-1 : Cấu tạo hệ thống đánh lửa
Các thiết bị chính :
- Bô bin (còn gọi là biến áp đánh lửa hoặc ống tăng điện ).
- Bu gi (còn gọi là nến điện ).
- Bộ chia điện .
- Dây cao áp.
- IC đánh lửa (còn gọi là hộp TK ).
- Cảm biến đánh lửa.
- Hộp Transistor.
1.3 Phân loại hệ thống đánh lửa .
Hệ thống đánh lửa là một bộ phận quan trọng không thể thiếu trong cấu
tạo động cơ xăng. Cùng với sự phát triển của nghành công nghiệp ôtô, hệ
thống đánh lửa không ngừng đợc cải tiến, áp dung những tiến bộ của khoa
a) Hệ thống đánh lửa bằng má
vít (CI).
d©y
cao
¸p
c) HÖ thèng ®¸nh löa
kh«ng m¸ vÝt
(b¸n dÉn) cã bé chia ®iÖn cao ¸p
(SI).
Hình 1-2 : Sơ đồ khối các hệ thống đánh lửa.
1.5. Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa
1.5.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U
2m
.
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U
2m
là hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây
thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại phải đủ
lớn,để có khả năng tạo đợc tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt là
lúc khởi động.
1.5.2 Hiệu điện thế đánh lửa U
dl.
Hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra đợc gọi là
hiệu điện thế đánh lửa (U
đl
) . Hiệu điện thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào
nhiều yếu tố: áp suất buồng đốt tại thời điểm đánh lửa, khe hở bugi, nhiệt độ
điện cực bugi
ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa U
đl
1.5.4. Năng lợng dự trữ Wdt.
Năng lợng dự trữ là năng lợng tích luỹ dới dạng từ trờng
trong cuộn sơ cấp cuả bô bin. Để đảm bảo tia lửa điện có đủ
năng lợng để đốt cháy hoàn toàn hoà khí, hệ thống đánh lửa
phải đảm bảo đợc năng lợng dự trữ trên cuộn sơ cấp của bô
bin ở một giá trị xác định.
1.5.5. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S.
Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S càng lớn thì tia lửa điện
xuất hiện tại điện cực Bu gi càng mạnh nhờ dòng không bị rò qua muội than
trên điện cực Bu gi, năng lợng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm (S=300
6000V/ms).
1.5.6. Tần số và chu kỳ đánh lửa.
Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa xảy ra trong một giây đợc xác định bởi
công thức :
120
.Zn
f
(Hz)
Trong đó :
f tần số đánh lửa.
n số vòng quay trục khuỷu động cơ (ms).
Z số xilanh động cơ.
Chu kỳ đánh lửa T : là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa.
Tần số đánh lửa f tỉ lệ thuận với số vòng quay trục khuỷu
động cơ và số xylanh. Khi tăng số vòng quay của động cơ và số
xylanh, tần số đánh lửa f tăng và do đó chu kỳ đánh lửa T giảm
xuống. Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến 2 thông số chu kỳ và
tần số đánh lửa để đảm bảo ở số vòng quay cao nhất của động
cơ mà tia lửa vẫn mạnh .
1.5.7. Góc đánh lửa sớm .
DEAWOOD ,BMW, MAZDA
Chơng 2
Một số vấn đề về lý thuyết của hệ thống đánh lửa
2.1. Lý thuyết cơ bản về đánh lửa trong ôtô.
Trong động cơ xăng, hoà khí sau khi đợc đa vào trong xi
lanh và đợc trộn đều nhờ sự xoáy lốc của dòng khí sẽ đựơc
píttông nén lại. ở một thời điểm thích hợp cuối kỳ nén, hệ thống
đánh lửa sẽ cung cấp một tia lửa điện cao thế đốt cháy hoà khí
và sinh công cho động cơ. Để tạo đợc tia lửa điện cực của bugi,
quá trình đánh lửa đợc chia làm 3 giai đoạn là quá trình tăng
trởng của dòng sơ cấp, quá trình ngắt dòng sơ cấp vào thời kỳ
xuất hiện tia lửa điện ở điện cực bu gi.
2.1.1. Qúa trình tăng trởng dòng sơ cấp.
Cảm biến
L1
R1
đến bộ chia
chia điện
Bô bin
L2
IC đánh lửa
T
acqui
SW
Rf
Hình 2.1
Sơ đồ hệ thống đánh lửa
R
f
: Điện trở phụ.
giảm đột ngột. Trên cuộn thứ cấp của bô bin sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào
khoảng 15 kV đến 35 kV. Giá trị hiệu điện thế thứ cấp phụ thuộc vào rất nhiều
thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp. Để tính toán hiệu điện thế thứ cấp cực
đại ta sử dụng sơ đồ tơng đơng đợc trình bày trên hình 2-3.
Boug
ie
R
r
C
2
R
m
L
2
L
1
i1
i2
C
1
S
R
1
R
2
Hình 2.5
Sơ đồ tơng đơng của hệ thống đánh lửa
Trong sơ đồ này:
R
m
Thành phần điện dung của tia lửa do năng lợng tích luỹ trên mạch thứ
cấp đợc quy ớc bởi điện dung ký sinh C
2
. Tia lửa điện dung đợc đặc trng
bởi sự sụt áp và tăng dòng đột ngột. Dòng có thể đạt vài chục Ampe.
Tia lửa điện dung có màu xanh sáng kèm theo tiếng nổ lách tách đặc
trng. Dao động với tần số cao (10
6
10
7
Hz) và dòng lớn, tia lửa điện dung
gây nhiễu vô tuyến và mài mòn điện cực bu gi. Để giả quyết vấn đề vừa nêu,
trên mạch thứ cấp (nh nắp delco, mỏ quẹt, dây cao áp) thờng đợc mắc
thêm các điện trở.
Phần năng lợng còn lại sẽ hình thành tia lửa điện cảm, dòng qua bugi
lúc này chỉ vào khoảng 20 40 mA. Hiệu điện thế giữa hai cực bugi giảm
nhanh đến giá trị 400 500 V. Thờng thì thời gian tia lửa điện cảm vào
khoảng 1 đến 1,5 ms. Tia lửa điện cảm có màu vàng tím, còn đợc gọi là đuôi
lửa .
2.2 Các đặc tuyến của hệ thống đánh lửa
2.2.1. Đặc tuyến đánh lửa phụ thuộc vào tốc độ động cơ.
Đối với hệ thống đánh lửa thờng, khi số vòng quay trục khuỷu tăng,
thời gian ngậm điện t
đ
giảm làm Ing giảm, kết quả là hiệu điện thế thứ cấp cực
đại U
2m
cũng giảm dần. ở tốc độ thấp, do sự đóng mở của vít lửa chậm nên
phát sinh tia lửa trên mặt vít làm giảm tốc độ biến thiên của từ thông trong
cuộn sơ cấp, làm U
n
0
1000
3000
5000
1. Hệ thống đánh lửa
thờng
2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn không có mạch
hiệu
chỉnh thời gian tích luỹ năng
lợng
Hình 2.8
Đặc tuyến đánh lửa phụ thuộc vào
số vòng uay trục khuỷu của động cơ
2.2.2. Đặc tuyến đánh lửa phụ thuộc tụ điện C1.
U2m
(kV)
C1 (
F
0
0.2
0.35
Hình 2.9
Đặc tuyến đánh lửa phụ thuộc tụ điện C1
Tụ điện C
1
mắc song song với vít lửa hoặc Tranzitor công suất có tác
dụng dập tắt suất điện động tự cảm sinh ra khi ngắt mạch sơ cấp, để bảo vệ
C2 =200 pF
Điện dung kí sinh trên mạch thứ cấp C
2
bao gồm điện dung kí sinh trong
cuộn dây thứ cấp của bôbin trong đờng đây cao áp, trong bộ chia điện, và
trong bugi. Giá trị điện dung kí sinh C
2
nhỏ nhất vào khoảng 40 đến 70 pF.
Đối với hệ thống đánh lửa trên xe đời mới có trang bị hệ thống chống nhiễu vô
tuyến thì C
2
có thể lớn hơn 100 pF.
2.2.4 Đặc tuyến đánh lửa phụ thuộc độ tự cảm L1.
Hình 2.11
Đặc tuyến đánh lửa phụ thuộc độ tự cảm L1
L1
n (v/ph)
U2m
(kV)
L1'<L1
Nếu L
1
càng lớn thì thời gian tăng trởng dòng sơ cấp càng dài. Vì vậy
khi tăng L
1
ở số vòng quay trục khuỷu động cơ nhỏ thì U
2m
có tăng lên đợc
chút ít, nhng mà khi số vòng quay trục khuỷu cao, do thời gian tăng trởng
dòng sơ cấp dài nên I
2m
. Điện trở rò càng nhỏ thì U
2m
càng
nhỏ ( Hình 2-7).
2.2.6. Đặc tuyến đánh lửa phụ thuộc hệ số biến áp K
bb
.
U2m
(kV)
Kbb
0
20
40
Hình 2.13
Đặc tuyến đánh lửa phụ thuộc hệ số biến áp Kbb
60
80
100
Bằng thực nghiệm ngời ta thấy rằng hệ số biến áp K
bb
tốt nhất vào
khoảng 50 90 (hình 2-8 ). Tất cả các giá trị nằm ngoài khoảng giới hạn trên
đều làm U
2m
giảm.
2.3. Các biện pháp nâng cao đặc tuyến đánh lửa
2.3.1. Biện pháp sử dụng điện trở phụ R
f
.
ng
U
2m
I
ng
1000
0
3000
5000
n
(v/ph)
Nh ta đã biết hiệu điện thế thứ cấp U
2m
phụ thuộc vào số vòng quay
của động cơ, giá trị của U
2m
phần lớn phụ thuộc vào giá trị dòng điện sơ cấp
khi Tranzitor công suất ngắt (I
ng
) . Sự phụ thuộc của I
ng
vào U
2m
vào số vòng
quay động cơ đợc biểu diễn nh trên đồ thị hình 2-10.
2.3.3. Biện pháp sử dụng tụ điện.
Hình 2.16
Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa có sử dụng
tụ điện để cải thiện đặc tuyến đánh lửa
SW
t
i
f
Không có tụ
C
Có tụ
C
Hình 2.17
Dòng điện qua R
f
khi có và không có tụ điện C
Chơng 3
Hệ thống đánh lửa bán dẫn.
3.1. Phân loại hệ thống đánh lửa hệ thống đánh lửa điện tử.
Hiện nay trên hầu hết các loại ô tô đều sử dụng hệ thống đánh lửa bán
dẫn vì loại này có u thế là tạo đợc tia lửa mạnh ở điện cực bugi, đáp ứng tốt
các chế độ làm việc của động cơ, tuổi thọ cao Qua quá trình phát triển, hệ
thống đánh lửa điện tử đợc chế tạo cải tiến với nhiều loại khác nhau song có
thể chia làm hai loại chính sau:
3.1.1. Hệ thống đánh lửa bán dẫn điều khiển trực tiếp.
Trong hệ thống này, các linh kiện điện tử đợc tổ hợp thành một cụm mạch
đợc gọi là Igniter, bộ phận này có nhiệm vụ đóng ngắt mạch sơ cấp nhờ các tín
hiệu đánh lửa (tín hiệu điện áp ) đa vào. Hệ thống đánh lửa bán dẫn loại này có
thể chia ra làm hai loại là :
- Hệ thống đánh lửa bán dẫn có vít điều khiển: vít điều khiển có cấu tạo
giống nh trong hệ thống đánh lửa thờng nhng chỉ làm nhiệm vụ điều khiển
đóng mở Tranzitor.
- Hệ thống đánh lửa bán dẫn không có vít điều khiển, Tranzitor công
suất đợc điều khiển bằng một cảm biến đánh lửa.
3.1.2. Hệ thống đánh lửa đợc điều khiển bằng kĩ thuật số.
Khi răng cảm biến của rôto đối diện với lõi thép, độ biến thiên của từ
trờng bằng không, và sức điện động trong cuộn cảm biến nhanh chóng giảm
về 0 (hình 3-2c).
Khi rôto đi ra xa lõi thép , từ trờng trong lõi thép giảm dần và sức điện động
xuất hiện trong cuộn dây cảm biến có chiều ngợc lại (hình 3-2d). Hiệu điện
thế sinh ra ở hai đầu cuộn cảm biến phụ thuộc vào tốc độ của động cơ. ở chế
độ cầm chừng, hiệu điện thế rất nhỏ chỉ vào khoảng 0,5 V ở tốc độ cao nó có
thể lên đến 100 V.
Hình 3-2e: mô tả quá trình biến thiên từ thông trong lõi thép và xung điện áp
ở hai đầu ra của cuộn dây cảm biến. Chú ý rằng xung tín hiệu này khá nhọn.
Cảm biến đánh lửa điện từ loại nam châm đứng yên có u điểm là rất bền,
xung tín hiệu có dạng nhọn nên ít ảnh hởng 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 Tranzitor có độ nhạy cao và phải chống nhiễu cho
dây tín hiệu.
2/ . Loại nam châm quay
Hình 3-3 : Cảm biến điện từ loại nam châm quay cho loại động cơ 8 xilanh.
Đối với loại này nam châm đợc gắn trên rôto còn cuộn dây cảm biến
đợc quấn quanh một lõi thép và cố định trên vỏ Đelco. Khi nam châm quay
từ trờng xuyên qua cuộn dây cảm biến biến thiên tạo nên một sức điện động
trong cuộn dây. Do từ thông qua cuộn dây đổi dấu, nên sức điện động sinh ra
trong cuộn dây lớn. ở chế độ cầm chừng tín hiệu điện áp ra vào khoảng 2V
xung điện áp có dạng nh trên hình 3-3.
3.2.1.2. Cảm biến Hall.
1/. Hiệu ứng Hall :
Hình 3-4 : Hiệu ứng Hall.
Nếu dòng điện Iv đợc giữ không thay đổi thì khi thay đổi lực từ trờng
B, điện thế U
h
sẽ thay đổi. Sự thay đổi của lực từ trờng làm thay đổi điện thế
phần tử cảm quang ( photo transtor hoặc photo diode) đợc đặt
trong delco có vị trí tơng ứng nh trong hình 3-6. Đĩa cảm biến
đợc gắn vào trục của delco và có số tơng ứng với số xylanh
động cơ .
LED
photo transistor
photo diode
LED
Đĩa cảm biến
Hình 3.7. Cảm biến quang
Copyright: Tài liệu đại học ©