Báo cáo Thiết kế, lắp ráp mạch đánh lửa Transistor (Igniter) với linh kiện tại thị trường Việt Nam dùng cho môn học thực tập động cơ I (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Thiết kế, lắp ráp mạch đánh lửa Transistor (Igniter) với linh kiện tại thị trường Việt Nam dùng cho môn học thực tập động cơ I (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, LẮP RÁP MẠCH ÐÁNH LỬA TRANSISTOR (IGNITER) VỚI LINH KIỆN TẠI THỊ TRƯỜNG VIỆT NAM DÙNG CHO MƠN HỌCS K C 0 THỰC0 3 9 5 9 TẬP ÐỘNG CƠ I MÃ SỐ: T2013 – 59 S KC 0 0 5 4 3 0 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. Mẫu 1T. Trang bìa của báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, LẮP RÁP MẠCH ĐÁNH LỬA TRANSISTOR (IGNITER) VỚI LINH KIỆN TẠI THỊ TRƯỜNG VIỆT NAM DÙNG CHO MƠN HỌC THỰC TẬP ĐỘNG CƠ I Mã số: T2013 – 59 Chủ nhiệm đề tài: GVC. Th.S NGUYỄN KIM TP. HCM, 11 / 2013
3. Mẫu 2T. Trang bìa phụ của báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ: KHOA CKĐ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, LẮP RÁP MẠCH ĐÁNH LỬA TRANSISTOR (IGNITER) VỚI LINH KIỆN TẠI THỊ TRƯỜNG VIỆT NAM DÙNG CHO MƠN HỌC THỰC TẬP ĐỘNG CƠ I Mã số: T2013 – 59 Chủ nhiệm đề tài: GVC. Th.S NGUYỄN KIM TP. HCM, 11 / 2013
4. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 Mục lục I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 5 II. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: 5 III. CÁCH TIẾP CẬN ĐỀ TÀI: 5 IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 5 V. PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 6 VI. QUY TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 6 VII. NỘI DUNG ĐỀ TÀI 7 CHƢƠNG I :CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐÁNH LỬA 7 1. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN CẢM 7 1.1 Khái niệm. 7 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện cảm. 7 1.3 Một vài thơng số của hệ thống đánh lửa điện cảm 8 1.4 Lý thuyết đánh lửa điện cảm 10 1.5 Các biện pháp nâng cao đặc tính đánh lửa điện cảm: 13 1.6 Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống đánh lửa điện cảm: 16 2. NĂNG LƢỢNG ĐÁNH LỬA VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG DÙNG NHIÊN LIỆU XĂNG 16 2.1 Quá trình cháy trên động cơ đốt trong dùng nhiên liệu xăng: 16 2.2 Phân tích năng lƣợng của tia lửa điện: 17 3. NHỮNG YẾU TỐ TÁC ĐỘNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY 20 3.1 Ảnh hƣởng của đƣờng kính điện cực trung tâm 20 3.2 Ảnh hƣởng của độ rộng khe hở bugi 21 3.3 Ảnh hƣởng của độ nhơ bugi trong buồng cháy 22 3.4 Ảnh hƣởng của áp suất nén và điện áp 23 3.5 Ảnh hƣởng của tốc độ và tải đến điện áp đánh lửa 23 3.6 Ảnh hƣởng của sự tăng tốc đến điệp áp đánh lửa 24 3.7 Thời điểm đánh lửa và điện áp yêu cầu. 25 3.8 Tỉ lệ hồ trộn giữa nhiện liệu và khơng khí 25 CHƢƠNG 2 : LÝ THUYẾT VỀ BÁN DẪN TRANSISTOR 27 2. Giới thiệu về Transistor trƣờng (JFET) 35 2.1. Cấu tạo JFET 35 2.4. Transistor MOSFET 37 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 1
5. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 2.4.1. MOSFET kênh sẵn 37 2.4.2. MOSFET kênh cảm ứng 38 2.5. MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET 40 2.5.1. PHÂN CỰC JFET VÀ DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH THEO KIỂU HIẾM 40 2.5.2. DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH KIỂU TĂNG 42 2.5.3. MẠCH PHÂN CỰC E-MOSFET 44 2.5.4. MẠCH KẾT HỢP BJT VÀ FET 46 CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐÁNH LỬA DÙNG TRANSISTOR 53 4.3. Thiết kế mạch đánh lửa dùng FET 55 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 2
6. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 BM 08TĐ. Thơng tin kết quả nghiên cứu TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA CKĐ Tp. HCM, Ngày 27 tháng 11 năm 2013 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thơng tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế lắp ráp mạch đánh lửa transistor với linh kiện tại thị trƣờng VN dùng cho mơn học thực tập động cơ 1 - Mã số: T2013-59 - Chủ nhiệm: Nguyễn Kim - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 08/3/2013 đến 30/11/2013 2. Mục tiêu: - Rèn luyện cho sinh viên kỹ năng kiểm tra chẩn đốn hệ thống đánh lửa transistor. - Sinh viên cĩ thể tự nghiên cứu lắp ráp mạch đánh lửa theo các linh kiện sẵn cĩ trên thị trƣờng - Tận dụng đƣợc nguồn vật tƣ rẻ phục vụ tốt cho cơng tác đào tạo. 3. Tính mới và sáng tạo: - Sinh viên cĩ thể vận dụng lắp ráp mạch đánh lửa khác nhƣ đánh lửa ESA - Cơ sở để sinh viên nghiên cứu các mạch đánh lửa FET 4. Kết quả nghiên cứu: - Ứng dụng tốt sản phẩm vào cơng tác giảng dạy, học tập. - Mơ hình cĩ tính thẩm mỹ, tăng việc tiếp thu và rèn luyện kỹ năng kiểm tra chẩn đốn 5. Sản phẩm: - Mạch đánh lửa sử dụng transistor BJT và transistor trƣờng FET - Mơ hình thử nghiệm hệ thống đánh lửa. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Phục vụ tốt cơng tác đào tạo, áp dụng cho các cơ sở đào tạo nghề, các trƣờng trung cấp chuyên nghiệp, cao đẵng, đại học cĩ đào tạo ngành cơ khí động lực Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 3
7. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 M 09TĐ. Thơng tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Code number: T2013-59 Coordinator: Nguyên Kim Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City Duration: from 08/3/2013 to 30/11/2013 2. Objective(s): 3. Creativeness and innovativeness: 4. Research results: 5. Products: 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 4
8. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: - Hiện nay Bộ mơn Động cơ thuộc Khoa CKĐ đang hƣớng dẫn thực tập động cơ xăng I và trong đĩ cĩ phần thực tập kiểm tra hệ thống đánh lửa transistor loại đánh lửa sớm bằng cơ khí, tuy nhiên việc thực hiện các bài tập kèm theo thiết bị ( chủ yếu Igniter ) thƣờng xảy ra hƣ hỏng và thƣờng xuyên phải bổ sung thiết bị đƣợc chế tạo sẵn của các hãng xe nhƣ Toyota, Honda rất đắt tiền và khĩ tìm kiếm trên thị trƣờng - Nhằm tạo điều kiện cho ngƣời học đƣợc dể dàng tiếp cận với thiết bị trong học tập, và rèn luyện kỹ năng kiểm tra về hệ thống đánh lửa, Ngƣời thực hiện đề tài nghiên cứu thiết kế, lắp ráp mạch đánh lửa transistor loại đánh lửa sớm bằng cơ khí nhằm phục vụ cho sinh viên thực tập rèn luyện kỷ năng kiểm tra các bộ phận chi tiết trong hệ thống đánh lửa. Xuất phát từ nhu cầu thực tế nhƣ trên ngƣời nghiên quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế, lắp ráp mạch đánh lửa transistor(Igniter) với linh kiện tại thị trường Việt Nam dùng cho mơn học thực tập động cơ I ” với mong muốn tạo ra một sản phẩm cĩ thể áp dụng vào giảng dạy ngay học phần mà mình đang đảm trách. Sản phẩm đề tài sau khi hồn thành cung cấp cho ngƣời học một cái nhìn tồng quát về hệ thống đánh lửa căn bản transistor. Qua đĩ ngƣời học hiểu rõ từng chi tiết về hệ thống này về phƣơng diện cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động và phƣơng pháp vận hành, kiểm tra. II. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: - Rèn luyện cho sinh viên kỹ năng kiểm tra chẩn đốn hệ thống đánh lửa. - Sinh viên cĩ thể tự nghiên cứu thiết kế lắp ráp mạch đánh lửa theo các linh kiện thơng dụng trên thị trƣờng Việt Nam thơng qua các mạch thiết kế cơ bản. - Ngồi ra để mở rộng sinh viên cĩ thể tự nghiên cứu thiết kế lắp ráp mạch đánh lửa ( Igniter ) cho những hệ thống đánh lửa sớm bằng điện tử ( ESA ) III. CÁCH TIẾP CẬN ĐỀ TÀI: Ngƣời nghiên cứu tiếp cận nội dung đề tài thơng qua nhu cầu cung cấp kiến thức học tập cho sinh viên về hệ thống đánh lửa transistor ngành cơ khí ơtơ, thơng qua các mơ hình mẫu đã cĩ tại xƣởng và các mơ hình đƣợc thiết kế từ các cơng ty chuyên cung cấp thiết bị đồ dùng dạy học. Thơng qua các yếu tố sƣ phạm và khoa học trong giảng dạy nhằm đảm bảo hiệu quả trao đổi kiến thức là hiệu quả nhất, đồng thời tiết kiệm vật tƣ thiết bị trong phục vụ giảng dạy IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Để hồn thành nội dung đề tài, ngƣời nghiên cứu đã kết hợp nhiều phƣơng pháp nghiên cứu. Trong đĩ đặc biệt là phƣơng pháp tham khảo tài liệu đặc biệt về lý thuyết đánh lửa, thu thập các thơng tin liên quan, học hỏi kinh nghiệm của đồng nghiệp, nghiên cứu các mơ hình giảng dạy hiện cĩ, nghiên cứu các mơ hình giảng dạy hiện cĩ trên thị trƣờng từ đĩ tìm ra những ý tƣởng mới để hình thành đề cƣơng của đề tài, cũng nhƣ cách thiết kế lắp ráp mạch Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 5
9. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 đánh lửa cũng nhƣ thiết kế, lắp ráp mơ hình. Song song với nĩ, chúng tơi cịn kết hợp cả phƣơng pháp kiểm tra, thực nghiệm và kinh nghiệm của bản thân trong quá trình giảng dạy. V. PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Chế tạo mạch đánh lửa transistor với linh kiện cĩ trên thị trƣờng và mơ hình thử nghiệm hệ thống đánh lửa transistor Nghiên cứu về lý thuyết đánh lửa transistor. Nghiên cứu về các linh kiện bán dẫn trên thị trƣờng đáp ứng yêu cầu hoạt động của mạch đánh lửa thực tế. VI. QUY TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Tham khảo tài liệu. Thiết kế và lắp ráp mạch đánh lửa transistor Thiết kế và lắp ráp mơ hình thử nghiệm hệ thống đánh lửa transistor. Thiết kế các bài giảng cho mơ hình. Viết báo cáo. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 6
10. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 VII. NỘI DUNG ĐỀ TÀI CHƢƠNG I :CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐÁNH LỬA 1. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN CẢM 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. 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện cảm. ACCU Điện trở Bobine Bộ chia Bugi điện phụ Dịngđiệnđi từ + accucơng tắc chínhđiện trở phụ(cĩ thể cĩ hoặc khơng)bobin bộ chia điện(cĩ thể cĩ hoặc khơng) bugi đánh lửa. Để tạo ra tia lửađiện cao áp thì dịng sơ cấp phải đƣợc ngắt đột ngột. Cơng cụ dùng để ngắt mạch sơ cấp thƣờng là một trong các loại sau: +Dùng vít lửa (đánh lửa thƣờng) đƣợc đĩng mở bằng cam gắn trên trục bộ chia điện. Hình :Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện cảm loại thường Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 7
11. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013  Khi cam đội, vít KK′ mở, dịng điện trong cuộn sơ cấp bobine bị ngắt điện áp cao cuộn thứ cấp (12.000-40.000 V) bộ chia điện bugi.  Khi cam đĩng, vít KK, đĩng, dịng điện trong cuộn sơ cấp tăng trƣởng. + Đánh lửa bán dẫn : Hệ thống này nhận tín hiệu từ các cảm biến trên xe:cảm biến điện từ, Hall, quang , sau khi xử lý tín hiệu. hệ thốngsẽ điều khiển đĩng ngắt dịng sơ cấp bằng transistor cơng suất. Hình 2 :Sơ đồ ngyên lý mơ tả hệ thống đánh lửa điện cảm loại bán dẫn. Bộ vi xử lý trong IGNITER nhận tín hiệu từ các cảm biến, sau khi xử lý những tín hiệu này, nĩ sẽ đĩng mở con transistor cơng suất. Transistor mở dịng điện trong cuộn sơ cấp tăng lên Bugi chƣa đánh lửa. Transistor đĩng dịng điện trong cuộn sơ cấp ngắt Bugi đánh lửa. 1.3 Một vài thơng số của hệ thống đánh lửa điện cảm 1.3.a Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m : Là hiệu điện thế cực đại đo đƣợc ở đầu cuộn thứ cấp. Hiệu điện thế U2m phải đủ lớn để tạo ra tia lửa,nhất là lúc khởi động. 1.3.b Hiệu điện thế đánh lửa : Là hiệu điện thế thứ cấp mà tại đĩ quá trình đánh lửa xảy ra ( Udl). Theo định luật Pashen : 퐏훅 U = K dl 퐓 Trong đĩ : P : áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa. δ : khe hở bugi. T : nhiệt độ ở điện cực trung tâm của bugi tại thời điểm đánh lửa. K : hằng số phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp hịa khí. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 8
12. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 1.3.c Hệ số dự trữ Kdl: Hệ số dự trữ là tỷ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Udl : 푼 Kdl = 푼풅풍 Hệ số Kdl< 1,5 đối với hệ thống đánh lửa thƣờng và bằng 1,5 ÷ 2 đối với động cơ xăng dùng hệ thống đánh lửa điện tử. 1.3.d Năng lƣợng dự trữ Wdt : Là năng lƣợng đƣợc tích trữ dƣới dạng từ trƣờng trong cuộn sơ cấp của bơbin.Hệ số này cĩ giá trị đảm bảo tia lửa điện cĩ đủ năng lƣợng để đốt cháy hồn tồn hịa khí,đƣợc xác định bởi cơng thức : 2 퐿1. 푛 W = = 50 ÷ 150 mJ dl 2 L1 : độ tự cảm của cuộn sơ cấp bobine. Ing : cƣờng độ dịng điện tại thời điểm transitor cơng suất ngắt. 1.3.e Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S : 2 ∆ 2 S = = = 300 ÷ 600 V/μs 푡 ∆푡 ∆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 S càng lớn thì tia lửa xuất hiện tại điện cực bugi càng nhanh, nhờ đĩ dịng khơng bị rị qua muội than trên cực điện bugi, năng lƣợng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm. 1.3.f Tần số và chu kỳ đánh lửa : Tần số đánh lửa là số tia lửa xuất hiện trong 1 giây. Đối với động cơ 4 kỳ tần số f đƣợc tính bởi cơng thức : 푛푍 f = [Hz] 120 Đối với động cơ 2 kỳ : 푛푍 f = [Hz] 60 f : tần số đánh lửa. n : số vịng quay động cơ. Z : số xy lanh động cơ. Chu kỳ T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa. T = 1/f = Tđ + Tm Tđ : thời gian vít ngậm hay transitor dẫn bão hịa. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 9
13. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 Tm: thời gian vít hở hay transitor ngắt. Tần số f tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ và số xy lanh, tỷ lệ nghịch với chu kỳ.Vì vậy khi thiết kế cần chú ý đến 2 thơng số chu kỳ và tần số để đảm bảo ở số vịng quay cao thì tia lửa vẫn mạnh. 1.3.g Năng lƣợng tia lửa: WP = WC + WL Trong đĩ: 푈2 푊 = 2 푙 2 퐿 푖2 푊 = 2 2 퐿 2 WP: Năng lƣợng của tia lửa. WC: Năng lƣợng của thành phần tia lửa cĩ tính điện dung. WL: Năng lƣợng của thành phần tia lửa cĩ tính điện cảm. C2: Điện dung ký sinh của mạch thứ cấp của bougie (F). L2: Độ tự cảm của mạch thứ cấp (H). I2 : Cƣờng độ dịng điện mạch thứ cấp (A). Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lƣợng tia lửa cĩ đủ cả hai thành phần điện cảm (thời gian phĩng điện dài) và điện dung(thời gian phĩng điện ngắn) hoặc chỉ cĩ một thành phần điện cảm. 1.4 Lý thuyết đánh lửa điện cảm Chia làm 3 quá trình : Hình 3 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện cảm. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 10
14. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 1.4.a Quá trình tăng trƣởng dịng sơ cấp: Hình 4 : Sơ đồ tương đương quá trình tăng trưởng dịng sơ cấp. Khi transistor T dẫn dịng điện đi từ (+) accu đến Rf đến L1 đến T đến mass.Thì I1 tăng từ từ, do đĩ suất điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp L1 chống lại sự tăng của cƣờng độ dịng điện. Giai đoạn này mạch thứ cấp khơng chịu ảnh hƣởng gì. R횺 = R1 + Rf U = Ua - ∆ UT Ua: Hiệu điện thế của accu. ∆ UT: Độ sụt áp trên transistor cơng suất ở trạng thái dẫn bão hịa Ta thiết lập đƣợc phƣơng trình vi phân sau: 푖1 i R횺+ L = U 1 1 푡 Giải phƣơng trình ta đƣợc: 푈 -(R횺/L1).t i1(t) = (1 – e ) 푅Ĩ Hình 5 : Sơ đồ mơ tả sự tăng trưởng của cường độ dịng điện trong cuộn sơ cấp. Gọi tđ là thời gian transistor dẫn bão hịa thì cƣờng độ dịng điện sơ cấp tƣơng ứng là Ing : 푈 -(R횺/L1) t Ing = (1 – e d) 푅Ĩ Trong đĩ : Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 11
15. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 120 t = 훾 . = 훾 . đ đ đ 푛푍 훾đ: thời gian tích lũy năng lƣợng tƣơng đối (xe đời cũ 훾đ= 2/3). Tại thời điểm đánh lửa năng lƣợng tích lũy trong cuộn sơ cấp dƣới dạng từ trƣờng : 2 .퐿 L1 푈2 푛 1 -(R횺/L )t 2 Wdt = = . . 2 (1 – e 1 ) 2 2 푅∑ 1.4.b Quá trình ngắt dịng ở cuộn sơ cấp : Khi cuộn sơ cấp ngắt dịng(Transistor ngắt) thì trên cuộn thứ cấp xuất hiện một hiệu điện thế khoảng 15kV đến 40kV.Giá trị này phụ thuộc vào nhiều thơng số của mạch sơ cấp và thứ cấp.Ví dụ nhƣ điện trở mất mát,điện trở rị qua điện cực bugi . Hình 6 : Sơ đồ mơ tảquá trình phĩng điện ở cuộn thứ cấp. Hiệu điện thế cực đại trên cuộn thứ cấp U2m đƣợc xác định bởi cơng thức : 2푊 푡 U2m = Kbb 2 .훈 1+ 퐾 . 2 Kbb = W2/W1 : Hệ số biến áp bơbin. 훈 : Hệ số tính đến sự mất mát trong mạch dao động (0,7÷ 0,8). W1, W2 : Số vịng dây cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. C1 : Điện dung của tụ điện mắc song song với vis lửa hay với transistor cơng suất. C2 : Điện dung ký sinh trên mạch thứ cấp. Hình 7 : Sơ đồ mơ tả qui luật biến đổi hiệu điện thế thứ cấp u2m. Khi transistor ngắt trên cuộn sơ cấp sẽ sinh ra 1 suất điện động khoảng 100V đến 300V. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 12
16. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 1.4.c Quá trình phĩng điện ở điện cực bugi : Khi điện áp u2 đạt đến giá trị Udl thì sẽ xuất hiện tia lửa cao thế giữa hai đầu cực của bugi. Tia lửa bugi gồm tia lửa điện dung và tia lửa điện cảm. Tia lửa điện dung: đƣợc qui ƣớc bởi điện dung C2 ký sinh và đặc trƣng bởi sự sụt áp và tăng dịng đột ngột. Cơng suất của tia lửa điện dung cĩ thể lên tới hàng chục hay hàng trăm kW. Do dao động với tần số cao (106÷107Hz), nên tia lửa điện dung dễ gây ra mài mịn điện cực bugi. Nĩ thƣờng cĩ màu xanh sáng kèm theo tiếng nổ lách tách. Để giải quyết vấn đề này ngƣời ta thƣờng mắc thêm điện trở trên mạch thứ cấp. Tia lửa điện cảm: + Dịng điện qua bugi là 20÷40 mA, Ubugi = 400÷500 V. +Thời gian kéo dài tia lửa điện cảm gấp 100 ÷ 1000 lần tia lửa điện dung. Do đĩ tia lửa điện dung chỉ là một phần nhỏ của tia lửa, thời gian này phụ thuộc vào loại bugi, khe hở bugi và chế độ làm việc của động cơ. Thơng thƣờng giá trị này vào khoảng 1 đến 1,5 ms. Hình 8 : Sơ đồ mơ tả quy luật biến đổi của tia lửa điện dung và điện cảm. 1.5 Các biện pháp nâng cao đặc tính đánh lửa điện cảm: Cĩ 3 cách: 1.5.a Chọn thơng số bobin: Ta cĩ: 푈 -(R횺/L1) t Ing = (1 – e d) 푅∑ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 13
17. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 Khi động cơ chạy ở tốc độ cao thì td càng giảm do đĩ dịng điện Ing sẽ càng giảm (nếu các thơng số khác khơng thay đổi). Vì vậy nếu td giảm thì ta phải giảm thơng số của bobin (L1 :độ tự cảm của cuộn sơ cấp) để đảm bảo cho Ing lớn khi động cơ chạy ở tốc độ cao. Tuy nhiên nếu giảm L1 sẽ gây ra vấn đề là sẽ giảm năng lƣợng từ trƣờng tích lũy trong cuộn sơ cấp thơng qua cơng thức: 2 퐿1. 푛 푊 = 푡 2 Trong đĩ :푊 푡 là năng lƣợng từ trƣờng tích lũy trong cuộn sơ cấp. 1.5.b Sử dụng tụ điện: Hình 9 :Sơ đồ thể hiện biện pháp sử dụng tụ điện trong hệ thống đánh lửa điện cảm. - Tụ C đƣợc mắc song song với cuộn sơ cấp của bobin. - Transitor T dẫn cĩ dịng if từ +accu qua Rf đến L1 đến T về mass. - Transitor T ngắt dịng if nạp cho tụ C. - Khi T dẫn trở lại dịng qua L1 tăng lên do tụ C phĩng điện. - Dịng if sẽ tăng hoặc giảm từ từ do sự phĩng nạp của tụ C mà khơng bị ngắt đột ngột nhƣ khơng cĩ tụ C. Điều này làm giảm xung điện áp ở máy phát và nhiễu sĩng điện từ khi T đĩng mở trong quá trình làm việc. Hình 10 : Sơ đồ thể hiện ảnh hưởng của tụ điện. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 14
18. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 Giá trị của tụ C đƣợc chọn trong giới hạn sau: 2 2 − − + < < − + 4 2 4 2 Trong đĩ: 2퐿1 4퐿1 = + 2 푅 푅1 푅1 퐿 = ( 1 )2 푅 푅1 Với cách sử dụng tụ điện này thì dịng điện trong cuộn sơ cấp (i1) và hiệu điện thế cực đại cuộn thứ cấp thay đổi nhƣ sau: Hình 11 : Sơ đồ mơ tả sự biến đổi của hiệu điện thế cực đại ở cuộn thứ cấp và cường độ dịng điện trong cuộn sơ cấp khi sử dụng tụ điện. 1.5.c Biện pháp sử dụng điện trở phụ: Một điện trở phụ Rf cĩ hệ số nhiệt điện trở dƣơng đƣợc mắc nối tiếp với mạch sơ cấp. Mắc điện trở phụ sẽ cải thiện đƣợc một phần đặc tính đánh lửa ở tốc độ cao đối với loại hệ thống đánh lửa khơng điều khiển bằng điện tử. Khi động cơ ở tốc độ thấp, thời gian tích lũy năng lƣợng trên mạch sơ cấp dài, nhiệt độ Rf tăng điện trở nĩ tăng R횺 trên mạch sơ cấp tăng Ing giảm năng lƣợng lãng phí do thời gian tích lũy năng lƣợng trên cuộn sơ cấp giảm. Khi động cơ ở tốc độ cao, thời gian tích lũy năng lƣợng trên mạch sơ cấp ngắn, nhiệt độ Rf giảm điện trở nĩ giảm R횺 trên mạch sơ cấp giảm Ing tăng năng lƣợng lãng phí do thời gian tích lũy năng lƣợng trên cuộn sơ cấp giảm. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 15
19. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 Hình 12 :Sơ đồ thể hiện sự biến đổi của hiệu thế cực đại ở cuộn thứ cấp khi dùng điện trở phụ. 1.6 Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống đánh lửa điện cảm: 1.6.a Ƣu điểm: - Thời gian phĩng điện kéo dài (khoảng 1÷ 1,5 푠) nên sẽ đốt sạch hịa khí trong xy lanh ở hầu hết các chế độ làm việc của động cơ. - Khe hở bugi khơng cần phải chỉnh quá lớn nhƣ đánh lửa điện dung nên tăng tuổi thọ của bugi. - Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn so với đánh lửa điện dung. 1.6.b Nhƣợc điểm: -Thời gian tích lũy năng lƣợng dài, nhất là khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp nên dễ gây lãng phí năng lƣợng, dễ gây nĩng bobin, hƣ tăng transitor. -Đặc tính đánh lửa phụ thuộc vào số vịng tốc độ động cơ nên độ nhạy đánh lửa kém hơn đánh lửa CDI. - Ở tốc độ cao khơng đủ thời gian tăng trƣởng dịng sơ cấp nên điện áp thứ cấp sẽ giảm. -Hiệu điện thế thứ cấp tăng trƣởng chậm hơn đánh lửa CDI phụ thuộc vào điện trở rị ở bugi. 2. NĂNG LƢỢNG ĐÁNH LỬA VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG DÙNG NHIÊN LIỆU XĂNG 2.1 Quá trình cháy trên động cơ đốt trong dùng nhiên liệu xăng: Quá trình cháy trên động cơ xăng bắt đầu khi bugi nẹt tia lửa điện và bén vào hồ khí. Màng lửa sẽ lan rộng khắp buồng đốt và lịng xy lanh rồi tự tắt dần đi. Quá trình này cĩ thể đƣợc chia thành 3 giai đoạn chính: Giai đoạn từ lúc bugiđánh lửa và hình thành tâm cháy ban đầu. Một số tài liệu gọi giai đoạn này là giai đoạn cháy trễ. Giai đoạn màng lửa phát triển và lan rộng hay cịn gọi là giai đoạn cháy nhanh. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 16
20. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 Giai đoạn kết thúc quá trình cháy và màng lửa tắt dần đi. Giai đoạn này cịn gọi là giai đoạn cháy rớt. Hình 13: Đồ thị mối quan hệ giữa áp suất trong lịng xylanh theo gĩc quay trục khuỷu. Thơng thƣờng, trên hầu hết các động cơ, giai đoạn cháy trễ sẽ đốt cháy từ 5% đến 10% lƣợng hồ khí cĩ trong xylanh. Trong giai đoạn này, sự cháy diễn ra và quá trình hình thành màng lửa từ một tâm cháy bắt đầu nhƣng áp suất trong lịng xylanh tăng trƣởng rất chậm. Do đĩ trong giai đoạn này, động cơ gần nhƣ khơng sinh cơng mà cơng cĩ ích của động cơ đƣợc sinh ra chủ yếu là nằm trong giai đoạn lan tràn màng lửa. Lƣợng hồ khí đƣợc đốt cháy trong thời gian màn lửa phát triên khắp buồng đốt khoản 80% - 90%. Vì hầu hết lƣợng hồ khí đƣợc đốt cháy trong giai đoạn này nên áp suất trong buồng đốt tăng rất cao, và giai đoạn này là giai đoạn sinh cơng của động cơ. Phần hồ khí cịn lại 5% - 10% sẽ tiếp tục cháy sau khi màng lửa đã lan khắp buồng đốt. Áp suất bên trong lịng xy lanh sẽ giảm nhanh chĩng và cuối cùng thì sự cháy tự mất đi. 2.2 Phân tích năng lƣợng của tia lửa điện: Sự cháy đƣợc khởi đầu bởi sự phĩng tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi. Thời điểm xuất hiện tia lửa điện dao động từ 10o - 30otrƣớc điểm chết trên của gĩc quay trục khuỷu và tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc tức thời của dộng cơ và hình dạng của buồng đốt. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 17
21. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2013 Sự phĩng điện chính là sự phĩng ra của dịng plasma cĩ nhiệt độ cực cao giữa hại điện cực bugi để đốt cháy lƣợng hồ khí ở lận cận. Lúc đầu, vận tốc cháy diễn ra khá chậm vì mất mát nhiệt do nhiệt độ của điện cực bugi và hồ khí cịn tƣơng đối thấp và sau đĩ màng lửa mới bắt đầu lan nhanh dẫn đến khối hồ khí bùng cháy dữ dội. Thơng thƣờng thì thời gian cháy trễ ở điều kiện làm việc bình thƣờng tƣơng đƣơng với khoảng 6o gĩc quay trục khuỷu. Hình 14 : Đồ thị thể hiện dạng sĩng điện áp thứ cấp của một hệ thống đánh lửa cơ bản. Hình 15 : Đồ thị triển khai thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, cường độ dịng điện và thời gian đánh lửa đã của một hệ thống đánh lửa cơ bản. Quá trình hình thành tia lửa điện gồm 3 giai đoạn: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Igniter và mơ hình hệ thốngđánh lửa transistor 18
22. S K L 0 0 2 1 5 4