Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa

Tính toán thiết kế hệ thớng đánh lửa
LỜI NĨI ĐẦU

Trong động cơ xăng nhiên liệu được đốt cháy cưỡng bức nên hệ thống đánh lửa
là bộ phận không thể thiếu để duy trì hoạt động cũng như tính ổn định trong quá trình
làm việc.
Sau khi học xong mơn Trang Bị Điện và Điện Tử Động Lực. Chúng em được
giao đồ án môn học ‘‘Trang bị điện tử động lực’’nhằm củng cố kiến thức đã học và
hiểu hơn các Hệ thống đánh lửa thường dùng trong các động cơ hiện nay. Trong quá
trình làm đồ án, em đã được sự hướng dẫn tận tình của thầy Ngũn Việt Hải để em
hồn thành đồ án Trang Bị Điện và Điện Tử Động Lực này.
Cuộc sống càng ngày càng hiện đại hơn, đầy đủ hơn nên yêu cầu về HTĐL ngày
càng nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao…đảm bảo đánh lửa đúng với mọi
trường hợp hoạt động của động cơ. Chính vì vậy sự phát triển của HTĐL cũng rất
nhanh để phù hợp với mọi yêu cầu của cuộc sống. Nên càng ngày càng có nhiều
HTĐL khác nhau, nhưng chúng vẫn dựa trên cơ sở chung để tạo ra được tia lửa điện.
Trong quá trình làm đồ án do thời gian hạn hẹp và kiến thức cịn nhiều hạn chế
nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận được những lời đóng góp của q thầy
cơ và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng,17 ngày /10/2016
Sinh Viên

Hoàng Ngọc Đức

1


Tính toán thiết kế hệ thớng đánh lửa
PHẦN I: TỞNG QUAN VỀ HỆ THỚNG ĐÁNH LỬA TRÊN ƠTƠ

Cơng dụng:

1.1.

Hệ thớng đánh lửa có nhiệm vụ biến dịng điện một chiều thế hiệu thấp (6, 12
hay 24V) hoặc các xung điện xoay chiều thế hiệu thấp (trong HTĐL bằng Manhêtô và
vô lăng Manhêtic) thành các xung điện cao thế (12 – 24V) đủ đê tạo nên tia lửa đốt
cháy hỗn hợp làm việc trong các xi lanh của động cơ vào những thời điểm thích hợp
và tương ứng với trình tự xi lanh và chế độ làm việc của động cơ.
Trong một sớ trường hợp, hệ thớng đánh lửa cịn dùng để hổ trợ khởi động, tạo
điều kiện khởi động động cơ được dễ dàng ở nhiệt độ thấp.
Yêu cầu:

1.2.

Phải đảm bảo thế hiệu (từ 12000 – 24000V) đủ để tạo được tia lửa điện phóng
qua khe hở giữa các điện cực của bugi.
Tia lửa điện phải có năng lượng đủ lơn để đốt cháy được hỗn hợp làm việc 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.
Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẽ…
1.3.

Phân loại:
• Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc:
Loại đánh lửa dùng acquy: Đây là loại hệ thống đánh lửa thông dụng, được dùng

trên hầu hết các ô tô thời gian trươc đây, còn gọi là Hệ thống đánh lửa thường, hay Hệ
thống đánh lửa cổ điển.

Loại bán dẫn hay điện tử vứi sự có mặt của các linh kiện bán dẫn trong thành
phần. Đây là loại hệ thớng đánh lửa mới, có nhiều ưu điểm hơn hẳn loại hệ thớng đánh
lửa thường và có xu thế thay thế dần các hệ thống đánh lửa thường.
Loại đánh lửa bằng Manhêtô hoặc vô lăng Manhêtic: Là loại Hệ thống đánh lửa
cao áp hay độc lập, không cần đến acquy máy phát và có độ tin cậy cao.
Hệ thớng đánh lửa theo chương trình (ECU).
•

Theo dạng năng lượng được tích lũy trước khi đánh lửa,

2


Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa
Loại điện cảm: Bao gồm hệ thống đánh lửa thường, đánh lửa bán dẫn dùng
transistor, Manhêtô. Ở loại này năng lượng đánh lửa được tích lũy trong từ trường của
biến áp đặc biệt gọi là biến áp đánh lửa.
Loại điện dung: Là loại hệ thống đánh lửa mới về nguyên lý làm việc có rất
nhiều ưu điểm, nên hiện nay được sử dụng nhiều trên các ôtô hiện đại. Ở loại này,
năng lượng đánh lửa mà trong một tụ điện đặc biêt gọi là tụ tích.
1.4.

Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

1.4.1 Hệ thớng đánh lửa thường.

Hình 1.4.1: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của HTĐL thường.
1 – Cam; 2 – tiếp điểm; 3 – biến áp; 4 – Bộ chia điện; 5 – Bugi.
Biến áp đánh lửa có hai cuộn dây: cuộn sơ cấp W 1 có khoảng 250 – 400 vịng,
cuộn thứ cấp W2 có khoảng 19000 – 26000 vòng. Cam 1 của bộ chia điện được dẫn

động quay từ trục phân phới, làm nhiệm vụ đóng mở tiếp điểm KK’, tức là nối tắt
mạch sơ cấp của biến áp đánh lửa.
Nguyên lý làm việc:
+ Khi KK’ đóng : Trong mạch sơ cấp xuất hiện dòng sơ cấp i 1. Dòng này tạo nên
một từ trường khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đanh lửa.
+ Khi KK’ mở: Mạch sơ cấp bị ngắt, dịng i 1 và từ trường do nó tạo nên mất đi.
Do đó, trong cả hai cuộn dây sẽ xuất hiện các suất điện động tự cảm, tỷ lệ thuận với
tớc độ biến thiên của từ thơng. Bởi vì cuộn W 2 có sớ vịng dây lớn nên suất điện động
cảm ứng sinh ra trong nó cũng lớn, đạt khoảng 12000 đến 24000V. Điện áp cao này
truyền từ cuộn thứ cấp qua rôto của bộ chia điện 4 và các dây dẫn cao áp đến các bugi
đánh lửa 5 theo thứ tự nỗ của động cơ. Khi thế hiệu đạt giá trị U dl thì sẽ xuất hiện tia
lửa điện phóng qua khe hở bugi đớt cháy hộn hợp làm việc trong xi lanh.

3


Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa
Vào thời điểm tiếp điểm mở, trong cuộn sơ cấp cũng xuất hiện suất điện động tự
cảm khoảng 200 đên 300V. Nếu như khơng có tụ điệ C 1 mắc song song phóng qua tiếp
điểm, làm cháy rỗ các má vít, đồng thời làm cho dịng sơ cấp và từ trường của nó mất
đi chậm hơn và vì thế, thế hiệu thứ cấp sẽ khơng lớn.
Khi có tụ C1 dịng sơ cấp và suất điện động tự cảm sẽ được dập tắt nhanh chóng,
khơng gây ra tia lửa ở tiếp điểm và U2 tăng lên.
1.4.2. Hệ thớng đánh lửa Manhêtơ.

Hình 1.4.2: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa Manhêtô
1 – lõi thép; 2 – cuộn sơ cấp; 3 – cuộn thứ cấp; 4 – Má cực; 5 – kim đánh lửa phụ; 6 –
điện cực bộ chia điện; 7 – Rô to; 8,9 – Bánh răng; 10 – bugi; 11 – rô to nam châm; 12
– cam; 13 – tiếp điểm tĩnh; 14 – tiếp điểm động; 15 – công tắc điện; 16-cam.
Về cấu tạo, manhêtô chia ra hai phần chính: hệ thống mạch từ và mạch điện.

+ Hệ thống mạch từ: Cử Manhêtô thực chất là mạch từ của 1 máy phát của một biến
thế kết hợp lại:
Để phát ra điện, tạo được dòng sơ cấp, hệ thớng từa của Manhêtơ có nam châm
vĩnh cửu, khung từ (lõi thép) trên có quấn cuộn dây sơ cấp W1.
Để nhận được điện áp cao, trên lõi thép của Manhêtơ cịn được quấn cuộn dây
thứ cấp W2 để kết hợp với W1 thành một biến thê cao áp.
+ Mạch từ: Có nhiệm vụ biến suất điện động cảm ứng xoay chiều thế hiêu thấp,
xuất hiện trong các cuộn dây sơ cấp W 1 thành các xung điện cao thế và phân phới nó
đến các bugi theo trình tự cần thiết.

4


Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa
Bao gồm: Các cuộn dây sơ cấp W 1 và thứ cấp W2 của biến áp đánh lửa (2 và 3),
bộ phận tạo xung (tiếp điểm 13, 14), tụ điện C, Bộ chia điện (6, 7 , 8, 9), công tăc đánh
lửa (15 để nối tắt tiếp điểm), kim đánh lửa phụ ( 5 để bả vệ cho cách điện của cuộn thừ
cấp khỏi bị đánh thủng khi U2 tăng quá giới hạn cho phép (3000V) trong trường hợp
đầu dây cao áp mất tiếp xúc với bugi hay với cực của bộ chia điện) và các bugi 10.
Cuộn sơ cấp thường có từ 150 – 240 vòng dây với đường kính khoảng 0,8 –
1mm. Cuộn thứ cấp W2 thường có từ (11 – 13).103 vòng dây với đường kinh khoảng
0,1mm.
Nguyên lý làm việc:
Nguyên lý tạo nên điện thế cao tương tự hệ thống đánh lửa thường dùng ác quy
chỉ khác là dòng điện trong cuộn sơ cấp sinh ra là do suất điện động cảm ứng xuất hiện
trong cuộn dây khi nam châm quay tương tự như ở máy phát xoay chiều kích thích
bằng nam châm vĩnh cửu.
1.4.3. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm.
Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.4.3: Sơ đồ ngun lý hệ thớng đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm
1 – Bộ ác quy; 2 – Tiếp điểm (căp má vít); 3 – Biên áp đánh lửa; 4 – Điện trở phụ 5 –
Khóa điện; 6 – Transistor.

5


Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa
Nguyên lý làm việc:
Khi KK’ đóng: Cực gớc B của transistor được nới cơi cực âm của nguồn nên
UEB>0 làm xuất hiện các suất điện động tự cảm xuất hiện dòng I B và transistor mở cho
dòng I1 đi qua.
Khi KK’ mở: Dòng IB bị ngắt nên transistor đóng và ngắt đột ngột dịng I 1. Do đó
trong các cuộn dây của biến áp đánh lửa xuất hiện các suất điện động tự cảm. Trong hệ
thống đánh lửa thường E1 = 200 – 400V hoặc lớn hơn. Bởi vậy không thể lấy biến áp
đánh lửa tiêu chuẩn (dùng cho hệ thống đánh lửa thường) sang dùng cho hệ thớng
đánh lửa bán dẫn, vì transistor không chịu được điện áp cao như vậy mà phải dùng
biến áp riêng có Kba lớn hơn để giảm E1 x́ng nhỏ hơn 100V.
Nếu E1 địi hỏi phải lớn hơn 100V để đảm bảo nhận được U 2 cao, thì có thể mắc
nới tiếp các transistor hoặc áp dụng các biện pháp bảo vệ, Nếu vẫn dùng biến áp đánh
lửa tiêu ch̉n thì hệ thớng đánh lửa bán dẫn sẽ khơng phát huy được ưu điểm gì trừ
vấn để tăng tuổi thọ cho tiếp điểm.
1.4.4. Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm.
Trong hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm, thời điểm đánh lửa được điều
khiển bằng bộ cảm biến đặc biệt có liên hệ cơ khí với trục khuỷu động cơ.
Các bộ cảm biến có thể chia ra hai loại: Cảm biến thông số và cảm biến phát điện.
•
-

Cấu tạo của hệ thớng gồm:

Bộ ác quy 1
Bộ cảm biến 2 (phát lệnh) lắp trong bộ chia điện;
Bộ biến áp đánh lửa 3;
Bộ cắt nối bán dẫn I và hộp điện trở phụ II;
Transistor T3: đóng tích cự nhở nửa kỳ điện áp dương của bộ phát lệnh;
Transistor T2: đóng tích cự nhơ Đ2 và R1 (mạch hồi tiếp);
Transistor T1: đóng tích cực nhờ biến áp xung.
Để đảm bảo chất lượng đánh lửa khi khởi động, trong sơ đồ có mạch liên hệ
ngược (hồi tiếp) qua R3 và C2 từ cực góp K của T1 đến cực gốc của T3.

6


Tính toán thiết kế hệ thớng đánh lửa

Hình 1.4.4: Sơ đồ ngun lý của HTĐL bán dẫn khơng tiếp điểm
•

Ngun lý làm việc:
Lúc đầu khi khóa điện Kđ đóng: Bộ phát lệnh chưa quay, cực gốc B của T 3 nối

với cực (+) của nguồn R4 và cuộn dây của bộ phát lệnh nê T 3 đóng => điện trở của T3
(RT3) lúc này rất lớn nên cực gốc B của T2 được nối với với Đ2 => W2’ => W1 => EK
(T2) => Rf1 =>Rf2 => (-). Dòng qua biến áp tạo xung tạo điện áp điều khiển tại cực gớc
B của T1 làm T1 mở và cho dịng đi qua cuộn sơ cấp W1 của biến áp đánh lửa
Khi bộ phát lệnh quay, ở nửa chu kỳ (-) của điện áp do nó phát ra thì cực gớc B
củ T3 có điện áp (-) nên T 3 mở. T3 mở thì RT3 giảm nhỏ nên cực gớc B của T 2 coi như
được nối với cực (+) nên T2 đóng. T2 đóng làm T1 đóng theo, cắt đột ngột dòng sơ cấp
I1 tạo nên một suất điện động tự cảm E 2 rất lớn truyền qua bộ chia điện đến các bugi
để tạo tia lửa điện.

Khi khởi động hoặc khi sớ vịng quay thấp, xung tín hiệu cịn yếu thì T 2 mở – tụ
C2 được nạp => làm cho thế cực gốc B của T3 âm nên T3 mở. T3 mở làm T2 và T1 đóng
=> cắt dòng I1 để tạo tia lửa điện ở bugi. Sau đó T1 và T2 lại mở => tụ lại được nạp làm
T3 mở cịn T1 va T2 đóng. Quá trình cứ lặp lại theo một chu kỳ nhất định, tạo nên hàng
loạt tia lửa điện ở bugi hỗ trợ cho khời động động cơ.

7


Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa
1.4.5. Hệ thống đánh lưa theo chương trình:
1.4.5.1. Hệ thống đánh lửa gián tiếp.
Là một trong số các kiểu hệ thống đánh lửa có góc đánh lửa điều chỉnh theo một
chương trình trong bộ nhớ của ECU. Sau khi nhận các hiệu từ các cảm biến như cảm biến
tốc độ động cơ NE, vảm biến vị trí trục khuỷu G, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt
độ nước làm mát, ECU sẽ tính toán và phát sinh ra các tín hiều đánh lửa tối ưu đến IC đánh
lửa để điều khiển việc đánh lửa, Việc phân phối điện cao thế đến các bugi theo thứ tự làm
việc và các chế độ tương ứng của các xilanh thông qua bộ chia điện.
+ Ưu điểm ( so với các HTĐL trước đây).
Thời điểm đánh lửa chính xác.
Loại bỏ được các chi tiết dễ hư hỏng như: Bộ ly tâm, chân không.
+ Nhược điểm:
Tổn thất nhiều năng lượng qua bộ chia điện và dây cao áp.
Gây nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp.
Khi động cơ có tớc độ cao và sớ xilanh lớn thì dễ xảy ra đánh lửa đồng thời hai
dây cao áp kề nhau.
Bộ chia điện dễ hư hỏng.

Hình 1.4.5.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa gián tiếp
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 – Bugi; 4 – Cuộn đánh lửa; 5 – Các cảm biến khác

8


Tính toán thiết kế hệ thống đánh lửa
1.4.5.2. Hệ thống đánh lửa trưc tiếp (Không có bộ chia điện):
Là HTĐL có góc đánh lửa được điề khiển bằng một chương trình lưu trong bộ
nhớ ECU. Trong đó, điện cao thế được truyền trực tiếp từ các biến áp đánh lửa đến các
bugi khơng qua bộ chia điện.
+ Ưu điểm:
Khơng có dây cao áp hoặc dây cao áp rất ngắn nên giảm được năng lượng mất
mát, giảm điện dung ký sinh và nhiễu sóng vơ tún.
Khơng cịn bộ phân phới điện cao áp bên khơng cịn khe hở trên đường dẫn cao áp.
Bỏ được các chi tiết dễ hư hỏng và phải chế tạo bằng vật liệu cách điện tốt như
bộ phân phối, chổi than, nắp bộ chia điện
 Hệ thống đánh lửa trực tiếp bao gồm hai loại:
a. Hệ thống đánh lửa sử dụng bơ bin đơi.
1
4

IC
T1

ECU

2
3

CB khac

IGT1

T1

IGT2

G1
G2
Ne

Hình 1.4.5.2a: Sơ đồ HTĐL trực tiếp sử dụng bô bin đôi.
Trong HTĐL sử dụng bô bin đôi, bô bin đôi phải được gắn vào 2 bugi của 2
xilanh song hành.
Trên hình thể hiên HTĐL trực tiếp sử dụng bô bin đôi trên động cơ 4 xilanh, có
thứ tự nỡ 1-3-4-2, dùng 2 bô bin đôi:
Bô bin thứ nhất được nối với bugi 1 và 4;
Bô bin thứ hai được nối với bugi 2 và 3;
Giả sử đến thời điểm thích hợp cho máy số 1, piston của máy số 1 và máy số 4
đều gần đến điểm chết trên nhưng do máy sớ 4 đang trong kì thải nên vùng mơi chất
lúc này chứa nhiều ion, tạo thành môi trường dẫn điện nên bugi ở máy số 4 sẽ không

9


Tính toán thiết kế hệ thớng đánh lửa
đánh lửa. Cịn máy số 1 đang trong kỳ nén nên sẽ đánh lửa ở bugi máy số 1. Việc đánh
lửa ở bugi của máy số 2 và số 3 cũng tương tự.
Nhược điểm: Vẫn cịn tồn tại dây cao áp từ bơ bin đơi đến các bugi nên vẫn cịn

tồn tại tổn thất năng lượng trê