Nghiên cứu và thiết kế mô hình học tập hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp

Tài liệu chi tiết về hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp. Bao gồm cấu tạo, sơ đồ mạch điện, nguyên lý hoạt động và hướng dẫn thiết kế mô hình học tập.

• Tác giả: Nguyễn Hải Đăng
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Giao
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Mô Hình Học Tập Hệ Thống Phun Xăng – Đánh Lửa Trực Tiếp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp

Hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp là một công nghệ tiên tiến trong các động cơ xăng hiện đại. Hệ thống này kết hợp hai chức năng quan trọng: phun xăng và đánh lửa để tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bộ điều khiển điện tử (ECM) để điều chỉnh thời điểm đánh lửa chính xác nhất, giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại. Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trên các dòng xe KIA Morning và nhiều mẫu ô tô khác. Việc hiểu rõ về cấu tạo hệ thống phun xăng đánh lửa giúp người sửa chữa và kỹ thuật viên có thể bảo dưỡng và khắc phục sự cố hiệu quả hơn.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của công nghệ

Từ những năm 1980, hệ thống phun xăng điện tử EFI đã được phát triển để thay thế carburettor truyền thống. Hệ thống đánh lửa trực tiếp tiếp theo ra đời vào những năm 2000 với mục đích cải thiện hiệu suất và giảm khí thải. Các nhà sản xuất như KIA đã đầu tư lớn vào nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Sự kết hợp giữa hệ thống phun xăng và hệ thống đánh lửa tạo nên một giải pháp tối ưu cho động cơ hiện đại.

1.2. Ý nghĩa và tác dụng thực tiễn

Hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp mang lại nhiều lợi ích quan trọng. Nó giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ bằng cách điều chỉnh chính xác lượng xăng phun vào và thời điểm đánh lửa. Kết quả là tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải, và tăng công suất của động cơ. Công nghệ này cũng giúp động cơ khởi động nhanh hơn, hoạt động mềm mại hơn trong mọi điều kiện.

II. Cấu trúc và các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp bao gồm nhiều thành phần phức tạp hoạt động điều hòa với nhau. Sơ đồ hệ thống cho thấy ba khối chính: khối cảm biến tín hiệu đầu vào, bộ điều khiển điện tử ECM (Electronic Control Module), và cơ cấu chấp hành. Các cảm biến vị trí trục cam và cảm biến vị trí trục khuỷu cung cấp thông tin quan trọng về vị trí và tốc độ của động cơ. Bộ điều khiển ECM xử lý các tín hiệu này và ra lệnh cho các thiết bị thực thi hoạt động phun xăng và đánh lửa. Việc hiểu rõ về các thành phần này là yếu tố cơ bản để bảo dưỡng hệ thống.

2.1. Các cảm biến và chức năng của chúng

Cảm biến vị trí trục cam (CMP - Camshaft Position Sensor) là loại cảm biến Hall, được lắp đặt trên phần đầu máy. Nó phát hiện vị trí của trục cam và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển ECM để xác định thời điểm phun xăng chính xác. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CPS - Crankshaft Position Sensor) loại cảm biến điện từ, theo dõi tốc độ động cơ. Cả hai cảm biến tín hiệu này đều cung cấp dữ liệu thiết yếu cho việc điều khiển công suất động cơ.

2.2. Bộ điều khiển điện tử ECM và cơ cấu chấp hành

Bộ điều khiển điện tử ECM là trái tim của hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp. Nó chứa CPU, bộ nhớ, mạch chuyển đổi A/D, và các mạch giao tiếp vào/ra (I/O). ECM nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin, và ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành như bugi, bơm xăng, và van phun xăng. Sự phối hợp hoàn hảo giữa các thành phần này đảm bảo hoạt động tối ưu của động cơ trong mọi điều kiện.

III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng đánh lửa

Hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp hoạt động theo nguyên lý cực kỳ chính xác. Khi động cơ quay, cảm biến trục khuỷu liên tục gửi tín hiệu về tốc độ vòng quay, còn cảm biến trục cam xác định vị trí các xilanh. Bộ điều khiển ECM nhận các tín hiệu này cùng với thông tin từ các cảm biến khác như cảm biến khí nạp, cảm biến oxy để tính toán lượng xăng cần phun. Góc đánh lửa sớm (ignition advance angle) được điều chỉnh dựa trên tốc độ động cơ, tải trọng, và thành phần hỗn hợp khí-nhiên liệu. Quá trình này lặp lại hàng ngàn lần mỗi giây, đảm bảo hiệu suất tối đa và tiêu thụ tối thiểu.

3.1. Quy trình điều khiển lượng phun xăng

Hệ thống phun xăng được điều khiển bởi bộ điều khiển ECM dựa trên nhiều yếu tố. Khi khởi động, lượng phun xăng được tăng lên để giúp động cơ dễ dàng khởi động hơn. Trong giai đoạn làm ấm, hệ thống tiếp tục điều chỉnh lượng xăng cho đến khi động cơ đạt nhiệt độ hoạt động bình thường. Khi tăng tốc, bơm nhiên liệu hoạt động mạnh hơn để cung cấp xăng đủ, ngược lại khi giảm tốc, lượng phun được giảm xuống để tiết kiệm nhiên liệu.

3.2. Điều chỉnh góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm là thời điểm bugi tạo ra tia lửa trước khi piston đạt điểm chết trên. Bộ điều khiển ECM điều chỉnh góc đánh lửa dựa trên tốc độ động cơ, tải trọng, và thành phần hỗn hợp. Điều chỉnh phản hồi khí-nhiên liệu giúp tối ưu hóa hiệu suất, còn điều chỉnh tránh kích nổ bảo vệ động cơ khỏi tiếng nổ bất thường. Quá trình này được gọi là hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm và rất quan trọng cho sự ổn định của động cơ.

IV. Sơ đồ điện và bảo dưỡng hệ thống

Sơ đồ mạch điện của hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp khá phức tạp nhưng rất quan trọng để hiểu rõ. Trên các dòng xe như KIA Morning 2010 và 2017, sơ đồ mạch điện cho thấy kết nối giữa bộ điều khiển ECM, các cảm biến, bugi, bobine, bơm xăng, và van phun xăng. Việc bảo dưỡng hệ thống phun xăng đánh lửa đòi hỏi kiến thức sâu sắc về các mạch điện này. Kiểm tra định kỳ các cảm biến tín hiệu, bobine đôi, bugi, vòi phun, và bộ điều áp là những công việc bảo dưỡng cơ bản nhưng quan trọng để duy trì hiệu suất tối ưu.

4.1. Hệ thống đánh lửa và kiểm tra bobine đôi

Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobine đôi (coil pack) để tạo ra điện áp cao cho bugi. Mỗi bobine cung cấp lửa cho hai bugi đồng thời. Kiểm tra bobine đôi bằng cách đo điện trở sơ cấp và sơ cấp, nếu giá trị vượt quá tiêu chuẩn thì cần thay mới. Bugi cũng cần được kiểm tra và thay thế theo định kỳ (thường từ 15.000-30.000 km). Việc kiểm tra mạch điện đánh lửa định kỳ giúp phát hiện sớm các hư hỏng.

4.2. Hệ thống phun xăng và bảo dưỡng van phun

Hệ thống phun xăng cần được bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo hoạt động tốt. Kiểm tra và làm sạch vòi phun mỗi 50.000-80.000 km giúp đảm bảo phun xăng đều đặn. Bộ điều áp (fuel pressure regulator) cần được kiểm tra để đảm bảo áp suất xăng trong phạm vi cho phép. Bơm nhiên liệu cũng nên được kiểm tra và bảo dưỡng. Lọc xăng cần được thay thế đều đặn (thường 15.000-20.000 km) để tránh tắc nghẽn và bảo vệ hệ thống phun xăng khỏi bẩn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài - Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hệ thống phun xăng đánh lửa. - Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa. - Chương 4: Bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống phun xăng đánh lửa. - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

14 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA VÀ PHUN XĂNG 2.1 Lịch sử và ý nghĩa của cái tên KIA Vào cuối những năm 1980, KIA quyết định mở rộng thị trường sang Bắc Mỹ, ban đầu hãng xe bán những chiếc xe của mình dưới nhãn hiệu Ford. Năm 1992, KIA tự mình ra mắt các mẫu xe riêng tại thị trường Mỹ thông qua các đại lý của hãng (lúc đó mới chỉ có ở California). Năm 1997, KIA không may phá sản nhưng được hồi sinh sau đó bởi nhà sản xuất Hyundai Motor Company của Hàn Quốc. Cụ thể, công ty này đã mua 51% cổ phần của Kia Motors.

Thương hiệu xe lại tiếp tục con đường phát triển và trở thành một trong những nhà lãnh đạo trong ngành vào năm 1998. KIA thành lập vào tháng 12 năm 1944 thuộc ngành Công nghiệp chính xác là Hyungsung, là hãng sản xuất ống thép và linh kiện xe đạp. Nhà máy đầu tiên của hãng được đặt tại Yougdeungpo ở miền Nam Seoul. Tháng 3/1952 nhà máy này chế tạo chiếc xe đạp nội địa đầu tiên mang tên Samcholli-ho, và đổi tên thành Công ty công nghiệp KIA.

Tên hãng xe “KIA” được ghép từ hai ký tự của Trung Quốc là “ki” mang nghĩa “tăng trưởng” và “a” với nghĩa là “châu Á”. Do đó KIA có thể dịch nôm na là “Tăng trưởng vượt châu Á” Hình 2. 1 Sự phát triển của hãng KIA qua các năm (Nguồn: Internet) 15 2.1 Giới thiệu về KIA Morning * Lịch sử phát triển KIA Morning KIA Morning (hay còn có tên gọi KIA Picanto ở một số thị trường khác nhau) là dòng xe đô thị của KIA, công ty sản xuất ô tô lớn thứ 2 của Hàn Quốc (sau Hyundai và cùng thuộc chung tập đoàn Hyundai). Thế hệ đầu tiên của dòng xe này bắt đầu xuất hiện từ năm 2003 tại Triển lãm ô tô Frankfurt, được phát triển dựa trên thiết kế của dòng Hyundai Getz.

Cuối năm 2007, phiên bản tại Châu Âu được nâng cấp nhẹ, trong đó cụm đèn trước sau, cản trước và lưới tản nhiệt được thay đổi thiết kế. Cùng với đó, hệ thống trợ lực được chuyển sang dùng trợ lực điện thay cho thủy lực trước đó. Kiểu lưới tản nhiệt mũi hổ đến năm 2010 mới được sử dụng. 2 Sự phát triển của hãng KIA qua các năm (Nguồn: Internet) Thế hệ thứ 2 của dòng xe này xuất hiện lần đầu tại Geneva Motor Show năm 2011, thế hệ này dài hơn thế hệ đầu tiên về cả trục cơ sở lẫn chiều dài tổng thể.

Kia Morning đã có mặt trên toàn thế giới (trừ Bắc Mỹ, Venezuela, Trung Quốc và Singapore) dưới dạng hatchback 5 cửa trong khi thị trường Châu Âu nhận được biến thể 3 cửa độc quyền. Phiên bản 3 cửa có cùng chiều dài với mẫu 5 cửa, nhưng nó có 16 cửa sổ và cửa ra vào mới, cản trước khác nhau và lưới tản nhiệt phía trước với viền màu bạc hoặc đỏ. 3 KIA thế hệ thứ 3 Thế hệ thứ ba của KIA Morning đã ra mắt chính thức toàn cầu tại Triển lãm ô tô Geneva 2017 và hiện đã xuất hiện tại Châu Âu. Đối với thị trường Malaysia, thế hệ thứ ba này đã được ra mắt vào tháng 1 năm 2018 và tới tháng 1 năm 2019, biến thể GT-Line đã được công bố có thêm tính năng phanh khẩn cấp cùng một vài tính năng khác.

4 Phiên bản KIA Morning S tại Việt Nam (Nguồn: Internet) Tại Việt Nam, KIA Morning được Trường Hải nhập và phân phối từ năm 2007 và 17 chính thức lắp ráp trong nước từ tháng 1/2008. Trước khi một số quy định thắt chặt về việc nhập khẩu xuất hiện, người dân có thể dễ dàng mua các phiên bản nhập khẩu từ Hàn Quốc với giá vừa phải, tuy nhiên sau này do các vướng mắc trên, hầu như không thể mua các phiên bản Morning từ Hàn Quốc mà chỉ có thể sử dụng dòng xe lắp ráp trong nước với rất nhiều tính năng bị cắt bỏ.2 Thông số kỹ thuật * Động cơ Kia Picanto 2008-2010 trang bị động cơ xăng 1.25L 4 xilanh thẳng hàng, công suất 86 mã lực tại vòng tua 6000 vòng/phút, mô-men xoắn cực đai 120 Nm tại vòng tua 4000 vòng/phút. Tốc độ tối đa của xe đạt 169 Km/h. Mức tiêu hao nhiên liệu 0.

Đường kính x hành trình Piston 67x77 mm, tỷ số nén 10. * Hệ thống truyền động Công thức bánh xe 4x2, cầu trước chủ động. Hộp số sàn với 5 cấp số. Tỷ số truyền lần lượt từ 1-5 là 3.

Tỷ số truyền cuối 4. * Trọng lượng Trọng lượng không tải là 1010 kg, trọng lượng toàn tải là 1350 kg. * Kích thước tổng thể Xe sở hữu kích thước tổng thể dài x rộng x cao tương ứng 3.480 (mm) so với Chevrolet Spark, Kia Picanto có chiều cao thấp hơn giúp dáng xe nhìn bệ vệ và đầm chắc hơn. Chiều dài cơ sở của xe đạt 2.385 mm dài hơn Spark 10 mm.

Xe có khoảng sáng gầm xe 152 mm cùng bán kính quay vòng 4. Dáng xe Hatchback. Số chỗ ngồi 5, cửa sổ 5. Hệ thống đánh lửa 2.2 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống đánh lửa a) Nhiệm vụ Nhiên liệu xăng không có khả năng tự bốc cháy như nhiên liệu diesel nên muốn đốt cháy hỗn hợp xăng và không khí cần có nguồn đốt.

Trên động cơ xăng nguồn đốt là tia lửa điện được tạo ra bằng sự phóng điện giữa 2 điện cực có hiệu điện thế cao. Thiết 18 bị tại đó được gọi là bugi hay nến điện. Một hệ thống cung cấp điện áp giữa 2 điện cực của bugi đúng thời điểm cần đốt cháy nhiên liệu được gọi là hệ thống đánh lửa. Chức năng của hệ thống đánh lửa là tạo ra tia lửa đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt của động cơ.

Nó phải tạo ra sự đánh lửa chính xác trong hàng nghìn lần/phút trên mỗi xilanh của động cơ. Nếu sự đánh lửa bị ngưng trễ trong khoảng 1 giây, động cơ sẽ hoạt động yếu đi và thậm chí ngừng hoạt động. Khi piston chuyển động đến điểm chết trên, hệ thống đánh lửa cung cấp một điện thế rất cao cho bugi của từng xilanh. Đầu của mỗi bugi có một khe hở, nơi mà điện thế phải lọt qua để chạm vào nguồn mát, do đó tạo ra tia lửa điện.

Điện thế cung cấp cho bugi vào khoảng giữa 20.000V, thậm chí cao hơn. Nhiệm vụ của hệ thống đánh lửa là sản sinh ra dòng điện cao áp từ nguồn chỉ 12V và đưa nó đến từng xilanh theo thứ tự nổ của động cơ tại thời điểm yêu cầu. b)Yêu cầu: * Về cơ bản hệ thống đánh lửa có các bộ phận sau: - Nguồn điện. - Bộ phận tạo điện áp cao.

- Bộ phận phân phối điện áp đến các bugi ứng với thời điểm cần đốt cháy nhiên liệu. - Nguồn điện trên ô tô có ắc quy và máy phát điện. Do máy phát điện được dẫn động bởi động cơ nên số vòng quay thay đổi trong một khoảng rộng, vì thế có bộ điều chỉnh điện để giữ cho điện áp của máy phát nằm trong phạm vi cho phép. Ắc quy lắp trên ô tô cung cấp điện cho hoạt động của động cơ và các thiết bị khác (chiếu sáng, tín hiệu và các thiết bị khác) trong đó có khởi động.

Ắc quy được thiết kế để phù hợp với công việc khởi động động cơ nên còn được gọi là ắc quy khởi động. * Yêu cầu của các bộ phận đó khi hoạt động: - Tia lửa mạnh: Trong hệ thống đánh lửa, tia lửa được phát ra giữa các điện cực của các bugi để đốt cháy hỗn hợp hòa khí. Hòa khí bị nén có điện trở lớn, nên cần phải tạo ra điện thế 19 hàng chục ngàn vôn để đảm bảo phát ra tia lửa mạnh, có thể đốt cháy hỗn hợp hòa khí. - Thời điểm đánh lửa chính xác: Hệ thống đánh lửa phải luôn luôn có thời điểm đánh lửa chính xác vào cuối kỳ nén của các xilanh và góc đánh lửa sớm phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ.

- Có đủ độ bền: Hệ thống đánh lửa phải có đủ độ tin cậy để chịu đựng được tác động của rung động và nhiệt của động cơ. Hệ thống đánh lửa sử dụng điện cao áp do bobine tạo ra nhằm phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp hòa khí đã được nén ép. Hỗn hợp hòa khí được nén ép và đốt cháy trong xilanh. Sự bốc cháy này tạo ra động lực của động cơ.

Nhờ có hiện tượng tự cảm và cảm ứng tương hỗ, cuộn dây tạo ra điện áp cao cần thiết cho đánh lửa. Cuộn sơ cấp tạo ra điện thế hàng trăm vôn còn cuộn thứ cấp thì tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn.3 Hệ thống đánh lửa trực tiếp 2.1 Sơ đồ khối hệ thống đánh lửa trực tiếp Hình 2. 5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống đánh lửa trực tiếp (Nguồn: Internet) 20 2.2 Các cảm biến tạo tín hiệu Trong các tín hiệu ngõ vào thì tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston và tín hiệu từ cảm biến lưu lượng khí nạp là các tín hiệu quan trọng nhất. Đây là các tín hiệu cơ bản của hệ thống đánh lửa.

Ngoài ra còn có các tín hiệu khác hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm như: tín hiệu từ cảm biến kích nổ, tín hiệu từ cảm biến oxy, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí bướm ga.3 Bộ điều khiển điện tử ECM Bộ điều khiển điện tử ECM là tổ hợp vi mạch và các bộ phận dùng để nhận biết các tín hiệu từ các cảm biến, lưu trữ các thông tin, tính toán và đưa ra các thông tin xử lí đến các cơ cấu chấp hành. Chính vì vậy mà động cơ luôn đảm bảo được về mặt công suất, tính kinh tế nhiên liệu, độ nhạy và hoạt động ổn định trong các điều kiện làm việc. Đặc biệt ECM còn có chức năng chẩn đoán nên giúp cho thợ sửa chữa xác định một cách nhanh chóng và chính xác các hư hỏng hoặc vùng hư hỏng trên động cơ cũng như trên ôtô do đó rút ngắn được thời gian chẩn đoán và sửa chữa.4 Cơ cấu chấp hành. Gồm bobine và bu-gi sẽ nhận tính hiệu từ ECM, ECM sẽ điều khiển transitor bên trong cuộn dây đánh lửa làm cho các dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp ngắt đóng luân phiên, tạo ra tia lửa đốt cháy trong các xilanh theo thứ tự nổ của động cơ.