Báo cáo Thiết kế, lắp rắp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa động cơ Mercedes (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Thiết kế, lắp rắp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa động cơ Mercedes (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 RẮP MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ MERCEDES S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2014-57 SKC0 0 5 5 2 9 Tp. Hồ Chí Minh, 11/2014
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 ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ MERCEDES Mã số: T2014 – 57 Chủ nhiệm đề tài: GVC. Th.S NGUYỄN KIM TP. HCM, 11 / 2014
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 ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ MERCEDES Mã số: T2014 – 57 Chủ nhiệm đề tài: GVC. Th.S NGUYỄN KIM TP. HCM, 11 / 2014
4. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TT HỌ VÀ TÊN Đơn vị cơng tác và Nội dung nghiên cứu cụ Chữ ký lĩnh vực chuyên mơn thể đƣợc giao 1 Nguyễn Kim Bộ mơn Động cơ Thiết kế, lắp ráp mạch Khoa CKĐ điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH: Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 1
5. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 Mục lục DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 5 MỞ ĐẦU 6 I.TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG, NGỒI NƢỚC 6 II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 6 III. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: 7 IV. CÁCH TIẾP CẬN ĐỀ TÀI: 7 V. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 7 VI. PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 7 VII. QUY TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 7 VIII. NỘI DUNG ĐỀ TÀI 8 CHƢƠNG 1 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐÁNH LỬA 8 1.1. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN CẢM 8 1.2. NĂNG LƢỢNG ĐÁNH LỬA VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG DÙNG NHIÊN LIỆU XĂNG 17 1.3. NHỮNG YẾU TỐ TÁC ĐỘNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY 21 CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BÁN DẪN TRANSISTOR 28 2.1. GIỚI THIỆU VỀ TRANSISTOR 28 2.2. GIỚI THIỆU VỀ TRANSISTOR TRƢỜNG(JFET) 36 CHƢƠNG 3 : HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRỰC TIẾP 49 3.1. MẠCH CẤP NGUỒN ECU 1MZ-FE 49 3.2. CẢM BIẾN TỐC ĐỘ TRỤC KHUỶU NE 50 3.3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÁNH LỬA 1MZ-FE Error! Bookmark not defined. 3.4. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐỘNG CƠ MERCEDES 55 CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ, LẮP RÁP MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÁNH LỬA 57 4.1. CƠ SỞ THIẾT KẾ, LẮP RÁP MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÁNH LỬA 57 4.2. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 57 4.3. LẮP RÁP MẠCH ĐIỀU KHIỂN 58 Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 2
6. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 4.4.LẮP RÁP CÁC BỘ PHẬN, HỒN CHỈNH MƠ HÌNH 59 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐẠT ĐƢỢC 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 3
7. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1 Tổn thất nhiệt giai đoạn phĩng tia lửa điện Trang 22 Bảng 2 Mối quan hệ điện áp yêu cầu và áp suất nén Trang 24 Bảng 3 Đặc tuyến ra của JFET Trang 40 Bảng 4 Đặt tuyến truyền đạt của EMosFET Trang 42 Bảng 5 Bảng cực bộ phận đánh lửa động cơ Mercedes Trang 58 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Nội dung 1 BATT + ac quy thƣờng trực 2 B+ Cấp + ac quy qua rơ le chính 3 NE Cảm biến tốc độ trục khuỷu 4 G Cảm biến vị trí xy lanh 5 TACO Tốc độ động cơ 6 GND Mass nối cực – ac quy 7 DLC Chẩn đốn 8 IGT Tín hiệu điều khiển đánh lửa 9 EFI Phun xăng điện tử 10 STA Khởi động 11 IG/SW Cơng tắt đánh lửa 12 MOS Metal-Oxide-Semiconductor Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 4
8. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 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 09 tháng 11 năm 2014 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thơng tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa động cơ Mercedes - Mã số: T2014-57 - Chủ nhiệm: Nguyễn Kim - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 08/3/2014 đến 30/11/2014 2. Mục tiêu: - Rèn luyện cho sinh viên kỹ năng kiểm tra chẩn đốn hệ thống đánh lửa. - Sinh viên cĩ thể tự nghiên cứu lắp ráp mạch đánh lửa (Igniter) cho những hệ thống đánh lửa sớm điện tử (ESA) sử dụng transistor trƣờng (Mosfet) 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: Mơ hình hệ thống đánh lửa Mercedes 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 - Phƣơng thức chuyển giao: Thơng qua trung tâm chuyển giao cơng nghệ ĐHSPKT Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 5
9. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 MỞ ĐẦU I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGỒI NƢỚC 1.1. Ngồi nƣớc (phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài trên thế giới, liệt kê danh mục các cơng trình nghiên cứu, tài liệu cĩ liên quan đến đề tài được trích dẫn khi đánh giá tổng quan) 1.2. Trong nƣớc (phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở Việt Nam, liệt kê danh mục các cơng trình nghiên cứu, tài liệu cĩ liên quan đến đề tài được trích dẫn khi đánh giá tổng quan) Đa dạng các chủng loại hệ thống đánh lửa phục vụ cơng tác đào tạo. 1.3. Danh mục các cơng trình đã cơng bố thuộc lĩnh vực của đề tài của chủ nhiệm và những thành viên tham gia nghiên cứu (họ và tên tác giả; bài báo; ấn phẩm; các yếu tố về xuất bản) Đề tài NCKH cấp trƣờng trọng điểm: Mơ hình hệ thống điều khiển động cơ Mitsubishi, Chủ trì Nguyễn Kim Đề tài NCKH cấp Bộ: Xây dựng chƣơng trình đào tạo CKM, CKĐ theo MES, Chủ trì: Hồ Vĩnh An, tham gia: Nguyễn Kim Đề tài NCKH cấp Trƣờng: Chế tạo mơ hình thí nghiệm điện-điện tử ơtơ, Chủ trì: Nguyễn Kim II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: - Hiện nay Bộ mơn Động cơ thuộc Khoa CKĐ đang hƣớng dẫn thực tập động cơ xăng II và trong đĩ cĩ phần thực tập kiểm tra hệ thống đánh lửa .Để đa dạng về chủng loại đặc biệt hệ thống đánh lửa của Mercedes ( đánh lửa 2 bougie sử dụng transistor trƣờng Mosfet ) hiện chƣa cĩ trong thiết bị thực tập của Bộ mơn, nên việc nghiên cứu và áp dụng thực tiển là rất cần thiết trong lĩnh vực đào tạo của Bộ mơn. - Nhằm tạo điều kiện cho ngƣời học đƣợc dể dàng tiếp cận với thiết bị mới 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 điều khiển hệ thống đánh lửa động cơ Mercedes 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 điều khiển cho hệ thống đánh lửa động cơ Mercedes ” 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. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 6
10. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 III. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: - Rèn luyện cho sinh viên kỹ năng kiểm tra chẩn đốn hệ thống đánh lửa. - 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 ) sử dụng transistor trƣờng (Mosfet) IV. CÁCH TIẾP CẬN ĐỀ TÀI: - Tìm hiểu những tính năng và hoạt động của HTĐL Mercedes và Toyota - Xét nhu cầu thực tế của ngƣời học thơng qua các hoạt động học tập về kiểm tra chẩn đốn hệ thống đánh lửa - Tập hợp nghiên cứu tài liệu về lý thuyết đánh lửa transistor trƣờng V. 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 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. - Dựa vào lý thuyết, hoạt động, kết cấu HTĐL Mercedes - Dựa vào lý thuyết, hoạt động kết cấu THĐL Toyota VI. PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Đối tƣợng nghiên cứu: Hệ thống đánh lửa trực tiếp Mercedes và Toyota Phạm vi nghiên cứu : Dùng ECU cảm biến từ của hệ thống đánh lửa Toyota 1MZ-FE để điều khiển HTĐL Mercedes VII. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN Nội dung nghiên cứu (trình bày dưới dạng đề cương nghiên cứu chi tiết) - Nghiên cứu lý thuyết về trang bị điện trên ơtơ trong lĩnh vực đánh lửa - Nghiên cứu nguyên lý kết cấu các bộ phận trong hệ thống đánh lửa transistor trƣờng - Nghiên cứu hoạt động, kết cấu HTĐL Mercedes - Nghiên cứu hoạt động HTĐL Toyota - Nghiên cứu thiết kế, lắp ráp, mạch điều khiển đánh lửa Mercedes dựa trên ECU Toyota Thiết kế và lắp ráp mơ hình hệ thống đánh lửa Mercedes. Viết báo cáo. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 7
11. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 VIII. 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. Hình1 :Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện cảm loại thường  Khi cam đội, vít 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. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 8
12. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014  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 : U = K dl 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. 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 : Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 9
13. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 Kdl = 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 : W = = 50 ÷ 150 mJ dl 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 : S = = 300 ÷ 600 V/μs 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 : [Hz] Đối với động cơ 2 kỳ : [Hz] 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. Tm: thời gian vít hở hay transitor ngắt. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 10
14. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 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: 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. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 11
15. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 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: i R횺+ L = U 1 1 Giải phƣơng trình ta đƣợc: -(R횺/L1).t i1(t) = (1 – e ) 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 : -(R횺/L1) t Ing = (1 – e d) Trong đĩ : Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 12
16. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 t = = . đ : thời gian tích lũy năng lƣợng tƣơng đối (xe đời cũ = 2/3). Tại thời điểm đánh lửa năng lƣợng tích lũy trong cuộn sơ cấp dƣới dạng từ trƣờng : -(R횺/L )t 2 Wdt = = . . (1 – e 1 ) 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 : U2m = Kbb√ .훈 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. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 13
17. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 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: -(R횺/L1) t Ing = (1 – e d) Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 14
18. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 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: Trong đĩ : 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. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 15
19. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 Giá trị của tụ C đƣợc chọn trong giới hạn sau: √ √ Trong đĩ: 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. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 16
20. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 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 ) 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. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 17
21. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh NCKH-2014 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. Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển cho hệ thống đánh lửa Mercedes 18
22. S K L 0 0 2 1 5 4