Đồ án: cdio đề tài hệ thống đánh lửa trên xe ô tô toyota vios

Đồ án Cdio đề tài hệ thống đánh lửa trên xe ô tô toyota vios thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn ngành hiện nay

• Tác giả: Huỳnh Tấn Cảnh
• Người hướng dẫn: Trần Như Trung
• Trường học: Trường Đại Học Duy Tân
• Chuyên ngành: Hệ Thống Điện Động Cơ Ô Tô
• Đề tài: Hệ Thống Đánh Lửa Trên Xe Ô Tô Toyota Vios
• Loại tài liệu: Đồ Án CDIO
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Đánh Lửa Trên Ô Tô

Hệ thống đánh lửa là một trong những bộ phận quan trọng nhất trên xe ô tô, đặc biệt là đối với các động cơ xăng. Đồ án CDIO về hệ thống đánh lửa xe Toyota Vios được thực hiện nhằm nghiên cứu sâu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các loại hệ thống đánh lửa hiện đại. Nhiệm vụ chính của hệ thống đánh lửa là biến đổi dòng điện một chiều có thế hiệu thấp (12V hoặc 24V) thành điện áp cao (khoảng 20,000-30,000V) để tạo ra tia lửa điện tại các bugi, giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong buồng cháy của động cơ. Sự phát triển của công nghệ hệ thống đánh lửa từ loại cơ học truyền thống sang bán dẫn và sau đó là điều khiển điện tử chứng tỏ xu hướng tiến bộ của ngành công nghiệp ô tô hiện đại.

1.1. Công Dụng Của Hệ Thống Đánh Lửa

Hệ thống đánh lửa có ba công dụng chính trong quá trình hoạt động của động cơ ô tô. Thứ nhất, nó cung cấp tia lửa điện mạnh mẽ tại đúng thời điểm và đúng xi lanh cần thiết. Thứ hai, hệ thống đánh lửa điều chỉnh thời điểm đánh lửa theo các điều kiện hoạt động khác nhau của động cơ như nhiệt độ, tốc độ và tải trọng. Thứ ba, nó bảo vệ động cơ khỏi các hiện tượng bất thường như kích nổ hoặc cháy nổ không kiểm soát, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho xe.

1.2. Các Loại Hệ Thống Đánh Lửa Hiện Đại

Theo đồ án CDIO, có ba loại hệ thống đánh lửa chính được áp dụng trên ô tô hiện nay. Hệ thống đánh lửa thường sử dụng tiếp điểm cơ học nhưng đã dần bị loại bỏ. Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm sử dụng cảm biến như cảm biến từ, quang hay Hall để phát hiện vị trí piston. Hệ thống đánh lửa theo chương trình được điều khiển hoàn toàn bởi ECU, cung cấp độ chính xác cao nhất.

II. Cấu Tạo và Nguyên Lý Làm Việc Hệ Thống

Hệ thống đánh lửa bao gồm nhiều bộ phận điều phối với nhau để tạo ra tia lửa điện. Trong đồ án này, xe Toyota Vios sử dụng hệ thống đánh lửa trực tiếp không có bộ chia điện, được điều khiển hoàn toàn bởi ECU (Engine Control Unit). Nguyên lý hoạt động cơ bản là khi ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến, nó sẽ tính toán thời điểm và góc đánh lửa sớm tối ưu, sau đó gửi lệnh điều khiển đến IC đánh lửa. IC này kích hoạt cuộn sơ cấp để tích lũy năng lượng từ, khi điều kiện thích hợp, IC sẽ cắt tắc dòng sơ cấp, gây ra sự biến thiên từ thông trong cuộn thứ cấp, tạo ra điện áp cao để phóng tia lửa tại bugi.

2.1. Các Bộ Phận Chính Của Hệ Thống

Hệ thống đánh lửa trên Toyota Vios bao gồm: ECU điều khiển chính, IC đánh lửa, biến áp đánh lửa (coil), cảm biến tín hiệu, bugi đánh lửa và dây cấp điện. Mỗi bộ phận đóng vai trò quan trọng trong việc tạo và phóng tia lửa điện. ECU là bộ não của hệ thống, xử lý thông tin từ các cảm biến để quyết định thời điểm đánh lửa sớm tối ưu nhất.

2.2. Quá Trình Tạo Tia Lửa Điện

Quá trình tạo tia lửa điện gồm ba giai đoạn chính. Giai đoạn tích lũy: dòng sơ cấp chảy qua cuộn, tạo từ trường. Giai đoạn cắt: IC đánh lửa ngắt dòng sơ cấp, từ thông biến thiên. Giai đoạn phóng: sự biến thiên từ thông tạo ra điện áp cao trong cuộn thứ cấp, phóng tia lửa tại bugi để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu.

III. Hệ Thống Đánh Lửa Trên Xe Toyota Vios

Toyota Vios được trang bị hệ thống đánh lửa trực tiếp bán dẫn với điều khiển hoàn toàn bởi ECU hiện đại. Đây là một trong những hệ thống đánh lửa tiên tiến nhất hiện nay, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Hệ thống này có khả năng điều chỉnh góc đánh lửa sớm linh hoạt theo các điều kiện hoạt động thực tế như tốc độ động cơ, tải trọng, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí. ECU trên Toyota Vios sử dụng nhiều cảm biến để thu thập dữ liệu liên tục, sau đó xử lý và đưa ra quyết định điều khiển tối ưu nhất.

3.1. Những Đặc Điểm Nổi Bật

Hệ thống đánh lửa trên Toyota Vios sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội. Nó cung cấp độ chính xác cao trong thời điểm đánh lửa, đảm bảo hoạt động ổn định trong mọi điều kiện. Hệ thống có khả năng hiệu chỉnh góc đánh lửa liên tục dựa trên các tín hiệu cảm biến, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Ngoài ra, hệ thống đánh lửa này có độ bền cao, giảm chi phí bảo trì và sửa chữa so với các hệ thống cũ hơn.

3.2. Vai Trò Của ECU Trong Điều Khiển

ECU là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống đánh lửa của Toyota Vios. Nó nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí cổng quay, cảm biến tốc độ, cảm biến áp suất hít và các cảm biến khác. Dựa trên các dữ liệu này, ECU tính toán góc đánh lửa sớm tối ưu và gửi lệnh điều khiển đến IC đánh lửa. ECU cũng có chức năng bảo vệ động cơ bằng cách phát hiện và ngăn ngừa các hiện tượng bất thường.

IV. Ứng Dụng Đồ Án CDIO Và Ý Nghĩa Thực Tiễn

Đồ án CDIO về hệ thống đánh lửa không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết mà còn áp dụng vào thực tiễn. Thông qua nghiên cứu hệ thống đánh lửa trên xe Toyota Vios, sinh viên hiểu rõ cách hoạt động của các bộ phận điện tử trên ô tô hiện đại. Các kiến thức này rất hữu ích cho những ai muốn trở thành kỹ sư ô tô hoặc chuyên gia bảo trì-sửa chữa. Đồ án cũng phản ánh xu hướng phát triển của công nghệ ô tô, từ hệ thống cơ học sang bán dẫn và cuối cùng là điều khiển điện tử hoàn toàn. Sự hiểu biết sâu sắc về hệ thống đánh lửa giúp kỹ sư tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường.

4.1. Kiến Thức Từ Đồ Án CDIO

Đồ án CDIO cung cấp một cái nhìn toàn diện về hệ thống đánh lửa từ lý thuyết đến thực tiễn. Sinh viên không chỉ học về nguyên lý hoạt động mà còn hiểu được cách tính toán điện áp, góc đánh lửa sớm và các thông số kỹ thuật khác. Những kiến thức này được áp dụng trực tiếp vào xe Toyota Vios, giúp sinh viên kết nối lý thuyết với thực tế. Đồ án cũng khuyến khích tư duy phê phán và giải quyết vấn đề, những kỹ năng thiết yếu cho kỹ sư hiện đại.

4.2. Tương Lai Của Hệ Thống Đánh Lửa

Hệ thống đánh lửa tiếp tục phát triển để đáp ứng các yêu cầu ngặt nghèo về hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường. Các công nghệ mới như hệ thống hybrid và xe điện đang thay đổi cách người ta suy nghĩ về đánh lửa. Tuy nhiên, hiểu biết sâu sắc về hệ thống đánh lửa truyền thống vẫn là nền tảng quan trọng cho bất kỳ kỹ sư ô tô nào muốn theo kịp với những tiến bộ công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ÔTÔ 1. Công dụng Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều thế hiệu thấp (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 đủ để 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 số trường hợp, hệ thống đánh lửa còn dùng để hổ trợ khởi động, tạo điều kiện khởi động động cơ được dễ dàng ở nhiệt độ thấp.

Yêu cầu 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 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. Kết cấu đơn giản, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, giá thành rẻ… 1.

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 trước đây, còn gọi là hệ thống đánh lửa thường, hay hệ thống đánh lửa cổ điển. + Loại bán dẫn hay điện tử với sự có mặt của các linh kiện bán dẫn trong thành phần: Đây là loại hệ thống đánh lửa mới, có nhiều ưu điểm hơn hẳn loại hệ thống 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 thống đánh lửa theo chương trình (ECU).

SVTH: Đỗ Ngọc Quốc 1 GVHD: Trần Như Trung Huỳnh Tấn Cảnh Đề tài: Hệ thống đánh lửa trên xe ô tô toyota vios Theo dạng năng lượng được tích lũy trước khi 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.

Theo cảm biến đánh lửa: + HTĐL sử dụng cảm biến điện từ. + HTĐL sử dụng cảm biến quang. + HTĐL sử dụng cảm biến Hall. Theo phương pháp phân bố điện cao áp: + HTĐL có bộ chia điện.

+ HTĐL không có bộ chia điện. Cấu tạo và nguyên lý làm việc 1. Hệ thống đánh lửa thường Gồm biến áp đánh lửa được cung cấp từ nguồn một chiều (acquy hoặc máy phát), bộ chia điện và các bugi đánh lửa. Biến áp đánh lửa có hai cuộn dây: cuộn sơ cấp W1 có khoảng 250 – 400 vòng, cuộn thứ cấp W2 có khoảng 19000 – 26000 vòng.

Cam 1 của bộ chia điện được dẫn động quay từ trục phân phối, làm nhiệm vụ đóng mở tiếp điểm KK’, tức là nối tắt mạch sơ cấp của biến áp đánh lửa. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc: SVTH: Đỗ Ngọc Quốc 2 GVHD: Trần Như Trung Huỳnh Tấn Cảnh Đề tài: Hệ thống đánh lửa trên xe ô tô toyota vios Hình 1.1 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. Nguyên lý làm việc: + Khi KK’ đóng: Trong mạch sơ cấp xuất hiện dòng sơ cấp i1. Dòng này tạo nên một từ trường khép mạch qua lõi thép và hai cuộn dây của biến áp đánh lửa.

+ Khi KK’ mở: Mạch sơ cấp bị ngắt, dòng i1 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 tốc độ biến thiên của từ thông. Bởi vì cuộn W2 có số vòng 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 nổ của động cơ.

Khi thế hiệu đạt giá trị Udl thì xuất hiện tia lửa điện phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp làm trong xi lanh. + Vào thời điểm tiếp điểm mở, trong cuộn sơ cấp cũng xuất hiện suất điện động tự cảm khoảng 200V đến 300V. Nếu như không có tụ điện C1 mắc song song phóng qua tiếp điểm, làm cháy rỗ các má vít, đồng thời làm cho dòng sơ cấp và từ trường của nó mất đi chậm hơn và vì thế, thế hiệu thứ cấp sẽ không lớn. + Khi có tụ C1 dòng sơ cấp và suất điện động tự cảm sẽ được dập tắt nhanh chóng, không gây ra tia lửa ở tiếp điểm và U2 tăng lên.

SVTH: Đỗ Ngọc Quốc 3 GVHD: Trần Như Trung Huỳnh Tấn Cảnh Đề tài: Hệ thống đánh lửa trên xe ô tô toyota vios Đặc tính hệ thống đánh lửa thường: I1 [A] U2[V] 5 20000 U2 4 3 11000 2 i1 1 n1[V/ph] 1000 2000 3000 4000 5000 Hình 1.2- Đặc tính của hệ thống đánh lửa thường của động cơ 4 xilanh. I1 - cường độ dòng sơ cấp; U2 – Hiệu điện thế thứ cấp, n1- tốc độ động cơ. Ưu điểm: + Giá thành rẻ. + Dễ chế tạo, thay thế.

Nhược điểm: + Khi n tăng thời gian đóng tiếp điểm td giảm nên Ing giảm -> U2 giảm. + Nếu các điều kiện khác như nhau thì số xi lanh z của động cơ tăng sẽ làm t d giảm - > U2 giảm. + Dễ mài mòn tiếp điểm trong quá trình sử dụng. + Tổn thất nhiều năng lượng qua bộ chia điện và dây cao áp.

+ Sử dụng các chi tiết dễ dễ hư hỏng như bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm hoặc chân không. + Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm chỉ phụ thuộc vào bộ điều chỉnh chân không hoặc ly tâm. Phạm vi ứng dụng: Dùng cho các xe đời cũ xe đời mới hiện đại không dùng nữa. Hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm Về cấu tạo tương tự HTĐL thường nhưng việc đóng ngắt dòng sơ cấp được thực hiện bằng các Transistor, điều khiển Transistor được thực hiện nhờ bộ phận tạo xung (khóa KK’ và cam).

SVTH: Đỗ Ngọc Quốc 4 GVHD: Trần Như Trung Huỳnh Tấn Cảnh Đề tài: Hệ thống đánh lửa trên xe ô tô toyota vios Sơ đồ cấu tạo: Hình 1.3- Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa bán dẫn có tiếp điểm. 1 – Bộ ắc quy; 2 – Tiếp điểm (cặp má vít); 3 – Biến áp đánh lửa; 4 – Điện trở phụ; 5 – Khóa điện; 6 – Transistor. Nguyên lý làm việc: + Khi KK’ đóng: Cực gốc B của transistor được nối với cực âm của nguồn nên UEB > 0 làm xuất hiện các suất điện động tự cảm xuất hiện dòng IB và transistor mở cho dòng I1 đi qua. + Khi KK’ mở: Dòng IB bị ngắt nên transistor đóng và ngắt đột ngột dòng 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 thống 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 xuống nhỏ hơn 100V. + Nếu E1 đòi hỏi phải lớn hơn 100V để đảm bảo nhận được U 2 cao, thì có thể mắc nối tiếp các transistor hoặc áp dụng các biện pháp bảo vệ.

Nếu vẫn dùng biến áp đánh lửa tiêu chuẩn thì hệ thống đánh lửa bán dẫn sẽ không phát huy được ưu điểm gì trừ vấn để tăng tuổi thọ cho tiếp điểm. SVTH: Đỗ Ngọc Quốc 5 GVHD: Trần Như Trung Huỳnh Tấn Cảnh Đề tài: Hệ thống đánh lửa trên xe ô tô toyota vios Đặc tính của hệ thống đánh lửa bán dấn có tiếp điểm: i[A] 2 1 iC U1[V] Uaq Hình 1.4- Đặc tính dòng ic, iB so với điện áp sơ cấp. U1– Hiệu điện sơ cấp thế khi đóng tiếp điểm; 1- Đặc tính dòng IB của transistor T; 2- đặc tính dòng IC của transistor T. - Ưu điểm: + Nâng cao được độ bền của cặp tiếp điểm KK’.

+ Dễ bảo hành, sửa chữa, giá thành rẻ. - Nhược điểm: + Phải bảo dưỡng điều chỉnh tiếp điểm KK’ của bộ chia điện nên độ tin cậy trong quá trình làm việc không cao. + Phức tạp hơn hệ thống đánh lửa thường. + Chưa khắc phục được nhược điểm thay đổi góc đánh lửa sớm theo nhiều yếu tố thay đổi, chỉ phụ thuộc vào bộ điều chỉnh chân không hoặc ly tâm.

Phạm vi ứng dụng: Hiện nay hệ thống này ít được sản xuất. Tuy nhiên ở Việt Nam còn nhiều loại xe cũ trước kia có trang bị hệ thống này. SVTH: Đỗ Ngọc Quốc 6 GVHD: Trần Như Trung Huỳnh Tấn Cảnh Đề tài: Hệ thống đánh lửa trên xe ô tô toyota vios 1. 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 thống 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 cực nhờ nửa kỳ điện áp dương của bộ phát lệnh; + Transistor T2: đóng tích cực nhờ 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 T3.5 Sơ đồ nguyên lý của HTĐL bán dẫn không tiếp điểm.