Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo mô hình phun xăng đánh lửa điện tử

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình phun xăng đánh lửa, trình bày đầy đủ lý thuyết, sơ đồ mạch điện, tính toán và quy trình thi công.

• Tác giả: Nguyễn Thành Long
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Mô Hình Phun Xăng Đánh Lửa: Thiết Kế & Chế Tạo
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Cấu Tạo Hệ Thống Phun Xăng Đánh Lửa

Hệ thống phun xăng đánh lửa là một trong những hệ thống quan trọng nhất trên động cơ hiện đại, đặc biệt là động cơ 1NZ-FE. Hệ thống này kết hợp hai chức năng chính: phun xăng điện tử (EFI) và đánh lửa trực tiếp để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Sơ đồ cấu tạo chung bao gồm hệ thống nhiên liệu, hệ thống điều khiển điện tử ECU, và hệ thống đánh lửa. Mỗi thành phần đóng vai trò thiết yếu trong quá trình làm việc của động cơ. Sự phối hợp giữa các cảm biến và ECU giúp điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm và lượng phun xăng một cách chính xác, đảm bảo hiệu suất tối ưu.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống Phun Xăng Điện Tử

Hệ thống phun xăng điện tử hoạt động dựa trên các tín hiệu từ cảm biến như cảm biến trục khuỷu, cảm biến trục cam và cảm biến lưu lượng khí. ECU nhận các tín hiệu này và tính toán lượng xăng cần phun, thời điểm phun, và độ tuổi đánh lửa. Bơm nhiên liệu cung cấp xăng với áp suất nhiên liệu ổn định, qua bộ lọc và bộ dập dao động, sau đó được phun vào buồng cháy thông qua vòi phun.

1.2. Vai Trò Của ECU Trong Điều Khiển

ECU (Engine Control Unit) là bộ não điều khiển toàn bộ hệ thống. Nó nhận dữ liệu từ các cảm biến, xử lý thông tin dựa trên các bản đồ điều khiển được lập trình sẵn, và đưa ra lệnh điều khiển cho các thiết bị thực thi như kim phun và cuộn đánh lửa. Chức năng chính của ECU bao gồm: kiểm soát thời gian phun xăng, điều chỉnh góc đánh lửa sớm, và tối ưu hóa năng lượng đánh lửa.

II. Hệ Thống Đánh Lửa Trực Tiếp và Cấu Trúc Chi Tiết

Hệ thống đánh lửa trực tiếp (Direct Ignition System) là công nghệ hiện đại được áp dụng trên nhiều dòng xe hiện nay. Khác với hệ thống đánh lửa truyền thống sử dụng một bộ phát tín hiệu chung, hệ thống đánh lửa trực tiếp có một cuộn đánh lửa riêng cho mỗi xi-lanh. Mỗi cuộn đánh lửa IC được tích hợp trực tiếp lên bu-gi, giảm thiểu tổn thất điện áp và tăng năng lượng đánh lửa hiệu quả. Nguyên lý làm việc dựa trên việc tạo ra điện áp cao (khoảng 30.000V) để tạo ra tia lửa xuyên qua khoảng cách giữa hai điện cực của bu-gi, nhằm đốt cháy hỗn hợp xăng không khí.

2.1. Cấu Tạo Cuộn Đánh Lửa IC và Bu gi

Cấu tạo cuộn đánh lửa IC bao gồm phần sơ cấp (primary coil) và phần phụ cấp (secondary coil). Dòng điện chạy qua phần sơ cấp được tạo ra bởi ECU thông qua bộ điều khiển công suất. Khi ngắt dòng điện, từ trường trong cuộn biến đổi, tạo ra điện áp cảm ứng cao ở phần phụ cấp. Bu-gi là nơi xảy ra sự phóng điện, tạo ra tia lửa để đốt cháy hỗn hợp xăng không khí trong buồng cháy.

2.2. Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Góc Đánh Lửa Sớm

Góc đánh lửa sớm bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tốc độ động cơ, tải trọng, chất lượng xăng, và nhiệt độ động cơ. Công nghệ ESA (Electronic Spark Advance) trên ECU điều chỉnh thời điểm đánh lửa tự động để tối ưu hóa hiệu suất và giảm khí thải độc hại.

III. Hệ Thống Nhiên Liệu và Các Yếu Tố Kiểm Soát

Hệ thống nhiên liệu trong mô hình phun xăng đánh lửa được thiết kế để cung cấp xăng với lưu lượng ổn định và áp suất chính xác. Hệ thống bao gồm bể xăng, bơm nhiên liệu, bộ lọc, bộ dập dao động, ống phân phối, và vòi phun. Bơm nhiên liệu được kích hoạt bởi ECU, cung cấp xăng với áp suất nhiên liệu khoảng 50-60 psi. Bộ dập dao động điều chỉnh áp suất, đảm bảo lưu lượng khí nạp phù hợp với điều kiện hoạt động của động cơ. Vòi phun phun xăng dưới dạng sương mịn vào buồng cháy, tạo điều kiện tốt cho quá trình cháy.

3.1. Lưu Lượng và Áp Suất Nhiên Liệu

Lưu lượng xăng phụ thuộc vào tần số xung điều khiển từ ECU tới kim phun. Áp suất nhiên liệu được duy trì ổn định bởi bộ dập dao động, đảm bảo lượng xăng phun chính xác ở mỗi thời kỳ. Sự thay đổi áp suất theo tải trọng động cơ giúp tối ưu hóa hiệu suất cháy.

3.2. Vòi Phun và Cấu Tạo Chi Tiết

Vòi phun có cấu tạo gồm phần thân, phần phun (nozzle), và phần buồng áp lực. Cấu tạo vòi phun được tối ưu hóa để phun xăng thành sương mịn, tăng diện tích tiếp xúc với không khí và cải thiện quá trình cháy. Vị trí đặt vòi phun trong buồng cháy được thiết kế sao cho xăng phun tối ưu về không gian và thời gian.

IV. Thiết Kế Chế Tạo và Thử Nghiệm Mô Hình

Thiết kế mô hình phun xăng đánh lửa là một quá trình phức tạp yêu cầu sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Quá trình chế tạo mô hình bao gồm nhiều bước: xác định yêu cầu thông số kỹ thuật, lựa chọn phương án thiết kế tối ưu, tính toán kích thước giá đỡ, khảo sát vật liệu, vẽ mô phỏng 3D bằng phần mềm Solidwork, và thi công lắp ráp. Phần điện của mô hình bao gồm ECU, cuộn đánh lửa, kim phun, cảm biến, và các linh kiện điều khiển khác. Sơ đồ mạch điện được vẽ chi tiết bằng phần mềm CAD E Simulator để đảm bảo tính chính xác. Quá trình lắp ráp mô hình yêu cầu độ chính xác cao, sử dụng các công cụ chuyên dụng và kỹ thuật hàn, khoan, cắt phù hợp.

4.1. Yêu Cầu Thông Số Kỹ Thuật và Lựa Chọn Phương Án

Yêu cầu thông số kỹ thuật của mô hình bao gồm: tỷ số nén, công suất, momen xoắn, lưu lượng khí nạp, áp suất phun xăng, và độ chính xác của hệ thống điều khiển. Lựa chọn phương án thiết kế được thực hiện dựa trên so sánh các giải pháp khác nhau, cân nhắc giữa tính khả thi, kinh tế, và hiệu suất.

4.2. Thi Công Lắp Ráp và Thử Nghiệm

Thi công lắp ráp phần giá đỡ bao gồm: cắt, hàn, và lắp ráp các thanh sắt. Phần điện được thực hiện bằng cách đấu dây, soldering, và lắp ráp các linh kiện theo sơ đồ. Kiểm tra và thử nghiệm mô hình được thực hiện để đảm bảo mô hình hoạt động đúng theo thiết kế, kiểm tra các thông số điện, áp suất, lưu lượng, và hiệu suất cháy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài - Chương 2: Cơ sở lý thuyết về đề tài - Chương 3: Thiết kế chế tạo mô hình phun xăng đánh lửa - Chương 4: Kết luận và hướng phát triển 2 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỀ TÀI 2.1 Khái niệm chung về hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ 1NZ-FE 2.1 Khái niệm chung Hệ thống phun xăng điện tử là hệ thống phun xăng có bộ điều khiển trung tâm sẽ thu thập các thông số làm việc của động cơ sau đó xử lý các thông tin này, so sánh với chương trình chuẩn được lập trình. Từ đó xác định lượng xăng cần cung cấp cho động cơ và chỉ huy sự hoạt động các vòi phun. *Đặc điểm hệ thống phun xăng điện tử: - Cấp hòa khí đồng đều, tỉ lệ hòa khí chính xác đến từng xilanh của động cơ. - Đáp ứng kịp thời lượng xăng phun ra khi góc mở của bướm ra thay đổi.

- Hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu phù hợp với từng ché độ tải khác nhau. - Cắt nhiên liệu khi giảm tốc. - Hiệu suất nạp kín *Phân loại Phân loại theo nguyên tắt làm việc của hệ thống - Hệ thống phun xăng cơ khí - Hệ thống phun xăng điện tử - Phân loại theo vị trí phun nhiên liệu - Phun xăng một điểm - Phun xăng nhiều điểm Hệ thống phun xăng điện tử được áp dụng phổ biến trên các dòng xe ô tô hiện nay nhằm giảm lượng khí thải, tiết kiệm nhiên liệu và giúp động cơ vận hành êm ái hơn.2 Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống phun xăng Hình 2. 1: Sơ đồ cấu tạo chung hệ thống phun xăng đánh lửa 2.3 Hệ thống phun xăng Mô tả:  Động cơ phun xăng điện tử EFI gồm 4 xy lanh đặt thẳng hàng, thứ tự kì nổ 1-3-4-2.

 Là động cơ đánh lửa nhờ vào sự phân phố của bộ chia điện, có một bô bin và IC đánh lửa đặt ngoài.  Hệ thống EFI tính toán thời gian phun cơ bản dựa và hai tín hiệu:tín hiệu lượng khí nạp từ cảm biến lưu lượng khí nạp và tín hiệu tốc độ động cơ  Cấu tạo chung của hệ thống phun xăng điện tử bao gồm các cảm biến, bộ vi xử lý trung tâm và các cơ cấu chấp hành. *Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống phun xăng  Có thể cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đều đến từng xi lanh.  Có thể đạt được tỷ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ.

 Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga. 4  Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng:có thể làm đậm hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc.  Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí - nhiên liệu cao. 2: Sơ đồ bố trí các cảm biến trong hệ thống phun xăng điện tử Trong hệ thống phun xăng điện tử, chế độ làm việc của động cơ không chỉ phụ thuộc vào bàn đạp ga mà còn phụ thuộc vào các trạng thái môi trường làm việc nhiệt độ nước), phụ tải (có bật điều hà hay không), mức độ và thành phần khí thải (cảm biến oxy), số vòng quay của trục khuỷu động cơ, trục cam (cảm biến vị trí trục khuỷu, trục cam), lưu lượng không khí (cảm biến lưu lượng khí), áp suất đường ống nạp (cảm biến áp suất đường ống nạp)… Do đó, hỗn hợp không khí được pha trộn theo tỷ lệ hợp lí hơn, giúp cho quá trình cháy hoàn hảo hơn.

Chính lí do đó mà động cơ có hệ thống phun xăng điện tử sẽ tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường hơn với động cơ có hệ thống cung cấp nhiên liệu thong thường.2 Hệ thống điều khiển điện tử ECU Hệ thống điện điều khiển bao gồm các cảm biến để xác định tình trạng làm việc của Động cơ. ECU tính toán thời điểm và thời gian phun sao cho phù hợp với các tín hiệu từ các cảm biến gửi về. 5 Các cảm biến gửi tín hiệu về ECU,sau đó ECU sẽ hiệu chỉnh thời gian phun và gửi tín hiệu tới các kim phun, các kim phun sẽ phun nhiên liệu và đường ống nạp,lượng nhiên liệu phun tùy thuộc vào thời gian tín hiệu gửi từ ECU.1 Chức năng của ECU ECU có hai chức năng chính:  ECU nhận các tín hiệu từ các cảm biến và tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu theo các tình trạng của động cơ và truyền tín hiệu IGT (tín hiệu đánh lửa) tới IC đánh lửa.  Điều khiển thời điểm phun được quyết định theo thời điểm đánh lửa:  Tín hiệu phun cơ bản: được xác định theo tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu lượng gió nạp.

 Tín hiệu hiệu chỉnh: được xác định từ các cảm biến (nhiệt độ, vị trí, mức độ tải, thành phần khí thải và từ các điều kiện của động cơ như: điện áp bình).2 Các bộ phận của ECU ECU được đặt trong vỏ kim loại để tránh nước văng. Nó được đặt ở nơi ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong một mạch kín. Các linh kiện công suất của tầng cuối bắt liền với một khung kim loại của ECU mục đích để tản nhiệt tốt.

Vì dùng IC và linh kiện tổ hợp nên ECU rất gọn, sự tổ hợp các nhóm chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao. Một đầu ghim đa chấu dùng nối ECU với hệ thống điện trên xe, với kim phun và các cảm biến.3 Các thông số hoạt động của ECU 2.1 Các thông số chính Là tốc độ động cơ và lượng gió nạp. Các thông số này là thước đo trực tiếp tình trạng tải của động cơ.2 Các thông số thích nghi Điều kiện hoạt động của động cơ luôn thay đổi thì tỷ lệ hoà khí phải thích ứng theo. Chúng ta sẽ đề cập đến các điều kiện hoạt động sau: 6  Khởi động.

 Thích ứng tải. Đối với khởi động và làm ấm ECU sẽ tính toán xử lý các tín hiệu của cảm biến nhiệt độ động cơ. Đối với tình trạng thay đổi tải thì mức tải không tải, một phần tải, toàn tải được chuyển tín hiêu đến ECU nhờ cảm biến vị trí bướm ga.3 Các thông số chính xác Để đạt được chế độ vận hành tối ưu ECU xem thêm các yếu tố ảnh hưởng:  Trạng thái chuyển tiếp khi gia tốc.  Sự giới hạn tốc độ tối đa.

 Sự giảm tốc. Những yếu tố này được xác định từ các cảm biến đã nêu, nó có quan hệ và tác động tín hiệu điều khiển đến kim phun một cách tương ứng. ECU sẽ tính toán các thông số thay đổi cùng với nhau, mục đích cung cấp cho động cơ một lượng xăng cần thiết theo từng thời điểm.3 Hệ thống đánh lửa trực tiếp 2.1 Nguyên lý làm việc Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp (ĐLTT), bộ chia điện không còn được sử dụng nữa. Thay vào đó, hệ thống ĐLTT cung cấp một bô bin cùng với một IC đánh lửa độc lập cho mỗi xy lanh.

Vì hệ thống này không cần sử dụng bộ chia điện hoặc dây cao áp nên nó có thể giảm tổn thất năng lượng trong khu vực cao áp và tăng độ bền. Đồng thời nó cũng giảm đến mức tối thiểu nhiễu điện từ, bởi vì không sử dụng tiếp điểm trong khu vực cao áp. Chức năng điều khiển thời điểm đánh lửa được thực hiện thông qua việc sử dụng ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử). ECU của động cơ nhận được các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, tính toán thời điểm đánh lửa, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa.

Thời điểm đánh lửa được tính toán liên tục theo điều kiện của động cơ, dựa trên giá trị thời điểm đánh lửa tối ưu đã được lưu giữ trong máy tính, dưới dạng một bản đồ ESA. 7 So với điều khiển đánh lửa cơ học của các hệ thống thông thường thì phương pháp điều khiển bằng ESA có độ chính xác cao hơn và không cần phải đặt lại thời điểm đánh lửa. Kết quả là hệ thống này giúp cải thiện tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát ra.2 Cấu tạo hệ thống đánh lửa trên xe Hệ thống đánh lửa trực tiếp bao gồm những bộ phận sau đây : Hình 2. 3: Các thành phần hệ thống đánh lửa trực tiếp 1.

Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE): Phát hiện góc quay trục khuỷu (tốc độ động cơ) 2. Cảm biến vị trí của trục cam (G): Nhận biết xy lanh, kỳ và theo dõi định thời của trục cam. Cảm biến kích nổ (KNK): Phát hiện tiếng gõ của động cơ 4. Cảm biến vị trí bướm ga (VTA): Phát hiện góc mở của bướm ga 5.

Cảm biến lưu lượng khí nạp (VG/PIM): Phát hiện lượng không khí nạp. Cảm biến nhiệt độ nước (THW): Phát hiện nhiệt độ nước làm mát động cơ 7. Bô bin và IC đánh lửa: Đóng và ngắt dòng điện trong cuộn sơ cấp vào thời điểm tối ưu. Gửi các tín hiệu IGF đến ECU động cơ.

ECU động cơ: Phát ra các tín hiệu IGT dựa trên các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, và gửi tín hiệu đến bô bin có IC đánh lửa. Bugi: Phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp hòa khí.3 Sơ đồ mạch điện cấu tạo hệ thống phun xăng đánh lửa trực tiếp 9 Hình 2. 4: Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa trực tiếp trên Toyota Yarris 2.1 Vị trí lắp đặt Hình 2. 5: Vị trí ECU trên xe 10 ECU (ECM) động cơ Yaris lắp trong khoang động cơ.

6: Vị trí cuộn đánh lửa và bu-gi 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cuộn đánh lửa IC Cấu tạo: Công dụng: cuộn đánh lửa tạo ra điện áp cao đủ để phóng tia hồ quang giữa hai điện cực của bu-gi. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi sắt từ. Số vòng của cuộn thứ cấp lớn hơn số vòng của cuộn sơ cấp khoẳng 100 lần. Một đầu của cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cấp được nối với bu-gi.

Các đầu còn lại của các cuộn được nối với ắc quy. 7: Cấu tạo cuộn đánh lửa IC 11 Nguyên lý hoạt động: Khi động cơ chạy, dòng điện từ ắc quy chạy qua IC đánh lửa vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra. Kết quả là các đường sức từ được tạo ra chung quanh cuộn dây có lõi ở trung tâm.