Ứng dụng ECU điều khiển phun xăng đánh lửa trên động cơ.” 1.1.2 Tầm quan trọng của đề tài Qua đề tài trên, nhóm thực hiện có thể mang lại cho đất nước ta một cái nhìn mới trong định hư
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, đời sống và thu nhập của người dân ngày càng tăng, dẫn đến việc nâng cấp và mở rộng cơ sở hạ tầng, đường xá, phương tiện đi lại Ô tô trở thành phương tiện phổ biến hơn, tuy nhiên đi kèm với đó là các vấn đề môi trường như ô nhiễm và mức tiêu thụ nhiên liệu gia tăng, đặc biệt trong bối cảnh giá xăng dầu biến động liên tục Để giải quyết những vấn đề cấp thiết này, nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hộp ECU điều khiển động cơ đốt trong; ứng dụng ECU điều khiển phun xăng, đánh lửa trên động cơ,” nhằm tối ưu hóa hoạt động của động cơ và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
1.1.2 Tầm quan trọng của đề tài
Nhóm thực hiện dự án mang lại cái nhìn mới về hướng phát triển hộp ECU mang thương hiệu “Hàng Việt Nam chất lượng cao”, góp phần thúc đẩy nền công nghiệp ô tô của đất nước phát triển bền vững Việc này không chỉ nâng cao giá trị sản phẩm nội địa mà còn thúc đẩy uy tín của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam trên thị trường quốc tế Với chiến lược này, chúng ta hướng đến xây dựng một nền công nghiệp ô tô cạnh tranh, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế và tăng khả năng xuất khẩu.
Mang lại một sân chơi, một kiến thức mới cho các bạn sinh viên khi tiến hành học tập, nghiên cứu
Có thể ứng dụng vào thực tiễn trên xe máy, thay thế bộ chế hoà khí trên xe máy bằng phun xăng, đánh lửa điều khiển bằng điện tử
Việc thực hiện đề tài giúp nhóm tổng hợp và củng cố kiến thức đã học tại trường, đồng thời áp dụng kiến thức đó vào thực tiễn công việc Quá trình này còn rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm và làm quen với môi trường làm việc của một kỹ sư sau tốt nghiệp Đối với nhóm, đề tài là cơ hội học hỏi thêm nhiều kiến thức bổ ích và nâng cao vốn hiểu biết trong các môn học đã học.
2 học như hệ thống điện- điện tử ô tô, hệ thống điều khiển tự động trên ô tô, động cơ đốt trong, vi điều khiển,…
Thông qua đồ án này, nhóm tự tin hơn về khả năng trở thành những kỹ sư giỏi sau khi tốt nghiệp Điều này giúp các thành viên yên tâm rời xa trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh với sự chuẩn bị vững chắc, sẵn sàng đối mặt với những thử thách trong sự nghiệp.
1.1.4 Lý do chọn đề tài Đề tài này tưởng cũ mà mới, có sự tổng hợp kiến thức của rất nhiều môn học Chính vì vậy, đề tài này có thể áp dụng vào thực tế để tạo ra được nhiều sản phẩm có tính ứng dụng cao như: Dùng cho xe chạy thực tế, dùng làm mô hình mô phỏng trong học tập và giảng dạy giúp sinh viên có thể hình dung và tiếp thu dễ dàng hơn, rút ngắn được thời gian rất nhiều
Việc làm mô hình giúp sinh viên hoàn thiện kiến thức chuyên ngành trong chương trình đào tạo tại Đại học Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh Đây là cơ hội để các bạn làm quen với môi trường làm việc tại doanh nghiệp hoặc các công trình nghiên cứu sau này Đề tài này còn góp phần nhỏ vào các công trình nghiên cứu chế tạo hộp ECU mang thương hiệu Việt Nam Đồng thời, nó cũng hỗ trợ củng cố nền công nghiệp Việt Nam, đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài này được thực hiện với các mục tiêu mà nhóm đã thống nhất đề ra như:
- Hiểu và trình bày được công nghệ phun xăng, đánh lửa điện tử trên ô tô nói chung và xe máy nói riêng;
- Tiến hành thiết kế và chế tạo hộp ECU có thể điều khiển phun xăng đánh lửa điện tử trên động cơ;
Vi điều khiển Arduino là một công cụ quan trọng giúp lập trình điều khiển cho các mạch điện tử, đặc biệt trong ứng dụng thử nghiệm và nâng cao hiệu suất hệ thống xe máy Việc hiểu rõ về Arduino giúp dễ dàng viết lệnh điều khiển chính xác, tối ưu hóa hoạt động của hộp ECU trên động cơ xe Wave Alpha Ứng dụng từ Arduino trong việc điều khiển mạch và kiểm tra hộp ECU đã mang lại thành công trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tăng độ bền và tiết kiệm nhiên liệu cho xe.
2002 có thể chạy trên đường;
- Đặt nền tảng cho công tác hỗ trợ việc học tập và giảng dạy trong nhà trường
1.2.2 Các kết quả hướng tới
Hoàn thành đồ án đúng tiến độ đề ra, đảm bảo hộp ECU điều khiển động cơ hoạt động ổn định và chính xác Hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa bằng điện tử vận hành liên tục, ổn định, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của động cơ.
- Tạo ra động cơ tiết kiệm nhiên liệu và khí xả sạch, giúp bảo vệ môi trường;
- Tạo ra một mô hình mang tính thẩm mỹ cao, sáng tạo, hoàn chỉnh và giá thành phù hợp;
- Các trường đại học, cao đẳng có thể đưa mô hình này phục vụ việc giảng dạy và nghiên cứu cho sinh viên;
- Định hướng sẽ có một hộp ECU mang thương hiệu hàng Việt Nam và có thể đưa ra thị trường nước ngoài
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ đốt trong nói chung và động cơ xăng trên ô tô nói riêng;
- Thiết kế phần cứng hộp ECU điều khiển phun xăng đánh lửa động cơ;
- Lập trình điều khiển hộp ECU động cơ;
- Kiểm tra, hiệu chỉnh lại chương trình điều khiển cho hoàn chỉnh;
- Ứng dụng hộp ECU đã thiết kế để điều khiển hệ thống phun xăng đánh lửa trên động cơ thực tế;
- Viết báo cáo thuyết minh
Sau khi xác định rõ mục tiêu nghiên cứu và các kết quả mong muốn, nhóm đã xem xét thời gian thực hiện và khả năng nghiên cứu Chúng tôi chọn mẫu xe Honda Wave Alpha 2002 làm đối tượng nghiên cứu để thử nghiệm hệ thống ECU điều khiển phun xăng, đánh lửa.
Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu là cách nghiên cứu các tài liệu khác nhau nhằm hiểu rõ đối tượng nghiên cứu một cách sâu sắc và đầy đủ Quá trình này bao gồm việc xây dựng sơ đồ tư duy, chia nhỏ thông tin thành các bộ phận theo thứ tự hợp lý để không bỏ sót yếu tố quan trọng Sau đó, các dữ liệu và thông tin được tổng hợp một cách hệ thống nhằm đưa ra các kết luận chính xác và toàn diện.
4 đã được phân tích tạo nên một hệ thống lý thuyết mới theo ý hiểu của mình nhưng đầy đủ và sâu sắc về đối tượng
Nhóm tiến hành khảo sát bằng cách tìm hiểu và nghiên cứu các kiến thức thực tế về các hệ thống, thiết bị, mô hình và động cơ đang phổ biến trên thị trường Phương pháp này giúp đánh giá ưu nhược điểm của từng giải pháp, từ đó đưa ra những nhận định chính xác và phù hợp Việc học hỏi và phân tích các hệ thống đang sử dụng phổ biến là bước nền tảng để chọn lựa giải pháp tối ưu, nâng cao hiệu quả hoạt động.
- Phương pháp mô hình hoá: Dùng để tái hiện đối tượng theo các cơ cấu, chức năng mà đã khảo sát được từ động cơ thực tế
Phương pháp thực nghiệm của chúng tôi liên quan đến việc thử nghiệm sản phẩm trên mô hình cụ thể là xe máy Wave Alpha 2002 Quá trình này nhằm kiểm tra xem hộp hoạt động có ổn định và chính xác hay không, đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm qua các thử nghiệm thực tế.
Bạn nên tận dụng kiến thức đã học tại trường và sách giáo khoa do nhà trường xuất bản để xây dựng nền tảng vững chắc Đồng thời, việc mở rộng thêm kiến thức qua các nguồn thông tin trên internet và các sách của các trường đại học khác sẽ giúp nâng cao hiểu biết và cập nhật kiến thức mới nhất trong lĩnh vực của bạn Việc kết hợp đa dạng nguồn tài liệu giúp đảm bảo thông tin chính xác và phong phú, hỗ trợ quá trình học tập và nghiên cứu đạt hiệu quả cao hơn.
- Sử dụng phần mềm Arduino IDE cho việc viết lệnh điều khiển, kiểm tra và hiệu chỉnh lại lệnh
- Sử dụng phần mềm Word để viết, trình bày báo cáo thuyết minh
- Sử dụng phần mềm Powerpoint để làm bài thuyết trình cho đề tài
- Sử dụng điện thoại Smartphone để chụp hình, quay video quá trình thực hiện.
Cấu trúc đề tài
Nội dung đề tài được trình bày bao gồm có:
Chương 1: Giới thiệu đề tài;
Chương 2: Tổng quan giải pháp;
Chương 3: Phương pháp giải quyết;
Chương 4: Tính toán, thiết kế hộp ECU điều khiển động cơ;
Chương 5: Thi công mô hình;
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
Lịch sử hình thành phun xăng và đánh lửa điện tử trên ô tô
Động cơ đốt trong là loại động cơ sử dụng năng lượng từ quá trình cháy nhiên liệu để tạo ra lực đẩy như xăng và diesel, giúp piston bên trong xi-lanh chuyển động tịnh tiến Quá trình này chuyển đổi năng lượng thành công quay trục cơ, từ đó truyền động cho bánh xe qua hệ thống xích tải hoặc trục truyền động Đây là loại động cơ phổ biến nhất được sử dụng trong ô tô hiện nay, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động của xe.
Về lịch sử phát triển của động cơ xăng có một số mốc đáng chú ý:
Vào cuối thế kỷ 19, kỹ sư người Pháp Stevan đã phát minh ra phương pháp phân phối nhiên liệu khi sử dụng máy nén khí Người Đức sau đó thử nghiệm phun nhiên liệu vào buồng đốt nhưng chưa đưa vào sử dụng phổ biến do hiệu quả thấp Đến năm 1887, các kỹ sư Mỹ đóng góp lớn vào việc áp dụng hệ thống phun xăng trong sản xuất động cơ tĩnh tại Vào đầu thế kỷ 20, Đức đã áp dụng hệ thống phun xăng trên động cơ 4 thì tĩnh tại, thúc đẩy công nghệ chế tạo hệ thống nhiên liệu cho máy bay (dùng dầu hỏa dễ gây kích nổ và hiệu suất thấp) Từ đó, hệ thống phun xăng dần thay thế bộ chế hòa khí trên ô tô tại Đức Năm 1966, hãng Bosch thành công với hệ thống phun xăng cơ khí K-Jetronic, phun liên tục trước xupap nạp, trở thành nền tảng phát triển hệ thống phun nhiên liệu sau này Đến năm 1984, Nhật Bản mua bản quyền Bosch ứng dụng hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic, gọi chung là EFI (Electronic Fuel Injection) Đến năm 1996, công nghệ điện tử tiến bộ hơn với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) ra đời, nâng cao hiệu suất động cơ xăng.
Hiện nay, các nhà sản xuất ô tô hướng đến hoàn thiện quá trình hình thành hỗn hợp cháy để đảm bảo khả năng cháy triệt để, nâng cao hiệu quả kinh tế nhiên liệu và giảm thiểu lượng khí thải độc hại phát ra môi trường Công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp GDI được xem là giải pháp tối ưu trong việc cải thiện quá trình đốt cháy, trong khi bộ chế hòa khí truyền thống bắt đầu trở nên lạc hậu Công nghệ này không chỉ áp dụng trên các xe cao cấp mà còn phổ biến trên các dòng xe phổ thông, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động và thân thiện với môi trường.
Lý thuyết về phun xăng và đánh lửa điện tử trên ô tô
2.2.1 Khái niệm, đặc điểm, phân loại hệ thống phun xăng điện tử a Khái niệm
Hệ thống phun xăng điện tử (EFI – Electronic Fuel Injection) là công nghệ hiện đại được điều khiển bởi ECU nhằm phun nhiên liệu chính xác vào động cơ Hệ thống này tối ưu hóa tỷ lệ hỗn hợp khí, giúp engine hoạt động hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu Dựa trên tín hiệu từ các cảm biến, ECU tính toán thời điểm và điều chỉnh chính xác tỷ lệ xăng-không khí phù hợp với từng chế độ hoạt động của xe Điều này mang lại khả năng vận hành ổn định, giảm khí thải độc hại và nâng cao hiệu suất động cơ.
- Sự tiêu thụ nhiên liệu rất thấp, còn ít hơn cả động cơ diesel Thời điểm phun được tính toán rất chính xác;
- Công suất động cơ siêu cao, cao hơn rất nhiều so với các loại động cơ MPI đang sử dụng hiện nay c Phân loại
Phân loại theo vị trí lắp đặt kim phun:
Hình 2.1 Bố trí kim phun xăng đơn điểm [12]
1- Bộ lọc không khí; 2- Van phun; 3- Van bướm ga; 4- Đường ống nạp
Hệ thống phun xăng đơn điểm (TBI - Throttle Body Injection) sử dụng một vòi phun trung tâm duy nhất để thay thế bộ chế hòa khí, giúp cải thiện hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu Kim phun được đặt ở cổ ống góp hút chung cho tất cả các xi-lanh của động cơ, nằm trên bướm ga, tạo thành hỗn hợp nhiên liệu và không khí trước khi vào buồng đốt Hệ thống này mang lại khả năng điều chỉnh lượng nhiên liệu chính xác hơn, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của xe.
Hệ thống phun xăng đa điểm (MPI - Multi Point Fuel Injection) cung cấp nhiên liệu trực tiếp vào từng xi-lanh riêng biệt phù hợp với từng góc quay của trục khuỷu, giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy và nâng cao hiệu suất động cơ Mỗi xi-lanh của động cơ được trang bị một vòi phun riêng nằm phía trước xupap nạp, đảm bảo lượng nhiên liệu phân phối chính xác đồng thời giảm khí thải và tiêu thụ nhiên liệu Hệ thống vòi phun này nhận tín hiệu từ cảm biến góc quay trục khuỷu để xác định thời điểm phun nhiên liệu chính xác nhất, giúp động cơ vận hành mượt mà, tiết kiệm nhiên liệu và mang lại hiệu suất tối ưu.
Hình 2.2 Bố trí kim phun xăng đa điểm [12]
1- Bộ lọc không khí; 2- Van bướm ga; 3- Đường ống nạp;
4- Ống phun nhiên liệu; 5- Van phun
Phân loại theo cấu tạo kim phun:
- Loại CIS (Continuous Injection System): Là kiểu sử dụng kim phun cơ khí, gồm những loại cơ bản sau:
K-Jetronic là hệ thống phun nhiên liệu hoàn toàn bằng cơ khí-thuỷ lực, trong đó lượng xăng được phun ra dựa trên độ chân không trong ống hút, giúp điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp theo khối lượng không khí nạp vào Hệ thống này phun liên tục và định lượng chính xác dựa trên áp suất chân không, tối ưu hóa hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- Loại AFC (Air Flow Controlled Fuel Injection): Là kiểu sử dụng kim phun điều khiển bằng điện Gồm có:
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
+ L-Jetronic (Luft-không khí): Lượng xăng phun được tính toán bởi lưu lượng khí nạp từ cảm biến đo gió loại cánh trượt
2.2.2 Lý thuyết về hệ thống phun xăng
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- Với m= 14,7:1 (14,7 gram không khí hoà lẫn với 1 gram xăng) - đủ không khí, ta có 𝜆=1 và có hoà khí chuẩn (lý tưởng);
- Với m> 14,7:1 - dư không khí, ta có 𝜆>1 và có hoà khí nhạt (nghèo xăng);
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Việc thay đổi thành phần hòa khí nhằm đảm bảo luôn nạp đủ nhiên liệu vào xi-lanh phù hợp với từng chế độ hoạt động của ô tô, giúp tối ưu hiệu suất động cơ Khi khởi động lạnh, tỷ lệ hòa khí đạt khoảng 9:1 để dễ dàng khởi động và vận hành ổn định Ở tốc độ chậm, tỷ lệ này tăng lên khoảng 12:1, còn ở tốc độ trung bình, bướm ga mở một phần và tỷ lệ hòa khí trở nên nghèo hơn, khoảng 15:1, nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải.
Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các phương tiện ô tô thế hệ mới đã trang bị bầu xúc tác hóa học để xử lý khí thải Để hệ thống này hoạt động hiệu quả, cần duy trì tỷ lệ hòa khí lý tưởng ở mức 14,7:1, đảm bảo quá trình xử lý khí thải diễn ra tối ưu và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Phương pháp phun và thời điểm phun:
- Phun độc lập: Mỗi kim phun phun một lần theo thứ tự, cái này phun xong thì tới cái kế tiếp;
Hình 2.3 Thời điểm phun đối với loại phun độc lập [1, trang 122]
1- Kỳ nạp, 2- Đánh lửa, 3- Phun nhiên liệu
Phun theo nhóm giúp tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu, bằng cách chia các kim phun thành các cặp luân phiên nhau, phù hợp với cấu hình động cơ Ví dụ, đối với động cơ 6 xylanh, các cặp phun như 1-5, 3-6, 2-4 được chia ra để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình vận hành Phương pháp này giúp cân bằng lượng nhiên liệu, giảm thiểu rung lắc và nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hình 2.4 Thời điểm phun đối với loại phun theo nhóm [1, trang 122]
Các kim phun đồng loạt hoạt động cùng lúc trên mỗi vòng quay trục khuỷu, nhờ được nối song song với nhau ECU chỉ cần gửi một lệnh duy nhất để các kim phun đóng mở đồng bộ, đảm bảo quá trình phun nhiên liệu diễn ra chính xác và hiệu quả Điều này giúp tối ưu hóa việc phân phối nhiên liệu và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống phun nhiên liệu.
Hình 2.5 Thời điểm phun đối với loại phun đồng loạt [1, trang 122]
1- Kỳ nạp; 2- Đánh lửa; 3- Phun nhiên liệu
2.2.3 Lý thuyết đánh lửa trên ô tô
Kỹ thuật số đã được ứng dụng vào hệ thống đánh lửa từ nhiều năm qua, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ Các cảm biến ghi nhận và mã hoá các thông số như tốc độ động cơ, tải trọng, nhiệt độ, từ đó gửi tín hiệu về ECU để xử lý và tính toán góc đánh lửa tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ Để xác định chính xác thời điểm đánh lửa cho từng xylanh, ECU cần nhận các tín hiệu quan trọng như tốc độ động cơ, vị trí trục khuỷu, lượng gió nạp và nhiệt độ động cơ, cùng các cảm biến bổ sung như cảm biến nhiệt khí nạp, cảm biến tốc độ xe, cảm biến oxy, giúp việc điều chỉnh góc đánh lửa trở nên chính xác hơn Hệ thống đánh lửa gồm ba khối chính: cảm biến đầu vào, bộ xử lý trung tâm ECU và bộ chấp hành đầu ra điều khiển đánh lửa, đảm bảo hoạt động tối ưu của toàn hệ thống.
Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống đánh lửa với góc đánh lửa sớm bằng điện tử [1, trang 92]
1- Tín hiệu tốc độ động cơ (NE); 2- Tín hiệu vị trí trục khuỷu (G); 3- Tín hiệu tải; 4- Tín hiệu từ cảm biến vị trí cánh bướm ga; 5- Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát;
6- Tín hiệu điện áp accu; 7- Tín hiệu kích nổ
Trong các loại tín hiệu đầu vào của hệ thống, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí trục khuỷu và tín hiệu tải đóng vai trò quan trọng hàng đầu Để xác định tốc độ động cơ chính xác, người ta thường lắp cảm biến trên các vị trí như cánh răng ở đầu trục khuỷu, bánh đà, trục cam hoặc delco, sử dụng các loại cảm biến như Hall, cảm biến điện từ hoặc cảm biến quang Đối với việc xác định tải của động cơ, ECU dựa vào tín hiệu thay đổi áp suất trên đường ống nạp hoặc lượng khí nạp để đo lường và điều chỉnh hoạt động phù hợp.
Góc đánh lửa sớm thực tế khi động cơ hoạt động được xác định bởi công thức: θ = θbđ + θcb + θhc
Trong đó: θ - Góc đánh lửa sớm thực tế; θbđ - Góc đánh lửa sớm ban đầu; θcb - Góc đánh lửa sớm cơ bản; θhc - Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh
Hình 2.7 Góc đánh lửa sớm thực tế [1, trang 95]
Xu hướng phát triển phun xăng và đánh lửa trên ô tô hiện nay
Hầu hết các hãng xe đều hướng tới cải thiện hiệu suất động cơ, nâng cao khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải độc hại ra môi trường Chính vì đó, hệ thống nhiên liệu ngày càng được phát triển mạnh mẽ và mở rộng để đáp ứng các mục tiêu bền vững và thân thiện với môi trường.
- Sự phát triển của hệ thống EFI:
Hệ thống phun xăng điện tử EFI đã xuất hiện từ năm 1950 nhưng phải đến năm
Năm 1980 đánh dấu sự phát triển rộng rãi của hệ thống nhiên liệu điện tử (EFI) tại Châu Âu, nhờ sự tiến bộ của công nghệ điện tử Hệ thống EFI ngày càng hoàn thiện và nâng cao hiệu quả hoạt động, gồm có các loại như hệ thống phun xăng đơn điểm, hệ thống phun xăng hai điểm và hệ thống phun xăng đa điểm Lựa chọn loại hệ thống phù hợp phụ thuộc vào chức năng và dòng xe của nhà sản xuất, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
- Sự ra đời của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI:
Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI sử dụng vòi phun nhiên liệu để phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt với áp suất cao, giúp tối ưu hoá quá trình đốt cháy Công nghệ GDI tạo ra hỗn hợp cháy chính xác bên trong buồng đốt, nâng cao hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu Đây là giải pháp tiên tiến giúp cải thiện khả năng vận hành, giảm khí thải và mang lại hiệu suất hoạt động vượt trội cho xe ô tô hiện đại.
Hệ thống phun xăng trực tiếp vào buồng đốt giúp tiết kiệm nhiên liệu từ 6-8%, giảm khí thải ô nhiễm và nâng cao hiệu quả kinh tế cho xe Công nghệ này đặc biệt hiệu quả trong điều kiện hỗn hợp cháy nghèo, như khi xe không tải, với lượng xăng ít hơn nhưng không khí nhiều, nhờ khả năng tối ưu hóa quá trình đốt cháy trong buồng đốt.
Kết luận, các phân tích giúp nhóm hiểu rõ hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử đánh lửa, từ đó cung cấp kiến thức hữu ích hỗ trợ quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống ECU điều khiển động cơ đốt trong.
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Phân tích phương án thiết kế chế tạo
3.1.1 Phương án thiết kế bo mạch
Phương án 1: Thiết kế bo mạch theo ECU có sẵn
Hình 3.1 ECU có sẵn trên thị trường [5,6]
Nghiên cứu và phân tích một ECU có sẵn từ hãng xe giúp hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch điện và cách bố trí linh kiện Việc này cung cấp nền tảng để thiết kế hoặc cải tiến các ECU mới phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật Sử dụng ECU có sẵn trên thị trường giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm như giới hạn trong việc tùy chỉnh và tối ưu hóa các tính năng mới phù hợp với từng dòng xe Đánh giá đúng ưu nhược điểm của việc thiết kế dựa trên ECU có sẵn sẽ giúp các nhà phát triển có lựa chọn phù hợp để nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống ECU.
- Nhỏ gọn, cách sắp xếp bố trí các linh kiện hợp lý;
- Có cơ sở để thiết kế bo mạch nên sẽ hoàn chỉnh hơn;
- Đảm bảo tuổi thọ cao hơn, chất lượng, tính ổn định cũng được nâng cao hơn
- Tốn nhiều thời gian cho việc nghiên cứu;
- Số lượng các loại ECU có sẵn được tiếp xúc bị hạn chế do chưa có nhiều kiến thức và thời gian;
- Nguồn tài liệu tham khảo hạn chế, rất khó kiếm;
- Linh kiện thiết kế phần cứng trong ECU có sẵn này ít được tiếp xúc, tìm trên thị trường cũng rất ít gặp;
- Chi phí thiết kế, thử nghiệm bo mạch cao;
- Việc thay thế, sửa chữa khó;
- Việc viết chương trình điều khiển mạch khó, phức tạp
Phương án 2: Thiết kế bo mạch dựa vào động cơ thực tế
Hình 3.2 mô tả động cơ thực tế, trong đó thiết kế bo mạch dựa trên khảo sát các thông số kỹ thuật của động cơ mẫu để xác định giá trị cảm biến và cơ cấu chấp hành phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ Quá trình này giúp xây dựng bản đồ thời gian phun xăng và góc đánh lửa chính xác cho động cơ đó Phương án này có ưu điểm là đảm bảo độ chính xác cao trong điều khiển động cơ, tuy nhiên cũng tồn tại nhược điểm như yêu cầu đo đạc kỹ lưỡng và phức tạp trong quá trình thực hiện.
Linh kiện sử dụng trong thiết kế bo mạch thường có sẵn phong phú trên thị trường với mức giá hợp lý, giúp dễ dàng tiếp cận và lựa chọn phù hợp Những linh kiện này rất thân thiện với người mới bắt đầu, vì dễ dàng tìm hiểu nguyên lý hoạt động và đã từng được học tập trong chương trình đào tạo tại trường lớp Việc sử dụng linh kiện phổ biến không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thuận tiện trong quá trình thiết kế và sửa chữa bo mạch điện tử.
- Nguồn tài liệu tham khảo, sách vở, báo chí, trên Internet nhiều;
- Việc sửa chữa, thay thế dễ dàng;
- Việc viết chương trình điều khiển, đưa ra các bài toán cũng dễ dàng hơn
- Bo mạch thiết kế phức tạp hơn, không nhỏ gọn, do linh kiện và dây dẫn lớn;
- Phải tốn nhiều chi phí mua động cơ mẫu;
- Cần tốn nhiều thời gian để khảo nghiệm;
- Trang thiết bị, dụng cụ không đủ để khảo sát hết giá trị của động cơ mẫu;
- Do linh kiện có sai số và các tín hiệu đầu vào chưa ổn định nên độ chính xác, tin cậy chưa được cao
Lựa chọn phương án thiết kế
Qua phân tích hai phương án, mỗi phương án đều có ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, phương án 2 nổi bật với nhiều ưu điểm thuận tiện cho việc tính toán và thiết kế bo mạch Chính vì thế, nhóm chúng tôi quyết định chọn phương án 2 để đảm bảo hiệu quả và tối ưu hóa quá trình thực hiện.
3.1.2 Phương án phân bố điện áp
Hệ thống đánh lửa trực tiếp không có bộ chia điện:
Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS (Direct Ignition System), còn gọi là hệ thống đánh lửa không bộ chia điện DLI (Distributorless Ignition), ngày càng được sử dụng rộng rãi trên các loại xe hiện đại Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm như khả năng đánh lửa chính xác, hiệu suất hoạt động vượt trội và giảm thiểu cấu trúc phức tạp so với các hệ thống truyền thống Tuy nhiên, DIS cũng có nhược điểm như chi phí bảo trì cao hơn và cần các bộ phận phụ kiện thay thế phù hợp để đảm bảo hoạt động ổn định.
Năng lượng ít bị tổn thất nhờ vào việc giảm điện dung ký sinh, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống Điều này giúp giảm nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp, đặc biệt khi dây cao áp ngắn hoặc không có dây cao áp, góp phần nâng cao độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống truyền tải điện.
- Không có khe hở giữa mỏ quẹt với dây cao áp do không có mỏ quẹt;
- Bỏ được những hư hỏng thường gặp do hiện tượng phóng điện trên dây cao áp;
Việc loại bỏ những bộ phận dễ hư hỏng như mỏ quẹt, chổi than và nắp delco giúp nâng cao độ bền và độ tin cậy của thiết bị Những chi tiết này khi chế tạo cần sử dụng vật liệu cách điện tốt để đảm bảo an toàn và tuổi thọ lâu dài cho máy móc, giảm thiểu các sự cố kỹ thuật.
- Thời điểm đánh lửa chính xác và tối ưu theo từng chế độ làm việc của động cơ
- Chi phí lắp đặt các cảm biến cao;
- Do kết cấu đồng bộ nên khi hư hỏng phải thay thế cả cụm bobine
3.1.3 Phương án sử dụng bobine
Loại 1: Sử dụng mỗi bobine cho một bugi
Hình 3.3 Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobine cho một bugi [4] 1- Các cảm biến; 2- ECU; 3- IC đánh lửa; 4- Cuộn đánh lửa (Có IC đánh lửa); 5-
ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến, tính toán để điều khiển hoạt động của hệ thống đánh lửa Khi có tín hiệu, ECU gửi lệnh đến cực B của transistor công suất theo thứ tự nổ của động cơ, khiến transistor dẫn dòng và tạo ra dòng điện trong cuộn sơ cấp Khi mất tín hiệu, transistor ngắt kết nối, dòng sơ cấp giảm nhanh chóng và tạo ra dòng cao áp trong cuộn thứ cấp của bugi đánh lửa, giúp kích hoạt quá trình đốt nhiên liệu chính xác và hiệu quả.
Hình 3.4 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobine cho một bugi [1, trang 98]
Loại 2: Sử dụng mỗi bobine cho từng cặp bugi
Các bugi đôi được gắn ở hai xy-lanh song hành, giúp cải thiện hiệu suất đốt cháy nhiên liệu và giảm kỹ thuật phối hợp giữa các bugi Trong động cơ gồm bốn xy-lanh nổ theo thứ tự 1-3-4-2, hệ thống bugi đôi sử dụng hai bobine, mỗi bobine có hai đầu cuộn thứ cấp kết nối trực tiếp với các bugi Cụ thể, bobine thứ nhất kết nối với bugi số 1 và số 4, trong khi bobine thứ hai kết nối với bugi số 2 và số 3, đảm bảo sự hoạt động đồng bộ và tối ưu hóa hiệu suất của động cơ.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobine cho từng cặp bugi, bao gồm các thành phần chính như cảm biến, ECU, IC đánh lửa, cuộn đánh lửa, dây cao áp và bugi ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến, sau đó tính toán và xác định chính xác thời điểm đánh lửa để đảm bảo hiệu suất động cơ tối ưu Hệ thống này giúp nâng cao độ chính xác trong việc truyền lực đốt cháy, giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm khí thải độc hại.
Transistor đóng ngắt tạo ra điện áp cao ở hai bobine đánh lửa, dẫn đến việc hai bugi của cùng một bobine sẽ đánh lửa cùng lúc Tuy nhiên, theo chu kỳ làm việc, xy-lanh số 1 đang ở kỳ nén thì xy-lanh số 4 ở kỳ thải, giúp quá trình đánh lửa không gây ảnh hưởng lẫn nhau giữa các kỳ Tương tự, bugi số 2 và số 3 cũng trải qua quá trình đánh lửa theo chu kỳ riêng biệt, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống đánh lửa ô tô.
Hình 3.6 Sơ đồ mạch hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobine cho từng cặp bugi [1, trang 98]
Đối với động cơ 6 xi-lanh, hệ thống đánh lửa sử dụng ba bobine để đảm bảo hoạt động hiệu quả Một bobine sẽ phục vụ cho các xi-lanh số 1 và 6, trong khi một bobine khác dành cho các xi-lanh số 2 và 5, và bobine còn lại sẽ phục vụ cho các xi-lanh số 3 và 4 Thứ tự nổ được duy trì theo trình tự 1-5-3-6-2-4, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành của động cơ.
Loại 3: Sử dụng một bobine cho bốn xylanh
Hệ thống này gồm hai cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp kết nối với các bugi qua các diode cao áp, đảm bảo hiệu quả truyền điện cao Khi ECU điều khiển mở transistor, điện áp trên cuộn thứ cấp thay đổi dấu nhờ các cuộn sơ cấp quay ngược chiều nhau, tạo ra tia lửa ở bu ıi phụ thuộc vào chiều của xung cao áp Cụ thể, nếu xung cao áp trên cuộn thứ cấp là dương, tia lửa sẽ xuất hiện tại các xi lanh số 1 và số 4, tùy thuộc vào chiều của xung qua các diode.
Hình 3.7 Sơ đồ mạch hệ thống đánh lửa sử dụng một bobine cho bốn xylanh [1, trang 99]
3.1.4 Phương án phần cứng ECU phun xăng, đánh lửa Để bo mạch hoạt động tốt, ổn định và hạn chế các yếu tố tác động từ bên ngoài thì phần cứng ECU phải đảm bảo các yếu tố sau:
- Linh kiện phải hàn theo đúng sơ đồ nguyên lý và sơ đồ bố trí trên bo mạch;
- Phủ nhựa thông lên vi mạch để chống oxy hoá và cách điện;
- Lắp các đèn led báo nguồn và các led ở đầu ra để dễ theo dõi tình trạng của bo mạch xem còn hoạt động tốt hay không;
Bộ ECU cần được đặt trong hộp kín để bảo vệ bo mạch khỏi bụi, ẩm, và các tác nhân gây hại, giúp nâng cao tuổi thọ của thiết bị Việc sử dụng hộp bảo vệ cũng giúp dễ dàng kết nối các cổng ra vào, thuận tiện trong quá trình thử nghiệm và kiểm tra hệ thống Lựa chọn hộp phù hợp không chỉ đảm bảo an toàn cho bộ ECU mà còn tối ưu hóa quá trình vận hành và bảo trì.
- Phải tối ưu hoá các dây dẫn nối các linh kiện trong bo mạch dưới dạng các đường đồng
- Phần cứng ECU phun xăng, đánh lửa phải đảm bảo công suất tiêu thụ nhỏ, khả năng tương thích cao, và ổn định khi làm việc
3.1.5 Phương án lập trình cho ECU phun xăng, đánh lửa
- Khả năng tính toán, xử lý nhanh;
- Hầu hết các chân được lập trình bởi người dùng thực hiện các chức năng khác nhau và dễ dàng thay đổi, hiệu chỉnh chương trình;
- Cấu trúc phần cứng ECU đơn giản;
- Linh kiện có sẵn trên thị trường, dễ tìm kiếm chỗ mua;
- Thời gian thực hiện nhanh
- Người dùng phải có kiến thức điện tử, hiểu biết chuyên sâu về linh kiện, biết vẽ mạch và lập trình;
- Tính toán, thiết kế mạch in phức tạp;
- Đòi hỏi quá trình hàn mạch phải tỉ mỉ, mối hàn tốt, tiếp xúc tốt
Sơ đồ cấu tạo ECU
Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo ECU Bảng 3.1 Vị trí các phần tử trong sơ đồ cấu tạo ECU
7 Tín hiệu kích bơm xăng
8 Tín hiệu kích phun xăng
9 Tín hiệu kích đánh lửa
10 Chân kích bobine đánh lửa
Giới thiệu động cơ
Dựa trên việc nghiên cứu các loại động cơ khác nhau trên thị trường, nhóm đã quyết định chọn động cơ của xe máy Wave Alpha 2002 để thử nghiệm bo mạch ECU điều khiển động cơ phun xăng điện tử Mẫu động cơ này phù hợp vì tính tiện lợi của mô hình, khả năng vận hành, kỹ năng thực hiện của nhóm và ngân sách có hạn Động cơ Wave Alpha 2002 vẫn đang sử dụng bộ chế hòa khí để phân phối hòa khí và hệ thống đánh lửa điện dung AC-CDI, dựa trên nguồn điện xoay chiều từ cuộn lửa ở vô lăng khi động cơ hoạt động.
Phương án cải tiến: Dùng ECU điều khiển phun xăng đánh lửa trực tiếp
Lý do chọn động cơ xe máy Wave Alpha 2002:
- Động cơ có cấu tạo đơn giản, dễ hoán đổi và cải tạo theo mục đích: gia công, lắp đặt các cảm biến lên động cơ;
- Quy trình tháo lắp động cơ nhanh chóng, dễ dàng;
- Các chức năng cơ bản vẫn đảm bảo như các động cơ xăng trên các dòng xe ô tô du lịch và xe máy;
- Vì đời máy cũ nên giá thành rẻ, chi phí bảo dưỡng, sửa chữa rẻ phù hợp với sinh viên trong việc nghiên cứu
Kết luận, nhóm đã lựa chọn các phương án thiết kế ECU động cơ tối ưu nhất, phù hợp với khả năng và yêu cầu kỹ thuật của đề tài Các giải pháp đã được phân tích kỹ lưỡng nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong quá trình thiết kế Những kiến thức đã tích lũy trong quá trình nghiên cứu sẽ hỗ trợ đắc lực cho phần tính toán và thiết kế hộp ECU điều khiển động cơ đốt trong trong các chương tiếp theo của đề tài.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ECU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
Xây dựng mạch điều khiển phun xăng, đánh lửa
Mạch điều khiển phun xăng, đánh lửa gồm có ba khối:
Khối tín hiệu đầu vào chịu trách nhiệm tiếp nhận các tín hiệu từ cảm biến trục khuỷu, cảm biến Hall, cảm biến nhiệt độ và cảm biến oxy, đảm bảo vi điều khiển nhận được dữ liệu chính xác để điều chỉnh hoạt động của hệ thống.
Khối xử lý tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý các tín hiệu đầu vào để xác định các lệnh xuất ra, bao gồm việc tìm góc đánh lửa, điện áp, và thời gian phun nhiên liệu Nó thực hiện các phép tính cần thiết dựa trên dữ liệu nhận được, sau đó gửi các kết quả chính xác đến cơ cấu chấp hành để điều khiển hoạt động của hệ thống Công đoạn này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống động cơ và đảm bảo hiệu quả vận hành.
- Khối tín hiệu đầu ra: Nhận lệnh từ khối xử lý gửi đến và thực thi các lệnh đó Điều khiển bơm xăng, bobine đánh lửa, kim phun.
Thời điểm phun xăng
Trong quá trình hoạt động của động cơ, nhiên liệu xăng sẽ được phun vào xy lanh ở cuối kỳ nạp, sau khi hoàn toàn hút không khí ở đầu kỳ nạp Tiếp đến, xăng sẽ được phun ra dưới dạng khí, nhanh chóng hòa trộn với không khí trong kỳ nén nhờ vào áp suất cao Quá trình này giúp đảm bảo nhiên liệu hòa trộn đều với không khí, tối ưu hóa quá trình đốt cháy và nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Khi cảm biến phun xăng nhận tín hiệu, nó gửi thông tin về ECU để xử lý ECU phân tích dữ liệu và điều chỉnh tín hiệu điều khiển kim phun, cung cấp lượng xăng phù hợp vào buồng đốt, đảm bảo hiệu suất của hệ thống nhiên liệu.
Thời gian phun xăng
ECU động cơ làm thay đổi lượng phun nhiên liệu bằng cách thay đổi thời gian phun của kim phun
Thời gian phun cơ bản, sau khi đã thử nghiệm, cho kết quả được thể hiện ở phụ lục 2, trang 69
Bảng 4.1 Thời gian phun hiệu chỉnh
Ngoài ra ECU còn nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ để nhận biết nhiệt động cơ và tự động điều chỉnh thời gian phun.
Thời điểm đánh lửa
ECU động cơ nhận tín hiệu từ cảm biến Hall để xác định thời điểm đánh lửa tối ưu Sau đó, ECU tính toán các dữ liệu từ các cảm biến khác nhau và truyền tín hiệu IGT để đảm bảo quá trình cháy nổ diễn ra hiệu quả Quá trình này giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ và giảm tiêu thụ nhiên liệu Hệ thống cảm biến và ECU phối hợp chính xác để tối ưu hóa hệ thống đánh lửa của xe.
Tín hiệu IGT được bật ON ngay trước thời điểm đánh lửa và sau đó tự động tắt đi khi bộ vi xử lý trong ECU động cơ tính toán Khi tín hiệu IGT bị ngắt, các bugi sẽ bắt đầu đánh lửa, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống đánh lửa.
Thời điểm đánh lửa hiệu chỉnh (góc đánh lửa sớm) theo tốc độ động cơ:
- Với tốc độ nhỏ hơn hoặc bằng 1000 vòng/phút thì bugi sẽ đánh lửa sớm 15° trước điểm chết trên trong thì nén;
- Với tốc độ lớn hơn 1000 và nhỏ hơn hoặc bằng 5000 vòng/phút thì bugi sẽ đánh lửa sớm 20° trước điểm chết trên trong thì nén;
- Với tốc độ lớn hơn 5000 vòng/phút thì bugi sẽ đánh lửa sớm 30° trước điểm chết trên trong thì nén
Hình 4.1 Xung đánh lửa và góc đánh lửa sớm [11]
Tính toán, thiết kế phần cứng ECU
4.5.1 Chọn linh kiện chế tạo bo mạch
Các hãng chế tạo ECU thường thiết kế các hệ thống tích hợp trên một chip để giảm thiểu số lượng linh kiện trong ECU, ví dụ như vi điều khiển TC1766, vốn hiếm và đắt đỏ tại thị trường Việt Nam Việc này gây khó khăn trong sửa chữa ECU do linh kiện không phổ biến Tiêu chí lựa chọn linh kiện cho ECU là ưu tiên các linh kiện có sẵn nhiều trên thị trường để đảm bảo dễ dàng sửa chữa và thay thế sau này.
Quá trình sửa chữa dễ dàng và thuận tiện nhờ vào khả năng tính toán nhanh, tích hợp cao, đồng thời mức giá phải chăng phù hợp với ngân sách Nhóm đã chọn sử dụng vi xử lý Arduino UNO R3 do tính tương thích cao, tiêu thụ điện năng thấp, ổn định và phổ biến trên thị trường, giúp việc lựa chọn linh kiện dễ dàng hơn.
Các loại linh kiện được sử dụng trong mạch thiết kế gồm:
- Tụ mica 104f 100nF, số lượng 6;
Hình 4.3 Tụ hoá 1000μF Hình 4.4 Tụ mica 104f
- Tấm tản nhiệt mosfet, số lượng 4;
4.5.2 Sơ đồ khối các khối trong ECU
Hình 4.5 Sơ đồ các khối trong ECU
Biến nguồn điện một chiều 12V thành nguồn điện một chiều 9V để nuôi bo mạch hoạt động
Hình 4.6 mô tả mạch nguồn 12V được cấp từ accu, trong đó hai tụ C1 (1000μF) và C2 (100μF) được đặt tại đầu vào nhằm lọc nhiễu và ổn định nguồn cấp cho Arduino Tại đầu ra của nguồn, đặt thêm tụ C3 (100μF) để giảm nhiễu cho nguồn, giúp Arduino hoạt động ổn định và bền bỉ.
Hình 4.7 Cảm biến Hall A3144 V1 Module cảm biến Hall A3144 V1:
- Sử dụng IC LM393 (SMD) và cảm biến Hall A3144 V1;
- Đầu ra: D0 (Digital) và A0 (Anolog);
- Led cảnh báo nguồn: màu xanh;
- Led phát hiện từ trường: màu xanh
Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga lắp đặt trên trục cánh bướm ga đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi vị trí góc mở của bướm ga thành tín hiệu điện áp gửi đến ECU Nhờ đó, hệ thống kiểm soát động cơ có thể điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu và khí thải, nâng cao hiệu suất vận hành và tiết kiệm nhiên liệu Cảm biến này giúp đảm bảo phản hồi nhanh chóng và chính xác trong quá trình hoạt động của xe, góp phần tối ưu hóa hiệu suất động cơ và giảm khí thải độc hại.
Cảm biến oxy hoạt động dựa trên nguyên lý đo lượng oxy trong khí thải từ động cơ Khí xả đi qua ống dẫn đã được lắp đặt cảm biến oxy, tiếp xúc với đầu dò cảm biến để tạo ra dòng điện thế tỷ lệ nghịch với nồng độ oxy trong khí thải Dòng điện này sau đó được truyền về ECU để tinh chỉnh hoạt động của động cơ, giúp tối ưu hiệu suất và giảm khí thải độc hại.
Khi lượng oxy thải ra cao, dòng điện thế sẽ đạt mức 0.1V, còn khi lượng oxy thải ra thấp, dòng điện sẽ đạt mức 0.9V Dựa vào số liệu dòng điện cụ thể, ECU tự động điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu nhằm duy trì lượng xăng ở mức lý tưởng, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Cảm biến nhiệt độ động cơ hoạt động dựa trên nguyên lý điện áp 5V qua một điện trở chuẩn có giá trị không đổi theo nhiệt độ, tạo thành một cầu phân áp cùng với nhiệt điện trở trong cảm biến Điện áp giữa hai đầu của cầu phân áp này được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số (ADC), giúp chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành dạng số để ECU xử lý chính xác.
Khi nhiệt độ động cơ thấp, điện trở cảm biến cao dẫn đến điện áp gửi đến bộ chuyển đổi ADC lớn, tạo ra tín hiệu điện áp dạng xung vuông được giải mã qua vi xử lý để thông báo cho ECU động cơ biết rằng động cơ đang lạnh Ngược lại, khi động cơ nóng, điện trở cảm biến giảm làm giảm điện áp đầu ra, giúp ECU nhận biết rằng động cơ đã đạt nhiệt độ vận hành tối ưu.
Hình 4.10 Cảm biến nhiệt độ động cơ
Hình 4.11 Sơ đồ mạch ECU điều khiển phun xăng, đánh lửa
Dùng để ngắt vòi phun, bobine theo tín hiệu điều khiển Vòi phun và bobine sẽ nhận tín hiệu độc lập theo sự điều khiển của ECU động cơ
THI CÔNG MÔ HÌNH
Quy trình làm bo mạch
- Sử dụng phần mềm Proteus để vẽ sơ đồ nguyên lý;
- Sử dụng phần mềm Arduino IDE để viết lệnh điều khiển cho bo mạch;
- Sử dụng phần mềm Autocad để thiết kế hộp;
- Chuẩn bị các các linh kiện: Arduino, tụ điện, điện trở, mosfet IRF 3205,…;
- Mỏ hàn chì, chì hàn và các vật dụng liên quan khác
Bước 1: Vẽ sơ đồ nguyên lý
Thiết kế mạch nguyên lý giúp xác định sơ đồ chức năng chính của mạch Lên ý tưởng sắp xếp và bố trí các linh kiện trên bo mạch là bước quan trọng để đảm bảo tính nhỏ gọn, thẩm mỹ và tiết kiệm thời gian, chi phí trước khi thi công Nhóm đã sử dụng phần mềm Proteus để vẽ mạch và tối ưu hóa vị trí các linh kiện, đảm bảo kích thước hợp lý, thuận tiện cho việc đi dây và hàn chì Việc này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng mạch in cuối cùng.
Hình 5.1 Giao diện phần mềm Proteus
Bước 2: Xuất sơ đồ nguyên lý ra mạch in và in mạch ra giấy bóng
Hình 5.2 Xuất ra mạch in trên Proteus
Bước 3: Cắt phíp đồng để làm bảng mạch
- Cắt phíp đồng theo kích thước;
Hình 5.4 Đo và cắt phíp đồng
- Chà mặt miếng đồng bằng bông gòn và miếng rửa chén để loại bỏ đi lớp oxit trên phíp đồng, giúp mạch in dính vào rõ nét hơn
Hình 5.5 Chà phíp đồng bằng bông gòn
Bước 4: Ủi mạch bắt đầu bằng cách đặt bảng mạch in trên giấy lên mặt đồng, căn chỉnh chính xác theo chiều dọc và chiều ngang để mạch in nằm đúng vị trí trong khung đồng Tiếp theo, chỉnh bàn ủi ở nhiệt độ cao nhất và ủi trong khoảng 10 phút, chú ý ủi từ từ tại các rìa và góc cạnh để đảm bảo mạch in chuyển từ giấy sang mặt đồng một cách hiệu quả Nhiệt độ cao của bàn ủi giúp quá trình in mạch được hoàn tất chính xác và bám chắc.
Hình 5.7 Mạch in sau khi ủi vào phíp đồng
Hình 5.8 Ngâm mạch: Hoà bột FeCl3 vào nước và nhúng mạch in vào dung dịch trong khoảng 30 phút để loại bỏ phần đồng chưa dính vào mạch in Quá trình phản ứng của FeCl3 giúp giữ lại lớp đồng trên mạch điện tử và làm lộ rõ phần mạch còn lại, đảm bảo quá trình in mạch hiệu quả và chính xác.
Hình 5.9 mô tả quy trình chà mạch để tạo độ nhám cho bảng mạch in Đầu tiên, đổ dung dịch Aceton vào bông gòn và lau sạch phần mực in để loại bỏ lớp phủ không cần thiết Tiếp theo, chà nhẹ bằng miếng rửa chén để tạo độ nhám cho bề mặt mạch, giúp mạch in rõ nét hơn Cuối cùng, rửa sạch và lau khô bảng mạch để chuẩn bị cho các bước tiếp theo trong quá trình gia công mạch in.
Hình 5.10 Bo mạch sau khi được lau khô
- Điều chỉnh nhiệt độ thích hợp, thiếc hàn có nhiệt độ nóng chảy ở khoảng 200-280°C;
- Khi nhìn thấy khói bốc lên tức là đã đủ nhiệt độ, giữ nhiệt độ ổn định;
- Lấy một ít thiếc lên đầu mũi hàn;
- Đặt mũi hàn vào chân linh kiện và gắn lên bo mạch;
Đặt thiếc hàn vào chân linh kiện gần mũi hàn để thiếc nóng chảy, giúp phủ kín chân linh kiện đều và đẹp Mối hàn lý tưởng là mối hàn bóng, đủ lượng thiếc, không vón cục hoặc thiếu, đảm bảo không hở lỗ và giữ chắc gốc chân linh kiện.
Lưu ý: Trước và sau khi hàn cần mạ lại mũi hàn để tăng tuổi thọ của mũi hàn, chống oxy hoá và giúp bám thiếc tốt hơn [8]
Bước 8: Thiết kế hộp để đựng mạch điều khiển
Nhóm sử dụng phần mềm AutoCAD để thiết kế hộp, đảm bảo chính xác và tối ưu cho dự án Vật liệu chính là nhựa mica trong suốt, mang lại độ bền và thẩm mỹ cao cho sản phẩm Khi tiến hành cắt và dán hộp, cần lưu ý khoan lỗ để luồn dây điện, giúp tăng cường tính tiện dụng và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
41 Hình 5.13 Phương án thiết kế thân hộp ECU 2D
Hình 5.14 Phương án thiết kế nắp hộp ECU 2D
Hình 5.15 Hộp ECU hoàn chỉnh
Viết chương trình điều khiển động cơ
Lệnh của chương trình điều khiển phun xăng đánh lửa được trình bày ở phụ lục 1, trang 62
Hình 5.16 Giao diện lệnh điều khiển trên phần mềm Arduino IDE
Hình 5.17 Bo mạch ECU hoàn chỉnh
Đi dây điện cho mạch điều khiển động cơ
Pin (12V) là thiết bị tích điện, hoạt động như nguồn điện thứ cấp chuyển hóa hóa năng thành điện năng để lưu trữ và cung cấp điện cho các thiết bị điện tử Pin 12V có khả năng nạp và xả nhiều lần, giúp tiết kiệm chi phí và đảm bảo hoạt động liên tục cho các thiết bị của bạn.
Bơm xăng là bộ phận quan trọng trong hệ thống cung cấp nhiên liệu của ô tô, chịu trách nhiệm chuyển đổi xăng từ thùng chứa lên động cơ để duy trì hoạt động liên tục Vai trò của bơm xăng là đảm bảo nhiên liệu được cung cấp ổn định, giúp xe vận hành êm ái, trơn tru Lựa chọn và bảo trì bơm xăng đúng cách đóng vai trò then chốt trong việc duy trì hiệu suất tối ưu của xe.
Nó sẽ hoạt động liên tục từ khi xe khởi động cho đến khi xe dừng hoạt động
Hình 5.20 Bơm xăng khi gắn vào động cơ hoàn chỉnh Bơm sẽ lấy các thông số từ cảm biến để nhận biết tình trạng hoạt động của xe
Từ đó tính toán tối ưu theo dữ liệu trong bộ nhớ để điều chỉnh lương xăng và thời
45 điểm phun phù hợp giúp động cơ đạt công suất cũng như mức tiêu hao nhiên liệu tối ưu nhất với điều kiện vận hành của xe
Hình 5.21 Chân kim phun 1- vị trí gắn chân kim phun
Cảm biến Hall là thiết bị cần thiết để ghi và đo từ trường ở các bộ phận khác nhau trong hệ thống đánh lửa ô tô Nó xác định các thông số quan trọng một cách không tiếp xúc, gửi tín hiệu về ECU để ECU tính toán và điều chỉnh bộ chấp hành đánh lửa, từ đó tạo ra tia lửa điện tại đầu bugi.
Hình 5.23 Cảm biến Hall được gắn trên xe Các thiết bị tương tự được kích hoạt tuỳ thuộc vào cường độ của từ trường
Nó càng cao thì càng nhiều điện áp trong cảm biến
Hình 5.24 giới thiệu về bobine đánh lửa hay còn gọi là cuộn dây, có chức năng kết nối IC đánh lửa và bugi Đây là một biến áp cao thế đặc biệt giúp biến điện áp thấp khoảng 6-12-24V từ bình accu thành các xung điện có hiệu điện thế lên tới 12.000-40.000V, nhằm cung cấp điện áp cần thiết để bugi đánh lửa hiệu quả.
Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên trục cánh bướm ga, có chức năng xác định góc mở của bướm ga giúp theo dõi chính xác vị trí của bộ điều khiển khí nạp Nó chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu điện áp truyền về ECU, từ đó điều chỉnh lượng nhiên liệu phun phù hợp với góc mở bướm ga Nhờ cảm biến này, hệ thống phun nhiên liệu hoạt động tối ưu, nâng cao hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu cho xe.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến vị trí bướm ga dựa trên ECU cung cấp nguồn điện áp 5V để cảm biến hoạt động chính xác Khi chủ xe vặn tay ga, trục bướm ga sẽ kéo theo con trượt trên bề mặt biến giúp cảm biến ghi nhận chính xác vị trí của bướm ga Thông tin này sau đó được ECU xử lý để tối ưu hóa quá trình vận hành của động cơ.
Khi nhấn ga, bộ cảm biến trở thay đổi điện trở và làm tăng điện áp ở chân điện áp ra, giúp ECU xác định góc mở của bướm ga Khi thả tay ga, điện áp gửi về ECU giảm dần, từ đó ECU điều chỉnh lượng nhiên liệu phun phù hợp để tối ưu hoạt động của động cơ.
Hình 5.25 Cảm biến vị trí bướm ga trên xe
1-Vị trí lắp cảm biến
Chạy thử mạch điều khiển trên động cơ mẫu
5.4.1 Tiến hành kiểm nghiệm, chạy thử ECU trên động cơ
Hình 5.26 Kiểm tra quá trình đánh lửa
Tiến hành đi dây cho hộp ECU vào hệ thống phun xăng và kiểm tra hệ thống có nhận tín hiệu và làm việc ổn định hay không
Hình 5.27 Nối dây cho hộp ECU
Hình 5.28 Kiểm tra độ mở cánh bướm ga Cảm biến nhận được tín hiệu và ECU đã gửi lệnh điều khiển mở bướm ga
Hình 5.29 Kiểm tra tín hiệu phun xăng
Kết quả: Mạch đã nhận được tín hiệu và ECU đã điều khiển được quá trình kích kim phun xăng
Kiểm tra tín hiệu cảm biến
Hình 5.30 Kiểm tra tín hiệu các cảm biến Mạch đã nhận được tín hiệu cảm biến và đã điều khiển phát ra tín hiệu cho quá trình đánh lửa
5.4.2 Tiến hành hiệu chỉnh mạch điều khiển
Nhóm thực hiện tiến hành ghim dây điện vào bo mạch thử, nạp lệnh điều khiển và nổ máy thử
Qua lần kiểm tra đầu tiên, máy đã nổ được nhưng chỉ duy trì trong vòng 2-3 giây rồi tắt máy, chưa đạt chế độ hoạt động ổn định Nguyên nhân chính được xác định là do nhiễu sóng điện từ ảnh hưởng đến mạch kim phun và hệ thống đánh lửa, gây giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Hình 5.31 Nổ máy kiểm tra lần 1
Hình 5.32 Nổ máy thử nghiệm lần 2 và cho xe chạy thử ngoài đường
Nhóm đã khắc phục sự cố trong lần thử nghiệm đầu tiên bằng cách hiệu chỉnh lại kim phun, giúp đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Sau đó, nhóm tiến hành in mạch in, hàn linh kiện và thực hiện thử nghiệm lần hai trên bo mạch đã hoàn chỉnh để đảm bảo chất lượng và hiệu quả Cuối cùng, xe đã được mang đi chạy thử ngoài đường, kiểm tra hiệu suất trong điều kiện thực tế để đánh giá tổng thể hoạt động của hệ thống.
Kết quả thử nghiệm lần hai cho thấy máy đã hoạt động ổn định hơn, không bị tắt đột ngột nhưng vẫn gặp phải hiện tượng lên ga không đều Nhóm kỹ thuật phát hiện nguyên nhân chính là do lượng xăng phun vào không đều, ảnh hưởng đến hoạt động của máy Sau đó, họ đã tiến hành hiệu chỉnh lại lệnh điều khiển và nạp lại lệnh, đảm bảo quá trình phun nhiên liệu chính xác hơn.
Hình 5.33 Hộp ECU gắn trên xe hoàn chỉnh
Kết quả: Qua lần thử nghiệm này, xe tăng ga đã ổn định, chạy êm Mạch điều khiển phun xăng, đánh lửa đã điều khiển chính xác
Kết luận, sau nhiều lần thử nghiệm xe không nổ máy, mạch hoạt động không ổn định và qua các lần điều chỉnh, cuối cùng xe đã nổ máy thành công và mạch hoạt động ổn định Hệ thống đã nhận và truyền tín hiệu điều khiển phun xăng một cách chính xác, đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu của xe.
52 lửa chính xác Do đó hộp ECU của nhóm thiết kế đã hoạt động tốt và giúp xe hoạt động được ổn định, êm ái
Hộp ECU điều khiển hệ thống phun xăng và đánh lửa hoạt động dựa trên nguyên lý nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến Khi cấp nguồn, ECU sẽ kích hoạt bơm xăng trong thời gian ngắn rồi dừng lại, chờ tín hiệu từ cảm biến phun xăng và cảm biến đánh lửa Khi động cơ khởi động, các cảm biến này gửi tín hiệu về ECU để đo tốc độ động cơ và điều chỉnh hoạt động của kim phun xăng, giúp duy trì lưu lượng phun phù hợp ECU cũng điều chỉnh thời gian mở kim phun dựa trên tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ và cảm biến oxy, để tối ưu hoá hiệu quả nhiên liệu và giảm khí thải, đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ.