ĐỀ tài NGHIÊN cứu hệ THỐNG ĐÁNH lửa TRỰC TIẾP ĐỘNG cơ 1TR FE TRÊN XE TOYOTA INNOVA 2010

QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ÔTÔ2 1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại hệ thống đánh lửa trên ô tô

Nhiệm vụ

Hệ thống đánh lửa chuyển đổi điện áp 12V thành các xung điện cao lên tới 40KV, và các xung này được phân bổ đến các bugi để tạo ra tia lửa điện, giúp đốt cháy nhiên liệu hiệu quả.

Yêu cầu

Hệ thống đánh lửa được làm việc tốt phải đảm bảo các yêu cầu sau:

 Hệ thống đánh lửa phải sinh ra sức điện động đủ lớn để phóng qua khe hở bugi trong tất cả các chế độ làm việc.

 Tia lửa điện trên bugi phải đủ năng lượng và thời gian để phóng để quá trình cháy đảm bảo

 Góc đánh lửa phải đúng trong mọi điều kiện làm việc của động cơ

 Các thành phần của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong mọi điều kiện làm việc.

 Sự mài mòn điện cực bugi phải nằm trong khoảng cho phép

Phân loại

Hệ thống đánh lửa ô tô đã tồn tại và phát triển trong suốt 75 năm qua, với những thay đổi chủ yếu chỉ ở phương thức đánh lửa và cách phân phối tia lửa Có thể phân loại hệ thống đánh lửa thành nhiều loại khác nhau.

Theo phương thức tích luỹ năng lượng có:

 Hệ thống đánh lửa điện cảm.

 Hệ thống đánh lửa điện dung

Phân loại theo kiểu ngắt mạch sơ cấp có:

 Hệ thống đánh lửa truyền thống (đánh lửa má vít).

 Hệ thống đánh lửa tranzistor(đánh lửa bán dẫn) gồm 2 loại:

+ Hệ thống đánh lửa bán dẫn điều khiển trực tiếp

+ Hệ thống đánh lửa được điếu khiển bằng kỹ thuật số.

Trong hệ thống điều khiển bán dẫn, có hai loại chính: loại có vít điều khiển và loại không có vít điều khiển Loại không có vít điều khiển bao gồm nhiều dạng khác nhau.

- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ loại loại nam châm đứng yên và loại nam châm quay.

- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến biến Hall.

- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến biến quang

- Trong HTDL điểu khiển băng kỹ thuật số có:

- Hệ thống đánh lửa theo chương trình.

- Hệ thống đánh lửa sử dụng bộ vi xử lý.

- Hệ thống đánh lửa kết hợp với hệ thống phun xăng điện tử.

Phân loại theo các phân bố điện cao áp có:

- Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện-delco.

- Hệ thống đánh lửa trực tiếp hay không có delco.

Phân loại theo phương pháp điều khiển góc đánh lửa sớm:

- Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ khí.

- Hệ thống đánh lửa với bộ điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử.

Các giai đoạn cháy của hòa khí

Sự bốc cháy của hỗn hợp hòa khí không diễn ra ngay lập tức sau khi đánh lửa; ban đầu, một khu vực nhỏ gần tia lửa bắt đầu cháy và quá trình này sau đó lan ra xung quanh Thời gian từ khi hỗn hợp hòa khí được đánh lửa đến khi xảy ra bốc cháy được gọi là giai đoạn cháy trễ, và giai đoạn này gần như không thay đổi và không bị ảnh hưởng bởi điều kiện làm việc của động cơ.

- Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

Sau khi hạt nhân ngọn lửa hình thành, ngọn lửa nhanh chóng lan truyền ra xung quanh với tốc độ được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa Khi nạp một lượng lớn hòa khí, mật độ hỗn hợp này tăng lên, dẫn đến khoảng cách giữa các hạt giảm và tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng Hơn nữa, nếu luồng hỗn hợp hòa khí xoáy lốc mạnh, tốc độ lan truyền ngọn lửa cũng sẽ cao hơn Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần định thời đánh lửa sớm khi tốc độ lan truyền ngọn lửa cao, do đó việc điều chỉnh thời điểm đánh lửa theo điều kiện làm việc của động cơ là rất quan trọng.

Lý thuyết chung về hệ thống đánh lửa trên ô tô

Hệ thống đánh lửa chuyển đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều với thế hiệu thấp thành dòng điện cao áp, tạo ra tia lửa giữa hai điện cực của bugi để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu Quá trình đánh lửa bao gồm ba giai đoạn: tích lũy năng lượng từ dòng sơ cấp, ngắt dòng sơ cấp, và xuất hiện tia lửa điện tại cực bugi Giai đoạn tăng dòng sơ cấp diễn ra khi KK’ đóng.

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa

Trong sơ đồ trên gồm có:

Rf là điện trở phụ, R1 là điện trở cuộn sơ cấp, và L1, L2 đại diện cho độ tự cảm của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp T là transistor công suất, được điều khiển bởi tín hiệu từ cảm biến hoặc vít lửa.

Ta có thể chuyển sơ đồ mạch điện sơ cấp thành sơ đồ tương đương như bên dưới.

Khi KK' đóng, sẽ có dòng sơ cấp i1 chạy theo mạch:

(+)AQ  Kđ Rf W1 Cần tiếp điểm 2  KK'  (-)AQ

Hình 1 2Sơ đồ tương đương mạch sơ cấp của hê ̣ thống đánh lửa

Dòng điện trong mạch sơ cấp tăng từ 0 đến một giá trị giới hạn do điện trở của mạch Trong giai đoạn này, mạch thứ cấp được coi là hở Nhờ vào suất điện động tự cảm, dòng điện i1 không thể tăng ngay lập tức mà sẽ tăng dần theo thời gian Trong quá trình này, ta có thể thiết lập một phương trình mô tả sự gia tăng của dòng sơ cấp.

Ung + eL1 = i1.R1 (1 1) Trong đó: Ung - Thế hiệu của nguồn điện (ắc quy hoặc máy phát) [V]. eL1 - SĐĐ tự cảm trong cuộn sơ cấp [V].

R1 - Điện trở thuần của mạch sơ cấp [].

Mà: e L1 =−L 1 di 1 dt ⇒ U ng −L 1 di 1 dt =i 1 R 1

(1.2)Giải phương trình vi phân (1.2) ta xác định được: i 1 = U ng

(1.3) Trong đó: t - Thời gian tiếp điểm đóng [s] τ 1 = L 1

R 1 - Hằng số thời gian của mạch sơ cấp

Biểu thức (1.3) cho thấy: Dòng sơ cấp tăng theo quy luật đường tiệm cận

Khi t=0 (tiếp điểm vừa đóng lại) thì i1 = 0 và di 1 dt = U ng

Khi t= (tiếp điểm đóng rất lâu) thì: i 1 = U ng

Tốc độ gia tăng dòng sơ cấp phụ thuộc vào giá trị của Ung và L1, trong đó, L1 càng lớn thì tốc độ tăng dòng sơ cấp càng giảm Tốc độ này đạt giá trị cực đại tại thời điểm tiếp điểm bắt đầu đóng (t=0).

Giá trị nhỏ nhất của tốc độ tăng dòng sơ cấp (di/dt) được xác định bởi thời điểm mở tiếp điểm và trong quá trình hoạt động của hệ thống đánh lửa, tốc độ này không bao giờ giảm xuống 0 Thời gian tiếp điểm đóng ngắn khiến dòng sơ cấp không đạt giá trị ổn định Giá trị cực đại mà dòng sơ cấp có thể đạt được (i1max) phụ thuộc vào điện trở mạch sơ cấp và thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng Khi thay giá trị t = tđ vào phương trình (1.3), ta có thể xác định được i1max = I1ng = U ng.

Quá trình tăng dòng sơ cấp i1 cho thấy rằng bô bin của xe đời cũ có độ tự cảm lớn, dẫn đến tốc độ tăng dòng sơ cấp chậm hơn so với bô bin của xe đời mới với độ tự cảm nhỏ Điều này gây ra hiện tượng lửa yếu khi xe di chuyển ở tốc độ cao Tuy nhiên, vấn đề này đã được khắc phục trên xe đời mới nhờ vào việc sử dụng bô bin có độ tự cảm nhỏ hơn.

Trong đó: I1ng - Giá trị dòng sơ cấp khi tiếp điểm mở [A] tđ - Thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng [s]

Thời gian đóng tiếp điểm tương đối, ký hiệu là T ck, được xác định bằng công thức T ck = (tđ + tm), trong đó tm là thời gian tiếp điểm ở trạng thái mở Thời gian tiếp điểm đóng có thể tính toán theo công thức: t d = τ d T ck = τ d.

- Tần số đóng mở của tiếp điểm

Trong 2 vòng quay của trục khuỷu, tức là trong thời gian (60/ne)x 2 giây, tiếp điểm cần đóng mở Z lần để thực hiện đánh lửa Do đó, trong 1 giây, tiếp điểm phải đóng mở Z/(120/ne) lần, hay f = (neZ/120).

Z - Số xy lanh của động cơ 4 kỳ. ne - Số vòng quay của động cơ [vg/phút]

- Giá trị dòng I1ng phụ thuộc các thông số của mạch sơ cấp (R1 và L1).

I1ng sẽ giảm khi số vòng quay và số xy lanh động cơ tăng, nhưng lại tăng khi thời gian đóng tiếp điểm tương đối được kéo dài Thời gian này phụ thuộc vào dạng cam và cách điều chỉnh tiếp điểm Tuy nhiên, thời gian đóng không nên vượt quá 0,63, vì nếu không, cam sẽ trở nên quá nhọn, gây ra rung động và va đập, dẫn đến sự mài mòn nhanh chóng của tiếp điểm trong quá trình hoạt động.

1.3.1 Quá trình ngắt dòng sơ cấp

Khi transistor công suất ngắt, dòng điện sơ cấp và từ thông giảm đột ngột, dẫn đến việc cuộn thứ cấp của bô bin sinh ra hiệu điện thế khoảng 15kV đến 40kV Giá trị hiệu điện thế thứ cấp phụ thuộc vào nhiều thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp Để tính toán hiệu điện thế thứ cấp cực đại, cần sử dụng sơ đồ tương đương.

Rm - Điện trở mất mát []

Rr- Điện trở rò qua điện cực bugi []

Hình 1 4Sơ đồ tương đương của hê ̣ thống đánh lửa

Khi transistor công suất ngắt, hiệu điện thế ắc quy có thể bị bỏ qua vì nó rất nhỏ so với sức điện động tự cảm xuất hiện trên dòng sơ cấp Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn sơ cấp của bô bin được chuyển đổi thành năng lượng điện trường trên tụ điện C1 và C2, tuy nhiên một phần năng lượng sẽ bị mất mát Để xác định hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m, cần lập phương trình cân bằng tại thời điểm transistor công suất ngắt.

Trong đó: C1 - Điện dung của tụ điện mắc song song với transistor công suất [F]

C2 - Điện dung ký sinh của mạch thứ cấp [F]

U1m, U2m - Hiệu điện thế sơ cấp, thứ cấp lúc transistor công suất ngắt [V]

Q - Tổn thất dưới dạng nhiệt [J]

Kbb= W1/W2 - Hệ số biến áp của bô bin.

W1,W2 - Số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [vòng]

Sau khi biến đổi ta nhận được:

': Hệ số tính đến sự giảm U2 do tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt trong cả hai mạch sơ cấp và thứ cấp ('=0,75 0,85).

Transistor công suất ngắt, cuộn sơ cấp sẽ sinh ra một sức điện động khoảng

1.3.2 Quá trình phóng điện ở điện cực bugi

Khi điện áp U2 đạt giá trị Uđl, tia lửa điện cao thế sẽ xuất hiện giữa các điện cực của bugi Sự xuất hiện của tia lửa điện dẫn đến việc U2 giảm đột ngột trước khi đạt giá trị cực đại.

Hình 1 6Sự thay đổi hiê ̣u điê ̣n thế U 2 khi phóng tia lửa điê ̣n

Phần điện dung xuất hiện ở giai đoạn đầu của quá trình phóng điện, thể hiện qua sự phóng tĩnh điện do năng lượng điện trường tích lũy trong điện dung C1 và C2 của hệ thống đánh lửa Tia lửa điện dung phát ra có màu xanh lam đặc trưng.

Quy luật biến đổi dòng điện sơ cấp i1 và hiệu điện thế thứ cấp U2 có nhiệt độ cao tới 10,000 °C, tạo ra công suất tức thời lớn, có thể lên tới hàng chục kW Tuy nhiên, thời gian tồn tại của tia lửa chỉ dưới 1 micro giây, dẫn đến năng lượng điện trường không lớn Đặc trưng của tia lửa điện dung là tiếng nổ lách tách với tần số dao động từ 10^6 đến 10^7 Hz, gây ra nhiễu xạ vô tuyến mạnh.

Tia lửa điện dung làm giảm đột ngột điện thế U2 xuống còn khoảng 1500 2000V Sự xuất hiện của tia lửa trước khi U2 đạt giá trị cực đại cho thấy rằng phần tia lửa điện dung chỉ tiêu tốn một phần năng lượng từ trường tích lũy trong biến áp đánh lửa.

Các thống số cơ bản của hê ̣ thống đánh lửa

1.4.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại

Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m là giá trị đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi dây cao áp được tách ra khỏi bugi Để tạo ra tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, hiệu điện thế thứ cấp cực đại cần đạt mức đủ lớn, đặc biệt trong quá trình khởi động.

1.4.2 Hiệu điện thế đánh lửa U đl

Hiệu điện thế đánh lửa (Uđl) là mức điện áp tại đó quá trình đánh lửa diễn ra, và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố theo định luật Pasen.

Trong đó: Uđl – Hiê ̣u điê ̣n thế đánh lửa [V]

P - Áp suất hỗn hợp hòa khí tại thời điểm đánh lửa [N/m 2 ]

 - Khoảng cách giữa các điện cực [m]

T - Nhiệt độ ở điện cực bugi tại thời điểm đánh lửa [ 0 K ]

K - Hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí

Hình 1 7Sự phụ thuộc của hiê ̣u điê ̣n thế đánh lửa vào tốc độ và tải động cơ

Khi khoảng cách giữa các điện cực tăng và áp suất hỗn hợp hòa khí cao hơn, thế hiệu đánh lửa sẽ tăng lên Tuy nhiên, khi nhiệt độ trong xy lanh tăng, quá trình ion hóa hỗn hợp khí diễn ra, dẫn đến việc thế hiệu đánh lửa giảm Trong chế độ khởi động lạnh, nhiệt độ của thành xy lanh và các điện cực còn thấp, khiến cho hỗn hợp khí hút vào không đủ nóng và nhiên liệu không kịp bay hơi Những hạt nhiên liệu chưa bay hơi này rơi vào không gian giữa các điện cực, làm tăng điện áp đánh lửa (Uđl).

(15% 20%) Sự tăng số vòng quay của động cơ, lúc đầu làm tăng một chút

Uđl do tăng áp suất nén (lọt khí giảm), nhưng sau đó Uđl giảm vì hệ số nạp giảm và nhiệt độ bugi tăng [11].

Khi tải động cơ tăng, bướm ga mở rộng, dẫn đến việc hỗn hợp nhiên liệu và không khí vào xy lanh nhiều hơn, từ đó làm tăng áp suất nén và công suất của động cơ.

- Yếu tố thứ nhất làm tăng Uđl

Yếu tố thứ hai làm giảm Uđl là do sự gia tăng công suất dẫn đến tăng nhiệt độ Tuy nhiên, ảnh hưởng của yếu tố này không mạnh bằng yếu tố đầu tiên, vì vậy, khi phụ tải tăng, Uđl vẫn tiếp tục tăng.

Sau một thời gian sử dụng, điện cực bugi sẽ bị mài mòn, dẫn đến việc khe hở bugi tăng lên và làm tăng Uđl Do đó, cần phải điều chỉnh lại khe hở bugi sau một thời gian hoạt động để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ.

Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ, tính từ khi tia lửa điện xuất hiện tại bugi cho đến khi pít tông đạt điểm chết trên Yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến công suất, tính kinh tế và mức độ ô nhiễm khí thải của động cơ Để đạt được góc đánh lửa sớm tối ưu, cần xem xét nhiều yếu tố khác nhau như áp suất, nhiệt độ và tốc độ động cơ.

Áp suất trong buồng cháy tại thời điểm đánh lửa (pbđ) được đo bằng đơn vị Pascal (Pa), trong khi nhiệt độ buồng cháy (tbđ) được tính bằng độ Celsius (°C) Áp suất trên đường ống nạp (p) cũng sử dụng đơn vị Pascal (Pa) Nhiệt độ nước làm mát động cơ (twt) được ghi nhận bằng độ Celsius (°C), và số vòng quay của động cơ (n) được tính bằng vòng/phút.

No - Chỉ số octan của xăng

Thời điểm đánh lửa xảy ra sớm hơn hay muộn hơn thời điểm tối ưu đều làm giảm công suất và chất lượng của động cơ:

Nếu đánh lửa quá sớm, hỗn hợp cháy hoàn toàn trong quá trình nén, dẫn đến áp suất tăng do khí cháy giãn nở, cản trở chuyển động của pít tông lên ĐCT Hệ quả là công suất của khí nén trở thành công âm, làm giảm hiệu suất và tính kinh tế của động cơ, đồng thời tăng tải trọng lên các chi tiết pít tông và thanh truyền Hiện tượng này thể hiện qua tiếng gõ kim loại, giảm công suất động cơ và làm việc không ổn định.

Nếu đánh lửa quá muộn, quá trình cháy sẽ diễn ra trong kỳ giãn nở, dẫn đến việc nhiên liệu có thể không cháy hết trong xy lanh và tiếp tục cháy ở ống xả Hệ quả là động cơ sẽ nóng hơn do thể tích vùng cháy và nhiệt truyền cho nước làm mát tăng, đồng thời công suất động cơ cũng sẽ giảm.

Mức tải của động cơ ảnh hưởng đáng kể đến góc đánh lửa sớm Khi bướm ga được mở rộng, lượng hỗn hợp vào xy lanh tăng lên, dẫn đến áp suất và nhiệt độ khí nén cao hơn, đồng thời giảm tỷ lệ khí sót, từ đó làm tăng tốc độ cháy Do đó, khi tải trọng động cơ tăng, góc đánh lửa sớm sẽ giảm và ngược lại.

1.4.4 Hệ số dự trữ K dt

Hệ số dự trữ là tỷ lệ giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m và hiệu điện thế đánh lửa Uđl Việc duy trì hệ số dự trữ là cần thiết để đảm bảo rằng hiệu điện thế đánh lửa luôn nằm trong giới hạn yêu cầu.

Hệ số dự trữ của động cơ với hệ thống đánh lửa truyền thống thường thấp hơn so với động cơ xăng hiện đại sử dụng hệ thống đánh lửa điện tử Điều này là do hiệu điện thế U2m của hệ thống đánh lửa truyền thống thường nhỏ, trong khi hệ thống đánh lửa hiện đại có hệ số dự trữ cao hơn để đáp ứng yêu cầu tăng tỉ số nén, tăng số vòng quay và khe hở bugi.

1.4.5 Năng lượng dự trữ W dt

Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích lũy trong từ trường của cuộn dây sơ cấp bô bin Để tạo ra tia lửa đủ mạnh đốt cháy hoàn toàn khí, hệ thống đánh lửa cần duy trì năng lượng đánh lửa trên cuộn sơ cấp bô bin ở mức xác định.

Trong đó: Wdt - Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp [W.s]

L1 - Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bô bin [H]

Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt có sự thay đổi đáng kể Trong chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa dao động từ 20 đến 30% do nhiệt độ cực bugi thấp Khi động cơ tăng tốc, điện áp đánh lửa tăng lên do áp suất nén gia tăng, nhưng nhiệt độ lại giảm dần do nhiệt độ điện cực bugi tăng và áp suất nén giảm do quá trình nạp không hiệu quả Hiệu điện thế đánh lửa đạt giá trị cực đại trong chế độ khởi động và tăng tốc, trong khi ở chế độ ổn định, giá trị này giảm xuống mức tối thiểu khi công suất đạt cực đại.

1.4.6 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp

Giới thiê ̣u sơ lược về các loại hê ̣ thống đánh lửa trên xe ô tô ngày nay

*Sơ đồ hệ thống đánh lửa má vít

Hệ thống đánh lửa bao gồm các thiết bị chính như biến áp đánh lửa (bôbin), điện trở phụ, bộ chia điện, bugi đánh lửa, khóa điện và nguồn điện một chiều (ắc quy hoặc máy phát) Sơ đồ chi tiết của hệ thống này được trình bày trong hình 1.8.

 Cấu tạo đơn giản, ít chi tiết, dễ dàng lắp đặt, vận hành và sữa chữa.

 Cấu tạo và vận hành hệ thống bằng cơ khí điện tử nên có tính ổn định tương đối cao.

 Không yêu cầu khắc khe trong quá trình lắp đặt, có thể mang tính chính xác tương đối.

Hình 1 8 Sơ đồ hệ thống đánh lửa má vít

Sử dụng các tiếp điểm cơ khí có thể dẫn đến sai lệch góc đánh lửa, và khi hoạt động lâu dài, chúng dễ bị mài mòn và cháy rỗ do ảnh hưởng của dòng điện lớn.

 Khó thay đổi kịp thời góc đánh lửa cho phù hợp với từng chế độ hoạt đông của động cơ.

 Cấu tạo các bộ tự động điều chỉnh phức tạp.

 Chất lượng đánh lửa ở số vòng quay cao giảm do thời gian đóng tiếp điểm cơ khí ngắn hơn, dòng điện qua cuộn dây sơ cấp giảm.

 Ít được sử dụng ngày nay vì hiệu năng làm việc không ổn định.

1.5.2 Hê ̣ thống đánh lửa bán dẫn

Hầu hết ô tô ngày nay đều sử dụng hệ thống đánh lửa bán dẫn, nhờ khả năng tạo ra tia lửa mạnh tại điện cực bugi Hệ thống này không chỉ đáp ứng tốt các chế độ làm việc của động cơ mà còn có tuổi thọ cao.

Hình 1 9 Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn a Ưu điểm:

- Sử dụng Transistor để đóng ngắt dòng điện nên tránh được hiện tượng cháy rỗ của các tiếp điểm cơ khí Tăng tuổi thọ hệ thống đánh lửa

- Kết cấu đơn giản, dễ bảo hành, sữa chữa và thay thế, giá thành rẻ.

- Đáp ứng tốt từng chế độ vận hành của động cơ. b Nhược điểm:

Chỉ nên sử dụng cho các động cơ có tốc độ thấp, vì tốc độ cao sẽ khiến transistor đóng cắt không hiệu quả, dẫn đến giảm điện áp trong cuộn dây và làm nhanh mòn tiếp điểm.

- Chất lượng đánh lửa giảm khi tăng hiệu điện thế nguồn, dòng điện qua cuộn sơ cấp giảm, hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp giảm.

1.5.3 Hê ̣ thống đánh lửatrực tiếp

Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp (ĐLTT), bộ chia điện đã được loại bỏ, thay vào đó là bộ coil đôi hoặc đơn và IC đánh lửa cho hai xylanh hoặc riêng biệt cho từng xylanh Hệ thống ĐLTT được chia thành hai loại khác nhau.

Hình 1 10 Hai loại hệ thống đánh lửa trưc tiếp a Loại sử dụng bobine đôi:

Hình 1 11 Hệ thống đánh lửa trực tiếp dùng bobine đôi

 Dây cao áp ngắn giảm tổn thất năng lượng, giảm điện dung ký sinh,giảm nhiễu vô tuyến

 Không có bộ phận phân phối điện ápkhông còn khe hở đường dẫn cao áp

 Bỏ được các chi tiết dễ hư hỏng: chổi than, bộ phân phối,nắp chia điện,

 Dùng bobine đôi giảm số lượng bobine, giảm chân điều khiển ECU  Giá thành rẻ hơn

 Cấu tạo phức tạp, chi phí bảo dưỡng cao

 Hệ thống cần nhiều cảm biến, nếu hỏng 1 trong số chúng có thể gián đoạn làm viêc hoặc không làm việc được

 Dùng bobine đôi nên trong thời kỳ không cần thiết làm tiêu thụ nhiều năng lựơng b Loại dùng bobine đơn

 Không có dây cao áp nên giảm tổn thất năng lượng

 Không còn bộ chia điện giảm chi phí, bảo dưỡng,sửa chữa

 Mỗi bobin được điều khiển riêng biệt bởi một chân của ECU có khả năng hoạt động độc lập.

 Thời điểm đánh lửa chính xác và tối ưu theo mọi chế độ làm việc nên tăng hiệu suất của động cơ.

 Cấu tạo phức tạp, một bobin dùng cho 1 xylanhGiá thành cao

 Tổn nhiều chân điều khiển của ECU.

 Yêu cầu nguồn điện cung cấp phải ổn định.

Hình 1 12 Hệ thống đánh lửa trực tiếp dùng bobine đơn

 Công nghệ chế tạo khó khăn.

Chương 1đã nêu lên được tổng quan nhất về những điểm mà một hệ thống đánh lửa cần có,bao gồm:

- Nếu được nhiệm vụ, yêu cầu phân loại các hệ thống đánh lửa hiện nay.

- Đưa ra được các cơ sở lý thuyết chung về các hệ thống đánh lửa.

- Giới thiệu một vài hệ thống đánh lửa phổ biến trên các xe hiện đại ngày nay.

KẾT CẤU & NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC HT ĐÁNH LỬA TRỰC TIẾP ĐỘNG CƠ 1TR-FE TRÊN XE TOYOTA INNOVA 2010

Giới thiệu chung về xe Toyota Innova 2010

2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của xe Toyota Innova tại Việt Nam.

Vào tháng 1 năm 2016, Toyota Innova đã chính thức ra mắt tại thị trường Việt Nam, thay thế cho dòng xe Toyota Zace đã lỗi thời Mẫu xe mới này được cung cấp với hai phiên bản G và J, cả hai đều sử dụng hộp số sàn.

Hình 2 1Xe Toyota Innova năm 2006 lần đầu tiên ra mắt tại Việt Nam

Năm 2008, Toyota Innova tại Việt Nam đã được nâng cấp lần đầu tiên, trong đó hãng đã bổ sung thêm phiên bản V với hộp số tự động 4 cấp, mang đến nhiều sự lựa chọn hơn cho người tiêu dùng.

Mặc dù Innova 2010 có nhiều thay đổi về ngoại hình và nội thất, nhưng động cơ và hệ thống truyền lực vẫn giữ nguyên Xe Innova 2010 tiếp tục sử dụng cấu hình động cơ 1TR-FE và 7KE từ thế hệ cũ Trong bài viết này, chúng ta sẽ nghiên cứu sâu về động cơ 1TR-FE, đặc biệt là hệ thống đánh lửa DIS (Distributorless ignition system).

Vào năm 2016, Toyota Innova đã có sự ra mắt hoàn toàn mới với nhiều cải tiến đáng chú ý Thế hệ mới này được trang bị động cơ xăng VVT-i 2.0L, mang lại công suất 102 kW tại 5.600 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 183 Nm tại 4.000 vòng/phút Xe có tùy chọn hộp số sàn 5 cấp hoặc hộp số tự động 6 cấp, thể hiện sự nâng cấp vượt bậc trong hệ thống động lực của mẫu xe này.

Toyota Innova 2021 đã được nâng cấp với thiết kế ngoại hình mới mẻ, trang bị công nghệ hiện đại và cải thiện tính năng an toàn Là một trong những mẫu xe đa dụng rộng rãi, tiện nghi và an toàn, Toyota Innova luôn nằm trong Top 10 xe bán chạy nhất tại Việt Nam trong nhiều năm qua.

Hình 2 3Toyota Innova 2021 mới nhất tại Việt NamHình 2 2Hình ảnh chiếc xe Toyota Innova được ra mắt năm 2010

2.1.2 Thông số kỹ thuật động cơ 1TR-FE lắp trên Toyota Innova 2010

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật cơ bản động cơ 1TR-FE Động cơ 1TR-FE

Sô xy lanh và các bố trí 4-xy lanh thẳng hàng

Cơ cấu phân phối khí

16-xu páp, cam kép DOHC có VVT-I, dẫn động xích

Dung tích xy lanh [cm3] 1,998 duong kính xy lanh x hành trình [mm] 86.0 x 86.0

Hệ thống nhiên liệu L-EFI

Hệ thống đánh lửa DIS

Công suất phát tối đa SAE-NET [HP/RPM] 134 / 5,600

Mô men xoắn tối đa SAE-NET

Các thành phần chính hệ thống đánh lửa trực tiếp động cơ 1TR-FE

Hệ thống đánh lửa của động cơ 1TR-FE trên xe TOYOTA INNOVA sử dụng công nghệ đánh lửa trực tiếp với một cuộn đánh lửa và IC đánh lửa độc lập cho mỗi xy lanh, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng độ bền nhờ việc loại bỏ bộ chia điện và dây cao áp Hệ thống này cũng giảm thiểu nhiễu điện từ do không sử dụng tiếp điểm trong khu vực cao áp, đảm bảo hoạt động chính xác theo chế độ làm việc của động cơ.

2.2.1 Các cảm biến và tín hiệu đầu vào ( INPUT)

2.2.1.1 Cảm biến vị trí trục khuỷu (Crankshaft Position Sensor)

Hình 2 4Các thành phần cơ bản trên hệ thống đánh lửa trên động cơ 1TR-FE

Cảm biến vị trí trục khuỷu có chức năng phát hiện vị trí và tốc độ của trục khuỷu trong động cơ Thiết bị này cung cấp tín hiệu NE cho ECU, giúp điều khiển hoạt động của động cơ một cách chính xác.

G để tính toán thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản.

Cảm biến gồm ba bộ phận chính: cuộn dây cảm ứng, nam châm vĩnh cửu và rotor để khép mạch từ Rotor tín hiệu NE có 34 răng và hai răng khuyết, giúp phát hiện góc trục khuỷu nhưng không xác định được điểm chết trên của chu kỳ nén hay điểm chết trên cuối xả đầu hút ECU động cơ kết hợp tín hiệu NE với tín hiệu G để xác định chính xác góc trục khuỷu.

–Vị trí của cảm biến:cảm biến nằm ở đầu máy, đuôi bánh đà hoặc giữa lock máy.

2.2.1.2.Cảm biến vị trí trục cam( Camshaft Position Sensor )

Cảm biến vị trí trục cam đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ, giúp ECU xác định điểm chết trên của máy số 1 và vị trí của trục cam Tín hiệu từ cảm biến này cho phép xác định chính xác thời điểm đánh lửa cho động cơ xăng và thời điểm phun nhiên liệu cho động cơ phun dầu điện tử Common rail.

Cảm biến vị trí trục cam có cấu tạo tương tự như cảm biến vị trí trục khuỷu, nhưng với rôto tín hiệu chỉ có 3 răng Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các vấu nhô ra trên trục cam và cảm biến sẽ thay đổi, tạo ra điện áp trong cuộn dây nhận tín hiệu gắn liền với cảm biến Kết quả là tín hiệu điện áp G được sinh ra.

Cảm biến vị trí trục khuỷu gửi thông tin về ECU động cơ, kết hợp với tín hiệu NE để xác định điểm chết cuối nén và phát hiện góc quay trục khuỷu ECU sử dụng dữ liệu này để điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa chính xác.

–Vị trí của cảm biến:Trên nắp dàn cò hoặc gang bên cạnh nắp dàn cò

2.2.1.3.Cảm biến vị trí bướm ga ( Throttle Position Sensor )

Cảm biến vị trí bướm ga có vai trò quan trọng trong việc xác định độ mở của bướm ga, từ đó gửi thông tin đến bộ xử lý trung tâm Thông qua dữ liệu này, hệ thống có thể điều chỉnh lượng phun nhiên liệu một cách tối ưu, phù hợp với độ mở của bướm ga.

- Cấu Tạo:Cảm biến trên xe TOYOTA INNOVA này là loại tuyến tính [8].

Cảm biến sử dụng một phần tử hiệu ứng từ để phát ra tín hiệu chính xác, bao gồm hai mạch cảm nhận là VTA1 và VTA2 VTA1 phát hiện góc mở bướm ga, trong khi VTA2 kiểm tra trục trặc của VTA1 Điện áp tín hiệu của cảm biến thay đổi từ 0V đến 5V theo tỷ lệ với góc mở bướm ga và được truyền đến cực VTA của ECU.

Khi bướm ga đóng, điện áp từ cảm biến giảm, và khi bướm ga mở, điện áp tăng ECU sử dụng những tín hiệu này để tính toán góc mở bướm ga và điều khiển bộ chấp hành tương ứng.

Cảm biến vị trí trục cam là một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ, cung cấp tín hiệu cần thiết cho các phép tính như hiệu chỉnh tỷ lệ không khí – nhiên liệu, tối ưu hóa công suất và điều khiển cắt nhiên liệu.

–Vị trí của cảm biến:Cảm biến vị trí bướm ga được lắp đặt trên cổ họng gió, trên trục của bướm ga.

2.2.1.4 Cảm biến kích nổ ( Knock Sensor )

Cảm biến kích nổ (Knock Sensor) có chức năng đo tiếng gõ trong động cơ và gửi tín hiệu điện áp về ECU ECU sẽ phân tích tín hiệu này để điều chỉnh góc đánh lửa sớm, từ đó giảm thiểu tiếng gõ do va đập các chi tiết cơ khí trong động cơ gây ra bởi hiện tượng kích nổ.

Cảm biến kích nổ thường được làm từ vật liệu áp điện, chủ yếu là tinh thể thạch anh Những vật liệu này có khả năng sinh ra điện áp khi chịu áp lực, tạo thành phần tử áp điện (piezoelement) trong cảm biến.

Hình 2 7 Cảm biến vị trí bướm ga

Hệ thống ECU động cơ được thiết kế để phát hiện hiện tượng kích nổ thông qua hoạt động cảm biến kích nổ, với tần số riêng là 7kHz, trùng khớp với tần số rung của động cơ Khi xảy ra kích nổ, tinh thể thạch anh chịu áp lực lớn nhất và tạo ra điện áp nhỏ hơn 2,4 V Tín hiệu điện áp này cho phép ECU nhận diện hiện tượng kích nổ, từ đó điều chỉnh giảm góc đánh lửa cho đến khi hiện tượng này ngừng lại, sau đó ECU có thể tăng lại thời điểm đánh lửa sớm.

-Vị trí của cảm biến : gắn trên thân xylanh hoặc nắp máy

2.2.1.5 Cảm biến ô xy ( Oxygen Sensor )

Cảm biến ô xy có nhiệm vụ theo dõi và ghi nhận lượng oxi còn lại trong khí thải, gửi thông tin về ECU động cơ Khi lượng oxi cao, điều này cho thấy hỗn hợp khí nghèo xăng, và ECU sẽ điều chỉnh để phun thêm xăng Ngược lại, nếu lượng oxi thấp, điều này cho thấy hỗn hợp khí giàu xăng, ECU sẽ giảm lượng xăng phun.

Cảm biến oxy được cấu tạo với thân cảm biến giữ trong một chân có ren, bao ngoài bằng ống bảo vệ và kết nối với các đầu dây điện Phần tử bên trong cảm biến làm bằng zirconi ôxit (ZiO2), một loại gốm, được bọc một lớp platin mỏng ở cả hai mặt Không khí xung quanh được dẫn vào bên trong cảm biến, trong khi bề mặt ngoài tiếp xúc với khí thải Khi ở nhiệt độ cao khoảng 300 độ C hoặc hơn, phần tử zirconi tạo ra điện áp do sự chênh lệch nồng độ oxy giữa bên trong và bên ngoài cảm biến.

Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ 1TR-FE của xe TOYOTA INNOVA 2010

Sơ đồ mạch có cấu tạo gồm 3 phần chính

1) Nguồn cung cấp điện& tín hiệu đầu vào: mạch được cung cấp điện khi bật khóa điện ON Hệ thống được bảo vệ tránh hư hỏng bởi một cầu chì 15A Bên cạnh đó là một hệ thống cảm biến như hình 2.18.

2) Bộ xử lý điều khiển đánh lửa(ECU) đây là bộ xử lý nhận các tín hiệu được chuyển đổi thành điện áp từ các cảm biến được gửi đến, tính toán thời điểm đánh lửa phù hợp và gửi tín hiệu đánh lửa đến bộ chấp hành IGT.

3) Bộ chấp hành: Gồm 4 bobin được phân ra các máy của động cơ Các bobbin được cung cấp điện tại chân B+ với mức điện áp 12V Phần mát của bobin được nối từ chân GND ra mát xe Chân IGT tín hiệu đánh lửa được ECU điều khiển thời điểm đánh lửa Chân IGF tín hiệu đánh lửa phản hồi từ IC gửi về hộp thông báo tình trạng làm việc của bobin.

ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa trên tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam (G) và cảm biến vị trí trục khuỷu (NE), cùng với các tín hiệu từ các cảm biến khác Sau khi xác định được thời điểm đánh lửa, ECU động cơ sẽ điều chỉnh hoạt động để tối ưu hóa hiệu suất.

Hệ thống đánh lửa cơ sẽ gửi tín hiệu IGT dưới dạng xung tới IC đánh lửa theo thứ tự đánh lửa của động cơ Khi tín hiệu IGT được truyền đến IC đánh lửa, dòng điện đã được cung cấp vào cuộn sơ cấp.

Khi tín hiệu xung IGT bị ngắt, dòng điện trong cuộn sơ cấp cũng bị ngắt đột ngột, dẫn đến việc tạo ra điện áp cao từ cuộn thứ cấp Điện áp này sẽ được dẫn đến bugi và gây ra hiện tượng đánh lửa.

Cuộn đánh tạo ra điện áp cao để ngăn chặn tia hồ quang điện giữa hai điện cực của bugi Cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh một lõi, trong đó số vòng dây của cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp khoảng 100 lần Một đầu dây của cuộn sơ cấp kết nối với IC đánh lửa, trong khi đầu còn lại của cuộn thứ cấp được nối với bugi Các đầu còn lại của các cuộn được kết nối với ắc quy.

Khi động cơ hoạt động, dòng điện từ ắc quy được truyền qua IC đánh lửa và vào cuộn sơ cấp, đồng thời nhận tín hiệu thời điểm đánh lửa IGT do ECU động cơ phát ra.

Kết quả là các đường sức từ trường được tạo ra chung quang cuộn dây có lõi ở trung tâm.

Khi động cơ quay, ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến như cảm biến trục cam và cảm biến vị trí trục khuỷu ECU xử lý các dữ liệu này và gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa, làm ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp Kết quả là từ thông của cuộn sơ cấp giảm, tạo ra sức điện động chống lại sự giảm này thông qua tự cảm và cảm ứng tương hỗ Hiệu ứng tự cảm tạo ra khoảng 500V trong cuộn sơ cấp, trong khi hiệu ứng cảm ứng tương hỗ của cuộn thứ cấp tạo ra khoảng 30kV, dẫn đến việc bugi phát ra tia lửa điện Dòng sơ cấp lớn và sự ngắt dòng nhanh chóng sẽ tạo ra điện thế thứ cấp lớn hơn.

Chương 2 đã cho thấy được những yếu tô cơ bản trên xe Toyota Innova

Bài viết này tập trung vào hệ thống đánh lửa của xe Toyota Innova 2010, bao gồm các thành phần cơ bản như khối tín hiệu đầu vào, khối xử lý thông tin và khối chấp hành Nó làm rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa trực tiếp và phân tích mạch điện điều khiển đánh lửa trên mẫu xe này, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức hoạt động của hệ thống.

CHƯƠNG 3: HƯ HỎNG , SỬA CHỮA VÀ BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ 1TR-FE

Những hư hỏng thường gặp trong hệ thống đánh lửa

Biến áp trong hệ thống đánh lửa xe hơi rất quan trọng và thường gặp sự cố như chập mạch, gây cháy biến áp, cháy nắp biến áp hoặc điện trở phụ Những hư hỏng này có thể dẫn đến vỡ, nứt nắp biến áp Do đó, cần kiểm tra và thay thế kịp thời để tránh hư hại cho các bộ phận liên quan.

Khi bugi sử dụng lâu ngày, có thể gặp phải một số hư hỏng như bể đầu sứ, mòn điện cực, chảy điện cực, đánh lửa không đúng tâm, và bám muội than, làm giảm khả năng đánh lửa Do đó, khi phát hiện bugi hư hỏng, cần thay thế kịp thời và kiểm tra hoạt động của các bộ phận trong hệ thống đánh lửa để sửa chữa và thay thế khi cần thiết.

Hình 3 2Một số bugi bị hỏng

3.1.3 Bộ cảm biến bị hỏng

Hệ thống đánh lửa của ô tô có thể gặp sự cố khi bộ phận cảm biến và bộ điều khiển hỏng hoặc hoạt động sai lệch, dẫn đến tình trạng xe bị chết máy Để khắc phục lỗi, hãy kiểm tra giắc cắm và dây nối cảm biến từ bộ cảm biến trong hệ thống đánh lửa.

Các hư hỏng thường gặp của biến áp bao gồm chập mạch các vòng dây, cháy biến áp, cháy nắp biến áp và cháy điện trở phụ Ngoài ra, tác động cơ học có thể gây bể hoặc nứt nắp biến áp Do đó, việc kiểm tra và thay thế các bộ phận hư hỏng là cần thiết.

Hình 3 3 Kiểm tra hư hỏng các cảm biến trên xe

Chuẩn đoán và kiểm tra - sửa chữa hệ thống đánh lửa trực tiếp

Bảng triệu chứng xác định hư hỏng hệ thống đánh lửa của động cơ 1TR- FE. Bảng 4-3 Các triệu chứng trên động cơ

Tình trạng Chuẩn đoán nguyên nhân Kiểm tra hoặc sửa chữa Động cơ quay bình thường nhưng không khởi động được

1 Không có điện áp tới HTĐL.

2 Dây dẫn đến IC đánh lửa bị hở Nối đất hở hoặc bị mòn.

3 Cuộn dây của bôbin đánh lửa bị hở hoặc ngắn mạch.

4 Các chỗ nối mạch sơ cấp không chặt.

1 Kiểm tra Acquy, dây dẫn, công tắc đánh lửa.

2 Kiểm tra sửa chữa dây dẫn và siết lại cho chặt.

3 Kiểm tra cuộn dây, thay thế nếu hư.

4 Làm sạch và bắt chặt các chỗ nối. Độngcơ cháy ngược và khó khởi động

1 Thời điểm đánh lửa không đúng.

2 Hơi ẩm trong nắp bộ chia điện.

3 Điện thế rò rỉ qua nắp bộ chia điện.

4 Các dây cao áp không bắt theo đúng thứ tự thì nổ.

5 Phóng điện qua nhau giữa các dây cao áp.

1 Điều chỉnh lại góc đánh lửa.

2 Làm khô nắp bộ chia điện.

3 Thay nắp bộ chia điện.

5 Thay thế các dây cao áp bị hư Động cơ cháy nhưng bất thường

1 Các bugi bẩn hoặc hư.

3 Các chỗ nối tiếp xúc không tốt.

1 Làm sạch, chỉnh lại khe hở hoặc thay thế.

3 Làm sạch và bắt chặt lại.Kiểm tra nắp bộ chia điện, rôto chia điện, các dây cao áp. Động cơ chạy nhưng cháy ngược

1 Thời điểm đánh lửa không đúng.

1 Điều chỉnh lại góc đánh lửa.

2 Phóng điện chéo trong bộ chia điện.

3 Các bugi dùng không đúng loại nhiệt.

4 Động cơ bị quá nhiệt.

2 Kiểm tra các dây cao áp, bộ chia điện, các chỗ rò rỉ.

3 Thay thế các bugi đúng loại.

4 Xem phần (5). Động cơ bị quá nhiệt

1 Thời điểm đánh lửa trễ.

2 Thiếu nước làm mát hoặc hư hỏng các bộ phận trong hệ thống làm mát.

1 Điều chỉnh lại góc đánh lửa.

2 Bổ sung nước hoặc sửa chữa hệ thống làm mát. Động cơ giảm công suất

1 Thời điểm đánh lửa trễ.

1 Điều chỉnh lại góc đánh lửa.

3 Kiểm tra đường ống thải. Động cơ bị kích nổ (có tiếng gõ)

1 Thời điểm đánh lửa sai.

3.Bộ điều chỉnh làm việc không đúng.

5 Cacbon bám vào trong buồng cháy

1 Điều chỉnh lại góc đánh lửa

4 Sửa chữa hoặc thay thế.

1 Lớp cách điện bị nứt.

3 Lắp bugi lạnh hơn. Động cơ nóng quá mức

1 Sai điểm đánh lửa 1.Cân lại lửa

Nổ dội ngược hơi ống nạp.

1.Cân lửa sai 1.Cân lại lửa

Tiêu hao nhiên liệu quá mức

1.Các bugi hỏng 2.Sai điểm đánh lửa

1.Kiểm tra bugi 2.Cân lại lửa

Sau khi chẩn đoán và xác định nguyên nhân hư hỏng là do hệ thống mạch đánh lửa, cần tiến hành kiểm tra các bộ phận chung của hệ thống đánh lửa để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

- Những chỗ nối không tốt

- Nắp cuộn dây có bị nứt hay không

- Nắp bộ phân phối và Rôto phân phối có bị nứt hay vỡ không

- Trên nắp có vết than hiện tượng do phóng điện để lại hay không

Sau khi kiểm tra bằng mắt, chúng ta kiểm tra lại các mạch điện như:

- Kiểm tra các cuộn dây xem có bị chạm vỏ hay ngắn mạch cực tính của cuộn dây đã đúng hay chưa.

- Kiểm tra lại thời điểm đánh lửa.

Kiểm tra lửa bằng cách tháo dây cao áp khỏi nắp phân phối và đưa gần nắp phân phối trong khi quay động cơ để xem có xuất hiện tia lửa tốt hay không.

- Kiểm tra lại các điện trở của các dây cao áp, cuộn dây thứ cấp, dây sơ cấp,các cuộn dây tín hiệu G1, G2, Ne.