Đồ án Trang bị điện và điện tử động lực

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 tìm tòi, đọc kĩ các tài liệu liên quan để hiểu rõ hơn hệ thống đánh lửa, biết được cách tính toán, thiết kế hệ thống đánh lửa, tích lũy được các kiến thức cần thiết để có thể hoàn thành đồ án này một cách nhanh chóng và chính xác. Bên cạnh đó, em còn nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy TS. Nguyễn Việt Hải để em hoàn thành đồ án “Trang bị điện và điện tử động lực” này. Trong quá trình làm đồ án, do kiến thức còn nhiều hạn chế nên em không thể tránh khỏi những sai sót. Vậy nên, em rất mong nhận được thêm sự góp ý của các thầy để em có thêm kinh nghiệm cho việc học sau này. Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày tháng năm Sinh viên thực hiện Lê Thành Đạt Phần 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA Công dụng, yêu cầu: Công dụng: Hệ thống đánh lửa (HTĐL) có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thế hiệu thấp (6, 12 hay 24 V) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp (trong HTĐL Manheto hay Volang Manhetic) thành các xung điện cao thế (12000 ÷ 24000V) đủ để tạo nên tia lửa điện (phóng điện qua khe hở buji) đốt cháy hỗn hợp làm việc trong các xylanh của động cơ vào những thời điểm thích hợp và tương ứng với trình tự xylanh và các chế độ làm việc của động cơ. Yêu cầu: Hệ thống đánh lửa phải thỏa mãn các yêu cầu sau: Phải đảm bảo thế hiệu đủ lớn để tạo ra tia lửa điện phóng điện qua khe hở giữa các điện cực bugi. Tia lửa phải có năng lượng đủ lớn để đốt cháy hỗn hợp trong mọi điều kiện làm việc của động cơ. Thời điểm đánh lửa phải tương ứng với góc đánh lửa sớm hợp lý nhất ở mọi chế độ làm việc của động cơ. Độ tin cậy làm việc của hệ thống đánh lửa phải tương ứng với độ tin cậy làm việc của động cơ. Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ. Phân loại: Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc, hệ thống đánh lửa được chia ra làm: Hệ thống đánh lửa thường hay hệ thống đánh lửa kiểu cơ khí: được sử dụng trên các xe ô tô trước đây, còn gọi là hệ thống đánh lửa cổ điển. Hệ thống đánh lửa Manheto: là hệ thống đánh lửa cao áp độc lập, không cần dùng acquy và máy phát, do đó, có độ tin cậy cao, được dùng trên xe cao tốc và một số máy công trình trên vùng núi. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm: là hệ thống đánh lửa bán dẫn kết hợp với cơ khí, hệ thống đánh lửa loại này vẫn còn dùng trên một số xe ô tô hiện nay. Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm: là hệ thống đánh lửa bán dẫn hoàn toàn, có nhiều ưu điểm nên được dùng trên đa số các xe ô tô hiện nay. Theo cả biến đánh lửa, hệ thống đánh lửa bán dẫn được chia thành: Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall. Theo năng lượng tích lũy trước khi đánh lửa, hệ thống đánh lửa bao gồm: Hệ thống đánh lửa điện cảm: năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong từ trường cuộn dây biến áp đánh lửa. Hệ thống đánh lửa điện dung: năng lượng đánh lửa được tích lũy bên trong điện trường của tụ điện. Theo phương pháp phân bố điện cao áp, hệ thống đánh lửa được chia ra: Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện. Hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện (đánh lửa trực tiếp). Ngày nay trên các ô tô hiện đại sử dụng hệ thống đánh lửa theo chương trình. Hệ thống đánh lửa thường: Cấu tạo: Những thiết bị chủ yếu của hệ thống đánh lửa này là: biến áp đánh lửa được cung cấp từ nguồn một chiều (ắc quy hoặc máy phát), bộ chia điện và các bugi đánh lửa. Hình 1.1 – Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa thường Chú thích: 1- Cam 2- Cần tiếp điểm 3- Biến áp đánh lửa 4- Bộ chia điện 5- Buji 6- Má vít C1- Tụ điện R- Điện trở W1, W2- Cuộn sơ cấp và thứ cấp BAĐL Biến áp đánh lửa có 2 cuộn dây: cuộn sơ cấp có khoảng 250 – 400 vòng, cuộn thứ cấp có khoảng 19000 – 26000 vòng. Cam của bộ chia điện được dẫn động quay từ trục phân phối, làm nhiệm vụ đòn mở tiếp điểm KK’, tức là nối ngắt mạch sơ cấp của biến áp đánh lửa. Khi KK’ đóng: trong mạch sơ cấp xuất hiện dòng điện sơ cấp . Dòng này tạo nên một từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. Khi KK’ mở: mạch sơ cấp bị ngắt dòng và từ trường do nó tạo ra mất đi. Do đó, trong cả hai cuộn dây xuất hiện suất điện động tự cảm, tỷ lệ với biến thiên của từ thông. Bởi vì cuộn có số vong dây lớn nên suất ddienj động tự cảm sinh ra trong nó cũng lớn, khoảng 12000 – 24000V. điện áp cao này truyền từ cuộn thứ cấp qua roto của bộ chia điện và các dây dẫn đến bugi đánh lửa theo thứ tự nổ của động cơ. Khi thế hiệu thứ cấp đạt giá trị sẽ xuất hiện tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp. Hệ thống đánh lửa bán dẫn: Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm điều khiển: Hình 1.2 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm Chú thích: 1- Buji đánh lửa 2- Biến áp đánh lửa 3- Tiếp điểm KK’ T- Transistor K- Tiếp điểm Rb, Rf – Các điện trở W1, W2 – Cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp đánh lửa Nguyên lý làm việc: Khi bật công tắc máy SW thì cực E của Transistor được cấp nguồn dương, cực C của Transistor nối với nguồn âm. Khi tiếp điểm KK’ đóng: cực B của Transistor được nối với nguồn âm -> -> xuất hiện dòng -> Transistor dẫn làm xuất hiện dòng sơ cấp đi theo mach như sau: (+) ắc quy -> -> W1 -> cực E -> cực B -> -> KK’ -> (-) ắc quy. cực C -> (-) ắc quy. Dòng sơ cấp: . Dòng điện này Transistorạo Transistorừ thông khép mạch qua lõi thép và 2 cuộn dây của biến áp đánh lửa. Khi tiếp điểm KK’ mở: dòng sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị biến mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một suất điện động cao thế và xuất hiện tia lửa tại bugi. Tại thời điểm KK’ mở, cuộn sơ cấp cũng xuất hiện suất điện động V -> làm hỏng Transistor -> phải dùng biến áp có lớn hoặc tụ bảo vệ. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ: Cảm biến điện từ: Hình 1.3 – Cảm biến điện từ Chú thích: 1- Nam châm vĩnh cửu 2- Giá bắt và lõi sắt từ 3- Roto tín hiệu 4- Cuộn dây tín hiệu 5- Nguồn điện cấp cho cuộn dây 6- Răng cảm biến 7- Trục quay cảm biến ω- Tốc độ góc trục cảm biến δ- Khe hở không khí Cấu tạo: Cảm biến điện từ đặt trong bộ chia điện, bao gồm: Roto tín hiệu: được dẫn động từ trục của bộ chia điện, trên roto có các răng, số răng của roto bằng sô xy lanh của động cơ. Cuộn dây tín hiệu được quấn trên lõi thép, được gắn trên thanh nam châm vĩnh cửu. cuộn dây và lõi thép được đặt đối diện với răng của roto và đặt cố định bên trong bộ chia điện. khe hở không khí giữa răng của roto và lõi thép là 0,2 – 0,5 mm. Nguyên lý làm việc của cảm biến Hall: Từ thông của nam châm vĩnh cửu móc vòng qua roto và cuộn dây tín hiệu. Khi roto quay, khe hở sẽ thay đổi, cảm ứng sang cuộn dây tín hiệu một sức điện động xoay chiều: Trong đó: K: hệ số phụ thuộc khe hở và vật liệu chế tạo lõi thép. w: số vòng dây tín hiệu. n: tốc độ quay của roto. : tốc độ biến thiên từ thông. + Khi răng của roto đến gần vị trí đối diện với lõi thép thì cực đại, do đó e cực đại. + Khi răng của roto ở xa và đối diện vị trí đối diện với lõi thép thì nhỏ nhất, do đó e 0. + Tín hiệu từ cuộn dây cảm biến được đưa vào mạch điện điều khiển đánh lửa. + Khi n cao thì e lớn và ngược lại. Do đó, tín hiệu ở đầu ra của cuộn dây cảm biến Transistor có độ nhạy cao. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ: Hình 1.4– Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ. Chú thích: T1, T2, T3 – Các transistor R1, R2, R3, R4, R5 – Các điện trở C –Tụ điện D – Diode W1 , W2 – Cuộn sơ cấp và thứ cấp IG/SW – Công tắc 1 – Ắc quy 2 – Cuộn dây cảm biến 3 – Bobin 4 – Đến buji Nguyên lý làm việc: Khi bật công tắc máy sẽ xuất hiện các dòng điện sau: Dòng : (+) ắc quy -> IG/SW -> -> -> (-) ắc quy -> tạo ra điện áp đệm trên cực B của . Tuy nhiên chưa đủ lớn để làm cho mở. Dòng : (+) ắc quy -> IG/SW -> -> -> (-) ắc quy -> tạo ra điện áp đệm trên cực B của -> dẫn -> xuất hiện dòng điện sơ cấp đi từ: (+) ắc quy -> IG/SW -> Bobin -> -> (-) ắc quy. Dòng điện này tạo từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. Khi trên cuộn dây cảm biến không có tín hiệu điện áp hoặc điện áp âm thì ngắt -> ngắt -> dẫn. Khi trên cuộn dây cảm biến có tín hiệu điện áp dương, kết hợp với điện áp đệm làm cho dẫn -> dẫn -> ngắt. Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa. Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến quang: Cảm biến quang: Hình 1.5 – Cấu tạo cảm biến quang Chú thích: 1- Led phát quang 2- Đĩa cảm biến 3- Transistor cảm quang 4- Led cảm quang Cấu tạo: Cảm biến quang đặt trong bộ chia điện, gồm: Bộ phát quang (LED – Diot quang): biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, ngĩa là khi có dòng điện đi qua chúng sẽ phát ra ánh sáng. Bộ cảm quang gồm hai loại: LED – Diot quang và Transistor quang. Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nghĩa là khi có ánh sáng chiếu vào chúng sẽ dẫn điện. độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào cường độ của dòng ánh sáng. Đĩa cảm biến: được dẫn động từ trục của bộ chia điện. trên đĩa có các rãnh, số rãnh trên đĩa bằng số xy lanh động cơ. Nguyên lý làm việc của cảm biến quang: Khi đĩa cảm biến quay, dòng ánh sáng phát ra từ bộ phát quang bị ngắt quãng liên tục làm cho phần tử cảm quang dẫn ngắt liên tục tao ra các xung vuông làm tín hiệu điều khiển dánh lửa. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang: Hình 1.6 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang Chú thích: T1, T2, T3, T4, T5 – Các transistor D1, D2, D3 – Các diode R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, Rf – Các điện trở IG/SW – Công tắc 1 - Ắc quy 2 – Bô bin 3 – Đến buji Nguyên lý làm việc: Khi bật công tắc máy sẽ suất hiện các dòng: Dòng : (+) ắc quy -> IG/SW -> -> -> -> (-) ắc quy : phát sáng. Dòng : (+) ắc quy -> IG/SW -> -> -> (-) ắc quy : tạo ra điện áp đệm trên cực B của -> dẫn : xuất hiện dòng sơ cấp đi từ: (+) ắc quy -> IG/SW -> -> Bobin -> -> (-) ắc quy. Dòng điện này tạo nên từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. Khi roto quay, tại vị trí đĩa cảm quang ngăn dòng ánh sáng từ LED sang Transistor , ngắt -> ngắt -> ngắt -> ngắt -> vẫn tiếp tục dẫn. Tại vị trí đĩa cảm quang cho dòng ánh sáng từ LED sang Transistor , dẫn -> dẫn -> dẫn -> dẫn -> ngắt. Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông do nó sinh ra bị mất đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa điện ở bugi. Hệ thống đánh lửa bán dẫn sử dụng cảm biến Hall: Cảm biến Hall: Cấu tạo: Cảm biến được đặt bên trong bộ chia điện, bao gồm: Nam châm vĩnh cửu và phần tử Hall đặt gần nhau và cố định bên trong bộ chia điện, giữa chúng có các cánh chắn. Roto tín hiệu: được dẫn động từ trục của bộ chia điện, trên roto có các cánh chắn bằng thép và các khoảng hở xen kẽ nhau. Số cánh chắn bằng số xy lanh của động cơ. Nguyên lý làm việc: Khi roto quay, các cánh chắn lần lượt vào giữa nam châm và phần tử Hall. Khi cánh chắn ra khỏi vị trí giữa nam châm và phần tử Hall thì từ trường sẽ xuyên qua khe hở làm xuất hiện điện áp trên phần tử Hall -> Transistor dẫn -> điện áp đầu ra của cảm biến . Khi cánh chắn xen giữa vị trí của nam châm và phần tử Hall thì từ trường sẽ vòng qua tấm chắn, làm mất điện áp trên phần tử Hall -> Transistor ngắt, V. Tín hiệu đưa về mạch điều khiển đánh lửa. Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall: Hình 1.7 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall Chú thích: IG/SW – Công tắc C1, C2 – Các tụ điện T1, T2, T3 – Các transistor R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, Rf – Các điện trở D1, D2, D3, D4, D5 – Các diode 1 - Ắc quy 2 – Bobin 3 – Đến buji Nguyên lý làm việc: Khi bật công tắt máy, sẽ xuất hiện dòng điện : (+) ắc quy -> IG/SW -> -> -> cung cấp điện cho cảm biến Hall. Khi roto quay, tại vị trí cánh chắn xen giữa nam châm và phần tử Hall thì điện áp đầu ra của cảm biến V -> dẫn -> dẫn -> dẫn. Lúc này dòng điện sơ cấp đi theo mạch sau: (+) ắc quy -> IG/SW -> -> Bobin -> -> (-) ắc quy. Dòng điện này tạo nên từ thông khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa. Khi cánh chắn rời khỏi vị trí giữa nam châm và phần tử Hall thì điện áp đầu ra của cảm biến V -> ngắt -> ngắt -> ngắt. Dòng điện qua cuộn sơ cấp và từ thông dó nó sinh ra bị mất đi đột ngột, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động cao thế và xuất hiện tia lửa ở điện cực bugi. Hệ thống đánh lửa theo chương trình: Gồm 2 loại: Hệ thống đánh lửa gián tiếp. Hệ thống đánh lửa trực tiếp. Hệ thống đánh lửa gián tiếp: Hình 1.8 – S ơ đồ hệ thống đánh lửa gián tiếp Chú thích: T1, T2 – Các transistor W1, W2 – Cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp G – Cảm biến vị trí trục khuỷu NE – Cảm biến tốc độ động cơ 1 - Ắc quy 2 – Công tắc 3 – Tín hiệu phản hồi 4 – Kiểm soát góc ngậm điện 5 – Các cảm biến khác 6 – Đến buji Nguyên lý làm việc: Góc đánh lửa được chỉnh theo một chương trình của ECU. Sau khi nhận được tín hiệu từ các cảm biến, ECU sẽ tính toán và phát ra tín hiệu tối ưu đến IC để điều khiển việc đánh lửa. Việc phân phối điện cao thế đến các bugi theo thứ tự làm việc thông qua bộ chia điện. Ưu điểm: Thời điểm đánh lửa chính xác, loại bó được các chi tiết dễ hư hỏng như: bộ ly tâm, bộ chân không, Nhược điểm: Vẫn còn tổn thất năng lượng trên bộ chia điện và dây cao áp. Gây nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp. Khi động cơ có tốc độ cao và số xy lanh lớn, dễ xảy ra hiện tượng đánh lửa đồng thời ở hai dây cao áp gần nhau. Phải thường xuyên theo dõi, bảo dưỡng bộ chia điện. Hệ thống đánh lửa trực tiếp: Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đôi: Hình 1.9 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đôi Chú thích: G1, G2 – Cảm biến vị trí trục khuỷu Ne – Cảm biến tốc độ động cơ T1, T2 – Các transistor 1 - Ắc quy 2 – Công tắc 3 – Buji 4 – Cuộn đánh lửa 5 – Các cảm biến khác Nguyên lý làm việc: Bobin đôi được gắn vào bugi của hai xy lanh song hành. Giả sử đối với động cơ 4 xy lanh. Đến thời điểm đánh lửa của máy số 1, piston của máy 1 và 4 đều ở điểm chết trên, nhưng do máy số 4 đang ở ký thải nên vùng môi chất chứa nhiều ion -> không thể đánh lửa, chỉ máy số 1 đánh lửa. Tương tự đối với máy số 2 và máy số 3. Ưu điểm: Do không có bộ chia điện nên giảm được mất mát năng lượng. Bỏ được các chi tiết dễ hư hỏn như bộ chia điện, chổi than, nắp bộ chia điện. Không có sự đánh lửa đồng thời giữa hai dây cao áp gần nhau. Nhược điểm: Nhược điểm của hệ thống đánh lửa này là vẫn còn dây cao áp gây tổn thất. Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đơn: Hình 1.10 – Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đơn Chú thích: G – Cảm biến vị trí trục khuỷu Ne – Cảm biến tốc độ động cơ T1, T2, T3 – Các transistor 1- Tín hiệu cảm biến khác 2 – Biến áp đánh lửa 3- Đến buji Nguyên lý làm việc: Với hệ thống đánh lửa sử dụng bobin đơn, mỗi bobin dùng cho một buji: IC đánh lửa, bobin và buji được tích hợp vào một kết cấu gọn nhẹ, không còn dây cao áp. ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý và tính toán ra góc đánh lửa tối ưu cho từng xylanh và phát ra tín hiệu đánh lửa đến IC ứng với từng xylanh để điều khiển việc đánh lửa. Ưu điểm: Ngoài các ưu điểm như loại dùng bobbin đôi, loại này còn có các ưu điểm sau: Kết cấu gọn nhẹ vì tích hợp luôn IC đánh lửa và bobin cho từng xylanh. Tổn thất năng lượng ít nhất vì không còn dây cao áp. Không còn gây nhiều sóng vô tuyến và không làm giảm tần số hoạt động của bobin. Nhược điểm: Hệ thống này phức tạp và đắt tiền. Yêu cầu tay nghề cao đối với nhân viên sửa chữa, bảo dưỡng. Các thông số cơ bản của hệ thống đánh lửa: Hiệu điện thế thứ cấp cực đại : Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi buji. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m phải đủ lớn để có khả năng tạo được tia lửa điện giữa hai điện cực của buji, đặc biệt là lúc khởi động. Hiệu điện thế đánh lửa : Hiệu điện thế thứ cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra, được gọi là hiệu điện thế đánh lửa Uđl. Hiệu điện thế đánh lửa là hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuân theo định luật Pason (2.1) Trong đó: Uđl – Thế hiệu đánh lửa [V] P – áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa [N/m2] δ – khe hở buji [m] T – nhiệt độ ở điện cực trung tâm của buji tại thời điểm đánh lửa [0C] K – hằng số phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp hòa khí. Ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa Uđl tăng khoảng 20 đến 30% do nhiệt độ điện cực buji thấp. Khi động cơ tăng tốc, thoạt tiên Uđl tăng, do áp suất nén tăng, nhưng sau đó Uđl giảm từ từ do nhiệt độ điện cực buji tăng và áp suất nén giảm do quá trình nạp xấu đi. Hiệu điện thế đánh lửa có giá trị cực đại ở chế độ khởi động và tăng tốc, có giá trị cực tiểu ở chế độ ổn định khi công suất cực đại. Trong quá trình vận hành xe mới, sau 2000km đầu tiên, Uđl tăng 20% do điện cực buji bị mài mòn. Sau đó Uđl tiếp tục tăng, do khe hở buji tăng. Vì vậy để giảm Uđl phải hiệu chỉnh lại khe hở buji sau mỗi 10000km. Hình 1.11 - Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải động cơ [2] – Toàn tải; 2 – Nửa tải; 3 – Tải nhỏ; 4 – khởi động và cầm chừng Hệ số dự trữ : Hệ số dự trữ là tỷ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl (2.2) Trong đó: U2m – Hiệu điện thế thứ cấp cực đại [V] Uđl – Hiệu điện thế đánh lửa [V] Đối với hệ thống đánh lửa thường, do U2m thấp nên Kđl thường nhỏ hơn 1,5. Trên những động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số dự trữ có giá trị khá cao (Kđl = 1,5 ÷ 2), đáp ứng được việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay và tăng khe hở buji. Năng lượng dự trữ : Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bobin. Để đảm bảo tia lửa điện đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toàn hòa khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của bobin một giá trị xác định. (2.3) Trong đó: Wdt : năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp [mJ] Wdt = 50 – 150 [mJ] L1 : độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobin [mH] Ing:cường độ dòng điện sơ cấp thời điểm transistor công suất ngắt [A]. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thê thứ cấp S: Theo [3]: (V/μs) (2.4) Trong đó: S – tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. ΔU2 – độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. Δt – thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp càng lớn thì tia lửa điện sinh ra càng mạnh, nhờ đó dòng không bị rò qua muội than trên điện cực bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm. Tần số và chu kỳ đánh lửa: Đối với động cơ 4 kỳ, số tia lửa xảy ra trong một giây hay còn gọi là tần số đánh lửa được xác định bởi công thức: [Hz] (2.5) Đối với động cơ hai thì: [Hz] (2.6) Trong đó: f – tần số đánh lửa. [Hz] n - số vòng quay trục khuỷu động cơ. z – số xi lanh động cơ. Chu kỳ đánh lửa T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa: (2.7) tđ – thời gian vít ngậm hay transistor công suất dẫn bão hòa. tm – thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt. Tần số đánh lửa f tỉ lệ thuận với số vòng quay trục khuỷu động cơ và số xy lanh khi tăng số vòng quay của động cơ và số xy lanh, tần số đánh lửa f tăng, do đó chu kỳ đánh lửa T giảm xuống. Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến hai thông số chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo ở số vòng quay cao nhất của động cơ, tia lửa vẫn mạnh. 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 thành phần điện cảm. Năng lượng tia lửa được tính bằng công thức: (2.9) (2.10) ; (2.11) Trong đó: Wp – năng lượng của tia lửa. Wc – năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung. WL – năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm. C2 – điện dung ký sinh của mạch thứ cấp của bugi. Uđl – hiệu điện thế đánh lửa. L2 – độ tự cảm của mạch thứ cấp. i2 – cường độ dòng điện mạch thứ cấp. Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa mà năng lượng tia lửa có đủ cả hai thành phần điện cảm và điện dung hoặc chỉ có một thành phần. Thời gian phóng điện giữa hai điện cực của buji tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa. Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo năng lượng tia lửa đủ lớn và thời gian phóng điện đủ dài để đốt cháy được hòa khí ở mọi chế độ hoạt động của động cơ. Ắc quy: Công dụng của ắc quy: Trong hệ thống điện của ô tô máy kéo, ắc quy là nguồn năng lượng phụ, dùng để: Cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ. Cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khi động cơ không làm việc, hoặc làm việc ở số vòng quay nhỏ. Nếu phụ tải mạch ngoài lớn hơn công suất của máy phát, thì ắc quy sẽ cùng với máy phát cung cấp cho phụ tải. Phân loại: Ắc quy ô tô máy kéo là ắc quy khởi động. Theo tính chất dung dịch điện phân, ắc quy được chia ra thành: + Ắc quy axit: dung dịch điện phân là axit . + Ắc quy kiềm: dung dịch điện phân là KOH hoặc NaOH. So sánh hai loại thì ắc quy axit có suất điện động mỗi ngăn cao hơn (khoảng 2V), điện trở trong nhỏ hơn, nên khi phóng với dòng lớn, độ sụt thế ít, chất lượng khởi động tốt hơn. Ắc quy kiềm có suất điện động mỗi ngăn khoảng 1,38V, giá thành cao hơn (2 – 3 lần) do phải sử dụng các loại vật liệu quý hiếm như bạc, niken, cađimi, điện trở trong lớn hơn. Tuy vậy, ắc quy kiềm có độ bền cơ học và tuổi thọ cao hơn (4 – 5 lần), làm việc tin cậy hơn. Các ắc quy axit, theo vật liệu vỏ bình chia ra: vỏ bằng ebonit, cao su cứng hay các loại vật liệu tổng hợp. Các ắc quy kiềm, theo vật liệu chế tạo bản cực. chia ra các loại: + Sắt – Niken. + Cadium – Niken. + Bạc – Kẽm. Ngoài ra, ắc quy còn có thể phân loại theo thế hiệu, theo dung lượng, theo vật liệu tấm cách, Yêu cầu: Các ắc quy trên ô tô máy kéo có nhiệm vụ quan trọng là cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ, với dòng tiêu thụ rất lớn từ 400 – 600 A, thậm chi có trường hợp 2000A, vì thế các ắc quy trên ô tô máy kéo trước hết phải đảm bảo các yêu cầu: Phải có khả năng trong thời gian ngắn từ 5 – 10s, cung cấp một dòng phóng lớn ( tương ứng với dòng khởi động) mà sau đó trạng thái kỹ thuật của chúng hầu như không thay đổi. Có điện trở trong nhỏ, để khi phóng với dòng lớn độ sụt thế sẽ bé, đảm bảo có thể khởi động dễ dàng động cơ trong mọi điều kiện sử dụng. Các ắc quy có những đặc điểm trên gọi là ắc quy khởi động. Ngoài ra, ắc quy còn phải: Có điện dung lớn với khối lượng và kích thước tương đối nhỏ. Có điện thế ổn định, hiện tượng tự phóng điện không đáng kể. Làm việc tin cậy khi nhiệt độ mối trường dao động trong giới hạn rộng. Phục hồi nhanh chóng điện dung khi được nạp trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa. Có độ bền cơ học cao, chịu được rung sóc, thời hạn phục vụ lớn và giá thành rẻ. Phân tích chọn ắc quy cho ô tô: Sau khi phân tích các yêu cầu của ắc quy cho ô tô, ta thấy ắc quy axit có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu đó, với các ưu điểm: Suất điện động mỗi ngăn cao (khoảng 2V), điện trở trong nhỏ, nên khi phóng điện độ sụt thế thấp, chất lượng khởi động tốt hơn. Giá thành rẻ. Tham khảo các xe có cùng thông số kỹ thuật, chọn ắc quy khô GS MF75D23L 12V-65Ah. PHẦN 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA Tính và vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp: Tính dòng điện qua cuộn sơ cấp: Hình 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; R: điện trở phụ; r, r2 : điện trở của cuộn sơ cấp và thứ cấp; L, L: độ tự cảm của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của Bobin. Ta có sơ đồ tương đương mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa: Khi Transistor công suất T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện i từ (+) ắc quy đến R đến L đến T đến mass. Dòng điện ităng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp L chống lại sự tăng của cường độ dòng điện.Ở giai đoan này, mạch thứ cấp của hệ thống đánh lửa hầu như không ảnh hưởng đến quá trình tăng dòng ở mạch sơ cấp. Hiệu điện thế và cường độ dòng điện xuất hiện ở mạch thứ cấp không đáng kể nên ta có thể coi như mạch thứ cấp hở. Bỏ qua điện trở trong của ắc quy, ta có: Ta lập được phương trình vi phân: Giải phương trình vi phân ta được: Gọi là hằng số điện từ của mạch. Gọi là thời gian Transistor dẫn bão hòa thì cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm đánh lửa khi Transistor công suất ngắt: (2.1) Trong đó: T – chu kỳ đánh lửa, [s] n – số vòng quay trục khuỷu động cơ, [v/ph] z – số xy lanh động cơ - thời gian tích lũy năng lượng tương đối. Trên các xe đời mới, < 2/3, chọn = 0.62. Ta tìm được thời gian Transistor công suất dẫn: (s) - điện cảm của cuộn sơ cấp, theo [1], thường có giá trị . Khi càng nhỏ thì xe chạy tốc độ cao lửa sẽ đủ mạnh và ngược lại. ta chọn = 1,5 mH. - Transistorổng trở mạch sơ cấp, khi bỏ qua điện trở trong của ắc quy, và điện trở phụ thì . Ta chọn . Vì nếu chọn càng nhỏ thì tiết diện cuộn sơ cấp càng lớn dẫn đến tăng giá thành. (s) Thay tất cả vào (2.1), ta tính được: (A) Vậy (A). Vẽ đặc tính dòng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa: Ta có: (2.2) Thay các giá trị đã cho: , , s vào biểu thức ta được phương trình dòng điện theo thời gian: (2.3) Để xây dựng được đặc tính quan hệ dòng điện sơ cấp với thời gian t, thì ta cho t chạy từ giá trị không đến , mà tại thì giá trị . Chọn tỷ lệ xích: (s/mm) ; (A/mm) Ta lập được bảng: Bảng 2.0.1 – Bảng đặc tính quan hệ dòng sơ cấp với thời gian Giá trị thực Giá trị biểu diễn t (s) i (A) t (mm) i (mm) 0 0 0 0 0,001 5,839 10 26,19 0,002 8,837 20 44,18 0,003 10,376 30 51,88 0,0033 10,670 33 53,35 0,004 11,166 40 55,83 0,005 11,572 50 57,86 0,006 11,780 60 58,90 0,007 11,887 70 59,44 0,008 11,942 80 59,71 0,009 11,970 90 59,85 0,010 11,984 100 59,92 0,011 11,992 110 59,96 0,012 11,996 120 59,98 Từ bảng số liệu, ta vẽ được đường đặc tính của dòng điện qua cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa: Hình 2.2 – Đặc tính dòng sơ cấp Nhận xét đồ thị: Khi tiếp điểm KK’ đóng, dòng điện tăng từ đến giá trị tới hạn xác định bởi điện trở của mạch sơ cấp. Dòng sơ cấp không tăng tức thời, mà tăng theo quy luật đường tiệm cận, bởi chịu sự ảnh hưởng của độ tự cảm của cuộn sơ cấp. Tốc độ tăng dòng sơ cấp rất nhanh ở giai đoạn đầu, sau đó chậm dần tiệm cận giá trị . Giá trị đạt cực đại phụ thuộc chính vào điện trở mạch sơ cấp và thời gian Transistor công suất dẫn . Kết luận: Giá trị dòng sơ cấp phụ thuộc vào và t. Giá trị dòng phụ thuộc vào và . giảm khi tăng số xy lanh và số vòng quay của động cơ. Tính toán các thông số cơ bản của dòng thứ cấp hệ thống đánh lửa: Tính hiệu điện thế thứ cấp biến áp đánh lửa: Phương trình cân bằng năng lượng lúc tiếp điểm bắt đầu mở: Mà: Sau biến đổi ta nhận được: (2.4) Trong đó: - hệ số tính đến sự giảm do tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt ở cả mạch sơ cấp và thứ cấp. Theo [2], . Chọn . - điện dung của mạch sơ cấp. Khi giảm thì tăng. Sự giảm hợp lí chỉ đến giới hạn nào đó nằm trong khoản [2], nếu giảm nhỏ hơn giá trị này thì lại giảm. điều này được giải thích là do qua nhỏ nên không dập tắt được tia lửa ở tiếp điểm, làm tăng mất mát năng lượng và giảm . Chọn . - điện dung của mạch thứ cấp, . - độ tự cảm của cuộn dây sơ cấp, . : hệ số biến áp. Theo [2], giá trị tối ưu của hiện nay là 55 – 95, khác giá trị này đều làm giảm . Chọn = 55. Chọn số vòng dây của cuộn sơ cấp vòng, [1]. Chọn vòng. Số vòng dây của cuộn thứ cấp: (vòng) Thay số vào (2.4) ta được: = 25358,57 (V). Tính thế hiệu đánh lửa : Ta có công thức tính hệ số dự trữ: (2.5) Từ (2.5) ta suy ra: Đối với hệ thống đánh lửa thường, do thấp nên thường nhỏ hơn 1,5. Trên những động cơ hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số dự trữ có giá trị khá cao (), đáp ứng được việc tăng tỷ số nén, số vòng quay và khe hở bugi. Chọn . (V) Tính năng lượng tia lửa: Năng lượng tia lửa điện gồm 2 thành phần: phần điện dung và phần điện cảm. Tính năng lượng tia lửa điện dung: Vì tia lửa xuất hiện trước khi đạt giá trị cực đại, nên phần tia lửa điện dung chỉ tiêu tốn một phần năng lượng của từ trường tích lũy trong biến áp đánh lửa: Trong đó: Điện dung tổng (F). Thế số ta được: = 0,016 (J). Tính năng lượng tia lửa điện cảm: Phần năng lượng còn lại tiếp tục phóng qua khe hở bugi dưới dạng tia lửa điện cảm, hay còn gọi là đuôi lửa. Do đã giảm nhiều nên dòng phóng lúc này cũng rất nhỏ, chỉ khoảng mA. Tia lửa điện cảm có màu tím nhạt vàng kéo dài khoảng vài mili giây đến vài giây, phụ thuộc vào giá trị điện cảm tích lũy trong mạch sơ cấp: (J) Vậy năng lượng tổng của tia lửa: = 0,016 + 0,085 = 0,101 (J). Bugi đánh lửa: Bugi đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động của động cơ xăng. Đó là nơi xuất hiện tia lửa ban đầu để đốt cháy hòa khí. Do điện cực bugi đặt trong buồng đốt, nên điều kiện làm việc của nó rất khắc nghiệt: nhiệt độ ở kỳ cháy có thể lên tới 2500 và áp suất đạt 50 . Vật liệu chế tạo: Vật liệu các điện cực phải đảm bảo chịu được tác động hóa học của khí cháy và không được han gỉ trong điều kiện nhiệt độ cao, nên: Các điện cực trung tâm: thường được làm bằng Crom, hợp kim Crom-Titan 13X25T hay đồng mạ Crom. Các điện cực bên làm bằng hợp kim Niken-Mangan (% Ni và % Mn). Sứ cách điện: được chế tạo từ gốm có thành phần oxit cao để đảm bảo được độ bền điện và cơ ở nhiệt độ cao, như: Uralit (95% ), tinh thể Korunt (98% ), Đặc tính nhiệt của bugi: Để bugi làm việc bình thường thì nhiệt độ phần sứ dưới của bugi nằm trong khoảng , đó là nhiệt độ tự tấy muội. Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 450: nhiên liệu và dầu bôi trơn làn trong nó không cháy hết mà đọng lại ở các điện cực như muội than, làm giảm chất lượng đánh lửa. Nếu nhiệt độ lớn hơn : nhiên liệu có thể tự bốc cháy khi tiếp xúc với bugi trước khi có tia lửa điện. Để giữ nhiệt độ tối ưu ở điện cực trung tâm bugi, người ta thiết kế chiều dài phần sứ cách điện ở điện cực này khác nhau dựa vào điều kiện làm việc của động cơ, chia làm hai loại: bugi nón