Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống đánh lửa bobine đôi trên toyota camry | Tiểu luận môn thiết kế máy Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC Môn học: Đề tài:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA BOBINE ĐÔI TRÊN TOYOTA CAMRY GVHD: Họ và tên:
PHẠM HẢI MINH (MSSV: 20845163)
NGUYỄN MINH VINH (MSSV: 20645017) Lớp học: 20845LTT3
TP.HCM, Tháng 11 Năm 2022 i Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Dẫn nhập
Ngày nay với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngành công nghệ ôtô đã
có những bước tiến rất lớn trong việc đưa ứng dụng điện tử vào ôtô. Ở nước ta, dễ
thấy nhất trên các động cơ là hệ thống phun xăng – đánh lửa điện tử đã xuất hiện
khá phổ biến và dần thay thế hệ thống sử dụng bộ chế hào khí. Hệ thống phun xăng
– đánh lửa điện tử được đón nhận như vậy là do nó có nhiều ưu điểm vượt trội so
với bộ chế hòa khí. Hệ thống mới giải quyết được những vấn đề bất cập nhất của
môi trường. Được điều khiển bằng ECU, hệ thống xác định lượng nhiên liệu, thời
điểm đánh lửa chính xác, giúp nâng cao công suất động cơ, sử dụng tối ưu nhiên
liệu, lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường cũng được hạn chế .
Chính vì những lí do đó, chúng em quyết định chọn đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ
TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA BOBINE ĐÔI TRÊN TOYOTA
CAMRY”. Qua đề tài giúp chúng em tìm hiểu rõ hơn cấu tạo và hoạt động của hệ
thống, tạo cơ hội tiếp xúc thực tế. Đồng thời việc xây dựng mô hình giúp củng cố
thêm trang thiết bị giảng dạy cho khoa và các bạn sinh viên khóa sau dễ dàng thực
hiện các bài thực hành trực tiếp trên mô hình nhằm vận dụng những lý thuyết đã học trên lớp.
1.2 Lý do chọn đề tài
Sự phát triển không ngừng của nghành công nghiệp ô tô, nhưng bên cạnh
đó, sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô nói riêng và sự phát triển của xã
hội nói chung luôn phải đi kèm theo bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng
lượng. Điều đó là cần thiết cho sự phát triển bền vững của xã hội ngày nay. Các
hệ thống mới từ đây cũng ra đời. Song song đó hệ thống đánh lửa không ngừng
được cải tiến từ thế hệ thứ nhất cho tới nay là hệ thống thứ tư. Nhằm tạo ra một 1
hệ thống mang tính mới mẻ cho hệ thống đánh lửa nhưng chất lượng cũng
được đảm bảo và giá thành sản phẩm lại thấp. Vậy nên hệ thống đánh lửa lai được ra đời.
1.3 Mục tiêu đề tài
 Thiết kế mô hình hệ thống đánh lửa điện tử động cơ Toyota 5S-FE.
 Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên
trong quá trình tiếp thu bài tốt hơn.
 Giúp sinh viên quan sát mô hình một cách trực quan, sinh động, dễ nhận
biết được hình dạng và vị trí của các chi tiết trong hệ thống đánh lửa.
 Giúp sinh viên có thể tiến hành các bài thực hành trực tiếp trên mô hình
như: kiểm tra điện áp nguồn, bơm xăng, vòi phun, bôbin, các cảm biến, …
1.4 Đối tượng nghiên cứu
Lĩnh vực đề tài nghiên cứu là hệ thống điện trên ô tô và hệ thống đánh lửa
là chủ yếu. Qua đó nhằm tạo ra một hệ thống mới cho giáo viên tham khảo
cũng như ứng dụng lên hệ thống điện trên động cơ.
Qua đây cũng làm tài liệu cho các em sinh viên, học sinh hiểu rõ hơn hệ
thống đánh lửa lai mà tiền đề là hệ thống đánh lửa điện dung và hệ thống đánh lửa điện cả 2 Chương 2 TỔNG QUAN
2.1 Sơ lược về động cơ Toyota 5S-FE
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của động cơ Toyota 5S−FE.
Động cơ 5S - EF có hệ thống làm mát bằng nước kiểu kín, tuần hoàn cưỡng
bức bao gồm: áo nước xylanh, nắp máy, két nước, bơm nước, van hằng nhiệt, quạt
gió và các đường ống dẫn nước. Hệ thống làm mát có quạt gió làm mát nước ở két
nước được điều khiển bằng điện tử, cảm biến nhiệt độ nước làm mát sẽ đo nhiệt độ
của nước làm mát và truyền tín hiệu về hộp điều khiển động cơ (ECU), ECU xử lý
tín hiệu và điều khiển quạt gió làm việc hay ngừng hoạt động. Hệ thống thải trên
động cơ được bổ sung thêm nhiều bộ phân khác như: bộ xúc tác 3 chức năng, cảm
biến nồng độ ôxy nhằm hạn chế tối đa nồng độ khí ô nhiễm trong khí thải động cơ.
Trên ô tô hiện nay, hệ thống đánh lửa được phát triển mạnh nhất bao gồm
hai loại là hệ thống đánh lửa điện dung (CDI – capacitor discharged ignition
system) và hệ thống đánh lửa điện cảm (TI – transistor ignition system). Mặc
dù mỗi loại có ưu nhược điểm khác nhau nhưng hoàn toàn độc lập không liên 3
quan gì với nhau. Tùy theo mục đích sử dụng của mỗi loại xe mà người ta trang
b ‚ một trong hai hệ thống đánh lửa khác nhau. Nếu như hệ thống đánh lửa điện
cảm tạo tia lửa ổn đ ‚nh nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng và phải giải phóng
một lượng năng lượng dư thừa vào cuối quá trƒnh đánh lửa thì hệ thống đánh lửa
điện dung có hiệu suất đánh lửa cao nhưng lại cần một nguồn điện thế trung áp
nạp vào tụ điện. Chính vì thế, đối tượng nghiên cứu của đề tài là kết hợp hai
loại đánh lửa này lại với nhau để tận dụng những ưu điểm của hệ thống này
khắc phục cho hệ thống khác.
Mục đích chính là thiết kế một sơ đồ mạch điện kết hợp hai hệ thống đánh
lửa là CDI và TI lại với nhau. Thử nghiệm trên động cơ bobine đôi nhằm kiểm
nghiệm về quá trình nạp và xả của tụ theo các quá trình làm việc của động cơ.
Trên cơ sở đó kiểm nghiệm kết quả mức tiêu hao nhiên liệu cũng như so sánh
nồng độ khí xả của các hệ thống khi kết hợp chúng lại với nhau.
Hình 2.1: Kết cấu động cơ 5S-FE trên xe Toyota Camry. 4
Hệ thống đánh lửa điện tử bôbin đôi. Thời điểm và thời gian đánh lửa được
điều khiển hoàn toàn bằng ECU, ECU sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và vị trí trục khuỷu.
Hình 2.2: Tổng quan hệ thống EFI động cơ 5S-FE. 5
2.2 Bộ điều khiển trung tâm (ECU)
Là một mạch điện tử, tại đó ECU:
 Tiếp nhận thông tin từ các cảm biến.  Xử lý các thông tin.
 Tính toán theo một chương trình đã cài đặt trước trong bộ vi xử lý.
 Cấp tín hiệu ra để điều khiển các cơ cấu chấp hành.
ECU đảm bảo cho động cơ hoạt động ở công suất tối ưu nhất, giảm tối thiểu ô
nhiễm môi trường. Giúp chúng ta kiểm soát và kiểm tra động cơ thông qua kiểm tra
mã lỗi đèn Check Engine hoặc máy chẩn đoán chuyên dụng. Hình 2.3: Hộp ECU. Vị trí chân ECU: 6 #10 RSO RSC IGT1 IGT2 G+ NE+ CF STA SL E01 E02 #20 E1 G- NE- IGF 1 OX KNK THW THA PIM 2 VC VTA E2 FC SPD BATT 3 B+
Bảng 2.2: Tên các kí hiệu chân ECU. 7 Kí hiệu Tên gọi E01 Mass ECU E02 Mass ECU E1 Mass các cảm biến E2 Mass các cảm biến STA Tín hiệu khởi động IGT
Tín hiệu thời điểm đánh lửa IGF
Tín hiệu xác nhận đánh lửa G+ Tín hiệu góc trục cam G- Tín hiệu góc trục cam NE+
Tín hiệu góc trục khuỷu NE-
Tín hiệu góc trục khuỷu RSC
Tín hiệu điều khiển cầm chừng RSO
Tín hiệu điều khiển cầm chừng OX Tín hiệu cảm biến oxy SPD Tốc độ xe THA
Tín hiệu nhiệt độ khí nạp THW
Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát VC
Điện áp 5V cung cấp cho các cảm biến BATT
Dương thường trực của ECU +B
Dương cung cấp cho ECU sau rơle chính PIM
Tín hiệu MAP sensor gởi về ECU VTA Tín hiệu TPS gởi về ECU # Vòi phun FC
Tín hiệu rơle mở mạch của bơm xăng KNK Cảm biến kích nổ
2.3 Hệ thống nhiên liệu động cơ Toyota 5S-FE 8
Hình 2.4: Vị trí các bộ phận hệ thống nhiên liệu trên xe.
2.3.1 Nhiệm vụ - Cấu tạo
Hệ thống nhiên liệu phải đảm bảo khả năng dự trữ nhiên liệu.
- Cung cấp nhiên liệu cần thiết tùy theo chế độ làm việc của động cơ.
- Cung cấp nhiên liệu đồng đều cho các xylanh đúng thời điểm và đúng thứ tự nổ.
- Hệ thống bao gồm: Thùng nhiên liệu, lọc thô, bơm, lọc tinh, ống phân phối,
các vòi phun, van điều áp, bộ dập dao động và các đường ống dẫn.
2.3.2 Bơm nhiên liệu
Là động cơ điện một chiều sử dụng cánh gạt để bơm với ưu điểm làm việc
êm, dao động áp suất thấp.
Đặt trực tiếp trong thùng nhiên liệu nhằm giảm tiếng ồn khi hoạt động, động
cơ điện luôn được làm mát và bôi trơn, tránh hụt xăng khi xe phanh hay tăng tốc.
Áp suất bên trong đường ống dẫn luôn được duy trì nhờ van một chiều.
Van an toàn sẽ ngắt nhiên liệu nếu bị nghẹt đường ống dẫn. 9
Bơm đưa nhiên liệu đến các vòi phun với áp suất luôn được duy trì ở 2,7 –
3,1 kgf/cm nhờ vào van điều áp. 2
Khi bật Start máy khởi động quay, đồng thời có tín hiệu STA và NE về ECU. ECU
mở transistor nối mass chân FC, bật rơle bơm, bơm xăng hoạt động.
Hình 2.5: Bơm nhiên liệu. 10
Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện điều khiển bơm nhiên liệu. 2.3.3 Lọc
Lọc thô: Gắn trên đường hút của bơm xăng, nhằm lọc các rỉ sét, bụi bẩn to.
Lọc tinh: Gắn trên đường ống nạp, lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong xăng
triệt để, tránh làm nghẹt hệ thống. Hình 2.7: Lọc thô. 11 Hình 2.8: Lọc tinh. 2.3.4 Bộ điều áp
Nhận chân không từ đường ống nạp duy trì và ổn định áp suất nhiên liệu bên
trong đường ống dẫn đến các vòi phun.
Khi bơm hoạt động xăng có áp suất đi vào van điều áp. Đẩy van bi đi xuống
đưa xăng về bình, làm giảm áp suất. Áp suất được điều chỉnh hay lượng nhiên liệu
được hồi về phụ thuộc vào độ căng của lò xo.
Khi chân không trên đường ống nạp tăng, tác động vào màng kéo van bi đi
xuống. Áp suất nhiên liệu chỉ giảm tương ứng với sự giảm áp đó.
Van sẽ tự động đóng lại nhờ lò xo khi bơm ngừng hoạt động, nhờ vậy áp suất bên
trong đường ống được duy trì. 12
Hình 2.9: Bộ điều áp.
2.3.5 Bộ dập dao động
Áp suất nhiên liệu luôn được duy trì. Tuy nhiên, vẫn có sự dao động nhỏ trong
đường ống do việc phun nhiên liệu.
Hình 2.10: Bộ dập dao động. 2.3.6 Vòi phun 13
Phun tơi sương nhiên liệu trực tiếp hoặc gián tiếp vào buồng đốt, tạo thành
hòa khí, thực hiện kỳ cháy – giãn nở.
Ở động cơ 5S-FE sử dụng hệ thống phun xăng đa điểm. ECU điều khiển phun
theo nhóm: 1-3 và 4-2, mỗi lần phun sau 2 vòng quay của trục khuỷu.
Thời điểm phun bắt đầu khi tín hiệu #10 và #20 từ ECU truyền đến vòi phun (sau
khi tín hiệu IGT đưa đi để đánh lửa thì tín hiệu IGF được truyền về, lúc này ECU sẽ
đóng ngắt transistor để đưa đi tín hiệu #10 và #20). Lúc này cuộn lõi vòi phun lên,
làm xăng có áp suất trong ống phân phối phun sương vào buồng đốt. Hình 2.11: Vòi phun.
Lượng xăng phun (hay thời gian mở của kim phun) phụ thuộc vào tín hiệu của các cảm biến như:
 Cảm biến áp suất khí nạp (MAP).
 Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT).
 Cảm biến nhiệt động cơ (ECT).
 Cảm biến vị trí bướm ga (TPS).  Cảm biến oxy (OX).
 Cảm biến tốc độ động cơ (VSS).
2.4 Hệ thống đánh lửa trên động cơ TOYOTA 5S-FE
2.4.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống đánh lửa 14
Hệ thống đánh lửa trên ôtô có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều hạ áp 12V
thành xung điện cao áp 15kV-30kV và tạo tia lửa điện trên bugi để đánh đúng thời
điểm đốt cháy hỗn hợp khí-xăng trong xylanh ở cuối kỳ nén.
Để hệ thống đánh lửa làm việc tốt đó đòi hỏi hệ thống đánh lửa phải đảm bảo
những yêu cầu chính sau:
 Tạo ra điện áp đủ lớn 15kV-30kV từ nguồn hạ áp một chiều 12V.
 Hệ thống đánh lửa phải luôn luôn có thời điểm đánh lửa chính xác vào cuối
kỳ nén của các xylanh và góc đánh lửa sớm phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ.
 Hệ thống đánh lửa phải sinh ra sức điện động thứ cấp đủ lớn để phóng điện
qua khe hở bugi trong tất cả các chế độ làm việc của động cơ.
 Góc đánh lửa sớm phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ.
 Hệ thống đánh lửa phải đủ độ bền để chịu đựng được tác động của rung
động và nhiệt độ của động cơ.
 Sự mài mòn điện cực bugi phải nằm trong khoảng cho phép.
2.4.2 Giới thiệu chung về hệ thống đánh lửa động cơ Toyota 5S-FE
Hệ thống đánh lửa trên động cơ 5S-FE là hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) sử dụng bôbin đôi.
Các bộ phận chính trên hệ thống đánh lửa động cơ 5S-FE:
 Các cảm biến: có nhiệm vụ nhận biết từng chế độ hoạt động của động cơ,
đưa ra các tín hiệu gửi về ECU rồi đưa ra xung tín hiệu điều khiển thời điểm đánh lửa.
 ECU: có nhiệm vụ tiếp nhâ ‚n tín hiê ‚u từ các cảm biến, xử lý tín hiê ‚u, nhận
tín hiệu hồi về từ bôbin và đưa tín hiê ‚u điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu
chấp hành nhận tín hiệu từ ECU và đáp ứng các tín hiê ‚u phản hồi từ các cảm biến.
Ngoài ra ECU cũng giúp chẩn đoán đô ‚ng cơ khi có sự cố xảy ra.
 Cơ cấu chấp hành: gồm bôbin đôi tích hợp IC đánh lửa, bugi. Trong đó IC
nhận tín hiệu điều khiển từ ECU, tiến hành ngắt dòng điện ở cuộn sơ cấp, và sinh ra 15
dòng điện có điện thế cao trên cuộn thứ cấp rồi đưa đến bugi thực hiê ‚n quá trình đánh lửa.
Mô tả mạch điện hệ thống đánh lửa:
Hình 2.12: Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa.
 ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa vào tín hiệu G, tín hiệu 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 tới IC đánh lửa. Đồng thời, tín hiệu IGF gửi tới ECU động cơ.
 Khi ECU xác định thời điểm đánh lửa, kích Tr1 dẫn tại một góc xác định
trước thời điểm đánh lửa mong muốn và phát ra tín hiệu đánh lửa (IGT)1 đến IC
đánh lửa. Vì bề rộng của tín hiệu IGT là không đổi, mạch điều khiển góc ngậm trong
IC đánh lửa dựa vào tốc độ động cơ và thời điểm đánh lửa ở vòng quay trước đó, đó
là thời gian dẫn của Tr2. Khi đến thời điểm đánh lửa. ECU động cơ ngắt Tr1 và tín
hiệu IGT phát ra ở mức 0. Tín hiệu này làm ngắt Tr2, làm dòng sơ cấp bị ngắt và
sinh ra điện áp cao trên cuộn thứ cấp làm cho bugi đánh lửa. Tương tự, khi dòng 16
dòng sơ cấp bị ngắt sinh ra sức điện động đảo chiều, IC đánh lửa gửi tín hiệu kiểm
tra đánh lửa (IGF) đến ECU để ngưng phun nhiên liệu như chức năng dự phòng khi
các tín hiệu IGF không đi vào ECU.
2.4.3 Các bộ phận chính trong hệ thống đánh lửa động cơ Toyota 5S-FE
2.4.3.1 Bôbin tích hợp IC đánh lửa
IC đánh lửa trong bôbin là mạch điện tử được tích hợp từ các linh kiện điện
tử như transistor, diod, tụ điện,… để điều khiển đóng ngắt dòng sơ cấp và tạo ra tín
hiệu phản hồi IGF về cho ECU động cơ.
IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự đóng và ngắt dòng sơ cấp đi vào
cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra.
Ngoài ra IC đánh lửa còn có chức năng điều khiển dòng không đổi (hạn chế
dòng điện). Khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã định, IC đánh lửa sẽ khống chế
cường độ cực đại bằng cách điều chỉnh dòng.
Nếu ECU không nhận được tín hiệu IGF, nó sẽ quyết định rằng đã có sai sót
trong hệ thống đánh lửa. Để ngăn ngừa sự quá nhiệt, ECU sẽ cho ngừng phun nhiên
liệu và lưu giữ sự sai sót này trong chức năng chẩn đoán. Tuy nhiên, ECU động cơ
không thể phát hiện các sai sót trong mạch thứ cấp vì nó chỉ kiểm soát mạch sơ cấp để nhận tín hiệu IGF.
Hình 2.13: Sơ đồ mạch điện IC đánh lửa. 17
1. Mạch điện tử tạo tín hiệu IGF 2. Mạch đánh lửa.
 Bôbin tiếp nhận điện áp 12V 24V từ accu để tạo ra một điện áp cao khoảng
15kV-30kV để tạo ra một tia lửa mạnh phóng qua hai cực của bugi. Trong bôbin,
cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được quấn xung quanh một lõi cực. Nó dùng để gia
tăng điện áp accu thành điện áp cao thế nhờ vào sự cảm ứng điện từ. Số vòng của
cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp khoảng 100 lần.
Một đầu cuộn sơ cấp gồm có bốn chân để kết nối vào ECU: chân B+, IGT,
IGF, và E02. Ở đầu cuộn thứ cấp nối với dây cao áp để đưa dòng điện thứ cấp ra
bugi để thực hiện quá trình đánh lửa. Hình 2.14: Bôbin. 2.4.3.2 Dây cao áp
 Nhiệm vụ của dây cao áp dùng để dẫn dòng điện cao áp 15kV-30kV từ đầu
cuộn thứ cấp của bôbin tới bugi.
 Trong quá trình làm việc của động cơ có một lượng nhiệt lớn sinh ra nên đòi
hỏi cấu tạo của dây cao áp là phải rất dày, độ dày đó dùng để cách nhiệt của lõi dây 18
với động cơ, đồng thời cách ly dòng điện có điện áp cao dẫn tới bugi, do đó sẽ tránh bị hư hỏng, đứt gãy.
 Dây cao áp được sử dụng hiện nay là dây có điện trở cao để chống nhiễu.
Lõi được chế tạo từ sợi thủy tinh thấm cacbon, được bọc bởi một lớp cao su cách
điện và một vỏ bọc ở bên ngoài. Điện trở của một dây cao áp không quá 25k  ở nhiệt độ 20°C.
Hình 2.15: Dây cao áp. 2.4.3.3 Bugi 19