BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ KHÁNH TÂN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA KẾT HỢP
ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN CẢM
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

S KC 0 0 4 2 1 7

Lê Khánh Tân

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 31 - 10 - 1988

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Quê quán: Tp. Hồ Chí Minh

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 292 Điện Biên Phủ, phường 17, quận Bình Thạnh, Tp
Hồ Chí Minh.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng: 0977080605

Fax:

E-mail: [email protected]
[email protected]

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Trung học chuyên nghiệp

Thời gian đào tạo từ 9/2003 đến 12/ 2006

Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng, Tp.Hồ Chí Minh.

Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014
Học viên thực hiện

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp

2


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

LỜI CẢM ƠN

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS. TS Đỗ Văn Dũng và sự góp ý của các thầy
ở bộ môn động cơ, cùng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành nội dung đồ án đúng
thời gian quy định và đạt được các yêu cầu, nhiệm vụ đặt ra là thiết kế, thi công mô hình và
biên soạn thuyết minh của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh
lửa kết hợp điện dung và điện cảm”.
Em xin chân thành cảm ơn giảng viên phản biện và các thầy cô trong hội đồng bảo vệ
luận án tốt nghiệp đã dành thời gian để đọc luận văn và cho nhận xét xác đáng kết quả mà em

Thực nghiệm đánh giá kết quả cho thấy hệ thống đánh lửa kết hợp điện dung và điện
cảm đã tiết kiệm được 55g nhiên liệu cho mỗi 100km. Nồng độ CO và HC trong khí thải cũng
giảm xuống một lượng tương ứng là 0.02%vol và 73ppmvol.

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp

4


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

ABSTRACT

In spark ignition engine (SI engine), the mixture of air and fuel is usually formed
outside the engine and ignited by an electric-spark from a spark-plug. Basing on the way of
energy-accumulation, the ignition systems on SI engine are divided into two types: capacitor
discharge ignition system (CDI) and transistorized ignition system (TI). Although the two
types of ignition system are differentiated basing on the way of energy-accumulation, they
have given out the same ways of producing high-voltage pulse. The studies so far have tried
to solve the drawbacks of each type of ignition system in different ways, but most of the
improvements have only sorted out on a single type of ignition system. This thesis presents a
combined ignition system which consists of two distinct types of ignition system above with
an available programmable controller. In what range of engine opperation that the advantage
of transistorized ignition system far outweight the advantage of capacitor discharge ignition
system, we will trigger it to work and vice versa.
Experiment results indicate that the combined ignition system can help to reduce fuel
comsumption up to 55g per 100km. The CO and HC levels from exhaust gas are also reduced
to 0.02%vol and 73ppmvol respectively.

hiệu ứng điện cảm.
15
1.2.3

Hệ thống đánh lửa điện cảm cho động cơ đốt trong

16

1.2.4

Hệ thống đánh lửa điện cảm năng lượng cao

16

1.2.5

Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa 17

1.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU

18

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

18

1.4.1

Mục tiêu cụ thể


2.1.1

Khái niệm.

19

2.1.2

Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện cảm.

19

2.1.3

Một vài thông số của hệ thống đánh lửa điện cảm

20

2.1.4

Lý thuyết đánh lửa điện cảm

22

2.1.5

Các biện pháp nâng cao đặc tính đánh lửa điện cảm:

26


Nguyên lý hoạt động:

32

2.2.5

Một vài thông số của đánh lửa CDI

33

2.2.6

Ưu, nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện dung:

38

2.3 NĂNG LƯỢNG ĐÁNH LỬA VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG DÙNG NHIÊN LIỆU XĂNG
39
2.3.1

Quá trình cháy trên động cơ đốt trong dùng nhiên liệu xăng [4]:

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp

39
6


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

2.4.4

Ảnh hưởng của áp suất nén và điện áp.

44

2.4.5

Ảnh hưởng của tốc độ và tải đến điện áp đánh lửa.

45

2.4.6

Ảnh hưởng của sự tăng tốc động cơ đến điệp áp đánh lửa.

45

2.4.7

Thời đánh lửa và điện áp yêu cầu.

46

2.4.8

Tỉ lệ hoà trộn giữa nhiện liệu và không khí

46


52
3.3.1

Khảo sát mâm lửa động cơ xe gắn máy Honda Wave RS

52

3.3.2

Xung kích cảm biến vị trí trục khuỷu.

52

3.3.3

Xung nạp tụ

53

3.3.4

Khảo sát góc đánh lửa sớm của một số loại IC

56

3.3.5

Khảo sát bobin đánh lửa trên xe Honda Wave RS

58


70

3.5.2

Lập trình cho bộ điều khiển

73

3.5.3

Lập trình điều khiển các module.

74

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ.

79

4.1 Kiểm tra dạng sóng điện áp trên chân – của bobin khi sử dụng hệ thống đánh lửa điện
cảm (TI).
79
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp

7


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

5.1 KẾT LUẬN.

90

5.2 KIẾN NGHỊ.

90

TÀI LIỆU THAM KHẢO

91

PHỤ LỤC

92

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp

8


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung và điện cảm[9]. .................... 14
Hình 1.2: Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian phóng điện bằng hiệu
ứng điện cảm[6]. ......................................................................................................................... 15
Hình 1.3: Hệ thống đánh lửa điện cảm trên động cơ đốt trong[7]. ............................................ 16

lửa TI và CDI[1]. ........................................................................................................................ 38
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp

9


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

Hình 2.26: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa áp suất trong lòng xylanh theo góc quay trục
khuỷu......................................................................................................................................... 39
Hình 2.27: Đồ thị thể hiện dạng sóng điện áp thứ cấp của một hệ thống đánh lửa cơ bản. ..... 40
Hình 2.28: Đồ thị triển khai thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, cường độ dòng điện và thời
gian đánh lửa đã của một hệ thống đánh lửa cơ bản[4].............................................................. 40
Hình 2.29: Đồ thị thể hiện giới hạn cháy nghèo của hoà khí với độ rộng khe hở bugi theo
đường kính điện cực trung tâm[4]. ............................................................................................. 42
Hình 2.30: Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa giới hạn cháy nghèo của hoà khí và thời điểm đánh
lửa theo độ rộng của khe hở bugi[4]........................................................................................... 43
Hình 2.31: Đặc tuyến mô tả quan hệ giữa nhiệt độ điện cực bugi và điện áp yêu cầu[4].......... 43
Hình 2.32: Đặt tuyến thể hiện mối quan hệ giữa giới hạn cháy nghèo của động cơ với thời
điểm đánh lửa theo độ nhô của bugi trong buồng đốt[4]. .......................................................... 44
Hình 2.33: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của áp suất nén đến điện áp yêu cầu để đánh lửa[4]. 44
Hình 2.34: thị thể hiện dải điện áp đánh lửa yêu cầu theo tải và tốc độ[4]. ............................... 45
Hình 2.35: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của sự tăng tốc đến điện áp đánh lửa[4]. ....................... 45
Hình 2.36: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp yêu cầu theo thời điểm đánh lửa[4]. ...... 46
Hình 2.37: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp yêu cầu và tỉ lệ hoà khí[4]...................... 46
Hình 3.1: Mẫu xe gắn máy dự định sẽ thiết kế hệ thống đánh lửa kết hợp. ............................. 49
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa kết hợp dự định lắp trên xe gắn máy Honda
Wave RS. ................................................................................................................................... 50

Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly quang Opto. ........................................................... 66
Hình 3.24: Sơ đồ mạch chuyển mạch TI-CDI sử dụng 2 relay (dạng Changeover Relay). ..... 66
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch Igniter đánh lửa điện cảm. ................................................. 67
Hình 3.26: Vi xử lí trung tâm PIC 16F887 của Microchip. ...................................................... 67
Hình 3.27: Mạch dao động thạch anh cấp xung clock cho vi xử lí trung tâm. ......................... 68
Hình 3.28: Sơ đồ mạch in PCB mặt TOP. ................................................................................. 68
Hình 3.29: Sơ đồ mạch in PCB mặt BOTTOM. ....................................................................... 68
Hình 3.30: Mạch in sau khi hoàn thành mặt TOP (chưa hàn linh kiện). .................................. 69
Hình 3.31: Mạch in sau khi hoàn thành mặt BOTTOM (chưa hàn linh kiện). ......................... 69
Hình 3.32: Mạch in đã hàn linh kiện hoàn chỉnh. ..................................................................... 69
Hình 3.33: Board mạch điều khiển được lắp trên xe. ............................................................... 70
Hình 3.34: Mạch cảm biến đo dòng sử dụng IC ASC-756 có ngưỡng đo 50A. ....................... 70
Hình 3.35: Sơ đồ chân PIC 18F887 kiểu chân cắm và kiểu dán. ............................................. 71
Hình 3.36: Sơ đồ khối PIC 16F887. ......................................................................................... 72
Hình 3.37: Sơ đồ khối chương trình điều khiển của vi điều khiển PIC 16F887. ..................... 73
Hình 3.38: Thuật toán điều khiển mạch đánh lửa kết hợp. ....................................................... 74
Hình 3.39: Sơ đồ xung kích điều khiển thời điểm đánh lửa. .................................................... 77
Hình 3.40: Đồ thị thể hiện góc đánh lửa sớm khi sử dụng IC đánh lửa Nhật. ......................... 78
Hình 4.1: Dạng sóng điện áp sơ cấp khi sử dụng kiểu đánh lửa điện cảm. .............................. 79
Hình 4.2: Dạng sóng điện áp sơ cấp khi sử dụng kiểu đánh lửa điện dung. ............................. 79
Hình 4.3: Dạng sóng điện áp sơ cấp khi ta đo tại thời điểm chuyển mạch............................... 80
Hình 4.4: Dạng sóng điện áp sơ cấp tại thời điểm chuyển mạch sau khi ta ứng dụng thuật toán
điều khiển mới. ......................................................................................................................... 80
Hình 4.5: Xe gắn máy Honda Wave RS được lắp trên băng thử tạo tải để đo lượng nhiên liệu
tiêu hao. ..................................................................................................................................... 81
Hình 4.6: Băng thử tạo tải bằng máy phát điện có công suất thay đổi được từ 3kW-5kW. ..... 81
Hình 4.7: Bộ gá lắp cố định bánh trước. ................................................................................... 82
Hình 4.8: Dây chằng cố định thân xe và ép chặt bánh sau xuống rulo tạo tải. ......................... 82
Hình 4.9: Cân điện tử có độ chính xác 0,5g dùng để đo lượng nhiên liệu tiêu thụ. ................. 83
Hình 4.10: Cố định đường đường ống dẫn nhiên liệu để tránh rung động từ động cơ ảnh


Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp

12


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
Trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, hỗn hợp được hình thành bên ngoài
động cơ và được đốt cháy bằng tia lửa điện của bu-gi. Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến
dòng điện có điện áp thấp trên ô tô (12V hay 24V) thành các xung điện thế cao (từ 15.000V
đến 40.000V), các xung này sẽ được phân bố đến các bugi trên các xy-lanh theo đúng thứ tự
làm việc và đúng thời điểm để đốt cháy hòa khí trong lòng xy-lanh. Với các công dụng trên,
hệ thống đánh lửa có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất làm việc, giảm
tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường trên động cơ xăng.
Dựa vào cách tích lũy năng lượng, hệ thống đánh lửa trên ô tô được chia làm hai loại:
- Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI- Transistorized ignition system).
- Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI - Capacitor discharged ignition system).
Đối với hệ thống đánh lửa điện cảm, năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp bobine được
viết dưới dạng: 𝑊 =

(1.1)

Đối với hệ thống đánh lửa điện dung, năng lượng tích lũy trên tụ điện được viết dưới
dạng: 𝑊 =

13


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

kiệt, vì vậy thời gian tồn tại tia lửa điện sẽ ngắn hơn so với tia lửa điện của hệ thống đánh lửa
điện cảm. Do đó, nó sẽ khó lòng đốt cháy hoàn toàn lượng hoà khí trong một số trường hợp
đặc biệt của động cơ. Ví dụ: hoà khí nghèo, điều này dẫn đến xy lanh bị bỏ lửa (misfire) và
làm khí thải bị ô nhiễm.
Chúng ta biết rằng trên động cơ đốt trong đặc biệt là động cơ ô tô sẽ hoạt động trong
những chế độ làm việc có tính chất rất khác nhau. Nhược điểm của một loại hệ thống đánh lửa
bất kỳ sẽ chỉ ảnh hưởng xấu đến một số miền làm việc nào đó chứ không ảnh hưởng đến toàn
bộ miền làm việc của động cơ. Hơn thế nữa, đối với hai loại hệ thống đánh lửa điện cảm và
điện dung thì ưu điểm của hệ thống này gần như là nhựơc điểm của hệ thống kia và ngược lại.
Vì vậy, nếu chúng ta thiết kế được một hệ thống bao gồm 2 kiểu đánh lửa riêng biệt cho
động cơ với một bộ điều khiển được lập trình sẵn, ở vùng làm việc nào mà kiểu đánh lửa điện
cảm phát huy ưu điểm thì ta điều khiển cho nó hoạt động, và tương tự ở vùng nào mà kiểu
đánh lửa điện dung phát huy ưu điểm thì ta điều khiển cho nó hoạt động. Thiết nghĩ đây là
cách tối ưu nhất cho một hệ thống đánh lửa trên ô tô, và đó cũng là hướng đi được tập trung
nghiên cứu trong đề tài này.

1.2 CÁC KẾT QUẢ TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ
1.2.1 Hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung và điện cảm

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung và điện cảm [9].
Tác giả Martin E. Gerry[9] đã thiết kế hệ thống này bao gồm một bộ biến áp đánh lửa có
cuộn sơ cấp được mắc song song với một tụ điện và nó được cấp xung điện áp xoay chiều
nhiều lần trong suốt chu kỳ đánh lửa. Việc cấp xung điện áp xoay chiều nhiều lần trong một

ban đầu giúp dễ dàng ion hoá khối hoà khí ở điện cực bugi nhưng cũng đảm bảo được thời
gian tồn tại tia lửa điện đủ dài để hoà khí có thể cháy sạch.

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp

15


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

1.2.3 Hệ thống đánh lửa điện cảm cho động cơ đốt trong

Hình 1.3: Hệ thống đánh lửa điện cảm trên động cơ đốt trong[7].
Tác giả Gianni Regazzi, Funo Di Argelato[7] đã thiết kế hệ thống đánh lửa này bao gồm
một rotor, phần ứng và biến áp đánh lửa. Trên cuộn dây của biến áp đánh lửa, một điện áp
xoay chiều tự cảm được sinh ra đều đặn theo chu kỳ quay của rotor. Để điều khiển điện áp
đánh lửa, một transistor được kích hoạt khi gặp xung bán kỳ dương, nó sẽ điều khiển ngắt
dòng sơ cấp và trên cuộn thứ cấp sẽ cảm ứng một điện áp cao áp để phóng qua khe hở điện
cực bugi. Một transistor điều khiển thứ hai sẽ được nối nối tiếp với điện trở hạn dòng, và ngõ
ra của mạch so sánh điện áp sẽ kết nối với mạch định thời. Mạch định thời này sẽ kích hoạt
việc cho phép đánh lửa trong một khoảng thời gian đã định trước, điều này sẽ ngăn chặn được
sự đánh lửa xảy ra khi động cơ quay chậm hơn số vòng quay tối thiểu nào đó ở cả chiều quay
thuận và ngịch.
1.2.4 Hệ thống đánh lửa điện cảm năng lượng cao

Hình 1.4: Hệ thống đánh lửa điện cảm năng lượng cao[10].
Tác giả Kaushik H. Thakore[10] đã thiết kế hệ thống này được cải thiện nhằm nâng cao
năng lượng sinh ra khi điện áp đầu vào thấp. Mấu chốt vấn đề là mạch điều khiển được lắp hai


Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Đồ án tốt nghiệp Cao học

1.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Như đã trình bày trên phần tổng quan, ta đã thấy rõ ưu nhược điểm của từng loại hệ thống
đánh lửa. Các công trình nghiên cứu từ trước đến nay đã cố gắng giải quyết các nhược điểm
của từng loại hệ thống đánh lửa theo những cách thức khác nhau, nhưng hầu hết là sự cải tiến
trên một loại hệ thống đánh lửa duy nhất. Tổng hợp lại, ta có thể rút ra được kết luận sau:
Đối với hệ thống đánh lửa điện cảm, người ta cố gắng nâng cao năng lượng đánh lửa. Đặt
biệt là ở tốc độ cao.
Đối với hệ thống đánh lửa điện dung, người ta cố gắng kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa
điện.
1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1.4.1 Mục tiêu cụ thể
Thiết kế, chế tạo hệ thống đánh lửa kết hợp điện dung và điện cảm.
1.4.2 Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống đánh lửa trên động cơ xăng.
1.4.3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu:
Để giảm đi sự phức tạp, đề tài này không nghiên cứu về điều khiển góc đánh lửa sớm mà
chỉ tập trung nghiên cứu về năng lượng đánh lửa điện dung, điện cảm cần thiết theo các chế
độ tải và thuật toán điều khiển cho chúng hoạt động đan xen lẫn nhau một cách phù hợp.
Đề tài này sẽ được thử nghiệm trên xe Honda Wave RS lắp động cơ 4 thì 1 xy lanh, dung
tích công tác 97cc.
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp tham khảo tài liệu: hệ thống, phân tích, so sánh và lựa chọn.
Phương pháp tính toán, xác suất thống kê: Tính toán và xử lý các kết quả tính, thực
nghiệm và tiến hành hiệu chỉnh các thông số. Sử dụng các phần mềm tính toán mô hình thực
nghiệm

2.1.1 Khái niệm.
Hệ thống đánh lửa điện cảm là hệ thống sử dụng năng lượng đánh lửa dưới dạng từ
trường của cuộn dây.
Hệ thống đánh lửa điện cảm được sử dụng hầu hết trên các xe ôtô hiện nay.
2.1.2 Ngun lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện cảm.
ACCU

Điện trở

Bộ chia
điện

Bobine

phụ
Dòng điện đi từ + accu
bobin

cơng tắc chính

Bugi

điện trở phụ (có thể có hoặc khơng)

bộ chia điện(có thể có hoặc khơng)

bugi đánh lửa.

Để tạo ra tia lửa điện cao áp thì dòng sơ cấp phải được ngắt đột ngột. Cơng cụ dùng để ngắt
mạch sơ cấp thường là một trong các loại sau: