Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thay thế hệ thống đánh lửa trên xe WAVE RSX 110 bằng hệ thống đánh lửa theo chương trình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

TRẦN DUY TRUNG

NGHİÊN CỨU THAY THẾ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN
XE WAVE RSX 110 BẰNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA THEO
CHƯƠNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng - Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

TRẦN DUY TRUNG

NGHIÊN CỨU THAY THẾ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN
XE WAVE RSX 110 BẰNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA THEO
CHƯƠNG TRÌNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60.52.01.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS.TRẦN THANH HẢI TÙNG

Đà Nẵng - Năm 2019


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

Trần Duy Trung


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nguồn nguyên liệu cung cấp cho con người ngày càng có xu hướng
cạn kiệt. Vì vậy, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu đã và đang được các quốc gia trên thế
giới quan tâm nghiên cứu. Bên cạnh vấn đề về tiết kiệm nhiên liệu thì vấn đề về ô
nhiễm môi trường cũng đang được quan tâm.
Do vậy, xu hướng hiện nay rất nhiều xe máy thay thế hệ thống đánh lửa thường
bằng hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình kỷ thuật số mà lợi ích lớn nhất
đến từ khả năng tạo hòa khí chính xác, nhờ đó tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ơ nhiểm
mơi trường.
Qua q trình học tập và nghiên cứu tơi thấy rằng việc thay thế hệ thống đánh lửa
thường trên xe máy bằng hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình kỷ thuật số là
cần thiết. Với bộ điều khiển ECU cho phép điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu, thời
điểm đánh lửa theo từng chế độ tải trọng của động cơ, nhờ đó cải thiện được đặc tính
mơ men cũng như tăng tính kinh tế của động cơ và giảm lượng khí thải độc hại ra mơi
trường. Với những lý do trên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thay thế hệ thống đánh lửa
trên xe WAVE RSX 110 bằng hệ thống đánh lửa theo chương trình”.

Với đề tài này tơi hy vọng sẽ góp phần nâng cao chất lượng dòng sản phẩm động
cơ xe máy tại Việt Nam trong thời gian tới.
Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS.Trần
Thanh Hải Tùng cũng như sự giúp đỡ tạo điều kiện của các thầy cơ giáo trong bộ mơn
Cơ Khí Ơtơ đã giúp tơi hồn thành đề tài này. Nhưng do chưa có nhiều kinh nghiệm và
trình độ bản thân cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi những sai xót. Tơi rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp, sự chỉ bảo của các thầy để tơi có thể ứng dụng đề tài này
tốt hơn trong thực tế.
Đà nẵng, Ngày 24 tháng 04 năm 2019.
Học viên thực hiện

Trần Duy Trung


TÓM TẮT
Tên đề tài: “Nghiên cứu thay thế hệ thống đánh lửa trên xe WAVE RSX 110 bằng hệ thống
đánh lửa theo chương trình”
Học viên: Trần Duy Trung

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16. Khóa: K32

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.

Tóm tắt: Nghiên cứu thay thế hệ thống đánh lửa trên xe WAVE RSX 110 bằng hệ thống đánh
lửa điện tử điều khiển, được gọi là hệ thống đánh lửa theo chương trình. Việc điều khiển góc
đánh lửa sớm và góc ngậm điện (dwell angle) sẽ được máy tính đảm nhận. Các thơng số như
tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ được các cảm biến mã hóa tín hiệu đưa vào ECU xử lý và tính
tốn để đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ. Sau khi nhận

tín hiệu từ các cảm biến ECU động cơ tính tốn thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ
nhớ để phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ, sau đó gửi tín hiệu đánh lửa thích hợp
đến IC đánh lửa và góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh gần sát với đặc tính lí tưởng, năng
lượng nhiệt được biến thành động lực có hiệu quả cao nhất và động cơ tạo ra áp lực nổ cực đại
vào thời điểm đánh lửa, nó phát ra áp suất cực đại chậm một chút, sau khi đánh lửa và sẽ làm
giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO …

ABSTRACT
Title of the project : “Study to replace the ignition system on the WAVE RSX 110 by the
ignition system according to the program”
Abstract: The study replaced the ignition system on the WAVE RSX 110 by an electronically
controlled ignition system, called a program ignition system. The control of the early ignition
angle and the dwell angle (dwell angle) will be taken care of by the computer. Parameters
such as engine speed, load, and temperature are encoded by signal sensors to be processed and
calculated by ECU to provide an optimal early ignition angle according to each mode of
operation of the engine. After receiving signals from the engine ECU sensors calculate the
optimal ignition time stored in memory to match each engine operating mode, then send the
appropriate ignition signal to the IC hit The fire and early ignition angle are adjusted close to
the ideal characteristic, the thermal energy is turned into the most efficient driving force and
the engine generates the maximum explosive pressure at the time of ignition, it emits pressure.
Maximum yield is a bit slow, after ignition and will reduce the level of CO2, NOx, HC, CO ...
emissions.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................
LỜI NÓI ĐẦU
.............................................................................................................................
TÓM TẮT ...................................................................................................................................
MỤC LỤC ...................................................................................................................................

DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG
..........................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...............................................................
MỞ ĐẦU........................................................................................................................................1
1.Lý do chọn đề tài..................................................................................................................... 1
2.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...........................................................................................2
3.Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................................2
4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.................................................................................2
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGUYÊN CỨU...............................................3
1.1. Tổng quan về hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt trong.....................................................3
1.1.1.Công dụng, phân loại, yêu cầu.......................................................................................... 3
1.1.1.1. Công dụng......................................................................................................................3
1.1.1.2.Phân loại......................................................................................................................... 3
1.1.1.3.Yêu cầu...........................................................................................................................3
1.1.2. Nguyên lý hoạt đông của HTĐL...................................................................................... 4
1.1.2.1 Nguyên lý tạo ra dòng điện cao áp.................................................................................4
1.2. Lịch sử phát triển của Hệ thống đánh lửa............................................................................4
1.2.1. Kiểu điều khiển bằng má vít.............................................................................................4
1.2.2.Kiểu bán dẫn......................................................................................................................5
1.2.3. Kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm bằng điện tử)........................................................6
1.2.4. Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)....................................................................................6
1.2.5.Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng kỹ thuật số................................................................ 7
1.3.Khái quát về đánh lửa sớm điện tử (ESA)............................................................................7
1.3.1.Mô tả hoạt động của hệ thống ESA...................................................................................9
1.3.2. Khái quát về việc điều khiển đánh lửa sớm....................................................................10
1.3.3. Các giai đoạn cháy của hịa khí...................................................................................... 10
1.3.4. Điều khiển thời điểm đánh lửa....................................................................................... 11
1.4. Kết luận:............................................................................................................................ 12

Chương 2 - GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ TRÊN XE MÁY...........14
2.1. Cơ sở lý thuyết đánh lửa trên động cơ đốt trong............................................................... 14
2.1.1.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m...............................................................................14
2.1.1.2. Hiệu điện thế đánh lửa Uđl...........................................................................................14
2.1.1.3. Hệ số dự trữ Kdt...........................................................................................................15
2.1.1.4. Năng lượng dự trữ Wdt.................................................................................................15
2.1.1.5. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S.............................................................15
2.1.1.5. Tần số và chu kỳ đánh lửa...........................................................................................16
2.1.1.6 Góc đánh lửa sớm θ......................................................................................................16
2.1.2.Q trình tăng trưởng dịng sơ cấp..................................................................................17
2.1.3. Q trình ngắt dịng sơ cấp.............................................................................................18
2.1.4. Q trình phóng điện ở điện cực bougie........................................................................ 20
2.2. Lý thuyết về mạch điện tử................................................................................................. 21
2.2.1.Giới thiệu về board Arduino Uno.................................................................................... 22
2.2.2.Giới thiệu về board Arduino Nano.................................................................................. 23
2.2.3.Giới thiệu về board Arduino Mega 2560.........................................................................24
2.2.4.Quá trình xử lý tín hiệu vào của Arduino........................................................................24
2.2.4.1.Chuyển đổi tương tự – số (A/D)...................................................................................25
2.2.4.2. Chuyển đổi xung – số.................................................................................................. 27
2.2.4.3.Chuyển đổi từ tín hiệu on/off sang tín hiệu số..............................................................27
2.3.Các loại cảm biến, bougie, bobine trên xe máy..................................................................27
2.3.1.Cảm biến vị trí bướm ga..................................................................................................27
2.3.1.1.Chức năng và nhiệm vụ................................................................................................27
2.3.1.2. Phân loại...................................................................................................................... 27
2.3.1.3. Cấu tạo.........................................................................................................................29
2.3.2.Cảm biến oxy...................................................................................................................29
2.3.2.1.Chức năng và nhiệm vụ................................................................................................29
2.3.2.2.Nguyên lý hoạt động.....................................................................................................29
2.3.2.3.Cấu tạo..........................................................................................................................29

2.3.3.Cảm biến áp suất đường ống nạp.................................................................................... 30
2.3.3.1.Chức năng nhiệm vụ.....................................................................................................30
2.3.3.2.Nguyên lý làm việc.......................................................................................................31
2.3.3.3.Cấu tạo..........................................................................................................................31
2.3.4.Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.....................................................................................31


2.3.4.1.Chức năng và nhiệm vụ................................................................................................31
2.3.4.2.Nguyên lý hoạt động.....................................................................................................31
2.3.4.3.Cấu tạo..........................................................................................................................32
2.3.5.Cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu.......................................................32
2.3.5.1.Chức năng và nhiệm vụ................................................................................................32
2.3.5.2. Nguyên lý hoạt động....................................................................................................33
2.3.5.3.Cấu tạo..........................................................................................................................33
2.3.6. Bougie.............................................................................................................................34
2.3.7.Bobine..............................................................................................................................35
2.4.Thiết bị và phần mềm thu nhận tín hiệu............................................................................. 35
2.4.1.Module LCD I2C.............................................................................................................35
2.4.2.Màn hình LCD 20x4B..................................................................................................... 37
2.5.Mơ hình nội suy phần mềm lập trình điều chỉnh góc đánh lửa sớm.................................. 39
2.5.1 Mơ hình nội suy theo hàm một biến................................................................................39
2.5.2 Mơ hình nội suy theo hàm nhiều biến............................................................................. 41
2.6.Kết luận...............................................................................................................................43
Chương 3 - THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM..............................................................................44
3.1.Đặc điểm của xe Honda Wave 110.....................................................................................44
3.2.Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa điện tử lên xe máy.......................................................45
3.2.1.Phương án lắp đặt hệ thống đánh lửa điện tử lên xe máy...............................................45
3.2.1.1. Chọn phương án.......................................................................................................... 45
3.2.2.Phân tích lựa chọn các cảm biến gắn trên động cơ..........................................................46
3.2.2.1.Cảm biến vị trí bướm ga...............................................................................................46

3.2.2.2.Cảm biến áp suất đường ống nạp................................................................................. 47
3.2.2.3.Cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu....................................................47
3.3.Thiết kế lắp đặt các cảm biến lên động cơ..........................................................................47
3.3.1.Lắp đặt cảm biến vị trí bướm ga......................................................................................47
3.3.2.Lắp đặt cảm biến áp suất khí nạp.................................................................................... 48
3.3.3.Lắp đặt cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu...........................................48
3.4.Mơ phỏng và chế tạo mạch điều khiển đánh lửa điện tử....................................................49
3.4.1.Cơ sở điều khiển đánh lửa............................................................................................... 49
3.4.2. Phương pháp điều khiển đánh lửa.................................................................................. 50
3.4.3.Tính góc đánh lửa sớm cơ bản.........................................................................................51
3.4.4. Hiệu chỉnh góc đánh lửa theo các chế độ làm việc của động cơ....................................52


3.4.5.Thuật tốn điều khiển đánh lửa....................................................................................... 52
3.5.Mơ phỏng chế tạo mạch điều khiển....................................................................................53
3.5.1. Bộ điều khiển trung tâm................................................................................................. 53
3.5.2.Thiết kế mạch điều khiển hệ thống đánh lửa...................................................................53
3.5.3.Chế tạo mạch điều khiển đánh lửa...................................................................................53
3.6.Chương trình điều khiển đánh lửa bằng arduino................................................................ 54
Chương 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN......................................................55
4.1.Kiểm tra và chạy thử.......................................................................................................... 55
4.1.1.Quy trình kiểm tra............................................................................................................55
4.1.2.Các bước tiến hành kiểm tra............................................................................................55
1.1.Chạy thử............................................................................................................................. 56
4.2.Kết quả đo...........................................................................................................................57
4.2.1.Kết quả đo trong phòng thí nghiệm.................................................................................57
KẾT LUẬN-KIẾN NGHỊ..........................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................62
PHỤ LỤC.......................................................................................................................................1

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hinh 1.1. Hệ thống đánh lửa bằng má vít..................................................................... 5
Hinh 1.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn............................................................................ 5
Hinh 1.3. Hệ thống ESA................................................................................................. 6
Hinh 1.4 Hệ thống DIS................................................................................................. 6
Hinh 1.5 : So sánh đặc tuyến điều chỉnh góc đánh lửa sớm điện tử và cơ khí...............7
Hinh 1.6 Sơ đồ ESA với cơ cấu đánh lửa sớm bằng điện tử......................................... 8
Hinh 1.7 Sơ đồ mạch điện mô tả hoạt động của ESA................................................... 9
Hinh 1.8: Góc đánh lửa sớm Hinh 1.10. Q trình cháy............................................. 10
Hình 1.9 Điều khiển góc đánh lửa sớm...................................................................... 12
Hinh 1.10: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng theo tốc độ và tải động cơ..................12
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa.............................................................. 17
Hình 2.2: Sơ đồ tương đương của mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa......................17
Hình 2.3: Q trình tăng trưởng dịng sơ cấp i1......................................................... 18
Hình 2.4: Sơ đồ tương đương của hệ thống đánh lửa................................................. 19
Hình 2.5: Qui luật biến đổi của dòng điện sơ cấp i1 và hiệu điện thế thứ cấp u2m.......19
Hình 2.6: Qui luật biến đổi hiệu điện thế thứ cấp U2m và cường độ dòng điện thứ cấp
i2 khi transistor cơng suất ngắt.................................................................................... 20
Hình 2.7. Board Arduino Uno...................................................................................... 22
Hình 2.9: Board Arduino Mega 2560.......................................................................... 24
Hình 2.10 Dạng tín hiệu tương tự............................................................................... 25
Hình 2.11 Sai số do số bit hạn chế.............................................................................. 26
Hình 2.12 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tiếp điểm.................................................... 28
Hình 2.13 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính................................................... 28
Hình 2.14 : Cảm biến vị trí bướm ga loại Hall............................................................ 28
Hình 2.15: Cảm biến oxy loại nung nóng.................................................................... 30
Hình 2.16: Cảm biến oxy loại nung nóng.................................................................... 30
Hình 2.17: Cảm biến áp suất đường ống nạp.............................................................. 31
Hình 2.18: Cảm biến nhiệt độ nước............................................................................. 32

Hình 2.19: Cảm biến vị trí trục cam loại cảm biến hiệu ứng điện từ...........................33
Hình 2.20: Cảm biến vị trí trục cảm loại Hall............................................................. 34
Hình 2.21: Cấu tạo buji đánh lửa................................................................................ 34
Hình 2.22: Cấu tạo bơ-bin đánh lửa............................................................................ 35
Hình 2.23 Mạch điều khiển màn hình LCD giao tiếp I2C........................................... 36
Hình 2.24 Màn hình LCD 20x4B................................................................................. 37


Hình 2.25 Sơ đồ chân màn hình LCD 20x4B.............................................................. 38
Hinh 2.26: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng theo tốc độ và tải động cơ..................39
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống đánh lửa.............................................................................. 45
Hình 3.2 Vị trí lắp đặt Bobine và bougie đánh lửa.................................................... 46
Hình 3.3. Vị trí lắp đặt IC đánh lửa............................................................................ 46
Hình 3.4. Vị trí lắp cảm biến vị trí bướm ga............................................................... 48
Hình 3.5 Vị trí lắp đặt cảm biến áp suất khí nạp........................................................ 48
Hình 3.6. Vị trí lắp đặt cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu..............49
Hình 3.7 Q trình điều khiển đánh lửa của ECU..................................................... 50
Hình 3.8. Sơ đồ điều khiển góc đánh lửa sớm............................................................. 51
Hình 3.9. Sơ đồ thuật tốn điều kAhiển góc đánh lửa sớm.......................................... 52
Hình 3.11: Thiết kế mạch điều khiển hệ thống đánh lửa.............................................. 53
Hình 3.12: Board mạch sau khi gia cơng.................................................................... 54
Hình 3.13: Mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa điện tử hoàn chỉnh
54
Hình 4.1: Động cơ chạy ở tốc độ 1850 vịng/phút....................................................... 56
Hình 4.2: So sánh đặc tính ngồi của động cơ khi dùng Đánh lửa thường và Đánh
lửa điện tử điều khiển bằng chương trình.................................................................... 57
Hình 4.3: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng khi dùng Đánh lửa
thường và Đánh lửa điện tử điều khiển bằng chương trình......................................... 58

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Bảng thông số kỹ thuật động cơ Honda Wave RSX............................44
Bảng 3.2: Dữ liệu nội suy góc đánh lửa theo phụ tải và số vịng quay..............52
Bảng 4.1: Bảng kết quả đo công suất ứng với đặc tính ngồi ở tay số 4 khi động
cơ khi dùng Đánh lửa thường và Đánh lửa điện tử điều khiển bằng chương
trình.....................................................................................................................57
Bảng 4.2: Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng khi dùng
Đánh lửa thường và Đánh lửa điện tử điều khiển bằng chương trình...............58


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ECU(Engine Control Unit)
MAP(Manifold Absolute Pressure)
IAT(Intake Air Temperature)
ECT(Engine Coolant Temperature)
TDC(Top Dead Center)
BDC(Bottom Dead Center)
WOT(Wide Open Throttle)
RPM (Revolutions Per Minute)
VVT(Variable Valve Timing)
GPS(Global Positioning System)
LCD (Liquid Crystal Display)
ADC(Analog to Digital Convert)
TPS(Throttle Position Sensor)


1
MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài.
Theo thống kê của Cục đăng kiểm Việt Nam, hiện nay đa phần xe máy sử dụng
hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hịa khí và hệ thống đánh lửa thông thường, đây là
những hệ thống có nhiều nhược điểm như:
+ Thành phần hịa khí phụ thuộc chủ yếu vào áp suất đường ống nạp và tốc độ
động cơ, nhưng trên thực tế thành phần hịa khí cịn phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ,
nhiệt độ khí nạp, độ mở bướm ga…Hơn nữa cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng
cơ khí, khơng đảm bảo điều khiển chính xác lượng và chất của hổn hợp phù hợp với
các chế độ làm việc của động cơ.
+ Do sử dụng họng tiết lưu nên làm tăng tổn thất cơ khí, giảm hệ số nạp của
động cơ.
+ Khi muốn lắp thêm bộ xúc tác khí xả do khơng duy trì được λ = 1 nên hiệu
suất của bộ xúc tác khơng cao.
+ Góc đánh lửa sớm được giữ cố định do đó khơng phù hợp với tải trọng và tốc
độ của động cơ.
Do những nhược điểm trên mà các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ xe
máy không cao, nhất là vấn đề phát thải các khí thải độc hại.
Ngày nay trước những sức ép về tiết kiệm nhiên liệu khi mà nguồn dầu mỏ đang
ngày càng cạn kiệt cũng như việc cắt giảm hàm lượng các khí thải độc hại theo các tiêu
chuẩn khí thải mới, đã thúc đẩy các nhà sản xuất áp dụng các biện pháp công nghệ đã
được áp dụng trên các ôtô hiện đại vào lĩnh vực xe máy. Một trong những hướng đó là
nghiên cứu thay thế hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hịa khí bằng hệ thống phun xăng,
đánh lửa điện tử. Việc thay thế này đã được áp dụng trên một số dòng xe như Future Neo
FI, SCR của hãng HONDA. Tuy nhiên số lượng còn hạn chế và giá thành rất đắt.
Như chúng ta đã biết so với hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và đánh lửa
thơng thường thì hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử có rất nhiều ưu điểm, mơt
trong số những ưu điểm đó như:
+ Có thể đạt được tỷ lệ nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ và tải trọng của
động cơ.
+ Dễ dàng cung cấp lượng cũng như thành phần hỗn hợp đáp ứng kịp thời với sự

thay đổi góc mở buớm ga.
+ Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn hợp khi
nhiệt độ động cơ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc hay khi động cơ vượt quá tốc độ
cho phép…
+ Hệ số nạp được nâng cao do khơng có họng khuyếch tán.
+ Có thể điều khiển hệ số dư lượng khơng khí λ=1 ở chế độ hoạt động chính của
động cơ do vậy có thể kết hợp với bộ xúc tác khí xả ba thành phần làm giảm nồng độ
các thành phần độc hại trong khí thải động cơ.
1.


2
+ Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ.

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nhằm khắc phục các nhược điểm đã nêu
của động cơ xe máy cũng như mong muốn được nghiên cứu tiếp cận và làm chủ các
công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ôtô- xe máy. Tôi đã tiến hành. Nghiên cứu thay thế
hệ thống đánh lửa trên xe WAVE RSX 110 bằng hệ thống đánh lửa theo chương trình.
Mục đích nghiên cứu
Thay thế hệ thống đánh lửa thường trên xe máy bằng hệ thống đánh lửa điện tử
điều khiển theo chương trình kỷ thuật số nhằm để tận dụng các ưu điểm của nó làm
giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm lượng khí thải thải ra mơi trường bên ngồi.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Honda Wave RSX 110
2.

Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình
kỷ thuật số
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lắp đặt các cảm biến lên động cơ, thay thế hệ thống đánh lửa bằng hệ

thống đánh lửa mới. Nghiên cứu phần mềm Arduino, viết chương điều điều đánh lửa
theo chương trình kỷ thuật số
3.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Sử dụng hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số thay
cho hệ thống đánh lửa thường sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO 2, NOx, HC, CO …
góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham
gia.
4.


3
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGUYÊN CỨU
1.1. Tổng quan về hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt trong
1.1.1.Công dụng, phân loại, yêu cầu
1.1.1.1. Công dụng
Hệ thống đánh lửa (HTĐL) có nhiệm vụ biến dịng điện một chiều thế hiệu
thấp(6,12 hay 24V) hoặc các xung điện một xoay chiều thế hiệu thấp ( trong HTĐL
bằng Manhêtô) thành các xung điện cao thế (12000 … 24000V) đủ để tạo nên tia lửa
(phóng qua khe hở bougie) đốt cháy hỗn hợp làm việc trong các xi lanh của động cơ
vào những thời điểm thích hợp tương ứng với trình tự xi lanh và chế độ làm việc của
động cơ.
1.1.1.2.Phân loại
Theo đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc , HTĐL được chia thành 3 loại:
Loại đánh lửa dùng ắc quy: đây là loại đánh lửa thông thường hay HTĐL cổ điển;
Loại bán dẫn hay điện tử: Với sự có mặt của các linh kiện bán dẫn trong thành phần
cấu tạo. Đây là HTĐL mới, có nhiều ưu điểm hơn hẳn loại HTĐL thơng thường và có
xu thế thay thế dần các HTĐL thường;
Loại đánh lửa bằng Manhêtô hoặc Vơlăng manhêtíc : Là loại HTĐL cao áp độc lập,

khơng cần đến ắc quy máy phát và có độ tin cậy cao;
Loại nhiều tia lửa điện liên lục: Là loại cơ cấu đánh lửa dùng để sấy nóng mơi chất;
Theo dạng năng lượng được tích lũy trước khi đánh lửa: Hệ thống đánh lửa
được chia 2 loại:
Loại điện cảm: Bao gồm các HTĐL thường, đánh lửa bán dẫn dùng Transitor,
Manhêtô. Ở loại này, năng lượng đánh lửa được tích lủy trong từ trường của biến áp
đặc biệt gọi là biến áp đánh lửa;
Loại điện dung: là loại HTĐL mới về nguyên lý và có rất nhiều ưu điểm nên hiện nay
được sử dụng nhiều trên ôtô, xe máy hiện đại. Ở loại này, năng lượng đánh lửa được
tích lũy khơng phải trong từ trường của biến áp đánh lửa mà trong một tụ điện đặc biệt
gọi là tụ tích.
1.1.1.3.Yêu cầu
Hệ thống đánh lửa phải đáp ứng các yêu cầu chính sau:
-Phải đảm bảo thế hiệu đủ để tạo ra được tia lửa điện phóng qua khe hở giữa các điện
cực của bugi;
- Tia lửa điện phải có năng lượng đủ lớn 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;
- Độ tin cậy làm việc của HTĐL phải tương ứng với độ tin cậy làm việc của động cơ.


4
1.1.2. Nguyên lý hoạt đông của HTĐL.
1.1.2.1 Nguyên lý tạo ra dòng điện cao áp.
Hiện tượng tự cảm:
Trường điện tứ được sinh ra khi có 1 dịng điện chạy qua một cuộn dây, kết quả
là sinh ra một sức điện động và tạo ra một từ thơng có hướng cản trở sự sinh ra của từ
thông trong cuộn dây. Do đó dịng điện khơng chạy qua cuộn dây ngay khi được dẫn
vào cuộn dây, mà nó sẽ tăng sau một thời gian nhất định, hơn nữa khi dòng điện chạy

qua trong cuộn dây và nó bị cắt một cách đột ngột, sức điện động sinh ra cùng hướng
với dòng điện (hướng cản lại sự suy giảm của từ thông). Như vậy khi dòng điện bắt
đầu chạy trong cuộn dây hoặc khi các dòng điện trong cuộn dây sinh ra sức điện động
có hướng tác dụng cản trở sự thay đổi từ thơng trong cuộn dây. Hiện tương đó gọi là
hiện tượng tự cảm.
Hiện tượng tự cảm tương hỗ:
Khi có hai cuộn dây được đặt trên một đường thẳng, dòng điện trong cuộn dây
cuộn sơ cấp làm thay đổi sức điện động sinh ra trong cuộn dây thứ cấp có hướng cản
lại sự thay đổi trong cuộn dây sơ cấp. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng tự cảm tương
hỗ.
1.1.2.2. Nguyên lý của hệ thống đánh lửa.
Trong động cơ xăng, hoà khí được đưa vào xi lanh và được trộn đều nhờ sự
xốy lốc của dịng khí, sau đó piston nén lại. Tới thời điểm thích hợp thi HTDL sẽ
cung cấp lửa cao thế để đốt cháy hỗn hợp hồ khí. Q trình đốt cháy đó được chia
làm 3 giai đoạn là: Q trình tăng dịng sơ cấp, q trình ngắt dòng sơ cấp và thời kỳ
xuất hiện tia lửa ở cực bougie.
1.2. Lịch sử phát triển của Hệ thống đánh lửa.
1.2.1. Kiểu điều khiển bằng má vít
Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa má vít.
Cam 1 của bộ chia điện quay nhờ truyền động từ trục cam của động cơ và làm
nhiệm vụ mở tiếp điểm KK’, cũng có nghĩa là ngắt dịng điện sơ cấp của biến áp đánh
lửa 3. Khi đó, từ thơng đi qua cuộn thứ cấp do dòng điện sơ cấp gây nên sẽ mất đi đột
ngột, làm xuất hiện một sức điện động cao thế trong cuộn thứ cấp W 2. Điện áp này sẽ
qua con quay chia điện 4 và dây cao áp đến các bougie đánh lửa 5 theo thứ tự thì nổ
của động cơ. Khi điện áp thứ cấp đạt giá trị đánh lửa, giữa hai điện cực của bougie sẽ
xuất hiện tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp trong xi lanh.
Kiểu hệ thống đánh lửa này có cấu tạo cơ bản nhất. Trong kiểu hệ thống đánh
lửa này, dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng cơ. Dịng sơ cấp của
bơ bin được điều khiển cho chạy ngắt quãng qua tiếp điểm của vít lửa. Bộ điều chỉnh
đánh lửa sớm li tâm tốc và chân không điều khiển thời điểm đánh lửa. Bộ chia điện sẽ

phân phối điện cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bougie. Trong kiểu hệ thống đánh lửa
này tiếp điểm của vít lửa cần được điều chỉnh thường xuyên hoặc thay thế. Một điện


5
trở phụ được sử dụng để giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp, cải thiện đặc tính tăng
trưởng dịng của cuộn sơ cấp, và giảm đến mức thấp nhất sự giảm áp của cuộn thứ cấp
ở tốc độ cao.

Hinh 1.1. Hệ thống đánh lửa bằng má vít
1.2.2.Kiểu bán dẫn.

Hinh 1.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn
Đối với hệ thống đánh lửa cơ khí, tiếp điểm của hệ thống yêu cầu phải được
kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ vì chúng bị hỏng bởi các tia lửa hồ quang trong q
trình sử dụng làm mịn tiếp điểm dẫn đến thời điểm đánh lửa thiếu chính xác.
Để khắc phục khuyết điểm đó vào những năm 1970 người ta đã phát minh ra hệ
thống đánh lửa bán dẫn. Hệ thống đánh đã sử dụng các linh kiện bán dẫn tramsitor để
đóng mở dòng điện sơ cấp thay thế cho tiếp điểm kim loại. Từ đó nâng cao tính hiệu
quả của hệ thống đánh lửa và xóa bỏ yêu cầu bảo dưỡng định kỳ, như vậy giảm được


6
giá thành bảo dưỡng cho người sử dụng và tạo được tia lửa mạnh ở điện cực bougie,
đáp ứng tốt ở các chế độ làm việc của động cơ, tuổi thọ cao.
Trong kiểu hệ thống đánh lửa này transistor điều khiển dịng sơ cấp, để nó chạy
một cách gián đoạn theo đúng các tín hiệu điện được phát ra từ bộ phát tín hiệu. Góc
đánh lửa sớm được điều khiển bằng cơ như trong kiểu hệ thống đánh lửa bằng vít hoặc
có thể dùng các cảm biến vị trí như loại quang, Hall.
1.2.3. Kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm bằng điện tử)

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này không sử dụng bộ đánh lửa sớm chân không
và li tâm. Thay vào đó, chức năng ESA của Bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển
góc đánh lửa sớm.

Hinh 1.3. Hệ thống ESA
1.2.4. Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)
Thay vì sử dụng bộ chia điện, hệ thống này sử dụng bô bin đơn hoặc đôi cung
cấp điện cao áp trực tiếp cho bougie. Thời điểm đánh lửa được điều khiển bởi ESA của
ECU động cơ. Trong các động cơ gần đây, hệ thống đánh lửa này chiếm ưu thế.

Hinh 1.4 Hệ thống DIS


7
1.2.5.Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng kỹ thuật số.
Được gọi là hệ thống đánh lửa theo chương trình. Việc điều khiển góc đánh lửa
sớm và góc ngậm điện (dwell angle) sẽ được máy tính đảm nhận. Các thơng số như tốc
độ động cơ, tải, nhiệt độ được các cảm biến mã hóa tín hiệu đưa vào ECU (electronic
control unit) xử lý và tính tốn để đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ
hoạt động của động cơ.

1.3.Khái quát về đánh lửa sớm điện tử (ESA).
Hệ thống ESA là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh
lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau. Số tín hiệu vào càng nhiều thì việc
xác định góc đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác. Sơ đồ hệ thống đánh lửa với cơ cấu
điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử có thể chia thành 3 thành phần: tín hiệu vào
(input signals), ECU và tín hiệu điều khiển igniter (output signals).

Hinh 1.5 : So sánh đặc tuyến điều chỉnh góc đánh lửa sớm điện tử và cơ khí

8

Hinh 1.6 Sơ đồ ESA với cơ cấu đánh lửa sớm bằng điện tử
Ngồi ra cịn có thể có các tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến
tốc độ xe, cảm biến oxy. Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến ECU động cơ tính toán
thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với từng chế độ hoạt động
của động cơ, sau đó gửi tín hiệu đánh lửa thích hợp đến IC đánh lửa.
Trong các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston (cốt máy) và
tín hiệu tải là các tín hiệu quan trọng nhất. Để xác định tốc độ động cơ, người ta có thể
đặt cảm biến trên một vành răng ở đầu cốt máy, bánh đà, đầu cốt cam hoặc delco. Để
xác định tải của động cơ, ECU dựa vào tín hiệu áp suất trên đường ống nạp hoặc tín
hiệu lượng khí nạp.
Do sự thay đồi về áp suất trên đường ống nạp khi thay đổi tải, tín hiệu điện áp
gởi về ECU sẽ thay đổi và ECU nhận tín hiệu này để xử lí và quy ra mức tải tương ứng
để xác định góc đánh lửa sớm. Trong các hệ thống đánh lửa trước đây, việc hiệu chỉnh
góc đánh lửa sớm được thực hiện bằng phương pháp cơ khí với cơ cấu ly tâm và áp
thấp. Đường đặc tính đánh lửa sớm tối ưu rất đơn giản và khơng chính xác. Trong khi
đó, đường đặc tính đánh lửa lý tưởng được xác định bằng thực nghiệm rất phức tạp và
phụ thuộc vào nhiều thơng số. Đồ thị hình 1 mơ tả sự sai lệch giữa 2 kiểu điều khiển
góc đánh lửa sớm bằng điện tử và cơ khí. Đối với hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều
khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh gần sát với
đặc tính lí tưởng.


9
1.3.1.Mô tả hoạt động của hệ thống ESA.
ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa vào tín hiệu góc quay trục
khuỷu (G), tín hiệu tốc độ động cơ (NE) và các tín hiệu từ các cảm biến khác. Khi đã
xác định được thời điểm đánh lửa, ECU động cơ gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa.

Trong khi tín hiệu IGT được chuyển đến để bật IC đánh lửa, dòng điện sơ cấp
chạy vào cuộn dây đánh lửa này. Trong khi tín hiệu IGT tắt đi, dịng điện sơ cấp và từ
thông giảm đột ngột. Trên cuộn thứ cấp của bô bin sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào
khoảng từ 15KV - 40KV. Đồng thời, tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ.

Hinh 1.7 Sơ đồ mạch điện mô tả hoạt động của ESA


10
1.3.2. Khái quát về việc điều khiển đánh lửa
sớm Điều khiển góc đánh lửa sớm:
Trong động cơ xăng, hỗn hợp hịa khí được đánh lửa để đốt cháy (nổ), và áp lực
sinh ra từ sự bốc cháy sẽ đẩy piston xuống. Năng lượng nhiệt được biến thành động
lực có hiệu quả cao nhất khi áp lực nổ cực đại được phát sinh vào thời điểm trục khuỷu
0

ở vị trí 10 sau Điểm Chết Trên (ATDC). Động cơ không tạo ra áp lực nổ cực đại vào

thời điểm đánh lửa; nó phát ra áp suất cực đại chậm một chút, sau khi đánh lửa. Vì
0

vậy, phải đánh lửa sớm, sao cho áp suất cực đại được tạo ra vào thời điểm 10 ATDC.
Thời điểm đánh lửa để động cơ có thể sản ra áp suất cực đại phải thường xuyên thay
đổi, tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ. Vì thế, hệ thống đánh lửa phải có
khả năng thay đổi góc đánh lửa sớm để động cơ tạo ra áp lực nổ một cách có hiệu quả
nhất, phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ.

Hinh 1.8: Góc đánh lửa sớm Hinh 1.10. Quá trình cháy
1.3.3. Các giai đoạn cháy của hịa khí
- Giai đoạn cháy trễ

Sự bốc cháy (nổ) của hỗn hợp hịa khí khơng phải xuất hiện ngay sau khi đánh
lửa. Thoạt đầu, một khu vực nhỏ (hạt nhân) ở sát ngay tia lửa bắt đầu cháy, và quá
trình bắt cháy này lan ra khu vực xung quanh. Quãng thời gian từ khi hỗn hợp hòa khí
được đánh lửa cho đến khi nó bốc cháy được gọi là giai đoạn cháy trễ (khoảng A đến B
trong sơ đồ). Giai đoạn cháy trễ gần như không thay đổi, và nó khơng bị ảnh hưởng
của điều kiện làm việc động cơ.


11
- Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

Sau khi hạt nhân ngọn lửa hình thành, ngọn lửa nhanh chóng lan truyền ra xung
quanh. Tốc độ lan truyền này được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa, và thời kỳ này
được gọi là thời kỳ lan truyền ngọn lửa (B~C~D trong sơ đồ). Khi có một lượng lớn
hịa khí được nạp vào, hỗn hợp hịa khí trở nên có mật độ cao hơn. Vì thế, khoảng cách
giữa các hạt trong hỗn hợp hịa khí giảm xuống, nhờ thế, tốc độ lan truyền ngọn lửa
tăng lên. Ngồi ra, hỗn hợp hịa khí xốy lốc càng mạnh thì tốc độ lan truyền ngọn lửa
càng cao. Khi tốc độ lan truyền ngọn lửa cao, cần phải định thời đánh lửa sớm. Do đó
cần phải điều khiển thời điểm đánh lửa theo điều kiện làm việc của động cơ.
1.3.4. Điều khiển thời điểm đánh lửa.
Hệ thống đánh lửa điều khiển thời điểm đánh lửa theo tốc độ và tải trọng của
0

động cơ sao cho áp lực nổ cực đại xuất hiện ở 10 ATDC. Trước đây, các hệ thống
đánh lửa sử dụng bộ đánh lửa sớm li tâm và bộ đánh lửa sớm chân không để điều
khiển đánh lửa sớm hoặc muộn. Tuy nhiên, ngày nay hầu hết các động cơ đều sử dụng
hệ thống ESA.
- Điều khiển theo tốc độ động cơ
Động cơ được coi là phát công suất hiệu quả nhất khi áp suất cực đại xuất hiện
0

ở vào khoảng 10 sau điểm chết trên (ATDC), khi đó thời điểm đánh lửa tối ưu là 10

0

trước điểm chết trên (BTDC) ở với tốc độ 1000 v/ph.
Giả sử tốc độ động cơ tăng lên đến 2000 v/ph, thời gian chuẩn bị hỗn hợp cho
quá trình bốc cháy vẫn như cũ (thời gian cháy trễ vẫn gần như khơng đổi) trong khi
góc quay trục khuỷu đã dịch chuyển lớn hơn; tiến gần hơn tới điểm chết trên (TDC).
Nghĩa là góc quay của trục khuỷu sẽ tăng lên so với khi động cơ chạy với tốc độ 1000
v/ph. Nếu vẫn sử dụng thời điểm đánh lửa như trong mục cũ cho tốc độ 2000 v/ph thì
0

thời điểm mà động cơ sản ra áp lực nổ cực đại sẽ bị trễ hơn vị trí 10 ATDC.
0

Vì vậy, để sản ra áp lực nổ cực đại tại 10 ATDC khi động cơ đang chạy 2000
v/ph thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị trễ.
Quá trình định thời điểm đánh lửa này được gọi là đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ.
- Điều khiển theo tải trọng của động cơ.

Khi động cơ mang tải thấp thì áp lực nổ cực đại được coi là xuất hiện khoảng
0
10 sau điểm chết trên (ATDC), khi thời điểm đánh lửa tối ưu được đặt sớm 20 trước
điển chết trên (BTDC).
Khi tải trọng của động cơ tăng, mật độ hịa khí cũng tăng và giai đoạn lan
truyền ngọn lửa giảm xuống. Vì thế, nếu cứ sử dụng thời điểm đánh lửa như cũ thì thời
0

0

điểm mà động cơ sản ra áp suất cực đại sẽ xẫy ra sớm hơn (so với vị trí 10 ATDC đã
nêu trên); nghĩa là khơng cịn tối ưu trong việc sinh công.
0

Để sản ra áp lực nổ cực đại tại thời điểm 10 ATDC khi động cơ mang tải nặng
thì thời điểm đánh lửa phải muộn hơn so với thời điểm ban đầu đã nêu để bù lại cho sự


12
chuẩn bị hỗn hợp tốt và cháy sớm hơn so với điều kiện cũ. Ngược lại, khi tải trọng của
động cơ thấp thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn (tức là tăng góc đánh lửa sớm).
Trên hình 1.9 minh họa một số hình thay đổi góc đánh lửa sớm theo tốc độ và
theo tải động cơ (theo độ chân khơng đường ống nạp).

Hình 1.9 Điều khiển góc đánh lửa sớm
1.4. Kết luận:
Để có thể phát huy tối đa cơng suất của động cơ, hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu
phải được đốt cháy sao cho áp suất cháy tối đa xảy ra, đó là khoảng 10 độ sau điểm
chết trên (TDC). Tuy nhiên thời gian từ khi đốt cháy hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu đến
khi đạt được áp suất cháy tối đa thay đổi theo tốc độ động cơ và áp suất đường ống
nạp; hay nói cách khác là phụ thuộc vào tải động cơ.
Kết hợp hai đặc tính đánh lửa sớm theo tốc độ và theo tải, chúng ta có bản đồ
góc đánh lửa sớm lý tưởng theo tốc độ và tải động cơ. Thông thường bản đồ này được
thực hiện bằng thực nghiệm với khoảng 1000 đến 4000 điểm đánh lửa sớm ứng với
toàn bộ dãi làm việc từ min đến max của tốc độ cũng như tải động cơ như minh họa
trên hình 1.10.

Hinh 1.10: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng theo tốc độ và tải động cơ